پلیمرها-کامپوزیتهاو...

[ghasem motamedi]

آشنایی با پلیمر ها
پليمرها ، ابرمولکول هايي با وزن مولکولي بسياربالا هستند .که از واحدهاي تکرار شونده تشکيل شده اند .پليمرها ممکن است آلي (organic ) ،غيرآلي (inorganic)يا آلي ـ فلزي (organometallic )باشند .و ازديدگاه نحوه ي به وجود آمدن ممکن است مصنوعي يا طبيعي باشند .پليمرها ازجمله ي مواد ضروري براي بسياري از صنايع از جمله :چسب ها (adhesives ) ، مصالح ، ساختماني ، کاغذ، لباس ، الياف ، پوشش ها ، پلاستيک ها ، سراميک ، بتون ، کريستال مايع ، مقاومت هاي نوري و ...هستند .پليمرها درعلومي همچون :تغذيه ،مهندسي ، بيولوژي ، داروسازي ، کامپيوتر ،اکتشافات فضايي ، بهداشت و محيط زيست اهميت دارد .
پليمرهاي غيرآلي که به صورت طبيعي وجود دارند شامل :الماس ها ، گرافيت ، آزبست (پنبه ي نسوز )،شن،عقيق ، فلدسپار ،ميکا ،کوارتز ،تالک و ... مي شوند .
پليمرهاي آلي که به صورت طبيعي يافت مي شود عبارت اند از :پلي ساکاريدها (پلي کربوهيدرات ها )مانند :نشاسته و سلولز ،نوکلئيک اسيدها و پروتئين ها .
پليمرهاي غيرآلي ،مصنوعي عبارت اند از :نيتريد بور (Boron nitride )، بتون (Concrete )،بسياري از ابر رسانه هاي دما بالا و شماري از شيشه ها .
پلي سيلوکسين ها (Polysi loxanes )که به سيلوکسين نيز معروف اند .نمونه اي از پليمرهاي آلي ـ فلزي محسوب مي شود که به صورت مصنوعي تهيه مي گردد .
پليمرهاي مصنوعي که براي در ساختار برخي وسايل استفاده مي شود به طور قابل ملاحظه اي از فلزات سبک ترند .اين مواد به کاهش ميزان مصرف سوخت در وسايل نقليه و سفينه هاي فضايي کمک مي کند .زماني که به نسبت برابر وزني ازپليمر به جاي فلز استفاده کنيم مواد پليمري حتي از فلز نيز بهتر کار مي کنند .مثلاً درمورد کشش ).مواد پليمري باپيشرفت هاي انجام شده توانايي استفاده براي اهداف مهندسي به عنوان مثال :يراق آلات ، بلبرينگ ها و غشاهاي ساختاري را پيدا کرده اند .

شکل 1 : به سیاره ي پلیمر خوش آمدید

نام گذاري (Nomenclature ):

بسياري از پليمرها هم داراي نام معمولي ()و هم نام برپايه ي ساختارشان هستند .نام گذاري بر پايه ي ساختار به وسيله ي سازمان بين المللي شيمي محض و کاربردي (International Union of Pure and Applied Chemistry )که به اختصار IUPAC ناميده مي شود .پايه گذاري شده است .
بعضي از پليمرها به وسيله ي علامت اختصاري شان (واژه اي که از حروف اول چند واژه ايجاد شده )شناخته مي شوند .بعضي از شرکت هاي توليد کننده ي مواد پليمري ،نام هاي تجاري را براي توليدات پليمري خاصي که خود توليد کرده اند تعريف مي کنند .براي مثال پلي استر فرترل ( FortreL@polyester)شامل الياف پلي اتيلن کرفتالات ( PET)است .پليمرها معمولاً با نامگذاري سنتي ديده مي شوند .مثلاً دايون ، پلي استر ، نايلون و ...

ساختار (Composition):

ساختارهاي پليمري را مي توان به وسيله ي ساختارهاي ساده تر که در کل پليمر تکرار مي شوند، معرفي کرد .اين ساختارهاي شبيه به هم که در طي زنجيره ي پليمري تکرار شده اند را واحد تکرار شونده گويند .اين واحدهاي تکرار شونده را مونومريتر گويند .مونومرها با هم واکنش داده و پليمررا توليد مي کنند .واحد تکرار شونده ي پلي پروپيلن در شکل 2 نشان داده شده است .

شکل 2 : مونومر پلی اتیلن
به جز درپايان زنجيره هاي پليمري ، پلي پروپيلن از واحدهاي کاملاً تکرار شونده و شبيه به هم تشکيل شده اند .
عدد واحدها (The Namber of units )دريک زنجيره ي پليمري درجه ي پليمريزاسيون (degree of polymerization )ناميده مي شود که با DP نمايش داده مي شود .

ساختار ابتدايي (Primary Structure ):

ترتيب واحدهاي تکرار شونده در يک پليمرساختار ابتدايي Primary Structure ناميده مي شود .عوامل واکنش دهنده ي نامتقارن ، به عنوان مثال جانشيني مونمرهاي وينيل ، صرفاً توليداتي به صورت سر به ته ( head-to-tail)مي دهد ،که عامل جانشيني R ، بر روي کربن هاي يکي در ميان (متناوب )قرار مي گيرد .هراتم کربن داراي عامل R ، مرکز چيرال (Chiral center )با احتمال ژئومتري مختلف است .(هراتم در مولکول با 4 اتم واکنش مي دهد ).
آرايش هاي جايي که جانشين بر روي کربن چيرال به صورت رندوم است ساختارهاي اتاکتيک (Atactic structures )ناميده مي شود .
ساختارهايي که دراطراف کربن چيرال هستند .هندسه ي يکساني دارند که به آنها ايزوتاکتيک (Isotactic )يا استرورگيولر (Stereo regular)گويند.
ـ پليمرها مي توانند خطي (Linear )يا شاخه اي ( Branched )با مقدار طول شاخه ي متفاوت باشند .که اکثر پليمرها شامل تعدادي شاخه مي شوند .
ـ کوپليمرها (Copolymers )ازدو نوع مختلف مونومر مشتق شده اند .که ممکن است به صورت نمادهاي AوB نمايش داده بشوند .براين اساس ساختارهاي مختلفي در کوپليمرها رخ مي دهد که هرساختار خواص خاص خود را دارد .اين تنوع در نحوه ي قرارگيري مونومرهاي مختلف در کوپليمر شامل :يکي در ميان (Alternating )،راندوم ( Random )، بلوک (block )و گرافت (graft )مي شود .

ساختارثانويه (Secondary Structure ):

ساختار ثانويه به شکل محلي پليمر برمي گردد .که معمولاً برآيند و حاصل پيوند هيدروژني است .بيشتر زنجيره هاي پليمرهاي خطي انعطاف پذير تا نيمه انعطاف پذير منجر به ايجاد دو ساختار مارپيچ (helical ) و چين دار (pleated skirt )مي گردد .براي هردو نوع قطبي و غير قطبي از زنجيره هاي پليمري ، تمايل به گرفتن حالت مارپيچ با اجتماع مرکزدار وجود دارد که در داخل آن ها نيروهاي پيوند ثانويه وجود دارد .

سومين ساختار (Tertiary Structure ):

سومين ساختاريک پليمر به شکل سرتا سر يک پليمر اشاره دارد .به عنوان مثال در هم گيرکردن پلي پپتايد (poly peptide ).پروتئين هاي کروي شبيه گوي هاي ناهموارند که علت آن ترکيب پيچيده ي محيطي و محدوديت هاي مولکولي و فرصت هاي پيوندي است .
خيلي از پليمرهاي طبيعي و مصنوعي داراي ابرساختارند (Super structures )،به عنوان مثال :پروتئين هاي کروي و تجمع زنجيره هاي پليمري ، که ايجاد کلاف و دسته بندي هايي مي کند .

چهارمين ساختار (Duaternary structune ):

چهارمين ساختار به نحوه ي قرارگيري درفضاي دو يا بيشتر زير واحدهاي پليمر است .که اغلب از تجمع سومين ساختار حاصل مي شود .براي مثال : هموگلوبين (چهارمين ساختار )ترکيبي ضروري از چهار واحد ميوگلوبين ( سومين ساختار )است .بسياري از پليمرهاي مصنوعي به حالت کروي فورم مي گيرند .

توليد (Synthesis ):

براي اينکه پليمريزاسيون اتفاق بيفتد ، مونمرها بايد حداقل 2 نقطه ي واکنش پذير يا گروه هاي عاملي داشته باشند .دو راه اصلي در ايجاد پليمرهاي مصنوعي وجود دارد که يکي از روش ها ، روش افزايشي و ديگري روش تراکمي است .در سينتيک شناسي نوع زنجيري ،آغاز واکنش با ترکيب يک سري از مونومرها شروع مي گردد که نتيجه ي آن مخلوطي از تعداد زيادي مونومر واکنش نداده و پليمر است .
پليمرهاي وينيلي (Vinil Polymers )ازمونومرهاي وينيل مشتق مي شوند .و دراسکلت اصلي آنها فقط اتم کربن وجود دارد .مثال هايي از پليمرهاي وينيلي شامل پلي استيرن (Polystyrene ) ، پلي اتيلن (Polyethylene )، پلي بوتادي ان (Poly buta diene )، پلي پروپيلن (poly propylene )و پلي وينيل کلرايد (Poly vinid choloride )است .

شکل 3 : پلی اتیلن با دانسیته ی پایین (LDPE)
دومين روش عمده ي پليمريزاسيون مرحله اي (step - wise polymerization )است .پليمريزاسيون در مراحل داراي شکل جهت داراتفاق مي افتد .که موجب ايجاد يک ميانگين اندازه ي زنجيره اي مي گردد .
که امکان دارد از مخلوط واکنش يک عدد يا درجه ي پليمريزاسيون سر تاسري 2 ، سپس 5 ، سپس 10 و به همين منوال داشته باشيم تا همه ي مخلوط به پليمرهاي بزرگ تبديل شوند که تعداد مونومرهاي موجود اندک يا اصلاً وجود ندارد .پليمرهايي که به طورخاص از اين روش ايجاد مي شوند .شامل : پلي کربنات ها ( polycarbonates )،پلي استرها ( polyesters )و پلي يوريتان ها (polyurethanes )هستند . شکل 4

شکل 4 : پلی کربنات
زنجيرهاي پليمري که به روش تراکمي تهيه شده اند داراي اين خاصيت اند که اتم هاي غيرکربن نيز در ساختار آنها وجود دارد .براي پلي آميد ، نيتروژن در ساختار اصلي پليمر وجود دارد .درحالي که براي پلي کربنات ها اکسيژن در ساختار اصلي اضافه شده است .
پليمرهاي تراکمي درحالت مذاب توليد مي شوند (يعني اينکه واکنش دهنده ها حرارت داده مي شوند تا مذاب گردند ).يا اينکه در حالت محلول هستند ( يعني واکنش دهنده ها درحلال حل شده اند )و درحالتي ديگر واکنش بين فازي است (يعني اينکه واکنش دهنده ها در حلال هاي متفاوت از لحاظ امتزاج حل شده اند ).

