مرور تاریخچه پلیمر

دسته: مقالات منتشر شده در 24 ارديبهشت 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 32

تاریخچه پلیمر

در طی بیش از یک قرن گذشته، دسته جدیدی از مواد مهندسی معروف به پلیمرها کشف و تولید شده اند که نه تنها مواد سنتی را به چالش کشیده اند؛ بلکه امکان تحقیق و توسعه محصولات جدیدی را فراهم کرده اند که به توسعۀ فعالیت های صنعتی کمک می کند. این مقاله به اختصار به بررسی تاریخچۀ مهم ترین گروه های مواد پلیمری من جمله پلاستیک، الیاف و الاستومر می پردازد.

 

پلیمرها را بایستی بعنوان پایه و اساس تولید کالاهای مهم صنعتی دانست. با توجه به کاربرد گستردۀ آنها در تولید، علاوه بر فاکتورهای اجتماعی، این مواد را به جایگزین مناسبی برای مواد سنتی (قدیمی) تبدیل کرده است. کلمه "پلیمر" برای اولین بار توسط شیمیدان سوئدی برزلیوس معرفی شد؛ برای مثال، او بنزن (C₆H₆) را بعنوان پلیمر اتیلن (C₂H₂) در نظر گرفت. بعدها، این تعریف تا حدودی تغییر کرد. علم پلیمر یک حوزۀ نسبتآ جدید است که با انواع پلاستیک، الیاف طبیعی و مصنوعی، لاستیک، روکش، چسب، درزگیر و غیره سروکار دارد. همه این موارد امروزه مصارف مختلفی دارند. مفهوم پلیمر یکی از ایده های بزرگ قرن بیستم محسوب می شود. در دهه 1920، با وجود مناقشات طولانی به جامعه علمی معرفی شد و در سال 1953، استادینگر جایزه نوبل را در علم پلیمر دریافت کرد. امروزه می توان به برخی پلیمرهای مصنوعی اشاره کرد مانند پلی استر یا نایلون که کمتر شناخته شده هستند و در حوزه های پزشکی (برای اندام ها، بخیه های جذبی و غیره) کاربرد دارند. از لحاظ اقتصادی، پلاستیک به دو گروه تقسیم شده است: پلاستیک کامودیتی (دارای حجم بالا و هزینه کم) و پلاستیک های مهندسی (دارای هزینه بالا اما حجم کمتر). پلی اتیلن (PE)، پلی پروپیلن (PP)، پلی وینیل کلرید (PVC) در گروه اول قرار دارند. پلی کربنات (PC)، پلی اتر اترکتون (PEEK)، پلی ایمید (PI) و غیره را نیز می توان در گروه دوم جای داد. همچنین خواص الیاف به طبیعی یا مصنوعی بودن آنها، نسبت ابعاد، استحکام، مدول آنها بستگی دارد. الاستومرها هم از توانایی کشش و انبساط سریع برخوردار هستند.

 

پلاستیک ها

اولین ماده پلاستیکی با پایه نیتروسلولز توسط پارکز در سال 1862 و هایت در سال 1866 تولید شد. با افزودن کافور به نیتروسلولز، اولین ترموپلاستیک (یک پلیمر طبیعی اصلاح شده) به نام سلولوئید تولید شد. در سال 1900 از این مواد برای ساخت فیلم فیلمبرداری (عکاسی) استفاده شد. در سال 1897، گالایت (گالا به معنای شیر و لیتوس به معنای سنگ) در آلمان با واکنش کازئین (پروتئین شیر) به فرمالدئید تولید شد. اولین پلیمر ترموست مصنوعی (فرمالدئید فنل (PF)) به نام باکلیت در سال 1907 توسط باکلند از طریق تراکم فنل با فرمالدئید به دست آمد. باکلیت (PF) در سال های 1910-1909 وارد چرخه تجاری شد. توسعه تجاری PF را آغاز دوران پلاستیک کاملآ مصنوعی و صنعت پلاستیک می دانند؛ اگرچه نیترات سلولز برای مدت کوتاهی مورد استفاده بود. کاربرد موفقیت آمیز رزین PF باعث کاتالیز توسعۀ دیگر محصولات پلی تراکمی با پایه فرمالدئید (F)، اوره (U) و ملامین (M) معروف به رزین های آمینه، آمینوپلاست یا آمینوپلاستیک شد. چنین پلیمرهایی برای اولین بار توسط تولنز در سال 1884 تفسیر شده و توسط جان در سال 1981 ثبت شد. آمینوپلاست ها برخلاف فنوپلاست ها را می توان نیمه شفاف یا به رنگ های روشن تولید کرد. در سال 1926، روزیتر آمینوپلاست هایی را براساس فرمالدئید و مخلوط اوره و تیواوره را تولید کرد. تولید رزین های MF در اواسط دهه 1930 آغاز شد. علاوه براین، الیس نیز در سال 1933 پلی استرهای غیراشباع (uPES) را کشف کرد و در حدود سال 1942 تجاری شد. این محصولات پلی تراکمی بعنوان آلکیدها شناخته می شوند که از الکل (آلک) و اسید (یید) مشتق شده و در وهله اول، بعنوان روکش استفاده می شوند. از همان خانواده، روکش های گلیسروفتالیک (گلیپتال) شامل گلیسرول و انیدرید فتالیک می شود. وجودِ وینیل کلرید (VC) در سال 1835 توسط لیبگ و رگنالت گزارش شد اما در آن زمان خواص آن برای پلیمریزاسیون کاملآ کشف نشد.

