پلیمرهای طبیعی چیست؟ – خواص و انواع آن

به مولکول های درشت و بلندی که از تعداد زیادی واحدهای تکراری به نام مونومر تشکیل شده است، پلیمر گفته می شود. پلیمرها به دو نوع اصلی پلیمرهای طبیعی و مصنوعی تقسیم شده اند. نوع طبیعی پلیمرها از گیاهان و یا حیوانات به دست آمده و در طبیعت، فراوان، قابل مشاهده و استخراج است. استخراج پلیمرهای سنتزی از نفت خام انجام می شود که نایلون نمونه ای از آن است. با توجه به کاربردهای فراوان پلیمرهای طبیعی و مصنوعی در زندگی، این مولکول ها از مواد بسیار مهم برای حیات جانداران هستند. به پلیمر، بسپار نیز گفته می شود. مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک حاضر ما را با پلیمرهای طبیعی و مصنوعی و همچنین خود پلیمرها آشنا می کند.

پلیمر چیست؟

وقتی چند صد مونومر به یکدیگر متصل شده و زنجیرهای بلند مولکولی را تشکیل می دهد، پلیمر خوانده می شوند. «پلی» به معنای چند و «مر» به معنای قسمت است و کلمه پلیمر ریشه ی یونانی دارد. مونومر را به عنوان کوچکترین واحد تشکیل دهنده پلیمر تعریف می کنند. به فرایند تشکیل پلیمر نیز پلیمریزاسیون می گویند که فرایند اتصال مونومرها به هم از طریق یک سری واکنش های شیمیایی است.

انواع پلیمرها

مولکول های بلند زنجیر پلیمری را می توان بر اساس منشأ به سه نوع پلیمرطبیعی، مصنوعی یا سنتزی و نیمه سنتزی تقسیم بندی کرد. همان طور که در بالا اشاره شد، پلیمرهای سنتزی را می توان در آزمایشگاه و با کمک روش های سنتزی از اتصال مولکول هایی با وزن مولکولی پایین ساخت. رابرهای مصنوعی، تفلون، پلی اتیلن، پلی استر و پی وی سی نمونه هایی از پلیمرهای سنتزی هستند. پلیمرهای نیمه سنتزی را نیز می توان با اصلاح شیمیایی ساده پلیمرهای طبیعی به دست آورد. با این کار خواص و ویژگی های این مواد اصلاح می شود. سلولز استات و سلولز نیترات مثال هایی از پلیمرهای نیمه سنتزی هستند. در این مقاله توضیحات بیشتری درباره پلیمر طبیعی می دهیم.

پلیمرهای طبیعی چیست؟

در گذشته قبل از پیدایش پلیمرهای مصنوعی و پلاستیک ها، پلیمرهای طبیعی مورد استفاده بشریت قرار می گرفت. با این که پلیمرهای طبیعی بر خلاف پلیمرهای سنتزی، از ابداعات بشر نبوده و توسط شرکت های مختلف شیمیایی به فروش نمی رسد، ولی این پلیمرها اهیمت زیادی داشته و نقش مهمی در زندگی دارد. همچنین پلیمرهای مصنوعی باعث به وجود آمدن مشکلات زیادی چون آلوده کردن محیط زیست به دلیل سرعت تخریب کم، بالا بردن دمای زمین و ایجاد فرسایش در آن و تولید کردن دی اکسید کربن در موقع تولید آن می شود. این دلایل سبب شده تا کاربرد پلیمر طبیعی به جای پلیمر سنتزی از اهمیت ویژه ای برخوردار باشد.

یک پلیمر طبیعی به جهت این که از طبیعت نشأت گرفته است، به سرعت تخریب می شود. همچنین با کاربرد این نوع پلیمرها، گرم شدن زمین به جهت کم شدن مصرف نفت، کاهش پیدا می کند. این دلایل نیز استفاده از این پلیمرها را گسترش داده است.

با توجه به این که مواد غذایی به سرعت فاسد می شوند، برای حفظ کیفیت آن، بسته بندی این مواد بسیار مهم است. بسته بندی های زیست فعال (تخریب پذیر)، از بهترین نوع بسته بندی ها مورد استفاده در حال حاضر هستند. کاربرد آن ها با توجه با زیاد شدن گرمای جهانی، آلاینده های محیط زیستی و همچنین کم شدن میزان فرآورده های نفتی و پتروشیمی، افزایش یافته است.

انواع پلیمرهای طبیعی

با توجه به منبع و روش تهیه پلیمرها می توان آن ها را به سه دسته اصلی تقسیم بندی کرد. در این جا به بررسی مختصر آن ها می پردازیم.

دسته اول

بخشی از پلیمرهای طبیعی آن هایی هستند که در بدن موجودات زنده یافت شده و نقشی از انسان ها در تهیه ی آن ها دیده نمی شود. این پلیمرها که نشاسته، سلولز و پروتئین نمونه هایی از آن هاست، می تواند با اصلاحاتی در فرایندهای صنعتی به کار برده شود.

