در علم شیمی پلیمر، واکنش پلیمری شدن، بسپارش یا پلیمریزاسیون (polymerization) به فرآیندی گفته می شود که در طی آن، مولکول های مونومر و یا ترکیبی از آنها در کنار یکدیگر قرار می گیرند و به پلیمر تبدیل می شوند. در واقع واکنش پلیمریزاسیون یک نوع واکنش شیمیایی است که در آن، مولکول های کوچک در یک فرآیند شیمیایی با یکدیگر پیوند شیمیایی می دهند و در نتیجه زنجیره های پلیمری و یا شبکه های سه بعدی را می سازند. توجه داشته باشید که طی این فرآیند، مولکول های بزرگ با جرم مولکولی چند برابر مولکول های اولیه یا منومر ها به وجود می آید. در مطالب پیشین نشریه جهان شیمی فیزیک، با مفهوم واکنش شیمیایی و چگونگی انجام آنها آشنا شده اید. در این مقاله به بررسی واکنش پلیمری شدن پرداخته می شود. لطفا همراهی بفرمایید.
فهرست مطالب این مقاله
۱- پلیمر چیست ؟
۲- فرآیند پلیمریزاسیون
۳- تفاوت واکنش های پلیمریزاسیون مرحله ای و زنجیری
۴- واکنش های پلیمریزاسیون تراکمی و افزایشی
۵- واکنش پلیمری شدن اشتراکی یا کوپلیمریزاسیون
پلیمر چیست ؟
پلیمر (بسپار) در حقیقت یک ماکرومولکول یا درشت مولکول است که از تعداد زیادی واحد تکرار شونده به نام مونومر تشکیل شده است. اگر تعداد کمی از مونومر ها با یکدیگر پیوند شیمیایی دهند و تبدیل به بسپار شوند، درشت مولکول ایجاد شده پلیمری با وزن مولکولی کم خواهد بود. به این نوع از پلیمر ها الیگومر گفته می شود.
توجه داشته باشید که اگر پلیمر تنها از یک نوع مونومر ساده ایجاد شده باشد، به محصول تولید شده پلیمر یکنواخت می گویند. در حالیکه اگر بیش از یک نوع مونومر در ساختار آن بکار رفته باشد، محصول نهایی کوپلیمر نامیده می شود. فرض کنید دو مونومر مختلف با یکدیگر پلیمریزه شده باشند. اگر دو واحد ساختاری به شکل یک در میان در یک آرایش خطی کنار هم قرار بگیرند به محصول ایجاد شده، کوپلیمر متناوب گفته می شود. اما اگر توزیع مونومر ها به شکل تصادفی باشد، محصول، کوپلیمر تصادفی نامیده می شود. پلیمرها را می توان به سه گروه عمده تقسیم بندی کرد. این سه گروه عبارتند از : بیوپلیمر ها یا پلیمر های طبیعی (همانند سلولز، پروتئین ها، نشاسته و …)، پلیمر های معدنی (همانند الماس، گرافیت و …) و پلیمر های سنتزی (همانند نایلون، پلاستیک، چسب و …).
جالب است بدانید که
پلیمر ها را از نظر اثر پذیری در مقابل حرارت می توان به دو دسته پلیمر های ترموپلاستیک (پلیمر گرما نرم) و پلیمر های ترموست (پلیمر گرما سخت) تقسیم نمود. در صورتیکه پلیمر مورد نظر، در تعدادی از حلال های شیمیایی محلول باشد، در اثر گرم کردن ذوب شود و در نتیجه سیال گردد، پلیمر ترموپلاستیک نامیده می شود. به بیان دیگر، این پلیمر ها با افزایش دما، بدون هیچگونه تغییر شیمیایی ذوب می شوند. این پلیمرها معمولا دارای جرم مولکولی بالایی می باشند.
