فتو پلیمر چیست؟

دسته: مقالات منتشر شده در 05 شهریور 1398
نوشته شده توسط Admin بازدید: 56

فتوپلیمر چیست؟

فتوپلیمر و یا رزین فعال شده به کمک نور خورشید، نوعی پلیمر است که با قرار گیری در معرض پرتوهای نور به خصوص انواع فرابنفش و مرئی  در طیف الکترومغناطیسی ساختار متفاوتی پیدا میکند. فتوپلیمر ها نوعی ترکیبات هستند که بر پایه ی پلیمر، الیگومر و مونومر ساخته میشوند. اگر انها در معرض پرتوهای فرابنفش قرار گیرند، این امکان را دارند که به طور انتخابی پلیمره شوند و یا پیوند های متقاطع را ایجاد نمایند.

از این مواد محصولات نهایی متنوعی بوجود می اید مانند فیلم، ورقه، مایعات و محلول ها و سایر موارد. در مواردی همانند صفحات پرینت، فتورزیست ها (موادی که در برابر نور حساس بوده و کاربردهای صنعتی فراوانی دارند)، استرلیوگرافی یا تصوربرداری و پرینت سه بعدی هم از فتوپلیمرها استفاده میشود. یکی از کاربردهای معروف فتوپلیمرهای مایع، استامپ های لاستیکی است.

فناوری فتوپلیمر یکی از پرطرفدارترین ابزارهایی است که امروزه در صنعت تابلوسازی استفاده میشود. به طور کلی یک فتوپلیمر و یا رزینی که با قرارگیری در معرض نور فعال میشود، زمانی که در برابر پرتوهای نور(اغلب پرتهای فرابنفش) قرار میگرد خواص متفاوتی پیدا میکند. سپس این تغییرات به حالتی ساختاری ظاهر میشوند. به عنوان مثال ممکن است ماده با قرارگیری در بربر پرتوها سخت شود. از فتوپلیمر به مدت بیش از 25 سال برای تابلوسازی در صنعت استفاده شده است و امروزه نیز هنوز در این زمینه از رقبای خود پیشی گرفته است.

به طور کلی فتوپلیمر از ترکیبی از مونومرهای چند وظیفه ای و الیگومر ها ساخته شده است تا بتواند به ویژگی های فیزیکی مورد نیاز دست پیدا کند. بنابراین انواع گوناگونی از مونومر ها و الیگومر ها بوجود امدند تا هر کدام در برابر نور بسپارش شوند.

فتوپلیمرها فرایندی با نام فراوری را پشت سر می گذارند ولی الیگومر ها با قرار گیری در معرض نور خورشید پیوند های متقاطعی را تشکیل میدهند و با نام پلیمرهای شبکه ای شناخته میشوند. فراوری نوری همان تشکیل شبکه ترموست از پلیمرهاست. یکی از مزایای فراوری نوری این است که میتوان این فرایند را با استفاده از منایع نوری و به صورت انتخابی انجام داد مانند لیزر. با این حال نمیتوان تعداد زیادی از سیستم ها را با نور فعال کرد و به اغاز گرهای نوری نیاز است. اغازگرهای نوری ترکیباتی هستند که پس از قرارگیری در برابر نور، به نمونه های فعالی تجزیه میشوند و خود بسپارش انواعی خاص از گروه های وظیفه ای بروی الیگومر ها را ممکن می سازند.

معمول ترین سیستمهای فتوپلیمری با استفاده از اشعه ماورابنفش فراوری میشوند زیرا انرژی این پرتوها بیشتر است. اگرچه توسعه ی سیتمهای آغازگر نوری با رنگها  این امکان را فراهم کرده اند که از نورهای مرئی نیز استفاده شود. فرایندهایی که از این نور ها استفاده میکنند، قابلیت مدیریت بهتری دارند و ساده نیز می باشند. فراوری اشعه ماورابنفش در طی دهه های اخیر به طور قابل توجهی در فرایند های صنعتی گسترش یافته است. تعداد زیادی از فناوری های سنتی فراوری با گرمادهی و انواع محلول محور را میتوان با فناری های فتوپلیمریزاسیون جایگزین نمود. مزیت اصلی فتوپلیمریزاسیون در برابر روش های یاد شده  نرخ بالاتر بسپارش و مزایای محیطی ناشی از رفع محلولهای ارگانیک فرار است.

