پلیمریزاسیون چیست و انواع فرایندهای آن
پلیمریزاسیون فرآیندی شیمیایی است که در آن مولکول های کوچک و تکرارشونده ای به نام مونومر به یکدیگر متصل شده و زنجیره های بلند یا شبکه های سه بعدی به نام پلیمر را تشکیل می دهند. این واکنش در حضور عواملی مانند گرما، فشار و کاتالیزورها انجام می شود و به دو روش اصلی افزایشی و تراکمی صورت می گیرد.
در پلیمریزاسیون افزایشی، مونومرها بدون از دست دادن هیچ اتمی به یکدیگر اضافه می شوند، مانند تولید پلی اتیلن از اتیلن. در مقابل، در پلیمریزاسیون تراکمی، با اتصال هر دو مونومر، مولکول کوچکی مانند آب حذف می شود، نظیر فرآیند تولید نایلون.
این فرآیند اساس تولید طیف گسترده ای از مواد پلاستیکی، الیاف مصنوعی و لاستیک ها است که در زندگی روزمره کاربرد فراوانی دارند.
آشنایی با انواع فرآیندهای پلیمریزاسیون
پلیمریزاسیون، فرآیندی که در آن مولکول های کوچک (مونومرها) به یکدیگر متصل شده و زنجیره های غول پیکر (پلیمر) را می سازند، اساس تولید دنیای متنوع پلاستیک ها، الیاف و الاستومرها است.
این فرآیندها بر اساس مکانیسم واکنش و نحوه رشد زنجیره پلیمری به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:
- پلیمریزاسیون زنجیره ای
- پلیمریزاسیون مرحله ای
علاوه بر این، تکنیک های مختلفی برای اجرای این واکنش ها در محیط های گوناگون وجود دارد.
-
پلیمریزاسیون زنجیره ای (Chain-Growth Polymerization)
در این نوع پلیمریزاسیون، یک مرکز فعال (مانند رادیکال آزاد یا یون) ایجاد می شود که به سرعت به تعداد زیادی از مولکول های مونومر اضافه شده و زنجیره پلیمری را در مدت زمان کوتاهی به وجود می آورد.
در هر لحظه از واکنش، سیستم شامل مونومرهای واکنش نکرده، زنجیره های پلیمری کاملاً رشد کرده و مقدار بسیار کمی از زنجیره های در حال رشد است. این فرآیند خود به سه مرحله اصلی تقسیم می شود:
آغاز (Initiation): تولید مرکز فعال توسط یک آغازگر.
انتشار (Propagation): رشد سریع زنجیره با اضافه شدن پی درپی مونومرها به مرکز فعال.
پایان (Termination): از بین رفتن مرکز فعال و توقف رشد زنجیره.
پلیمریزاسیون زنجیره ای بر اساس ماهیت مرکز فعال به سه دسته اصلی تقسیم می شود:
الف) پلیمریزاسیون رادیکالی آزاد (Free Radical Polymerization)
این روش متداول ترین نوع پلیمریزاسیون زنجیره ای است. مرکز فعال در این فرآیند یک رادیکال آزاد (اتم یا مولکولی با الکترون جفت نشده) است که معمولا از تجزیه یک آغازگر (مانند بنزوئیل پراکسید) تحت حرارت یا تابش نور UV به وجود می آید.
مکانیسم: رادیکال آزاد به پیوند دوگانه یک مونومر وینیلی حمله کرده، آن را باز می کند و یک رادیکال جدید در انتهای زنجیره ایجاد می کند که می تواند به مونومر بعدی متصل شود.
مثال ها: تولید پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پلی وینیل کلراید، پلی استایرن و پلی متیل متاکریلات
ب) پلیمریزاسیون یونی (Ionic Polymerization)
در این روش، مرکز فعال یک یون است. این نوع پلیمریزاسیون به دلیل حساسیت بالا به ناخالصی ها، نیاز به شرایط واکنش کنترل شده تری دارد اما امکان کنترل بهتر بر ساختار پلیمر را فراهم می کند.
پلیمریزاسیون کاتیونی (Cationic Polymerization): مرکز فعال یک کاتیون (یون با بار مثبت) است. این روش برای مونومرهایی که دارای گروه های الکترون دهنده هستند مناسب است، زیرا این گروه ها می توانند کربوکاتیون در حال رشد را پایدار کنند.
مثال: تولید پلی ایزوبوتیلن (ماده اصلی در ساخت لاستیک بوتیل).
پلیمریزاسیون آنیونی (Anionic Polymerization): مرکز فعال یک آنیون (یون با بار منفی) است. این فرآیند برای مونومرهایی با گروه های الکترون کشنده مناسب است. یکی از ویژگی های مهم پلیمریزاسیون آنیونی، امکان ایجاد پلیمریزاسیون زنده (Living Polymerization) است.
