تاریخچه ی توسعه ی مواد پلیمری (2)

چالش ها و جایگزینی با مواد سنتی

قالب گیری پلاستیک، کاربرد خوب خود را در چند صنعت، نشان داده است. مزیت های اصلی آن به عنوان جایگزینی برای فلزات، عبارتست از: تثبیت راحت تر قطعات (یعنی قطعات کمترو اجزای کمتر در یک قطعه)، وزن کمتر، بهبود نسبت استحکام به وزن و نسبت سفتی به وزن، مقاومت در برابر خوردگی و کاهش هزینه ی قطعات. شکل 1 نشاندهنده ی تصویری از عملیات لوله گذاری در خیابان Shore در دانشگاه Ulster می باشد. فونیکس سیستم گاز بلفاست رو خریداری کرد و آن را در عنوان یک مجرا برای وارد کردن خط لوله ی جدید، استفاده کرد. این کار موجب شد تا میزان حفاری کاهش یابد و همچنین بهره وری نیز افزایش پیدا کند.
جایگزینی فلزات بوسیله ی مواد بر پایه ی پلیمر، به تدریج در همه ی بخش ها در حال انجام می باشد و جایگزینی بیشتری هم قابل تصور می باشد. هامفریز (1997) در سمپوزیوم انگلیس- ژاپن در مورد علم و جامعه گفت: "هفتاد درصد از وزن یک پل معلق در حقیقت کابل های فولادی آن است. اگر طول پل افزایش قابل توجهی پیدا کند، دیگر قابلیت استفاده از این کابل ها، وجود ندارد. طول ماکزیمم یک پل معلق معمولی، 5000 متر است. اگر طناب های فولادی، با طناب های تولید شده از الیاف کربنی جایگزین شوند، طول ماکزیمم تخمین زده شده، سه برابر می شود. در اصل، شما می توانید یک پل معلق با طولی برابر 15000 متر داشته باشید". این مفهوم بوسیله ی ramsden (2009) نیز به گونه ای دیگر و بر اساس تجزیه و تحلیل بر روی پل معلق موجود بر روی تنگه ی مسینا، بیان شده است. این پل معلق جزیره ی سیسیل را به ایتالیا وصل می کند. کابل فولادی مورد استفاده، بیش از 3300 متر طول دارد. به هر حال، او می گوید که پل های بزرگتر، ممکن است با استفاده از کامپوزیت هایی از جنس الیاف کربنی و الیاف شیشه، ساخته شوند.
هامفری (1997) نیز از جایگزینی طناب فولادی با استفاده از طناب های تولیدی از الیاف کربن دفاع کرد. در واقع به گفته ی او، می توان از این الیاف در اتصال حلقه های نفت و گاز در بستر دریا، استفاده کرد. او گفته است که تمام حلقه های شناور دریایی نیازمند کیسه های شناوری بزرگی هستند که دارای طناب های فولادی هستند. به هر حال، اگر طناب فولادی با طناب تولیدی از الیاف کربنی، جایگزین شود، شما می توانید تا عمق 3000 متری بروید و نفت و گاز را از بخش های عمیق تر، استخراج کنید. این حقیقت، در واقع با حساسیت انرژی در دنیای کنونی، بیشتر نمود یافته است. در حقیقت منابع عظیم نفت و گازی مورد استفاده قرار گرفته اند که در اصل، با ادوات گذشته، قابل استخراج نبوده اند. در حقیقت، این استخراج مدیون تولید وسایل مهارکننده ی سبک تری می باشد که استحکامی 5 برابر فولاد دارند.
این کاربردها، در یک دهه قبل برای الیاف کربن پیشنهاد شده بود و این کار هنوز هم در مراحل بررسی می باشد. برخی از طناب های مهندسی با کارایی بالا، بر پایه ی پلی استر، نایلون و الیاف پلی اتیلن با وزن مولکولی واقعا بالا نیز مورد استفاده قرار می گیرند.
مثال هایی از جایگزینی فلز با پلاستیک در کاربردهای خانگی و مزیت های مربوطه، بوسیله ی Hagan و Keetan (1994) مورد بررسی قرار گرفته است.
با انتخاب مناسب مواد بر پایه ی پلیمر، چه مزیت هایی حاصل می شود؟
مواد پلیمری دارای استحکام بالا، نسبت سفتی به وزن بالا، مقاومت به خوردگی بالا، قابلیت رنگ کاری در داخل قالب، ایمنی و سهولت تولید و ایجاد اشکال پیچیده، می باشند و می توانند هزینه های تولید را به طور قابل ملاحظه ای، کاهش دهند.
