شناسایی پلیمرها

روش های مختلفی برای شناسایی پلیمرها و ساختار شیمیایی آن ها وجود دارد. در این خصوص می توان به روش های مختلف در شناسایی گروه های عاملی و آنالیز عنصری اشاره کرد که در شیمی تجزیه بکار می روند.

روش های طیف سنجی شامل مادون قرمز، «رامان» (Raman)، فرابنفش، «رزونانس مغناطیسی هسته» (Nuclear Magnetic Resonance) و طیف سنجی نشری، روش هایی هستند که به طور معمول توسط مهندسین پلیمر مورد استفاده قرار می گیرند.

در این بخش قصد داریم تا با این روش ها آشنا شویم. علاوه بر این، آنالیز حرارتی همچون «گرماسنجی روبشی تفاضلی» (Differential Scanning Calorimetry) نیز از روش های مهم در شناسایی پلیمرها به شمار می آید که در این آموزش به آن خواهیم پرداخت.

طیف سنجی جرمی و روش های کروماتوگرافی شامل کروماتوگرافی گازی، کروماتوگرافی HPLC و کروماتوگرافی لایه نازک هم از جمله روش های جداسازی مواد به شمار می آیند که به کمک آن ها می توان مونومرها و افزودنی ها را شناسایی کرد.

روش های مقدماتی شناسایی پلیمرها:
روش های ساده ای وجود دارند که به کمک آن می توان نوع پلیمرها را شناسایی کرد. این روش ها عبارتند از:

• آزمون انحلال پذیری.
• تعیین دمای ذوب.
• اندازه گیری چگالی.
• آزمون شعله.
• آزمون پیرولیز.
• انحلال پذیری.

در مراحل اولیه، کنترل کردن انحلال پذیری پلیمر، روش ساده ای است که می توان برای شناسایی پلیمرها از آن استفاده کرد. برای این کار، کافی است تا مقدار 0/1 گرم از پلیمر مورد نظر را با 5 میلی لیتر حلال مخصوص، در یک لوله آزمایش مخلوط کنیم.

از آن جایی که برخی از پلیمرها، زمان بیشتری را برای انحلال نیاز دارند، توصیه می شود که نمونه بعد از چندین ساعت مورد بررسی قرار گیرد. همچنین در مواردی، برای سرعت بخشیدن به انحلال، لوله آزمایش را حرارت می دهند. در جدول زیر، مواد حلال و غیر حلال برای بسیاری از پلیمرها در دمای اتاق آورده شده است.

پلیمر حلال غیر حلال:

• PE هیدروکربن ها تمامی مایعات در دمای اتاق.
• PP هیدروکربن ها اتیل استات.
• PVC دی متیل فرمامید، تتراهیدروفوران، سیکلو هگزانون، متیل اتیل کتون استون، هیدروکربن ها.
• PS سیکلوهگزان، بنزن، متیل اتیل کتون، تولوئن هیدروکربن های آلیفاتیک، الکل ها، استون.
• PMMA بنزن، کلروفرم، استون، هیدروکربن های آروماتیک هیدروکربن های آلیفاتیک، الکل ها.
• نایلون ام-کرسول، استون هیدروکربن ها، اتر.
• PAN دی متیل فرمامید هیدروکربن ها، الکل ها، کتون ها، اتر.
• استات سلولز کلروفرم، استون هیدروکربن ها.
• PVA متانول، بنزن، کلروفرم، استون هیدروکربن های آلیفاتیک.
• PVAI آب، دی متیل فرمامید، هیدروکربن ها، کتون ها، متانول.
• PET فنول هیدروکربن ها، استون.
• PU فرمیک اسید، ام-کرسول متانول، اتر، هیدروکربن ها.
• لاستیک طبیعی (رابر طبیعی) هیدروکربن ها، هیدروکربن های کلرزده، اتر الکل، استون.
• PDMS کلروفرم، بنزن، اتر متانول، اتانول.
• پلی سیکلو پروپن بنزن، کلروبنزن هیدروکربن های آلیفاتیک، الکل ها، کتون ها.
• SBR بنزن، متیل اتیل کتون الکل ها.
• نیتریل رابر بنزن متانول.

ساده ترین راه برای تعیین چگالی یک پلیمر، استفاده از شناوری (فلوتاسیون) است. این روش عبارتست از غوطه ور کردن نمونه پلیمر در مایعی با چگالی معلوم. به طور مثال، نمونه ها را می توان در متانول، آب، محلول اشباع منیزیم کلرید یا محلول آبی روی کلرید غوطه ور کرد. 

در ادامه می توان رفتار نمونه را مشاهده کرد. به عبارت دیگر، اینکه نمونه در سطح مایع قرار بگیرد، غوطه ور شود یا به کف لوله آزمایش منتقل شود را می توان مورد بررسی قرار داد. این رفتار ویژه نشان می دهد که آیا پلیمر مورد نظر، چگالی کمتری از مایع دارد یا بیشتر.

حرارت:
حرارت دادن پلیمرها، روش های مقدماتی زیادی را برای شناسایی آن ها فراهم می کند. «آزمون شعله» (Flame Test) را می توان جهت شناسایی پلیمرها بکار برد چراکه شعله تولیدی حاصل از سوختن پلیمرها، مشخصه های مختلفی را بسته به ساختار ماده نشان می دهد.