فرایند اغاز جذب نور و تجزیه به  دو صورت انجام میگیرد: رادیکال های ازاد و یونی. قدم ابتدایی با ناخالص سازی دسته ای از پلیمرهای خالص به کمک اغاز گرهای نوری شروع  میشود. پس از ان نیز تابش انتخابی قرار دارد که باعث ایجاد محصولی با پیوندهای متقاطع میشود. تعداد زیادی از این واکنش ها به محلولهای اتمام کننده ی نهایی نیاز ندارند. این محلول ها واکنشی را بین اغاز کننده های واکنشی و محلول ها و ناخالصی ها بوجود می اورند و هزینه نهایی را کاهش میدهند.

 

مکانیزم یونی

در فرایندهای یونی از یک اغازگر نوری برای فعال سازی گروه وظیفه ای الیگومر ها استفاده میشود که در پیوند های متقاطع شرکت میکنند. فرایند فتوپلیمریزاسیون بسیار انتخابی عمل میکند و باید در محل انتخابی خود صورت گیرد.

به منظور اقناع سازی این مایع، الیگومر خالص میتواند با اغاز گرهای نوری انیونیک یا کاتیونیک ترکیب شود. این مواد فقط زمانی بسپارش را اغاز میکنند که در برابر پرتوهای نور، مونومر ها و یا گروه های وظیفه ای کاربردی در فتوپلیمریزاسیون کاتیونیک قرار گیرند مانند ترکیبات استرینیک، ونیل اتر ها، کاربوزول های ان ونیل، لاکتونها، لاکتام ها، اترهای سایکلیک، استال های سایکلیک و سیلوکسان های سایکلیک. اغلب اغاز گرهای واکنش های نوری در دسته کاتیونیک قرار میگیرند و تحقیقات خیلی کمتری در خصوص انواع آنیونیکی صورت گرفته است.

آغازگرهای واکنشی کاتیونی انواع متفاوتی دارند مانند نمک انیوم، ترکیبات ارگانومتالیک،  نمک های پریدینیوم ها. همانطور که پیش از این نیز اشاره شد، یکی از معایب اغاز گرهای واکنش های نوری این است که در برابر اشعه های کوتاه فرابنفش  قابلیت جذب بالایی دارند. مواد حساس در برابر نور یا کروموفورها که در برابر اشعه های فرابنفش با طول موج بالا قابلیت جذب خوبی دارند، میتوانند با انتقال انرژی به خوبی اغاز گرهای نوری را فعال سازند.

سایر تغییرات ممکن برای این نوع از سیستم ها میتواند به کمک بسپارش کاتیونی رادیکالهای آزاد صورت گیرد. در این حالت یک رادیکال آزاد از نمونه ای دیگر در محلول که با اغاز گرهای نوری واکنش میدهد، شکل میگیرد و بسپارش اغاز میشود. اگرچه گروه های متمایزی از ترکیبات وجود دارند که توسط اغاز گرهای نوری کاتیونیک فعال میشوند، ولی ترکیباتی که بیشترین کاربرد را دارند عبارتند از: اپیکسودها، اکستانها و ونیل اترها. یکی از مزیت های به کارگیری فتوپلیمریزاسیون کاتیونی این است که این واکنش پس از اغاز، حساسیتی در برابر اکسیژن نداشته و به فضایی داخلی برای بهبود عملکرد نیاز ندارد.

 

مکانیزم رایدکال های ازاد

امروزه بیشتر روش های فتوپلیمریزاسیون رادیکال با توجه به واکنش های اضافی پیوندهای دوتایی کربنی در اکریلاتها و یا متاکریلاتها صورت میگیرد و این روش ها به صورت رایجی در فتولیتوگرافی و استریولیتوگرافی به کاربرده میشوند.

قبل از اینکه ساختار رادیکال ازاد  در انواع خاصی از بسپارش ها مشخص شود، رفتار بسپارشی مونومرهای ویژه ای در برابر نور مورد بررسی قرار گرفت. اولین کسی که واکنش زنجیره های  رادیکال ازاد  ونیل بروماید در برابر نور را نشان داد، Ivan Ostromislensky بود. یک شیمی دان روسی که مطالعاتی در خصوص بسپارش لاستیک های ترکیبی انجام داده بود. پس از ان نیز مشخص شد که تعداد زیادی از ترکیبات در برابر نور تجزیه میشوند و از انها  به عنوان اغاز گرهای واکنش های نوری در صنعت پلیمر استفاده شد. در مکانیزم رادیکال ازاد سیستمهای فراوری پرتویی، نور جذب شده توسط اغاز گرهای نوری نوعی از رادیکال های ازاد را تولید میکند که واکنش ترکیبی از الیگومر های وظیفه ای و مونومر ها را بوجود می اورد.