کاهش در هزینه ها
استفاده ی عاقلانه از حتی مواد گران قیمت مانند کامپوزیت های کربن- کربن می تواند در نهایت، صرفه ی اقتصادی ایجاد کند. هزینه ی مواد خام مورد استفاده در ساخت این کامپوزیت های کربن- کربن، بسته به نوع و هندسه ی الیاف، نوع زمینه، استفاده ی نهایی و روش تولید، تغییر می کند. کامپوزیت های کربن- کربن جایگزین ترمزهای فولادی/ سرمت می شوند و بدین صورت، کاهش قابل توجهی در وزن این قطعات مخصوصاٌ در کاربردهای نظامی و هواپیماها، ایجاد می شود. در کنکورد، این استفاده، موجب کاهش 600 کیلوگرمی سازه ی هواپیما، شده است که این مسئله به معنای صرفه جویی در مصرف انرژی و یا در حقیقت توانایی حمل بار بیشتر می باشد.
بهبود در کارایی / ایمنی
بیشتر شاهکارهای مدرن امروزی در زمینه ی ورزش، به دلیل ورود مواد پلیمری به این عرصه، انجام شده اند. یک ضربه ی 120 مایل بر ساعته در تنیس، بدون وجود راکت های کامپوزیتی تولید شده با زمینه ی پلیمری، قابل حصول نبود. تحقیقات در زمینه ی بیومکانیک نشان داده است که راکت های تنیس اولیه، به گونه ای ساخته می شدند که با نیروی نوسانی بالا، برخورد کنند، این مورد در اصلی یکی از دلایل اصلی آسیب آرنج تنیسور محسوب می شود. ساختارهای کامپوزیتی کنونی در حقیقت به گونه ای ساخته شده اند که استحکام راکت و دوام آن افزایش یافته است. علاوه بر این فاکتورها، نیروی ضربه ای بالا نیز در این وسایل ورزشی، ایجاد می شود.
افزایش قابل توجه در ارتفاع در مسابقات پرش، با استفاده از ادوات پرشی بدست می آید که از کامپوزیت های الیاف کربن- اپوکسی و یا الیاف شیشه- اپوکسی تولید شده اند.
موفقیت های اخیر در زمینه ی دوچرخه سوازی به طور قابل توجهی به تعداد اشکال مختلف بارهای ضربه ای وابسته می باشند که در طی مسابقه، بر روی دوچرخه، اعمال می شود. این رویدادها، شامل انواع مختلف ضربه می باشد که در طی مسیر، به دوچرخه وارد می شود که علت آن، ترکیبی از ناهواری ها و پستی و بلندی های سطحی می باشد. از اوایل دهه ی 1980، در ماشین های فرمول یک، از کامپوزیت های تقویت شده با الیاف، استفاده شده است.
وقتی شاسی های کامپوزیتی حاوی الیاف کربنی، اولین بار بوسیله ی McLaren و Hercules معرفی شدند، یک تعداد از طراحان در مورد مناسب بودن این مواد ترد در این کاربرد، دغدغه داشتند. در حقیقت، برخی از رویدادها موجب شد تا استفاده از این محصولات، محدود گردد. مثلا در سال 1981، جایزه بزرگ ایتالیایی در مونزا ، این ترس را برطرف کرد و موجب کاهش شک و شبه ها در مورد ایمنی ساختارهای حاوی الیاف کربن تحت ضربه، شد. در این زمان، John Watson کنترل ماشین خود را از دست داد و به طور وحشتناکی به موانع برخورد کرد. شدت تصادف به حدی زیاد بود که موتور و سیستم انتقال از شاسی بیرون زد. بقیه ی بدنه چند متر آن طرف تر، افتاد. راننده توانست خودش از کنار باقیمانده ی شاسی، حرکت کند بدون آنکه صدمه دیده باشد. شاسی تخریب شده، به خوبی نشاندهنده ی قابلیت ساختار کامپوزیتی در جذب نیروی اعمالی بود. سفتی بالای بدنه موجب شده بود تا ضربه بوسیله ی ساختار جذب شود و بیشتر مقادیر انرژی اعمال شده به ساختار، در محل اعمال، باقی بماند. علاوه بر این، مواد کامپوزیتی قادر به جذب انرژی ضربه هستند. به طور عکس، نیروهای ایجاد شده از ضربه بر روی ساختار تولیدی از فلزاتی همچون آلومینیوم، به اندازه ی کافی بالاست که از حد الاستیک ماده، فراتر می رود. در ماشین های آلومینیومی، بدنه به صورت یک قطعه باقی می ماند اما تا جایی که بتواند فشرده می شود تا بتواند انرژی را جذب کند. در این حالت، راننده، حتما می میرد.
