پلیمریزاسیون (بسپارش) چیست ؟ و مکانیسم آن

پلیمریزاسیون

پلیمر، واکنش پلیمری شدن، پلیمریزاسیون (polymerization) یا بسپارش، فرآیندی است در شیمی که در آن مولکول مونومر یا ترکیبی از آن ها یکدیگر قرار می گیرند، و پلیمر را تشکیل می دهند. در حقیقت پلیمریزاسیون یک نوع واکنش شیمیایی به شمار می آید، که در آن مولکول های کوچک در یک فرآیند شیمیایی با یکدیگر پیوند شیمیایی می دهند. که در نهایت زنجیره های پلیمری و یا شبکه های سه بعدی تشکیل می شوند.

صرفا در این مطلب به بررسی واکنش های پلیمری شدن پرداخته شده است. تا انتهای این مطلب همراه ما، ایران مول بمانید.

پلیمریزاسیون چیست؟

پلیمریزاسیون فرآیندی است که از طریق آن تعداد زیادی مولکول مونومر با هم واکنش می دهند و پلیمر را تشکیل می دهند. ماکرومولکول های تولید شده از پلیمر یزاسیون ممکن است ساختاری خطی یا شاخه ای داشته باشند. آنها همچنین می توانند شکل یک شبکه پیچیده و سه بعدی را به خود بگیرند. چندین دسته مختلف از واکنش های polymerization وجود دارد که قابل توجه ترین آنها پلیمریزاسیون مرحله ای، پلیمریزاسیون با رشد زنجیره ای (که هر دو در دسته پلیمریزاسیون افزودنی قرار می گیرند) و پلیمریزاسیون تراکمی است.

پلیمر ماده ای است که از مولکول های بسیار بزرگی تشکیل شده است(به نوبه خود از واحدهای تکرار شونده زیادی به نام مونومر تشکیل شده است.). پلیمریزاسیون فرآیندی است که از طریق آن این مونومرها با هم ترکیب می شوند و درشت مولکول هایی را تشکیل می دهند، که در نهایت پلیمرها را می سازند. تصویری که جزئیات پلیمریزاسیون مونومر استایرن را به پلیمر معروف به پلی استایرن نشان می دهد در زیر ارائه شده است.

polystyrene

واکنش پلیمریزاسیون

بسته به گروه های عاملی موجود در مونومرهای واکنش دهنده، پیچیدگی مکانیسم واکنش پلیمریزاسیون ممکن است متفاوت باشد. ساده ترین واکنش های پلیمریزا سیون شامل تشکیل پلیمرها از آلکن ها از طریق واکنش رادیکال آزاد است. پلی اتیلن، که یکی از مهم ترین پلیمرهای تجاری است، از طریق چنین فرآیند پلیمریزاسیون (مونومر واکنش دهنده مورد استفاده در اینجا اتیلن است) تهیه می شود.

می‌توان اشاره کرد که پلیمر یزاسیون‌هایی که فقط یک نوع مونومر را شامل می‌شوند، هموپلیمریزاسیون نامیده می‌شوند، در حالی که پلیمریزاسیون‌هایی که بیش از یک نوع مونومر را شامل می‌شوند، فرآیندهای کوپلیمریزاسیون نامیده می‌شوند.

پلیمریزاسیون در ساده ترین شکل را می توان به عنوان یک فرآیند شیمیایی توصیف کرد که منجر به تشکیل پلیمرها می شود. به عبارت ساده، اساساً می توان پلیمریزاسیون را به عنوان فرآیند ایجاد پلیمرها توصیف کرد. هنگامی که پلیمریزاسیون اتفاق می افتد، مولکول های کوچکتر که از طریق واکنش شیمیایی به عنوان مونومر شناخته می شوند، ترکیب می شوند تا مولکول های بزرگتری را تشکیل دهند. مجموعه ای از این مولکول های بزرگ یک پلیمر را تشکیل می دهند. اصطلاح پلیمر به طور کلی به معنای “مولکول های بزرگ” با جرم مولکولی بالاتر است. به آنها ماکرومولکول نیز می گویند.

پلیمرها با افزودن شبکه ای از واحدهای ساختاری یا مونومرهایی که در بالا ذکر شد به وجود می آیند. بخش جالب این است که اینها مولکولهای واکنشی هستند و معمولاً توسط پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل می شوند. این مونومرها با هم جمع می شوند و یک زنجیره بلند را تشکیل می دهند. محصولی با خواص خاص را تولید می کنند. کل این فرآیند تشکیل پلیمرها polymerization است. پلی اتیلن و نایلون ۶۶ نمونه هایی از پلیمرها هستند.

