نقش‌آفرینی مواد ترکیبی در زندگی آینده

پلیمر شاخه‌‌ای از شیمی آلی و یکی از علوم جوانی است که نخستین‌بار در فاصله زمانی بین جنگ جهانی اول و دوم شناخته شد و پس از آن توانست بسرعت مسیر رشد و توسعه را بپیماید، به طوری‌که امروزه کاربرد تامین مواد اولیه مورد نیاز برای این صنعت محدودیتی ندارد، بنابراین می‌توان امیدوار بود که توسعه صنعت پلیمر در کشور بتواند بسیاری از مشکلات و موانع موجود را از میان بردارد.

در گذشته‌ای نه‌چندان دور انسان با تلاش برای دستیابی به مواد جدید و با استفاده از موادآلی موجود در طبیعت موفق به تولید مواد مصنوعی شد که این عموما از جنس کربن، هیدروژن، اکسیژن، گوگرد و نیتروژن بوده و به مواد پلیمری معروف هستند.

از مواد پلیمری مصنوعی نه‌تنها در ساخت لوازم خانگی، اسباب‌بازی، بسته‌بندی، تولید کیف و کفش، میز و صندلی و حتی لوله‌های انتقال آب استفاده می‌شود، بلکه می‌توان از آن برای ساخت مواد پوششی و به عنوان رنگ برای محافظت از خوردگی و تولید لاستیک اتومبیل نیز استفاده کرد. این در حالی است که استفاده از پلیمرهای پیشرفته مهندسی با استحکام بالا و مقاومت در برابر دما‌های نسبتا بالا در ساخت اجزای ماشین‌آلات نیز از نتایج بسیار خوبی برخوردار بوده است. به طور کلی، پلیمرها ترکیباتی‌اند که از خواص مکانیکی و فیزیکی بسیار خوب و منحصر به فردی برخوردارند. بیشتر ترکیبات پلیمری دارای وزن مخصوص پایین هستند و پایداری خوبی در مقابل مواد شیمیایی دارند. بعضی از انواع پلیمرها شفاف هستند و حتی می‌‌توانند جایگزین شیشه شوند. مدت‌ها پیش از این که انسان موفق‌ به تولید پلیمرهای سنتزی شود، پلیمرهایی مانند سلولز در طبیعت ساخته شده بود. سلولز جزء اصلی تشکیل‌دهنده الیاف چوب پنبه است.

پروتئین، کائوچو و برخی رزین‌ها نیز از این دسته پلیمرها هستند. جالب است بدانید که بدن ما نیز از پلیمرهای زیادی ساخته شده است. ماهیچه‌ها، پروتئین‌ها، ژن‌ها و کرموزوم‌ همه ‌نوعی پلیمر هستند.

روکش کابل‌های برق، چسب، دریچه‌های مصنوعی قلب، تاندون‌های مصنوعی، کامپوزیت‌هایی که در پر کردن دندان‌ها از آنها استفاده می‌شود و حتی دندان‌های مصنوعی و سرنگ‌های یک بار مصرف نیز همگی نوعی پلیمر هستند. با توجه به ‌آنچه گفته شد،‌ می‌توان دریافت که محصولات پلیمری در مقایسه با کل موادی که در دنیا مورد استفاده قرار گرفته‌اند، کاربرد بیشتری دارند. به عبارت دیگر، نه‌تنها پلیمرها توانسته‌اند به عنوان یکی از انواع مختلف مواد در زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار گیرند، بلکه در بسیاری زمینه‌ها نیز از مواد غیرپلیمری پیشی گرفته و جایگزین آنها شده‌اند.

مجموعه‌ای از واحدهای تکرارشونده در کنار هم

به گفته مهندس سعید زکایی دانش‌آموخته مقطع کارشناسی ارشد مهندسی مواد از دانشگاه صنعتی شریف و مجری طرح تحقیقاتی طراحی و ساخت پلیمرهای پیشرفته مهندسی در کشور، یکی از مهم‌ترین ویژگی‌‌های علم پلیمر این است که در مقایسه با دیگر شاخه‌های شیمی آلی از رشد بیشتری برخوردار بوده است. ریزملکول‌ها معمولا وزن ملکولی کمی دارند و وزن آنها از 50 تا 250 است، اما در ماکروملکول‌ها یا پلیمرها هیچ محدودیتی برای وزن ملکولی وجود ندارد و در ملکول‌های سه‌بعدی وزن ملکولی آنها به بیش از چندین هزار می‌رسد. به طور کلی، پلیمرها ترکیباتی هستند که از تعداد زیادی واحدهای تکرارشونده ساخته شده‌اند. در سال‌های اخیر مقاومت در برابر آسیب‌های سطحی نظیر خراشیدگی در پلیمرها موضوعی است که تحقیقات بسیاری درباره آن انجام شده است. آسیب‌های سطحی مکانیکی نه‌تنها سبب افت کیفیت ظاهری قطعات می‌شوند، بلکه استحکام مکانیکی مواد پلیمری را نیز کاهش می‌دهند. بنابراین بهبود این ویژگی در خصوص قطعات پلیمری که در معرض دید هستند بسیار اهمیت خواهد داشت. از این ترکیبات در ساخت بسیاری از قطعات داخلی و خارجی خودرو و همچنین بدنه لوازم خانگی استفاده می‌شود. برای افزایش مقاومت سطحی و خراش‌پذیری مواد پلیمری از افزودنی‌های گوناگون استفاده می‌شود. جنس، شکل، اندازه، درصد حجمی و همچنین ویژگی‌های شیمیایی سطح این افزودنی‌ نقش بسیار مهمی در میزان بهبود خراش‌پذیری ترکیبات پلیمری خواهد داشت.

