الیاف(پلیمر) مصنوعی

1. چرا پلیمرهای مصنوعی؟
با افزایش جمعیت جهان، منابع طبیعی (مانند پشم، پنبه و ابریشم) برای تأمین نیازهای انسان (از جمله پوشاک و لوازم زندگی) کافی نبود. از این رو، شیمی‌دان‌ها با استفاده از مواد اولیه موجود در نفت خام (مانند هیدروکربن‌های کوچک)، موفق به سنتز درشت‌مولکول‌هایی شدند که به آن‌ها پلیمرهای مصنوعی می‌گویند. این پلیمرها اغلب ارزان‌تر، در دسترس‌تر و گاهی دارای خواص ویژه‌تری نسبت به پلیمرهای طبیعی هستند.
2. واکنش پلیمری شدن افزایشی
ساده‌ترین و مهم‌ترین روش ساخت پلیمرهای مصنوعی، واکنش پلیمری شدن افزایشی است. در این نوع واکنش، مونومرها (تک‌پارها) که حتماً دارای پیوند دوگانه کربن-کربن \(C=C\) هستند، در شرایط مناسب (دما، فشار و حضور کاتالیزگر) پیوند دوگانه (بخش پیوند پای \(\pi\)) خود را می‌شکنند و از طریق الکترون‌های آزادشده، به یکدیگر متصل می‌شوند تا زنجیره‌ای بلند با پیوندهای یگانه کربن-کربن \(C-C\) تشکیل دهند.
ویژگی‌های پلیمری شدن افزایشی:
• فقط یک نوع محصول (پلیمر) تولید می‌شود.
• هیچ مولکول کوچکی (مثل آب) از واکنش خارج نمی‌شود (برخلاف پلیمری شدن تراکمی).
• جرم مولی پلیمر برابر است با: \(n\) یا تعداد مونومرها \(\times\) (جرم مولی مونومر).

3. پلی‌اتن (پلی‌اتیلن)؛ ساده‌ترین پلیمر مصنوعی
ماده اولیه (مونومر) برای ساخت این پلیمر، اتن با فرمول \(CH_{2} = CH_{2}\) است. اتن گازی است که از پالایش نفت خام به دست می‌آید.
• معادله واکنش تولید پلی‌اتن:
\[n(CH_{2} = CH_{2}) \xrightarrow{\text{دما، فشار، کاتالیزگر}} -(CH_{2} - CH_{2})_{n}-\]
در این معادله، n تعداد مونومرهای اتن است که می‌تواند ده‌ها هزار باشد و واحد تکرارشونده پلیمر به صورت \(-(CH_{2} - CH_{2})-\) نمایش داده می‌شود.

انواع پلی اتن: دو نوع پلی اتن داریم
1- پلی اتن سبک: همان پلی اتن شاخه دار است که وجود شاخه باعث ایجاد فضای خالی می شود و کم چگال نیز می باشد. کاربرد آن در تهیه ظروف پلاستیکی شفاف مانند کیسه های پلاستیکی یا به اصطلاح کیسه فریزر می باشد.
2- پلی اتن سنگین: همان پلی اتن راست زنجیر یا بدون شاخه است که زنجیرهای پلی اتنی روی هم قرار گرفته اند و به همین دلیل به پلی اتن چگال یا با چگالی بالا معروف هستند، کاربرد این دسته از پلی اتن ها در اسباب بازی، و ظروف پلاستیکی کدر دیگر مانند لوله های آب و تانکر های آب استفاده می شوند.
خواص و کاربردهای پلی اتن: پلاستیکی، نفوذناپذیر در برابر آب و مقاوم در برابر مواد شیمیایی است. در ساخت کیسه های پلاستیکی، لوله های آب، بطری ها و ظروف آشپزخانه کاربرد دارد.
4. تنوع پلیمرهای مصنوعی
با جایگزین کردن یک یا چند اتم هیدروژن در مولکول اتن با اتم ها یا گروه های عاملی دیگر، مونومرهای جدیدی به دست می آیند که به آنها اتن های استخلاف شده می گویند. پلیمری شدن این مونومرها، پلیمرهایی با خواص کاملاً متفاوت و کاربردی ایجاد می کند.
در ادامه، مهم ترین پلیمرهای ساخته شده از این طریق و واکنش های آنها آورده شده است:

الف) تفلون (پلی تترافلوئورواتن)
• مونومر: تترافلوئورواتن \(CF_2 = CF_2\) (هر چهار هیدروژن اتن با اتم فلوئور F جایگزین شده‌اند).
• معادله واکنش:
\[n(CF_2 = CF_2) \rightarrow -(CF_2 - CF_2)_n -\]
• ویژگی‌ها: نقطه ذوب بالایی دارد، از نظر شیمیایی بسیار بی‌اثر است (با مواد دیگر واکنش نمی‌دهد) و اصطکاک بسیار کمی دارد.
• کاربرد: ظروف نچسب، نوار تفلون (برای آب‌بندی لوله‌ها) و پوشش‌های مقاوم شیمیایی و کف اتو.
ب) پی‌وی‌سی یا PVC (پلی وینیل کلرید / پلی کلرواتن)
• مونومر: کلرواتن یا وینیل کلرید \(CH_2 = CHCl\) (یک هیدروژن اتن با اتم کلر Cl جایگزین شده است).
• معادله واکنش:
\[n(CH_2 = CHCl) \rightarrow -(CH_2 - CHCl)_n -\]

• ویژگی‌ها: پلاستیکی سخت، محکم و مقاوم در برابر رطوبت و خوردگی.
• کاربرد: کیسه خون، چرم مصنوعی و روکش سیم‌های برق.
ج) پلی‌استایرن
• مونومر: استایرن \(CH_2 = CH - C_6H_5\) (یک هیدروژن با حلقه بنزن جایگزین شده است).
• معادله واکنش:
\[n(CH_2 = CH - C_6H_5) \to -(CH_2 - CH - C_6H_5)_n -\]
• کاربرد: ظروف یک‌بار مصرف..
د) پلی‌سیانواتن
• مونومر: سیانواتن \(CH_2 = CH - CN\) (یک هیدروژن با گروه سیانید CN- جایگزین شده است).
• معادله واکنش:
\[- n(CH_2 = CH - CN) \to -(CH_2 - CH(CN))_n -\]
• کاربرد: در تولید الیاف مصنوعی (شبیه پشم) برای بافت پتو، فرش و لباس‌های زمستانی استفاده می‌شود.

۵) پلی‌پروپن (پلی‌پروپیلن)
• مونومر: پروپن (CH2 = CH - CH3) (یک هیدروژن اتن با گروه متیل جایگزین شده است).
• معادله واکنش:
\[- n(CH2 = CH - CH3) \rightarrow -(CH2 - CH - CH3)n -\]
• ویژگی‌ها: پلاستیکی بسیار سخت، محکم و مقاوم در برابر سایش و گرما.
• کاربرد: سرنگ‌های پزشکی و ظروف مقاوم در برابر حرارت (که در مایکروویو استفاده می‌شوند).
۵. نکات تستی مهم در مورد پلیمرهای مصنوعی (افزایشی)
۱. در تمام این واکنش‌ها، پیوند دوگانه مونومر شکسته شده و به پیوند یگانه در پلیمر تبدیل می‌شود، بنابراین مونومرها سیرنشده اما زنجیره پلیمری تشکیل‌شده سیرشده است.
۲. زباله‌های پلاستیکی حاصل از این پلیمرها، در طبیعت به کندی تجزیه می‌شوند (زیست‌تخریب‌پذیر نیستند) و باعث مشکلات زیست‌محیطی می‌گردند. راه‌حل این مشکل بازیافت، کاهش مصرف و جایگزینی با پلاستیک‌های سبز است.