مقاله شماره 18 : پلیمرها

[zeinab68]

تهیه کننده: حسین صمدی جهاد دانشگاهی مشهد تیر87
پلییمرها:

موادی که تاکنون شناختیم موادی بودند که دارای مولکولهای نسبتاً کوچکی هستند اما نوع دیگری از مواد هستند که از مولکولهای بسیار بزرگی تشکیل شده اند. این مولکولهای بسیار بزرگ پلیمرها هستند. واژه پلیمر ازکلمات یونانی پلی(Poly) به معنی بسیار و مر(Meros) به معنی قسمت ، قطعه یا پاره گرفته شده است . به همین دلیل در واژه نامه ی فارسی در بسیاری مواقع بسپار نامیده می¬ گردد. مولکولهای پلیمر تعداد زیادی اتم دارند که با پیوندهای کوالانسی به یکدیگر متصل شده اند. وزن مولکولی پلیمرها بسیار زیاد و از چند هزار تا چند میلیون تغییر می¬ کند.

بشر با تلاش برای دستیابی به مواد جدید با استفاده ازمواد آلی موجود درطبیعت به تولید مواد مصنوعی نایل شد. این مواد عمدتاً شامل عناصر کربن ، هیدوژن، اکسیژن، نیتروژن و گوگرد بوده که مواد پلیمری هستند. پلیمرها خواص فیزیکی و مکانیکی نسبتاً خوب و مفیدی دارند. آنها دارای وزن مخصوص پایین و پایداری خوب درمقابل مواد شیمیایی هستند. بعضی از آنها شفاف بوده و
می ¬توانند جایگزین شیشه ها شوند.اغلب پلیمرها عایق الکتریکی هستند. اما پلیمرهای خاص نیز وجود دارند که تا حدودی قابلیت هدایت الکتریکی دارند. عایق بودن پلیمرها به پیوند کوالانسی موجود بین اتمها در زنجیرهای مولکولی ارتباط دارد.
یک پلیمر از بهم پیوستن مولکولهای کوچکی موسوم به مونومر ساخته شده است . بهم پیوستن مولکولهای کوچک مونومر و تشکیل مولکولهای بزرگ پلیمر را پلیمر شدن می¬ نامند.


ساختمان پلیمرها
در صورتیکه واحدهای تکرار شونده یک زنجیره پلیمری فقط پشت سر هم قرار گیرند یک پلیمرخطی به دست می آید. در صورتیکه در زنجیره پلیمری انشعاباتی وجود داشته باشد، محصول نهائی پلیمر شاخه ای خواهد بود. همچنین اگر بین زنجیره های پلیمری اتصالات عرضی بوجود بیاید محصول نهائی پلیمر شبکه ای خواهد بود. اگر چه پلیمرهای خطی را می توان به شکل مولکولهای جدا و یا گره خورده در هم فرض کرد که اندازه آنها برحسب وزن مولکولی به دست
می آید، لیکن در یک پلیمر شبکه ای اصطلاح وزن مولوکولی بی معنی است، زیرا چنین ماده ای را به شکل مولکولهای فرضی مشخص نمی توان در نظر گرفت ، بلکه به صورت تئوری می توان آن را بصورت یک تور ماهی گیری سه بعدی بسیار برزگ و به شکل یک مولکول شبکه¬ ای حجیم با
اندازه¬ ای نامعلوم فرض نمود.
در شرایطی خاص ، برخی زنجیره های پلیمری با بدنه خود واکنش داده که این امر منجر به تولید پلیمرهای حلقوی می گردد. نسبت جرم مولکولی پلیمر به جرم مولکولی واحد تکراری به عنوان "درجه پلیمریزاسیون" تعریف شده است . با بزرگتر شدن زنجیره مولکولی مقاومت حرارتی و استحکام کششی مواد پلیمری هر دو افزایش می یابند.

الف)خطی ب) شاخه ای ج) شبکه ای

مثال 1: اگر جرم مولکولی یک نوع از پلی اتیلن برابر 150000(گرم بر مول) باشد ، درجه پلیمریزاسیون آن را محاسبه کنید.
با توجه به اینکه وزن مولکولی واحد تکراری این پلیمر برابر است با :

g/mol28= g1*4 اتم H +g12*2 اتمC

g/mol) )28/150000= درجه پلیمریزاسیون




و$$$$$$$$$$$$$$$$$$ کتاب T
الف)خطی ب) شاخه ای ج) شبکه ای -کتاب R

منشأ تولید پلیمرها
پلیمرها را به دو شکل م ی توان ساخت . این مواد یا دارای منشأ طبیعی هستند یا بصورت مصنوعی ساخته می شوند.
پلیمرهای طبیعی : بسیاری از پلیمرها در طبیعت یافت می شوند. پروتئینهای موجود در پوست،مو، و بافتهای گوناگون بدن از مولکولهای بسیار بزرگ با جرم مولکولی زیاد تشکلیل شده اند.
پلیمرهای ساختگی به پلیمرهای افزایشی و پلیمرهای تراکمی طبقه بندی شده اند.
پلی اتیلن : پلی اتیلن ساده ترین پلیمر افزایشی است که از پلیمرشدن اتیلن به دست می آید.





