معرفی پلیمر؛ ساختار، خواص و کاربردهای صنعتی
در دهه‌های اخیر پیشرفت چشمگیری در علم و صنعت پلیمرها به وجود آمده است که تاثیرات ژرفی بر روی زندگی روزمره ما داشته است. پلیمر یا بسپار به عنوان ترکیب‌های بزرگ و متشکل از یک یا چند واحد تکرار شونده، از پایه‌های اساسی در تشکیل انواع مختلف مواد صنعتی از جمله پلاستیک، لاستیک، فیبر و فوم استفاده می‌شوند. این مواد با ویژگی‌های متنوع از جمله انعطاف پذیری، مقاومت مکانیکی، پایداری شیمیایی و عایق به گستره‌ای از صنایع از جمله خودرو سازی، الکترونیک، بسته‌بندی، پزشکی و بسیاری حوزه‌های دیگر خدمت رسانی می‌کنند. در این مقاله به بررسی اجمالی تکنولوژی، کاربرد و تحولات اخیر در زمینه پلیمر پرداخته خواهد شد.
پلیمر چیست؟
پلیمر ماده‌ای است که از تعداد زیادی واحدهای تکرار شونده به نام مونومر تشکیل می‌گردد. این واحدهای مونومری به صورت زنجیره‌های طولانی پیوسته به یکدیگر متصل می‌شوند و باعث ایجاد یک ساختار بلورین یا نیمه بلورین می‌شوند که خواص مختلفی را از جمله مقاومت مکانیکی، انعطاف پذیری، شفافیت، مقاومت شیمیایی و حرارتی و... دارند. پلیمر به دو دسته عمده تقسیم می‌شود: پلیمرهای طبیعی و پلیمرهای مصنوعی.
پلیمرهای طبیعی
در پلیمرهای طبیعی، مواد اولیه از منابع طبیعی مانند گیاهان، جانوران و میکروارگانیسم‌ها به‌دست می‌آیند. این نوع بسپارها از واحدهای مولکولی تکرار شونده که منشا آن‌ها از محیط زیست گرفته شده است، ساخته می‌شوند. این روش تولید پلیمرها باعث کاهش وابستگی به منابع محدود و فسیلی می‌شود که به جای آن‌ها از منابع تجدید پذیر استفاده می‌کنند.
به‌عنوان مثال سلولز یکی از پلیمرهای طبیعی است که در اکثر گیاهان یافت می‌شود. سلولز از واحدهای گلوکز تشکیل شده است و از جمله مهم‌ترین مواد سازنده‌ای است که در ساختار سلول‌های گیاهی وجود دارد. این پلیمر طبیعی به دلیل ویژگی‌های خود از جمله استحکام مکانیکی، پایداری و تجزیه پذیری پس از دوره زمانی معقول، به مواد پایدار و قابل استفاده در بسیاری از صنایع تبدیل شده است.
پلیمرهای مصنوعی
پلیمرهای این دسته به صورت صنعتی تولید می‌شوند و امکان تولید آن‌ها با تغییرات متعدد در رشته‌های مولکولی مختلف وجود دارد. این نوع پلیمرها که به عنوان پلیمرهای سنتتیک نیز شناخته می‌شوند، از مواد اولیه غیرطبیعی تهیه شده و به وسیله فرآیندهای شیمیایی و صنعتی به شکل بسپارهای قابل استفاده تبدیل می‌گردند. این ترکیب در انواع مختلفی به بازار عرضه می‌شود و کاربردهای بسیار گسترده‌ای دارد. به‌عنوان مثال پلاستیک‌ها یکی از انواع پلیمرها هستند، علاوه بر آن بسپار در تولید اشیا متنوعی از جمله لوازم خانگی، بسته‌بندی، لوازم الکترونیکی و قطعات خودرو به کار می‌رود.
طبقه بندی انواع پلیمر
پلیمرها بر اساس معیارهای مختلفی می‌توانند طبقه بندی شوند. دو معیار اصلی برای طبقه بندی پلیمرها وجود دارد که شامل ترکیب شیمیایی و ساختار مولکولی آن‌ها است. در زیر به برخی از طبقه بندی‌های رایج در بسپار اشاره می‌کنیم:
طبقه بندی بر اساس ترکیب شیمیایی
- پلی‌اتیلن‌ها: شامل پلی‌اتیلن بازالت (LDPE)، پلی‌اتیلن چگالی پایین (LLDPE)، پلی‌اتیلن چگالی متوسط (MDPE)، پلی‌اتیلن چگالی بالا (HDPE) و...
- پلی‌پروپیلن‌ها: شامل پلی‌پروپیلن بازالت (PP), پلی‌پروپیلن معمولی (mPP), پلی‌پروپیلن انجمادی (iPP) و...
- پلی‌وینیل کلراید (PVC): شامل PVC سخت (rigid PVC) و PVC نرم (flexible PVC).
- پلی‌اترها: شامل پلی‌اتر ترفتالات (PET) و پلی‌اتر کربنات (PC).
- پلی‌استایرن‌ها: شامل پلی‌استایرن استیرنت (PS) و پلی‌استایرن اکریلونیتریل-بوتادیِن-استیرن (ABS).
- پلی‌یورتان‌ها: شامل پلی‌یورتان نوع حالت جامد و پلی‌یورتان نوع حالت لاستیکی.
طبقه بندی بر اساس ساختار مولکولی
- پلیمرهای خطی: مانند پلی‌اتیلن.
- پلیمرهای شاخه‌دار: مانند پلی‌استایرن شاخه‌دار.
- پلیمرهای تراکمی: شامل پلی‌اتیلن باال‌چگالی (HDPE).
- پلیمرهای اکریلیک: مانند پلی‌متیل‌متاکریلات (PMMA).
- پلیمرهای کربنیل: مانند پلی‌کربنات (PC).
طبقه بندی بر اساس رفتار حرارتی
- پلیمرهای ترموپلاستیک: شامل پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، پلی‌استایرن.
- پلیمرهای ترموستاتیک: شامل پلی‌اترها، پلی‌کربنات، پلی‌فنیل اکسید.
- پلیمرهای الاستومری: مانند لاستیک‌ها.
کاربرد پلیمر در زمینه‌های مختلف
پلیمرها به دلیل ویژگی‌ها و خواص منحصر به فردشان در انواع صنایع و زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. در زیر تعدادی از کاربردهای مهم پلیمرها آورده شده است:
صنایع پلاستیک و پلیمری
صنایع پلاستیک و پلیمری اهمیت وسیعی در جوامع مدرن دارند. اغلب پلاستیک‌ها از مواد پلیمری تولید می‌شوند که ویژگی‌ها و خصوصیات منحصر به فردی دارند. این مواد در تولید گستره‌ای از محصولات مورد استفاده قرار می‌گیرند که از جمله آن‌ها می‌توان به وسایل خانگی، کیسه‌ها، بطری‌ها، اسباب‌بازی، تجهیزات وسایل نقلیه، لوازم التحریر و بسیاری موارد دیگر اشاره کرد. با توجه به سهولت در فرآیند تولید و قدرت انعطاف پذیری در طراحی محصولات، صنایع پلاستیک و پلیمری از جایگاه ویژه‌ای در اقتصاد و تولید داخلی برخوردار هستند. تنوع در انواع پلاستیک‌ها و توانایی تغییر ویژگی به تناسب نیازها، این صنایع را به یک زیرساخت مهم در تولید محصولات متنوع و پیشرفته تبدیل کرده است.
صنعت خودرو سازی
در صنعت خودرو سازی پلیمرها به عنوان جایگزینی کارآمد برای فلزات در تولید اجزای مختلف داخلی و خارجی خودروها به کار می‌رود. این استفاده‌ها شامل یک مجموعه گسترده از قطعات از جمله پنجره‌ها، بامپرها، داشبورد، صندلی‌ها و سیستم‌های عایق بندی می‌باشد. استفاده از پلیمر در صنعت خودرو سازی به طراحی زیبا، افزایش مقاومت به ضربه، افزایش مقاومت به شرایط جوی و همچنین کاهش وزن خودرو کمک می‌کند. با توجه به رشد صنعت خودرو سازی و تمایل به بهره‌برداری از مزایای پلیمرها، انتظار می‌رود که استفاده از این مواد در تولید قطعات خودروها به مراتب افزایش یابد. این گام به سوی بهبود عملکرد، کارایی سوخت و کاهش وزن، در نهایت به بهبود محیط زیست و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای نیز کمک می‌کند.
صنعت بسته بندی
در صنعت بسته بندی پلیمرها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود از جمله خاصیت انعطاف پذیری و توانایی حفظ محتوا، به‌عنوان یک ابزار حیاتی به منظور بسته بندی مواد غذایی، محصولات صنعتی و مصارف متنوع دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. خصوصیات بسپارها امکان ایجاد بسته بندی‌های شفاف و جذاب، انعطاف پذیری در طراحی، مقاومت در برابر ضربه و ویژگی‌های حفظ فرآیند و کیفیت محصولات را فراهم می‌کند. از این رو پلیمرها در تولید بسته بندی‌های مختلف از جمله کیسه، بطری، قوطی و کانتینر به کار می‌روند.
صنعت الکترونیک
در حوزه صنعت الکترونیک پلیمرها به عنوان مهم‌ترین مواد مورد استفاده قرار می‌گیرند و در تولید قطعات الکترونیکی گوناگون کاربرد فراوانی دارند. پلیمرها به دلیل ویژگی‌هایی همچون انعطاف پذیری، عایق بندی، مقاومت به شرایط محیطی و وزن سبک بهترین انتخاب برای استفاده در صنعت الکترونیک محسوب می‌شوند. پلیمرها در تولید نمایشگر، باتری، سیم و کابل، مدارهای انعطاف پذیر، وسایل پوشیدنی هوشمند و سایر دستگاه‌های الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه بر این تحقیقات و توسعه در زمینه بسپار در صنعت الکترونیک به توسعه تکنولوژی‌های جدید و ایجاد امکانات نوآورانه منجر شده است. بهبود در خواص الکتریکی و مکانیکی پلیمرها، امکان ایجاد تراشه‌های انعطاف‌پذیر و تولید قطعات الکترونیکی با ابعاد کوچکتر، از جمله نتایج این تلاش‌ها هستند.
