مقدمه ای بر مفاهیم پلیمریزاسیون (6)

کاربرد پلیمرها

خواص مکانیکی

بسیاری از خواص پلیمرها مانند مقاومت در برابر حلال، عوامل شیمیایی، مقاومت الکتریکی و نفوذپذیری گازی برای تعیین نحوه ی کاربرد یک پلیمرهای خاص مهم می باشد. به هر حال، ملاحظات اولیه در مورد تعیین استفاده های عمومی یک پلیمر، رفتار مکانیکی آنهاست. این رفتار مکانیکی به معنای یک پلیمر می تواند با بررسی رفتارهای تنش- کرنش تعیین شود. این مسئله اغلب شامل بررسی رفتار یک پلیمر در زمان اعمال تنش های کششی می باشد. در این حالت، میزان کرنش نمونه، اندازه گیری و ترسیم می شود. نتایج به صورت یک نمودار تنش – کرنش ترسیم می شود. تنش معمولا به صورت نیوتن بر سانتیمتر مربع و یا مگا پاسکال بیان می شود که هر یک مگاپاسکالی، برابر 100 نیوتن بر سانتیمتر مربع می باشد. کرنش یک افزایشی کسی در طول نمونه ی پلیمری دارد. کرنش می تواند به صورت درصد ازدیاد طول بیان شود (یعنی ) اگر چه نیوتن بر سانتیمتر مربع یک واحد SI محسوب می شود، psi (پوند بر اینچ مربع) نیز به طور گسترده ای در مقاله ها، استفاده می شود. فاکتور تبدیل بدین صورت است: 1 واحدهای SI در این متن به عنوان واحدهای اصلی، مورد استفاده قرار می گیرند. چندین نمودار تنش کرنش در شکل 1 قابل مشاهده می باشند. 4 فاکتور مهم بر روی رفتار مکانیکی یک پلیمر، مؤثرند:
مدول: مقاومت در برابر تغییر شکل که به صورت تنش اولیه تقسیم بر کرنش، بیان می شود.
استحکام نهایی و یا استحکام کششی : در حقیقت تنش مورد نیاز برای ایجاد گسستگی در نمونه.
ازدیاد طول نهایی: میزان ازدیاد طول در نقطه ای که نمونه گسستگی پیدا می کند.
ازدیاد طول الاستیک: الاتسیسیته ی اندازه گیری شده بر اساس میزان ازدیاد طول بازگشتی.
پلیمرها به طور قابل توجهی از لحاظ رفتار مکانیکی متفاوت می باشند. این مسئله بستگی به میزان کریستالی شدن و یا میزان پیوند عرضی و همچنین مقادیر و دارد. استحکام بالا و قابلیت توسعه پذیری پایین، در پلیمرهای ایجاد می شود که در انها هم کریستالینیتی و هم پیوندهای عرضی بالا باشند. میزان توسعه پذیری و همچنین استحکام پایین در پلیمرها، با میزان کریستالینیتی و پیوند عرضی و همچنین مقدار مرتبط است. حد دمایی مربوط به استفاده از پلیمرها، به و یا وابسته است. استحکام یک پلیمر آمورف، در نزدیکی از بین می رود و این استحکام برای مواد پلیمری کریستالی، در نزدیکی از بین می رود. یک گستره ی متنوع از مواد پلیمری، می توانند تولید شوند. متخصصین علوم پلیمری باید آگاه باشند که خواص مورد نیاز برای پلیمرهای نهایی، در زمان تصمیم گیری در مورد روند سنتز پلیمر، تعیین می شوند. پلیمرهای مختلف به گونه ای تولید می شوند که با استفاده از ترکیبی از کریستالینیتی، پیوند عرضی و تنظیم دماهای و ، رفتار مکانیکی مناسبی ایجاد شود. بسته به کاربرد و ترکیب خاص، یک پلیمر به صورت فیبر، پلاستیک انعطاف پذیر یا قطعه ای الاستومری، مورد استفاده قرار می گیرند. این محصولات تولیدی، در تولید الیاف لباس، فیلم های بسته بندی و روکش صندلی، لنزهای چشمی، کاربردهای خانگی و تایرهای رابری، استفاده می شوند. جدول 1 نشاندهنده ی استفاده هایی است که از پلیمرهای متداول می شود. برخی از پلیمرها را می توان در بیش از یک کاربرد، استفاده کرد زیرا خواص مکانیکی خاصی می توانند دستکاری شوند و برای کاربردهای مناسب، مورد استفاده قرار گیرند. در واقع، با افزودن مواد پلاستیسایزر و افزودنی های دیگر، می توان خواص پلیمر نهایی را تنظیم کرد. برخی از پلیمرها هم به صورت الیاف و هم به صورت قطعات پلاستیکی، استفاده می شوند.
