کاربرد  پلیمر در صنعت
Raahbar 2
/ دسته ها: علمی - پژوهشی

کاربرد پلیمر در صنعت

گردآورنده: نیما حلمی سرشت

چکیده:

صنایع زیادی هستند که به نوعی با مواد پلیمری در ارتباط هستند. مهم ترین و قدیمی ترین صنعت جهان، صنایع شیمیایی است. با ایجاد روش های جدید سنتز پلیمرها، صنایع شیمیایی دچار تحولی عظیم شد و همین تغییرات موجب شد تا مواد پلیمری جدید با کاربردهای نوین در این صنعت پدید آیند. انواع لاستیک ها، پلاستیک ها، چسب ها، انواع پوشش ها و سایر مشتقات پلیمری به کار رفته در تجهیزات مهندسی و تأسیسات مانند لوله پلی اتیلن، مخازن پلاستیکی، لوازم پلاستیکی منازل و بسیاری موارد دیگر، همه از انواع پلیمرها ساخته شده اند.

یکی دیگر از صنایع جهانی که از پلیمرها استفاده می کند، صنعت ساخت لاستیک است. پلیمرهایی نظیر استایرن، بوتادین، ایزوپرن و کلروپرن با اندکی افزودنی دوده (کربن سیاه) به مواد اولیه، مواد تشکیل دهنده لاستیک ها هستند. از این مواد برای تولید لاستیک اتومبیل ها، کامیون ها و ماشین های سنگین، لاستیک هواپیماها، تسمه و نوار تسمه، روکش های کابل و سیم، انواع مخازن، ضربه گیرها و صداگیرها، قطعات لاستیکی مانند واشرها و ... استفاده می شود.

عمده ترین مواد پلیمری تولیدی در صنعت پتروشیمی شامل پلی اتیلن، پلی اتیلن ترفتالات، پلی پروپیلن، پلی وینیل کلراید، پلی استایرن، اکریلونیتریل و بوتادین استایرن هستند. هر یک از مواد نامبرده،خواص ویژه ای داشته و در یکی از صنایع لاستیک یا پلاستیک کاربرد دارند. به عنوان مثال، پلیمر پلی اتیلن برای ساخت انواع لوله پلی اتیلن و اتصالات به کار می رود و یا از پلی اتیلن ترفتالات برای سیستم های تزریق پلاستیک استفاده می شود.

1-1-پلیمرها:

پلیمر از کلمه یونانی (poly) به معنی چند و (Mero) به معنای واحد یا قسمت بوجود آمده است.این مولکول های بلند از اتصال وبهم پیوستن هزاران واحد کوچک مولکول موسوم به منومر تشکیل شده اند.

تااوایل قرن نوزدهم میلادی توجه زیادی به مواد پلیمری نشده بود.بومیان آمریکای مرکزی از برخی درختان شیرابه هایی استخراج می کردند که این شیرابه ها بعد ها نام لاتکس به خود گرفت.درسال 1892،دانشمندان متوجه شدند که در اثر مخلوط کردن لاتکس طبیعی با سولفور و حرارت دادن آن ماده ای قابل ذوب ایجاد می شود که میتوان از آن محصولات مختلفی نظیر چرخ ارابه یا توپ تهیه کرد.در سال 1909 میلادی فنل فرمائید موسوم به باکلیت ساخته شد دراثنای جنگ جهانی دوم موادی مثل نایلون پلی اتیلن،اکریلیک موسوم به پرسپکس به جهان عرضه شد نئوپرن را شرکت دوپان در سال 1932 ابداع و به شکل تجاری ابتدا به نام دوپرن و بعدها نئوپرن عرضه کرد.درسال1947 توسط ناتا وهمکارانش پلیمرهای هادی به صورت پودری ودر سال 1958 به صورت تصادفی توسط شیراکاوا به صورت فیلم تهیه شدودرنهایت در دهه 1970 پلیمرهای هادی به صورت تجاری به بازار عرضه شدند.

پلیمرها را میتوان از 7 دیدگاه مختلف طبقه بندی نمود.صنایع،منبع،عبور نور،واکنش حرارتی،واکنش های پلیمریزاسیون،ساختمان مولکولی وساختمان کریستالی.

از نظر صنایع مادر پلیمرها به چهارگروه صنایع لاستیک،پلاستیک،الیاف،پوششی وچسب تقسیم بندی می شوند.اما صنایع وابسته به پلیمرهم فراوان هستند مانند:صنعت پزشکی که در اعضای مصنوعی،دندان مصنوعی،پرکننده ها،اورتوپدی به وفور از پلیمرها استفاده می شوند.

