دانلود تحقیق پلیمر،کاربردهای آن و انقلاب صنعتی

بشر با تلاش برای دستیابی به مواد جدید, با استفاده از مواد آلی (عمدتا هیدروکربنها) موجود در طبیعت به تولید مواد مصنوعی نایل شد.

این مواد عمدتا شامل عنصر کربن , هیدروژن, اکسیژن, نیتروژن و گوگرد بوده و به نام مواد پلیمری معروف هستند.

مواد پلیمری یا مصنوعی کاربردهای وسیعی , از جمله در ساخت وسایل خانگی , اسباب بازیها, بسته بندیها , کیف و چمدان , کفش , میز و صندلی , شلنگها و لوله های انتقال أب , مواد پوششی به عنوان رنگها برای حفاظت از خوردگی و زینتی , لاستیکهای اتومبیل و بالاخره به عنوان پلیمرهای مهندسی با استحکام بالا حتی در دماهای نسبتا بالا در ساخت اجزایی از ماشین ألات, دارند.

پلیمرها خواص فیزیکی و مکانیکی نسبتا خوب و مفیدی دارند .

أنها دارای وزن مخصوص پاییین و پایداری خوب در مقابل مواد شیمیایی هستند.

بعضی از أنها شفاف بوده و می توانند جایگزین شیشه ها شوند.

اغلب پلیمرها عایق الکتریکی هستند.

اما پلیمرهای خاصی نیز وجود دارند که تا حدودی قابلیت هدایت الکتریکی دارند .
عایق بودن پلیمرها به پیوند کووالانسی موجود بین اتمها در زنجیرهای مولکولی ارتباط دارد.

اما تحقیقات انجام شده در سالهای اخیر نشان داد که امکان ایجاد خاصیت هدایت الکتریکی در امتداد محور مولکولها وجود دارد.

این نوع پلیمرها اساسا از پلی استیلن تشکیل شده اند.

با نفوذ دادن عناصری مانند فلزات قلیایی یا هالوژنها «فرایند دوپینگ) به زنجیرهای مولکولی پلی استیلن به ترتیب نیمه هادیهای پلیمری از نوع N و P به دست می أیند.
عایق بودن پلیمرها به پیوند کووالانسی موجود بین اتمها در زنجیرهای مولکولی ارتباط دارد.

با نفوذ دادن عناصری مانند فلزات قلیایی یا هالوژنها «فرایند دوپینگ) به زنجیرهای مولکولی پلی استیلن به ترتیب نیمه هادیهای پلیمری از نوع N و P به دست می أیند.

افزودن عناصر یا دوپینگ سبب می شود که الکترونها بتوانند در امتدا د اتمهای کربن در زنجیر حرکت کنند.

تفلون از مواد پلیمری است که به دلیل ضریب اصطکاک پایینی که دارد به عنوان پوشش برای جلوگیری از چسبیدن مواد غذایی در وسایل پخت و پز استفاده می شود.

ساختار پلی مرها اغلب پلیمرهای متداول از پلیمریزاسیون مولکولهای ساده آِلی به نام منومر به دست می أیند.

برای مثال پلی اتیلن (PE) پلیمری است که از پلیمریزاسیون با افزایش (ترکیب) چندین مولکول اتیلن به دست می أید.

هر مولکول اتیلن یک منومر نامیده می شود.

با ترکیب مناسبی از حرارت, فشار و کتالیزور , پیوند دوگانه بین اتمهای کربن شکسته شده و یک پیوند ساده کووالانسی جایگزین أن می شود.

اکنون دو انتهای أزاد این منومر به رادیکالهای أزاد تبدیل می شود, به طوری که هر اتم کربن یک تک الکترون دارد که می تواند به رادیکالهای آزاد دیگر افزوده شود.

از این رو در اتیلن دو محل ( مربوط به اتم کربن) وجود دارد که مولکول های دیگر می توانند در آنجا بدان ضمیمه شوند .

این مولکول با قابلیت انجام واکنش , زیر بنای پلیمرها بوده و به (مر) یا بیشتر واحد تکراری موسوم است.

واحد تکراری در طول زنجیر مولکول پلیمر به تعداد دفعات زیادی تکرارمیشود.

طول متوسط پلیمر به درجه پلیمرزاسیون یا تعداد واحدهای تکراری در زنجیر مولکول پلیمر بستگی دارد.