پلی اتیلن خواص سودمندی دارد. عایق خوب الکتریسیته است. می توان آن را به ورقه های بسیار نازک با استحکام قابل ملاحظه تبدیل کرد. از آن در ساخت کیسه های پلاستیکی، سطل ، لوله ،... استفاده می¬شود. بعضی از ظرفهای آزمایشگاهی مانند بطری آبفشان و استوانه مدرج را نیز از پلی اتیلن می سازد. زیرا شکننده نیست و مواد شیمیایی بر آن تأثیر نمی گذارد.

پلی کلرید وینیل: هیدروژنهای مولکول اتیلن را می توان با یک اتم یا مجموعه ای از اتمهای دیگر جانشین کرد. این ترکیبها نیز مانند اتیلن دارای پیوند دوگانه اند و می توان آنها را به پلیمر تبدیل کرد . اگر یکی از هیدروژنهای مولکول اتیلن با یک اتم کلر جانشین شود، کلرید وینیل ، CH2=CHCLبه دست می آید که از پلیمرشدن افزایشی آن کلرید وینیل(پی وی سیPVC) تشکیل می شود.
.
در ساختار این پلیمرگروههای-CHCL و-CH2- به طور یک در میان در طول زنجیر تکرار می شوند. این ساختار مخصوص پلیمرهایی است که از پلیمرشدن افزایشی مونومرهای نامتقارن مانند کلریدوینیل به دست می آید. پلی کلرید وینیل از نظر میزان تولید بعد از پلی اتیلن قرار دارد. وجود اتمهای کلر در این پلیمر موجب می شود که اشتعال پذیری آن کمتر از پلی اتیلن باشد. با وجود این، از سوختن پلی کلریدوینیل گاز هیدروژن تولید می شود که سمی و خطرناک است. از پی وی سی در تهیه لوله¬های انتقال آب، فاضلاب، لوله انتقال گاز، روکش صندلی و غیره استفاده می¬شود.
تفلون: اگر در مولکولهای اتیلن هر چهار اتم هیدروژن را با چهار اتم فلوئور جانشین کنند، تترافلوئورواتیلن به دست می¬آید. از پلیمر کردن افزایشی این ترکیب، پلی تترافلوئورواتیلن، موسوم به تفلون تشکیل می¬شود.

تفلون نمی¬سوزد و تحت تأثیر هیچ حلالی قرار نمی¬گیرد. در دماهای پایین تا C250- یا در دماهای بالا تا C250+ از بین نمی¬رود. تفلون بسیار لغزنده است. از این رو بعضی از ظرفهای آشپزخانه مانند ماهیتابه، دیگ را با ورقه های نازکی از تفلون می پوشانند تا مانع چسبیدن مواد غذایی به ته ظرف شود.
پلیمرهای تراکمی : در پلیمرشدن تراکمی از واکنش مولکولهای مونومربا یکدیگر ، مولکولهای کوچکی مانند H2O خارج می شود. پلیمرهای تراکمی نیز مانند پلیمرهای افزایشی انواع گوناگون دارند. در مورد این پلیمرها باید به دونکته مهم زیر توجه داشت:
1- پلیمرهای تراکمی را به طور معمول از دو مونومر متفاوت تهیه می کنند.
2- هر مونومر در مولکول خود باید دست کم دو عامل شیمیایی فعال داشته باشد.

پلیمریزاسیون تراکمی
اگر در یک پلیمریزاسیون ، بر اثر واکنش مونومرها با هم ، مولکولهای کوچکی مثل H2O و NH3 و ... خارج شوند، این نوع پلیمریزاسیون را تراکمی می‌نامند. مثل پلمیریزاسیون گلوکز در تولید نشاسته و سلولز که منجر به خارج شدن آب می‌گردد و یا مثل بوجود آمدن نایلون که مانند مواد پروتئینی یک پلی آمید است و پلیمر شدن یک آمین دو ظرفیتی به نام هگزا متیلن دی آمین به فرمول NH2 ─ (CH2)6 ─ NH2 با یک اسید دو ظرفیتی به نام اسید آدیپیک HOOC ─ (CH2)4 ─ COOH بوجود می‌آید. در این عمل ، عامل OH_ اسید از دو طرف با هیدروژن گروه آمین NH2_ تشکیل آب داده و خارج می‌شوند و باقیمانده‌های مولکولهای آنها با هم ، زنجیر پلیمر را بوجود می‌آورند. به شکل زیر:

... + NH2 ─ (CH2)4 ─ NH2 ─ HOOC ─ (CH2 ─ COOH + ...