 

تأثیر نور خورشید بر VC بعدها توسط باومن در سال 1878 مطرح شد و مشاهده شد که در اثر تابش نور خورشید، یک ماده سفید رنگ تشکیل شد. پس از آن در سال های 1916-1912، کلاته اساس پلیمریزاسیون VC-فتو را کشف کرد. در سال 1926 نیز لنسکی فیلم منعطف ساخته شده از محلول حاوی PVC و یک نرم کننده را به ثبت رساند. همچنین مشخص شد که PVC با گرم شدن در مایع با نقطه جوش بالا، به ماده ای انعطاف پذیر شبیه به لاستیک یا چرم تبدیل می شود. این اکتشاف منجر به استفاده از استرهای فتالات بعنوان نرم کننده در PVC شد. تولید صنعتی PVC با شروع جنگ جهانی دوم با استفاده از امولسیون و فناوری تعلیق آغاز شد. در دوران جنگ، کمبود شدید لاستیک باعث تسریع در پیشرفت این منطقه، بویژه در عایق سازی و پوشش کابل های برق شد. پس از جنگ، تحولات اساسآ مربوط به PVC نرم با استفاده از تکنیک های اکستروژن، کلندرینگ و پلاستیزول بود. پلیمریزاسیون پر فشار اتیلن تصادفی در سال 1933 توسط گیبسون و فاوست کشف شد. استایرن (S) هم در سال 1831 توسط بوناستر با تقطیر استوراکس به دست آمد؛ همچنین، سیمون در سال 1839 آن را مورد بررسی قرار داده و مشاهده کرد که پس از چند ماه نگهداری، مایع به جامد تبدیل شد (که او به اشتباه تصور می کرد اکسید است). در سال 1845، بلیت و هافمن با حرارت دادن استایرن، حتی بدون اکسیژن، جامد مشابهی به دست آوردند که آن را متاستایرن نامیدند. کاربردهای عملی پلی استایرن (PS) نیز توسط کرونشتاین و متیو به ترتیب در سال های 1902 و 1911 مورد بررسی قرار گرفتند؛ اما متیو پلیمریزاسیون حرارتی و کاتالیزوری استایرن را برای تولید ماده ای مطالعه کرد که می تواند جایگزین سلولوئید، شیشه و لاستیک سخت شود. استرومیسلنسکی (بین سال های 1925-1911) و استادینگر (بین سال های 1935-1929) پلیمریزاسیون استایرن را مطالعه کردند. از دهه 1930، مونومر در کوپلیمرهایی با خواص الاستومری استفاده شد. توسعه تجاری این مواد در مقیاس گسترده به سال 1935 بر می گردد. تولید نمونه های مقاوم تر از سال 1948 شروع شد و پلی استایرن ایزوتاکتیک توسط ناتا در سال 1955 کشف شد. از استایرن برای کوپلیمرها و ترپلیمرهای مهم مانند استایرن اکریلونیتریل (SAN)، استایرن-دیویل بنزین (S-DVB)، استایرن-مالئیک انیدرید، اکریلونیتریل-بوتادین-استایرن (ABS) و غیره استفاده می شود.

 

پلیمرها ابتدا توسط شیمیدان ها در حوزۀ شیمی مورد بررسی و مطالعه قرار گرفتند اما امروزه، به شدت بعنوان پلاستیک، الیاف و الاستومر در حوزه مهندسی نیز برای طراحی، ساخت و آزمایش محصولات مرتبط هستند. در دهه اخیر، نیازهای صنعت پلیمر رو به افزایش بوده و ضرورت توسعه و معرفی محصولات جدید به بازار احساس می شود. پلاستیک در توسعۀ این دسته از مواد مهندسی در قرن گذشته پیشرو است که پس از آن، الیاف و الاستورها قرار دارند.