البوليمرات هي مواد مصنوعة من سلاسل طويلة ومتكررة من الجزيئات ، وهذه المواد لها خصائص فريدة ، اعتمادًا على نوع الجزيئات التي يتم ربطها وكيفية ارتباطها ، حيث أن بعض البوليمرات تنحني وتتمدد ، مثل المطاط والبوليستر. البعض الآخر صعب وقاسي ، مثل الايبوكسي والزجاج.
وغالبا ما يستخدم مصطلح البوليمر لوصف المواد البلاستيكية ، والتي هي البوليمرات الاصطناعية ، ومع ذلك ، البوليمرات الطبيعية موجودة أيضا في المطاط والخشب . [1]
ما هو البوليمر
أبسط تعريف للبوليمر هو أنه عبارة عن مادة كيميائية مفيدة مصنوعة من العديد من وحدات التكرار ، ويمكن أن يكون البوليمر عبارة عن شبكة ثلاثية الأبعاد ، أو شبكة ثنائية الأبعاد ، كل وحدة مكررة هي الوحدة “الأساسية” مع “بوليمير” مما يعني العديد من وحدات التكرار ، وغالبًا ما تصنع وحدات التكرار من الكربون ، والهيدروجين ، وأحيانًا الأكسجين ، والنيتروجين ، والكبريت ، والكلور ، والفلور ، والفوسفور ، والسيليكون ، ولتكوين السلسلة يتم ربط العديد من الروابط أو ” mers ” كيميائيا أو بلمرتها معا ، وربط شرائط لا حصر لها من ورق البناء معًا لإنشاء أكاليل ورق أو ربط مئات مقاطع الورق لتشكيل سلاسل أو حبات التوتير تساعد على تصور البوليمرات ، والبوليمرات تحدث في الطبيعة ، ويمكن صنعها لتلبية الاحتياجات المحددة ، ويمكن أن تكون البوليمرات المصنعة شبكات ثلاثية الأبعاد لا تذوب بمجرد تكوينها تسمى هذه الشبكات بوليمرات THERMOSET.
وتتميز البوليمرات بكثرتها في الطبيعة ومن أمثلتها حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) ، وحمض الريبونوكلي (RNA) اللذين يحددان الحياة ، وتم استخدام مطاط الشجر المطاطي والسليلوز كمادة خام لصناعة المطاط والبوليمرات المصنعة ، وكان أول منتج من البلاستيك الصناعي كان Bakelite ، تم إنشاؤه عام 1909 لغلاف الهاتف والمكونات الكهربائية ، وأول ألياف بوليمرية مصنعة كانت Rayon ، من السليلوز ، في عام 1910 . [2]
تركيب البوليمرات
تتكون العديد من الطبقات الشائعة من البوليمرات من الهيدروكربونات ، ومركبات الكربون ، والهيدروجين ، وتصنع هذه البوليمرات على وجه التحديد من ذرات الكربون المرتبطة ببعضها البعض ، واحدة إلى أخرى ، في سلاسل طويلة تسمى العمود الفقري للبوليمر ، وبسبب طبيعة الكربون ، يمكن ربط ذرة واحدة أو أكثر بكل ذرة كربون في العمود الفقري ، وهناك البوليمرات التي تحتوي على ذرات الكربون والهيدروجين فقط أمثلة على هذه المنتجات هي البولي إيثيلين ، والبولي بروبيلين ، والبولي بوتيلين ، والبوليسترين ، والبولي إيثيلين .
