انواع واکنش های بسپارشی کدامند؟(بخش دوم)
حوزه پلیمر ها بسیار گسترده می باشد و این مواد دارای دسته بندی بسیار متنوعی هستند بنابراین بسیار مهم است که با نحوه ساخت و همچنین کاربری این مواد آشنا شویم. از آن جایی که بیش از ۶۰ هزار نوع پلاستیک متفاوت وجود دارد که در بازار دیده می شوند، کسب اطلاعات در خصوص این حوزه مهم می تواند باعث شود تا ما به میزان بسیار بیشتری به این مواد ارزش دهیم. شرکت ها سالانه بیش از ۳۰ میلیون تن از مواد پلاستیکی را تولید می کنند و مقادیر بسیار بالایی را برای تحقیق، توسعه و همچنین ایجاد روش های بازیافتی این مواد هزینه می‌کنند. نوعی واکنش شیمیایی که در آن مولکول هایی با وزن مولکولی بسیار بالا از مونومر ساخته می شود با نام بسپارش یا پلیمریزاسیون شناخته می شود. بسپارش دارای دو نوع عمده می باشد که با نام های زنجیره ای و همچنین مرحله ای یاد می شود. در مقاله قبلی به انواع بسپارش های زنجیره پرداخته ایم و در این قسمت نیز به سایرمتدهای پلیمریزاسیونی موجود اشاره می کنیم.
بسپارش دی ان ها
هر یک از مونومرهای تشکیل دهنده پلیمرهایی مانند اتیلن، وینیل کلراید، پروپیلن و استایرن همگی دارای یک پیوند دوتایی می باشند. دسته دیگر این مونومرها آنهایی هستند که شامل دو پیوند دو تایی بوده که توسط یک پیوند تکی از یکدیگر جدا می‌شوند و به آنها مونومرهای دی ان گفته می شود. مهمترین آنها عبارتند از بوتادین، ایزوپرین و کلروپرین. زمانی که مونومرهای قرار گرفته در این دسته دچار بسپارش می‌شوند تعدادی از واحدهای تکراری متفاوتی به وجود می آید. به عنوان مثال ایزوپرین ۴ واحد متمایز را تولید می‌کند که در این شکل نشان داده شده است:
در صورتی که در فرایند شیمیایی رادیکال‌های آزاد نیز وجود داشته باشد پلیمرهای trans-1,4 به مقدار بسیار بیشتری دیده می شوند و این در حالی است که سایر تفاوت های ساختاری به مقدار بسیار کمتری در زنجیره های پلیمری وجود دارد. البته در صورتی که هر یک از آغازگر های یونی و یا آلی فلزی به درستی انتخاب شوند، هر کدام از واحدهای تکراری موجود در شکل می‌تواند به صورت منحصر به فردی ایجاد شوند. بسپارش آنیونی ایزوپرین در دمای پایین می تواند باعث تولید پلیمر cis-1,4 شود. اگر فرض کنیم لاستیک Hevea به عنوان پرکاربردترین نوع لاستیک طبیعی شامل پلی ایزو پرین cis-1,4 موجود باشد این امکان وجود خواهد داشت که از طریق بسپارش آنیونی به لاستیک ایزوپرین ترکیبی دست پیدا کرد که می‌تواند مشابه با لاستیک طبیعی باشد. هم بسپارهای بلوکی استایرن و بوتادین و ایزوپرین با بسپارش آنیونی تولید می‌شوند و هم بسپارهای استایرن و بوتادین که معمولاً با نام لاستیک استایرن بوتادین و یا به صورت اختصاری SBR شناخته می‌شوند، با استفاده از روش‌های بسپارشی رادیکال آزاد و آنیونی می توانند ساخته شود. همبسپارهای اکریلونیتریل بوتادین یا لاستیک نیتریل که با علامت اختصاری NR شناخته میشود و لاستیک نئوپرین هم با استفاده از بسپارش رادیکالی ساخته می شوند.
معمولاً در مصارف صنعتی پلیمرهای دی ان به صورت متنوعی به پلیمرهای شبکه ای الاستومری ترموستینگ تبدیل می‌شوند و این کار نیز از طریق فرایندی با نام شبکه سازی و یا ولکانش صورت می گیرد. رایج ترین روش موجود به منظور شبکه سازی، اضافه نمودن سولفور به پلیمر گرم می باشد که در واقع فرآیندی است که توسط Charles Goodyear آمریکایی در سال ۱۸۳۹ کشف شد. تعداد نسبتاً کم شبکه های موجود باعث میشود تا خواص ارتجاعی برای پلیمر به وجود آید و به همین دلیل مولکول ها این امکان را دارند که کشیده شوند اما شبکه ها باعث می شوند تا امکان جریان یافتن مولکول ها به یکدیگر وجود نداشته باشد.