 

[zeinab68]

مشخصه های فیزیکی پلیمرها :
از دیدگاه فیزیکی دو امکان در نظم زنجیره های پلیمری وجود دارد. زنجیره ها دریک ماده پلیمری یا به شکل منظم درکنار یکدیگر قرار می¬گیرند و یا کاملاً بدون نظم ،ساختار زنجیره ای پلیمر را تشکیل می دهند. بنابراین پلیمرهائی را که دارای چیدمانی منظم زنجیره ای باشند پلیمرهای بلوری ویا کریستالی ، و پلیمرهائی که دارای چیدمانی نامنظم زنجیره ای باشند پلیمرهای بی نظم ویا آمورف می نامند. با توجه به نظم موجود درزنجیره های پلیمرهای بلوری، این مواد دارای خواص فیزیکی- مکانیکی بالاتری نسبت به پلیمرهای آمورف می باشند. در واقعیت به ندرت می توان پلیمری را یافت که کاملاً بلوری باشد زیرا در بسیاری از مناطق آن قسمتهایی وجود دارند که دارای بی نظمیهای زنجیره ای و یا مناطق آمورف هستند. برخلاف پلیمرهای بلوری ، پلیمرهای آمورف نقطه ذوب مشخصی ندارند. زیرا در این پلیمرها هریک از اجزاء متوسط وزن مولکولی مربوط به خود را داشته و در دمایی متفاوت ذوب می گردند. در پلیمرهای بلوری اندازه ذرات بلور بر گستره دمای ذوب اثر می گذارد زیرا هنگام بالا رفتن تدریجی دما، ذرات بلوری کوچک قبل از ذرات بزرگ ذوب خواهند شد.
از پلیمرهایی که دارای فازهای مشخص بلوری هستند، می توان پلی اتیلن و پلی تترافلوئورواتیلن را نام برد. البته خواص آنها با خواص جامدات بلوری، بسیار متفاوت است . برای مثال ، این مواد در دمای محیط از سختی کمی برخوردار بوده و شکل آنها قابل تغییر است و شکننده نیستند. زیرا برخلاف کلرید سدیم یا سولفات مس، پلیمرهای بلوری دارای مناطق آمورف و بلوری در کنار یکدیگر هستند.
حضور کومونومر(مونومر دوم جهت کوپلیمریزاسیون) در پلیمر و حضور مقدار ناچیز نرم کننده در پلیمر نیز از دیگر عوامل مؤثر بر دمای ذوب است. وجود کومونومرها، منجر به انجام کوپلیمریزاسیون شده و نقطه ذوب را با کوتاه کردن طول قطعات قابل تبلور در هر مولکول پلیمر، پائین می آورد. به عبارت دیگر، کوپلیمریزاسیون توانایی زنجیره های پلیمر برای بلورینه شدن را کاهش می دهد و یا در مواردی آن را به کلی از بین می برد، زیرا بلورینگی به دلیل تقارن مولکولی و یا جاذبه بین مولکولی ایجاد می شود. کومونومر از تقارن کم می کند و هنگامی که قطبیت آن از مونومر اصلی کمتر یا از آن حجیمتر باشد، نیروهای بین زنجیره ای را کم می کند.
حضور حلال یا نرم کننده در پلیمرنیز سبب افزایش تحرک نسبی مولکولهای پلیمر در ماده و در نتیجه کاهش انرژی لازم برای ذوب آنها می شود.
همچنین ، انعطاف پذیری ماکرومولکول ،بزرگی نیروهای بین مولکولی و نظم فضای ماکروملکول بر توانایی پلیمر در تبلور نقطه ذوب هر یک از مناطق بلوری حاصل شده و دمای انتقال شیشه ای موثر است.
نشاسته نمونه ای از پلیمرطبیعی است.

پلیمرهای طبیعی صنعتی
در میان پلیمرهای طبیعی ، موادی نیز وجود دارند که به پلیمرهای طبیعی صنعتی معروف
می می باشند. لاستیک طبیعی که از پلیمریزاسیون پلی ایزوپرن با مولکولهای خطی با متوسط وزن مولکولی در حدود سیصد تا پانصد هزاربدست می آید، پرمصرف ترین پلیمرطبیعی است که به فراوانی در صنایع لاستیک کاربرد دارد. این پلیمراز عصاره ای از درختان نواحی گرمسیری به ویژه درخت هوا برزیلی (Hevea Bresilians) به دست می آید. این عصاره حاوی لاتکسی با فاز پلیمری با غلظت 35% وزنی است و دارای مقدار کمی پروتئین، استرول، چربی و نمک است. لاستیک نهائی از انعقاد لاتکس مذکور با اسید اتانوئیک یا متانوئیک یا تبخیر در هوا یا توسط شعله به دست می آید. ماده حاصل از این فرآیند ماده ای چسبناک و پنیر مانند است که لاستیک خام یا کائوچو نامیده می شود. برای بهبود خواص مکانیکی مانند الاستیسیته لاستیکی، باید لاستیک خام را فرآوری کرد و توسط فرآیند ولکانیزاسیون یا پخت درآن اتصالات عرضی ایجاد کرد.

ایزوپرن
ساختار لاستیک طبیعی
ساختار کلی لاستیک طبیعی (پلی ایزوپرن) را می توان به صورت زیر نمایش داد:

 

[zeinab68]

لاستیک طبیعی

******************کتاب شیمی
لاستیک طبیعی دردمای بالا ذوب می شود، اما دردمای پایین شکننده است . اگر آن را با مقداری گوگرد گرم کنند ولکانش می یابد. در لاستیک ولکانش یافته ، زنجیرهای پلیمر دربعضی نقاط به وسیله پیوندهای عرضی به یکدیگر متصل می شوند و استحکام لاستیک افزایش می یابد. امروزه بیش از 60% لاستیک تولید شده برای ساخت تایر خودرو مصرف می شود.