كما أن البوليمرات المصنعة الأخرى الشائعة لها أعمدة أساسية تتضمن عناصر أخرى غير الكربون ، حيث يحتوي النايلون على ذرات النيتروجين في العمود الفقري لوحدة التكرار ، والبوليستر والبولي يحتوي على الأكسجين في العمود الفقري ، وهناك أيضًا بعض البوليمرات التي بدلاً من وجود عمود الكربون ، تحتوي على السيليكون أو العمود الفقري الفوسفوري ، وتعتبر هذه البوليمرات غير عضوية. [2]
استخدامات البوليمرات
تستخدم البوليمرات في كل مجالات الحياة الحديثة تقريبًا ، حيث تحتوي كل من أكياس البقالة ، وزجاجات الصودا والمياه ، وألياف النسيج ، والهواتف ، وأجهزة الكمبيوتر ، وتغليف المواد الغذائية ، وقطع غيار السيارات ، والألعاب على البوليمرات ، حتى التكنولوجيا الأكثر تطوراً تستخدم البوليمرات ، على سبيل المثال ، ” تستخدم أغشية تحلية المياه ، والناقلات المستخدمة في إطلاق الدواء المتحكم فيه والبوليمرات الحيوية لهندسة الأنسجة البوليمرات ” ، وفقًا لـ ACS.
خصائص البوليمرات
غالبية البوليمرات المصنعة يتم تصنيعها بالحرارة ، مما يعني أنه بمجرد تكوين البوليمرات يمكن تسخينها وإصلاحها مرارًا وتكرارًا ، وتتيح هذه الخاصية المعالجة بسهولة وتسهيل إعادة التدوير ، ولكل بوليمر خصائص مميزة له ، ولكن معظم البوليمرات لها صفات عامة وهي كالتالي :
يمكن أن تكون البوليمرات شديدة المقاومة للمواد الكيميائية : يجب الوضع في الاعتبار جميع سوائل التنظيف في المنزل والتي تم تعبئتها بالبلاستيك ، حيث أن قراءة ملصقات التحذير التي تصف ما يحدث عندما تتلامس المادة الكيميائية مع الجلد ، أو العينين ، أو يتم تناولها ستؤكد على الحاجة إلى المقاومة الكيميائية في العبوات البلاستيكية ، بينما تقوم المذيبات بحل بعض المواد البلاستيكية بسهولة ، إلا أن المواد البلاستيكية الأخرى توفر عبوات آمنة وغير قابلة للكسر من قبل المذيبات القوية .
بشكل عام تكون البوليمرات خفيفة الوزن للغاية مع درجات عالية من القوة : عند النظر في مجموعة من التطبيقات ، من اللعب إلى هيكل الإطار للمحطات الفضائية ، تطفو بعض البوليمرات في الماء بينما تغرق أخرى ، ولكن ، مقارنة بكثافة الأحجار ، أو الخرسانة ، أو الصلب ، أو النحاس ، أو الألومنيوم ، فإن جميع المواد البلاستيكية عبارة عن مواد خفيفة الوزن .
يمكن معالجة البوليمرات بطرق مختلفة : حيث يمكن تشكيل البلاستيك في براميل ، أو خلطه بالمذيبات ليصبح مواد لاصقة أو دهانات .
البوليمرات هي مواد ذات مجموعة لا حدود لها على ما يبدو من الخصائص والألوان ، فالبوليمرات لها العديد من الخصائص المتأصلة التي يمكن تعزيزها من خلال مجموعة واسعة من المواد المضافة لتوسيع استخداماتها وتطبيقاتها ، حيث يمكن تصنيع البوليمرات لتقليد ألياف القطن ، والحرير ، والصوف ، الخزف ، والرخام ، والألومنيوم ، والزنك ، يمكن أن تقوم البوليمرات أيضًا بصنع المنتجات الممكنة التي لا تأتي بسهولة من العالم الطبيعي مثل الأوراق .