در حالیکه گروه ترموست ها، پلیمر هایی هستند که در اثر گرما ذوب نمی شوند. در واقع این دسته از پلیمر ها در دما های بسیار بالا به شکل برگشت ناپذیری تجزیه می شوند. رزین های وینیل استر، پلی استر، اپوکسی و فنولیک در دسته پلیمر های گرما سخت قرار دارند. این پلیمر ها معمولا دارای جرم مولکولی پایینی می باشند. لازم به ذکر است که ترموپلاستیک یا ترموست بودن از ویژگی های فیزیکی پلیمر ها محسوب می شود.
فرآیند پلیمریزاسیون
به واکنش های شیمیایی که سبب برقراری پیوند میان مونومر ها شوند، فرآیند پلیمریزاسیون می گویند. در واقع همانطور که بیان شد، تعدادی از مولکول های کوچک یا مونومر ها در شرایط مناسب به یکدیگر پیوند شیمیایی می دهند و در واقع به هم متصل می شوند. در نتیجه باعث ایجاد مولکول هایی با جرم مولی زیاد و زنجیر های طولانی می شوند. توجه داشته باشید که ترکیبات آلی که در ساختار های خود، پیوند دوگانه کربن –کربن (c=c) داشته باشد، معمولا می توانند در واکنش های پلیمری شدن شرکت نمایند.
به عنوان نمونه پلی اتیلن یا پلی اتن را در نظر بگیرید. این پلیمر از طریق واکنش های پلیمری شدن گاز اتیلن بدست می آید. در حقیقت گاز اتن را در فشار بالا گرم می کنند تا جامد سفید رنگی که جرم مولی آن معمولا ده ها هزار گرم بر مول می باشد پدید آید. این پلیمر در دسته پلیمر های ترموپلاستیک قرار می گیرد. زمانیکه هیچ شاخه ای در پلیمر وجود نداشته باشد، به آن پلی اتیلن خطی می گویند. در غیر این صورت، پلی اتیلن شاخه ای نامیده می شود.
علاوه بر آن، می توان پلی اتن سبک یا پلی اتن سنگین داشت. نوع سبک پلی اتیلن، چگالی پایین تری دارد و شفاف می باشد. به دلیل انعطاف پذیری بیشتری که دارد، در تولید کیسه پلاستیک کاربرد دارد. این پلیمر نوعی پلی اتن شاخه دار محسوب می شود.در حالیکه پلی اتن سنگین چگالی بیشتری دارد، پس کدر است. این پلیمر بدون شاخه می باشد و در تهیه لوله های پلاستیکی، بطری کدر شیر و دبه های آب که سخت تر و محکم تر اند، بکار می رود.
نکته
فرآیند بسپارش را می توان به شکل های مختلفی دسته بندی کرد. به عنوان مثال، فرآیند پلیمری شدن بر اساس طریقه عمل به سه دسته پلیمریزاسیون آنیونی، پلیمریزاسیون کاتیونی و پلیمریزاسیون رادیکالی تقسیم می شود. حال اگر طبقه بندی بر اساس محیط انجام واکنش باشد، در این صورت به چهار دسته مختلف پلیمریزاسیون محلولی، پلیمریزاسیون توده ای، پلیمریزاسیون سوسپانسیونی و پلیمریزاسیون امولسیونی تقسیم خواهند شد. فرآیند های پلیمری شدن را بر اساس رشد پلیمر می توان به دو نوع واکنش پلیمریزاسیون مرحله ای و واکنش پلیمریزاسیون زنجیری تقسیم کرد. در نهایت فرآیند های پلیمری شدن را بر اساس محصولات پلیمریزاسیون می توان به دو دسته پلیمریزاسیون تراکمی و پلیمریزاسیون افزایشی دسته بندی کرد.
تفاوت واکنش های پلیمریزاسیون مرحله ای و زنجیری
اولین اتفاقی که در طی پلیمری شدن رخ می دهد، اینست که دو مونومر اولیه جهت تشکیل یک دیمر (دو مونومر به هم چسبیده)، با یکدیگر واکنش خواهند داد. در فرآیند پلیمری شدن زنجیری، مونومر ها یکدفعه بخشی از ساختار پلیمر می شوند، در حالیکه در فرآیند پلیمری شدن مرحله ای، این طور نیست. در روش زنجیره ای تنها یک حالت وجود دارد و آن این است که مونومر سوم برای تشکیل تریمر (سه مونومر به هم چسبیده) به مولکول دیمر اضافه می شود. بعد از آن، مونومر چهارم جهت تشکیل تترامر و به همین صورت ادامه پیدا می کند.
