در شیمی، الاستومر یا پلیمر الاستیک (Elastomer) به پلیمر های الاستیک یا شبه پلاستیک گفته می شود که خاصیت ارتجاعی دارند. قابلیت ارتجاعی باعث می شود که در صورت اعمال نیرو (فرض کنید الاستومر را از دو طرف بکشند)، مقدار بسیار زیادی تغییر شکل الاستیک از خود نشان دهند. همچنین با حذف نیرو پس از کشیده یا فشرده شدن، با گذشت زمان کوتاهی دوباره به حالت اولیه خود بر می گردند. به بیان دیگر، الاستومر یک پلیمر مهندسی شده است که خاصیت الاستیسیته دارد. نام آنها از دو بخش الاستو، (گرفته شده از کلمه الاستیک به معنی ارتجاعی) و بخش مر از واژه پلیمر تشکیل شده است. در واقع از ترکیب دو کلمه الاستیک و پلیمر به معنای پلیمر الاستیک (Elastic Polymer) بوجود آمده است. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی الاستومر و انواع مختلف آن پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.
ساختار الاستومر ها
الاستومر ها، پلیمر های آمورفی محسوب می شوند. ساختار مولکولی این ماده شیمیایی دارای اشکال تصادفی مارپیچی می باشد که توسط اتصالات عرضی (پیوند های عرضی) یا کراس لینک ها (Crosslink) بهم متصل شده اند. این مواد می توانند حالت شبکه ای نیز داشته باشند. حتی ممکن است اصلا شکل مشخصی (آمورف) را نشان ندهند. جالب است بدانید که هر زنجیره پلیمری آنها از تعداد بسیاری زیادی زیر واحد مونومری (Sub Unit) تشکیل شده است. این زیر واحد ها شامل اتم های هیدروژن، اکسیژن و سیلیکون می باشند. این شکل مارپیچی مانع بلورینگی (Crystallinity) الاستومر می شود. لازم به ذکر است که ایزومر های سیس (Cis) در حقیقت بهترین خواص الاستومری را نشان می دهند. الاستومر ها دارای دو بخش الاستیکی و ویسکوزی هستند. از این جهت می توان گفت که الاستومر یک پلیمر ویسکو الاستیک محسوب می شود.
- بخش الاستیک: قسمتی از الاستومر محسوب می شود که تحت تنش سریع تغییر شکل داده و با قطع اعمال نیرو به شکل اولیه بر می گردد.
- بخش ویسکوز: قسمتی از مولکول که به مرور زمان تغییر شکل می دهد، بنابراین با قطع اعمال تنش با گذشت زمان به شکل اولیه بر می گردد.
خصوصیات الاستیکی
خواص الاستیکی بیشتر مواد پلیمری به دلیل تغییر فاصله بین اتم های همسایه (یعنی طول پیوند) در هنگام اعمال نیرو است. اگر نیروی اعمال شده برداشته شود، نیرو های بین اتمی می توانند همه اتم ها را به جایگاه اولیه خود بر‌گردانند. در نتیجه، تغییر شکل الاستیکی به طور کامل بازیابی می گردد. مولکول های خطی نوع زنجیره ای در پلیمر های الاستومری، شبیه یک فنر تاب خورده می باشند. در واقع، زمانیکه نیرو اعمال می گردد، این دسته از پلیمرها مثل فنر کش می آیند. در حالیکه، وقتی نیرو برداشته شود، این مولکول ها می توانند به شکل اولیه خود باز گردند. البته توجه داشته باشید که رابطه میان کشش و تغییر شکل از قانون هوک تبعیت نمی کند.
اما لازم به ذکر است که رفتار الاستومرها پیچیده تر از این حرف هاست. فنر ها زمانیکه در معرض نیرو قرار می گیرند، واقعا کشیده می شوند. در حالیکه زنجیر های این مواد می توانند مقداری نیز نسبت به یکدیگر بلغزند. پس می توانند مقداری تغییر شکل ویسکوزی نیز ایجاد نمایند. حال اگر نیروی اعمال شده برداشته شود، فنرها می توانند به حالت اول خود برگردند، در حالیکه این تغییر شکل ویسکوزی بازیابی نمی گردد. از این جهت، مقداری تغییر شکل دائمی خواهند داشت.