یکی از انواع این پلیمرها، DNA و RNA است که در ژن ها و فرآیندهای زیستی بسیار مهم هستند. ساخته شدن پروتئین ها، پپتیدها و آنزیم های بسیاری با کمک RNA پیکی صورت می گیرد. آنزیم ها با کمک به مکانیسم های شیمیایی در بدن و پپتیدها با کمک به ساخت بخشی از اجزای ساختاری مانند مو و پوست، بسیار مهم هستند. پلی ساکاریدها و پلیمرهای قندی و همچنین پلی پپتیدها از جمله پلیمرهای طبیعی دیگر هستند.

دسته دوم

پلیمرهای طبیعی دیگری وجود دارد که مصنوعی بوده ولی پایه طبیعی دارند. ساخته شدن این نوع پلیمرها از مونومرهای طبیعی بوده و پلی لاکتیک اسید مثالی از آن است. پلی لاکتیک اسید با باز شدن حلقه از پلیمریزاسیون لاکتیک اسید به دست می آید.

دسته سوم

آخرین دسته از پلیمر طبیعی به نام پلیمرهای میکروبی است. این دسته از پلیمرها به کمک باکتری ها و میکروب ها ساخته شده و پلی هیدروکسی بوتیرات نمونه ای از آن هاست.

نمونه هایی از پلیمرهای طبیعی

پروتئین ها و پلی پپتیدها

از مهمترین بسپارهای طبیعی، پروتئین ها هستند که مهمترین آن ها، آنزیم است. نوع دیگری از آن ها، هموگلوبین است که وظیفه رساندن اکسیژن از ریه ها به سلول های بدن را دارد. آمینو اسیدها به عنوان مونومر و کوچکترین بخش سازنده پروتئین ها هستند. پروتئین ها را به عنوان اولین نمونه ی پلی آمیدها (نایلون) دانسته و بین آن ها شباهت ها و تفاوت هایی وجود دارد.

اولین شباهت آن ها وجود اتصالات آمینی در زنجیر اصلی ساختار آن هاست. اما طرز ساخت آن ها متفاوت است. به طوری که واکنش بین اسید کربوکسیلیک و گروه های آمین با خروج مولکول آب، منجر به تولید آمید می شود. در برهمکنش های بین مولکولی، بخش ساختاری مولکولی بسیار منحصر به فرد رفتار می کند. اول این که ساختار آن به جهت هیبریداسیون نیتروژن، کربن و اکسیژن، مسطح بوده و همچنین وجود هیدروژن نیتروژن و اکسیژن کربونیل، توانایی تشکیل پیوند هیدروژنی را به آن می دهد. شباهت پلی آمیدهای مصنوعی و طبیعی در توانایی تشکیل پیوندهای هیدروژنی در این مولکول هاست.

تفاوتی که بین آمیدهای مصنوعی (نایلون ها) و طبیعی وجود دارد، ساخت نایلون ها از مولکول هایی با تعداد فراوان CH_۲ است. در ساختارهای نایلون ۶ و نایلون ۶,۶ تعداد گروه CH_۲ بین واحدهای آمیدی، چهار، پنج و یا شش گروه است. اما در پلی آمیدهای طبیعی بین گروه های آمیدی، از یک کربن استفاده شده است.

آنزیم ها

ساخت، اصلاح و شکست پلیمرها در همه ی موجودات زنده با کمک آنزیم ها به عنوان اصلی ترین نوع پلی پپتیدها، صورت می گیرد. با توجه به این که هر کدام از آنزیم ها به عنوان یک کاتالیزور، توانایی انجام یک نوع کار و یا ساخت یک نوع مولکول را دارد، تعداد زیادی از این پلی پپتید باید وجود داشته باشد. ترکیبات مختلفی از آمینواسیدها به ساخت آنزیم های مختلف پرداخته که با روش خاصی در پلی پپتیدها به هم متصل شده اند. نکته جالب و عجیب دیگری که در مورد آنزیم ها وجود دارد، ساخته شدن هر یک از آنزیم ها به کمک آنزیم های دیگر است. این که در چه زمان هایی چه نوع آنزیم هایی مورد نیاز است و فعال و یا غیرفعال شدن آنزیم ها، توسط طبیعت انتخاب شده و ما اطلاعاتی درباره انتخاب این عملکردها نداریم.

کلاژن

نوع دیگری از از پروتئین به نام کلاژن است که بافت همبندی را در پوست ایجاد می کند. انواع متعددی از کلاژن ها وجود دارد که تعداد آن به ۲۷ مورد رسیده و پلی پپتیدهای مختلفی آن ها را ساخته اند. گلایسین، پرولین، لیسین و هیدروکسی پرولین نمونه هایی از این پلی پپتیدها هستند. مقدار گلایسین در این پروتئین ها تعیین کننده انعطاف پذیر بودن آن هاست. علاوه بر نقش کلاژن ها در تقویت پوست، این ماده در دادن خاصیت ارتجاعی و آبرسانی به پوست نیز مفید است. با به کار بردن کلاژن می توان رطوبت پوست را بهتر کرده و از چین و چروک آن کاست. تقویت استخوان ها و سلامت قلب نیز با کمک کلاژن انجام شده و از آن به شکل چرم و ژلاتین در صنایع مختلف به کار گرفته می شود.