رفتار پلاستیک های بی شکل:
دراین پلیمرها موقعی که تنش از حد یا استحکام تسلیم فراتر رود، تغییر شکل پلاستیکی آغاز می شود. اما برخلاف فلزات، تغییر شکل پلاستیکی نتیجه نابجایی نیست. در عوض تغییر شکل پلاستیکی در پلیمرها با باز و کشیده شدن ، چرخش و لغزش زنجیره ها انجام می گیرد. ابتدا تنش بعد از افزایش و رسیدن به مقدار حداکثری شروع به کاهش می کند یا به عبارت دیگر پدیده نرم شدن در آن رخ می دهد. این کاهش تنش بعد از مقداری تغییر شکل پلاستیکی می تواند بدین دلیل باشد که ابتدا با اعمال تنش وقتی تنش به حد کافی برسد، زنجیره های مولکولی در هم پیچیده شروع به باز شدن از یکدیگر کرده و تقریباً به حالت مستقیم و موازی و نزدیک بهم در
می آیند. در این موقعیت پیوند واندروالس قویتر موجود بین زنجیرهایی که بیشتر نزدیک بهم و در یک جهت ردیف شده اند، مستلزم تنشهای بالاتری برای ادامه تغییر شکل تا شکست است.

نمودار تنش- کرنش نایلون (پلی آمید)، نوعی پلیمر ترموپلاستیکی
با انجام آزمایش کشش بر روی نمونه ای از پلیمر بی شکل بعد از اینکه تنش به اندازه کافی رسید نازک شدن موضعی در محدوده طول اندازه گیری مشاهده شد. اما با ادامه افزایش تنش نازکی موضعی ناپدید می شود.

معمولاً وقتی که نازکی موضعی شروع می شود، کوچکترشدن زیادتر سطح مقطع در این موضع منجر به افزایش بیشتر تنش در قسمت نازکی موضعی شده و نازک شدن موضعی شتاب می گیرد. اما درحین آزمایش کشش، زنجیرها درساختار بی شکل به حالت مستقیم درآمده و پلیمر بیشتربه حالت کریستالی درمی آید. موقعی که نازکی موضعی شروع می شود، زنجیرها در محدوده نازکی موضعی در یک جهت ردیف و به یکدیگر نزدیکتر می شوند و در نتیجه استحکام پلیمر به طور موضعی افزایش می یابد، به طوری که مقاومت این موضع برای ادامه تغییر شکل زیاد تر شده و نتیجتاً بقیه پلیمر بعد از محدوده نازکی موضعی به تغییر شکل ادامه می دهد تا آنجایی که نازکی ناپدید میشود.
پلیمرهای ساختگی به پلیمرهای افزایشی و پلیمرهای تراکمی طبقه بندی شده اند.
پلی اتیلن : پلی اتیلن ساده ترین پلیمر افزایشی است که از پلیمرشدن اتیلن به دست می آید.**************************
پلی اتیلن خواص سودمندی دارد. عایق خوب الکتریسیته است. می توان آن را به ورقه های بسیار نازک با استحکام قابل ملاحظه تبدیل کرد. از آن در ساخت کیسه های پلاستیکی، سطل ، لوله ،... استفاده می شود. بعضی از ظرفهای آزمایشگاهی مانند بطری آبفشان و استوانه مدرج را نیز از پلی اتیلن می سازد. زیرا شکننده نیست و مواد شیمیایی بر آن تأثیر نمی گذارد.
پلی کلرید وینیل: هیدروژنهای مولکول اتیلن را می توان با یک اتم یا مجموعه ای از اتمهای دیگر جانشین کرد . این ترکیبها نیز مانند اتیلن دارای پیوند دوگانه اند و می توان آنها را به پلیمر تبدیل کرد . اگر یکی از هیدروژنهای مولکول اتیلن با یک اتم کلر جانشین شود، کلرید وینیل ،...............به دست می آید که از پلیمرشدن افزایشی آن کلرید وینیل(پی وی سیPVC) تشکیل می شود. *************در ساختار این پلیمرگروههای .............. به طور یک در میان در طول زنجیر تکرار می شوند. این ساختار مخصوص پلیمرهایی است که از پلیمرشدن افزایشی مونومرهای نامتقارن مانند کلریدوینیل به دست می آید. پلی کلرید وینیل از نظر میزان تولید بعد از پلی اتیلن قرار دارد. وجود اتمهای کلر در این پلیمر موجب می شود که اشتعال پذیری آن کمتر از پلی اتیلن باشد. با وجود این، از سوختن پلی کلریدوینیل گاز هیدروژن تولید می شود که سمی و خطرناک است . از پی وی سی در تهیه لوله های انتقال آب ، فاضلاب، لوله انتقال گاز، روکش صندلی و غیره استفاده می شودو
تفلون: اگر در مولکولهای اتیلن هرچهار اتم هیدروژن را با چهار اتم فلوئور جانشین کنند، تترافلوئورواتیلن به دست می آید. از پلیمر کردن افزایشی این ترکیب، پلی تترافلوئورواتیلن ، موسوم به تفلون تشکیل می شود.***********
تفلون نمی سوزد و تحت تأثیر هیچ حلالی قرار نمی گیرد. در دماهای پایین تا C250- یا در دماهای بالا تا C250+ از بین نمی رود. تفلون بسیار لغزنده است. از این رو بعضی از ظرفهای آشپزخانه مانند ماهیتابه ، دیگ را با ورقه های نازکی از تفلون می پوشانند تا مانع چسبیدن مواد غذایی به ته ظرف شود.
پلیمرهای تراکمی : در پلیمرشدن تراکمی از واکنش مولکولهای مونومربا یکدیگر ، مولکولهای کوچکی مانند H2O خارج می شود. پلیمرهای تراکمی نیز مانند پلیمرهای افزایشی انواع گوناگون دارند. در مورد این پلیمرها باید به دونکته مهم زیر توجه داشت:
1- پلیمرهای تراکمی را به طور معمول از دو مونومر متفاوت تهیه می کنند.
2- هر مونومر در مولکول خود باید دست کم دو عامل شیمیایی فعال داشته باشد.