پلیمرها ممکن است به صورت آلی[1]، غیر آلی[2]، و یا آلی-فلزی[3] باشند.و ازدیدگاه نحوه ی به وجودآمدن ممکن است مصنوعی یا طبیعی باشند.

پلیمرهای غیرآلی که بصورت طبیعی وجود دارند عبارتنداز: الماس ها،گرافیت،آزبست...پلیمرهای آلی که به صورت طبیعی یافت می شوند شامل پلی ساکاریدها مانند:نشاسته،سلولز ونوکلئیک اسیدها و پلیمرهای غیرآلی-مصنوعی عبارتند از:نیترید بور،بتون و....

پلی سیلوکسین ها نمونه هایی از پلیمرهای آلی-فلزی محسوب می شوند که به صورت مصنوعی تهیه می گردند.بطور کلی پلیمرهای مصنوعی را میتوان از طریق واکنش های پلیمریزاسیون نظیر پلیمریزاسیون تراکمی،افزایشی،مرحله ای و...به دست آورد.(1)

پلیمرها خواص فیزیکی ومکانیکی نسبتا خوب ومفیدی دارند.آن ها دارای وزن مخصوص پایین و پایداری خوب در مقابل مواد شیمیایی هستند.بعضی از آن ها شفاف بوده و میتوانند جایگزین شیشه ها شوند.اغلب پلیمرها عایق الکتریکی هستن.عایق بودن پلیمرها به پیوند کوالانسی موجود بین اتم ها در زنحیرهای مولکولی ارتباط دارند.اما تحقیقات انجام شده در سال های اخیر نشان داد که امکان ایجاد خاصیت الکتریکی در امتداد محور مولکول ها وجود دارد این نوع پلیمرها اساسا از پلی استیلن تشکیل شده اند که با نفوذ دادن عناصری مانند فلزات قلیایی یا هالوژن ها وفرآیند دوپینگ به زنجیره های مولکول پلی استیلن به ترتیب نیمه هادی پلیمری از نوع (N,P)  به دست می آورند.این هدایت الکتریکی پلیمرهای هادی در حین فرآیند دوپ شدن تغییر میکند،عمل دوپ شدن کمی ومیتوان به صورت شیمیایی یاتماس مستقیم پلیمرباعمل دوپ کننده یا با اکسیداسیون احیا انجام شود.

عــوامل ‌دوپ‌ کننـده میتـواند به صـورت اتمـی یا مـولکـولـی و به صـورت‌دهنـده الکتـرون (K Li, Na,) ویـا پذیـرنده الکتـرون

(AsF5 LiCLo4, I2,Br2, FeCL3,) باشند،این دوپ کننده ها به عنوان عوامل انتقال بار فعالیت میکنند این ترکیبات به صورت درون شبکه ای بین زنجیره های پلیمری و دهنده های بار قرار می گیرند تا بارها را از اسکلت پلیمر دریافت کنند.(5)

خواص و ویژگی های یک ماده پلیمری خاص، با آرایش واحدهای مونومر و تعداد زنجیره های این درشت مولکول به طور مستقیم در رابطه است. پلیمرهایی که از واحدهای مشابه تکرار شونده تشکیل شده اند در اصطلاح، "هموپلیمر" نامیده می شوند؛ آن دسته از پلیمرها که از دو نوع مختلف واحد مونومر ساخته شده اند در اصطلاح، "کوپلیمر" نام دارند. دسته بندی انواع پلیمرها از جنبه های مختلفی نظیر نوع کاربرد، ویژگی های فیزیکی، خواص شیمیایی و ساختمان مولکولی آن ها انجام می شود.

از دیدگاه واکنش پذیری حرارتی به این قضیه نگاه کنیم، پلیمرها به دو دسته گرما سخت (ترموست) و گرمانرم (ترموپلاستیک) دسته بندی می شوند.(6)

1-1-1-پلیمرهای هادی:

در اواخر دهه 1970 دسته جدیدی از پلیمرها کشف شد که قادر به هدایت الکتریسیته بودند.فیلم تیوفن در سال1982تهیه شد.شیراکاوا وهمکارانش کشف کردند که اکسیداسیون جزئی فیلم استیلن با ید یا واکنشگر مشابه دیگری،فیلم را  109 مرتبه بیشتر از حالت اولیه آن هادی میکند.(4)

