پلیمریزاسیون یک فرایند است که در آن زنجیره‌های طولانی پلیمری با ترکیب تعداد زیادی واحد تکراری، که به عنوان مونومر شناخته میشوند، تحت شرایط خاص و در محیط‌های مختلف تشکیل میشوند. به طور ساده، می‌توان گفت پلیمریزاسیون فرآیند تولید پلیمر است. در این فرآیند، زنجیره پلیمری شامل هزاران و حتی بیشتر از آن، مونومرها را شامل میشود که به یکدیگر متصل شده‌اند تا زنجیره پلیمری را تشکیل دهند. حداقل وزن مولکولی پلیمرها در حدود ۲۵،۰۰۰ است و شامل گره‌های فراوانی به نام “گره خوردگی” هستند. همچنین، ممکن است وزن مولکولی پلیمرها به میلیون نیز برسد. در ادامه ضمن معرفی محصول مستربچ سفید تولید شده در هامون بسپار، به تشریح کامل پلیمریزاسیون و انواع آن می پردازیم.
انواع پلیمریزاسیون از نظر مکانیزم تشکیل
انواع پلیمریزاسیون از نظر مکانیزم تشکیل را مورد بررسی قرار می دهیم:
پلیمریزاسیون تراکمی یا مرحله به مرحله
در این نوع پلیمریزاسیون، از مونومرهایی استفاده میشود که دارای عامل فعال در دو مونومر خود هستند. این مونومرها به تدریج و مرحله به مرحله به یکدیگر اضافه میشوند و مونومرها در لحظات اولیه از بین می‌روند. در نتیجه، کل سیستم به وزن مولکولی بالاتری می‌رسد. این فرآیند معمولاً با حذف مولکولهای آب همراه است. یکی از پلیمرهایی که از این روش به دست می‌آید، پلی آمیدها هستند. به عنوان مثال، نایلون 6,6 یا پلی(هگزامتیلن آدیپامید)، که از به هم پیوستن مونومر دی‌آمین و دی‌اسید با حذف مولکول آب تشکیل میشود.
پلیمریزاسیون حلقه‌گشا
این نوع پلیمریزاسیون در طول فرایند، حلقه‌های برخی از واحدهای تکراری حلقوی دارای قابلیت بازشدن هستند. آنها می‌توانند به مونومرهای موجود در واکنش متصل شده و به زنجیره‌های پلیمری تبدیل شوند. به عبارت دیگر، می‌توان با استفاده از فرآیند پلیمریزاسیون حلقه‌گشا، از یک مونومر حلقوی به یک پلیمر خطی سنگین برسیم. این نوع پلیمریزاسیون به عنوان پلیمریزاسیون تراکمی دسته‌بندی میشود و هیچ مولکول کوچکی جذب نمی‌شود و انتقال هیدروژن نیز رخ نمی‌دهد.
پلیمریزاسیون افزایشی یا زنجیره ای
در پلیمریزاسیون افزایشی یا زنجیرهای، فرآیند شروع واکنش به یک مرکز فعال نیاز دارد. این مراکز فعال شامل رادیکال‌ها، یون‌ها (انیون و کاتیون) و حتی کاتالیزورهای ویژه مانند زیگلر-ناتا هستند. حضور شروع کننده در این نوع پلیمریزاسیون ضروری است. پس از شروع فرآیند، مراکز فعال با هم ترکیب میشوند و زنجیره‌های پلیمری را تشکیل می‌دهند. این مراکز فعال به طور پیاپی تشکیل و نابود میشوند و فرآیند تا رسیدن به وزن مولکولی بالا ادامه پیدا میکند. این نوع پلیمریزاسیون سرعت بسیار بالایی دارد و عمدتاً پلیمرهای ترموپلاستیک از طریق این روش تولید میشوند. پلیمریزاسیون افزایشی به دلیل شرکت مراکز فعالی مانند رادیکال‌های آزاد، کاتیون، آنیون و مراکز یونی ویژه از جمله کاتالیزورهای کوردیناسیونی مانند زیگلر-ناتا انجام میشود.