مواد فراوری شده در برابر نور که با استفاده از مکانیزمهای رادیکال های ازاد بوجود می ایند، از بسپارش زنجیره ای استفاده میکنند. این بسپارش سه مرحله دارد: اغاز، انتشار زنجیره و پایان زنجیره. در مواد فراوری شده به کمک نور، مرحله انتشار شامل واکنش بین زنجیره ی رادیکال ها با پیوندهای دوتایی فعال بی پلیمرها یا الیگومرها میشود. مرحله پایانی نیز با ترکیب انجام می گیرد که در ان دو زنجیره رادیکال به یکدیگر متصل میشوند (یا از طریق عدم انتشار). این حالت زمانی رخ میدهد که یک اتم مانند هیدروژن از یک زنجیره ی رادیکالی به دیگری منتقل میشود و یک زنجیره ی پلیمریک دوتایی را بوجود می اورد.

بیشتر ترکیباتی که به کمک رشد زنجیره ای رادیکالی صورت میگیرند، ترکیبات گوناگونی از الیگومرها و مونومرها را دارند و عملکرد انها مقداری بین 2 تا 8 و وزن مولکولی انها نیز بین 500 تا 3000 است. به طور کلی، مونومرهایی که عملکرد بهتری دارند، چگالی بیشتر و پیوندهای مستحکم تر را در محصول نهایی بوجود می اورند. مونومر ها و الیگومرها به تنهایی مقدار نور کافی را از منایع نور موجود جذب نمی کنند بنابراین اغاز گرهای واکنش های نوری به انها اضافه میشود.

 

آغاز گرهای واکنش های نوری

دو نوع اغاز گر واکنش های نوری در دسته رادیکال های ازاد وجود دارد: یک سیتم دو جزئی که در ان رادیکال از طریق ربایش اتم هیدروژن از ترکیب اولیه و یا اغاز گر همکار بوجود می اید. نوع دوم نیز سیستمی است که دو رادیکال از طریق شکافتگی یا تقسیم تولید میشوند.

بنزوفنون ها، زانتون ها و کوئینون ها نوعی از اغاز گرهایی هستند که با ربایش بوجود می ایند و آمین های الیفاتیک ترکیبات اولیه انها را تشکیل میدهند.

بنزوئین اتر، استوفنون، بنزویل اکسیم و اسیل فوسفین هم نمونه ای از اغاز گرهایی هستند که با شکافتگی ایجاد میشوند. این حالت برای نمونه هایی بوجود میاید که با قرار گیری در معرض نور خورشید، دو رادیکال ازاد میکنند و هر دو رادیکال تولیدی هم میتوانند فرایند بسپارش را انجام دهند. این اغاز گرها به یک همکار برای پیش روی نیاز ندارند مانند الیفاتیک امین ها.

 

الیگومر و مونومرها

ویژگی های موادی که با نور فراوری میشوند مانند انعطاف پذیری، چسبندگی و مقاومت شیمیایی با الیگومرهای وظیفه ای بوجود می اید که در ترکیبات فراوری شده با نور وجود دارند. الیگومرها به طور معمول اپوکسید، اورتان و پلی اتر و پلی استرهایی هستند که هر کدام ویژگی های خاصی به محصول می بخشند.

مونومرهای کاربردی در تابش سیستمهای فراوری به سرعت پیشرفت فراوری ، چگالی پیوندهای متقاطع، ویژگی های نهایی سطح فیلم و چسبندگی رزین کمک میکنند. انواعی از مونومرها عبارتند از استرین، ان ونیل پیرولیدون و اکرلات ها. استرین نوعی مونومر کم هزینه است و توسط ان فراوری با سرعت بالایی صورت میگیرد. ان ونیل پیرولیدون انعطاف پذیری زیادی را در ماده پس از فراوری ایجاد میکند، حالت سمی کمی داردو نوع اخر هم واکنش پذیری زیادی داشته و باعث ایجاد فراروی های پر سرعت میشوند و تطبیق پذیری زیادی هم با انواع مونومرها دارند از تک وظیفه ای تا چهاروظیفه ای. مونومرها هم مانند الیگومرها باید به صورت چندتایی استفاده شوند تا خواص لازم برای محصول نهایی بوجود اید.