پلیمرهایی که نقش هادی الکترون را بازی میکنند دارای پیوندهای مزدوج می باشند که برخی مواقع بین اتمهای مانند:نیتروژن،گوگرد واکسیژن پخش می شوند.عدم استقرار ابر الکترونیکی بین این اتم ها وپیوندهای مزدوج چندگانه باعث انتقال الکترون در کل ساختارهای پلیمری می شوند این هدایت به ساختار وسطح انرژی الکتریکی آن ها بستگی دارداین پلیمرها بواسطه داشتن ترکیبی از خواص الکتریکی،نوری وخواص مکانیکی کاربردهای وسیعی یافته اند.

رسانایی وهدایت بدلیل شکل ساختمانی خاص پلیمرهایی است که وقتی به حالت اکسیداسیون مشخص در می آیند به الکترونها اجازه می دهند در طول زنجیره پلیمری انتقال یابند.این پلیمرها همچنین قابلیت تحریک بوسیله الکترون را دارند و می توانند بااعمال کمی انرژی به حالت های مختلفی درآیند.

پلیمرهای هادی اولیه مانند پلاستیک های مرسوم،رفتار نمیکردند.آنها غیرقابل حل،دیرگداز وشکننده بودند همچنین برخی از آنها در مجاورت هوا ناپایدار بودند.(5)

خواص وکاربردهای پلیمرهای هادی

معمولا تغییر در خصوصیات پلیمرهای رسانا با واکنش های اکسیدواحیا همراه است که منشا کاربردهای مختلف از جمله ساخت باتریها،خازن ها،فعال کننده های اکسیدواحیا،پنجره های هوشمند،ترانزیستور،پرینترهای جوهرافشان،جوهر وچسب رسانا،پوشش های پودری،حسگرها وکنترل خوردگی شده است.(6)

1-1-2-پلیمرهای فتوولتایی:

اگر یه لایه پلیمر حساس به نور مانند پلی فنیلن بین دو الکترود قرار گیرد که یکی از آنها ازجنس شیشه پوشیده شده با اکسیدایریدیم قلع(V)  ودیگری از جنس آلومینوم یاکلسیم باشد به هنگام تابش نور مولکول های پلیمر برانگیخته شده وانتقال  الکترون به اربیتال های خالی باعث ایجاد جریان الکتریکی بین دو الکترود می شود.هزینه تولید این نوع پلیمر بسیار ارزان بوده وانتظار می رود درآینده جهت ساخت دیوار وسقف ساختمان ها بکار رود.(8)

2-1-کامپوزیت ها:

تاریخ پیدایش کامپوزیت ها به رومیان وایرانیان باستان بر میگردد.کاه گل اولین ماده مرکب ویا کامپوزیتی است که به عنوان متداول ترین ماده ساختمانی برای تقویت سازه ها بکار رفت.اولین کامپوزیت  باکاررایی بالا ساروج نام داشت که توسط رومیان وایرانیان باستان از آمیختن آهک وتقویت کننده های معدنی ساخته شد و به طور گسترده در ساخت برج مورد استفاده قرار گرفت.

کامپوزیت شامل یه فاز پیوسته که به آن زمینه1 ویک فاز که در زمینه توزیع شده و به آن فاز دوم2 یا تقویت کننده3 گویند،می باشد که هدف آن تقویت ماتریکس است.

بکارگیری یک فاز غیرمستقیم پیوسته تقویت کننده در یک فازپیوسته به منظور افزایش خواص واستحکام از اواسط قرن بیستم مورد مطالعه قرار گرفت.[4](9)

کامپوزیت های پلیمری همانند دیگر کامپوزیت ها  از دوفاز پیوسته(ماتریس)وغیر پیوسته(تقویت کننده)تشکیل می  شوند که به طور عمده از انواع رزین های ترموست(گرماسخت ها) مانند:انواع پلی استر،وینیل استر،اکریلاتها،پلی یورتان،اپوکسی وفنولیک،یا ترمو پلاست(گرمانرم ها) مانند:پلی الفین ها ونایلون ها(پلی آمیدها)ساخته می شوند.