 

[zeinab68]

ترموپلاستیک ها :
ترموپلاستیک ها از مواد پلیمری هستند که مولکولهای آنها با اندازه های مختلف در کنار یکدیگر قرار گرفته اند و پیوند بین زنجیرهای مجاور درآنها از نوع پیوند بسیار ضعیف ثانویه (واندروالس وقطبی) است . در نتیجه وجود این پیوندهای ثانویه ضعیف خواص مکانیکی این نوع پلیمرها درحد پایینی است.ترموپلاستیک ها ،به دلیل اینکه از مولکولهای بااندازه های متفاوت تشکیل شده اند، دارای نقطه ذوب مشخصی نیستند. آنها در دمای معمولی محیط جامد بوده وبا ا افزایش دما نرم و شکل پذیر می شوند. دردماهای بسیار بالا پیوندهای کوالانسی بین اتمها در زنجیره خطی منهدم شده و پلیمر می سوزد یا تبدیل به ذغال می شود. موقعی که پلیمر درمعرض اکسیژن ، اشعه ماوراء بنفش و مورد تهاجم باکتریها قرار گیرد، حتی در دماهای پایین از بین می رود. ترموپلاستها دردماهای پایینتر از دمای محیط رفتاری ترد از خود نشان می دهند.
ساختار میکروسکوپی آنها معمولاً بخشی کریستالی و بخشی بی شکل و یا تماماً بی شکل است. غالباً برای بهبود خواص مکانیکی آنها مقدار کمی از مواد غیرپلیمری به آنها اضافه می شود. وقتی تنش اعمالی به ترموپلاستیک بر پیوند ضعیف بین زنجیرهای مولکولی غلبه یابد، زنجیرها نسبت به یکدیگر می توانند بچرخند و لغزش کنند. سهولت لغزش آنها به ساختار پلیمر، دما و سرعت تغییر شکل بستگی دارد.







انواع پلیمرهای ترموپلاستیکی
پلی اتیلن (PE)، پلی وینیل کلراید(PVC)، پلی پروپیلین (PP)، پلی ایزوبوتیلن(PIB)،پلی استیرن(PS)، پلی اکریلونیتریل(PAN)، استیرن اکریلونیتریل(SAN) و همچنین تعداد زیادی از کوپلیمرها از مواد مصنوعی ترموپلاستیکی هستند که کاربرد صنعتی دارند.


آمینوپلاستها:
این پلاستیک ها از متراکم شدن اوره یا ملامین با فرمالدئید در محیط اسیدی یا بازی به دست
می آیند، دمای این واکنش باید بین 60 تا 80 درجه سانتیگراد باشد. چسب فنل فرمالدئید به علت بدبویی در بازار نیست. ملامین با فرمالدئید می تواند درمحیط اسیدی یا بازی، واکنش چند تراکمی انجام دهد و برحسب شرایط تنظیم واکنش ، پلیمریک بعدی ایجاد کند. وقتی شرایط را با تنظیم PH درمحیط اسیدی و با دمای زیاد تغییر دهیم ، پلیمر یک بعدی به سه بعدی تبدیل می شود و همراه با 20 درصد کائولن تبدیل به فرمیکال می شود که ماده استخوانی روی میزهای کابینت هاست که در خلاء تحت فشار بالا پرس می شود. حال اگر 40-30 درصد کربنات کلسیم اضافه کنیم، تبدیل به زیرسیگاری و مواد اشتعال پذیر می شود که قیمت آن، فوق العاده افت می کند، اما قدرت مکانیکی آن بالا است.