در یکی از سایت ها، متن جالبی به نقل از سازمان پلاستیک اروپا نوشته شده است. این سازمان می گوید که "پلاستیک ها به چند شیوه، ما را در برابر آسیب محافظت می کنند، خواه ما در ماشین باشیم و یا به عنوان یک آتشنشان و یا یک اسکی باز، کار کنیم. ایربگ ماشین از جنس پلاستیک است، کلاه ایمنی و بسیاری از وسایل محافظتی، از جنس مواد پلیمری هستند. همچنین لباس های محافظتی مربوط به آتشنشان ها نیز از جنس مواد پلیمری است و توانایی تحمل دمایی در گستره ی 120 تا -150℃ را دارا می باشند. پلاستیک های محافظتی موجب می شوند تا غذا و نوشیدنی ها، محافظت شوند و میکروب وارد آنها نشود. کفپوش های پلاستیکی و مبلمان نیز به سهولت تمیز می شوند و همچنین آلودگی های باکتریایی موجود بر روی سطح آنها، به راحتی از بین می روند مثلا در بیمارستان ها. در بیمارستان ها، پلاستیک به عنوان محفظه های نگهداری مایعات و خون، بافت مصنوعی و اتصالات، لنزها و قرنیه ی مصنوعی، بخیه های آب شونده، آتل و پیچ در شکستگی ها و کاربردهای دیگر، مورد استفاده قرار می گیرند. در چند سال گذشته، نانوپلیمرها، توانایی دارورسانی هدفمند و مستقیم به سلول های تخریب شده را برعهده گرده اند. خون مصنوعی نیز بر پایه ی مواد پلاستیکی در حال توسعه می باشد.
کاهش وزن
وزن مخصوصاً موجب بهبود نسبت استحکام به وزن و سفتی به وزن می شود. در حقیقت، این اثر، قابل توجه می باشد. برای مثال، این اثر در هواپیماها و سایر وسایل حمل و نقل، نیز مشاهده می شود. بهبود میزان مصرف سوخت در ماشین ها و هواپیماها به دلیل کاهش میزان وزن خودرو، نیز قابل حصول می باشد. در حقیقت با افزایش استحکام و کاهش وزن، هزاران لیتر سوخت هر ساله صرفه جویی می شود و همچنین میزان آلودگی هوا نیز کاهش می یابد.
تقاضای خاص برای وسایل ورزشی مورد استفاده در آب مانند بدنه ی قایق های مسابقه ای، می تواند با استفاده از مواد کامپوزیتی، تأمیل شود. بیشتر انواع این بدنه ها، بر پایه ی کامپوزیت های پلیمر/ الیاف شیشه و یا الیاف کولار و کربن ساخته می شوند. برای مثال، یک بدنه ی قایق به طور نمونه وار شامل یک ساختار ساندویچی است که بر پایه ی لایه های متناوب از جنس نمد شیشه ای و الیاف کولار، تولید شده است که بواسطه ی یک ماده، به هم متصل شده اند. مواد ایجاد کننده ی اتصال، از جنس پلیمر سلولی می باشند و بدون کاهش در سفتی، موجب سبک شدن ساختار می شوند.
کاهش در وزن در بین تولیدکننده های دوچرخه نیز دنبال شده است، مخصوصا سازنده های دوچرخه های مسابقه ای. ژاپنی ها اخیراً اعلام کردند که اولین دوچرخه ی کاغذی را تولید کرده اند. چارچوب این دوچرخه از کامپوزیت های کاغذ- رزین اپوکسی، تولید شده اند. الیاف سلولزی مورد استفاده، موجب می شود تا استحکامی در حدود 60 % استحکام کامپوزیت های حاوی الیاف کربنی، ایجاد شود. چارچوب حاصله تنها 1.3 کیلوگرم وزن دارد. یک پوشش نازک پلاستیکی بر روی کاغذ اعمال می شود تا اطمینان حاصل شود که چارچوب در طی روزهای بارانی، گسسته نمی شود.
