تاریخچه ی پلیمرها

تاریخچه ی پلیمرها و باکلیت

تاریخ با موادی شکل میگیرد که ما توسعه میدهیم و به کار میبریم. انسانها به مدت هزاران سال از سنگ به منظور شکل دهی به اجسام و تراش انها استفاده میکردند. حدود پنج هزار سال پیش ما چگونگی ساخت الیاژهای مس را اموختیم و پس از ان نیز دوره برنز اغاز شد. پس از چندین قرن نیز در عصر اهن، این ماده به عنوان گزینه ای ای ایده ال انتخاب شد. معرفی ماده ای با نام باکلیت (اولین پلیمر ترکیبی دنیا) در سال 1907 صورت گرفت و به همراه  آن عصر پلیمر نیز آغاز شد.

عصر پلیمر و مواد پلاستیکی

عصر پلیمر با نام دوران پلاستیک نیز شناخته میشود. پلاستیک از واژه یونانی plastikos گرفته شده است که به معنای قالب پذیر است. این نام به صورت رایجی برای انواعی از پلیمر های ترکیبی و یا  مصنوعی به کار برده میشود. پلیمر ها (پلی به معنای چند عدد میباشد) مولکولهای خیلی بزرگی هستند که از مولکولهای کوچک تری با نام مونومر تشکیل شده اند. بیشتر مونومرها و نه همه ی آنها نیز مشابه یکدیگر بوده و در زنجیره ای صاف به یکدیگر متصل شده اند مانند رشته ای بلند از مرواریدها.

هزارن پلیمر مختلف در طبیعت وجود دارد. معمول ترین پلیمر طبیعی موجود همان سلولز است که ماده تشکیل دهنده ی طبیعی درختان و سایر گیاهان میباشد. همچنین پروتئین هایی که بدن انسان را می سازند، نوعی پلیمر میباشند مانند دی اکسی ریبونوکلئیک اسید و یا DNA، ماده ای که حامل کدهای ژنتیکی برای تمام موجودات زنده است.

شیمی دان ها تا حدود سال 1900 اطلاعات کافی در خصوص ماهیت پلیمرها ها نداشتند ولی در سال 1861، یک شیمی دان بریتانیایی با نام chemist Thomas Graham متوجه شد که با حلالیت ترکیبات ارگانیکی در مایعات؛ تعدادی از آنها مانند سلولز حتی از ریزترین و ظریف ترین فیلترها هم عبور نمی کند مگر آنکه ذرات چسبناکی از خود بر جای گذارند. حتی امکان تبلور این ترکیبات نیز وجود ندارد. شیمی دان یاد شده با خود فکر کرد که این مواد حتما ماهیت ساختاری متفاوتی دارند. وی نام این موارد را کلوئید نهاد که از واژه یونانی kola به معنای چسب گرفته شده است یعنی همان موادی که از فیلترها عبور نمی کنند و حالتی چسبناک دارند.

تعداد زیادی از تولید کنندگان قرن 19 نیز کلوئید ها و پلیمرهای طبیعی را تغییر دادند تا مواد جدیدی را بسازند. در سال 1870، یک مخترع آمریکایی با نام John Wesley Hyatt از سلولز هایی استفاده کرد که دچار تغییرات شیمیایی شده بودند. وی این سلولزها را برای تولید یک محصول خارق العاده نوین به نام سلولوئید به کار برد (پلاستیکی که مصارف خیلی متنوعی داشت از شانه های سر تا فیلمهای بی صدا). در سال 1890 نیز Count Hilaire de Chardonnet اولین پارچه ی ترکیبی را معرفی کرد که از نوعی ابریشم ودر طی ریسندگی رشته های سلولز نیترات در یک فیبر مصنوعی ساخته شده است.

تمام موارد یاد شده به همراه سایر پلاستیکها از نمونه های موجود ساخته شدند. در گام بعدی نیز خلق پلاستیکهای ترکیبی آغاز شد.