طبقه بندی کاربردی پلیمرها
از دیدگاه کاربردی ، پلیمرها را می توان براساس عکس العمل در مقابل تنش وارده به چند گروه پلاستیک ها ، الاستومرها(لاستیک ها)، الیاف، پوششها، چسبها، کامپوزیتها و آلیاژها تقسیم بندی نمود.
مواد فوق را می توان به صورتهای گوناگونی تعریف کرد ولیکن بطور خلاصه می توان پلاستیک ها را موادی دانست که درمقابل تنش وارده از خود مقاومت نشان داده و در مقابل حرارت ، گاه غیرقابل انعطاف بوده و گاه فوق العاده نرم و انعطاف پذیر می باشند. این درحالی است که یک پلیمر، به عنوان الاستومر، باید در مقابل نیروی کم تغییر شکل زیاد داده و حداقل تا حدود 300% ازدیاد طول در دمای محیط از خود نشان دهد و درمدت زمان کوتاه، در مقابل قطع تنش وارده ، شکل اولیه خود را پیدا کند. این گونه مواد بایستی فاقد توانائی بلوری شدن باشند. یک الاستومر حداقل باید دارای Tg ای تا حدود C50 زیر دمای محیطی باشد که در آن مورد استفاده قرار
می گیرد. همچنین یک الاستومر با یستی قابلیت ایجاد اتصالات عرضی در بین زنجیره های خود را داشته باشد تا بتواند در مقابل تنشهای وارده ،خواص خود را حفظ نماید. در نقطه مقابل الیاف پلیمری دارای خواصی کاملا مخالف الاستومرها می باشد؛ به عنوان مثال، پلیمرهایی توانائی الیاف شدن را دارند که قابلیت بلوری شدن لیف را پیدا کرده و به هیچ عنوان ازدیاد طول از خود نشان ندهند.
برای تولید ترکیباتی خاص از پلیمرها، تلاش هایی با آلیاژ کردن و یا مخلوط کردن بسیاری از پلیمرها ( آلیاژهای پلیمری) انجام می شود. برعکس کوپلیمریزاسیون، که اختلاط و در نتیجه بروز واکنش شیمیائی بین مونومرها ست، عمل آلیاژ نمودن اختلاطی فیزیکی می باشد. پلیمرهایی که در این مخلوط ها شرکت می کنند، خواص بسیار متفاوتی دارند و عموما پلیمرهای شیشه ای و شکننده (عموما پلاستیکی) هستند که با یک پلیمرالاستومری مخلوط می شوند و ماده ای با مقاومت و انعطاف پذیری مناسب ایجاد می کنند. ترکیب ویژگی هایی از این نوع در بیشتر پلیمرها قابل مشاهده نیست. مثال خوبی از آلیاژهای پلیمری، پلی استایرن مقاوم شده است که در آن ذرات لاستیک با یک پلیمر پایه ترکیب می شوند.
درآلیاژهای پلیمری،ذرات پراکنده لاستیکی در زمینه ای از ماده پلاستیکی پخش یا توزیع می گردند. این نوع آرایش سبب بهبود خواص مکانیکی می شود. یک تغییرایجاد شده در آلیاژهای پلیمری ، ایجاد تأخیر بین ترک خوردن و شکستن است. در پلیمرهای شیشه ای بدون پر کننده لاستیکی ، شکستگی بلافاصله پس از ترک خوردن صورت می گیرد، ولی در این مخلوط ها، شکستگی پس از ترک خوردن و بعد از گذشت مدت زمان زیادی اتفاق خواهد افتاد. دلیل وقوع این پدیده ، بزرگ بودن ذرات لاستیکی و ایجاد اتصال در زمینه ی شیشه ای است که این امر توانایی تحمل بار را در این ماده ایجاد می کند . چنین مکانیسمی نشان دهنده ی این واقعیت است که محدوده ی بهینه ای برای اندازه ی ذرات لاستیکی وجود دارد که مقاومت در برابر شکستگی را افزایش می دهد . برای مثال در پلی استایرن مقاوم شده ، بهترین نتایج ، با استفاه از ذرات لاستیکی ، در محدوده ی mµ10_1 به دست می آید.

 

[zeinab68]