خواص مولکولي (Molecular Properties ):

اين بخش براي اين مورد استفاده قرارگرفته تا کمک به فهم ساختار و رفتار پليمرها بکند وزن مولکولي يک زنجير پليمر خاص به وسيله ي مجموع وزن مولکولي واحدهاي تکرار شونده ايجاد مي شود .درميانگين آماري پليمرها را توصيف مي کند که يکي از آنها (وزن مولکولي ميانگين شماره اي است و ديگري وزن مولکولي ميانگين وزني است .)
اندازه مهمترين خاصيت پليمرهاست که به آنها اجازه ي انبارکردن اطلاعات را مي دهد .(پروتئين هاي و نوکلئيک اسيدها )،مواد پليمري هر عملي را که زنجيره هاي پليمري يا اجزاي پليمر را کج و راست کند به خاطر مي آورند . مثلاً خم کردن ،کشيده شدن ها ويا ذوب شدن ها.
اندازه ي همچنين به عنوان يک تجمع درون زنجيري ثانويه به شمار مي آيد که توسط نيروهاي واندروالس ايجاد گشته اند .براي پليمرهاي غيرقطبي ، مثلاً پلي اتيلن ، نيروي جاذبه براي هر واحد تکرار شونده کمتر از پليمرهاي قطبي است .پلي وينيل کلرايد که يک پليمر قطبي است .شامل نيروهاي جاذبه اي که منشا آنها گسيختگي ساختار و نيروهاي دو قطبي ، است که مجموع اين نيروها از نيروهاي موجود در پلي اتيلن کمتر است .پليمرهاي حاوي پيوند هيدروژني (مثلاً پلي ساکاريدها ، پروتيئن ها و نوکلئيک ها اسيدها و نايلون است ). نيروهاي جاذبه ي حتي بزرگتري نسبت به حالات قبل دارند .پيوند هيدروژني به قدري در سلولز قوي است که موجب عدم حلاليت آن درآب تا حدي که پيوندهاي بين زنجيري هيدروژني شکسته نشوند است .

شکل 5 : مونومر وینیل
پليمرها معمولاً ترکيبي از مناطق با آرايش منظم و نواحي بدون آرايش منظم هستند .
به نقاط با آرايش منظم بخش هاي کريستالي شده و به نواحي بي نظم بخش هاي آمورف گفته مي شود .نواحي کريستالي زيادي صلب اند و به پليمرها استحکام و مقاومت در برابر نيروهاي خارجي را اعطا مي کنند .نواحي آمورف، نيز به پليمر خاصيت انعطاف پذيري مي دهد .
اکثر پليمرهاي تجاري داراي تعادل در ميزان نواحي آمورف و کريستالين هستند که به پليمرخاصيتي مي دهند که هم انعطاف پذير و هم مستحکم باشند .
پليمرها مواد ويسکوالا هستند .پليمرهاي نرم ، مثلاً پلي اتيلن و پلي پروپيلن داراي تحمل در برابر کشيدگي بالاي دارند و درهنگام کشيدگي مقاومت و جهت گيري زنجيره اي پيدا مي کنند .
پليمرهاي ترد ،مثلاً پلي استيرن ، استقامت کافي ندارند .و درکشش هاي کمتر شکسته مي شوند .

شکل 6 : مونومر استیرن
ـ ليف (fiber )،يک ماده ي پليمري است که بسياربلند است و طول آن از ابعاد ديگرآن بسيار بزرگ تر است ، يک ليف يا رشته ي مقاومت کششي بالا ، سختي بالا و افزايش طول کمي درحين کشش دارد .

مواد (materials ):

الياف(fibers )مواد پليمري هستند که در يک جهت بسيار محکم اند و بيش از 100برابر عرضشان کوچکتر است .
ـ الاستومرها (elastomers )که به آنها رابرتير مي گويند مواد پليمراند که درهنگام اعمال نيرو بر آنها تغيير شکل داده و هنگامي که نيرو برداشته شود .به شکل اوليه باز مي گردند .
ـ پلاستيک ها ، موادي اند که خواصشان ميان الياف و الاستومرهاست .آنها سخت و انعطاف پذير هستند .پوشش ها و چسب ها عمدتاً از مشتقات مواد پليمري اند .البته از گروه هاي ديگر نيز مي توانند کمک بگيرند به عنوان مثال ، پلي سيلوکسان (polysiloxanes )الاستومراست در حالي که به عنوان چسب نيزاستفاده مي شوند .
چسب ها و پوشش هاي مورد استفاده درصنعت شامل :لامينات ها ( laminates )
ـ مواد لايه مانند ، درزگيرها و بتونه ها (Sealants and Caulks )، کامپوزيت ها (composites )،غشاها ( films)، کريستال هاي مايع (liquid crystals )، سراميک ها ، سيمان ها و مواد *مي شود .

افزودني ها (additives ):

مواد پليمري مورد استفاده معمولاً ترکيبي از يک پليمر و يک يا چند جزء ديگر است .که به پليمر اضافه شده اند .و نقش بهبود و خواص ، کمک به پروسه ي توليد و ايجاد خواص جديد را دارد .
مواد افزودني مي توانند جامد ، مايع و گاز باشند .افزودني هاي جديد نيز مانند :پلاستيسايزها (plasticizers )، آنتي اکسيدان ها ( antioxydants )،مواد افزودني رنگ زا ( colorants )، پرکننده ها (fillers )و تقويت کننده ها (reinforce ments )هستند .

بازيافت (Recycling ):

بسياري از پليمرها ترموپلاست (Thermoplastics )هستند. ازاين جهت اين مواد را مي توان پس از کاربرد دوباره ذوب و شکل دهي کرد .و با گرم کردن و فشار آنها دوباره محصولات جديد توليد کرد .بازيافت پليمرهاي ترموست (Thermosets)مشکل تر است .زيرا اين پليمرها ذوب نمي شوند و پيش از نرم شدن تخريب مي شوند .اين مواد در اکثر موارد آسياب شده و به پودر نرم تبديل مي شوند .اين پودر نرم با افزودني ها (معمولاً چسب ها ، باندها (Binders )آميخته شده و سپس شکل دهي مي شوند.

[ghasem motamedi]

لوله های کامپوزیتی

مواد اولیه : الیاف ، رزین ها ، و دیگر پرکننده ها

لوله های FRP با استفاده از تقویت کننده های الیاف شیشه ، رزین های گرما سخت ، مواد linerviel و انواع دیگر افزودنی ها ساخته می شوند . الیاف تقویت کننده معمولا ً از جنس الیاف شیشه E است . مشخصات اسمی الیاف شیشه E عبارتند از سفتی کششی در حدود 72400 مگا پاسکال ، استحکام کششی در حدود 3450 تا 3800 مگا پاسکال و درصد افزایش طول در حدود 4 تا 5 درصد . انواع دیگری از الیاف در این رده عمومی وجود دارند که نیازهای گوناگون مقاومت به خوردگی را برطرف می کنند اما الیاف شیشه E تا حدودی تمام بازار را تحت سلطه خود درآورده است . الیاف تقویت کننده دیگری برای کاربردهای ویژه و شرایط خورنده منحصربه فرد وجود دارد مانند FCR ، C ، AR و جز آن . الیاف تقویت کننده بسته به فرآیند ساخت لوله و تحمل بار مورد نیاز ، تغییر می کنند . الیاف تک جهته تابیده شده ، الیاف کوتاه ، تقویت کننده های رشته ای ، نمد ، الیاف بافته شده و انواع دیگر الیاف درساخت لوله های FRP کاربرد گسترده ای دارند .
درصد وزنی الیاف به طراحی محصول نهایی وابسته خواهد بود . جهت الیاف ، شیوه چیدمان لایه ها روی هم و تعداد لایه های تقویت کننده ، ویژگی های مکانیکی ، سفتی و استحکام واقعی لوله را تعیین می کند . رزین مورد استفاده در ساخت لولۀ FRP ویژگی های خاص خود را دارد . درحالی که ویژگی های استحکام و سفتی رزین چندین بار کم تر از الیاف است ، رزین نقش اساسی را ایفا می کند . رزین های گرما سخت گروه عمده ای هستند که در ساخت لوله FRP به کار می روند . رزین به عنوان چسب عمل کرده و الیاف را در ساختار لایه ای محصول پخت شده به هم متصل می کند . رزین در برابر خوردگی ناشی از عبور گازها و سیالات از درون لوله مقاومت می کند . مشخصات فیزیکی و شیمیایی رزین ، مقاومت حرارتی که به شکل یک مشخصه که دمای انتقال شیشه ای ، Tg ، نامیده می شود و ویژگی های روش ساخت نقشی کلیدی در طراحی لوله ایفا می کنند . درحالی که رزین های پلی استر ، وینیل استر و اپوکسی قصد تسلط بر بازار لوله های FRP را دارند ، رزین های دیگری نیز وجود دارند که مقاومت به خوردگی منحصر به فردی ایجاد می کنند . پلی استرها اغلب برای تولید لوله هایی با قطر زیاد استفاده می شوند . وینیل استرها مقاومت به خوردگی بیشتری معمولا ً در برابر مایعات خورنده قوی مانند اسیدها و سفیدکننده ها دارند . رزین اپوکسی معمولا ً برای لوله هایی با قطر کم تراز 750 میلی متر و فشارهایی در حدود 8/20 مگا پاسکال تا 6/34 مگا پاسکال استفاده می شوند .

طراحی و تولید لوله های FRP اغلب به اجزای افزودنی نیز نیاز دارد . بیشترین افزودنی ها به شکل دهی رزین های گرما سخت کمک می کنند و همچنین ممکن است برای تکمیل واکنش های شیمیایی و پخت چند لایی مورد نیاز باشند . کاتالیزورها و سخت کننده ها در این دسته قرار می گیرند . پرکننده ها ممکن است به علت مسایل اقتصادی و یا افزایش کارایی استفاده شوند . بعضی از لوله ها به ویژه لوله های گرانشی به شدت به سفتی خمشی بالایی نیاز دارند . در مورد لوله های زیر خاک ، سفتی خمشی با عامل EI اندازه گیری می شود که حاصل ضرب سفتی چندلایی کامپوزیتی E و ممان اینرسی سطح مقطع لوله I است . سفتی چندلایی E را می توان با تغییر جهت الیاف و افزایش حجم الیاف و موارد دیگر افزایش داد . از آنجایی که ممان اینرسی I با توان سوم ضخامت دیوار نسبت دارد ؛ هرگونه کوششی برای افزایش ضخامت دیواره ، ممان اینرسی را به طور چشمگیری افزایش می دهد . در نتیجه بعضی از لوله های گرانشی با افزودن شن در مرحله تولید ساخته می شوند . افزایش شن مایۀ افزایش ضخامت دیواره و در نتیجه افزایش ممان اینرسی و افزایش عامل EI می شود . این کار افزایش سفتی با استفاده از ماده نسبتا ً ارزان مانند شن نامیده می شود . بنابراین شن می تواند یک افزودنی مهم در ساخت لولۀ FRP باشد .