عادة ما تصنع البوليمرات من النفط ولكن ليس دائمًا : تتكون العديد من البوليمرات من وحدات التكرار المشتقة من الغاز الطبيعي ، أو الفحم ، أو النفط الخام ، لكن في بعض الأحيان يمكن تصنيع وحدات تكرار الكتل البرمجية الإنشائية من مواد قابلة للتجديد مثل حمض polylactic من الذرة أو السليلوزيات من بطانات القطن . [2]
أمثلة على البوليمر
البوليمرات الطبيعية
توجد البوليمرات في الطبيعة وكذلك يتم صنعها في المختبرات ، ولقد استخدمت البوليمرات الطبيعية لخصائصها الكيميائية قبل وقت طويل في مختبر الكيمياء ، حيث تم تصنيع الصوف ، والجلد ، والكتان في ألياف لصنع الملابس منها ؛ وتم غلي عظام الحيوانات لتصنيع الغراء ، والبوليمرات الطبيعية تشمل ما يلي :
البروتينات ، مثل الشعر ، والأظافر .
السليلوز ، في الورق والأشجار .
النشا في النباتات مثل البطاطا والذرة .
الحمض النووي .
خطوة (المعروف أيضا باسم القار أو القطران) .
الصوف (بروتين تصنعه الحيوانات) .
الحرير (بروتين تصنعه الحشرات) .
المطاط الطبيعي (البروتينات المستخرجة من الأشجار)
البوليمرات الاصطناعية
تم تصنيع البوليمرات لأول مرة من قبل أشخاص يبحثون عن بدائل للبوليمرات الطبيعية ، ولا سيما المطاط والحرير ، و بحلول عام 1820 ظهرت أوائل البوليمرات شبه الاصطناعية ، وهي بوليمرات طبيعية معدلة بطريقة ما ، حيث تم تعديل المطاط الطبيعي بجعله أكثر مرونة ، وتم استخدام نترات السليلوز التي تم تحضيرها في عام 1846 كأول مادة متفجرة ثم كمواد صلبة قابلة للتشكيل .
وتشمل البوليمرات الصناعية ما يلي :
الباكليت ، أول بلاستيك صناعي .
النيوبرين (شكل من أشكال المطاط) .
النايلون ، البوليستر ، الرايون (أشكال حرير مصنعة)
البولي اثيلين (الأكياس البلاستيكية وحاويات التخزين) .
البوليسترين (لتعبئة الفول السوداني وأكواب الستايروفوم) .
التفلون .
الراتنجات الايبوكسي .
السيليكون . [3]
وغالبا ما يستخدم مصطلح البوليمر لوصف المواد البلاستيكية ، والتي هي البوليمرات الاصطناعية ، ومع ذلك ، البوليمرات الطبيعية موجودة أيضا في المطاط والخشب . [1]
ما هو البوليمر
أبسط تعريف للبوليمر هو أنه عبارة عن مادة كيميائية مفيدة مصنوعة من العديد من وحدات التكرار ، ويمكن أن يكون البوليمر عبارة عن شبكة ثلاثية الأبعاد ، أو شبكة ثنائية الأبعاد ، كل وحدة مكررة هي الوحدة “الأساسية” مع “بوليمير” مما يعني العديد من وحدات التكرار ، وغالبًا ما تصنع وحدات التكرار من الكربون ، والهيدروجين ، وأحيانًا الأكسجين ، والنيتروجين ، والكبريت ، والكلور ، والفلور ، والفوسفور ، والسيليكون ، ولتكوين السلسلة يتم ربط العديد من الروابط أو ” mers ” كيميائيا أو بلمرتها معا ، وربط شرائط لا حصر لها من ورق البناء معًا لإنشاء أكاليل ورق أو ربط مئات مقاطع الورق لتشكيل سلاسل أو حبات التوتير تساعد على تصور البوليمرات ، والبوليمرات تحدث في الطبيعة ، ويمكن صنعها لتلبية الاحتياجات المحددة ، ويمكن أن تكون البوليمرات المصنعة شبكات ثلاثية الأبعاد لا تذوب بمجرد تكوينها تسمى هذه الشبكات بوليمرات THERMOSET.