کامپوزیتها و یا پلاستیک های تقویت شده سالهاست که به عنوان مواد پیشترفته مهندسی مطرح شده اند. کامپوزیتهای پلیمری یا پلاستیک های تقویت شده بهترین انتخاب برای سازه های حساس و دارای ساختار پیشرفته می باشند زیرا خواص فیزیکی و مکانیکی بسیار بالا و مقاومت شیمیایی خوبی دارند.
با گسترش کاربرد این مواد، بتدریج بسیاری از قطعات خودرو و وسائل ورزشی با آنها ساخته شد. همزمان توجه ویژه ای به زیبائی ظاهری و افزایش پایداری قطعات کامپوزیتی معطوف شده است. پوشش ژلی و لایه های چندگانه رنگ برای محافظت در برابر خوردگی ، ضربات خارجی و انواع حملات شیمیایی روی قطعات کامپوزیتی اعمال می شوند. این پوششها ظاهری مناسب و جذاب به آنها می بخشند و امکان رقابت با فلزات و دیگر مواد ساختمانی را فراهم می کند.
کامپوزیتهای پلیمری همانند دیگر کامپوزیتها از دو فاز پیوسته (ماتریس) و غیرپیوسته (تقویت کننده)تشکیل می شوند و به طور عمده از رزین های ترموست مانند انواع پلی استر، وینیل استر، آکریلاتها ، پلی یورتان، اپوکسی و فنولیک ، یا ترموپلاست مانند مانند پلی الفین ها و نایلون ها (پلی آمید) ساخته می شوند. کامپوزیتهای ذره ای با پراکنش پرکننده هایی مانند خرده چوب، پودر کوارتز، پودر کوارتز،پودرهای معدنی ، و در شرایط ویژه دوده و ذرات لاستیکی ، در ماتریس پلیمری یا غیر آلی به وجود می آیند.
الیاف کربن، آرامید و شیشه بیشترین کاربرد را درساخت کامپوزیتها و یا پلاستیک های تقویت شده دارند و دراین بین الیاف شیشه با توجه به قیمت ارزان تر، بیشتر مورد استفاده قرار گیرند. الیاف شیشه با کشش سریع و خنک نمودن شیشه مذاب به دست می آید. الیاف حاصل یکی از قوی ترین مواد موجود در دنیا می باشد و استحکام کششی نهایی تک رشته تازه کشیده شده با ضخامت 9-15 میکرون، Gpa 3.5 است و پایداری شیمیایی بالائی نیز نشان می دهد.

سیلیکونها:
سیلیکنوها گروه خاصی از پلیمرها را تشکیل می دهند. در زنجیر مولکولی این پلیمرها واحدهایی از Si-O-- تشکیل دهنده چهارچوب اصلی است و نه اتمهای کربن . با وجود اینکه تشابه کاملی بین مواد سیلیکونی و مواد مصنوعی آلی وجود ندارند ولی با این وجود با سیلیکونها می توان موادی به دست آورد که خواصی مانند الاستومرها ، ترموستها و روغن ها خواهد داشت. مقاومت حرارتی و شیمیایی سیلیکونها بیش از دیگر موا مصنوعی آلی است. لاستیک سیلیکونی دریک محدوده بسیار وسیعی از درجه حرارت، خواص مکانیکی ثابتی را از خود نشان می دهد، در حالی که لاستیک از مواد آلی این چنین رفتار را ازخود نمایان نمی سازد.


مواد آلی به عنوان چسب:
مواد آلی که به عنوان چسب به کار می رود باید دوشرط مهم را برآورده سازد. یکی پیوستگی چسب با ماده ای که اتصال آن مورد نظر است و دیگری پیوستگی بین ذرات ماده چسب. دراین صورت است که اتصال مطلوب بوده و می تواند بار وارده را تحمل کند. قدرت چسبندگی به انرژی سطحی ماده چسب و جنس قطعه بستگی دارد، بدین منظور مولکولهای چسب باید غیرمتقارن بوده و قابلیت قطبی شدن زیادی داشته باشد. بنابراین پلی اتیلن و پلی تترافلوراتیلن به دلیل داشتن مولکولهای متقارن ، قابلیت چسبندگی بدی دارند.
در صنعت چسب سازی چسبهای تک جزیی وچندین جزیی متفاوت هستند. چسبهای تک جزیی به عنوان چسب مایع به کار می روند. در این نوع چسبها با بخار شدن و انجماد پیوستگی ایجاد
می شود. چسبهای چندین جزیی تحت تأثیر واکنشهای شیمیایی سخت می شوند. اغلب به چسبها مواد سخت کننده اضافه می شود.

مواد افزودنی به پلیمر
اغلب پلیمرها شامل مواد افزودنی هستند که درمراحل فرآیند تولید به آنها اضافه می شوند:
پرکننده ها : پرکننده ها به دلایل مختلفی به پلیمرها اضافه می شوند. یکی از بهترین افزودنیهای شناخته شده، دوده ذغال است که برای بهبود استحکام و مقاومت سایشی تایرها به لاستیک اضافه می شود. بعضی از پرکننده ها، مثل الیاف کوتاه یا ذراتی از مواد معدنی، جهت بهبود خواص مکانیکی پلیمرها به کارمی روند. بعضی ازمواد افزودنی مانند کربنات کلسیم، سیلیکا و تالک برای انبساط حجم پلیمروکاهش قیمت آن با کمی رزین مناسب به آنها اضافه می شوند.
مواد پایدار کننده : پایدارکننده ها از تخریب پلیمر در مجاورت با محیط و اشعه ماوراءبنفش جلوگیری می کنند. پایدار کننده های حرارتی در فرآیند پلی وینیل کلراید مورد نیاز است، که اگر اضافه نشود اتمهای هیدورژن و کلر می توانند به حالت اسید هیدروکلریک برگردند وپلیمررا ترد و شکننده کنند.
مواد ضد الکتریسیته ساکن: ازآنجایی که اغلب پلیمرها هادیهای بسیار ضعیفی هستند، تدریجاً دارای بار الکتریکی ساکن می شوند. این مواد با جذب رطوبت محیط در سطح پلیمر قابلیت هدایت الکتریکی سطحی را بالا می برند و احتمال جرقه زدن یا تخلیه الکتریکی را کاهش می دهد.
مواد به تأخیراندازی نقطه اشتعال: به دلیل اینکه اغلب مواد پلیمری به محض رسیدن به دمای معینی مشتعل می شوند، افزودنیهایی که شامل کلر، برم ، فسفر یا بعضی نمکهای فلزی هستند، احتمال وقوع احتراق یا گسترش آن را کاهش می دهند.
مواد نرم کننده: این مواد زنجیرهای مولکولی پایین هستند که دمای تبدیل شیشه ای را کاهش داده ویک حالت روانکاری داخلی در پلیمر ایجاد می کنند که منجر به افزایش شکل پذیری پلاستیکی آن می شوند.
تقویت کننده ها: استحکام و سختی پلیمرها با اضافه کردن الیاف نازک شیشه و یا کربن به عنوان تقویت کننده به زمینه پلیمری، افزایش می یابد.