-2-2نانوکامپوزیت ها:

نانوکامپوزیت ها در واقع موادی هستند که معمولا ماتریکس پلیمری دارند ویک ماده تقویت کننده نانومتری به آن اضافه شده باشد کسرحجمی نانو ذرات بسته بااینکه چه باشد فرق می کند(کمتراز 10درصد)

نانوکامپوزیت ها می توانند ساختارهای جامد باابعاد نانومتری باشندکه بین فازهای مختلف تشکیل دهنده ساختار در فواصل معینی،تکرار می شود.این مواد ازیک جامد غیرآلی تشکیل شده اند که دارنده یک جز آلی یا بالعکس باشند ویا شامل دویاچند فازآلی وغیرآلی باشند که در یک حالت ترکیبی فشرده قرار گرفته وحداقل یکی از این دو در ابعاد نانو باشد.

باتولید ساختارهایی در مقیاس نانو امکان کنترل وهدایت خواص ذاتی مواد از جمله دمای ذوب،خواص مغناطیسی ورنگ،بدون تغییر در ترکیب شیمیایی وبسیاری از رفتارها وخواص دیگر بوجود می آید.این مقیاس 1000برابر کوچکتر از ابعاد قابل مشاهده باچشم غیرمسلح است.(10)

2-2-1- انواع نانوکامپوزیت ها

2-2-2-نانوکامپوزیت های فلزی:

کامپوزیت هایی با زمینه فلزی(MMC) موادی هستند که در آن هاتقویت کننده های سرامیکی سخت در فلز انعطاف پذیر یا زمینه آلیاژی قرار گرفته است.

2-2-3-نانو کامپوزیت های سرامیکی:

ازیک فاز تقویت کننده ریز(کوچیکتر از100نانومتر) درون دانه های بزرگتر یک زمینه تشکیل شده اند.این دسته از نانو کامپوزیت ها عمداتا دارای چگالی بالا وتخلخل کم هستند.

2-2-4-نانو کامپوزیت های سرامیکی/فلزی:

دارای یک جز سرامیکی بادمای ذوب بالا ویک جز فلزی بادمای ذوب پایین هستند که در عمل جز سرامیکی استحکام را در دمای بالا تامین می کند و جز فلزی دارای پایداری و دوام بالایی است.این ساختار مشابه نانو کامپوزیت های سرامیکی است بااین تفاوت که یکی از اجزای آن ها به حاوی ترکیبات فلزی نظیر اکسیدها به صورت عنصرفلزی ظاهر می شود.این کامپوزیت ها معمولا برای تهیه قطعاتی با چگالی زیاد وتخلخل کم نامناسب هستند. به خاطر تشکیل تقویت کننده های سرامیکی پایدار(مانند:بوریدها،کاربیدها،نیتریدها واکسیدها)در اندازه های نانو ذرات در این روش قطعه دارای ویژگی مکانیکی عالی است،همچنین دارای ویژگی مطلوب فلزی(انعطاف پذیری وسختی)و سرامیک(استحکام و دوام بالا)هستند.

2-2-5-نانو کامپوزیت های پلیمری:

دارای زمینه آلی(پلیمری) وفاز دوم غیرآلی(سرامیکی یا فلزی) در ابغاد نانو هستند.

ارزان ترین و رایج ترین نانوکامپوزیت ها،پلیمر سیلیکات های لایه ای است.به علت ویژگی های مطلوبی مانند:مدل واستحکام بالا،مقاوت گرمایی بالا،اشتعال پذیری وقابلیت نفوذ کم گاز توجه صنعت را به خود جلب کرده است.

از دیگر نانو کامپوزیت ها میتوان به نانو کامپوزیت های فیلم نازک ونانو لوله های کربن اشاره کرد.

2-3-خصوصیات کامپوزیت ها:
مهم‌ترین مزیت مواد کامپوزیتی آن است که با توجه به نیازها، می‌توان خواص آنها را کنترل کرد. به طور کلی مواد کامپوزیتی دارای مزایای زیر هستند:

2-3-1-مقاومت مکانیکی بالا نسبت به وزن

  • مقاومت بالا در برابر خوردگی
  • خصوصیات خستگی عالی نسبت به فلزات
  • خواص عایق حرارتی و الکتریکی خوب
  • کاهش وزن نهایی محصول
  • تولید آسان، ساخت اشکال پیچیده باروش های بسیار ساده، کارآمد و مقرون به صرفه
  • سهولت مونتاژ و فرایندهای تعمیر و عیب یابی
  • ضریب انبساط حرارتی پایین
  • بهبود اتصالات و امکان تولید یکپارچه
  • دارای خاصیت جذب انرژی مناسب

2-3-2-معایب کامپوزیت‌ها

 قیمت بالای مواد خام 

مقاومت پایین در برابر ضربه

 ایجاد آلودگی در محیط زیست 

2-3-3-کاربرد کامپوزیت ها:

تنها کاربرد کامپوزیت ها در ابتدای تولید شان در صنایع هوا و فضا خلاصه می شد. حال آن که امروز تنها 1 درصد از کامپوزیت های تولیدی در این زمینه استفاده می شوند. بیشترین میزان مصرف کامپوزیت ها طبق آمار در صنعت ساخت و ساز، صنایع نفت، گاز و لوله است. ویژگی های متنوع و تطبیق پذیری این مواد زمینه استفاده گسترده تری را فراهم کرده است از جمله می توان به صنایع خودرو، سازه‌های دریایی، تجهیزات ورزشی، پزشکی، حمل و نقل (هوایی، جاده ای، ریلی و دریایی)، انرژی و لوازم خانگی اشاره کرد. مقاومت در برابر خوردگی،  حذف هزینه های سنگین تعمیر و نگهداری لوله های کامپوزیتی باعث کاربرد بیشتر آن ها شده است. امروزه بیشتر قطعات خودرو مانند اتاق، داشبورد، صندوق عقب و حتی بدنه آن ها از کامپوزیت ها ساخته می‌شود. دلیل استفاده آن ها در اين صنعت، ويژگی‌هایی چون مقاومت به ضربه و تامین ایمنی بیشتر در حین تصادفات است. 

2-3-4-کاربرد کامپوزیت ها در صنایع مختلف:

 ساخت بدنه قایق‌ها، كشتی‌ها و تأسيسات فراساحلي از دیگر کاربرد کامپوزیت ها به شمار می آید. جالب است بدانید سهولت شکل دهی، مقاومت و قابلیت آب بندی باعث شده تا این مواد در صنعت ساختمان جایگاه خوبی را به خود اختصاص دهند از جمله موارد مصرفی در این صنعت می توان به استخرهاي شنا، وان حمام، سينك ظرفشويی و دست‌شويی، كف‌، نما و سقف‌ اشاره کرد. ذکر این نکته ضروری است به کارگیری این مواد باعث سبکی در سازه می شود  در نتیجه در صورت وقوع بلای طبیعی و حوادث شدت خسارات کمتر خواهد بود.کامپوزیت ها گروه سوم از مواد پلیمری هستند. این مواد هم خواص جالب و گوناگونی دارند و هم خلاف تصور عمومی بسیار پرکاربرد و با ارزش هستد. وزن کم در کنار استحکام بالا، ساخت و مونتاژ آسان از ویژگی های قابل توجه آن ها است.(10)

نتیجه  گیری:

اهمیت توجه به پلیمرها و صنعت پتروشیمی ایران زمانی آشکارتر می شود که بدانیم ایران از منابع انرژی خود برای تولید محصولات پتروشیمی استفاده می کند و مزیت بالقوه فراوانی در این خصوص دارد، ضمن آن که بخش بزرگی از ارزش افزوده ای که به عنوان سود صادرات نصیبت مجتمع های بزرگ پتروشیمی می شود، می تواند در بخش پایین دستی به ارزش افزوده بیشتر ناشی از فعال سازی تولید داخل، همچنین ایجاد اشتغال بالا دراین بخش بینجامد.

 

((مراجع))

 

1.CT .Kuo ,S .A . chen ,G .W . Hwang and H. U kuo 1998 , synth .Metals , 93 ,155

2.C.P. De Melo, B.B. Neto, E.G. De Lima, L.F.B. De Lira,2005, J.E.G. De Souza,sens. Actuators B: chem.109,348-354

3.K.F. Abbett, A.S. Teja, J. Kowalik, L. Tolbert,2003, J. Appl. Polym. Sci.90,1113-1116

4.Eptein, A . J.,Bulletin, Mrs., June (1997)

5.S. Maeda, R. Corradi, S.P. Armes, 1995 , Macromolecules 28, 2095-2911

6.www.conductivepolymer.com

7.N . Duc Nghia, N. Trinh Tung, 2009 ,J.Physics , 187

8.Agahi .h- www.SID.ir

9.http://nanolab.ir

10.M .ebrahimi, danesh poyan. 2007 , nano technology

 

 

[1] organic

[2] inorganic

[3] organomeallic

1 Matrix

2 Second Phas

3 Second Phas

 

Print
2020 رتبه بندی این مطلب:
1/0

نام شما
ایمیل شما
عنوان
پیام خود را وارد کنید ...
x