براساس تحقیقات انجام شده، استفاده از پرکننده‌های معدنی می‌تواند از تاثیرات مطلوب و همچنین نامطلوبی بر مقاومت به خراش پلی‌پروپیلن داشته باشد و در نتیجه لازم است درباره انواع افزودنی‌هایی که مورد استفاده قرار می‌گیرند، تحقیقات بسیاری انجام شود. نانوکامپوزیت‌های پلیمری نیز گروهی از کامپوزیت‌ها هستند که حداقل یکی از اجزای تشکیل‌دهنده آنها در مقیاس نانومتر باشد.

در تولید نانوکامپوزیت‌های پلیمری از افزودنی‌های‌ مختلفی مانند ذرات نانومتری تک‌بعدی، لوله‌های نانومتری کربن و همچنین ذرات نانومتری سه‌بعدی کربنات کلسیم و سیلیس استفاده می‌شود. خواص منحصر به فرد نانوکامپوزیت‌های پلیمری کاربردهای صنعتی گوناگونی را برای این دسته از مواد ایجاد کرده است. این نانوکامپوزیت‌ها در ساخت گلگیر و پنل‌های داخلی و خارجی خودرو، پروفیل‌های ساختمانی، ظروف بسته‌بندی مواد غذایی و وسایل الکتریکی کاربرد دارند. تحقیقات نشان داده است کنترل ریزساختار در قیاس نانو بسیار حساس و به مراتب دشوارتر از کامپوزیت‌های سنتی خواهد بود. یکی از عوامل مهم در تولید این گروه از پلیمرها، ایجاد نحوه توزیع مناسب و بهینه ذرات نانومتری، ایجاد مورفولوژی و جهت‌گیری مناسب ذرات و همچنین کنترل چسبندگی ذرات به ماده زمینه است.

ایده افزودن همزمان دو فاز مختلف از مواد به زمینه پلیمری با هدف به دست آوردن اثر افزودن هریک از آنها به طور همزمان مورد توجه قرار گرفته است. به این نوع ترکیبات در اصطلاح کامپوزیت‌های هیبریدی گفته می‌شود. در این ترکیبات که استفاده از آنها در صنعت حمل و نقل و کالاهای صنعتی رو به افزایش است، می‌توان همزمان از استحکام تسلیم مناسب و استقامت کافی برخوردار بود. در کامپوزیت‌های هیبریدی انتخاب نوع، نسبت ترکیب و درصد کل دو فاز برای به دست آوردن خواص مورد نظر بسیار مهم و در عین حال پیچیده است. همچنین ریزساختار نیز اثر بسیار قابل توجهی بر خواص نهایی کامپوزیت خواهد داشت.

ساخت آلیاژهای پلیمری نیز روش مفیدی برای تولید مواد جدید با خواص بهبودیافته است. تولید این ترکیبات از پلیمرها در مقایسه با سنتز پلیمرهای جدید روشی سریع‌تر و اقتصادی‌تر برای به دست آوردن خواص مطلوب است. در این میان پلی‌پروپیلن به عنوان یک پلیمر پرمصرف، قابلیت آلیاژسازی با بسیاری از انواع مختلف پلیمرها را دارد. ایجاد طیف وسیعی از خواص مکانیکی و فیزیکی در آلیاژهای پلی‌پروپیلن موجب گسترده شدن کاربرد این ترکیبات در صنایع مختلف ازجمله صنعت خودرو، لوازم خانگی و وسایل الکتریکی شده است. یکی از عوامل بسیار تاثیرگذار بر خواص آلیاژهای پلیمری، ویژگی‌های ساختاری آن است. با بهبود این ویژگی‌ها می‌توان مجموعه‌ای از خواص را ارتقا داد و این در حالی است که یک مورفولوژی نامناسب نه‌تنها موجب بهبود خواص نخواهد شد، بلکه افت خواص را به همراه خواهد داشت.

بهبود خواص مواد به کمک خانواده کامپوزیت‌ها

به گفته زکایی، تالک یکی از پرمصرف‌ترین و قدیمی‌ترین پرکننده‌های مورد استفاده در پلی‌پروپیلن است. با افزودن تالک علاوه بر کاهش هزینه، صلبیت و در برخی موارد استحکام تسلیم و همچنین نقطه نرمی حرارتی و مقاومت به اشتعال نیز بهبود پیدا می‌کند. پلی‌پروپیلن قابلیت پذیرفتن تالک در مقادیر نسبتا زیاد را دارد. این ترکیبات در صنایع مختلف از قبیل صنعت خودروسازی، ساخت لوازم خانگی عمومی و ساختمانی و عمرانی کاربرد فراوانی دارند.