چندین روش برجسته در صنعت

لوله های FRP به دو روش اصلی ساخته می شوند : ریخته گری گریز از مرکز و پیچش الیاف . با این وجود روش های بسیار متغیر و بهبود یافته ای در این سالها ایجاد شده است . در روش ریخته گری گریز از مرکز ، الیاف درون یک لولۀ فولادی قالب قرار داده می شوند . مواد تقویت کننده خشک هستند و در این مرحله به رزین آغشته نمی شوند . لایه چینی ویژه مواد در لوله فولادی به وسیله مهندس طراح و با توجه به کارآیی نهایی مورد نیاز ، مشخص می شود . هنگامی که الیاف در سر جای خود قرار گرفتند ، لوله فولادی با سرعت بالایی آغاز به چرخیدن می کند . رزین مایع در مرکز لوله پاشیده می شود و با توجه به نیروی گریز از مرکز ، تقویت کننده خشک را آغشته می کند . پوسته کامپوزیتی در حال چرخش با استفاده از گرما به لوله ای با سطح داخلی و خارجی صاف تبدیل می شود . سطح داخلی ، اغلب یک سطح هموار و غنی از رزین است .
روش شرح داده شده ، روش ریخته گری گریز از مرکز معمولی و متداول است . الیاف بافته شده ، پارچه و نمدهای سوزنی از مواد ساختاری این روش هستند . درصد وزنی الیاف دراین روش ساخت ، معمولا ً بین 20 تا 35 درصد است . می توان با استفاده از بافت های متراکم تر با افزایش سرعت چرخش برای دست یابی به فشردگی بیشتر به درصد وزنی الیاف بالاتری دست یافت .
برای ساخت لوله های گرانشی با قطرهای زیاد که سفتی لوله یک عامل بحرانی است و به سختی حاصل می شود ، اغلب اوقات از روش بهینه شده ای به نام ریخته گری گریز از مرکز Hobas استفاده می شود . روش Hobas شبیه به ریخته گری گریز از مرکز معمولی است ، افزون براین که برای افزایش عامل EI ، شن نیز به مواد اولیه افزوده می شود . این روش اغلب در قطرهای بزرگ تر از 500 میلی متر استفاده می شود و شن بخش عمده ای از سازه خواهد شد . درصد وزنی الیاف حدود 20 درصد است . درصد وزنی رزین 35 درصد و مقدار شن 45 درصد وزنی است . بنابراین درصد بالای شن باعث افزایش سفتی مقطع I می شود ولی سفتی الاستیک E را افزایش نمی دهد . به خاطر اینکه شن یک ماده ساختاری نیست ، از لولۀ Hobas به عنوان لوله گرانشی استفاده می شود نه لوله فشاری . در فرآیند پیچش الیاف ، پوسته ای پیرامون یک سنبه چرخان با قطری برابر با قطر داخلی لوله به طور پیوسته پیچیده می شود و به طور کلی در این روش ، تغییراتی ایجاد شده است . در فرآیند پیچش الیاف دو جهته یا مارپیچی ، الیاف تحت زاویه و به صورت مارپیچی روی سنبه پیچیده می شود ، تا هنگامی که تمام سطح پر شود و تعداد لایه های درست روی هم چیده شود . زاویه پیچش معمولا ً در محدوه زاویه بهینه تئوری و بین 55 تا 75 درجه است . طراحی ، زاویه پیچش مناسب را مشخص می کند . این روش بیشترین سفتی E و استحکام را ایجاد می کند ؛ چون الیاف پیوسته هستند نه بریده شده و می توان به درصد وزنی الیاف 60 تا 80 درصد رسید .
یک نسخه بهینه شده این روش ، روش پیچش الیاف پیوسته Drostholm است که برای ساخت لوله های پیوسته نوآوری شده است . در این روش یک سنبه انعطاف پذیر به کار می رود که پس از پخت لوله و حرکت لوله به جلو به جای اول خود برمی گردد . به خاطر اینکه در این روش لایه چینی به صورت کاملا ً مارپیچی امکان ندارد ، پیچش الیاف به صورت حلقه ای 90 درجه انجام می شود و بین لایه های محیطی الیاف کوتاه پاشیده می شود ، ممکن است پرکننده های شنی و الیاف نمدی نیز به کار روند . درهر حال الیاف محیطی بریده شده ساختار اولیه هستند . درصد وزنی الیاف در این روش بین 45 تا 70 درصد است . در حالت ثابت بودن طول لوله که از پیچش الیاف به صورت محیطی به همراه الیاف کوتاه استفاده می شود ، این فرآیند پیچش حلقوی کوتاه Chop-Hoop Winding نامیده می شود . ممکن است از شن نیز در این روش استفاده شود . با این کار درصد وزنی الیاف نیز به 45 تا 65 درصد کاهش می یابد .
ممکن است بر سر این که کدام یک از این روش ها بهینه است ، بحث باشد . با این وجود بحث های فنی کلیدی معمولا ً پیرامون اثر افزایش شن بر روی ویژگی های مکانیکی چند لایی کامپوزیت FRP است . اثرات دراز مدت تحمل بار و رفتار خزشی در حضور پرکننده شنی در سالهای اخیر مورد توجه بوده است .

ملاحظات طراحی و محیطی

طراحی لوله های FRP با توجه به موضوعات هیدرولیکی و شارجریان انجام می شود ؛ چون این مسایل از ملاحظات اساسی در طراحی مؤثر جریان گاز و سیال در سیستم های لوله کشی هستند . لوله های FRP برتری های قابل توجهی نسبت به مواد مرسوم مانند لوله های فلزی و بتنی دارند . به عنوان مثال ، هموار بودن سطح داخلی لوله FRP باعث کاهش مقاومت سیال و انرژی لازم برای جریان یافتن سیال در داخل لوله می شود . به دلیل مقاومت لوله FRP در برابر خوردگی ، با گذشت زمان و استفاده از لوله ، سطح داخلی هموار باقی مانده و مقاومت در برابر خوردگی نیز نقش اساسی در لوله های FRP بازی می کند .
گستره دمایی در طراحی لوله های FRP به نوع کاربرد و نوع ماده ای که در درون لوله جریان خواهد داشت بستگی دارد . لوله های زیرزمینی برای دمای ثابتی که میانگین دمای محیط پیرامون آن ها با توجه به شرایط محلی است ، طراحی می شوند . لوله های سطح زمین چون تحت شرایط باد ، باران ، برف و پرتوهای فرابنفش قرار می گیرند گستره دمایی وسیع تری دارند . در هر دو حالت گستره دمایی براساس آب و هوا و شرایط منطقه ای که لوله در آن نصب می شود تثبیت می شود . این شرایط معمولا ً از محدوده 20 تا 65 درجه سانتی گراد خارج نمی شود . در حقیقت به جز در موارد اندک ، محدوده دمای کاری معمولا ً بین 20 تا 55 درجه سانتی گراد قرار دارد .
با این وجود توجه به دمای سطح داخلی لوله مهم است چون معمولا ً سیال یا گاز در دماهای بالایی بین 52 تا 150 درجه سانتی گراد در داخل لوله جریان می یابد . رزین و لایه آستر درونی اغلب اوقات بر اساس نوع ماده خورنده عبوری از درون لوله و دمای فرآوری آن برگزیده می شود . لوله های FRP را می توان برای بسیاری از کاربردها ساخت .
طراحی لوله FRP هم چنین به شدت ، تحت تأثیر محدوده فشار کاری است ؛ در حالی که بیشتر لوله ها طی عمر کاری خود در معرض فشار داخلی مثبت قرار دارند . بار خلأ نیز می تواند به عنوان یکی از فاکتورهای طراحی لوله ، به ویژه در مورد لوله های زیرزمینی مورد توجه قرار بگیرد . در مورد لوله های گرانشی زیرزمینی ، لوله های FRP اساسا ً بر مبنای سفتی مورد نیاز و با توجه به شرایط خاک ، عمق دفن و فشار خارجی طراحی می شوند .
با این وجود ، اگرچه لوله های گرانشی در رده های متفاوت سفتی طراحی می شوند ولی این طراحی به گونه ای است که لوله بتواند در محدوده فشار روزانه که به وسیله کاربر نهایی مشخص می شود ، به طور موفقیت آمیزی کار کند . دور از انتظار نیست که حتی یک لوله گرانشی FRP هنگام کار تحت فشارهای حدود 8 مگا پاسکال قرار بگیرد . در حقیقت لوله های گرانشی نیز برای تحمل خوب بارهای طولانی مدت طراحی می شوند . لوله های فشاری درواقع بنابر شرایط تحمل بارهای فشاری بلند مدت برای کار پیوسته در خط طراحی می شوند . در نتیجه ، لوله های فشاری FRP اساسا ً برای تأمین استحکام طراحی می شوند تا سفتی ؛ چون در شرایط بارگذاری کوتاه مدت و بلند مدت بارهای فشاری ، بسیار مورد توجه هستند .
بارهای خارجی می توانند به صورت بارهای ناشی از دفن لوله لوله های زیرزمینی ، بارهای خمشی و یا تماسی ، لوله های سطح زمین و یا بارهای حاصل از ترافیک لوله های زیرزمینی باشند . بسیاری از این بارها ممکن است در کارآیی بلند مدت لوله FRP بحرانی باشند و محاسبه جابه جایی ها و تنش های چندلایی تحت بار برای تضمین یک پارچگی سازه در طول عمر مفید مورد انتظار مهم است . بسیاری از راهنماهای طراحی و استانداردها ، طراحی لوله های FRP را از طریق این گونه محاسبات و تأییدیه ها کنترل می کنند .

در برخی از کاربردها که قابلیت اشتعال ، دود ، مقاومت در برابر آتش و سمی بودن مهم هستند ، مقاومت در برابر شعله می تواند از اصول طراحی باشد . از جاهایی که این مسایل مورد توجه هستند ، سکوهای نفتی دور از ساحل است . تولید کننده ها می توانند از رزین های گوناگون مقاوم در برابر شعله و یا لایه های خارجی مقاوم ، برای این منظور استفاده کنند .

[ghasem motamedi]

آشنایی با کامپوزیت ها
مقدمه:
بسیاری از فن آوریهای نوین به موادی نیاز دارند که ترکیب غیر معمولی از خواص را با آلیاژهای فلزی ، سرامیکی و پلیمرهای معمولی حاصل نمی آید بدست می دهد . به عنوان نمونه مواد مورد نیاز درسفینه های فضائی ، زیر دریائی ها و کاربردهای حمل و نقل از این قبیل است که باید در عین چگالی کم ، استحکام سفتی و مقاومت به سایش و ضربه نیز وجود داشته باشد.معمولا مواد مستحکم نسبتا چگال هستند واستحکام ضربه کمی دارند . کامپوزیت عبارت است از هر ماده چند فازی که سهم کافی از خواص هریک از فازها در آن وجود دارد وبنابراین ترکیب مناسبی از خواص بدست می آید.برخی انواع کامپوزیت مانندآلیاژ های فلزی چند فازی ، سرامیکها وپلیمرها مورد بحث واقع می شود .بعنوان مثال ریزساختار فولاد های پرلیتی متشکل از لایه های فریت و سمنتیت است . فاز فریت نرم و انعطاف پذیر است در حالی که سمنتیت بسیار ترد و سخت است. ترکیب مطلوب استحکام و انعطاف پذیر ی بالا در پرلیت ناشی ازوجود دو فاز مختلف فریت وسمنتیت است.کامپوزیت هایی درطبیعت نیز یافت می شود.چوب متشکل ازالیاف سلولزی مستحکم وانعطاف پذیر است که توسط یک ماده سفت تر به نام لیگنین کنار هم قرار گرفته اند.استخوان نیز یک کامپوزیت مستحکم و ترد است.
کاپوزینت یک ماده چند فازی است که بصورت مصنوعی ساخته می شود فازها باید از لحاظ شیمیائی متفاوت باشد و با فصل مشترکهایی مچزا شوند. مطابق این تعریف ، اغلب آلیاژهای فلزی و بسیاری از سرامیکها کامپوزیت نیستند زیرا فارهای چند گانه آنها درنتیجه یک پدیده طبیعی تشکیل شده است .بسیاری از کامپوزیت هاتنها از دو فاز تشکیل شده اند:

فاز زمینه که پیوسته است وفاز دیگر که غالبا فاز پراکنده است گفته می شود در بر گرفته است . خواص کامپوزیت به خواص فازهای تشکیل دهنده آن ، مقادیر آنها و هندسه فاز پراکنده شده وا بسته است . منظور از هندسه فاز پراکنده شده ، شکل و اندازه ذرات ، نحوه توزیع و جهت آنهاست .