پلیمرهای ساخته دست انسان: اختراع سلولوئید

در زمان سلطنت ملکه ویکتوریا، مردان ثروتمند و اشراف مالک میزهای بیلیارد و توپ هایی بودند که از عاج فیل ساخته شده بودند. اما شکارچیان قرن 19، تعداد زیادی از گله های فیلهای آفریقایی و آسیایی را کشتند و به همین دلیل دسترسی به عاج فیلها در این دوران کاهش یافت. تا سال 1863، کمبود این عاج ها به جایی رسید که تولید کننده آمریکایی توپهای بیلیارد اعلام کرد که جایزه ای ده هزار دلاری برای فردی در نظر گرفته است که بتواند جایگزینی به غیر از عاج فیل برای ساخت این توپها پیدا کند.

John Wesley Hyatt در آلبانی، نیویورک و برادرش توانستند این مشکل را حل نمایند. در واقع آنها هیچ مبلغی دریافت نکردند ولی به خوبی توانستند با اختراع سلولوئید (یکی از پیشروترین پلاستیکهای دنیا) تاریخ را تغییر دهند. این ماده نه تنها خواصی مشابه عاج فیل داشت بلکه از ویژگی های منحصر به فردی نیز برخوردار بود: به عنوان مثال این ماده در دمای معمولی حالتی جامد و پایدار دارد و زمانی که در معرض گرما و حرارت قرار گیرد، نرم شده و میتوان ان را در قالب ریخت و یا به ورقه تبدیل کرد. این پلاستیک خیلی سریع برای ساخت توپهای بیلیارد و هزاران محصول دیگر انتخاب شد.

برادران نیویورکی با اعمال فشار و حرارت بر ترکیب سلولز نیترات و کافور،سلولوئید را ساختند. اگرچه این پلاستیک با ایجاد تغییراتی در مواد طبیعی ساخته شده است. بیش از 40 سال بعد پلاستیکهای ساخته شدند که حالتی کاملا ترکیبی داشتند.

اختراع ماده ای با نام باکلیت

Leo Baekeland تا قبل از سال 1899 موفق شد تا کاغذهای عکاسی Velox را اختراع نماید و همین موضوع نیز وی را به فردی ثروتمند تبدیل کرد. او در خانه خود در نیویورک صاحب یک آزمایشگاه خانگی بود و به همراه دستیار خود با نام Nathaniel Thurlow بروی پروژه های مختلفی کار می کردند.

افراد یاد شده هم مانند سایر دانشمندان عصر خود به توانایی رزین های فنولی- فرمالدهیدی(فرمالدئیدی) پی برده بودند. البته این موضوع چندین دهه قبل توسط یک شیمیدان آلمانی با نام Adolf von Baeyer و شاگردش در گزارشاتی نوشته شده بود. بنا بر گزارشات وی، زمانی که فنول به عنوان یک ضدعفونی کننده معمول با فرمالدئید ترکیب میشود؛ نوعی ماده سخت و غیر محلول را تشکیل میدهد که به راحتی می تواند تجهیزات آزمایشگاهی را نابود سازد زیرا این ترکیب پس از شکل گیری نمیتواند زدوده و یا پاک شود. Kleeburg نیز تجربه ای مشابه از به کارگیری این ماده داشت و آن را یک جرم سخت و بی شکل، غیر محلول و ذوب نشدنی توصیف می کند که کاربرد چندانی هم ندارد.

یک شیمیدان آلمانی با نام Adolf Luft در سال 1902، نوعی رزین را اختراع کرد که با ایجاد تغییراتی در ترکیبات ساخته شده ی Kleeburg بدست امده بود. وی امید داشت تا این ماده بتواند از نظر تجاری با سلولوئید رقابت نماید. حداقل هفت دانشمند دیگر سعی کردند تا با استفاده از ترکیب فنول و فرمالدهید نوعی ترکیب پلاستیکی منحصر بفرد را بسازند ولی هیچ یک از آنها موفق به خلق محصولی کاربردی نشد.