بسپارش مرحله ای چگونه صورت میگیرد؟
بسپارش مرحله‌ای معمولاً در بین مونومرهایی رخ می دهد که شامل گروههای وظیفه ای می باشند و به مقدار بسیار فراوانی واکنش می‌دهند تا انواعی از عاملیت یا کارکرد را ایجاد نمایند. نمونه‌ای از این گروههای وظیفه ای عبارتند از کربوکسیلیک اسیدها که با الکل واکنش می دهند تا استرها را تولید کرده و با آمینها واکنش می‌دهند تا آمید را به وجود آورند:
در این شکل R و R′ نشان دهنده دو گروه مولکولی ارگانیک متفاوت می باشند. زمانی که مونومرهای حاوی دو مورد از یک گروه وظیفه ای با مونومر های حاوی دو مورد از سایر گروههای وظیفه ای واکنش می‌دهند پلیمرهای خطی تولید می شوند. یکی از مواردی که از نظر تجاری دارای اهمیت بسیار زیادی میباشد واکنش بین ترفتالیک اسید ودی الکل اتیلن گلیکول بوده که باعث تولید پلی اتیلن ترفتالات می شود (نوعی پلی استر). مثالی دیگر واکنش بین آدیپیک اسید با هگزا متیلن دیامین ۱,۶ است که منجر به تولید پلی هگزا متیلن آدی پامید خواهد شد که نایلون ۶,۶ هم نامیده می شود. تمام واکنش های مرحله ای که در این قسمت به آنها اشاره شد نوعی محصول جانبی مانند آب را تولید می کند. اما سایر واکنش ها ممکن است محصولات جانبی متفاوتی داشته باشند مانند هیدروکلریک اسید. از آنجایی که در این مواد هرترکیبی در طی فرایندهای بسپارشی از بین می‌رود، واکنش آنها معمولاً با نام واکنش های تراکمی شناخته می شود. البته تمام واکنش های مرحله ای در دسته واکنش های تراکمی قرار نمی گیرند ولی تعدادی از آنها می‌تواند محصولات جانبی متعددی را تولید کنند. مثالی از این مورد واکنش بین بنزین دی ایزوسیانات ۱,۴ و اتیلن گلیکول است که منجر به تولید پلی اورتان میشود. پلیمرهایی که حاوی بیش از دو گروه وظیفه ای میباشند پلیمرهای شبکه ای را ایجاد می کنند.
بسپارش صنعتی
واکنشهای بسپارشی اضافی که پیش از این توضیح داده شده‌اند معمولاً با آزادسازی مقدار بسیار زیادی گرما صورت می گیرند. آزادسازی گرما نمی‌تواند به مشکلات جدی در واکنش های آزمایشگاهی در مقیاس کوچک تبدیل شود اما در مقیاس بزرگ می‌تواند بسیار خطرناک باشد زیرا گرما باعث افزایش نرخ واکنش‌پذیری خواهد شد و در نهایت واکنش پذیری سریعتر خود گرمای بیشتری تولید می‌کند. این رخداد که با نام سرعت دهی خودکار شناخته می شود می تواند باعث شود تا واکنش های بسپارشی سرعتی در حد حالت انفجاری پیدا کنند. بسپارش های تراکمی از طرف دیگر گرماگیر میباشند و در واقع انجام چنین واکنش هایی به مقدار بسیار بالایی از گرما از منابع خارجی نیاز دارد. در این موارد واکنشگر باید حرارت بسیار زیادی تولید کند تا بتواند واکنش را با سرعتی مناسب ادامه دهد. علاوه بر آن طراحی واکنشگر باید به گونه‌ای باشد که زدودن و یا بازیافت محلولها و کاتالیزور ها را نیز مدنظر قرار دهد. در حوزه واکنش های تراکمی نیز واکنشگر باید بتواند محصولات جانبی فرار را به خوبی از فرایند بزاید. بسپارش در سطوح صنعتی معمولا از طریق پنج متد پایه و اساسی صورت می گیرد: توده ای، محلول، تعلیقی، امولسیونی و فاز گازی.
