Thread Content
همگی میدانند که انعطافپذیری زنجیرههای پلیمری تحت تأثیر عوامل بسیاری قرار دارد. پس، عواملی که بر انعطافپذیری زنجیرههای پلیمری تأثیر میگذارند چه هستند؟ برای توضیح با مثال خوش آمدید.
انعطافپذیری زنجیرههای پلیمری عمدتاً به ساختار زنجیره اصلی و گروههای موجود در زنجیرههای فرعی بستگی دارد. در مورد ساختار زنجیره اصلی، میزان آسانی چرخش درون بخشهای مختلف زنجیره، تعیینکنندهی میزان انعطافپذیری است. در مواد هیدروکربنی، قطبیت کم بوده و تعاملات بین مولکولها نیز کم است؛ بنابراین موانع چرخش درون زنجیره کم بوده و انعطافپذیری این مواد خوب است؛ مثلاً پلیاتیلن. اگر زنجیره اصلی حاوی پیوندهای دوگانه کربن-کربن همپیوسته باشد، چرخش درونی امکانپذیر نیست و سفتی زنجیره مولکولی به طور چشمگیری افزایش مییابد، مانند پلیآکریلن. اگر زنجیره اصلی دارای ساختار حلقوی باشد، چرخش درونی نیز امکانپذیر نیست و سفتی زنجیره مولکولی نیز به شدت افزایش مییابد؛ برای مثال، کوولار از نایلون معمولی سفتی و مقاومت بیشتری در برابر دماهای بالا دارد. علاوه بر این، در پلیمرهای زنجیرهای مختلط، موانع چرخش داخلی پیوندهای تکی مانند C-O، C-N و C-Si کمتر از پیوند C-C است؛ بنابراین انعطافپذیری پلیاورها و پلیاسترها بسیار خوب است. کائوچوی فلوئورواستر، به دلیل وجود پیوندهای استر، انعطافپذیری کائوچوی فلوئورین را در دماهای پایین به طور قابل توجهی بهبود بخشیده است. در مورد گروههای زنجیره فرعی، شدت تعاملات و اثرات مانع فضایی، میزان انعطافپذیری را تعیین میکنند. گروههای زنجیره فرعی قطبی، هرچه تعاملشان با سایر اتمها قویتر باشد، مانع چرخش درون زنجیره نیز بیشتر خواهد بود و در نتیجه انعطافپذیری زنجیره کاهش مییابد؛ مانند گروههای زنجیره فرعی حاوی گروههای جذبکننده الکترون مانند CN و Cl، مانند پلیآکریلونیتریل و پلیکلرید وینیل. برای گروههای جانبی غیرقطبی، هرچه حجم بیشتر باشد، اثر مانع فضایی نیز بیشتر میشود و انعطافپذیری زنجیره کاهش مییابد.
انعطافپذیری پلیمرها به ساختار مولکولی آنها بستگی دارد؛ هرچه ساختار مولکولی حاوی پیوندهای C-O، C-N و C-Si باشد، انعطافپذیری پلیمر بهتر خواهد بود. به عنوان مثال: پلی استر، پلی آمید، پلیاورتان، پلیدیمتیلسیلوکسان و غیره.