بنابراین نسبت جرم مولکولی پلیمر به جرم مولکولی واحد تکرای به عنوان (درجه پلیمریزاسیون) تعریف شده است .

با بزرگتر شدن زنجیر مولکولی ( در صورتی که فقط نیروهای بین مولکولی سبب اتصال مولکولها به یکدیگر شود) مقاومت حرارتی و استحکام کششی مواد پلیمری هر دو افزایش می یابند.

به طور کلی فرایند پلیمریزاسیون می تواند به صورتهای مختلفی مانند افزایشی , مرحله ای و ....

انجام گیرد.در پلیمریزاسیون افزایشی , تعدادی از واحدهای تکراری به یکدیگر اضافه شده و مولکول بزرگتری را به نام پلیمر تولید می کنند.

در این نوع پلیمریزاسیون ابتدا در مرحله اول رادیکال آزاد, با دادن انرژی (حرارتی , نوری) به مولکولهای اتیلین با پیوند دوگانه و شکست پیوند دوگانه , به وجود می آید.

سپس رادیکالهای آزاد با اضافه شدن به واحدهای تکراری مراکز فعالی به نام آغازگر شکل می گیرند و هر یک از این مراکز به واحدهای تکراری دیگر اضافه شده و رشد پلیمر ادامه می یابد .

از نظر تئوری درجه پلیمریزاسیون افزایشی می تواند نامحدود باشد, که در این صورت مولکول زنجیره ای بسیار طویلی از اتصال تعداد زیادی واحدهای تکراری به یکدیگر شکل می گیرد.

اما عملا رشد زنجیر به صورت نامحدود صورت نمی گیرد.هر چه قدر تعداد مراکز فعال یا آغازگرهای شکل گرفته بیشتر باشد , تعداد زنجیرها زیادتر و نتیجتا طول زنجیرها کوچکتر می شود و بدین دلیل است که خواص پلیمرها تغییر می کند.

البته سرعت رشد نیز در اندازه طول زنجیرها موثر است .

هنگامی که واحدهای تکراری تمام و زنجیرها به یکدیگر متصل شوند, رشد خاتمه می یابد.

از دیگر روشهای پلیمریزاسیون, پلیمریزاسیون مرحله ای است که در آن منومرها با یکدیگر واکنش شیمیایی داده و پلیمرهای خطی را به وجود می اورند.

در بسیاری از واکنشهای پلیمریزاسیون مرحله ای مولکول کوچکی به عنوان محصول فرعی شکل می گیرد .

این نوع واکنشها گاهی پلیمریزاسیون کندنزاسیونی نیز نامیده می شوند.

سنتزی به نام پلی اتیلن پلی اتیلن یا پلی اتن یکی از ساده ترین و ارزانترین پلیمرها است.

پلی اتیلن جامدی مومی و غیرفعال است.

این ماده از پلیمریزاسیون اتیلن بدست می آید و بطور خلاصه بصورت PE نشان داده می شود.

مولکول اتیلن (C2H4) دارای یک بند دو گانه C=C است در فرایند پلیمریزاسیون بند دوگانه هر یک از منومرها شکسته شده و بجای آن پیوند ساده ای بین اتم های کربن مونومرها ایجاد می شود و محصول ایجاد شده یک درشت مولکول است.

پلی اتیلن اولین بار بطور اتفاقی توسط شیمیدان آلمانی Hans von pechmanv سنتز شد.

او در سال 1898 هنگام حرارت دادن دی آزومتان ترکیب مومی شکل سفیدی را سنتز کرد که بعدها پلی اتیلن نام گرفت.

اولین روش سنتز صنعتی پلی اتیلن بطور تصادفی توسط ازیک ناوست و رینولرگیسون (از شیمیدان های ICI) در 1933 کشف شد.

این دو دانشمند با حرارت دادن مخلوط اتیلن و بنزاهید در فشار بالا ماده ای موم مانند بدست آوردند.

علت این واکنش وجود ناخالصی های اکسیژن دار در دستگاه های مورد استفاده توسعه داد و تحت فشار بالا پلی اتیلن را سنتز کرد که این روش اساسی برای تولید صنعتی LDPE در سال 1939 شد.

اتفاق مهم در سنتز پلی اتیلن کشف چندین کاتالیزور جدید بود که پلیمریزاسیون اتیلن را در دما و فشار ملایمتری نسبت به روشهای دیگر امکان پذیر می کرد.