بسپارش توده ای چگونه صورت میگیرد؟
بسپارش توده ای بدون حضور هرگونه محلول و یا ماده پراکنده ساز انجام شده و بنابراین ساده ترین نوع فرمولاسیون را دارد. در اغلب موارد این نوع از بسپارش برای پلیمر های مرحله ای استفاده می شود ولی تعداد زیادی از پلیمرهای زنجیره‌ای نیز توسط این روش بسپارش می شوند. در واکنش های زنجیره ای که معمولاً گرمازا می باشند ممکن است مقدار گرمای آزاد شده باعث شود تا واکنش حالتی غیر قابل کنترل پیدا کند و این درحالی است که معمولاً از سیستم های خنک کننده اثربخش در ظروف واکنش استفاده میشود. علاوه بر آن برانگیخته سازی بسپارش های توده‌ای نیز با دشواری هایی همراه است زیرا چسبندگی بسیار زیاد در این روش وجود دارد که ناشی از استفاده از پلیمرهایی با وزن مولکولی بالا است.
بسپارش محلول چگونه صورت میگیرد؟
قرارگیری واکنشهای بسپارشی در یک محلول، راهی بسیار موثر به منظور پراکنده سازی گرما می باشد و علاوه بر آن محلول ها را در مقایسه با بسپارش های توده ای با سادگی بسیار بیشتری می توان بر انگیخته ساخت. اگرچه محلولها باید با دقت انتخاب شوند تا دچار واکنشهای انتقال زنجیره‌ای با پلیمر نشوند. از آنجایی که جداسازی محلول از پلیمر چسبنده ی نهایی می تواند دشوار باشد، بسپارش های محلول معمولاً از انواعی از پلیمرها استفاده می‌کنند که به صورت تجاری به فرم محلول مورد استفاده قرار می گیرند مانند انواع ویژه‌ای از چسب ها و پوشش های سطحی. بسپارش مونومرهای گازی نیز با استفاده از محلولها انجام می گیرد.
بسپارش تعلیقی چگونه صورت میگیرد؟
در بسپارش تعلیقی مونومرها در یک مایع مانند آب با ایجاد برانگیختگی لازم پراکنده می‌شوند و سپس پایدار سازهایی همانند متیل سلولز به انها اضافه میشود. در مرحله بعد آغازگر محلول در مونومر اضافه می شود تا بسپارش زنجیره‌ای را آغاز نماید. گرمای واکنشی به صورت مناسبی در محیط آبی پخش می شود. در نهایت پلیمری به صورت ذرات ریز تولید می شود که می تواند خشک شود و مستقیماً بسته بندی شود.
بسپارش امولسیونی چگونه صورت میگیرد؟
یکی از پرکاربردترین روش های موجود برای تولید پلیمرهای وینیل استفاده از بسپارش امولسیونی است که شامل شکل گیری یک امولسیون پایدار و یا لاتکس یک مونومر در آب است و در این فرآیند از صابون و یا مواد شوینده به عنوان عامل امولسیون ساز استفاده می شود. آغازگرهای رادیکال‌های آزاد که در فاز آبی کاملاً حل می شوند وارد قطرات مونومرهای پایدار می شوند تا بسپارش را آغاز کنند. تا زمانی که رادیکال دوم در داخل این مونومرها پراکنده شود، واکنش به اتمام نمیرسد و در نهایت نیز وزن بسیار بالای مولکولی به وجود خواهد آمد. گرمای واکنش نیز به صورت موثری در فاز ابی پخش می شود. این روش در مقایسه با سایر روش‌های بسپارشی دارای معایبی نیز میباشد مثلا فرمول سازی ترکیب مورد نظر بسیار پیچیده می باشد و همچنین خالص سازی پلیمر پس از انعقاد دشوار است.
بسپارش فاز گازی چگونه صورت میگیرد؟
این نوع از بسپارش برای مونومرهای گازی همانند اتیلن تترا فلورو اتیلن و وینیل کلراید استفاده می شود. اما مونومر در داخل ظرف واکنشی تحت فشار زیاد قرار میگیرد و در این واکنش از آغازگرهای بسپارشی نیز بهره گرفته می شود. زمانی که واکنش آغاز می شود مولکولهای مونومری در زنجیره پلیمری در حال رشد پخش می شوند و در نهایت یک ریز دانه ی جامد به وجود خواهد آمد.
