کوپلیمر و یا هم بسپارها

کوپلیمر و یا هم بسپار چیست؟

پلیمر انواع متفاوتی دارد مانند:

1. جوربسپارها
2.  هم بسپارهای متناوب
3. هم بسپارهای تصادفی
4. هم بسپارهای پیوندی

هم بسپار نوعی پلیمر است که از بیش از یک نوع مونومر تشکیل شده است. بسپارش این مونومر ها و تغییر انها به یک هم بسپار با نام هم بسپارش شناخته میشود. هم بسپارهایی که از بسپارش بین چندین گونه مونومری بوجود می ایند، بیوپلیمر و یا پلیمرهای زیستی نیز نامیده میشوند. اگر این ترکیبات شامل سه نوع  مونومر باشند، ترپلیمر و اگر چهار عدد مونومر داشته باشند، کواترپلیمر نامیده میشوند.

از انجایی که هم بسپارها از حداقل دو واحد  سازنده ی گوناگون و یا واحد ساختاری تشکیل شده اند، میتوان انها را با توجه به چگونگی قرارگیری واحدها در طول زنجیر دسته بندی نمود. هم بسپارهای باریک یا خطی از یک زنجیره اصلی تکی تشکیل شده اند و شامل هم بسپارهای متناوب، آماری، دسته ای یا بلوکی  میشوند. هم بسپارهای شاخه دار شامل یک زنجیره تکی و یک یا تعداد بیشتری زنجیره های جانبی پلیمریک میشوند و ممکن است در انواع دسته ای و ستاره مانند قرار گیرند و یا به به کلی معماری متفاوتی داشته باشند.

نسبت واکنش پذیری

نسبت واکنش پذیری زنجیره ی یک هم بسپار در حال رشد که در نهایت به یک مونومر ختم میشود، نسبت ثابت نرخ واکنش برای یک مونومر اضافه شده به نرخ ثابت مونومر دیگری است که به این زنجیره اضافه شده است.

بنا بر معادله ی Mayo-Lewis ترکیبات و نوع ساختاری هم بسپار ها بر نسبت واکنش پذیری r₁  و r₂  وابسته است. این معادله برای نسبتهای تقریبی مشارکت دو مونومر، با نامهای معادله ی هم بسپاری یا معادله ی هم بسپار نیز شناخته میشود.