اما در پلیمریزاسیون مرحله ای، دیمر ها می توانند کارهای متفاوت زیادی انجام دهند. ممکن است یک دیمر با یکی از مونومر ها واکنش داده و یک تریمر ایجاد کند. یا اینکه یک دیمر با یک دیمر دیگر واکنش داده و به طور مستقیم تترامر را تولید نماید و یا حتی می تواند به طور مستقیم با یک تریمر وارد واکنش شده و در نتیجه یک پنتامر را تشکیل دهد. توجه داشته باشید که این تترامر ها و پنتامر ها نیز می توانند برای تشکیل واحد های بزرگ‌تر با هم واکنش دهند. در این صورت، این واحد ها رشد می‌کنند و بزرگ می شوند تا اینکه سرانجام به حدی بزرگ می شوند که می توان آنها را پلیمر نامید.
جالب است بدانید که
تفاوت اصلی میان این دو روش در این است که در بسپارش مرحله ای، زنجیر های در حال رشد می توانند با یکدیگر واکنش دهند تا زنجیر های بزرگ تری ایجاد شود. این حالت برای زنجیر ها با هر طولی امکان پذیر است. در حالیکه در بسپارش افزایشی، فقط مونومر ها می توانند با زنجیر های در حال رشد واکنش دهند. در واقع در فرآیند افزایشی دو زنجیر در حال رشد نمی توانند مشابه روش بسپارش مرحله ای به یکدیگر متصل شوند. ذکر این نکته اهمیت دارد که به تعداد واحد های تکرار شونده در یک پلیمر، درجه بسپارش یا درجه پلیمریزاسیون گفته می شود. در ادامه مقاله، تفاوت های بیشتر این دو روش را مشاهده می کنید.
در واکنش بسپارش مرحله ای :
- درجه پلیمر شدن، کم تا متوسط می باشد.
- مونومر ها با سرعت بالا مصرف می شوند، در حالیکه وزن مولکولی پلیمر به آهستگی افزایش پیدا می کند.
- واکنش بسپارش مرحله ای نیاز به آغازگر ندارد. به بیان دیگر، واکنش با یک گونه مکانیزم در تمام مراحل پیش می رود.
- در اینجا مرحله پایانی وجود ندارد، به این دلیل که گروه های پایانی هنوز واکنش پذیر می باشند.
- سرعت بسپارش با مصرف گروه های عاملی، به صورت ثابت کاهش پیدا می کند.
در واکنش بسپارش زنجیری :
- درجه پلیمری شدن، زیاد می باشد.
- مونومر ها به آرامی مصرف می شوند، در حالیکه وزن مولکولی پلیمر به سرعت افزایش پیدا می کند.
- مکانیسم های مراحل آغاز و انتشار با بسپارش مرحله ای تفاوت دارد.
- سرعت بسپارش با فرآوری واحد های آغازگر، افزایش می یابد، سپس ثابت باقی می ماند تا اینکه مونومر ها به پایان برسند.
توجه داشته باشید که برخی مونومر ها تنها در اثر گرما دادن و بدون نیاز به افزایش هرگونه آغازگر رادیکال آزاد می توانند در واکنش پلیمری شدن شرکت کنند (مانند مونومر های استایرن، متیل متاکریلات و بعضی از سیکلو آلکن ها)، در حالیکه بیشتر مونومر ها نیازمند آغازگر می باشند. آغازگر های آزاد معمولا در چهار گونه زیر دسته بندی می شوند :
- پراکسید ها و هیدرو پراکسید ها. مانند بنزوئیل پراکسید و دی استیل پراکسید
- ترکیبات آزو. این ترکیبات در واقع گروه های سیانو بر روی کربن های پیوند شده به گروه آزو دارند.