کامپوزیت های ذره ای تقویت شده
فاز پراکنده شده در کامپوزیت های تقویت شده با ذرات هم محور و همسواست ، یعنی ذرات تقریبا در همه جهات همسو هستند. دو زیر دسته این نوع کامپوزیت ها عبارتند از : کامپوزیت های درشت ذره و مستحکم شده به وسیله پراکندگی ذرات .تفاوت این دو گروه به مکانیزم مستحکم شدن یا تقویت شدن بستگی دارد واژه درشد بدین جهت استفاده می شود که نشان دهد فعل و انفعال بین ذره – زمینه نمی تواند در مقیاس اتمی یا مولکولی صورت گیرد ومکانیک محیط های پیوسته استفاده می شود . در بیشتر این نوع کامپوزیت ها ، فاز پراکنده سخت تر وسفت تر از زمین است این ذرات تقویت شده جابجائی و حرکت فاز زمینه را در مجاور خود و مهار ومتوقف می کنند. اساسا زمینه ، مقداری از تنش اعمال شده را به ذرات منقل می کنند . میزان تقویت شدن یا بهبود رفتار مکانیکی به استحکام پیوند در فصل مشترک زمینه – ذره بستگی دار د . در کامپوزیت های مستحکم شده با ذرات پراکنده ، ذرات معمولا بسیار کوچکتر هستند و اندازه آنها بین nm10 تا nm 100 است . فعل وانفعال ذره – زمینه که به مستحکم شدن منجر می شود در مقیاس اتمی یا مولکولی رخ می دهد . بنابر این تغییر شکل مومسان مشکل می شود و استحکام کششی ، تسلیم و سختی بهبود می یابد .

کامپوزیتهای درشت ذره
کامپوزیتهای درشت ذره آشنای دیگر بتون است که زمینه آن سیمان است وذرات شن ماسه در آن وجود دارد . تقویت شدن موثر مستلزم آن است که ذرات کوچک باشد و بخوبی ر زمینه پراکنده شده باشد کامپوزیت های درشت ذره با هرسه نوع ماده ( فلزات ، پلیمرها، سرامیکها ) مورد استفاده قرار می گیرند . سرمتها نمونه کامپوزیتهای سرامیک – فلز هستند . معروف ترین سرمتها کاربید های سمانته هستند که از ذرات بسیار سخت یک سرامیک کاربیدی دیرگداز مثل کاربید تنگستن ( wc) یا کاربید تیتانیوم ( TiC) در زمینه از یک فلز مثل کبالت یا نیکل تشکیل شده اند . از این کامپوزیتها به عنوان ابزار فولادهای سخت کاری شده استفاده می شود . ذرات خاصیت برشی را ایجاد می کنند و زمینه ، از بهم پیوستن این ذرات ترد وامکان اشاعه ترک از طریق آنها جلوگیری به عمل می آورد . دیرگداز بودن زمینه و ذرات باعث می شود که دمایی که در اثر برش مواد بسیار سخت ایجاد می شود تحمل شود . هیچ ماده ای به تنهایی ترکیب خواص سرمت را نمی تواند داشته باشد. درصد حجمی ذرات میتواند تا 90% افزایش یابد و عمل سایندگی و برش را به حداکثر برساند.
الاستومر ها و پلاستیک ها غالبا" با ذرات مختلفی نظیر کربن سیاه تقویت می شوند. کرین سیاه ذرات بسیار ریز و کروی شکل کربن هستند که از طریق احتراق گاز طبیعی یا روغن در محیطی کم هوا تولید می شود . این ماده ارزان وقتی به لاستیک ولکانیزه شده افزوده می شود استحکام کششی، چقرمگی و مقاومت سایندگی و گسیختگی را افزایش می دهد . تایر خودرو محتوی 30%-15% حجمی کربن سیاه است . اندازه ذرات nm50-20 است. ذرات کربن سیاه پیوند چسبنده مستحکمی با ماده لاستیک برقرار می سازند در حالی که سایر مواد مثل سیلیس چنین نیستند

بتن یک کامپوزیت معروف از نوع درشت ذره است که درآن هر دو زمینه فاز پراکنده شده ، مواد سرامیکی هستند .
کامپوزیتهای مستحکم شده با ذرات پراکنده
فلزات و آلیاژهای فلزی را می توان با پراکنده سازی یکنواخت چند درصد حجمی ذرات ریز از یک ماده سخت و خنثی مستحکم نمود . فاز پراکنده شده فلزی یا غیر فلزی است . غالبا از مواد اکسیدی استفاده می شود . مکانیسم استحکام دهی در اینجا مانند سخت کاری رسوبی شامل فعل وانفعال بین ذرات و نابجائی ها درون زمینه است .

کامپوزیت های رشته ای تقویت شده
از لحاظ تکنولوژیکی ، مهمترین کامپوزیتها آنها هستند که فاز پراکند ه شده به شکل رشته است . کامپوزیتهای رشته ایی تقویت شده استحکام و یا سفتی بالائی دارند . این ویژگی به عنوان عواملی نظیر استحکام ویژه و مدول ویژه بالا می شود دو زیر گروه این دسته از کامپوزیتها بر اساس طول رشته نعیین می شوند . خواص مکانیکی این کامپوزیت ها به خواص رشته و میزان نیروی منتقل شده به رشته از سوی فاز زمینه بستگی دارد .بنابراین طول بحرانی رشته در استحکام دهی و سفت سازی موثر کامپوزیت نقش دارد.

کامپوزیت های رشته پیوسته وهمسو
خواص مکانیکی این نوع کامپوزیت ها به رفتار تنش – کرنش رشته و فاز زمینه ، درصد حجمی فاز و جهت اعمال نیرو بستگی دارد همسو بودن رشته ها ، رفتار غیر همسو را در خواص به دنبال دارد . در این حالت بسته به جهت طولی عمال نیرو جهت عرضی و عمود بر جهت رشته ها رفتار تنش – کرنش متفاوت خواهد بود ..

رشته ها
هر چه قطر رشته کوچکتر باشد ، رشته مستحکم تر از ماده زمینه خواهد بود. موادی که بعنوان رشته های تقویت کننده بکار میرود استحکام کششی بالایی دارند.براساس قطر و مشخصه رشته ها به 3 دسته تقسیم می شوند :ویسکرها ،رشته ها و سیم ها. ویسکر ها تک بلورهای بسیار نازکی هستند که نسبت طول به قطر آنها فوق العاده زیاد است.آنها مستحکم ترین موادی هستند که شناخته شده اند. مواد ویسکریشامل گرافیت ، کاربید سیلیسیم، نیترید سیلیسیم و اکسید آلومینیم است.

فاز زمینه
فاز زمینه کامپوزیت های رشته ای می تواند فلز ، پلیمر یا سرامیک باشد . معمولا از فلزات یا پلیمرها به عنوان ماده زمینه استفاده می شود زیرا انعطاف پذیری مطلوبی دارند . در کامپوزیت های زمینه سرامیکی جز تقویت کننده برای بهبود چقرمگی شکست استفاده می شود . در انتخاب ترکیب زمینه – رشته ، مهمترین عامل استحکام پیوند است .

کامپوزیت های زمینه پلیمری
کامپوزیتهای زمینه پلیمری از یک رزین پلیمری ( پلاستیک تقویت شده مولکول درشت ) به عنوان زمینه با رشتهایی به عنوان عامل تقویت کننده تشکیل شده است . از ویژگیهای این دسته از کامپوزیت ها ، کاربرد متنوع و گسترده ، خواص خوب در دمای محیط ، سهولت ساخت و هزینه کم است . این نوع کامپوزیت ها بر اساس نوع تقویت شدن به شیشه ایی ، کربنی و آرامید تقسیم می شود کامپوزیت های پلیمری رشته شیشه ای شامل رشته های شیشه ایی پیوسته یا ناپیوسته در زمینه پلیمری است در آینده بجای شیشه بیشتر از کربن به عنوان رشته تقویت کننده در کامپوزیت های پلیمری استفاده خواهد شد چون رشته های کربنی بیشترین استحکام ویژه و مدول ویژه را در میان مواد رشته های تقویت کننده دارا هستند . رشته های آرامید موادی با استحکام و مدول بالا هستند که در اوایل دهه 1970 عرضه شدند .
در کامپوزیت های زمینه پلیمری ، غیر از سه نوع رشته تقویت کننده شیشه ایی ، کربنی و آرامید گاه از بور ، کاربید سیلیسیم و اکسید آلومینیم در حد محدودی استفاده می شود رشته های بور در اجزا هواپیماهای نظامی ، تیغه ای پره بالگرد و برخی وسایل ورزشی بکار می رود از رشته کاربید سیلیسیم و آلومینا در راکتها ی تنیس ، مدار چاپی و دماغه مخروطی موشک استفاده می شود .

کامپوزیت های زمینه فلزی
در کامپوزیت های زمینه فلزی زمینه عبارت است از یک فلز انعطاف پذیر . برتری های این نوع کامپوزیت نسبت به کامپوزیت های زمینه پلیمری شاکل دمای عملکرد بالاتر ، شعله پذیر نبودن و مقاومت بیشتر در برابر تهاجم
سیالات آلی است . البته هزینه آنها بیشتر و در نتیجه استفاده از آنها محدود تر است .
از سوپر آلیاژها ، آلیاژهای آلومنییم و منیزیم ، تیتانیم و مس به عنوان مواد زمینه استفاده می شود . موادتقویت کنند ه ممکن است به شکل ذرات ، رشته های پیوسته و ناپیوسته و یا ویسکرها باشند که 10 الی 60% حجمی کامپوزیت را تشکیل می دهد رشته های پیوسته شامل کربن ، کاربید سیلیسیم ، بور ، آلومینا و فلزات دیر گداز است رشته های ناپیوسته از ذرات همین مواد تشکیل می شوند از یک جهت می توان سرمت ها را جز این ( MMC) ها قرار دارد .
خودرو سازان اخیرا در محصولات خود شروع به استفاده از کامپوزیتهای زمینه فلزی کرده اند به عنوان نمونه برخی قطعات موتور از زمینه آلیاژهای آلومینیم تقویت شده با رشته های آلومینا و کربن تولید شده که سبک وزن تر هستند و مقاومت آنها در برابر سایش و اعوجاج حرارتی بیشتر است استفاده از این نوع کامپوزیت ها در محورهای محرک که سرعت چرخش بالاتر و میزان کمتر سرو صدای ناشی از ارتعاش را به همرا دارد صورت گرفته است . صنایع هوا فضا نیز از این نوع کامپوزیت ها بهره می برد له عنوان نمونه در قطعات تلسکوپ فضائی هابل از رشته های گرافیتی پیوسته استفاده شده است .