اتصالات عرضی
از طریق اتصال مولکول های پیچیده به همدیگر به وسیله پیوند های کووالانسی قوی، تغییر شکل ویسکوزی را می توان محدود کرد. به صورتیکه پاسخ الاستیکی بزرگ همچنان حفظ شود. به بیان دیگر، کراس لینک های کووالانسی باعث می شوند که با حذف تنش اعمال شده، الاستومر بتواند به شکل اصلی خود برگردد. در غیاب این کراس لینک ها، تنش وارد شده می تواند باعث تغییر شکل دائمی گردد. در واقع، انعطاف پذیری یا سفتی یک محصول را با کنترل تعداد پیوند های عرضی تعیین می کنند. اگر تعداد اتصالات عرضی کم باشد، الاستومر نرم می شود (مثل کش لاستیکی). از طرف دیگر، اتصالات عرضی زیاد سبب افزایش سفتی و سختی پلیمر می گردد، همچون الاستومر بکار رفته در ساخت توپ های بولینگ.
در نتیجه، الاستومر ها می توانند بین ۵ تا ۷۰۰ درصد، خاصیت الاستیسیته داشته باشند. به علاوه، از آنجاییکه پیوند های عرضی پلیمر ها تنها در دما های بسیار زیاد از بین می روند، بنابراین الاستومر های مهندسی را می توان برای کاربرد های بسیار زیاد، خصوصی سازی و بهینه سازی کرد.
خواص الاستومر ها
این دسته از مواد به وسیله نیرو های بین مولکولی ضعیفی کنار یکدیگر نگه داشته می شوند. از همین رو، مدول پایینی دارند، اما کرنش شکست بالایی را نشان می دهند. در واقع می توان گفت که الاستومر ها موادی محسوب می شوند که استحکام پایینی دارند. اما با این وجود، اگر به آنها نیرویی وارد شود، تحمل کشش بالایی خواهند داشت. در حقیقت برگشت به شکل اولیه خود بعد از اعمال کشش زیاد، ویژگی منحصر به فرد آنهاست. به علاوه، ضریب یوآسن در الاستومرها برابر با ۰/۵ است، بنابراین آنها تراکم ناپذیر هستند. این مواد از طریق پخت و سامانه های ولکانیزاسیون، دارای اتصالات عرضی شده و استحکام پیدا می کنند. بنابراین پس از ایجاد این اتصالات عرضی، الاستومر ها دیگر ذوب شدن نمی شوند. همچنین در هیچ حلالی حل نشده و صرفا متورم می گردند.
دمای انتقال شیشه ای پایین از دیگر ویژگی های بسیار مهم پلیمر الاستیک ها است. دمای انتقال شیشه ای به دمایی گفته می شود که در آن دما، مولکول های یک الاستومر شروع به حرکت می کنند. بنابراین این دما باید با دمای محیط، اختلاف زیادی داشته باشد. در این صورت هنگامی که در دمای محیط قرار می گیرد، انعطاف بالایی را نشان خواهد داد. از دیگر خواص و ویژگی های پلیمر الاستیک ها می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- قیمت پایین
- انعطاف پذیر بودن به ویژه در دما های پایین
- سازگاری با مایعات
- مقاوم در برابر آب
- مقاوم در برابر سایش، پارگی و ضربات
- مقاومت کم در برابر اوزون، نور خورشید و روغن
- کرنش تا نقطه شکست
- سختی کم
- مقاومت بسیار پایین در برابر بنزین
- آسیب پذیری در برابر اشتعال
انواع الاستومر ها
همانطور که می دانید، پلیمر ها واکنش های متفاوتی را نسبت به گرما نشان می دهند. دسته ای از آنها در مقابل حرارت، سخت و یا حتی ممکن است بسیار نرم شوند. در این صورت، در همان حالت باقی می مانند. در حالیکه، دسته ای دیگر از پلیمر ها در برابر گرما، خاصیت ارتجاعی از خود نشان می دهند. الاستومر ها نیز بسته به نوع ساختار، به انواع مختلفی تقسیم می شوند. توجه داشته باشید که اغلب آنها از نوع رابر (Rubber) می باشند. از این رو، از اصطلاحات الاستومر و رابر در بیشتر موارد به جای هم بکار می روند.