اولین کاتالیزور کشف شده در این زمینه تری اکسید کروم بود که در 1951 توس روبرت بانکس و جان هوسن در شرکت فیلیپس تپرولیوم آنرا کشف کردند در سال 1935 کارل زیگلر شیمیدان آلمانی سیستم های کاتالیزور شامل هالیدهای تیتان و ترکیبات آلی آلومینیوم دار را توسعه داد.

این کاتالیزورها در شرایط ملایمتری نسبت به کاتالیزورهای فیلیپس قابل استفاده بودند و همچنین پلی اتیلن یک آرایش (با ساختار منظم) تولید می کردند.

سومین نوع سیستم کاتالیزوری استفاده از ترکیبات متالوسن بود که در سال 1976 در آلمان توسط والتر کامینیکی و هانس ژوژسین تولید شد.

کاتالیزورهای زیگلر و متالوسن از لحاظ کارکرد بسیار انعطاف پذیر هستند و در فرایند کوپلیمریزاسیون اتیلن با سایر اولفین ها که اساس تولید پلیمرهای مهمی مثل VLDPE و LLDPE و MDPE هستند مورد استفاده قرار می گیرند.

اخیراً کاتالیزوری از خانواده متالوین ها با قابلیت استفاده بالا برای پلیمریزاسیون پلی اتیلن به نام زیرکونوسن دی کلریدساخته شده است که امکان تولید پلیمر با ساختار بلوری (تک آرایش) بالا را می دهد.

همچنین نوع دیگری از کاتالیزورها به نام کمپلکس ایمینوفتالات با فلزات گروه ششم مورد توجه قرار گرفته است که کارکرد بالاتری نسبت به متالوسن ها نشان می دهند.

طبقه بندی اتیلن ها بر اساس دانسیته آنها صورت می گیرد.

که در مقدار دانسیته اندازه زنجیر پلیمر و نوع و تعداد شاخه های موجود در زنجیر دخالت دارد.

HDPE پلی اتیلن سنگین این پلی اتیلن دارای زنجیر پلیمری بدون شاخه است.

بنابراین نیروی بین مولکولی در زنجیره بالا و استحکام کششی آن بیشتر از بقیه پلی اتیلن ها است.

شرایط واکنش و نوع کاتالیزور مورد استفاده در تولید پلی اتیلن HDPE موثر است.

برای تولید پلی اتیلن بدون شاخه معمولاً از روش پلیمریزاسیون با کاتالیزور زیگلر ـ ناتا استفاده می شود.

LDPE پلی اتیلن سبک این پلی اتیلن دارای زنجیری شاخه دار است.

بنابراین زنجیرهای LDPE نمی توانند بخوبی با یکدیگر پیوند برقرار کنند و دارای نیروی بین مولکولی ضعیف و استحکام کششی کمتری است این نوع پلی اتیلن معمولاً با روش پلیمریزاسیون رادیکالی تولید می شود از خصوصیات این پلیمر انعطاف پذیری و امکان تجزیه بوسیله میکروارگانیهای است.

LLDPE پلی اتیلن خطی با دانسیته پایین این پلی اتیلن یک پلیمر خطی با تعدادی شاخه های کوتاه است و معمولاً از کوپلیمریزاسیون اتیلن با آلکنها بلند زنجیر ایجاد می شود.

MDPE پلی اتیلن با دانستیه متوسط است.

کاربرد پلی اتیلن کاربرد فراوانی در تولید انواع لوازم پلاستیک مورد استفاده در آشپزخانه و صنایع غذایی دارد.

از LDPE در تولید ظروف پلاستیکی سبک و همچنین کیسه های پلاستیک استفاده می شود.

LDPE در تولید ظروف شیر و مایعات و انواع وسایل پلاستیکی آشپزخانه کاربرد دارد.

در تولید لوله های پلاستیکی و اتصالات لوله کشی معمولاً از MDPE استفاده می کنند.

LLDPE بدلیل بالا بودن میزان انعطاف پذیری در تهیه انواع وسایل پلاستیکی انعطاف پذیر مانند لوله هایی با قابلیت خم شدن کاربرد دارد.

اخیرا پژوهش های فراوانی در تولید پلی اتیلن هایی با زنجیر بلند و دارای شاخه های کوتاه انجام شده است این پلی اتیلن ها در اصل HDPE با تعدادی شاخه های جانبی هستند این پلی اتیلن ها ترکیبی استحکام HDPE و انعطاف پذیری LDPE را دارد.