کامپوزیت های زمینه سرامیکی
بدلیل مقاومت آلی در برابر اکسایش در دمای بالا ، با وجود احتمال شکست ترد ، بهترین گزینه برای استفاده در دمای بالا و تنش های شدید است . به ویژه در قطعات موتور خودرو و توربین های گازی هواپیما . چرمگی شکست این کامپوزیت ها معمول است در حالی که در اغلب فلزات 15 است . چقرمگی شکست نسل جدید و توسعه یافته کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMC) که بصورت ذزه ای، رشته ای یا ویسکری از مواد سرامیکی است بهبود یافته و 6 رسیده است . این بدان دلیل است که ترکی که در زمینه ایجاد می شود توسط ذرات ، رشته ها یا ویسکرها نتنها اشاعه نمی یابد بلکه از اشاعه آن ممانعت به عمل مِی آید
به این امرکمک می کند.کامپوزیت های زمینه سرامیکی را با روش های پرسکاری گرم ، پرسکاری ایزوستاتیک گرم وزینتر کردن فاز مذاب تولید می کند آلومینا های تقویت شده با ویسکرهای SiC به عنوان ابزار برش در ماشین کاری آلیاژهای فلزی سخت استفاده می شود
سراميك­هاي پيشرفته داراي ويژگي­هاي مطلوبي مانند سختي، استحكام بالا، تحمل دماهاي بالا، خنثايي شيميايي، مقاومت در برابر فرسايش و چگالي كم هستند. ولي در برابر بارهاي كششي و ضربه ضعيف­ هستند و بر خلاف فلزات، از خود انعطاف­پذيري نشان نمي­دهند و مستعد شكست تحت بارهاي مكانيكي و شوك حرارتي هستند. اگر مقايسه­اي بين سراميك­ها و ديگر مواد داشته باشيم، بايد گفت كه سراميك­ها تنها گروه از مواد هستند كه در دماهاي بالا قابل استفاده­اند و داراي سختي، استحكام و مدول الاستيك بالاتري از فلزات و پليمرها مي­باشند. همچنين چگالي، ضريب انبساط حرارتي و هدايت الكتريكي و حرارتي كمي دارند. به ويژه چگالي و انبساط حرارتي كم سراميك­ها اهميت زيادي در اغلب كاربردها دارد. كه اگر چه نسبت مدول الاستيسيتة تقويت‌كننده و زمينه در كامپوزيت­هاي زمينه فلزي و پلميري عموماً بين 10 و 100 است ولي براي كامپوزيت زمينه سراميكي، اين نسبت معمولاً برابر يك يا كمتر از آن است. نسبت مدول بالا در كامپوزيت­هاي زمينه فلزي و پليمري، سبب انتقال موثر بار از زمينه به تقويت­كننده مي­شود. در حالي كه در يك كامپوزيت سراميكي، زمينه و تقويت­كننده در توانايي تحمل بار اختلاف زيادي ندارد؛ به اين معنا كه هدف از ساخت كامپوزيت سراميكي، افزايش استحكام نيست. مگر آن­هايي كه زمينة آنها مدول الاستيسيتة كمي دارند ­(مانند زمينه­هاي شيشه­اي).

ازحوزه­هاي مهم در تهيه كامپوزيت­هاي زمينه سراميكي انواع گوناگون شيشه، شيشه‌سراميك­ها و سراميك­هايي همچون كربن، كاربيدسيليسيوم، نيتريدسيليسيوم، آلومينات­ها و اكسيدها. تقويت­كنندهاي مورد استفاده عبارتند از كاربيدها، بوريدها، نيتريدها و كربن. كامپوزيت­هاي زمينه سراميكي تنها كامپوزيت­هايي هستند كه بالاي 900 درجة سانتيگراد استحكام خود را حفظ مي­كنند. عمده­ترين كامپوزيت­هاي زمينه سراميكي عبارتند از: كامپوزيت­هاي كربن/كربن، كامپوزيت­هاي آلومينا/SiCو كامپوزيت­هايي با زمينهSi3N4 يا SiC تقويت شده با الياف پيوسته SiC و كربن.
معمولاً كاربرد كامپوزيت­هاي سراميكي به دو دستة هوافضايي و غيرهوافضايي تقسيم مي­شوند. در كاربردهاي هوافضايي مسالة اصلي، عملكرد كامپوزيت است. در حالي كه در كاربردهاي غير هوافضايي عامل قيمت بسيار مهم است.

كامپوزيت­هاي سراميكي با الياف پيوسته، عموماً داراي خواص مكانيكي ويژة بالايي هستند و مي­توانند در كاربردهاي هوافضايي دماي بالا به كار گرفته شوند. كامپوزيت­هاي كربن/كربن با پوشش SiC به عنوان محافظ حرارتي در شاتل­هاي فضايي استفاده شده است و كامپوزيت­هاي كاربيد سيليسيم/كربن مواد مناسبي براي هواپيماها هستند.

از كاربردهاي غير هوافضايي كامپوزيت­هاي سراميكي مي­توان به اجزاي موتورهاي دما بالا، مته و ابزار تراش، اجزاي مقاوم در برابر سايش، لوله اگزوز، نازل، لوله­هاي مبدل گرما و غيره اشاره كرد.

کامپوزیت های ساختاری
کامپوزیت های ساختاری معمولا از مواد کامپوزیتی و همگن تشکیل شده که خواص آن به مشخصه های مواد اچزا و طراحی هندسی عناصر ساختاری بستگی دارد دو زیر گروه معروف این نوع کامپوزیت ها ، کامپوزیتهای لایه ای و چند لایه ( ساندویچی ) است یک کامپوزیت لایه ای متشکل از ورق های پلاستیکی رشته های تقویت شده پیوسته وهمسو است . کامپوزیت ساندویچی متشکل از دو وجه یا ورق مستحکم بیرونی است که بین آنها ماده کم چگال که استحکام وسفتی کمتری دارد قرار گرفته است . مواد ورقه ها ی بیرونی معمولا از آلیاژهای آلومینیم ، پلاستیکهای تقویت شده رشته ای ، تیتانیم و فلاد است. مواد بین ورقه ها در برابر تغییر شکل عمود بر ورقها و نیز بصورت برشی مقاومت می کنند. این مواد بهشکل لانه زنبور و از جنس ورقهای بیرونی ساخته می شود.

[ghasem motamedi]

آيا کامپوزيت ها جانشيني مناسب براي مواد سنتي هستند؟
کامپوزيت ها (coposites ):

در جوامع پشرفته نياز به مواد کامپوزيتي ديده مي شود .فايبرگلاس ( fiber glass)،که در اواخر دهه ي 1940 توليد شد اولين کامپوزيت مدرن است.و هم اکنون نيز متداولترين کامپوزيت مصرفي در کشورهاي مختلف جهان است .امروزه فايبرگلاس تقريباً 65 درصد از کامپوزيت هاي مصرفي در کشورهاي مختلف جهان را تشکيل مي دهد .اين کامپوزيت در بدنه هاي قايق (boot hulls)، تخته هاي موج سواري (surf boards)، وسايل ورزشي ( sporting goods) ، لاينينگ استخرهاي شنا(swimming poll lining)، پانل هاي ساختماني (building panels)و بدنه هاي ماشين (car bodies)کاربرد دارد .و اين امکان وجود دارد که شما از اين کامپوزيت استفاده کرده باشيد درحالي که نمي دانستيد که جنس آن را از فايبر گلاس است .

چه چيز از يک ماده ي کامپوزيت مي سازد ؟

مواد کامپوزيتي ازترکيب دو يا چند ماده با خواص متفاوت به وجود مي آيند . مواد مختلف با يکديگر مخلوط گشته تا خواصي بي همتا به ماده ي کامپوزيتي بدهد .اما ازلحاظ ساختار داخلي به آساني قابل تشخيص هستند .يعني مواد ترکيب شده در يک ماده ي کامپوزيتي به آساني قابل ديدن هستند .و در هم حل نشده اند و با هم پيوند نداده اند .
کامپوزيت ها درطبيعت نيزيافت مي شوند .يک تکه چوب کامپوزيتي ازالياف بلند سلولز (حالتي بسيار پيچيده از نشاسته )که با مواد بسيار ضعيف تري که ليگنين (lignin)ناميده مي شوند به هم اتصال پيدا کرده اند .سلولز همچنين در پنبه (linen)و کتان (cotton)نيز وجود دارد ، اما قدرت پيوند ليگنين است که باعث شده يک تکه چوب از يک تکه پنبه محکم تر باشد .

کامپوزيت ها مواد جديدي نيستند :

انسان ها از مواد کامپوزيتي به مدت هزاران سال استفاده مي کردند .مثلاً آجرهاي گلي که يک بيسکويت (تکه )از گل خشک شده است به آساني با يک خم کردن مي شکند .
که علت آن ايجاد يک نيروي کششي دريک سمت آن است .اما همين آجر يک ديوار خوب را مي سازد و علت اين امراين است که کليه ي نيروهاي وارده بر آجر از نوع فشاري است به عبارت ديگر يک تکه حصير ،مقاومت کششي خوبي دارد .اما اگر آن را مچاله کنيد (يعني آن را فشاردهيم )به آساني دفورمه مي شود .اما اگريک تکه از حصير را در يک آجر گلي تعبيه کنيد . و اجازه دهيد قطعه خشک شود .نتيجه ي کار آجري است که هم در برابر کشش و هم دربرابرگسيختگي مقاومت مي کند .و يک ماده ي ساختماني مناسب است .اگربخواهيم فني تر نگاه کنيم ، اين آجر داراي حصير هم مقاومت کششي (tenside shrongh)هم مقاومت فشاري (compressive strengh)خوبي دارد .
کامپوزيت معروف ديگر بتون است که از مصالح سنگي (سنگ و ماسه هاي ريز و درشت )تشکيل شده که به وسيله ي سيمان به هم ديگر متصل شده اند .بتون مقاومت خوبي در برابر فشار دادن و اين ماده را مي توان به وسيله ي افزودن ميله هاي فلزي (metallic rods)، سيم ها (wires)،توري (mesh)يا کابل ها (cables) کامپوزيت کرد تا در برابر کشيدگي نيزبتواند رفتار خوبي داشته باشد .( بنابراي بتون تقويت شده حاصل مي شود ).

ساختن يک کامپوزيت (making a composite):

بيشتر کامپوزيت ها فقط از دو نوع ماده ساخته شده اند .يک ماده [ ماتريکس (martix)يا اتصال دهنده ]دراطراف قرار گرفته و موجب اتصال کلوخه ها ، الياف يا خرده هاي ماده ي سخت تر [تقويت کننده (reinforcement)مي گردد .]
درمورد آجرهاي گلي اين دو وظيفه به وسيله ي حصير و گل انجام مي شود ، در بتون به وسيله ي سيمان و کلوخه هاي ماسه اي و دريک تکه چوب به وسيله ي سلولز و ليگنين انجام مي شود .درفايبرگلاس ، تقويت کننده الياف نازکي از شيشه است که عموماً مانند پارچه بافته مي شود .و زمينه ( matrix)ازماده ي پلاستيکي تشکيل شده است .
الياف رشته اي و نازک شيشه در فايبرگلاس در برابر کشش مقاومت بسيار بيشتري نسبت به فشار ازخود نشان مي دهند .اما اين الياف بسيار شکننده اند و اگر به تندي خم شوند از هم گسيخته مي شوند .ماتريکس نه تنها الياف را در کنار هم نگه مي دارد .بلکه مي تواند با توزيع تنش ها در کل ماده از کامپوزيت محافظت کند .
ماتريکس (زمينه )به حدي نرم است که مي توان با ابزار آلات آن را شکل دهي کرد .يا با حلال هاي مناسب آن را نرم کنيم و در صورت نيازآن را ترميم کنيم .هرتغييرشکل يک صفحه ي فايبرگلاس ، نياز به کشيده شدن مقداري از الياف شيشه را دارد .
و اين الياف در برابر آن مقاومت مي کنند ، بنابراين حتي يک صفحه ي نازک از فايبرگلاس بسيار محکم است .رنگ اين ماده همچنين مي تواند بسيار روشن باشد ، که خود يک مزيت دربسياري از کاربردهاست .
در دهه هاي اخير ،بسياري از کامپوزيت هاي جديد توليد شده است ، که بعضي از آنها خواص با ارزشي دارند .با دقت در انتخاب تقويت کننده ، زمينه پروسه ي ترکيب اين دو ماده درهم ، يک مهندس مي تواند خواص مختلف را ترکيب و به خاصيت هاي مد نظرش برسد .آنها مي توانند ، براي مثال يک صفحه ي کامپوزيتي بسيارمحکم در يک جهت بسازند (به وسيله ي موازي کردن الياف در يک جهت خاص که البته استحکام در جهت ديگر قطعه ممکن است بسيار کمتر از جهت هدايت شده ي ما باشد )که البته ايجاد استحکام در يک جهت از کارهايي است که مد نظر ماست و در بعضي از کاربردها به درد ما مي خورد .آنها همچنين مي توانند خواصي چون مقاومت در برابر گرما ، عوامل شيميايي و هوازدگي را به وسيله ي انتخاب زمينه ي مناسب در کامپوزيت ايجاد کنند .