از آنجایی که لکای طبیعی دچار کمبود شده بود (لکا از رزینی گرفته میشود که توسط حشره ای در آسیای شرقی ساخته میشود و برای عایق سازی کابلها ی الکتریکی در سالهای اولیه ی قرن بیستم مورد استفاده قرار میگرفت)، Baekeland و Thurlow به همراه تعداد دیگری از محققان آزمایشاتی را روی رزین های حل شدنی انجام دادند. در نهایت انها نوعی لکای فنول – فرمالدهیدی ساختند که با نام نوولاک شناخته میشد ولی نتوانست موفقیت تجاری بدست آورد. در اوایل تابستان سال 1907، Baekeland هدف اولیه خود یعنی ساخت پوشش های چوب را به مستحکم سازی چوب تغییر داد و در این روند از رزین های ترکیبی کمک گرفت.

وی در 18 ژوئن سال 1907، از دفترچه ای جدید برای ثبت نتایج تستهای آزمایشگاهی خود استفاده کرد که در آنها ترکیبات فنول و فرمالدهید برای انواعی از چوبها به کار برده شده بودند. کمی بعد وی چهار محصول مختلف را به صورت لیستی مرتب کرد و آنها را A,B,C,D نامید. ماده ی D در هیچ یک از حلالها حل نمیشود و حتی نرم هم نمی شود و من آن را باکلیت می نامم. این ماده از حرارت دهی به سه ماده دیگر یاد شده در ظروف دربسته بدست می آید. کمی پس از  آن نیز وی متوجه شد که دو ماده ,C,D در واقع یکسان هستند.

کلید اصلی برای دستیابی به ماده ی C از A یا B استفاده از ماشین هایی بود که ماده را در مراحل اولیه در برابر فشار و حرارت قرار می دادند. این دستگاه ها باکلیت ساز نام داشتند.

Baekeland برای اولین بار در8 فوریه سال 1909 در طی سخنرانی واقع در انجمن شیمی آمریکا این موضوع را اعلام نمود. وی گفت: واکنش های پیشین باعث کاهش سرعت فرایند و تولید محصولاتی کم کیفیت شده اند و سپس ادامه داد من موفق شدم تا با استفاده از میزان کمی از مواد بازی، یک ماده اولیه ی جامد و غلیظ را بسازم و خواص آن هم میتوانند تمامی فرایندهای قالب گیری را تسهیل نمایند.

وی توانست این اختراع خود را در سال 1906 ثبت نماید و به طور کلی بیش از 400 حق امتیاز مختلف در حوزه تولید و به کارگیری باکلیت را به ثبت رساند. وی تولید نیمه تجاری را در آزمایشگاه خود آغاز کرد و در سال 1910 نیز زمانی که میزان تولید روزانه به 180 لیتر رسیده بود (بیشتر به منظور ساخت عایق)، وی یک کمپانی آمریکایی را تاسیس کرد تا به تولید و گسترش این ماده صنعتی نوین بپردازد. تا سال 1930 نیز، کمپانی وی به یک کارخانه ی 128 جریب یا 50 هکتاری در نیوجرسی  مجهز شد.

باکلیت به عنوان یکی از اولین پلاستیکهای ترکیبی تولید شده، به دلیل برخورداری از خواصی مانند نارسانایی و مقاومت در برابر گرما مورد توجه قرار گرفت و پس از آن استفاده شد. این ماده تنوع بسیاری دارد و به فرمهای مختلفی به کار برده میشود و به عنوان اولین پلاستیک مصنوعی نیز شناخته میشود.

علاوه بر آن، درجات و انواع مختلفی از این ماده وجود دارد که میتوان با بهره گیری از انها محصولات صنعتی و تجاری مختلفی را به بازار عرضه نمود. علاوه بر آن ماده یاد شده را میتوان قالب گیری کرد و به همین دلیل نسبت به سلولوئید برتری دارد و حتی تولید آن نیز با هزینه های کمتری همراه است.