عمدتاً به اندازه مولکول و گروههای مختلف موجود در آن مربوط میشود: برای مثال، هرچه تعداد گروههای حلقوی ناخالص و هیدروکربنهای آروماتیک در مولکول بیشتر باشد، انعطافپذیری آن کمتر خواهد بود. همچنین، پیوندهای کربن-اکسیژن، کربن-نیتروژن و کربن-گوگرد در مولکول نقش دارند؛ اکسیژن، گوگرد و نیتروژن همگی دارای نیروهای مولکولی بسیار قوی هستند
توانایی زنجیرههای پلیمری در تغییر ویژگیهای ساختاری خود، انعطافپذیری نامیده میشود؛ این ویژگی دلیل اصلی تفاوت بسیاری از خواص پلیمرها با مواد کوچکمولکولی است. ساختار زنجیره اصلی تأثیر قابل توجهی بر انعطافپذیری پلیمر دارد. به عنوان مثال، به دلیل زاویه بزرگ پیوند Si-O-Si، طول پیوند Si-O نیز بزرگ است و چرخش درونی آن آسانتر میشود؛ بنابراین پلیدیمتیلسیلوکسان انعطافپذیری بسیار خوبی دارد و یک لاستیک مصنوعی عالی محسوب میشود. به دلیل عدم توانایی حلقههای آروماتیک ترکیبی در چرخش داخلی، زنجیرههای پلیمری که دارای ساختار حلقههای آروماتیک ترکیبی در زنجیره اصلی خود هستند، انعطافپذیری کمتری دارند و ویژگی مقاومت در برابر دماهای بالا را دارند. شدت قطبیت گروههای جانبی، تأثیر زیادی بر انعطافپذیری زنجیرههای پلیمری دارد. هرچه قطبیت گروههای جانبی کمتر باشد، نیروهای بین آنها بیشتر میشود؛ در نتیجه چرخش داخلی پیوندهای تکی دشوار میگردد و انعطافپذیری زنجیره کاهش مییابد. طول زنجیره نیز بر انعطافپذیری تأثیر میگذارد؛ اگر زنجیره بسیار کوتاه باشد، تعداد زنجیرههای تکی که در حال چرخش داخلی هستند بسیار کم خواهد بود و تعداد حالتهای ساختاری مولکول نیز کم میشود، که منجر به سفتی مولکول میگردد.
زنجیره اصلی پلیمرهای سنتزی عمدتاً از زنجیرههای کربنی تشکیل شده است که اتمهای کربن در آنها از طریق پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل شدهاند. از آنجا که پیوندهای تکی میتوانند به راحتی بچرخند، احتمال اینکه پلیمرهای زنجیرهای خطی، تحت تأثیر این چرخش، در حالت خطی باقی بمانند، بسیار کم است. در واقع، پلیمرهای زنجیرهای بلند در حالت پیچیدگی طبیعی قرار دارند و مولکولها با یکدیگر درهم تنیده شدهاند؛ به همین دلیل انعطافپذیری دارند. وقتی نیروی خارجی بر روی مولکولها وارد میشود، مولکولهای پیچیده میتوانند صاف شوند؛ اما به محض از بین رفتن آن نیرو، مولکولها دوباره به حالت پیچیده قبلی خود بازمیگردند. بنابراین، پلیمرهای ساخته شده دارای الاستیسیته مشخصی هستند. از آنجایی که پلیمرهای سنتزی همگی مولکولهای بزرگ با زنجیرههای دراز هستند و در حالت پیچیده طبیعی قرار دارند، به راحتی نمیتوانند به صورت منظم در یک ساختار بلوری دورهای چیده شوند. برخلاف مولکولهای کوچک، پلیمرهای سنتزی به راحتی نمیتوانند بلورهای کامل تشکیل دهند. با این حال، در مقیاس محلی، زنجیرههای مولکولی میتوانند به صورت منظمی چیده شوند و حالت بلوری را تشکیل دهند؛ که به آن نظم کوتاهبردی گفته میشود. بنابراین، در بلورهای پلیمری اغلب بخشهای بلوری و غیربلوری وجود دارد؛ لذا از درصد بلورینگ برای سنجش نسبت بخش بلوری در کل پلیمر استفاده میشود. مقاومت حرارتی و استحکام مکانیکی پلیمرهای