وتتميز البوليمرات بكثرتها في الطبيعة ومن أمثلتها حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) ، وحمض الريبونوكلي (RNA) اللذين يحددان الحياة ، وتم استخدام مطاط الشجر المطاطي والسليلوز كمادة خام لصناعة المطاط والبوليمرات المصنعة ، وكان أول منتج من البلاستيك الصناعي كان Bakelite ، تم إنشاؤه عام 1909 لغلاف الهاتف والمكونات الكهربائية ، وأول ألياف بوليمرية مصنعة كانت Rayon ، من السليلوز ، في عام 1910 . [2]
تركيب البوليمرات
تتكون العديد من الطبقات الشائعة من البوليمرات من الهيدروكربونات ، ومركبات الكربون ، والهيدروجين ، وتصنع هذه البوليمرات على وجه التحديد من ذرات الكربون المرتبطة ببعضها البعض ، واحدة إلى أخرى ، في سلاسل طويلة تسمى العمود الفقري للبوليمر ، وبسبب طبيعة الكربون ، يمكن ربط ذرة واحدة أو أكثر بكل ذرة كربون في العمود الفقري ، وهناك البوليمرات التي تحتوي على ذرات الكربون والهيدروجين فقط أمثلة على هذه المنتجات هي البولي إيثيلين ، والبولي بروبيلين ، والبولي بوتيلين ، والبوليسترين ، والبولي إيثيلين .
كما أن البوليمرات المصنعة الأخرى الشائعة لها أعمدة أساسية تتضمن عناصر أخرى غير الكربون ، حيث يحتوي النايلون على ذرات النيتروجين في العمود الفقري لوحدة التكرار ، والبوليستر والبولي يحتوي على الأكسجين في العمود الفقري ، وهناك أيضًا بعض البوليمرات التي بدلاً من وجود عمود الكربون ، تحتوي على السيليكون أو العمود الفقري الفوسفوري ، وتعتبر هذه البوليمرات غير عضوية. [2]
استخدامات البوليمرات
تستخدم البوليمرات في كل مجالات الحياة الحديثة تقريبًا ، حيث تحتوي كل من أكياس البقالة ، وزجاجات الصودا والمياه ، وألياف النسيج ، والهواتف ، وأجهزة الكمبيوتر ، وتغليف المواد الغذائية ، وقطع غيار السيارات ، والألعاب على البوليمرات ، حتى التكنولوجيا الأكثر تطوراً تستخدم البوليمرات ، على سبيل المثال ، ” تستخدم أغشية تحلية المياه ، والناقلات المستخدمة في إطلاق الدواء المتحكم فيه والبوليمرات الحيوية لهندسة الأنسجة البوليمرات ” ، وفقًا لـ ACS.
خصائص البوليمرات
غالبية البوليمرات المصنعة يتم تصنيعها بالحرارة ، مما يعني أنه بمجرد تكوين البوليمرات يمكن تسخينها وإصلاحها مرارًا وتكرارًا ، وتتيح هذه الخاصية المعالجة بسهولة وتسهيل إعادة التدوير ، ولكل بوليمر خصائص مميزة له ، ولكن معظم البوليمرات لها صفات عامة وهي كالتالي :
يمكن أن تكون البوليمرات شديدة المقاومة للمواد الكيميائية : يجب الوضع في الاعتبار جميع سوائل التنظيف في المنزل والتي تم تعبئتها بالبلاستيك ، حيث أن قراءة ملصقات التحذير التي تصف ما يحدث عندما تتلامس المادة الكيميائية مع الجلد ، أو العينين ، أو يتم تناولها ستؤكد على الحاجة إلى المقاومة الكيميائية في العبوات البلاستيكية ، بينما تقوم المذيبات بحل بعض المواد البلاستيكية بسهولة ، إلا أن المواد البلاستيكية الأخرى توفر عبوات آمنة وغير قابلة للكسر من قبل المذيبات القوية .