مواد انتخابي براي زمينه (choosing materials for matrix):

براي زمينه ، در توليد بسياري از کامپوزيت هاي پيشرفته از پلاستيک هاي ترموست و ترموپلاست که زرين نيز ناميده مي شوند استفاده مي شود . پلاستيک ها، پليمرهايي هستند .که تقويت کننده ها را به هم چسبانده و کمک مي کند تا خواص محصول نهايي ايجاد شود .
پلاستيک ها گرمانرم (Thermosoftening plastics)همانگونه که از اسمشان پيداست در دماهاي پايين سخت اما هنگامي که به آنها گرما بدهيم نرم مي شوند .اگرچه اين مواد عموماً کمتر از پلاستيک هاي ترموست استفاده مي شوند.ولي مزايايي چون چقرمگي شکست بالاتر (fracture toughness)،دوام طولاني تر (longer shelflife)، قابليت بازيافت و محيط کاري ايمن تر و تميزتر (زيرا از حلال هاي آلي که براي پروسه ي سخت کردن است استفاده نمي شود )را داراست .
سراميک ها ، کربن و فلزات به عنوان زمينه براي برخي از اهداف خيلي خاص استفاده مي گردد .براي مثال :سراميک هنگامي استفاده مي شود که مواد با دماهاي بالا سر و کار دارند .[مثلاً مبدل هاي حرارتي (heat exchanging)].ازکربن نيز براي توليد محصولاتي که با سايش و پوسيدگي مواجه اند استفاده مي شود .[مثلاً يا طاقان ها (bearing)و گريبکس ها (gears)].

مواد انتخابي براي تقويت کننده (choosing materials for the rein for cement):

اگر چه الياف شيشه (glass fibres)از متداولترين تقويت کننده به حساب مي آيد .ولي بسياري از کامپوزيت هاي پيشرفته درحال حاضر از الياف نازک کربن خالص توليد مي شوند .

الیاف شیشه (Glass fibres)

الياف کربن (carbon fibres)ازالياف شيشه محکم تراند ، اما توليد آنها گران تر است .الياف کربن سبک اند درعين اينکه محکم نيز هستند .اين الياف در ساختار سفينه هاي فضايي و در توليدات ورزشي [ مانند وسايل گلف (golf clubs)]و به طور زياد شونده و با سرعت استفاده ي روز افزون به جاي فلز براي ترميم و جانشين استخوانهاي آسيب ديده مورد استفاده قرار مي گيرد .الياف محکم تر (و البته گران تر )ازالياف کربن الياف بورن (Boron fibres)هستند .
پليمرها نه تنها براي زمينه استفاده مي شوند .بلکه از آنها مواد تقويت کننده ي خوبي براي استفاده در کامپوزيت ها ايجاد شده است .کولار (kevlar)، الياف پليمري است که بي اندازه محکم است .و موجب افزايش چقرمگي در کامپوزيت ها مي شود .اين پليمر به عنوان تقويت کننده در توليدات کامپوزيتي که نياز به وزن کم (حالت سبکي )و ساختمان پايدار دارد استفاده مي شوند .(مثلاً بخش هايي از بدنه ي يک هواپيما ).مواد کامپوزيتي مورد استفاده ي اصلي را از کولار ندارند .کولار براي جايگزيني به جاي فولاد در لاستيک هاي راديال (radial tyres)و در حال حاضر نيز براي استفاده در جليقه هاي ضد گلوله (bullet proofvests)و کلاه هاي ايمني (helmets)سنتز و توليد شده است .

ساخت بدنه هواپیما با استفاده از مواد کامپوزیتی

انتخاب روش توليد (choosing the manufacturing process):

توليد يک شيء از مواد کامپوزيتي معمولاً به وسيله ي ايجاد قالب هايي براي فرم دهي انجام مي شود .مواد تقويت کننده ابتدا در قالب قرار داده مي شوند و سپس ماده ي نيمه مايع زمينه به داخل قالب اسپري يا پمپ مي شود و شکل جسم ايجاد مي شود .فشارمعمولاً براي خارج کردن حبابهاي هواي موجود در نمونه ي کامپوزيتي اعمال مي شود .سپس به قالب گرما داده مي شود تا زمينه جامد گردد .
پروسه ي قالب گيري معمولاً به وسيله ي دست انجام مي شود .ولي امروزه پروسه ي اتوماتيک به وسيله ي دستگاه نيزعموميت يافته است .يکي از روشهاي جديد که اکسترود کششي (pultrusion)[واژه اي که از دو لغت pull به معناي کشيدن (extrusion)با سطح صاف .اين مواد سطح مقطع عرضي ثابتي دارند که در توليد به ما کمک مي کند مانند توليد تيرهاي پل از جنس کامپوزيت .
در بسياري از ساختارهاي نازک با اشکال پيچيده مانند پانل هاي خميده ، ساختار کامپوزيت با چسبانيدن صفحات الياف بافته شده که نقش تقويت کننده را دارند به وجود مي آيد ، سپس به وسيله ي زمينه ي پليمري پر مي شود .البته اين کار در يک قالب پايه انجام مي شود و زماني که پانل درضخامت مورد نظر ساخته شد مواد زمينه خشک و جامد مي گردند .

نمونه ای از کامپزیت با ساختار لانه زنبوری

در بسياري از کامپوزيت هاي پيشرفته (به عنوان مثال آنهاي که در بال و پانل هاي بدنه ي هواپيما کاربرد دارند )ساختار ممکن است شامل يک پلاستيک به حالت لانه زنبوري باشد که درميان دو پوسته ي کامپوزيتي تقويت شده با الياف کربن پيچيده شده باشد .

شکل : الیاف کربنی ( Corbon fibers)

اين کامپوزيت هاي ساندويچي ،استحکام بالا و سختي پيوندي مخصوصي را با وزن کم ايجاد مي کنند .شبيه به هرچيزي که به هواپيما مربوط باشد . اين پانل ها نيز گران قيمت هستند .
*چرا از کامپوزيت ها استفاده مي کنيم ؟ (so why use composites):
بزرگترين حسن مواد کامپوزيتي استحکام و سختي توأمان و سبکي آنهاست . با انتخاب مطلوب مواد تقويت کننده و زمينه ، توليدات مي توانند خواصي داشته باشند که نيازهاي ما را براي يک ساختار خاص و براي يک هدف خاص برآورده کند .هوانوردي مدرن ،هردو بخش نظامي و غيرنظامي مثال اول ماست .اين صنعت بدون کامپوزيت ها کارآمد نيست .
درحقيقت ، نيازها براي توليدات صنعتي تمايل به موادي دارد که درعين سبکي ، محکم نيز باشند .اين امر منجر به توسعه ي کامپوزيت ها گشته است . قطعات بال (wing)، دم (tail)، ملخ ها (propellers)و پره هاي چرخان (rotor blades)عمدتاً از کامپوزيت هاي پيشرفته ساخته مي شوند .
بدنه هاي هواپيماهاي کوچکتر از مواد کامپوزيتي توليد مي شوند .که اکثر بخشهاي آنها از بدنه گرفته تا بال ها و دم از جنس مواد کامپوزيتي است .
در مورد فکرکردن به هواپيماها، اين با ارزش است که بدانيم کامپوزيت ها احتمال شکست کامل کمتري نسبت به فلزاتي مانند آلومينيوم (Al )در شرايط اعمال تنش دارند .
يک ترک ريز در داخل يک قطعه ي فلزي مي تواند به سرعت گسترش يابد و نتايج مخرب زيادي ايجاد کند .(به خصوص در مورد هواپيما )ولي در کامپوزيت ها الياف مانند يک سد در برابر گسترش ترک مقاومت نموده و تنش را بر روي محيط اطراف توزيع مي کنند .
کامپوزيت هاي اصلاح شده همچنين در برابر گرما و خوردگي مقاومت مي کنند .اين مزيت باعث مي شود که از کامپوزيت ها در محصولاتي که با محيط هاي خطرناک مانند قايق ها ، ابزارآلات در تماس با مواد شيمايي (chemical-handling a quipment)و فضاپيما استفاده گردد .به طورعمومي ، کامپوزيت ها موادي مقاوم هستند .مزيت ديگر آنها اين است که توليداتي با انعطاف پذيري توليد مي کنند . کامپوزيت ها مي توانند به شکل دهي پيچيده قالب گيري شوند .
چيزخوبي که درهنگامي که مي خواهيم چيزي مانند يک تخته ي موج سواري يا بدنه ي قايق را بسازيم به ما کمک کند .
عيب کامپوزيت ها معمولاً قيمت بالاي آنهاست .اگرچه پروسه ي توليد اغلب کم خرج است .ولي مواد اوليه ي کامپوزيت ها گران قيمت است . کامپوزيت ها هرگز به طورکامل جانشين مواد سنتي مانند فولاد نمي شوند اما در بسياري از موارد کامپوزيت ها همان چيزي هستند که ما مي خواهيم .

[ghasem motamedi]

استفاده از فناوري نانو براي ديرسوزكردن پليمرها
نانوكامپوزيت‌هاي ديرسوز

با توجه به اين كه امروزه حجم وسيعي از كالاهاي مصرفي هر جامعه‌اي را پليمرهايي تشكيل مي‌دهند كه به‌راحتي مي‌سوزند يا گاهي در مقابل شعله فاجعه مي‌آفرينند، لزوم تحقيق در خصوص مواد ديرسوز احساس مي‌شود. بر همين اساس، در كشورهاي صنعتي، تلاش گسترده‌اي براي ساخت موادي با ايمني بيشتر در برابر شعله آغاز شده است و در اين زمينه نتايج مطلوبي هم به دست آمده است.

بر همين اساس و با توجه به تدوين استانداردهاي جديد ايمني، به نظر مي‌رسد استانداردهاي ساخت مربوط به پليمرهاي مورد استفاده در خودروسازي، صنايع الكترونيك،‌ صنايع نظامي و تجهيزات حفاظتي و حتي لوازم خانگي، در حال تغيير به سوي مواد ديرسوز است.

از طرف ديگر مدتي است كه نانوكامپوزيت‌هاي پليمر – خاك­رس به عنوان موادي با خواص مناسب مثل تأخير در شعله­وري، توجه بسياري از محققان را به خود جلب كرده است. بنابراين به­نظر مي‌رسد كه نانوكامپوزيت‌هاي پليمر – خاك­رس مي‌توانند جايگزين مناسبي براي مواد پليمري معمولي باشند؛

براي تهيه پليمرهاي ديرسوز، علاوه بر رفتار آتش‌گيري، عوامل زيادي بايد مورد توجه واقع شوند؛ از جمله اينكه:

از افزودني‌هايي استفاده شود كه قيمت تمام­شده محصول را خيلي افزايش ندهد. (مواد افزودني بايد ارزان قيمت باشند.)

مواد افزودني به پليمرها بايد به آساني با پليمر فرآيند شود.

مواد افزوده‌شده به پليمر نبايد در خواص كاربردي پليمر تغيير قابل ملاحظه ايجاد كند.

زباله‌هاي اين مواد نبايد مشكلات زيست­محيطي ايجاد كند.

با توجه به اين موارد، خاك­رس از جمله بهترين مواد افزودني به پليمرها محسوب مي‌شود كه مي‌تواند آتش‌گيري آنها را به تأخير بيندازد و سبب ايمني بيشتر وسايل و لوازم ‌شود. مزيت ديگر خاك‌ رس فراواني آن است كه استفاده از اين منبع خدادادي را آسان مي‌كند.