به طور کلی می توان گفت که دو نوع اصلی الاستومر وجود دارد. نوع اول، ترموست الاستومر ها محسوب می شوند که در برابر حرارت، سخت می شوند. بنابراین، دیگر به حالت اولیه خود باز نمی گردند. نوع دوم، ترموپلاستیک نامیده می شوند. این گروه از الاستومرها در برابر حرارت، حالت ارتجاعی پیدا می کنند. جالب است بدانید که ترموپلاستیک الاستومر از ترکیب پلاستیک با رابر (همان لاستیک) ساخته می شوند. علاوه بر آن، الاستومر ها را می توان با توجه به پیوند های بین مولکولی به دو دسته الاستومر های اشباع و الاستومر های غیر اشباع تقسیم کرد.
الاستومر های اشباع
در ساختار الاستومر های اشباع، پیوند های یگانه وجود دارد. بنابراین، واکنش پذیری کمتری نشان می دهند. همچنین به دلیل پایداری ساختار، در واکنش های شیمیایی کمتر شرکت می کنند. این مواد نمی توانند با سامانه های گوگردی ولکانیزه یا پخته شوند. به علاوه، به علت وجود پیوند های یگانه در ساختار، آنها مقاومت بالایی را در مقابل اکسیژن، حرارت و اوزون نشان می دهند (سطح این الاستومرها در برابر تخریب مقاوم است).
الاستومر های غیر اشباع
در ساختار الاستومر های غیر اشباع، پیوند های دو یگانه وجود دارد. بنابراین، واکنش پذیری بیشتری نشان می دهند. این دسته از مواد پلیمری را می توان با سامانه های گوگردی، ولکانیزه نمود و یا پخت. الاستومر های غیر اشباع مقاومتی در برابر اکسیژن، اوزون و یا حرارت نشان نمی دهند. بنابراین سطح آنها اگر در معرض موارد ذکر شده قرار بگیرد، تخریب می گردد. لازم به ذکر است که جهت جلوگیری از تخریب سطحی آنها می توان از مواد شیمیایی ضد اوزون و همچنین ضد اکسید به عنوان افزودنی بهره برد. از جمله آنها می توان به لاستیک بوتیل و پلی ایزوپرن طبیعی اشاره کرد.
سنتز الاستومر ها
به طور کلی، سنتز این دسته از مواد از طریق پلیمریزاسیون مرحله ای انجام می شود. در واقع، الاستومر ها را با مکانیسم آغاز رادیکالی تولید می کنند. الاستومر های پلی اورتان، پلی سولفید ها، پلی سیلوکسان و همچنین الاستومر های سیلیکونی، با مکانیسم مرحله ای سنتز می شوند.
کاربرد الاستومر ها
الاستومر ها کاربرد های بسیار زیادی دارند. در حقیقت امروزه دارای نقشی بسیار مهم در زندگی انسان ها می باشند. اگر با دقت به اطراف خود نگاه کنید، اثری از الاستومر ها را خواهید دید. چرم مصنوعی، کفش، لاستیک و در ماشین، ضربه گیر، واشر، لرزه گیر، دستگیره در، دسته چاقو، لوله، تایر خودرو، برف پاک کن، چسب، پارچه، کفی کفش، پستانک بچه، وسایل سیلیکونی، لوازم خانگی، درزگیر، خودکار، مواد اولیه در ساخت سیم ها و کابل ها، تسمه، قالب، ابزار صنعتی، شلنگ، پوشش ها و مواد ضد آب، فیلم، نوار، ساخت مواد پلاستیکی، وسایل آب بندی و غیره همگی از الاستومر ساخته می‌شوند.
الاستومر ها برای تولید عایق های بروتی- حرارتی و همچنین عایق های صوتی کاربرد بسیار زیادی دارند. مدل رابر را می توان جهت پوشش دهی برج ها، انواع مختلف لوله، مخازن و غیره مورد استفاده قرار داد. الاستومر ها همچنین در پزشکی نیز کاربرد فراوانی دارند. زیرا در واقع زیست سازگار بوده و برای بدن بیمار ضرری ندارند. بنابراین محصولاتی مانند اجزای دستگاه های پزشکی، کیسه های نگهداری محلول ها، وسایل یکبار مصرف همچون سرنگ، دستکش پزشکی، شیلنگ و تولید قطعاتی مانند ایمپلنت نیز از این ماده پلیمری است. در ادامه مقاله، از میان انواع مختلف الاستومر ها، تعدادی از آنها را به همراه کاربردشان به اختصار شرح می دهیم.