بشكل عام تكون البوليمرات خفيفة الوزن للغاية مع درجات عالية من القوة : عند النظر في مجموعة من التطبيقات ، من اللعب إلى هيكل الإطار للمحطات الفضائية ، تطفو بعض البوليمرات في الماء بينما تغرق أخرى ، ولكن ، مقارنة بكثافة الأحجار ، أو الخرسانة ، أو الصلب ، أو النحاس ، أو الألومنيوم ، فإن جميع المواد البلاستيكية عبارة عن مواد خفيفة الوزن .
يمكن معالجة البوليمرات بطرق مختلفة : حيث يمكن تشكيل البلاستيك في براميل ، أو خلطه بالمذيبات ليصبح مواد لاصقة أو دهانات .
البوليمرات هي مواد ذات مجموعة لا حدود لها على ما يبدو من الخصائص والألوان ، فالبوليمرات لها العديد من الخصائص المتأصلة التي يمكن تعزيزها من خلال مجموعة واسعة من المواد المضافة لتوسيع استخداماتها وتطبيقاتها ، حيث يمكن تصنيع البوليمرات لتقليد ألياف القطن ، والحرير ، والصوف ، الخزف ، والرخام ، والألومنيوم ، والزنك ، يمكن أن تقوم البوليمرات أيضًا بصنع المنتجات الممكنة التي لا تأتي بسهولة من العالم الطبيعي مثل الأوراق .
عادة ما تصنع البوليمرات من النفط ولكن ليس دائمًا : تتكون العديد من البوليمرات من وحدات التكرار المشتقة من الغاز الطبيعي ، أو الفحم ، أو النفط الخام ، لكن في بعض الأحيان يمكن تصنيع وحدات تكرار الكتل البرمجية الإنشائية من مواد قابلة للتجديد مثل حمض polylactic من الذرة أو السليلوزيات من بطانات القطن . [2]
أمثلة على البوليمر
البوليمرات الطبيعية
توجد البوليمرات في الطبيعة وكذلك يتم صنعها في المختبرات ، ولقد استخدمت البوليمرات الطبيعية لخصائصها الكيميائية قبل وقت طويل في مختبر الكيمياء ، حيث تم تصنيع الصوف ، والجلد ، والكتان في ألياف لصنع الملابس منها ؛ وتم غلي عظام الحيوانات لتصنيع الغراء ، والبوليمرات الطبيعية تشمل ما يلي :
البروتينات ، مثل الشعر ، والأظافر .
السليلوز ، في الورق والأشجار .
النشا في النباتات مثل البطاطا والذرة .
الحمض النووي .
خطوة (المعروف أيضا باسم القار أو القطران) .
الصوف (بروتين تصنعه الحيوانات) .
الحرير (بروتين تصنعه الحشرات) .
المطاط الطبيعي (البروتينات المستخرجة من الأشجار)
البوليمرات الاصطناعية
تم تصنيع البوليمرات لأول مرة من قبل أشخاص يبحثون عن بدائل للبوليمرات الطبيعية ، ولا سيما المطاط والحرير ، و بحلول عام 1820 ظهرت أوائل البوليمرات شبه الاصطناعية ، وهي بوليمرات طبيعية معدلة بطريقة ما ، حيث تم تعديل المطاط الطبيعي بجعله أكثر مرونة ، وتم استخدام نترات السليلوز التي تم تحضيرها في عام 1846 كأول مادة متفجرة ثم كمواد صلبة قابلة للتشكيل .
وتشمل البوليمرات الصناعية ما يلي :
الباكليت ، أول بلاستيك صناعي .
النيوبرين (شكل من أشكال المطاط) .
النايلون ، البوليستر ، الرايون (أشكال حرير مصنعة)
البولي اثيلين (الأكياس البلاستيكية وحاويات التخزين) .
البوليسترين (لتعبئة الفول السوداني وأكواب الستايروفوم) .
التفلون .
الراتنجات الايبوكسي .
السيليكون . [3]
