معلومات الكيمياء

البوليمر

ما هو البوليمر

البوليمرات. وهي مركبات ذات وزن جزيئي مرتفع تشكلها العديد من الجزيئات عن طريق الترابط مع الروابط الكيميائية بانتظام. "بولي" هي كلمة لاتينية تعني "كثير". تتكون البوليمرات من خلال دمج وحدات تسمى مونومرات. مثال بسيط هو البوليسترين. يتكون البوليسترين من مزيج من مونومرات الستايرين.

البوليمرات. وهي مركبات ذات وزن جزيئي مرتفع تشكلها العديد من الجزيئات عن طريق الترابط مع الروابط الكيميائية بانتظام. "بولي" هي كلمة لاتينية تعني "كثير". تتكون البوليمرات من خلال دمج وحدات تسمى مونومرات. كمثال بسيط على ذلك ، البوليسترين كما هو موضح أعلاه ، تنتج بلمرة مونومر ستيرين البوليسترين الذي يحتوي على هذا المونومر بأعداد كبيرة.

في منتصف القرن التاسع عشر ، قام الكيميائيون العضويون بتجميع المواد ذات الوزن الجزيئي العالي بشكل عشوائي. من النصف الثاني من هذا القرن ، تم تطوير البحث عن البوليمر وتم تطوير أنواع جديدة من البوليمرات. الرائد في هذا المجال هو الكيميائي الألماني هيرمان ستودنج. وصف هيرمان ستودنج أولاً تأثير ظروف البلمرة على تكوين البوليمر. حصل على جائزة نوبل عام 1953 لعمله في مجال الكيمياء التحريضية.

بدأ الباحثون الذين يعملون لأول مرة في هذا المجال بتقليد البوليمرات الطبيعية ، وفي عام 1930 نجح والاس كاروثرز في تصنيع النايلون. منذ الحرب العالمية الثانية ، تم إنتاج العديد من مختبرات البوليمر وبدأ إنتاج العديد من البوليمرات على نطاق صناعي. من ناحية أخرى ، بدأ الكيميائيون العضويون الصناعيون في مواصلة دراساتهم في هذا الاتجاه بالانتقال إلى مجال كيمياء البوليمر. ونتيجة لذلك ، يتم استخدام العديد من أنواع البوليمر في الوقت الحاضر لأغراض مختلفة في مجموعة واسعة من التطبيقات. تظهر الصيغ والمونومرات التي يتم تصنيعها إليها أدناه.

يمكن تصنيف البوليمرات وفقًا لهيكلها. إذا كان البوليمر يتكون من تكرار وحدة مونومر واحدة ، فإنه يطلق عليه بوليمر متجانس. ومن الأمثلة على ذلك البولي إيثيلين الذي يتم الحصول عليه من الإيثيلين والبوليستيرين المشتق من الاستيرين.

إذا كان جزيء البوليمر يتكون من مونومرات مختلفة ، فإنه يسمى كوبوليمر. يمكننا تقسيم أنواع البوليمرات إلى ثلاثة.

1. كوبوليمر متسلسل

 

2.Blockكوبوليمر

3. كوبوليمر غير منتظم

تتوفر سلاسل البوليمر في ثلاثة أشكال مختلفة ، سواء البوليمر المنزلي أو البوليمر المشترك.

1. الخطي

 

2. متفرعة

3. متشابكة

الأوزان الجزيئية للبوليمرات

ترتبط الخصائص الفيزيائية للبوليمرات بالوزن الجزيئي. لذلك ، يجب أن يكون لها وزن جزيئي معين لإظهار الخصائص الفيزيائية المتوقعة من البوليمرات.

بشكل عام ، تزيد الزيادة في الوزن الجزيئي من جاذبية الجزيئات في الهيكل ، مما يؤثر على الخصائص الميكانيكية والحرارية للبوليمر. يمكن تحديد الأوزان الجزيئية للبوليمرات بطرق مثل كروماتوغرافيا نفاذية الهلام ، وقياس اللزوجة ، والضغط التناضحي وتشتت الضوء.

تخليق البوليمرات

البلمرة الراديكالية الحرة

إنه نوع بلمرة السلسلة التي تمشي على الجذور. تتكون البلمرة الجذرية الحرة من ثلاث مراحل.

في البداية ، يتم تحويل جزيئات المونومر إلى جذور باستخدام مجموعة متنوعة من الأساليب. يتم توفير التكوين الجذري بالحرارة أو الضوئية أو الإشعاعية أو بادئين مختلفين. لهذا الغرض ، فإن الطريقة الأكثر شيوعًا لإنشاء الجذور في البيئة هي إضافة بادئ من الخارج. يبدأ البادئ عملية البلمرة بمهاجمة الرابطة المزدوجة في مجموعة الفينيل عن طريق إنشاء جذري. يتم استخدام البيروكسيدات المختلفة ومركبات الديازو وأزواج الأكسدة والاختزال كمبادر.