بلورین، معمولاً بالاتر از پلیمرهای غیربلورین است؛ همچنین این پلیمرها دارای نقطه ذوب مشخصی نیز میباشند. بنابراین، برای بهبود این ویژگیهای پلیمرها، لازم است که میزان بلورینگ آنها افزایش یابد. ساختارهای پلیمری دارای ناهمگونی هستند، که به آن چندپراکندگی نیز گفته میشود؛ این ویژگی، تفاوت اساسی با ساختارهای مولکولهای کوچک است. ساختار مولکولهای کوچک مشخص است و وزن مولکولی آنها نیز مشخص است. اما در مورد پلیمرهای سنتزی، هر پلیمر مستقلی، به محض تعیین شدن درجه پلیمریزاسیون n، دارای وزن مولکولی مشخصی خواهد بود. اما در واکنشهای پلیمریزاسیون، پلیمر حاصل یکنواخت نیست، بلکه مخلوطی از پلیمرهای با درجات پلیمریزاسیون مختلف است؛ بنابراین در چنین شرایطی نمیتوان وزن مولکولی پلیمر را تعیین کرد. اندازهگیری آزمایشگاهی وزن مولکولی پلیمرها، تنها نتیجه میانگین آماری وزن مولکولی پلیمرهایی است که در نمونه دارای درجات پلیمریزاسیون متفاوتی هستند. ویژگیهای ساختاری فوقالذکر پلیمرهای سنتزی، باعث میشود که آنها دارای خواص ویژهای مانند قابلیت پلاستیسیته حرارتی، قابلیت تثبیت حرارتی، مقاومت در برابر سایش، عایقبندی، چگالی نسبتاً کم و استحکام نسبی بالا باشند. هنگام گرم شدن پلیمرهای زنجیرهبلند، گرمایش مولکولها به طور یکنواخت اتفاق نمیافتد؛ برخی از بخشها گرم میشوند، برخی دیگر کمتر گرم میشوند و حتی برخی از بخشها اصلاً گرم نمیشوند. بنابراین، پلیمرها پس از گرم شدن بلافاصله ذوب نشده و به حالت مایع درنمیآیند، بلکه ابتدا فرآیند نرم شدن را طی کرده و سپس به حالت مایع درمیآیند. البته، این تأثیر عوامل خارجی است؛ ناهمگنی درون مولکول نیز یک دلیل مهم است. پس از خنک شدن، مایع سفت شده و به حالت جامد درمیآید؛ با گرم کردن مجدد، دوباره نرم شده و قابل جریان است. این ویژگی پلیمرهای خطی، «ثابتشدن در دمای بالا» نامیده میشود؛ این ویژگی نه تنها فرآوری مواد پلیمری را آسان میکند، بلکه امکان انجام عملیاتهای مشابه را چندین بار نیز فراهم میسازد. تمام پلیمرهای خطی فهرستشده در جدول ۸-۱، دارای ویژگی ترموپلاستیکی هستند؛ پس از گرم شدن و نرم شدن، میتوان آنها را برای ساخت قطعات پلاستیکی با اشکال مختلف استفاده کرد یا به صورت الیاف تبدیل نمود که این کار نیز بسیار آسان است. هنگام واکنش پلیمریزاسیون مونومرها، ابتدا پلیمرهای خطی تشکیل میشوند؛ در شرایط خاصی، رشتههای مولکولی با یکدیگر پیوند برقرار کرده و از حالت خطی به حالت سهبعدی درمیآیند. پلیمرهای ساختاری هنگام گرم شدن ذوب یا جریان نمییابند؛ وقتی به دمای مشخصی رسیدند، ساختار آنها از بین میرود. این ویژگی را «ثبات حرارتی» مینامند. بنابراین، پلیمرهای درشتمولکولی پس از فرآوری و شکلگیری، نمیتوانند با گرم کردن دوباره به حالت اولیه خود بازگردند. پلیمرهای سنتزی عمدتاً حاوی عناصری مانند C، H، O، N، S و هالوژنها هستند؛ بنابراین وزن آنها بسیار کمتر از فلزات است. به طور کلی، چگالی نسبی پلیمرها بین ۱ تا ۲ است؛ سبکترین پلاستیک، یعنی پلیپروپیلن، دارای چگالی نسبی تنها ۰.۹۱ میباشد ; چگالی نسبی پلاستیکهای حبابدار تنها ۰.