- آغازگر های ردوکس. این آغازگر ها با واکنش های انتقال یک الکترون همراه می باشند.
- فوتو آغازگر ها (آغازگر های نوری). مانند دی سولفید ها، بنزوئین و بنزیل.
واکنش های پلیمریزاسیون تراکمی و افزایشی
پلیمریزاسیون تراکمی
در فرآیند پلیمری شدن تراکمی (پلی کندانسیون)، بر اثر متصل شدن مونومر ها به یکدیگر، واکنش با حذف اتم ها یا گروه های اتمی کوچک همراه می باشد. به عبارت دیگر، به جز محصولات اصلی مورد نظر، تعدادی محصول فرعی نیز به صورت مولکول های کوچکی مانند NH۳ ،H۲O یا HCl تولید می شود. حذف این مولکول های کوچک به دلیل متصل شدن تکپار ها باعث می شود که جرم پلیمر تراکمی نهایی از مجموع جرم مونومر های اولیه کمتر باشد. به همین خاطر به همچین پلیمری، پلیمر تراکمی گفته می شود. به عبارت دیگر، از آنجاییکه پلیمر نهایی در مقایسه با مجموع مونومر های اولیه، جرم کمتری دارد، گفته می شود که پلیمر نسبت به مونومر ها متراکم شده است. توجه داشته باشید که سرعت افزایش جرم مولکولی پلیمر ها در روش تراکمی بسیار آهسته می باشد.
از جمله پلیمر های تراکمی می توان به پلی استر و پلی آمید اشاره کرد. در هر کدام از آنها علاوه بر محصول اصلی و نهایی (یعنی پلی استر یا پلی آمید)، مولکول آب نیز تولید می گردد. لازم به ذکر است که نایلون ها جز گروه پلیمر های پلی آمید می باشند. همانطور که می دانید، نایلون ها کاربرد های صنعتی فراوانی من جمله در تهیه الیاف پارچه ای دارند. همچنین بعضی پلی یورتان ها نیز به روش تراکمی تولید می شوند.
پلیمریزاسیون افزایشی
در فرآیند پلیمری شدن افزایشی، مونومر ها بدون آنکه مولکولی از دست بدهند، به هم متصل می شوند. در این صورت، پلیمر تولید شده به این روش، دارای واحد های تکرار شونده ای همچون مونومر های اولیه می باشد. در این روش در حقیقت از ترکیباتی که دارای بند دوگانه کربن- کربن می باشند، پلیمر تولید می شود. مانند تولید پلی اتیلن از مونومرهای اتیلن. پلیمر آکریلان نیز از مشتقات اتیلن محسوب می شود. مونومر اولیه این پلیمر، سیانید ونیل (آکریکونیتریل) می باشد. همچنین پلی وینیل کلراید (PVC) نیز از پلیمری شدن کلرید وینیل (CH۲ ═ CHCl) تولید می شود. از جمله دیگر پلیمر های افزایشی می توان به پلی پروپیلن (PP)، پلی استایرن (PS)، پلی وینیل استات (PVAS)، پلی تترا فلوئورو اتیلن یا تفلون (PETFE)، بیشتر پلیمر های گرما نرم ها و تعدادی گرما سخت ها اشاره کرد.
واکنش پلیمری شدن اشتراکی یا کوپلیمریزاسیون
اگر در فرآیند پلیمری شدن، دو نوع مونومر مختلف با یکدیگر به طور مشترک پلیمر شوند و در نتیجه یک پلیمر را ایجاد نمایند، به آن کوپلیمر می گویند. به عنوان نمونه یک نوع لاستیک داریم که به نام بونا- S مشهور است. مونومر های اولیه تشکیل دهنده آن،۱و ۳- بوتا دی ان (CH۲ ═ CH ─ CH ═ CH۲) و وینیل بنزن یا استیرن (CH (C۶H۵) ═ CH۲) می باشند. بخشی از فرمول ساختمانی آن به شکل زیر می باشد.
— CH۲ ─ CH ═ CH ─ CH۲ ─ CH (C۶H۵) ─ CH۲ —