ابریشم

نمونه ای از پلی پپتیدها، ابریشم است که بعد از کشف آن توسط چینی ها، قبل از میلاد مسیح، بسیار مورد استفاده قرار گرفته است. کرم های ابریشم با پیچیدن پیله به دور خود و تبدیل شده به پروانه، تولید ابریشم می کنند. بعد از تنیده شدن ابریشم و جدا شدن کرم ها از این ماده، آن را به صورت الیاف می ریسند. در ساختار ابریشم که یک پلی پپتید است، آمینواسیدهای گلایسین استخلاف نشده به تعداد زیاد وجود دارد. زنجیره های بلند مسطحی در قسمت های گلایسین تشکیل داده شده که کنار هم با مقاومت بالا قرار می گیرند. خواص منحصر به فرد ابریشم مانند مقاومت بالا و انعطاف پذیر بودن، این ماده را در زمره مواد مهم در تجارت شرق آسیا قرار می داد.

نشاسته

در گروه کربوهیدرات ها ماده ای به نام نشاسته وجود دارد که نمونه ای از پلیمر طبیعی است. کربوهیدرات ها را می توان در ترکیباتی چون غلات و سبزیجات یافت. واحد تشکیل دهنده نشاسته، گلوکز است که تعداد زیادی از این واحدها با پیوندهای گلیکوسایدی به هم متصل شده است. نشاسته به عنوان یک پلیمر طبیعی، تجدیدپذیر بوده و می تواند در تولید موادی چون مواد شوینده، پلاستیک و چسب، به جای ترکیبات فسیلی به کار برده می شود.

سلولز

نوع دیگری از پلیمر طبیعی، سلولز است که از ترکیبات آلی فراوان در زمین است. از مهمترین و خالص ترین شکل های سلولز، پنبه است. سلولز در کاغذهایی که از درختان و برگ ها به دست می آید نیز دیده می شود. جزء و واحد تشکیل دهنده سلولز، گلوکز است که از کنار هم قرار گرفتن آن ها، پلی ساکاریدها تشکیل می شوند. سلولز نیز یکی از انواع پلی ساکاریدهاست. این ماده را می توان در دیواره سلولی گیاهان مشاهده کرد که علاوه بر آن، همی سلولز و پکتین نیز در ساختار آن ها وجود دارد.

لاتکس

یک پلیمر طبیعی به نام لاتکس است که نوعی لاستیک محسوب می شود. این پلیمر را می توان به دو صورت طبیعی و سنتزی یافت. از لاتکس در تهیه کفش تنیس، آدامس، دستکش و همچنین محصولات دیگر به کار برده می شود.

پلی لاکتیک ها

همان طور که در بالا گفته شد، پلی لاکتیک ها نمونه ای از پلیمرهای مصنوعی بر پایه طبیعی بوده و چون علاوه بر دارا بودن خواص زیاد، قیمت پایین تری دارند، بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. اما این پلیمر با توجه به ساختار خطی خود، دارای یک سری محدودیت هایی است. به عنوان مثال شکننده بوده، پایداری حرارتی کمی داشته و عبورپذیری بالایی دارد. در نتیجه برای به کار بردن این پلیمر، باید خواص آن را بهبود داد. تهیه این پلیمرها می تواند از منابع تجدیدپذیری چون ذرت صورت بگیرد. از پلی لاکتیک ها در گذشته فقط برای تولید نخ بخیه استفاده می شد، اما در حال حاضر در تولید ظروف پلاستیک و صنعت نساجی نیز این ماده به کار برده می شود.

مزایای کاربرد پلی لاکتیک اسید

پلی لاکتیک ها پلیمرهایی هستند که از آلودگی محیط زیست جلوگیری می کنند. زیرا بعد از مصرف محصولاتی که از این پلیمر ساخته شده اند، آن ها در مجاورت خاک تجزیه و متلاشی می شود.

از مزیت های دیگر پلی لاکتیک اسید، جلوگیری از زیاد شدن گازهای گلخانه ای است.

همچنین این پلیمر، با بافت موجود زنده سازگاری دارد. زیرا مواد اولیه تولید آن، گیاهی بوده و در بسته بندی های مواد غذایی و …، به آن ها انتقال داده نمی شود.

با کاربرد پلی لاکتیک اسید، از نفت به عنوان ماده اولیه استفاده نشده و منابع سوختی کمتری نیز در این زمینه به کار برده می شود.

از مهمترین مزیت این پلیمر این است که چون ماده اولیه تولید آن گیاهان هستند، به راحتی می توان مواد اولیه آن را فراوان تولید کرد.