آمریکایی ها یک جلیقه ی ضد گلوله از جنس صفحات سرامیکی به همراه کامپوزیت های پلیمر- الیاف شیشه، را برای جنگ ویتنام، تولید کردند. امروزه، جلیقه های سبک تر از جنس کولار یا دینما، تولید شده اند.
مقاومت به خوردگی
پلاستیک ها در بسیاری از کابردها، جایگزین فلزات شده اند زیرا پلاستیک ها، خورده نمی شوند. شکل 2 نشاندهنده ی تأسیسات یک استخر شناست که از محلول سدیم هیپوکلرید، استفاده می کند. این ماده، یک اکسیدکننده ی قوی است و از این رو، این تأسیسات به شدت خورده می شوند. در طی دوره های حفظ و نگهداری، پلاستیک جایگزین لوله های فلزی خورده شده، شد. به هر حال، این فهمیده شده که پلاستیک ها در طی استفاده در این قسمت ها، رنگ خود را از دست می دهند، ترک می خورند، ترد می شوند، خواص خود را از دست می دهند و یا در صورت برخورد با منبع انرژی، تابش اشعه ی نور و یا مواد شیمیایی، ذوب می شوند. عایق و رساناهای الکتریکی
عایق کاری الکتریکی یک ویژگی ذاتی اکثر پلیمرهاست. پلیمرها در بسیاری از کابردهایی استفاده می شود که در آنها، عایق کاری الکتریکی، مورد نیاز می باشد. برای مثال، عایق های پلی اتیلنی در کابل های هم محور رادار و تلویزیون، استفاده می شوند. پلیمرها، همچنین کارایی بالایی به عنوان عایق در خازن ها دارند.
پلیمرهای فلئوردار به عنوان مواد با رسانایی بسیار پایین در تولید میکروفن های الکترونیکی، استفاده می شوند.
پلیمرها عایق های خوبی هستند اما وزن سبک و سهولت قالب گیری، از جمله مزیت های دیگر این ماده، محسوب می شود. بنابراین، پلیمرهای حاوی کربن بلک، به طور متداول به عنوان محیط ها رسانا، مورد استفاده قرار می گیرند. حتی یک میزان اندک از رسانش نیز که اجازه ی نفوذ بار به زمین را می دهد، برای کاهش بار استاتیک موجود در قطعات تولید شده، مناسب می باشد.
به دلیل تنوع مواد سرامیکی، همه ی این ویژگی ها را می توان در پلیمرها داشت.
چه چیزی موجب می شود تا پلیمرها، به سهولت مورد استفاده قرار گیرند؟
پلیمرهای اغلب ساختارهای مولکولی متنوع و خواص متنوعی ایجاد می کنند و از این رو، در کاربردهای متنوعی، می توان از انها استفاده کرد. مواد پلیمری به طور روزافزون جایگزین مواد سنتی تر مانند چوب، فلز، سرامیک و الیاف طبیعی، می شوند. پلیمرهای معمولی برای استفاده در یک چنین کاربردهایی، مناسب می باشند. به هر حال، پیشرفت های تکنولوژیکی و دغدغه های مربوط به آلودگی های محیط زیستی ، ایمنی و سلامت، موجب می شود تا تقاضا برای بهبود و اصلاح پلیمرهای کنونی و تولید پلیمرهای مستحکم تر، ایجاد شود.
پلیمرها، دارای ویژگی های ساختاری مختلفی هستند که در ادامه، برخی از این ویژگی ها، بیان می شود.
ویژگی های درون مولکولی (مولکول های منفرد)
پلیمرها، مواد آلی هستند و حاوی مولکول های زنجیره مانند هستند. این ویژگی چشم گیرترین ویژگی مواد پلیمری است. یک ماکرومولکول در حقیقت با اتصال دهی واحدهای تکرارشونده و بواسطه ی پیوندهای کوالانسی، ایجاد می شوند. اندازه ی مربوط به مولکول منتج شده، به عنوان وزن مولکولی تعریف می شود. مونومرها یا واحدهای تکراری در زنجیره، به صورت کوالانسی، به هم متصل می شوند. چرخش در حول پیوند کوالانسی مقدور می باشد و این مسئله موجب پدید امدن پدیده ی ایزومرهای چرخشی می شود (یعنی ایزومرهای پیکربندی) (شکل 3). پیکربندی های ترانس و گوچی با چرخش پیوند منفرد کربن- کربن، ایجاد می شود مثلا در مولکول بوتان، هر بخش مولکولی بر روی یک دیسک قرار می گیرد به نحوی که اتم کربن در مرکز دیسک قرار می گیرد و دو اتم هیدروژن و گروه متیل نیز به صورت یکنواخت در اطراف محیط قرار گرفته اند. چرخش یکی از دیسک ها نسبت به دیگری، موجب ایجاد پیکربندی های خاص می شود.