۰۱ است؛ یعنی ۱۰۰ برابر سبکتر از آب، و مادهای بسیار مناسب برای نجات جان است. مواد پلیمری دارای چگالی نسبتاً کمی هستند، اما استحکام بالایی دارند؛ استحکام برخی از پلاستیکهای مهندسی حتی از فولاد و سایر فلزات نیز بیشتر است. به عنوان مثال، استحکام فایبرگلاس ۱.۷ برابر فولاد آلیاژی، ۱.۵ برابر آلومینیوم و ۱ برابر فولاد تیتانیوم است. به دلیل وزن کم، استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی و قیمت پایین، مواد پلیمری به تدریج جایگاه فلزات را در بسیاری از موارد گرفتهاند؛ ظهور خودروهای کاملاً پلاستیکی نمونهای بارز از این موضوع است. چرا مواد پلیمری چنین استحکام بالایی دارند؟ مولکولهای پلیمری دارای جرم مولکولی بالا، تعداد زیادی اتم در ساختار خود هستند و زنجیرههای مولکولی نیز با یکدیگر درهم پیچیدهاند؛ بنابراین نقاط تماس اتمها بین زنجیرههای مولکولی بسیار زیاد است و نیروهای بینآنها نیز بسیار قوی میباشد. این نیرو، نیروی بینمولکولی یا نیروی فاندرول نامیده میشود. اگر شرایط لازم برای تشکیل پیوندهای هیدروژنی فراهم باشد، میتوان پیوندهای هیدروژنی بین زنجیرههای مولکولی نیز ایجاد کرد. وجود نیروهای بینمولکولی قوی در پلیمرها، دلیل اصلی استحکام بالای مواد پلیمری است. زنجیرههای مولکولی پلیمرها در کنار یکدیگر پیچیده شدهاند و ژنهای موجود روی بسیاری از این زنجیرهها در داخل آنها قرار دارند. هنگامی که مولکولهای ماده واکنشدهنده اضافه میشوند، تنها گروههایی که در خارج قرار دارند به راحتی میتوانند با مولکولهای ماده واکنشدهنده واکنش نشان دهند؛ در حالی که ژنهایی که در داخل قرار دارند، به سختی واکنش نشان میدهند. بنابراین، خواص واکنشی ترکیبات پلیمری ضعیف است و آنها نسبت به مواد شیمیایی پایدارتر هستند. پلیمرها دارای ویژگیهایی مانند مقاومت در برابر اسیدها و خوردگی هستند؛ پلیتترافلوئورواتیلن، که یکی از پلیمرهای مشهور است، حتی اگر در محلول هیپوکلریت نقره جوشانده شود، تغییری نمیکند. میزان مقاومت آن در برابر اسیدها بسیار بیشتر از طلا است. پلیتترافلوئوروئتیلن یک مادهی عالی در برابر اسیدها و خوردگی است. زنجیرههای مولکولی در پلیمرها، از اتمهایی تشکیل شدهاند که با پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل شدهاند؛ این مولکولها نه قابلیت یونیزاسیون دارند و نه میتوانند الکترون را در ساختار خود منتقل کنند. بنابراین، پلیمرها دارای خاصیت عایق بودن هستند. پوشش سیمها و پریزها نیز از پلاستیک ساخته میشوند. علاوه بر این، پلیمرها در برابر انواع مختلفی از پرتوها مانند پرتوهای آلفا، بتا، گاما و ایکس مقاومت دارند و میتوانند در برابر تشعشعات محافظت کنند. نامگذاری پلیمرهای سنتزی: روشی این است که کلمه «پلی» را در ابتدای نام مونومر قرار داد، مانند پلیاتیلن، پلیکلرید وینیل و غیره ; روش دیگر این است که عبارت «رزین» را پس از نام ساده مونومر اضافه کنیم؛ مانند رزین فنولآلدئید که از پلیمریزاسیون فرمالدئید و فنول به دست میآید، همچنین رزین اورهآلدئید، رزین اپوکسی و غیره. در تجارت، استفاده از نام محصولات رایجتر است، زیرا مناسبتر است. جدول ۸-۲ نامهای تجاری برخی از پلیمرهای سنتزی را فهرست میکند.
