تعریف پلیمریزاسیون به زبان ساده

زمانی که تعداد بسیار زیادی مولکول (مونومر) به یکدیگر متصل شوند، فرآورده خاص، پلیمر نام دارد و به این فرآیند پلیمریزاسیون می گویند.

در حقیقت آخرین مرحله در ساخت پلیمرها، تبدیل مونومرها (تک پار) به زنجیره طویلی از پلیمر (بَسپار) است.

به دلیل چینش مولکول ها در فرآیند پلیمریزاسیون (بَسپارش) و به تبع آن افزایش آنتروپی، این فرآیند در ترمودینامیک محبوبیت خاصی دارد. پیشرفت در فرآیندهای کاتالیستی سبب شده است تا کنترل بالایی بر ساختار و جرم مولکولی در فرآیند پلیمریزاسیون به دست آید.

پلیمریزاسیون را از دو منظر می توان بررسی کرد: طبیعت کاتالیزورهای استفاده شده و روشی که زنجیرهای پلیمری، محصول نهایی را شکل می دهند. پلیمریزاسیون در شرایط گاز، مایع، جامد و اخیرا در حالت کریستال مایع قابل انجام است.

پلیمری شدن در واکنش های متعددی اتفاق می افتد. به دلیل ماهیت گروه های عاملی واکنش دهنده ها و همچنین شکل مولکول ها، هرکدام از این فرآیندها با یکدیگر متفاوت هستند.

آلکن ها به سادگی در واکنش های رادیکالی به پلیمر تبدیل می شوند در حالی که واکنش های شامل جایگزینی گروه های کربونیل، نیازمند فرآیندهای پیچیده تری هستند.

دو روش کلی در ساخت پلیمرها وجود دارد. روش اول شامل فعال سازی تعدادی مونومر و در نهایت تشکیل پلیمر است.

این روش با نام «رشد زنجیری» (Chain Growth) شناخته می شود. در روش دوم، تمامی مونومرها فعال سازی خواهند شد که نتیجه آن تولید قطعات بزرگ تری از پلیمر در محل واکنش است. این روش به نام «رشد تراکمی» (Step Growth) موسوم است.

پلیمریزاسیون با روش رشد زنجیری:
این روش در حالت کلی شامل سه مرحله آغاز، انتشار و اختتام زنجیر فعال است.

آغاز:
«راه اندازی» (Initiation) آغاز فرآیند پلیمری شدن است. مونومرهای «واینیل» (Vinyl)، با روش های مختلف فعال سازی، این مرحله از پلیمریزاسیون را طی می کنند.

به عنوان مثال، «استایرن» (Styrene) به سادگی با حرارت دادن یا اشعه ماورا بنفش به پلیمر جامد تبدیل می شود. اما در بیشتر موارد از یک ماده فعال ساز برای راه اندازی بهره می گیرند. در این روش یک ماده ناپایدار بکار می رود که برای رسیدن به پایداری به مونومرها حمله می کند.

می توان به بنزوییل پراکسید اشاره کرد که به هنگام گرم شدن به دو قسمت تقسیم می شود. در حقیقت با دادن گرما به بنزوییل پراکسید، این ماده یک رادیکال آزاد تولید می کند.

زمانی که بنزوییل پراکسید به استایرن اضافه شود، واکنش آن مانند تصویر زیر است. لازم به ذکر است که در این تصویر، بنزوییل پراکسید بر اثر حرارت، تجزیه شده است:

پلیمزیزاسیون:
در این واکنش، واکنش دهنده ها به یکدیگر وصل می شوند اما محصول همچنان یک رادیکال باقی می ماند تا به مونومرهای دیگر به اصطلاح حمله کند. با هر حمله، یک مولکول بزرگ تر به وجود می آید اما همچنان رادیکال آزاد در واکنش باقی است. به این فرآیند پلیمریزاسیون رادیکال آزاد می گویند.

واکنش رادیکال آزاد، تنها روش در فرآیند راه اندازی نیست. مولکول های باردار هم همین تأثیر را دارند. به عنوان مثال، «اتیل لیتیوم» (Ethyllithium)، یک مولکول تقریبا ناپایدار است که می تواند به یون های مثبت و منفی تجزیه و به استایرن برای پلیمریزاسیون اضافه شود.این روش با عنوان «پلیمریزاسیون آنیونی» (Anionic Polymerization) شناخته می شود.

انتشار:
«انتشار» (Propagation)، زمانی اتفاق می افتد که واحدهای مونومر برای رشد به فرآیند اضافه شوند. هر مرحله شامل تبدیل یک پیوند دوگانه به یک رادیکال آزاد است.