برخلاف پلیمریزاسیون مرحله به مرحله که به دو یا سه دسته تقسیم میشود (مانند پلیمریزاسیون خطی و حلقوی)، پلیمریزاسیون افزایشی به چند گروه عمده تقسیم میشود:
- پلیمریزاسیون زنجیره ای
- پلیمریزاسیون حلقه گشا
در این نوع پلیمریزاسیون، در بسیاری از پلیمریزاسیون‌های آنیونی، مونومرهایی که دارای گروههای حلقه‌ای هستند، قابلیت باز شدن حلقه و برهمکنش با مونومرهای حاضر در واکنش و تولید زنجیره‌های پلیمری را دارند. این پلیمرها عموماً تراکمی هستند. هرچند نمی‌توانند مولکولهای کوچک را جذب کنند و انتقال هیدروژن نیز انجام نمی‌شود، اما اغلب در واکنش با موادی که مونومرهای وینیلی را پلیمریزه میکنند، وارد واکنش میشوند.
باید توجه داشت که برخی از پلیمرها می‌توانند با استفاده از چندین روش پلیمریزاسیونی تولید شوند. به عنوان مثال، پلیمریزاسیون‌های کاتیونی و آنیونی را می‌توان به عنوان روش‌های پلیمریزاسیون برای این گروه از مونومرها نام برد. برای این گروه از مونومرها، تنها چند نمونه شروع رادیکال آزاد مشاهده شده است.
نکته مهم و قابل توجه در این نوع پلیمریزاسیون، وجود ارتباطی بین اندازه حلقه و قابلیت پلیمریزاسیون است. به عنوان مثال، مونومر کاپرولاکتام که شامل یک حلقه هفت عضوی است، در دماهای بالا و با استفاده از شروع‌کننده‌های آنیونی، به راحتی قابلیت پلیمریزاسیون را دارد. همچنین، حلقه پنج عضوی بوتیرولاکتام و حلقه شش عضوی والرولاکتام نیز با استفاده از روش آنیونی قابلیت پلیمریزاسیون را دارند.
علاوه بر این، نوع پلیمریزاسیون تأثیر قابل توجهی بر خواص پلیمر و ویسکوزیته نهایی آن دارد. به عنوان مثال، پلیمریزاسیون آنیونی سریع مونومر کاپرولاکتام به نایلون 6، با سرعت زیاد در دماهای بالا انجام میشود و ویسکوزیته پایین‌تری را در پلیمر نهایی به ارمغان می‌آورد.
همانطور که که گفته شد، تأثیر نوع پلیمریزاسیون بر خواص پلیمر بسیار مهم است، به عنوان مثال تغییر در توزیع وزن مولکولی (PDI) از جمله تأثیراتی است که اخیراً گزارش شده است.
پیشنهاد مطالعه: پلیمر ساختمانی چیست؟
روش تولید قطعات و محصولات پلاستیکی، انواع فرایند شکل دهی
تولید قطعات و محصولات پلاستیکی به وسیلهٔ فرایندهای شکل‌دهی پلیمرها انجام میشود. فرایندهای شکل‌دهی بسته به نوع پلیمری که استفاده میشود و خواص مورد نیاز قطعه، متفاوت هستند. در زیر، روش‌های شکل‌دهی برای پلیمریزاسیون زنجیرهای و مرحلهای توضیح داده شده است:
فرایندهای شکل‌دهی برای پلیمریزاسیون زنجیرهای
- تزریق قالب (Injection Molding): در این روش، مواد پلیمری به صورت پودر یا گرانول وارد دستگاه تزریق قالب میشود. سپس با استفاده از گرما و فشار، ماده پلیمری درون قالب ذوب میشود و پس از سرد شدن، قطعه پلاستیکی مورد نظر تولید میشود. این روش برای تولید قطعات پلاستیکی با پیچیدگی هندسی بالا و حجم بالا استفاده میشود.
- فرایند فیلم‌سازی (Film Blowing): در این روش، پلیمر در قالب گرانول یا پودر به صورت ذوب وارد دستگاه فیلم‌سازی میشود. در دستگاه، مواد پلیمری ذوب شده راه‌اندازی شده و به صورت یک لایه نازک از پلیمر ذوب شده در مقیاس پهن تولید میشود. این فرایند به ویژه برای تولید فیلم‌ها و کیسه‌های پلاستیکی استفاده میشود.