هم بسپارهای  خطی

• هم بسپارهای دسته ای یا بلوکی :  این نوع از این هم بسپارها  دارای  دو عدد زیر واحد جوربسپار و یا بیشتر هستند که توسط پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل شده اند. قرار گیری زیر واحدهای هم بسپار ممکن است به یک زیر واحد غیر تکراری متناوب نیاز داشته باشد که به ان بلوک اتصال می گویند.  تعدادی از این هم بسپارها دو تا بلوک و تعدادی سه عدد دارند. از لحاظ فنی، بلوک به قسمتی از مولکولهای خیلی بزرگ می گویند که واحدهای زیادی دارد و دارای حداقل یک ویژگی است که در بخش های جانبی دیده نمیشود. یک ترتیب ممکن از واحدهای A B در یک هم بسپار سه بلوکی میتواند به این صورت باشد:  ~A-A-A-A-A-A-A-B-B-B-B-B-B-B-A-A-A-A-A~. پلیمرهای بلوکی از بلوکهایی از مونومرهای بسپارش شده متفاوت تشکیل شده اند. به عنوان مثال، پلی استرین-بی- پلی (متیل متاکریلات ) یا  PS-b-PMMA که b در ان نشان دهنده ی بلوک است، ابتدا با بسپارش استرین و سپس با بسپارش متیل متاکریلات از پایانه ی واکنش پذیر زنجیره ی پلی استرین صورت میگیرد. یک پلیمر از انجایی دو بلوکه نامیده میشود که شامل دو بلوک شیمیایی متفاوت است و همین موضوع برای سه بلوکه، چهار بلوکه و یا تعداد بیشتر از بلوکها صدق میکند. برای ساخت هم بسپارهای دو بلوکی از تکنیکهای بسپارش زنده استفاده میشود  مانند بسپارش انتقال اتم رادیکال ازاد، انتقال زنجیره ی تکه تکه ی اضافی برگشت پذیر، متاستوز حلقه گشا یا  بسپارش کاتیونیک و انیونیک زنده. یکی از تکنیک های نوین تر نیز بسپارش عضو لرزان زنجیره میباشد. ترکیب هم بسپارهای بلوکی نیازمند ان است که نسبت واکنش یذیر هر دو مقدار یاد شده در شرایط واکنش، بالاتر از یک باشد بنابراین واحد مونومری پایانی یک زنجیره در حال رشد در اغلب موارد یک واحد مشابه را می سازد. عدم وجود بلوک در یک هم بسپار معیاری است برای تعیین مجاورت و نزدیکی هم مونومرها با توزیع اماری شان. تعداد خیلی زیادی از پلیمرهای ترکیبی در واقع همان هم بسپارهایی هستند که که دارای 1 تا 20 درصد از مونومرهای اقلیت میباشند. در چنین مواردی بلوکی بودن هم بسپار چندان مطلوب نمیباشد. شاخص بلوک، به عنوان یک مقیاس کمی از حالت بلوکی یا انحراف از ترکیبات تصادفی مونومری تعریف شده است.
• هم بسپارهای متناوب: یک هم بسپارش متناوب دارای تناوبی منظم از واحدهای A  و B است و معمولا با این فرمول توصیف میشود: -A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-, یا. -(-A-B-)_n- نسبت مولار هر مونومر در این پلیمرها معمولا به هم نزدیک است و زمانی اتفاق می افتد که نسبت واکنش پذیری  r₁ و r₂به صفر نزدیک باشد. این موضوع در معادل ارائه شده نیز قابل مشاهده است. به عنوان مثال در هم بسپارش رادیکالهای ازاد آنهیدرید مالئیک استایرن مقدار r₁ = 0.097 و  r₂ = 0.00. بنابراین بیشتر زنجیره ها به آنهیدرید مالئیک و تمام زنجیره ها به آنهیدرید مالئیک و استرین ختم میشوند. این حالت خود یک ساختار متناوب را نیز بوجود می اورد. یک هم بسپار مرحله ای و یا گام محور -(-A-A-B-B-)_n-  با تراکم دو مونومر تک وظیفه ای A–A و B–B تشکیل میشود و در واقع نوعی  هم بسپار متناوب برای این مونومر ها را می سازد اما به طور کلی به دلیل ساختار تکراری خود به حالت A-A-B-B نوعی جوربسپار شناخته میشود. یکی از این انواع، نایلون 66 است که واحدی تکراری به حالت -OC-( CH₂)₄-CO-NH-(CH₂)₆-NH- دارد و از یک  مونومر دی کربوکسیلیک اسید و یک مونومر دیامین ساخته شده است.
• هم بسپارهای دوره ای یا نوبتی: این نوع از هم بسپارها دارای واحدهایی هستند که به ترتیبی تکراری قرار گرفته اند. برای دو نوع مونومر یاد شده، الگوی زنجیره این پلیمرها ممکن است بدین صورت باشد:  (A-B-A-B-B-A-A-A-A-B-B-B)_n.