الاستومرها، الیاف و پلاستیک ها
تفاوت میان الیاف، پلاستیک ها و الاستومرها، در نمودار تنش- کرنش شکل 1، مشهود می باشد. مدول مربوط به یک پلیمر در حقیقت شیب نمودار در محل اولیه یا مکان خطی بودن نمودار است. الاستومرها گروه هایی از پلیمرهای هستند که به سادگی متحمل ازدیاد طول بزرگ و برگشت پذیر می شوند. حتی این ازدیاد طول، در برخی موارد می تواند تا 500 تا 1000 % هم باشد. این مسئله نیازمند این است که پلیمر به طور کامل آمورف باشد و دمای انتقال به حالت شیشه ای آن نیز پایین باشد. در واقع این مولکول الاستومرها باید دارای نیروی ثانویه ی پایینی باشند تا بدین صورت موبیلیته ی زنجیره ی پلیمری، بالا باشد. پیوند عرضی متوسط در این محصولات مورد نیاز می باشد به نحوی که تغییر شکل به صورت سریع و برگشت پذیر، ایجاد شود. مدول اولیه ی یک الاستومر، باید بسیار پایین باشد اما این مدول، باید به سرعت و با افزایش ازدیاد طول، افزایش یابد. در غیر این صورت، این ماده ی الاستومری، استحکام کلی ندارد و در کرنش های پایین، متحمل گسستگی می شوند. بیشتر الاستومرها، استحکام مورد نیاز خود را از طریق پیوندهای عرضی بدست می آورند. البته برخی از آنها نیز استحکام خود را از طریق الیاف غیر آلی بدست می آورند. برخی الاستومرها، در طی ازدیاد طول، به میزان اندکی کریستالی می شوند، مخصوصاً در ازدیادهای طولی بالا. این مسئله در حقیقت یک مکانیزم استحکام دهی اضافی در این محصولات است. مربوط به نواحی کریستالی باید پایین باشد و بیشتر از دمای استفاده از این الاستومرها، نباشد تا بدین صورت، کریستال ها در زمان برداشته شدن تنش، به حالت اولیه ی خود بازگردند. پلی ایزوپرن (رابر طبیعی) یک الاستومر نمونه وار است که در حقیقت آمورف می باشد و به سهولت پیوند عرضی می دهد. این ماده دارای پایین (منفی 73 درجه ی سانتیگراد) است و آن نیز پایین است (در حدود 28 درجه ی سانتیگراد). پلی ایزوپرن با پیوند عرضی متوسط، دارای مدولی است که در اصل، کمتر از 70 نیوتن در سانتیمتر مربع است. به هر حال، این استحکام در ازدیاد طول 400 %، به میزان 1500 نیوتن بر سانتیمتر مربع می رسد. وقتی ازدیاد طول به 500% برسد، این استحکام به 2000 نیوتن بر سانتیمتر مربع می رسد. ازدیاد طول این رابر، بازگشت پذیر است و این خاصیت تا نقطه ای نزدیک به نقطه ی گسستگی، حفظ می شود. میزان پیوند عرضی و استحکام منتج شده و همچنین ویژگی های ازدیاد طول یک الاستومر، یک گستره را دارد که در حقیقت، این ویژگی ها، به نوع استفاده، وابسته می باشد. استفاده از الاستومرها برای تولید یک تایر اتومبیل، نیازمند پیوندهای عرضی بیشتر و همچنین تقویت کننده های فیبری می باشد. پیوندهای عرضی قابل توجه یک رابر موجب می شود تا این رابر، به پلاستیک سخت تبدیل شود. الیاف در حقیقت، پلیمرهایی هستند که دارای مقاومت بسیار بالایی در برابر تغییر شکل هستند. آنها تنها دارای ازدیاد طول پایینی می شوند (10 تا 50 %) و از این رو، این مواد دارای مدول بسیار بالایی هستند ( بزرگتر از 35000 نیوتن بر سانتیمتر مربع) و استحکام کششی آنها نیز بالاتر از 35000 نیوتن بر سانتیمتر مربع می باشد. یک پلیمر، باید بسیار کریستالی باشد و حاوی زنجیره های قطبی باشد تا بدین صورت، یک فیبر با کیفیت بالا، منتج شود. کشش مکانیکی برای ایجاد کریستالینیتی بالا در الیاف، استفاده می شود. دمای ذوب کریستالی یک فیبر باید بالاتر از 200 