انتشار پلیمریزاسیون:
البته مانند تصویر زیر ممکن است رادیکال های آزاد در شکل های دیگری هم تولید شوند:

رشد پلیمر:
این نوع از رادیکال ها به عنوان «واحدهای پیوندی سر به سر» (Head-to-Head Link) شناخته می شوند که شامل 1 درصد از کل فرآیند هستند.

انتقال زنجیری:
کنترل فرآیند پلیمریزاسیون در مقیاس صنعتی برای دستیابی به جرم مولکولی خاص و به تبع آن خواص فیزیکی مورد نظر بسیار مهم است.

یکی از مهم ترین متغیرها در این نوع از فرآیندها، دمای واکنش است. این واکنش ها همگی گرمازا هستند و برای اینکه دمای واکنش تغییرات غیر یکنواخت نداشته باشد، باید گرمای تولیدی از واکنش خارج شود.

روش دیگری که در صنعت بکار می رود این است که مونومر با استفاده از نوعی صابون به امولسیون تبدیل و واکنش در آب روی می دهد.

پلیمریزاسیون با روش تراکمی:
در روش تراکمی، هر مرحله شامل ترکیب دو کوچک مولکول - که گروه عاملی دارند - با طول مختلف و تشکیل پلیمر با طول و وزن بیشتر است.

جرم مولی متوسط در این فرآیند به آرامی افزایش می یابد و زنجیرهای طویل در انتهای واکنش شکل می گیرند. این نوع از واکنش های مستقل، بین «گروه های عاملی» (Functional Groups) مونومرها به وجود می آیند. این مونومرها معمولا شامل نیتروژن و اکسیژن هستند.

بیشتر پلیمرهای تولیدی با این روش، به عنوان پلیمرهای میعانی نیز طبقه بندی می شوند چرا که به هنگام افزایش طول زنجیر پلیمری، یک مولکول کوچک مانند مولکول آب از بین می رود و به «محصول جانبی» (by-Product) تبدیل می شود.

به عنوان مثال، زنجیرهای پلی استری در واکنش گروه های الکل با کربوکسیلیک اسید برای تولید پیوندهای استری وارد واکنش می شوند و آب - به عنوان محصول جانبی - از دست می دهند.

در مقابل پلیمری شدن میعانی، «پلیمریزاسیون اضافه شده» (Addition Polymers) وجود دارد. به عنوان مثال، در تولید «پلی اورتان» (Polyurethane) هیچ مولکول آبی از واکنش خارج نمی شود. لازم به ذکر است سرعت افزایش جرم مولکولی در روش تراکمی بسیار آرام است.

مهندسی واکنش های پلیمر:
جهت تولید محصولی با جرم مولکولی بالا و یک شکل، نیاز به روش هایی است که منجر به کنترل بهتر سه مرحله گفته شده در بالا شود. همچنین ابزارهایی نیز باید جهت خارج کردن گرمای واکنش پیش بینی شوند. این روش ها عبارتند از:

• پلیمریزاسیون امولسیونی.
• پلیمریزاسیون محلول.
• پلیمریزاسیون سوسپانسیونی.
• پلیمریزاسیون رسوبی.

البته روش های ذکر شده نیازمند فرآیندهایی جهت جداسازی محصولات از حلال هستند.

فوتوپلیمریزاسیون:
بیشتر واکنش های «فوتوپلیمریزاسیون» (Photopolymerization) شامل روش رشد زنجیره ای هستند که در آن راه اندازی توسط جذب یک نور مرئی یا ماورا بنفش انجام می شود. این نور می تواند به طور مستقیم یا غیر مستقیم در فرآیند بکار گرفته شود.

به طور کلی در این روش، فقط مرحله راه اندازی نسبت به دیگر مراحل پلیمری شدن تفاوت دارد و مراحل انتشار و خاتمه به صورت قبل پیش می روند.

این روش در فرآیندهای عکاسی و چاپ کاربرد بسیار دارد زیرا فوتوپلیمریزاسیون تنها در محیط های نوری قابل انجام است.

مونومرهایی که در معرض نور قرار نگرفته اند، بدون واکنش باقی می مانند و از فرآیند حذف می شوند. نتیجه این کار، یک تصویر پلیمری است. در روش های مختلف چاپ سه بعدی همچون «استریولیتوگرافی» (Stereolithography)، از فوتوپلیمریزاسیون بهره می گیرند.