مکانیسم پلیمریزاسیون

به طور کلی، polymerization شامل سه مرحله است که شامل شروع، انتشار و خاتمه است. در مورد مکانیسم واکنش، فرآیند polymerization عمدتاً شامل دو روش مختلف است. اینها شامل مکانیسم رشد پله ای و مکانیسم رشد زنجیره ای است.

مرحله رشد

در polymerization پله‌ای رشد، پلیمرها از واکنش مستقل بین گروه‌های عاملی واحدهای مونومر ساده تشکیل می‌شوند. در رشد پله ای، هر مرحله ممکن است از ترکیب دو پلیمر با طول متفاوت یا یکسان تشکیل شود تا مولکول با طول بیشتر را تشکیل دهد.
واکنش یک فرآیند طولانی است و جرم مولکولی با سرعت بسیار آهسته افزایش می یابد. نمونه‌ای از polymerization پله‌ای رشد، پلیمریزاسیون تراکمی است که در آن یک مولکول آب در واکنش زمانی که زنجیره طولانی می‌شود، تکامل می‌یابد.

پلیمریزاسیون تراکمی

در بسپارش تراکمی، تشکیل پلیمر زمانی اتفاق می‌افتد که برخی از مولکول‌های کوچک به عنوان محصولات جانبی از طریق واکنشی که در آن مولکول‌ها به یکدیگر متصل می‌شوند، از دست می‌رود. محصولات جانبی تشکیل شده ممکن است آب یا کلرید هیدروژن باشد. پلی آمید و پروتئین نمونه هایی از پلیمرهای متراکم هستند. برخی از انواع مختلف پلیمریزاسیون تراکمی در زیر آورده شده است. 
  • پلی آمیدها
آنها الیاف مصنوعی هستند و به آنها نایلون می گویند. این پلیمرها یک پیوند آمیدی بین خود دارند. پلیمر یزاسیون تراکمی دی آمین ها با دی کربوکسیلیک اسید و همچنین اسیدهای آمینه و لاکتام ها، پلی آمیدها را تشکیل می دهند.
  • نایلون ۶۶ : این پلیمر در شرایط فشار و دمای بالا با پلیمر یزاسیون متراکم هگزامتیلن دی آمین با اسید آدیپیک تهیه می شود.
  • نایلون ۶ : با حرارت دادن کاپرولاکتام با آب در دمای بالا تهیه می شود. در مصارفی مانند سیم لاستیک، پارچه و طناب استفاده می شود.

پلی استرها

هنگامی که اسیدهای دی کربوکسیلیک و دیول ها تحت متراکم شدن قرار می گیرند، پلی استرها تشکیل می شوند. با حرارت دادن مخلوطی از اسید ترفتالیک و اتیلن گلیکول در دمای ۴۶۰ کیلو با استفاده از تری اکسید آنتیموان استات روی به عنوان کاتالیزور تهیه می شود. داکرون یا تریلن شناخته شده ترین نمونه ها برای پلی استرها هستند. و همچنین برای مواد تقویت کننده شیشه در کلاه ایمنی استفاده می شوند.

پلیمر فنل فرمالدئید

اینها پلیمرهای مصنوعی قدیمی هستند که از پلیمر یزاسیون تراکمی فنل با فرمالدئید در حضور اسید یا باز به عنوان کاتالیزور به دست می آیند.
 پلیمر یزاسیون تراکمی فنل با فرمالدئید
نوولاک در حرارت دادن با فرمالدئید تحت پیوند متقابل قرار می گیرد و توده ای به نام باکلیت را تشکیل می دهند. آنها برای شانه، کلیدهای برقی و صفحه های گرامافون استفاده می شوند.

ملامین – پلیمر فرمالدئید

از پلیمریزاسیون متراکم ملامین و فرمالدئید در شرایط خاص تشکیل می شود. و کاربرد زیادی در تهیه و ساخت ظروف نشکن دارند.

پلیمریزاسیون رشد زنجیره ای

در بسپارش با رشد زنجیره ای، مولکول های مونومرها به یکدیگر اضافه می شوند تا یک زنجیره بزرگ را تشکیل دهند. به طور کلی از آلکن ها، آلکادین ها و مشتقات آنها استفاده می شود. در این حالت، طولانی شدن زنجیره ها در نتیجه تشکیل رادیکال های آزاد یا گونه های یونی رخ می دهد.