در این حالت، مرحله پایان واکنش وجود ندارد و زنجیره ها تا زمانی که تمام مونومرها مصرف شوند، “زنده” و فعال باقی می مانند. این ویژگی امکان ساخت پلیمرهایی با طول زنجیره کاملاً مشخص و همچنین تولید کوپلیمر قطعه ای (Block Copolymers) را فراهم می کند.
مثال: سنتز پلی استایرن با توزیع وزن مولکولی بسیار باریک و لاستیک های استایرن-بوتادین.
-
پلیمریزاسیون مرحله ای (Step-Growth Polymerization)
این نوع پلیمریزاسیون که اغلب با نام پلیمریزاسیون تراکمی (Condensation Polymerization) نیز شناخته می شود، با مکانیسمی کاملا متفاوت از رشد زنجیره ای عمل می کند. در این فرآیند، مونومرهایی که دارای حداقل دو گروه عاملی هستند، مرحله به مرحله با یکدیگر واکنش می دهند.
مکانیسم: ابتدا دو مونومر واکنش داده و یک دیمر (مولکول دو واحدی) تشکیل می دهند. سپس این دیمر می تواند با یک مونومر دیگر واکنش داده و تریمر بسازد، یا با یک دیمر دیگر ترکیب شده و تترامر ایجاد کند.
این روند ادامه می یابد تا زنجیره های بلند پلیمری شکل بگیرند. برخلاف رشد زنجیره ای، در اینجا وزن مولکولی پلیمر به آرامی و در طول فرآیند افزایش می یابد و به درصدهای پیشرفت واکنش بسیار بالا (بیش از ۹۹٪) برای رسیدن به وزن مولکولی مطلوب نیاز است.
محصول جانبی: در بسیاری از واکنش های پلیمریزاسیون مرحله ای، با تشکیل هر پیوند جدید بین مونومرها، یک مولکول کوچک مانند آب، آمونیاک یا هیدروژن کلرید به عنوان محصول جانبی حذف می شود.
مثال ها: تولید پلی استرها مانند پلی اتیلن ترفتالات، پلی آمید (مانند نایلون) و پلی کربنات
-
سایر فرآیندهای پلیمریزاسیون
پلیمریزاسیون با حلقه گشایی (Ring-Opening Polymerization)
این فرآیند نوع خاصی از پلیمریزاسیون است که در آن مونومرها ساختارهای حلقوی دارند. با استفاده از یک کاتالیزور، حلقه مونومر باز شده و به زنجیره پلیمری خطی تبدیل می شود. این روش می تواند مکانیسمی شبیه به رشد زنجیره ای یا مرحله ای داشته باشد.
مثال: تولید نایلون-۶ از کاپرولاکتام و پلی اتیلن گلیکول (PEG) از اتیلن اکساید.
تکنیک های اجرایی پلیمریزاسیون
صرف نظر از مکانیسم شیمیایی، واکنش های پلیمریزاسیون را می توان در محیط های فیزیکی مختلفی انجام داد که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند:
پلیمریزاسیون توده ای (Bulk Polymerization): ساده ترین روش که در آن فقط مونومر و آغازگر (در صورت نیاز) حضور دارند. این روش پلیمری با خلوص بالا تولید می کند اما کنترل دما به دلیل افزایش ویسکوزیته و گرمای زیاد واکنش دشوار است.
پلیمریزاسیون محلولی (Solution Polymerization): مونومر و آغازگر در یک حلال مناسب حل می شوند. حلال به کنترل دما کمک کرده و ویسکوزیته را کاهش می دهد، اما در نهایت باید از پلیمر جدا شود که هزینه بر است.
پلیمریزاسیون سوسپانسیونی (Suspension Polymerization): مونومر نامحلول در آب، به صورت قطرات ریز در آب معلق (سوسپانسیون) می شود و آغازگر نیز در این قطرات حل می گردد. هر قطره مانند یک راکتور توده ای کوچک عمل می کند و آب به عنوان یک محیط انتقال حرارت عالی، دمای واکنش را کنترل می کند. محصول نهایی به شکل دانه های ریز پلیمری است.
پلیمریزاسیون امولسیونی (Emulsion Polymerization): مشابه روش سوسپانسیونی است، با این تفاوت که از یک عامل فعال کننده سطحی (امولسیفایر) برای ایجاد ذرات بسیار ریزتر مونومر (مایسل) در آب استفاده می شود.
این روش امکان دستیابی به وزن مولکولی بالا و سرعت واکنش زیاد را به طور همزمان فراهم می کند و محصول آن یک سوسپانسیون پایدار شیری رنگ به نام لاتکس است که در تولید رنگ ها و چسب های پایه آب کاربرد دارد.