• هم بسپارهای آماری: در هم بسپارهای آماری، ترتیب مونومرها  بر اساس یک قانون آماری است. در صورتی که احتمال یافت بقایای مونومر در یک نقطه خاص در زنجیر با نسبت مولی  بقایای همان مونومر در زنجیر برابر باشد، در ان هنگام پلیمر با نام  هم بسپار تصادفی شناخته میشود. هم بسپارهای تصادفی بر مبنای جنبش واکنشی دو مونومر واکنش گر با خاصیت شیمیایی متفاوت رفتار میکنند و و در حوزه ی پلیمرها با نام تصادفی خوانده میشوند. هم بسپارهای تصادفی نیز همانند سایر انواع دیگر میتوانند شامل ویژگی های جذابی از لحاظ تجاری باشند و در واقعی ترکیبی از ویژگی های جوربسپارها را ارائه دهند.  یکی از هم بسپارهای تصادفی تجاری همان لاستیک است که از هم بسپارهای  استرین- بوتادین ساخته شده و رزین ها که از استرین-اکریلیک یا  مشتقات متاکریلیک اسید تولید میشوند. هم بسپارش در تنظیم دمای گذار شیشه کاربرد زیادی دارد و این موضوع در نوع عملکرد پلیمر دارای اهمیت زیادی میباشد. فرضیاتی وجود دارد که بر مبنای انها هر مونومر بدون توجه به این موضوع که در یک هم بسپار یا جوربسپار قرار گرفته باشد، دارای حجم ازاد یکسانی است بنابراین دمای گذار شیشه مقداری بین مقادیر هر جور بسپار بوده و توسط کسر مولی یا جرمی هر بخش تعیین میشود. پارامترهایی میتوانند در ترکیبات سازنده ی محصولات پلیمری اهمیت داشته باشند مانند نسبت واکنش پذیری که باید برای هر مونومر جداگانه در نظر گرفته شود. نسبت واکنش پذیری بدین معنی است که یک مونومر با مونومری از نوع یکسان خود واکنش بهتری میدهد و یا با نوع متفاوت. به عنوان مثال اگر این نسبت برای یک مونومر کمتر از مقدار یک باشد، بدین معنی است که مونومر واکنش پذیری بهتری با انواع متفاوت از خود دارد. با توجه به اطلاعات ارائه شده که در کتاب پایگاه داده ی ویژگی های پلیمری Wiley وجود دارد، میتوان از معادله یMayo-Lewis  برای پیش بینی کسر مولی اولیه مونومر در ترکیبات تمامی محصولات پلیمری استفاده کرد. این معادله با استفاده از مدل Markov  بوجود امده است که در ان فقط قطعه اخری افزوده شده بر وضعیت جنبشی نسل بعدی اثر خواهد گذاشت. مدلی که قبل از نمونه اخری ارائه شد، به بخش های دوم تا اخر نیز توجه میکند ولی برای اغلب سیستمها خیلی پیچیده است. زمانی که هر دو نسبت واکنش پذیری که اغلب به انها اشاره شد کمتر از یک باشند، بدین معنی است که یک نقطه همجوش در معادله ی Mayo-Lewis وجود دارد. در این نقطه کسر مولی مونومر با ترکیب اجزا در پلیمر برابر خواهد بود. روش های متفاوتی برای ترکیب هم بسپارهای تصادفی وجود دارد. معمول ترین متد ترکیب، بسپارش رادیکال ازاد نام دارد. از این نوع از بسپارش زمانی استفاده میشود که ویژگی های مطلوب بیشتر بر ترکیبات هم بسپار وابسته هستند تا وزن مولکولی، زیرا بسپارش رادیکال ازاد، زنجیره های پلیمری نسبتا  پراکنده را می سازد. میتوان از متدهای متفاوتی برای کنترل این پراکندگی استفاده نمود. بسپارش آنیونیک هم این قابلیت را دارد که برای هم بسپارهای تصادفی به کار برده شود ولی با چندین هشدار نیز همراه است: اگر کاروانیون دو جز دارای ثبات یکسانی نباشند، فقط مقدار یکی از گونه ها به دیگری اضافه میشود. همچننی این نوع از بسپارش گران بوده و نیاز به محیطی پاکیزه برای انجام واکنش دارد. بنابراین به کارگیری ان در حیطه ای وسیع دشوار است.  برای ترکیب انواعی از هم بسپارها که پراکندگی کمتری دارند، نیز از متدهای بسپارش رادیکال کنترلی زنده استفاده میکنند مانند بسپارش رادیکال به کمک نیتروکسید، بسپارش انتقال زنجیره ی تکه تکه ی اضافی برگشت پذیر. این روش ها در مقایسه با بسپارش انیونیک ارجحیت دارند زیرا میتوان انها را در شرایطی مشابه بسپارش رادیکال ازاد انجام داد. این واکنش  در مقایسه با رادیکال های ازاد به مدت زمان طولانی تری برای ازمایش نیاز دارد ولی میتوان نسبتهای واکنشی خوبی را  به کمک ان ایجاد نماید.

در این مقاله انواعی از هم بسپارها و ویژگی های انها توضیح داده شدند و در مقاله ای دیگر به انواع باقی مانده می پردازیم.