ويژگي‌هاي نانوكامپوزيت‌هاي پليمر – خاك­رس

خواص مكانيكي نانوكامپوزيت‌هاي پليمر-نايلون6 كه از نظر حجمي فقط حاوي پنج درصد سيليكات است، بهبود فوق‌العاده­اي را نسبت به نايلون خالص از خود نشان مي‌دهد. مقاومت كششي اين نانوكامپوزيت 40 درصد بيشتر، مدول كششي آن 68 درصد بيشتر، انعطاف‌پذيري آن 60 درصد بيشتر و مدول انعطاف آن 126 درصد بيشتر از پليمر اصلي است. دماي تغيير شكل گرمايي آن نيز از 65 درجه سانتي­گراد به 152 درجه سانتي­گراد افزايش يافته است. در حاليكه در برابر همة اين تغييرات مناسب، فقط 10درصد از مقاومت ضربه آن كاسته شده است.

نتايج تحقيقات حاكي از آن است كه ميزان آتشگيري در اين نانو كامپوزيت پليمري حدود 70 درصد نسبت به پليمر خالص كاهش نشان مي­دهد و اين در حالي است كه اغلب خواص كاربردي پليمر نيز تقويت مي­شود. البته كاهش در ميزان آتشگيري پليمرها از قديم مورد بررسي بوده است. بشر با تركيب مواد افزودني به پليمر ميزان آتشگيري آنرا كاهش داد ولي متاسفانه خواص كاربردي پليمر هم متناسب با آن كاهش مي­يافته است. در واقع كاهش در آتشگيري همزمان با بهبود خواص كاربري پليمرها ويژگي منحصر به فرد فناوري نانو است، خصوصاً اينكه تنها با افزودن 6 درصد ماده افزودني به پليمر تا 70 درصد آتشگيري آن كاهش مي­يابد.

برخي نانوكامپوزيت‌هاي پليمر – خاك­رس پايداري حرارتي بيشتري از خود نشان مي‌دهند كه اهميت ويژه‌اي براي بهبود مقاومت در برابر آتش­گيري دارد. اين مواد همچنين نفوذپذيري كمتري در برابر گاز و مقاومت بيشتري در برابر حلال‌ها از خود نشان مي‌دهند.

استانداردسازي؛ ابزار قدرت در دست كشورهاي پيشروي صنعتي

تطابق با استانداردهاي جديد موضوعي است كه همواره كشورهاي پيشرو بر كشورهاي پيرو ديكته كرده‌اند. در كشورهاي پيشرو صنعتي،‌ استانداردها همواره رو به بهبود است. در اين كشورها براساس جديدترين نتايج تحقيقات و مطالعات متخصصان، هر چند وقت يكبار، استانداردها دستخوش تغيير مي‌شوند و ديگر كشورها ناچار خواهند بود در مراودات تجاري خود با آنها اين استانداردها را رعايت كنند و به اين ترتيب، مجبور مي‌شوند كه نتايج تحقيقات آنها را خريداري كنند. مطلب زير مثالي از اين موارد است:

چندي پيش در جرايد اعلام شد كه بنا بر تصميم جديد اتحاديه اروپا، هواپيماهايي كه مجهز به سيستم جديد ناوبري (مطابق با استاندارد جديد پرواز)‌ نباشند، اجازه پرواز بر فراز آسمان اروپا را ندارند. در آن زمان در كشور ما فقط تعداد معدودي از هواپيماهاي مجهز به اين سيستم وجود داشت. اخيراً هم اتحاديه مزبور اعلام كرده است كه ورود كاميون‌هاي فاقد استاندارد زيست­محيطي به خاك اروپا ممنوع است. در پي اين اعلام، خودروسازان ايراني به ناچار استانداردهاي خود را با شرايط جديد تطبيق دادند.

نكتة پاياني؛ نتيجه­گيري

هر چند ممكن است استفاده از برخي فناوري­ها در كشور ما در حال حاضر موضوعيت نداشته و يا اينكه مقرون به صرفه نباشد. ولي اگر جهت­گيري تحقيقات و پژوهش­ها در جهان را مد نظر قرار دهيم متوجه مي­شويم كه در آينده نزديك ناگزير به استفاده از اين فناوري­ها خواهيم بود. بنابراين لازم است از فرصت­هاي موجود براي ايجاد اين توانمندي­ها بهره بگيريم تا در زمان مناسب از اين پتانسيل­ها استفاده كنيم.

به­عبارت ديگر لازم است مراكز پژوهشي و تحقيقاتي همواره لااقل يك نسل از صنعت جلوتر باشند. در اين صورت ضمن امكان هدايت بخش صنعت به سمت و سوي معين، پاسخ به مشكلات صنعت نيز همواره قابل پيش­بيني بوده و در اين مراكز در دسترس خواهد بود.

[ghasem motamedi]

پلیمر پایه
مقدمه

تصور جهان پیشرفته کنونی بدون وجود مواد پلیمری مشکل می‌باشد. امروزه این مواد جزیی از زندگی ما شده‌اند و در ساخت اشیای مختلف ، از وسایل زندگی و مورد مصرف عمومی تا ابزار دقیق و پیچیده پزشکی و علمی بکار می‌روند. کلمه پلیمراز کلمه یونانی (Poly) به معنی چند و (Meros) به معنای واحد با قسمت بوجود آمده است. در این میان ساختمان پلیمرها با مولکولهای بسیار دراز زنجیر گونه با ساختمان فلزات کامل متفاوت است. این مولکولهای بلند از اتصال و بهم پیوستن هزاران واحد کوچک مولکولی مرسوم به منومر تشکیل شده‌اند. مواد طبیعی مانند ابریشم ، لاک ، قیر طبیعی ، کشانها و سلولز ناخن دارای چنین ساختمان مولکولی هستند.

البته تا اوایل قرن نوزدهم میلادی توجه زیادی به مواد پلیمری نشده بود بومیان آمریکای مرکزی از برخی درختان شیرابه‌هایی استخراج می‌کردند که شیرابه بعدها نام لاتکس به خود گرفت. در سال 1829 ، دانشمندان متوجه شدند که در اثر مخلوط کردن لاتکس طبیعی با سولفور و حرارت دادن آن ماده‌ای قابل ذوب ایجاد می‌شود که می‌توان از آن محصولات مختلفی نظیر چرخ ارابه یا توپ تهیه کرد. در سال 1909 میلادی فنل فرمالدئید موسوم به باکلیت ساخته شد که در تهیه قطعات الکتریکی ، کلیدها ، پریزها و وسایل مصرف زیادی دارد.

در اثنای جنگ جهانی دوم موادی مثل نایلون پلی اتیلن ، اکریلیک موسوم به پرسپکس به دنیا عرضه شد. نئوپرن را شرکت دوپان در سال 1932 ابداع و به شکل تجارتی ابتدا با نام دوپرن و بعدها نئوپرن عرضه کرد.

شاخه‌های پلیمر

اولین قدم در زمینه صنعت پلاستیک توسط فردی به نام واسپاهیات انجام گرفت وی در تلاش بود ماده‌ای را به جای عاج فیل تهیه کند. وی توانست فرآیند تولید نیترات سلولز را زا سلولز ارائه کند. در دهه 1970 پلیمرهای‌هادی به بازار عرضه شدند که کاربرد بسیاری در صنعت رایانه دارند زیرا مدارها و ICهای رایانه‌ها از این مواد تهیه می‌شوند. و در سالهای اخیر مواد هوشمند پلیمری جایگاه تازه‌ای برای خود سنسورها پیدا کردند. پلیمرها را می‌توان از 7 دیدگاه مختلف طبقه بندی نمود. صنایع ، منبع ، عبور نور ، واکنش حرارتی ، واکنش‌های پلیمریزاسیون ، ساختمان مولکولی و ساختمان کریستالی.

از نظر صنایع مادر پلیمرها به چهار گروه صنایع لاستیک ، پلاستیک ، الیاف ، پوششی و چسب تقسیم بندی می‌شوند. اینها صنایع مادر در پلیمرها می‌باشند اما صنایع وابسته به پلیمر هم فراوان هستند مانند صنعت پزشکی در اعضای مصنوعی ، دندان مصنوعی ، پرکننده‌ها ، اورتوپدی از پلیمرها به وفور استفاده می‌شود. پلیمرها از لحاظ منبع به سه گروه اصلی تقسیم بندی می‌شوند که عبارتند از پلیمرهای طبیعی ، طبیعی اصلاح شده و مصنوعی.

رزین

منابع طبیعی رزینها ، حیوانات ، گیاهان و مواد معدنی می‌باشد. این پلیمرها به سادگی شکل پذیر بوده لیکن دوام کمی دارند. رایج عبارتند از روزین ، آسفالت ، تار ، کمربا ، سندروس ، لیگنپین ، لاک شیشه‌ای می‌باشند. رزین‌های طبیعی اصلاح شده شامل سلولز و پروتئین می‌باشد سلولز قسمت اصلی گیاهان بوده و به عنوان ماده اولیه قابل دسترسی برای تولید پلاستیکها می‌باشد کازئین ساخته شده از شیر سرشیر گرفته ، تنها پلاستیک مشتق شده از پروتئین است که در عرصه تجارت نسبتا موفق است.

پلیمر مصنوعی

پلیمرهای مصنوعی را می‌توان از طریق واکنشهای پلیمریزاسیون بدست آورد. از مواد پلیمری می‌توان در تهیه پلاستیکها ، چسبها ، رنگها ، ظروف عایق ، مواد پزشکی بهره جست. پلاستیکها به تولید طرحهای جدید در اتومبیلها ، کامیونها ، اتوبوسها ، وسایل نقلیه سریع ، هاورکرافت ، قایقها ، ترنها ، آلات موسیقی ، وسایل خانه ، یراق آلات ساختمانی و سایر کاربردها کمک نموده‌اند در ادمه به بررسی کاربرد چندین پلیمر می‌پردازیم:

پلیمرهای بلوری مایع (LCP)

این پلیمرها بتازگی در بین مواد پلاستیکی ظهور کرده است. این مواد از استحکام ابعادی بسیار خوب ، مقاومت بالا ، مقاومت در مقابل مواد شیمیایی توام با خاصیت سهولت شکل پذیری برخوردار هستند. از این پلیمرها می‌توان به پلی اتیلن با چگالی کم قابل مصرف در ساخت عایق الکتریکی ، وسایل خانگی ، لوله و بطریهای یکبار مصرف ، پلی اتیلن با چگالی بالا قابل مصرف در ظروف زباله‌ها بطری ، انواع مخازن و لوله برای نگهداری و انتقال سیالات ، پلی اتیلن شبکهای ، پلی پروپیلن قابل مصرف در ساخت صندوق ، قطعات کوچک خودرو ، اجزای سواری ، اسکلت صندلی ، اتاقک تلویزیون و... اشاره نمود.

پلیمرهای زیست تخریب پذیر

این پلیمرها در طی سه دهه اخیر در تحقیقات بنیادی و صنایع شیمیایی و دارویی بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. زیست تخریب پذیری به معنای تجزیه شدن پلیمر در دمای بالا طی دوره مشخص می‌باشد که بیشتر پلی استرهای آلیفاتیک استفاده می‌شود. از این پلیمرها در سیستم‌های آزاد سازی دارویی با رهایش کنترل شده یا در اتصالات ، مانند نخ‌های جراحی و ترمیم شکستگی استخوانها و کپسولهای کاشتی استفاده می‌شود.

پلی استایرن

این پلیمر به صورت گسترده‌ای در ساخت پلاتیکها و رزینهایی مانند عایقها و قایقهای فایبر گلاس در تولید لاستیک ، مواد حد واسط رزینهای تعویض یونی و در تولید کوپلیمرهایی مانند ABS و SBR کاربرد دارد. محصولات تولیدی از استایرن در بسته بندی ، عایق الکتریکی - حرارتی ، لوله‌ها ، قطعات اتومبیل ، فنجان و دیگر موادی که در ارتباط با مواد غذایی می‌باشند ، استفاده می‌شود.