درجه ی سانتیگراد باشد به نحوی که یکپارچگی فیزیکی آن در طی استفاده در دماهای بالا، حفظ گردد. به هر حال، دمای ذوب نباید بسیار بالا باشد و بالاتر از 300 درجه ی سانتیگراد نباشد، در غیر این صورت، تولید فیبر از طریق ریسندگی ذوبی ممکن است قابل انجام نباشد. پلیمر باید در حلال حل شود تا بتوان آن را با روش ریسندگی محلولی، ریسندگی کرد. دمای انتقال به حالت شیشه ای باید در میزان متوسطی باشد و نه زیاد و نه کم باشد. در حقیقت، میزان پایین موجب می شود تا عملیات کشش و همچنین فرایندهای دیگر مربوط به آماده سازی فیبر، با مشکل مواجه شود. پلی (هگزامتیلن آدیپامید) یک نوع از الیاف متداول می باشد. این ماده پس از کشش، بسیار کریستالی می شود و گروه های آمیدی منجر به ایجاد نیروهای ثانویه ی قوی در این پلیمر می شود (به دلیل وجود پیوند هیدروژنی). نتیجه ی این مورد، تولید الیافی با استحکام کششی بالا (70000 نیوتن بر سانتیمتر مربع)، مدول بالا ( 500000 نیوتن بر سانتیمتر مربع) و ازدیاد طول پایین (کمتر از 20 %) می شود. و این الیاف به ترتیب 50 و 265 درجه ی سانتیگراد می باشد.
پلاستیک ها در واقع گروه بزرگی از محصولات پلیمری است که رفتار مکانیکی آنها بین الاستومرها و الیاف می باشد. دو نوع پلاستیک وجود دارد. یکی پلاستیک های انعطاف پذیر و دیگری پلاستیک های صلب. پلاستیک های انعطاف پذیر، دارای میزان کریستالینیتی بالایی هستند و گستره ی دمای بین و این محصولات، گسترده است. میزان مدول آنها متوسط است (بین 15000 تا 350000 نیوتن بر سانتیمتر مربع) و ازدیاد طول نهایی آنها بین 20 تا 800 % می باشد. پلی اتیلن یکی از پلاستیک های انعطاف پذیر است. سایر پلاستیک های انعطاف پذیر، عبارتند از پلی پروپیلن و پلی(هگزامتیلن آدیپامید) می باشند. پلی(هگزامتیلن آدیپامید) هم به صورت الیاف و هم به صورت پلاستیک های انعطاف پذیر، مورد استفاده قرار می گیرند. بسیاری از پلاستیک های انعطاف پذیر، متحمل ازدیاد طول نهایی بالایی می شوند. این ازدیاد طول، مشابه الاستومرها می باشد. به هر حال، تفاوت این پلاستیک ها با الاستومرها، این است که تنها 20 % از این ازدیاد طول، برگشت پذیر است.
پلاستیک های صلب نسبت به پلاستیک های انعطاف پذیر، متفاوت می باشند. پلاستیک های صلب به دلیل صلبیت بالا و مقاومت در برابر تغییر شکل، شاخص می باشند. این نوع از پلاستیک ها، دارای مدول بالایی هستند (70000 تا 350000 نیوتن بر سانتیمتر مربع). همچنین میزان استحکام کششی آنها متوسط و بالاست (3000 تا 8500 نیوتن بر سانتیمتر مربع). البته این مواد پیش از گسستگی، ازدیاد طول بسیار پایینی دارند (کمتر از 0.5 تا 3 %). پلیمرهای این گروه، پلیمرهای آمورفی هستند که دارای زنجیره های بسیار صلب می باشند. میزان صلبیت بالای این زنجیره ها، در برخی موارد به دلیل وجود پیوندهای عرضی بالا در این محصولات می باشد. مثال هایی از این محصولات، عبارتند از: فنول- فرمالدهید، اوره- فرمالدهید و ملامین- فرمالدهید. در سایر پلیمرها، صلبیت بالا به دلیل گروه های جانبی بزرگ در زنجیره ی پلیمری، ایجاد می شود. این مسئله موجب می شود تا مقدار افزایش یابد. برای مثال مربوط به پلی استایرن، برابر 100 درجه ی سانتیگراد، و مربوطه به پلی (متیل متااکریلات) برابر 105 درجه ی سانتیگراد است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Principles of polymerization / George Odian/ fourth edition