چرخش داخلی زنجیرههای پلیمری کاملاً آزاد نیست؛ وجود تعاملات بین اتمهای موجود در مولکولها، تحت تأثیر عواملی مانند ساختار مولکولی (ساختار نزدیکی)، دما، تعاملات در حالت تجمع پلیمرها، تعاملات بین پلیمرها و حلال در محلول، و همچنین میدانهای نیرویی خارجی قرار دارد. در ادامه، تأثیر ساختارهای نزدیکبرد بر انعطافپذیری مولکولهای بزرگ توضیح داده شده است. ساختار زنجیره اصلی: ساختار زنجیره اصلی تأثیر قابل توجهی بر انعطافپذیری زنجیرههای پلیمری دارد. (۱) پلیمرهای زنجیره کربنی: الف پلیمرهای زنجیره کربنی ناساتوره، نسبت به پلیمرهای زنجیره کربنی ساتوره، انعطافپذیرتر هستند. PB>PE IR>PP PVC>CR ب: پلیمرهایی که زنجیره اصلی آنها حاوی حلقه بنزن است و پلیمرهایی دارای پیوندهای دوگانه متصل، انعطافپذیری کمتری دارند. پلیفنول اتر (PPO)، پلیفنیل، پلیاکتین (۲) پلیمرهای زنجیرهای مختلط و پلیمرهای تکعنصری: Si-O > C-N > C-O > C-C، لاستیک سیلیکونی، نایلونها، استرها، النها، قطبیت، حجم و تقارن گروههای جانبی – گروههای جانبی (۱) گروههای جانبی قطبی، میزان قطبیت: هرچه قطبیت بیشتر باشد، انعطافپذیری زنجیره کمتر خواهد بود. PAN > PVC > PP میزان قطبیت: هرچه گروههای قطبی بیشتر شوند، انعطافپذیری کاهش مییابد. پلیوینیل کلرید، هنگامی که میزان کلر آن کم باشد، یک لاستیک با انعطافپذیری خوب است؛ با افزایش میزان کلر، انعطاف زنجیرهها کاهش یافته، انعطافپذیری آن نیز کم میشود و در نهایت به یک ماده سخت تبدیل میگردد. پلیاتیلن > پلیکلرواتیلن > پلیدیکلرواتیلن ۱,۲ تقارن: هنگامی که گروههای جانبی به طور متقارن توزیع شده باشند، انعطافپذیری بهتر است. پلیبیدیکلرواتیلن > پلیکلرواتیلن (۲) گروههای جانبی غیرقطبی هنگامی که گروههای جانبی انعطافپذیر باشند، هرچه طول آنها بیشتر باشد، انعطافپذیری زنجیره نیز بهتر خواهد بود. پلیمتیلمتاکریلات < پلیمتیلاستایرات < پلیمتیلبرومواستیرات هنگامی که گروههای جانبی سفت باشند، حجم گروههای جانبی افزایش یافته، اثر مانع فضایی بیشتر میشود و انعطافپذیری کاهش مییابد. PE > PP > PS > پلیوینیلکارزول هنگامی که گروههای جانبی متقارن باشند، انعطافپذیری افزایش مییابد. PP < PIB شاخهداری و ترکیب (۱) شاخهداری: شاخهداری طولانی – اثر پیچیدگی فیزیکی بین زنجیرههای مولکولی افزایش یافته، حرکت زنجیرههای مولکولی محدود شده و انعطافپذیری کاهش مییابد. شاخهزدایی کوتاه – فاصله بین زنجیرههای مولکولی افزایش یافته و انعطافپذیری بالاتر میشود. (۲) پیوندزدایی: پیوندزدایی خفیف – تأثیری بر توانایی حرکت زنجیرها ندارد و انعطافپذیری آنها تغییر نمیکند. پیونددهی بالا – حرکت زنجیرهها محدود شده و انعطافپذیری کاهش مییابد. پیوندهای هیدروژنی و نیروهای بینمولکولی: اگر پلیمرها پیوندهای هیدروژنی را در داخل یا بین مولکولهای خود تشکیل دهند، سفتی زنجیرههای مولکولی افزایش مییابد. پلیاتیلن > پلیفرمالدئید؛ ساختار کوپلیمرها: انواع کوپلیمرها عبارتند از کوپلیمرهای متناوب، کوپلیمرهای تصادفی، کوپلیمرهای بلوکی و کوپلیمرهای شاخهدار. مطالعه کوپلیمرها در شیمی پلیمرها مورد بحث قرار گرفته است. کوپلیمرهای معمولی شامل SBS، ABS و AS هستند که عملکرد آنها بسته به ترکیباتشان تفاوتهای زیادی دارد. به عنوان مثال: ABS که بر پایه بوتادیئن است، انعطافپذیری خوبی دارد؛ ABS که بر پایه استایرن است، سطحی صاف و براق دارد؛ و ABS که بر پایه آکریلونیتریل است، سختی و استحکام بالایی دارد. سایر عوامل مانند گروههای انتهایی، ساختار توالیای و ترکیبات فضایی، تقریباً هیچ تأثیری بر انعطافپذیری آنها ندارند. در این میان، ساختار سهبعدی بر ساختار کلی تأثیر میگذارد و در نتیجه بر توانایی حرکت زنجیره در حالتهای تجمعی نیز تأثیر میگذارد؛ اما در اینجا بر توانایی حرکت «زنجیره» به عنوان یک واحد مستقل تأکید شده است، یعنی انعطافپذیری «زنجیره» و نه توانایی حرکت آن در حالتهای مختلف.