با افزایش مقدار تالک در زمینه صلبیت به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد. برخی از انواع تالک دارای ذراتی به شکل پولک هستند.

در این موارد به هنگام تزریق همواره سطح پولک‌های تالک موازی با دیواره قالب تزریق قرار می‌گیرد. جهت‌گیری ذرات تالک به این صورت، علاوه بر ایجاد تفاوت در خواص مکانیکی، سبب ایجاد جهت‌گیری کریستالی خاص پلی‌پروپیلن می‌شود.

الیاف کوتاه شیشه نیز یکی از تقویت‌کننده‌های متداول در صنعت پلیمر هستند. این الیاف با هدف افزایش الاسیسیته و تنش تسلیم به انواع پلیمرها افزوده می‌شوند. استفاده از الیاف کوتاه شیشه در زمینه پلی‌پروپیلن علاوه بر ارتقای خواص مذکور می‌تواند مقاومت حرارتی و همچنین سختی پلیمر را افزایش دهد.

کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف کوتاه شیشه در صنایع مختلف از جمله صنعت لوله، خودرو و لوازم خانگی کاربرد دارند. از طریق کنترل مقدار الیاف شیشه و همچنین ویژگی‌های شیمیایی سطح الیاف می‌توان طیف وسیعی از خواص مکانیکی را در کامپوزیت‌ها ایجاد کرد. براساس نتایج به دست آمده از تفسیر عکس میکروسکوپ الکترونی روشی از سطح شکست، انرژی تلف‌شده به هنگام شکست و یا بیرون کشیده شدن الیاف کوتاه شیشه تاثیر قابل توجهی بر میزان استحکام کامپوزیت دارد. بررسی‌های انجام شده حاکی از آن است که امروزه استفاده از مواد ارگانیک همچون organoclay به عنوان تقویت‌کننده در ساخت نانو کامپوزیت‌های زمینه پلیمری به صورت فرآیندی رو به افزایش است.

اگرچه عمر صنعتی این نوع نانوکامپوزیت به 2 دهه نمی‌رسد، اما خواص فیزیکی و مکانیکی بسیار مناسب این نانوکامپوزیت‌گوی سبقت را از بسیاری کامپوزیت‌های سنتی در صنایع مختلف از قبیل خودروسازی، لوازم‌خانگی، کالاهای الکتریکی و لوازم ورزشی ربوده است.

همچنین از این نوع نانوکامپوزیت در ساخت پشتی صندلی خودرو، دریچه هواکش خودرو و همچنین بست‌های آبیاری نیز استفاده می‌شود. باید خاطرنشان کرد که قدرت مانور در طراحی و فرآیند این نوع نانوکامپوزیت از سوی محققان داخلی، قابلیت دستیابی به محدوده بزرگی از خواص مخصوصی را برای این خانواده از کامپوزیت‌ها فراهم کرده است. توزیع مناسب تقویت‌کننده نانومتری می‌تواند ارتقای قابل توجه خواص مکانیکی نظیر استحکام کششی، قابلیت ممانعت‌کنندگی، مقاومت به حلال و همچنین ناپایداری حرارتی و مقاومت به اشتعال را به همراه داشته باشد.

ترکیبات پلیمری از گذشته‌های دورتا به امروز

انسان‌ها از گذشته‌های خیلی دور با پلیمرها مانوس بوده‌اند. استفاده از گوشت و سبزی برای تغذیه، چوب و نی برای ساخت مسکن و سرپناه، چرم و پنبه برای تهیه لباس و همچنین استفاده از کاغذ برای ایجاد ارتباط از ساده‌ترین و ابتدایی‌ترین زمینه‌های کاربرد مواد پلیمری در زندگی روزمره هستند.

جالب است بدانید که بیش از 5 هزار سال پیش یعنی در دوران باستان، سومری‌ها از آسفالت برای پوشش کف پیاده‌روها استفاده می‌کردند. در ابتدای قرن 17 میلادی استفاده از ترشحات پلیمری کرم ابریشم مورد توجه قرار گرفت و به این ترتیب از سال 1839 میلادی دوره‌ای موسوم به عصر جدید آغاز شد. از آن زمان تاکنون پلیمرهای مختلفی به صورت الیاف و یا به اشکال دیگر تهیه شده و مورد استفاده قرار گرفته‌‌اند. اگرچه ما انسان‌ها همچنان در زندگی خود از پلیمرهای ابتدایی و اولیه استفاده می‌کنیم، اما تحقیقات بسیاری نیز در زمینه تولید مواد پلیمری جدید انجام شده که بدون تردید تاثیر قابل توجهی بر فراگیر شدن کاربرد مواد پلیمری در زمینه‌های مختلف داشته است.

فرانک فراهانی‌جم