کاربرد پلیمر در عایق کاری ساختمان فوم‌های پلیمری فوم جسمی است که از دو فاز مختلف گاز و جامد تشکیل شده است.

در مورد فوم‌های پلیمری فاز جامد از پلیمر ساخته شده است.

در یک توده فومی دو نوع فضای خالی در بخش پلیمری می‌تواند وجود داشته باشد که آنها را سلول می‌نامند.

از این‌رو دو نوع سلول شامل باز و بسته در فوم‌ها وجود دارند.

در مورد فوم‌های سلول باز فاز گاز موجود نیز پیوسته است در حالی که در فوم‌های سلول بسته فاز گاز ناپیوسته است.

نوع سلول شدیدا خواص مکانیکی و حرارتی فوم‌های پلیمری را تغییر می‌دهد.

انواع فوم‌های پلیمری به شرح زیر است: فوم پلی‌استایرن فوم پلی‌یورتان فوم فنلیک فوم اوره فرمالدئید فوم پلی وینیل کلراید ‌ فوم پلی وینیل الکل _ فرمالدئید فوم اپوکسی فوم‌های دیگر از میان این فوم‌ها مورد یک تا پنج در عایق‌کاری ساختمانی و پانل‌های ساندویچی به کار برده شده‌اند.

شایان ذکر است که در پانل‌های ساندویچی اغلب فوم‌های سخت که سلول باز هستند به کار برده می‌شوند.

پلیمرهایی که در ساخت این فوم‌ها استفاده می‌شوند به دو دسته کلی گرمانرم و گرماساخت تقسیم می‌شوند.

فوم‌های پلی‌استایرن و PVC مثال‌های مورد اول و فوم‌های فنلیک، اوره فرمالدئید و پلی‌یورتال مثال‌های مورد دوم هستند.

از این رو بسته به نوع پلیمر به کار رفته در فوم ساخته شده نحوه تولید آن متفاوت است.

آنچه که در مورد فوم‌های مختلف اهمیت دارد نوع پلیمر و نوع گازی است که در سلول‌های آن قرار دارند.

این دو عامل ضریب هدایت حرارتی و یا توانایی یک فوم را در ایفای نقش عایق حرارتی تعیین می‌کند.

پلی‌استایرن منبسط مصالح عایق‌کاری حرارتی فوم پلی‌استایرن صلب، مصالح پلاستیک سلولی صلبی با یک ساختار عمدتا سلول بسته است که از پلی‌استایرن یا از کوپلیمرهایی که تشکیل‌دهنده اصلی آنها پلی‌استایرن است، ساخته می‌شود.

بنابر روش تولید، تمایزی بین فوم پلی‌استایرن تولید شده با انبساط دانه‌های پلی‌استایرن برای تشکیل حبه‌ها (به اختصار فوم منبسط شده EPS) که پس از آن به هم متصل می‌شود تا تخته‌ها را تشکیل دهند و فوم پلی‌استایرن فوم شده با اکسترود کردن، (به اختصار فوم اکسترود شده XPS) وجود دارد.

فوم پلی‌استایرن به طور وسیعی در عایق حرارتی به کار برده شده است.

قیمت آن پایین بوده، در دسترس بوده و به راحتی ساخته می‌شود، محکم و پایدار بوده و در برابر تخریب مقاوم است.

پلی‌استایرن اکسترود شده به صورت تخته در اندازه‌های مختلف جهت ساخت دیوار و عایق بام در دسترس است.

دانه‌های قابل انبساط پلی‌استایرن را نیز می‌توان به صورت صفحاتی برای نما در ساختمان‌سازی ساخته و به کار برد.

در مواردی که کاربرد عایق حرارتی موردنظر است مقاومت بالا لازم نبوده و پلی‌استایرن منبسط به اندازه کافی مقاومت دارد.

از آنجا که مقاومت برشی فوم PVC بالاست سطح آن برای اعمال سیمان و گچ بسیار مناسب است.

مزیت عمده فوم‌های PVC عملکرد بهتر آنها در برابر آتش نسبت به سایر فوم‌های پلیمری است.

از این‌رو این نوع پانل‌ها در کاربردهای دریایی و ساختمانی در اروپا پذیرفته شده‌اند.