انعطافپذیری زنجیرههای مولکولی پلیمرها، یکی از عوامل مهم در تأثیرگذاری بر فرآیند پیونددهی تحت تابش است. پلیمرهایی که زنجیرههای مولکولی آنها انعطافپذیری خوبی دارند، به راحتی قابل پیونددهی هستند و مقدار تابش مورد نیاز برای این کار کمتر است؛ در مقابل، پلیمرهایی که زنجیرههای مولکولی آنها سفت هستند، پیونددهی تحت تابش برای آنها دشوارتر است. در مورد برخی پلیمرهایی که زنجیرههای مولکولی آنها بسیار سفت هستند، لازم است که در دمای بالا، زنجیرههای مولکولی کمی انعطافپذیر شوند تا بتوان فرآیند پیونددهی تحت تابش را انجام داد. انعطافپذیری زنجیرههای مولکولی همچنین بر رابطه بین درجه شکست و دوز تشعشع تأثیر میگذارد؛ با وارد کردن ضریب β که نشاندهنده انعطافپذیری زنجیرههای مولکولی است، در فرمول رابطه بین درصد سولها و دوز تشعشع، فرمول رابطه Charlesby-Pinner اصلاح شده و فرمول جدیدی با دامنه کاربرد گستردهتر برای این رابطه به دست آمده است. انعطافپذیری زنجیره مولکولی نیز بر مکانیسم واکنش پیونددهی تحت تابش تأثیر میگذارد؛ همانطور که از نمونههای مختلف پلیمرها مشخص است، پلیمرهایی با انعطافپذیری بالا، دمای چرخش (Tg) کمتری دارند و عامل مانع چرخش درون مولکولی آنها کوچکتر است؛ مکانیسم واکنش پیونددهی تحت تابش در این نوع پلیمرها عمدتاً از نوع H است ; در حالی که پلیمرهای زنجیرهای سفت، دارای Tg بالاتری هستند و عامل مانع چرخش درون مولکولی آنها بزرگ است، مکانیسم واکنش ترکیب تابشی این نوع پلیمرها عمدتاً از نوع T (یا Y) است.
عمدتاً به ساختار زنجیره پلیمر بستگی دارد: ۱. آنهایی که حاوی گروههای زیادی هستند که بر مانع فضایی تأثیر میگذارند، انعطافپذیری کمتری دارند. به عنوان مثال، زنجیره اصلی حاوی تعداد زیادی حلقه بنزن و زنجیرههای جانبی فراوانی است. ۲. موادی که حاوی گروههای قطبی زیادی هستند، انعطافپذیری کمتری دارند؛ مانند Cl و غیره. ۳. پلیمرهایی که حاوی گروههای اتری و پیوندهای دوگانه زیادی هستند، انعطافپذیری بهتری دارند.
طبقات ۲، ۴، ۸ و ۱۰ واقعاً فوقالعادهاند! درباره این موضوع، در کتابهای پلیمرها ذکر شده است. در اصل، ساختار آن شاخهدار است و به طول زنجیره مولکولی و وضعیت گروههای عملکردی بستگی دارد.