مکانیسم رادیکال آزاد

بسیاری از مونومرها مانند آلکن ها یا دی ان ها و مشتقات آنها در حضور رادیکال های آزاد پلیمریزه می شوند. در پلیمر یزاسیون اتن به پلی اتن با حرارت دادن یا قرار گرفتن در معرض نور با استفاده از مقدار کمی از آغازگر بنزوئیل پراکسید. رادیکال آزاد فنیل که توسط پراکسید تشکیل می شود به پیوند دوگانه اتنی اضافه می شود. از این رو رادیکال آزاد بزرگتری تشکیل می دهد.
به آن مرحله آغاز زنجیره ای می گویند. این رادیکال تازه تشکیل شده با مولکول دیگری از اتن واکنش می دهد تا رادیکال آزاد جدید تشکیل دهد. این تشکیل مکرر یک رادیکال آزاد جدید، انتشار زنجیره ای نامیده می شود. در نهایت در مرحله ای محصول پلیمریزه شده تشکیل می شود. این مرحله را مرحله پایان زنجیره ای می نامند. مراحل در زیر آورده شده است.
مکانیسم رادیکال آزاد

واکنش شیمیایی پلیمریزاسیون

وقتی در مورد واکنش شیمیایی پلیمریزاسیون صحبت می کنیم، اساساً به واکنش پلیمریزاسیون مونومرهای آلی اشاره می کنیم. این مونومرها محلول هایی هستند که بیشتر از ذرات تشکیل می شوند.که با پلیمر تشکیل شده که بر روی سطح ذرات رسوب می کنند، پوشیده می شوند. این منجر به تشکیل یک لایه پوشش می شود. این واکنش شامل پلیمریزاسیون جذب مونومر و پلیمریزاسیون امولسیونی است.

تهیه پلیمرها

پلی اتیلن

ما دو نوع پلی اتیلن داریم که در زیر آورده شده است :
۱٫ پلی اتیلن با چگالی کم : این نوع پلیمرها از پلیمریزاسیون اتن، در حضور آغازگر دی اکسیژن یا پراکسید به عنوان کاتالیزور به مقدار بسیار کم بدست می آیند.( در شرایط فشار زیاد ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ اتمسفر در دمای ۳۵۰ تا ۵۲۰ کیلوویت)
از طریق افزودن رادیکال های آزاد و انتزاع اتم H با ساختار بسیار منشعب تشکیل می شود. ماهیت شیمیایی آن خنثی و سخت است. اما انعطاف پذیر است. رسانای ضعیف الکتریسیته است. LDP برای ساخت اسباب بازی ها، بطری های فشرده و لوله های انعطاف پذیر استفاده می شود.
۲٫ پلی اتیلن با چگالی بالا : با افزودن پلیمریزاسیون اتن در حضور کاتالیزوری مانند تری اتیل آلومینیوم و تتراکلرید تیتانیوم تهیه می شود. این فرآیند در یک حلال هیدروکربنی، در شرایط فشار کم ۳ تا ۴ اتمسفر و دمای ۳۴۳ k انجام می شود.
مانند LDP از نظر شیمیایی بی اثر است اما نسبتاً سخت تر است. برای ساخت سطل، سطل زباله، لوله و غیره استفاده می شود.

پلی تترا فلوئورواتیلن

این ترکیب، با عنوان تفلون شناخته شده است. و در اثر حرارت تترا فلوئورواتیلن با رادیکال آزاد در فشار بالا تولید می شود. تفلون از نظر شیمیایی بی اثر است و به دلیل خاصیت مقاومتی در برابر عوامل خورنده، خورندگی کمتری دارد. برای واشر و عدم چسبندگی ظروف روکش دار استفاده می شود.

پلی اکریلونیتریل

این پلیمر از پلیمریزاسیون افزودنی اکریلونیتریل در حضور یک کاتالیزور پراکسید تشکیل می شود. به عنوان جایگزین پشم در ساخت الیاف تجاری به عنوان آکریلان استفاده می شود.

پلیمریزاسیون آنیونی

این یک پلیمریزاسیون اضافی است که شامل پلیمریزاسیون مونومرهایی است که با آنیون ها آغاز می شوند. این پلیمریزاسیون با انتقال الکترون ها از یون به مونومر آغاز می شود.
اگر مونومر به شدت الکتروفیل باشد، آغازگرهای مورد استفاده ممکن است، به مقدار کمی هسته دوست باشند. در انتشار، مصرف کامل مونومر اتفاق می افتد و این سرعت حتی در دمای پایین نیز بیشتر خواهد بود. به طور کلی مونومرهای وینیل با این روش پلیمریزه می شوند. به حلال مورد استفاده در واکنش بسیار حساس است. این روش برای تولید لاستیک های پلی دی ان مصنوعی، SBR و الاستومرهای استایرن ترموپلاستیک استفاده می شود.