الأكثر استخدامًا لمبادئي البيروكسيد هو بيروكسيد البنزيل. هذا البادئ ينكسر بسهولة بالحرارة ليشكل الجذور الحرة. في الشكل أدناه ، يتحلل بيروكسيد البنزيل تحت تأثير الحرارة ويتحول إلى جذرين حر.

الأوزان الجزيئية للبوليمرات

ترتبط الخصائص الفيزيائية للبوليمرات بالوزن الجزيئي. لذلك ، يجب أن يكون لها وزن جزيئي معين لإظهار الخصائص الفيزيائية المتوقعة من البوليمرات.

بشكل عام ، تزيد الزيادة في الوزن الجزيئي من جاذبية الجزيئات في الهيكل ، مما يؤثر على الخصائص الميكانيكية والحرارية للبوليمر. يمكن تحديد الأوزان الجزيئية للبوليمرات بطرق مثل كروماتوغرافيا نفاذية الهلام ، وقياس اللزوجة ، والضغط التناضحي وتشتت الضوء.

تخليق البوليمرات

البلمرة الراديكالية الحرة

إنه نوع بلمرة السلسلة التي تمشي على الجذور. تتكون البلمرة الجذرية الحرة من ثلاث مراحل.

في البداية ، يتم تحويل جزيئات المونومر إلى جذور باستخدام مجموعة متنوعة من الأساليب. يتم توفير التكوين الجذري بالحرارة أو الضوئية أو الإشعاعية أو بادئين مختلفين. لهذا الغرض ، فإن الطريقة الأكثر شيوعًا لإنشاء الجذور في البيئة هي إضافة بادئ من الخارج. يبدأ البادئ عملية البلمرة بمهاجمة الرابطة المزدوجة في مجموعة الفينيل عن طريق إنشاء جذري. يتم استخدام البيروكسيدات المختلفة ومركبات الديازو وأزواج الأكسدة والاختزال كمبادر.

الأكثر استخدامًا لمبادئي البيروكسيد هو بيروكسيد البنزيل. هذا البادئ ينكسر بسهولة بالحرارة ليشكل الجذور الحرة. في الشكل أدناه ، يتحلل بيروكسيد البنزيل تحت تأثير الحرارة ويتحول إلى جذرين حر.

بعد ذلك ، تبدأ الجذور التي تشكلت في المرحلة الأولية بالبلمرة بمهاجمة الرابطة المزدوجة في جزيء المونومر. في الشكل ، في حين أن الجذور التي تتكون من البادئ تكسر إحدى الروابط المزدوجة في جزيء الإيثيلين وتشكل جذرًا جديدًا ، فإنها تبدأ أيضًا تفاعل البلمرة.

بعد ذلك ، تبدأ الجذور التي تشكلت في المرحلة الأولية بالبلمرة بمهاجمة الرابطة المزدوجة في جزيء المونومر. في الشكل ، في حين أن الجذور التي تتكون من البادئ تكسر إحدى الروابط المزدوجة في جزيء الإيثيلين وتشكل جذرًا جديدًا ، فإنها تبدأ أيضًا تفاعل البلمرة.

بعد ذلك ، تبدأ الجذور التي تشكلت في المرحلة الأولية بالبلمرة بمهاجمة الرابطة المزدوجة في جزيء المونومر. في الشكل ، في حين أن الجذور التي تتكون من البادئ تكسر إحدى الروابط المزدوجة في جزيء الإيثيلين وتشكل جذرًا جديدًا ، فإنها تبدأ أيضًا تفاعل البلمرة.

تتفاعل الجذور الجديدة مع المونومرات الموجودة في البيئة ، مما يتسبب في نمو سلسلة البوليمر.

مع تقدم البلمرة ، تنمو سلسلة البوليمر ويزيد الوزن الجزيئي. في هذه المرحلة من البلمرة ، انخفض عدد المونومرات الآن في البيئة

 لذلك ، تبدأ الجذور في البيئة في الامتصاص.

 

البلمرة الأيونية

يمكن لبلمرة السلاسل أن تمشي عبر الجذور الحرة وكذلك الأيونات وعوامل تعقيد التنسيق. تعتمد آلية بلمرة مونومر فينيل على الركيزة. على سبيل المثال ، يتم بلمرة الفينيل المهلجنة (مثل كلوريد الفينيل ، وما إلى ذلك) وإسترات الفينيل فقط مع الجذور. إذا تم إرفاق مجموعات التبرع بالإلكترون بمونومر الفينيل ، فإن البلمرة الموجبة فقط هي المعنية. تشتمل البلمرة الأيونية بشكل عام على أنظمة غير متجانسة حيث تكون المحفزات في مرحلة منفصلة. معدل التفاعل أسرع بكثير من البلمرة الجذرية. في بعض الحالات ، يتم إجراء البلمرة عند درجات حرارة منخفضة جدًا للتحكم في معدل التفاعل.