بمنظور بررسی رفتار یک پلیمر در برابر شعله، کافی است تا مقدار کمی از نمونه را به کمک اسپاتول بر روی شعله ملایم چراغ بونزن قرار دهید. نوع، رنگ و بوی شعله را باید یادداشت کنید. در جدول زیر، نتایج آزمون شعله برای برخی از پلیمرها آورده شده است.

پلیمر رنگ بو:

• PE زرد، آبی شمع سوزان.
• PP زرد، آبی شمع سوزان.
• PVC زرد، سبز، دوده تند.
• PS زرد، آبی، دوده ای استایرن (بویی شبیه به بوی استایرن).
• PMMA زرد، آبی شیرین.
• نایلون زرد، آبی -.
• PTFE زرد -.
• PAN زرد چوب سوخته.
• استات سلولز زرد استیک اسید و سرکه.
• نیترات سلولز زرد کافور.
• PU زرد، آبی تند.

رفتار «تخریب پلیمرها» (Degradation of Polymers) را می توان به کمک آزمون پیرولیز مورد بررسی قرار داد. تخریب حرارتی، خرده هایی را تولید می کند که به طور معمول، اشتعال پذیر هستند و بوی خاصی دارند.

یک نمونه پلیمر را بدون قراردادن در معرض شعله مستقیم می توان حرارت داد. برای این کار باید، نمونه کوچکی از آن را داخل لوله پیرولیز قرار دهید و به کمک انبرک، آن را روی چراغ بونزن قرار دهید.

در انتهای لوله پیرولیز، یک کاغذ pH یا کاغذ لیتموس مرطوب قرار دهید تا نوع دود حاصل را شناسایی کنید. برای شناسایی پلیمرها می توان از خاصیت اسیدی، بازی یا خنثی بودن آن ها استفاده کرد. 

ABS رززین اپوکسی PET:
در ترموپلاستیک ها از دمای ذوب برای شناسایی پلیمرها استفاده می کنند. رفتار ذوب در پلیمرها را می توان از طریق لوله نقطه ذوب استاندارد یا «صفحه داغ» (Hot-Stage) بررسی کرد.

روش دوم، به کمک مقاومت های حرارتی، یک گرادیان دمایی در طول صفحه فلزی فراهم می شود. قطعات کوچکی از نمونه را به طور مستقیم در نقاط مختلفی از صفحه فلزی قرار می دهیم. دمای ذوب را به طور مستقیم و به کمک صفحه داغ می توان اندازه گیری کرد.

روش های استاندارد تحلیلی در شناسایی پلیمرها:
بعد از ارائه روش های مقدماتی، روش های تحلیلی جهت ارزیابی پلیمرها و «افزودنی ها» (Additives) مورد بررسی قرار می گیرند.

طیف سنجی مادون قرمز:
طیف سنجی مادون قرمز از جمله روش های معمول در شناسایی پلیمرها به شمار می آید. این روش بر پایه ارتعاش اتم های در یک مولکول بنا شده است. طیف مادون قرمز را از طریق عبور تابش مادون قرمز از میان یک نمونه به دست می آورند.

انرژی که هر پیک در طیف جذبی نشان می دهد، متناظر با فرکانس ارتعاش بخشی از مولکول نمونه است. بیشتر طیف سنجی ها به کمک طیف سنج تبدیل فوریه (FTIR) انجام می شوند. این روش بر اساس تداخل بین دو پرتو و تشکیل یک اینفروگرام (تداخل نگاره) بنا شده است.

آماده سازی پلیمرها جهت بررسی:
برای بررسی پلیمرها، روش های متعددی را بکار می گیرند. اگر پلیمر، ترموپلاستیک باشد، می توان به کمک حرارت، آن را نرم و سپس به کمک فشار هیدرولیک، آن را به یک فیلم نازک تبدیل کرد.

در روشی دیگر، پلیمر، در حلالی فرار حل می شود و با تبخیر، آن را به صورت یک فیلم روی صفحه قلیایی هالیدی تبدیل و بررسی می کنند.

برخی از پلیمرها، همچون لاستیک های سنتتیک اتصال عرضی (کراس لینک) را می توان با فرآیندی موسوم به «میکروتوم» (Microtome) به برش های نازکی تبدیل کرد.

همچنین، می توان از یک محلول با حلال مناسب بهره گرفت. اگر پلیمر به صورت «پوشش سطحی» (Surface Coating) باشد، از روش های انعکاسی می توان استفاده کرد.

در بیشتر موارد، طیف ها در محدوه مادون قرمز میانی جای می گیرند. طیف ها را می توان به بخش های مخصوصی از هر مولکول نسبت داد که این امر سبب به وجود آمدن «فرکانس های گروه» (Group Frequencies) خواهد شد.

در نتیجه به کمک طیف سنجی مادون قرمز، می توان بخش های مختلف یک مولکول را شناسایی کرد که در این بخش، به طور خلاصه، چهار منطقه موجود در طیف مادون قرمز میانی آورده شده است.