- فرایند پرس گرم (Hot Pressing): در این روش، پلیمر در حالت ذوب شده راه‌اندازی شده و در بین دو قالب یا دو صفحه فشار قرار میگیرد. با اعمال فشار و گرما، پلیمر به شکل قالب داده میشود و پس از سرد شدن، قطعه پلاستیکی تولید میشود. این روش برای تولید قطعات ساده با ضخامت کم استفاده میشود.
پیشنهاد مطالعه: روش قالبگیری در پلاستیک
فرایندهای شکل‌دهی برای پلیمریزاسیون مرحلهای
- فرایند فشرده‌سازی (Compression Molding): در این روش، مواد پلیمری به صورت پودر یا گرانول در بین دو قالب قرار میگیرد. سپس با استفاده از گرما و فشار، مواد پلیمری فشرده میشوند و به شکل قالب داده میشوند. پس از سرد شدن، قطعه پلاستیکی تولید میشود. این روش برای تولید قطعات با ضخامت بالا و ساختارهای پیچیده مورد استفاده قرار میگیرد.
- فرایند ورق‌گیری (Sheet Forming): در این روش، پلیمر در حالت ذوب شده به صورت ورقهای نازکی تولید میشود. این ورقها می‌توانند به وسیلهٔ فشار و حرارت در قالب‌های مورد نظر شکل داده شوند تا قطعات پلاستیکی تولید شوند. این روش به ویژه برای تولید قطعات پلاستیکی مانند ظروف یکبار مصرف و بسته‌بندی‌ها استفاده میشود.
- فرایند فرم‌سازی حرارتی (Thermoforming): در این روش، پلیمر در وضعیت ذوب شده راه‌اندازی شده و به وسیلهٔ فشار و حرارت در قالبی که شکل قطعه نهایی را دارد، قرار میگیرد. با سرد شدن، پلیمر به شکل قالب در می آید و قطعه پلاستیکی تولید میشود. این روش برای تولید قطعات پلاستیکی سطحی و مسطح مانند ظروف یکبار مصرف، قطعات خودرو و بسته‌بندی‌ها استفاده میشود.
توجه داشته باشید که این فقط برخی از روش‌های شکل‌دهی برای پلیمریزاسیون‌های زنجیرهای و مرحلهای هستند، و هنوز روش‌های دیگری نیز وجود دارند که در صنعت پلاستیک استفاده میشوند. همچنین، هر روش شکل‌دهی ممکن است نیازمند تنظیمات و شرایط خاصی از جمله دما، فشار و زمان باشد تا به نتایج مطلوب دست یابید.
سوالات متداول
پلیمریزاسیون فرایندی است که در آن مولکولهای کوچک به نام مونومرها به صورت پلیمری بزرگتر ترکیب میشوند. در این فرایند، اتمها یا گروههای عامل پلیمریزاسیون به طور متوالی به مونومرها اضافه میشوند و زنجیره پلیمری رشد میکند.
عوامل مختلفی بر روند پلیمریزاسیون تأثیر دارند. برخی از این عوامل عبارتند از: نوع و خواص مونومر، دما، فشار، نسبت مونومر به کاتالیزور، حضور یا عدم حضور حلال‌ها، و زمان واکنش. این عوامل می‌توانند سرعت پلیمریزاسیون، طول زنجیره پلیمری و خواص نهایی پلیمر تولید شده را تحت تأثیر قرار دهند.
در پلیمریزاسیون زنجیرهای، زنجیره پلیمری به صورت مستقیم و متوالی تشکیل میشود، در حالی که در پلیمریزاسیون مرحلهای، فرآیند پلیمریزاسیون به مراحل متفاوت تقسیم میشود و پلیمر به صورت مرحله به مرحله شکل میگیرد. این دو فرایند تفاوتهایی در ساختار و خواص نهایی پلیمر تولید شده دارند.
کاتالیزورها در پلیمریزاسیون نقش انتقال گروههای عامل پلیمریزاسیون به مونومرها و کنترل سرعت فرایند را دارند. آنها به بهبود سرعت، کنترل طول زنجیره پلیمری و خواص نهایی پلیمر تولید شده کمک میکنند.
بدون دیدگاه