پیکربندی و یا در واقع ایزومرهای فضایی آرایش های فضایی مختلف مربوط به عناصر شیمیایی و یا گروه های عناصری را توصیف می کند که در اطراف زنجیره ی مولکولی قرار دارند. برخلاف ترکیبات، پیکربندی ها نمی توانند با چرخش پیوند کوالانسی، باردار شوند و این حالت در طی پلیمریزاسیون، ایجاد می شود. در واقع این مسئله وقتی مشاهده می شود که واحدهای مونومری ترکیب شوند و موجب تشکیل زنجیره شوند. پیکربندی ها (سیس و ترانس) توصیف کننده ی آرایش اتم ها و گروه های ایده آل در اطراف پیوند دوگانه ی موجود در واحد تکراری است؛ مثلا پلی ایزوپرن سیس و ترانس. رابر طبیعی حاوی 95% سیس- 1و 4 پلی ایزوپرن است.
نظم فضایی (Stereoregularity) در حقیقت نظم عناصر و گروه های موجود را در بخش های نامتقارن واحدهای سازنده ی وینیل می باشند. از این رو، سه نوع مختلف از زنجیره ی پلیمری از این ماده تولید می شود: ساختار اتاکتیک، ایزوتاکتیک و سیندیوتاکتیک. نظم فضایی و پیکربندی بر روی کریستالیزاسیون و میزان کریستالینیتی موجود در پلیمر، اثرگذار است. این بد نیست بدانید که یادآوری کنیم که برای عبارت عمومی "R"، وقتی R گروه های H، CH3، Cl، CN یا یک حلقه ی بنزنی باشد، فرمول بیان کننده ی پلی اتیلن، پلی پروپیلن، PVC، پلی اکریلونیتریل و پلی استایرن است.
زنجیره ی مزدوج که در این بخش، وجود دارد به طور جزئی بوسیله ی دیکشنری Alger (1989) و کتاب هایی از Fried (1995) و یانگ (1991) توصیف شده اند.
زنجیره های شاخه دار شامل یک زنجیره ی اصلی با زنجیره های فرعی متعدد می باشد. شاخه ای شدن به سهولت و در جاهایی اتفاق می افتد که مونورها بیش از دو گروه عاملی دارند. این شاخه دار شدن در طی پلیمریزاسون مونومرهای چند عاملی و بوسیله ی رادیکال های آزادی انجام می شود گه از زنجیره ی مولکولی، هیدروژن دریافت می کند. در این حالت، رادیکال های جدید در طول زنجیره ی اصلی ایجاد می شوند که در حقیقت، شروعی از یک شاخه ی فرعی است. حضور شاخه موجب کاهش قابلیت پلیمر به کریستالی شدن، می شود. در حقیقت، این شاخه دار شدن بر روی رفتار ذوب شدن پلیمر نیز، مؤثر است. شاخه دار شدن می تواند با استفاده از کاتالیست های خاص، کنترل شود.
جرم مولکولی
جرم مولکولی نشاندهنده ی تعداد واحدهای تکراری است که در یک مولکول پلیمری وجود دارد. در حقیقت جرم مولکولی باید به یک مقدار معین برسد تا خواص مناسبی در پلیمر ایجاد گردد.
مثال هایی از تعداد مختلف واحدهای تکرارشونده ی (-CH2-) در محصولات نفتی
پلیمریزاسیون موجب ایجاد زنجیره های با طول مختلف می شود و بنابراین، جرم مولکولی به صورت یک مقدار متوسط بیان می شود (مثلا M ̅_n یا M ̅_w). در این حالت، توزیع جرم مولکولی نیز با M ̅_w/M ̅_n بیان می شود. یک توزیع باریک مثلا در پلی اتیلن، موجب می شود تا استحکام ضربه ای بهتر و تافنس دما پایین مناسب، حاصل شود، در حالی که یک توزیع گسترده، موجب می شود تا ویژگی های قالب گیری و اکسترود بهتری ایجاد گردد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay