بسپار

ریزساختاری از قسمتی از ساختار دی‌ان‌ای بَسپار زیستی

بَسپار، یا پلیمر یک درشت‌مولکول است که از تعداد زیادی واحد کوچکتر به نام تکپار تشکیل شده است که به صورت زنجیره‌ای به هم متصل می‌شوند. هر دو بَسپار مصنوعی و بَسپار طبیعی نقش‌های اساسی و همه گیر را در زندگی روزمره ایفا می‌کنند. از مواد حاوی بَسپار می‌توان به پشم، ابریشم، پنبه، نشاسته و سلولز اشاره کرد.

واژهٔ بَسپار فارسی است و از دو بخش بَس (بسیار) و پار (پاره، قطعه) ساخته شده است. واژه «پلیمر» از دو بخش یونانی «polys» به معنای بسیار و «meros» به معنی قسمت، پاره یا قطعه گرفته شده است.

گونه‌های بسپار

زنجیره لاستیک مصنوعی اتم‌های کربن به رنگ آبی و اتم‌های هیدروژن به رنگ سفید

شمار واحدهای تکرار شونده در یک مولکول بزرگ درجه بسپارش یا درجه بسپارش نامیده می‌شود. بسپارهایی که تنها از یک نوع واحد تکرار شونده ساخته‌شده‌اند، جور بسپار و آنهایی که از چند گونه واحد تکرارشونده تشکیل شده‌اند، همبسپار نامیده می‌شوند. گاهی لفظ ترپلیمر نیز برای محصولات حاصل از بسپارش سه تک‌پار به کار می‌رود. در عین حال، در مورد محصولاتی که با بیش از سه تک‌پار بسپارش شده‌اند، لفظ بسپار رایج است.

بیشتر مواد اساسی همچون پروتئین، چوب، کیتین، لاستیک طبیعی، لاستیک مصنوعی و رزین‌ها بَسپار هستند. بسیاری از مواد مصنوعی همچون پلاستیک‌ها، الیاف مصنوعی (نایلون، ریون و…)، چسب‌ها، شیشه و چینی مواد پلیمری هستند.

دسته‌بندی بسپارها

بَسپارها به دو دسته بَسپارهای طبیعی و بَسپارهای مصنوعی تقسیم می‌شوند. البته بَسپارها را به روش‌های مختلف دیگری نیز دسته‌بندی نیز می‌کنند. دسته‌بندی زیر بر اساس ساختار بَسپار انجام شده است. بَسپارهای طبیعی به دو دسته بَسپارهای آلی و معدنی تقسیم می‌شوند. بَسپارهای مصنوعی یا بشر ساخته از طریق واکنش‌های شیمیایی تولید می‌شوند.

بسپارها از نظر اثر پذیری در برابر حرارت به دو دسته گرمانرم‌ها (ترموپلاستیک‌ها) و گرماسخت‌ها (ترموست‌ها) تقسیم می‌شوند. گرمانرم‌ها، بَسپارهایی هستند که در اثر گرم کردن ذوب می‌شوند در حالی که گرماسخت‌ها، بسپارهایی هستند که در اثر گرما ذوب نمی‌شوند بلکه در دماهای بسیار بالا به صورت برگشت‌ناپذیری تجزیه می‌شوند. بسپارها دارای خواص ویسکو الاستیک هستند و منشأ این پدیده، در گرمانرم‌ها گره خوردگی زنجیره‌ها و در گرماسخت‌ها گره خوردگی زنجیره‌ها و اتصالات شبکه‌ای آن‌ها در هم است.

معماری مولکولی

شکل و نحوه اتصال زنجیره‌های پلیمری به یکدیگر، که به آن معماری مولکولی گفته می‌شود، تأثیر عمیقی بر خواص فیزیکی و مکانیکی ماده نهایی دارد.

• بسپارهای خطی (Linear Polymers): در این ساختار، واحدهای مونومر به صورت متوالی و پشت سر هم به یکدیگر متصل شده و زنجیره‌های بلند و مستقیمی را تشکیل می‌دهند. این زنجیره‌ها می‌توانند به صورت منظم در کنار یکدیگر قرار گیرند و ساختارهای بلورین ایجاد کنند. این آرایش منظم منجر به افزایش نیروهای بین‌مولکولی، چگالی، استحکام کششی و نقطه ذوب بالاتر می‌شود. پلی‌اتیلن سنگین (HDPE) و نایلون نمونه‌های بارز پلیمرهای خطی هستند.
• بسپارهای شاخه‌دار (Branched Polymers): در این نوع، علاوه بر زنجیره اصلی، زنجیره‌های جانبی کوتاه‌تر یا بلندتری نیز از نقاط مختلف زنجیره اصلی منشعب می‌شوند. وجود این شاخه‌ها مانع از نزدیک شدن و آرایش منظم زنجیره‌ها به یکدیگر می‌شود. در نتیجه، پلیمرهای شاخه‌دار معمولاً چگالی، درجه بلورینگی، استحکام و نقطه ذوب پایین‌تری نسبت به همتایان خطی خود دارند. پلی‌اتیلن سبک (LDPE) مثال کلاسیک این دسته است.
• بسپارهای شبکه‌ای یا دارای اتصال عرضی (Cross-linked/Network Polymers): در این ساختار، زنجیره‌های پلیمری خطی یا شاخه‌دار از طریق پیوندهای کووالانسی قوی به یکدیگر متصل شده و یک شبکه سه‌بعدی یکپارچه را به وجود می‌آورند. این پیوندهای عرضی، حرکت آزادانه زنجیره‌ها را به شدت محدود می‌کنند. در نتیجه، این مواد بسیار سخت، سفت و اغلب شکننده هستند و در اثر حرارت ذوب نمی‌شوند، بلکه در دماهای بسیار بالا تخریب می‌گردند. باکلیت و لاستیک ولکانیزه شده (پخت شده) نمونه‌هایی از این ساختار هستند.

طبقه‌بندی بر اساس رفتار حرارتی

پلیمرها را بر اساس واکنش آن‌ها به حرارت به سه گروه اصلی تقسیم می‌کند. این رفتار ماکروسکوپیک، نتیجه مستقیم معماری مولکولی پلیمر است.

• ترموپلاستیک‌ها یا گرمانرم‌ها (Thermoplastics): این پلیمرها از زنجیره‌های خطی یا شاخه‌دار تشکیل شده‌اند که توسط نیروهای بین‌مولکولی ضعیف (مانند نیروهای واندروالس یا پیوندهای هیدروژنی) در کنار هم نگه داشته شده‌اند. با اعمال حرارت، این نیروهای ضعیف شکسته شده و زنجیره‌ها می‌توانند آزادانه روی هم بلغزند و ماده نرم یا ذوب می‌شود. با سرد شدن، نیروها دوباره برقرار شده و ماده جامد می‌گردد. این فرایند ذوب و انجماد به صورت برگشت‌پذیر قابل تکرار است، که امکان فرآوری مجدد و بازیافت آن‌ها را فراهم می‌کند. پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، PVC و PET در این دسته قرار می‌گیرند.
• ترموست‌ها یا گرماسخت‌ها (Thermosets): این مواد در ابتدا از مولکول‌های کوچک یا زنجیره‌های کوتاه تشکیل شده‌اند که می‌توانند جریان یابند و قالب‌گیری شوند. اما با اعمال حرارت (یا افزودن یک عامل پخت)، واکنش شیمیایی برگشت‌ناپذیری رخ می‌دهد که طی آن پیوندهای عرضی کووالانسی بین زنجیره‌ها ایجاد شده و یک شبکه سه‌بعدی صلب و یکپارچه شکل می‌گیرد. پس از پخت، این مواد دیگر ذوب نمی‌شوند و در دماهای بالا به جای ذوب شدن، تخریب شیمیایی می‌شوند. این ساختار شبکه‌ای به آن‌ها استحکام، سختی و پایداری حرارتی و شیمیایی بالایی می‌بخشد. رزین‌های اپوکسی، فنولیک (باکلیت) و پلی‌استرهای غیراشباع نمونه‌هایی از ترموست‌ها هستند.
• الاستومرها یا لاستیک‌ها (Elastomers): الاستومرها نیز مانند ترموست‌ها دارای ساختار شبکه‌ای با پیوندهای عرضی هستند، اما تفاوت کلیدی در چگالی پایین این پیوندهاست. این فاصله زیاد بین نقاط اتصال عرضی به بخش‌های بلند زنجیره اجازه می‌دهد تا در هنگام اعمال تنش، باز شده و از حالت کلاف‌خورده خود خارج شوند که منجر به کشسانی بسیار بالا (الاستیسیته) می‌شود. پس از حذف تنش، زنجیره‌ها به حالت اولیه خود بازمی‌گردند. لاستیک طبیعی ولکانیزه شده یک الاستومر کلاسیک است. این مواد معمولاً آمورف (بی‌شکل) هستند و دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) آن‌ها پایین‌تر از دمای کاربردشان است.

ارتباط عمیقی میان معماری مولکولی و رفتار حرارتی پلیمر وجود دارد. در واقع، طبقه‌بندی حرارتی یک تجلی ماکروسکوپیک از ساختار در مقیاس مولکولی است. وجود یا عدم وجود پیوندهای عرضی کووالانسی و چگالی آن‌ها، تعیین‌کننده اصلی واکنش پلیمر به حرارت است. زنجیره‌های خطی و شاخه‌دار که فاقد این پیوندها هستند، به صورت گرمانرم رفتار می‌کنند، در حالی که ساختارهای شبکه‌ای، بسته به تراکم اتصالات عرضی، به صورت گرماسخت (چگالی بالا) یا الاستومر (چگالی پایین) عمل می‌کنند.

آلیاژسازی بسپارها

مهم‌ترین دلایل اقتصادی آلیاژسازی بسپارها، عبارتند از:

1. به‌کارگیری بهتر و بیشتر از بسپارهای مهندسی، به وسیلهٔ آمیزش آن‌ها با گونه‌های ارزان قیمت.
2. تهیه مواد با خواص مورد نظر.
3. دست‌یابی به آلیاژهایی با کارایی بالا با استفاده از بسپارهایی که اثرات هم‌افزایی (Synergistic) دارند.
4. تنظیم ترکیب درصد اجزاﺀ آلیاژ با مشخصات مورد نیاز مصرف‌کننده.
5. بازیافت پسماندهای پلاستیک‌های مصرفی و وارد کردن آن‌ها در آلیاژسازی.

نکتهٔ مهمی که وجود دارد این است که انتخاب اجزا آمیزه باید به گونه‌ای باشد که مزایای پلیمر اول پوشانندهٔ معایب پلیمر دوم باشد.

افزودنی‌های بسپار

افزودنی‌های بسپار یک نوع از افزودنی‌های شیمیایی بتن می‌باشند، این مواد برای تصحیح خواص فراورده‌های بسپاری به کار می‌رود. این مواد عبارتند از:

نرم‌کننده‌ها

نرم‌کننده‌ها افزودنی‌هایی هستند که انعطاف‌پذیری ماده‌ای را که به آن افزوده می‌شود را افزایش می‌دهد. این مواد علاوه بر صنعت پلیمر در بتون و سیمان نیز کاربرد دارد. نرم‌کننده‌های پلاستیک‌ها معمولاً از دستهٔ فتالات‌ها هستند که انعطاف‌پذیری و دوام پلاستیک را افزایش می‌دهند. عملکرد این مواد به این صورت است که با قرار گرفتن بین مولکول‌های مواد پلیمری فضاهای خالی را افزایش داده و موجب پایین آمدن دمای ذوب بلور و در نتیجه نرم‌تر شدن پلیمر می‌شود.

پایدارکننده‌ها

رنگدانه‌ها

رنگدانه‌ها موادی هستند که برای رنگ کردن و دادن خاصیت رنگی به پلیمر استفاده می‌شود و شامل رنگدانه‌های آلی و معدنی می‌شود.

رنگدانه‌های معدنی

رنگدانه‌های غیر آلی، نمک‌های فلزی و اکسیدها هستند. این عوامل رنگزا می‌توانند یک لایه از یک جسم پلاستیکی را با رفتار قابل پیش‌بینی رنگی کنند. بیشتر این عوامل رنگزا دارای ذراتی با ابعاد میانگین بین ۰/۲ تا ۱/۰ میکرومتر هستند.

تولیدکنندگان، رنگ‌های مرغوب را با زدودن ذرات بالاتر از ۵ میکرون، تولید می‌کنند. رنگدانه‌های غیر آلی به جز چند استثناء، مواد خام ارزان قیمت هستند که. به خاطر دوام نسبتاً پایین این رنگ‌ها، این رنگدانه‌ها همیشه بهترین کیفیت را ندارند.

رنگدانه‌های آلی

رنگدانه‌های آلی، گسترهٔ وسیعی از لحاظ پیچیدگی ساختاری دارند؛ که ساختار این مواد می‌تواند به سادگی کربن سیاه یا به پیچیدگی ساختار چهارتایی رنگدانه‌های فتالوسیانین باشد. استفاده از رنگدانه‌های آلی در آلیاژها و آمیخته‌های پلیمری به سرعت در حال افزایش است که این افزایش نتیجه‌ای از دیدگاه کاهش مصرف فلزات سنگین است. به‌طور نمونه، دوام رنگدانه‌های آلی ۱۰–۲۰ بار بیشتر از رنگ‌های غیرآلی مورد مقایسه است و این به خاطر این است که رنگ‌های آلی ذرات کوچکتری نسبت به رنگ‌های غیر آلی دارند.

رشته دانشگاهی بسپار

رشته دانشگاهی بسپار یکی از گرایش‌های شیمی و مهندسی شیمی می‌باشد. این گرایش تا سال ۱۳۶۲ یکی از گرایش‌های مهندسی شیمی بود اما در حال حاضر به عنوان یک رشته مستقل با دو گرایش صنایع بسپار (پلیمر) و تکنولوژی و علوم رنگ در دانشگاه‌ها و مراکز آموزش عالی ارائه می‌شود، البته هنوز نیز در شماری از دانشگاه‌های کشور مهندسی بسپار یکی از گرایش‌های مهندسی شیمی است.

جستارهای وابسته

• فشردگی دی‌ان‌ای
• ترموپلاستیک
• ترموست
• الاستومر
• مهندسی پلیمر
• بسپارش
• مواد هوشمند
• سل-ژل
• ژل
• طراحی قطعات پلاستیکی

منابع

• Contemporary polymer chemistry by Harry R. Allcock, Frederick W. Lampe and James E. Mark- third edition- Pearson Education, Inc- 2003- U.S.A

• حدادی اصل، وحید. تکنولوژی پلیمرها
• کتاب پلاستیکهای گرمانرم تألیف س.س. شوارتز و س.ه. گودمن و ترجمه آقایان مهندس علی عباسیان و مهندس سام منوچهری و دکتر حسین نازک دست

کتاب‌شناسی

• Cowie, J. M. G. (John McKenzie Grant) (1991). Polymers: chemistry and physics of modern material. Glasgow: Blackie. ISBN 0-412-03121-3.
• Ezrin, Myer. (1996). Plastics failure guide: cause and prevention. Munich ; New York: Hanser Publishers: Cincinnati. ISBN 1-56990-184-8.{{cite book}}: نگهداری یادکرد:مکان ناشر (رده)
• Hall, Christopher (1989). Polymer materials (2nd ed.). London; New York: Macmillan. ISBN 0-333-46379-X. Archived from the original on 11 فوریه 2014. Retrieved 22 فوریه 2014.
• Lewis, P. R. (Peter Rhys); Reynolds, Ken.; Gagg, Colin. (2004). Forensic materials engineering: case studi. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-1182-9.
• Wright, David C. (2001). Environmental Stress Cracking of Plastics. RAPRA. ISBN 978-1-85957-064-7.
• Lewis, Peter Rhys (2010). Forensic polymer engineering: why polymer products fail in service. Cambridge [etc.]: Woodhead Publishing. ISBN 1-84569-185-7.
• Workman, Jerome; Workman, Jerry (2001). Handbook of organic compounds: NIR, IR, Raman, and UV-Vis spectra featuring polymers and surfactants. San Diego: Academic Press. ISBN 978-0-12-763560-6.

پیوند به بیرون

• How to Analyze Polymers Using X-ray Diffraction
• Polymer Chemistry Hypertext, Educational resource
• The Macrogalleria
• Application notes on the characterization of polymers
• Polymer Structures
• Glossary of Polymer Abbreviations