 

[zeinab68]

شکست مواد پلیمری:
شکست مواد پلیمری همانند شکست فلزات می تواند ترد یا نرم و یا حالتی بین این دو باشد. ترموپلاستیکها عموماً می توانند شکست ترد یا نرم داشته باشند، اگر شکست ترموپلاستیکها در زیر دمای تبدیل شیشه ای (Tg) رخ دهد نوع شکست عمدتاً ترد خواهد بود، در حالی که چنانچه شکست در بالای دمای تبدیل شیشه ای اتفاق افتد نوع شکست نرم است. بنابراین دما می تواند تأثیر زیادی بر نوع شکست داشته باشد، اما ترموستها که در دمایی بالاتر از دمای معمولی اتاق حرارت داده شوند، ضعیفتر شده و شکست با اعمال تنش کمتری رخ می دهد ولی هنوز نوع شکست عمدتاً ترد خواهد بود، زیرا که پیوند کوالانسی شبکه در دماهای بالا نیز باقی می مانند.
آهنگ (سرعت) تغییر شکل نیز عامل مهمی در رفتار شکست ترموپلاستیکها است، با آهنگ کرنش پایین تمایلی به شکست نرم وجود دارد، زیرا ک در آهنگ کرنش پایین زمان برای ردیف شدن مجدد زنجیرهای مولکولی وجود خواهد داشت.


شکست ترد مواد پلیمری:
انرژی سطحی مورد نیاز برای شکست ترد یک ماده پلیمری شیشه ای ترد بی شکل، مانند پلی استیرن یا پلی متیل متااکریلات(PMMA) حدود 1000 برابر بیش از انرژی است که برای شکست پیوندهای کربن- کربن لازم است. مواد پلیمری شیشه ای مانند PMMA بسیار نرمتر از شیشه های معدنی هستند. انرژی زیاد لازم برای شکست ترموپلاستیکهای شیشه ای بسیار بیشتر است، زیرا کهک محدوده های موضعی تخریب شده، موسوم به کریز قبل از ترک برداشتن شکل می گیرند. یک جوانه ترک در ترموپلاستیک شیشه ای در محدوده ای ، که تنش بالایی ایجاد
می شود و شامل ردیف شدن زنجیرهای مولکولی همراه با چگالی بالایی از حفره های پراکنده داخلی است شکل می گیرد.
تغییر ساختار مولکولی را دریک جوانه ترکدر ترموپلاستیک شیشه ای ، مانند PMMA نمایش می دهد. چنانچه تنش به اندازه کافی باشد ترک از داخل جوانه ترک شکل می گیرد.
همین که ترک در امتداد جوانه ترک گسترش می یابد، تمرکز تنش دررأس ترک در امتداد جوانه های ترک ادامه می یابد. کار انجام گرفته برای ردیف کردن زنجیرهای مولکولی در ناحیه کریزعلت مقدار کار نسبتاً زیاد لازم برای شکست پلیمر شیشه ای است. به همین علت انرژی شکست پلی استیرن و PMMA بین 300 و 1700(ژول بر متر مربع)، البته فقط برای شکست پیوندهای کوالانسی در فرآیند شکست است.

شکست نرم مواد پلیمری :
ترموپلاستیکها در بالاتراز دمای تبدیل شیشه ای قبل از شکست از خود تغییر شکل پلاستیکی نشان می دهند. درحین تغییر شکل پلاستیکی زنجیرهای مولکولی خطی از هم باز می شوند و جدا از هم درکنار یکدیگر می لغزند و به تدریج در امتداد تنش اعمالی ردیف و به یکدیگر نزدیکتر
می شوند.
احتمالاً موقعی که تنش روی زنجیرها بسیار بالا می رود ، پیوندهای کوالانسی زنجیرهای اصلی
می شکنند و شکست ماده رخ می هد. مواد الاستومر اساساً به همان طریق تغییر شکل می یابند، به جز هنگامی که آنها در معرض باز شدن بیشتر قرار می گیرند، اما احتمالاً اگر تنش وارد بر ماده بسیار بالا باشد و کشیدگی زنجیرهای مولوکولی بسیار زیاد شود، پیوندهای کوالانسی بین زنجیرهای اصلی شکسته شده و منجر به شکست ماده می شود.