طبقه بندی پلیمریزاسیون

پلیمرها بر اساس عوامل متعددی مانند منبع، ساختار، نحوه پلیمریزاسیون، نیروهای مولکولی و رشد پلیمرها به دسته های مختلفی طبقه بندی می شوند.

بر اساس منبع

بر اساس منبع به موارد زیر تقسیم می شوند.
  1. پلیمرهای طبیعی : به طور طبیعی در گیاهان و جانوران یافت می شوند. رزین ها، نشاسته و لاستیک نمونه هایی از این موارد هستند.
  2. پلیمرهای نیمه مصنوعی : این یک نسخه اصلاح شده از لاستیک طبیعی است. این بدان معناست که لاستیک های طبیعی با مواد شیمیایی تصفیه می شوند تا نیمه مصنوعی شوند. به عنوان مثال : استات سلولز و نیترات سلولز 
  3. پلیمرهای مصنوعی : پلیمرهایی که کاملاً ساخته دست بشر هستند، پلیمرهای مصنوعی نامیده می شوند. پلی اتیلن، نایلون ۶۶، لاستیک مصنوعی پلیمرهای مصنوعی پرکاربرد هستند.

بر اساس ساختار پلیمرها

سه نوع مختلف وجود دارد.

  1. پلیمرهای خطی : از یک زنجیره بلند و مستقیم از مونومرها تشکیل شده است. PVC یک پلیمر خطی است
  2. پلیمرهای شاخه دار : یک نوع پلیمر خطی است که دارای چندین شاخه است. به عنوان مثال : پلی اتیلن با چگالی کم
  3. پلیمر شبکه ای یا شبکه ای : به پلیمرهایی که دارای پیوندهای متقاطع با یکدیگر هستند، پلیمرهای شبکه ای یا شبکه ای می گویند. به طور کلی، آنها از مونومرهای دو کاره یا سه کاره تشکیل می شوند. باکلیت و ملامین نمونه هایی از این نوع پلیمرها هستند.

بر اساس حالت پلیمریزاسیون

آنها به دو دسته زیر تقسیم می شوند:
  1. پلیمرهای افزودنی : پلیمرهایی که از افزودن مکرر مونومرها با داشتن پیوندهای دو یا سه گانه تشکیل می شوند. اگر افزودن از یک گونه باشد به آنها همپلیمر و اگر افزودن مونومرهای مختلف باشد به آنها کوپلیمر می گویند. به عنوان مثال : به ترتیب پلی اتیلن و Buna-s
  2. پلیمرهای تراکمی : این پلیمرها از تراکم مکرر واحدهای مونومر سه یا دو عاملی تشکیل می شوند. در این واکنش حذف برخی از مولکول های کوچک مانند آب و کلرید هیدروژن و غیره صورت می گیرد. تریلن و نایلون ۶،۶ نمونه هایی از آن هستند.

بر اساس نیروهای بین مولکول ها

 به چهار زیر گروه طبقه بندی می شوند.
  1. الاستومرها : دسته ای از پلیمرها که جامدات لاستیک مانند هستند و خاصیت ارتجاعی دارند. پیوندهای پلیمری توسط نیروهای بین مولکولی ضعیف در کنار هم قرار می گیرند. این امر موجب کشش، پلیمرها می شود. پیوندهای متقاطع موجود در پلیمر بین زنجیر به بازیابی موقعیت اولیه پس از حذف نیروی اعمال شده کمک می کند. به عنوان مثال Buna-s و Buna-s
  2. الیاف : پلیمرهایی هستند که نیروهای بین مولکولی قوی مانند پیوند هیدروژنی دارند. این عامل، باعث نزدیک شدن مولکول ها به یکدیگر می شود. و به مولکول ها ماهیت کریستالی می دهد. به عنوان مثال : پلی آمید و پلی استرها
  3. پلیمرهای ترموپلاستیک : این پلیمرها لایه‌ای هستند یا کمی به پلیمرهای شاخه‌دار تغییر یافته‌اند که می‌توانند با گرمایش مداوم و سخت شدن در هنگام سرد شدن نرم شوند. نیروی بین مولکولی آنها بین الیاف و الاستومرها قرار دارد. پلی وینیل ها و پلی استایرن نمونه ای از این پلیمر هستند.
  4. پلیمرهای ترموست : پلیمرها در دسته پلیمرهای به شدت منشعب یا متقاطع قرار می گیرند که در اثر حرارت می توانند قالب گیری کنند و نمی توانند شکل اولیه را به دست آورند. بنابراین اینها قابل استفاده مجدد نیستند. باکلیت یک نمونه از آن است.
امتیاز دهید

دیدگاه‌ خود را بیان کنید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.