بلمرة التكثيف

يتم الحصول على بوليمرات التكثيف عن طريق تفاعل مونومرات متعددة الوظائف ذات بنية متشابهة أو مختلفة ، عادة عن طريق إزالة جزيء صغير. أهم شرط هنا هو أن المونومرات متعددة الوظائف. المونومرات التي تحمل على الأقل مجموعتين وظيفيتين مثل OH ، COOH ، NH2 ، إلخ. الأسترة ، وسط ، إلخ. تشكل بوليمرات التكثيف عن طريق إزالة الجزيئات الصغيرة. بشكل عام ، يتم أخذ تفاعلات البلمرة التي تحدث بشكل عام في شكل البولي يوريثين ، مثل تكوين اليوريتان وفتح حلقة كابرولاكتام من النايلون 6 ، وإدخال المونومرات مباشرة بدون خرج جزيئي صغير ، بشكل عام داخل هذه المجموعة.

عمليات البلمرة

بلمرة الدفعة في هذا النوع من البلمرة ، يتم بلمرة المونومر مباشرة عند درجة حرارة وضغط معينين ، بعد إضافة بادئ مناسب. أهم ميزة في هذه العملية هي أنه يمكن إنتاج بوليمرات نقية جدًا. في هذه العملية ، يتكون المنتج نتيجة البلمرة ، فصل ما بعد الإنتاج ، التنقية ، إلخ. لا يتطلب مثل هذه العمليات ، يمكن بيعها مباشرة. بالإضافة إلى ذلك ، تعتبر عملية بسيطة واقتصادية لأنها تتطلب آلات ومعدات أرخص مقارنة بالعمليات الأخرى. أهم عيوب هذه العملية هو أنه لا يمكن إزالة الحرارة الناتجة بسهولة من البيئة ، وبالتالي فإن التحكم في درجة الحرارة صعب. ينبغي إيلاء اهتمام خاص للبلمرة الجذرية. هذه البلمرة هي طاردة للحرارة شديدة ، والتكوين الفوري لجزيئات البوليمر عالية الوزن الجزيئي يسبب زيادة سريعة في اللزوجة المحيطة. يصبح التحكم في درجة الحرارة صعبًا للغاية. يمكن أن يؤدي ارتفاع درجات الحرارة المحلية إلى تكوين الغازات أو حتى انفجارات عنيفة نتيجة لتدهور البوليمر وغلي المونومر.

البلمرة المعلقة

تستخدم تقنية البلمرة هذه على نطاق واسع في الصناعة في إنتاج كميات كبيرة من البوليمرات. نتيجة لهذا البلمرة ، يتم الحصول على قطر 50/1000 ميكرومتر ، جزيئات مسامية أو غير مسامية اعتمادًا على ظروف البلمرة. هناك مرحلتان في البلمرة المعلقة. - مرحلة المونومر - مرحلة التوزيع إذا كان من المقرر استخدام بوليمر للتبلمر المعلق ، فإن أول ميزة يجب مراعاتها هي قابلية المونومر في مرحلة التشتت. يجب أن تكون قابلية ذوبان المونومر في مرحلة التشتت منخفضة للغاية. لهذا الغرض ، يتم استخدام السوائل الكارهة للماء مثل الأثير والبترول للمونومرات المحبة للماء. يتم استخدام الماء أيضًا كمرحلة تشتيت من مونومرات مسعور. كما أنها تحتوي على البادئ المذاب في بنية قطرات مونومر. الحرارة إلخ. يبدأ تفاعل البلمرة مع التأثيرات. نتيجة للتفاعل ، تتحول كل قطرة من المونومر إلى جسيم بوليمر. أكبر مشكلة يمكن مواجهتها في البلمرة المعلقة هي أن الجزيئات تلتصق ببعضها البعض وتتراكم. لمنع ذلك ، تتم إضافة عوامل التثبيت إلى مرحلة التشتيت ، والتي يمكن أن تحافظ على استقرار الجسيمات. يختلف قطر الجسيمات اعتمادًا على المثبت المستخدم وسرعة الخلط للوسط.

بلمرة مستحلب

هناك مرحلتان متداخلتان في بلمرة المستحلب. تم تشتت طور المونومر في مستحلب في طور التشتت. على عكس البلمرة المعلقة ، تم إذابة البادئ في مرحلة التشتيت. باستخدام مستحلبات مختلفة ، يتم الحفاظ على طور المونومر ثابتًا في حالة المستحلب في مرحلة التشتيت. وأكثر هذه المركبات استخدامًا هو ثنائي كبريتات الصوديوم. باستخدام تقنية البلمرة هذه ، يتم الحصول على جزيئات كروية موحدة حول ميكرومتر واحد. البلمرة المشتتة باستخدام تقنية البلمرة هذه ، يتم الحصول على جزيئات بوليمر كروية موحدة بين 1-10 ميكرومتر. خاصية البلمرة المشتتة هي أن طور المونومر يذوب في طور التشتت ، لكن البوليمر المتكون في نهاية عملية البلمرة لا يذوب في طور التشتت.