الاستومر نچرال
کائوچوی طبیعی، نچرال رابر (Natural Rubber)، پلی ایزوپرن یا ایزوپرن در حقیقت یک رابر طبیعی محسوب می شود که از کائوچو بدست آمده است. این رابر قابلیت ارتجاعی و خواص مکانیکی بسیار خوبی را نشان می دهد. در برابر مواد قلیایی، نمک ها، اسید ها و الکل ها نیز مقاومت خوبی دارد. اما مقاومت شیمیایی آنها در برابر عوامل اکسنده، بنزین، اوزون، نفت خام، هوا، روغن و کتون پایین است. همچنین در مقابل اشعه UV نور خورشید نیز حساس می باشد. اما در عین حال قیمت مناسبی دارد. بنابراین، اگر محصول به خواص ویژه حرارتی و … نیاز نداشته باشد و یا اینکه نیاز به مقاومت در برابر سایش، فرسودگی و یا ضربات دارید، انتخاب مناسبی است.
گروه بوتیل، کلرو بوتیل، برومو بوتیل
بوتیل رابر (IIR)، کلرو بوتیل رابر (CIIR) و برومو بوتیل رابر(BIIR) لاستیک هایی هستند که مقاومت خوبی در برابر اوزون، روغن های گیاهی، گاز ها و هوا دارند. در حالیکه در مقابل اکسید کننده ها، بنزین، روغن های غیر طبیعی و مشتقات نفتی مقاومتی ندارد. کاربرد این نوع الاستومر ها اغلب برای تهیه تایر های داخلی مورد استفاده قرار می گیرند.
نیتریل رابر
نیتریل رابر (NBR) مقاومت بالایی را در برابر انواع روغن ها نشان می دهد. در حالیکه در برابر اوزون و اثرات محیطی مقاومت بالایی ندارد. همچنین در برابر اکسید کننده های قوی نیز حساس است. این نوع الاستومر بیشتر در کفش ها، واشر ها و آب بند ها و… کاربرد دارد.
استایرن بوتادین
این نوع الاستومر از نظر مقاومت شیمیایی، مشابه رابر طبیعی (NR) است. اما در مقابل روغن های معدنی و همچنین اکسید کننده ها مقاومت پایینی دارد.
ترموپلاستیک های اُلفین (TPO)
این نوع از الاستومر ها به طور معمول با اتیلن پروپلین دی ام (EPDM) یا اتیلن پروپیلن رابر (EPR) شناخته می شوند. اتیلن پروپلین دی ام مقاومت فوق‌العاده ای را در مقابل حرارت، اوزون و هوازدگی نشان می دهد. همچنین، مقاومت الکتریکی مناسبی نیز دارد. در برابر حلال های قطبی مانند آب، اسید، باز، الکل، استر، فسفات و بسیاری از کتون ها نیز مقاوم است. این الاستومر کاربرد های مختلفی را نشان داده است که می توان به استفاده آن در آستر شلنگ های بخار، رادیاتور ها، عایق های الکتریکی و یا عایق های پشت بام اشاره کرد.
کلروپرن
کلروپرن رابر (CR) در برابر روغن های گیاهی، روغن های نفتی و آلیفاتیک مقاومت خوبی نشان می دهند. در حالیکه در مقابل روغن های آروماتیک مقاومت بالایی ندارد.
سیلیکون رابر
سیلیکون رابر در برابر سرما، گرما و هوا مقاومت بالا را نشان داده است و در حقیقت عایق حرارتی خوبی محسوب می شود. اما توجه داشته باشید که خواص مکانیکی بالایی ندارد.
ترموپلاستیک های پلی یورتان (TPU)
خواص مکانیکی ترموپلاستیک های پلی یورتان باعث شده است که آنها در مقابل پارگی و یا سایش بسیار مقاوم باشند.
تولید محصولات الاستومری
تولید محصولات الاستومری اغلب از طریق یکی از این سه روش قالب گیری تزریقی، قالب گیری انتقالی و یا قالب گیری به همراه فشرده سازی صورت می گیرد. انتخاب روش قالب گیری به فاکتور و عوامل متفاوتی همچون شکل، اندازه بخش های تولیدی، میزان تحمل مورد نیاز، نوع الاستومر و هزینه مواد خام وابسته است. انتخاب صحیح و درست یک محصول پلیمری برای کاربرد های مختلف، به فاکتور های زیادی مثل دمای کارکردی، نیازمندی های خدماتی، فیزیکی و مکانیکی، مدت زمان کارکرد، قرارگیری در برابر مواد شیمیایی، امکان تولید قطعات، هزینه مواد خام و همچنین هزینه تولید بستگی دارد.