حوزه پزشکی
در حوزه پزشکی پلیمرها به عنوان مواد اساسی در تولید وسایل و تجهیزات پزشکی استفاده می‌شود و از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند. ویژگی‌های منحصر به فرد پلیمرها از جمله سبکی، انعطاف پذیری، تحمل محیط‌های ضدعفونی و توانایی بهبود پایداری بیولوژیکی باعث شده تا این مواد به عنوان جایگزین مناسبی برای مواد دیگر در تولید وسایل پزشکی انتخاب شوند.
دستکش‌های ساخته شده با بسپار به دلیل قابلیت عدم انتقال عوامل آلرژی‌زا و عفونی، در فرآیند درمان و جراحی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. لوله‌های کاتتر و بندها نیز از پلیمر تولید می‌شوند تا در روند درمان و تشخیص اختلالات پزشکی موثر باشند. علاوه بر این‌ها پانسمان نیز با استفاده از پلیمر ساخته می‌شود و در روند بهبود زخم‌ها و آسیب‌های پوستی تاثیرگذار هستند. ایمپلنت‌های پزشکی از جمله ایمپلنت‌های استخوانی یا دندانی، با استفاده از پلیمر تولید می‌شوند تا انطباق بیولوژیکی بهتری با بافت‌های بدنی داشته باشند.
فضایی و هوانوردی
در حوزه فضایی و هوانوردی، پلیمرها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردی از جمله وزن سبک و مقاومت بالا برخوردارند اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. بسپارها به عنوان جایگزینی موثر برای مواد سنتی مانند فلزات در تولید اجزای مهم ماشین‌ها و وسایل فضایی به‌کار می‌روند. این مواد با امکان تراشکاری، شکل‌دهی دقیق، مقاومت در برابر شرایط محیطی سخت و وزن پایین به‌عنوان انتخابی مناسب در ساخت بخش‌هایی مانند بدنه، پنل‌ها، سیستم‌های عایق‌بندی و سایر اجزای مکانیکی ماشین‌ها و وسایل فضایی استفاده می‌کنند.
ساخت و ساز
پلیمرها به دلیل ویژگی‌های خاص خود از جمله مقاومت به آب، حرارت و شرایط محیطی و وزن سبک به‌عنوان یک جایگزین مناسب برای مواد سنتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه بر این پلیمرها باعث افزایش عمر مفید و کیفیت ساختمان‌ها می‌شود. در تولید سیستم‌های عایق‌بندی ساختمانی مانند عایق‌های حرارتی و صوتی، پلیمر به‌عنوان مواد عایق اصلی به کار می‌رود که به بهبود کارایی انرژی و حفظ محیط زیست کمک می‌کند. همچنین در تولید لوله‌ها و سیستم‌های آب و فاضلاب، پلیمرها به عنوان جایگزینی مناسب و کارآمد برای مواد سنتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
آلیاژ پلیمر
آلیاژ پلیمرها (Polymer Alloys) به مخلوطی از دو یا چند پلیمر مختلف گفته می‌شود که با ترکیب آن‌ها، خواص جدیدی را در مقایسه با بسپارهای خالص ایجاد می‌کند. این آلیاژها به دلیل داشتن ترکیبات مختلف پلیمری، می‌توانند ویژگی‌های خاصی از هر پلیمر را ترکیب کرده و خواص بهتری ارائه دهند. در زیر تعدادی از ویژگی‌ها و مزایای آلیاژ پلیمرها آورده شده است:
- ترکیب خواص
- بهبود مقاومت حرارتی
- تقویت مکانیکی
- کاهش هزینه
- ساختار ترکیبی منحصر به فرد
- بازیافت و پایداری زیستی
افزودنی های پلیمر چیست؟
افزودنی‌های پلیمری (Polymer Additives) موادی هستند که به پلیمرها اضافه می‌شوند تا خواص و عملکرد آن‌ها را بهبود دهند یا ویژگی‌های خاصی به آن‌ها اضافه کنند. این افزودنی‌ها ممکن است به صورت جامد، مایع یا گازی وارد فرمولاسیون پلیمر شوند و در فرآیندهای تولید و استفاده از آن‌ها نقش مهمی ایفا می‌کنند. این افزودنی‌ها می‌توانند در انواع مختلف وجود داشته باشند و به اهداف متعددی استفاده می‌شوند، از جمله:
- پایداری حرارتی و مقاومت شیمیایی
- رنگ‌دهی
- مقاومت به اشعه‌های ماوراء بنفش (UV)
- ضربه‌پذیری و انعطاف‌پذیری
- پایداری حرارتی
- افزایش مقاومت الکتریکی