لاستیکهای سیلیکون

مخلوط بسیار کانی- آلی هستند که از پلیمریزاسیون انواع سیلابها و سیلوکسانها بدست می‌آیند. با اینکه گرانند ولی مقاومت قابل توجه در برابر گرما به استفاده منحصر از این لاستیکها در مصارف بالا منجر شده است. این ترکیبات اشتغال پذیری نسبتا پایین ، گرانروی کم در درصد بالای رزین ، عدم سمیت ، خواص بالای دی الکتریک ، حل ناپذیری در آب و الکلها و ... دارند به دلیل همین خواص ترکیبات سیلیکون به عنوان سیال هیدرولیک و انتقال گرما ، روان کننده و گریس ، دزدگیر برای مصارف برقی ، رزینهای لایه کاری و پوشش و لعاب مقاوم در دمای بالا و الکلها و مواد صیقل کاری قابل استفاده‌اند. بیشترین مصرف اینها در صنایع هوا فضاست.

لاستیک اورتان

این پلیمرها از واکنش برخی پلی گلیکولها با دی ایزوسیاناتهای آلی بدست می‌آیند. مصرف اصلی این نوع پلیمرها تولید اسفنج انعطاف پذیر و الیاف کشسان است. در ساخت مبلمان ، تشک ، عایق - نوسانگیر و ... بکار می‌روند. ظهور نخ کشسان اسپندکس از جنش پلی یوره تان به دلیل توان بالای نگهداری این نوع نخ زمینه پوشاک ساپورت را دگرگون کرده است.

منابع مورد استفاده شده

1. مهندسی پلاستیک تالیف آر. جی. کرافورد ، ترجمه مهرداد کوکبی
2. پلاستیکهای صنعتی تالیف مهندس شیرین خسروی
3. مواد پلاستیک تالیف حسین امیدیان

[ghasem motamedi]

انواع پلیمر
پلیمرها (بسپارها) یا ماکرومولکولها (درشت مولکولها) ، مولکولهای غول‌پیکری هستند که دست‌کم ، 100 برابر سنگین‌تر از مولکولهای کوچکی مانند آب یا متانول هستند.

ریشه لغوی
واژه پلیمر از دو واژه یونانی Poly و Meros مشتق شده است و به معنی بسپار است.
مقدمه
بشر نخستین ، آموخته بود چگونه الیاف پروتئینی پشم و ابریشم و الیاف سلولزی پنبه و کتان را عمل آورد، رنگرزی کند و ببافد. بومیان جنوبی از لاستیک طبیعی ، برای ساختن اشیاء کشسان و پارچه‌های ضد آب استفاده می‌کردند. پلی کلروپرن ، نخستین لاستیک سنتزی است که در آمریکا تهیه شد و گسترش یافت. پلی بوتادین ، نخستین کائوچوی سنتزی است که آلمانی‌ها به نام بونا- اس به مقدار کافی تهیه کردند. بوتیل کائوچو ، یکی از چهار لاستیک سنتزی است که اکنون به مقدار بیشتری تهیه و مصرف می‌شود.
تاریخچه
نخستین لاستیک مصنوعی ، سلولوئید است که از نیترو سلولز و کافور توسط "پارکر" در سال 1865 تهیه شد. ولی در سال 1930، عمل پلیمریزاسیون و الکلاسیون کشف شد و در صنعت بکار گرفته شد. در این دوران ، آمونیاک برای تولید مواد منفجره ، تولوئن برای TNT و بوتادین و استیرن برای تولید لاستیک مصنوعی به مقدار زیادی از نفت تولید شد.
سیر تحولی
استات سلولز در سال 1894 توسط "بران دکرس" سنتز شد و در سال 1905 توسط "میلس" کامل شد. در سال 1900، "رم" ، پلیمریزاسیون ترکیبات آکریلیک را آغاز کرد و در سال 1901، "اسمیت" نخستین فتالات گلسیرین (یا فتالات گلسیریل) را تهیه کرد. در اواسط قرن بیستم در آلمان ، "اشتودینگر" ، قانون مهم ساختار مولکولهای بزرگ را وضع کرد. در سال 1934، کارخانه (ICI) موفق به تهیه مولکولهای بزرگ پلی اتیلن شد.

"دوپن" بطور منظم در زمینه تراکم مواد بررسیهایی انجام دارد که در نتیجه ، به تهیه پلی آمیدها یعنی الیاف نایلون نایل شد و الیاف پلی آمید را از کاپرولاکتام تهیه کرد که به الیاف پرلون شهرت یافت.
نقش و تاثیر پلیمرها در زندگی
کاغذ ، چوب ، نایلون ، الیاف پلی استر ، ظروف ملامین ، الیاف پلی اتیلن ، اندود تفلون ظروف آشپزی ، نشاسته ، گوشت ، مو ، پشم ، ابریشم ، لاستیک اتومبیل و... ، ماکرومولکولهایی هستند که روزانه با آنها برخورد می‌کنیم.
انواع پلیمرها
پلیمرها را به سه گروه عمده تقسیم می‌کنند:


بیوپلیمرها یا پلیمرهای طبیعی مانند سلولز ، نشاسته ، پروتئینها و ...

پلیمرهای معدنی مانند الماس ، گرافیت ، اکثر اکسیدهای فلزی و ...

پلیمرهای سنتزی پلیمرهایی هستند که منشا آنها عموما مونومرهایی از نفت خام و قطران زغال سنگ است و ما با انجام فرآیندهایی ، پلیمرهای بسیار مفید می‌سازیم که امروزه زندگی بدون آنها ممکن نیست. با این فرایندها بطور کلی آشنا می‌شویم.


مفاهیم مرتبط با شیمی پلیمر
در مورد پلیمرها با مفاهیمی همچون خواص فیزیکی و مکانیکی ، مکانیسم پلیمر شدن ، فرآورش پلیمرها روبرو هستیم.
خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمرها
در بر گیرنده مفاهیم زیر است:

مورفولوژی ، رئولوژی ، انحلال پذیری ، وزن مولکولی ، روشهای آزمودن ، روشهای شناسایی.
مکانیسم پلیمری شدن
از سه طریق زیر است:


پلیمرشدن تراکمی ، پلیمرشدن افزایشی ، کوپلیمرشدن.
فرآورش پلیمرها
در برگیرنده مباحث زیر است:

پر کننده‌ها ، توان دهنده‌ها ، نرم سازها ، پایدار کننده‌ها، عمل آورنده‌ها ، رنگ‌ها و غیره. چند کاربرد مهم پلیمرها
پلی آمید (نایلون)
برای تهیه الیاف ، طناب ، تسمه ، البسه ، پلاستیک صنعتی ، جایگزین فلز در ساخت غلتک یا تاقان ، بادامک ، دنده ، وسایل الکتریکی بکار می‌رود.
پلی استر
بصورت الیاف ، جهت تهیه انواع لباسها ، نخ لاستیک ، بصورت لایه برای تهیه نوار ضبط صوت و فیلم بکار می‌رود.



پلی اتیلن (کم‌چگالی ، شاخه‌دار)
بصورت لایه ورقه در صنایع بسته بندی ، کیسه پلاستیکی ، الیاف پارچه بافتنی ، بسته‌بندی غذای منجمد ، پرده ، پوشش پلاستیکی ، عایق ، سیم و کابل ، بطری بکار می‌رود.
پلی استیرل
برای تهیه رزینهای تبادل یونی ، انواع کوپلیمرها ، رزینهای ABC ، مواد اسفنجی ، وسایل نوری ، وسایل خانگی ، اسباب بازی ، مبلمان بکار می‌رود انواع پلیمریزاسیون پلیمریزاسیون افزایشی
در این نوع پلیمریزاسیون ، از ترکیباتی که بند دوگانه (C ═ C) دارند، پلیمر می‌سازند. مثل تولید پلی اتیلن از اتیلن.
پلی اتیلن
C2H4 → (─ C2H4 ─)n

در این واکنش ، اتیلن در اثر حرارت به پلی اتیلن تبدیل می‌شود. جرم مولکولی پلی اتیلن بین 1000 تا 20000 می‌تواند متفاوت باشد. یعنی بر حسب شرایط ، درجه پلیمریزاسیون یعنی همان n مولکول پلیمر را می‌توان کم یا زیاد کرد.
آکریلان
n(CH2 ─ CHCN) → (─ CH2 ─ CHCN─)n

این پلیمر نیز از مشتقات اتیلن است. مونومر این پلیمر ، سیانید ونیل (آکریکونیتریل) است.
PVC
CH2 ═ CHCl → (─ CH2 ─ CHCl)n

پلی وینیل کلراید یا PVC نیز از پلیمریزاسیون کلرید وینیل CH2 ═ CHCl بوجود می‌آید.
کائوچو
کائوچو بر دو نوع است:


کائوچوی طبیعی:

کائوچوی طبیعی که از شیره درختی به نام Hevea بدست می‌آید، از پلیمریزاسیون هیدروکربنی به نام 2- متیل -3 , 1- بوتادین معروف به ایزوپرن به فرمول CH2 ═ C (CH3) ─ CH ─ CH2 بوجود می‌آید:

CH2 ═ C (CH3) ─ CH ─ CH2 → (─ CH2 ─ C CH3 ═ CH ─ CH3)n

کائوچوی مصنوعی:

چون در فرمول ساختمانی کائوچوی طبیعی پیوند دوگانه وجود دارد، به همین دلیل وقتی کائوچو را با گوگرد حرارت دهیم، این مونومرها پیوند پی خود را باز می‌کنند و با ظرفیتهای آزاد شده ، اتم گوگرد را می‌گیرند. در نتیجه کائوچو به لاستیک تبدیل می‌گردد. حرارت دادن کائوچو با گوگرد و تولید لاستیک را اصطلاحا ولکانیزاسیون (Vulcanization) می‌نامند و بهمین دلیل لاستیک حاصل را نیز کائوچوی ولکانیزه گویند.

چند نوع کائوچوی مصنوعی نیز ساخته‌اند که از موادی مانند 1,3- بوتادین و جسمی به نام 2- کلرو 3 , 1- بوتادین معروف به کلروپرن به فرمول CH2 ═ CHCl ─ CH ═ CH2 و جسم دیگری به فرمول CH2 ─ C(CH3) ─ C(CH3) ═ CH2 به نام 3 , 2- دی متیل – 3 , 1- بوتادین به تنهایی یا مخلوط درست شده‌اند.

کلروپرن بسهولت پلیمریزه شده و به نوعی کائوچوی مصنوعی به نام نئوپرن تبدیل می‌شود.



پلیمریزاسیون تراکمی
اگر در یک پلیمریزاسیون ، بر اثر واکنش مونومرها با هم ، مولکولهای کوچکی مثل H2O و NH3 و ... خارج شوند، این نوع پلیمریزاسیون را تراکمی می‌نامند. مثل پلمیریزاسیون گلوکز در تولید نشاسته و سلولز که منجر به خارج شدن آب می‌گردد و یا مثل بوجود آمدن نایلون که مانند مواد پروتئینی یک پلی آمید است و پلیمر شدن یک آمین دو ظرفیتی به نام هگزا متیلن دی آمین به فرمول NH2 ─ (CH2)6 ─ NH2 با یک اسید دو ظرفیتی به نام اسید آدیپیک HOOC ─ (CH2)4 ─ COOH بوجود می‌آید. در این عمل ، عامل OH_ اسید از دو طرف با هیدروژن گروه آمین NH2_ تشکیل آب داده و خارج می‌شوند و باقیمانده‌های مولکولهای آنها با هم ، زنجیر پلیمر را بوجود می‌آورند. به شکل زیر:


... + NH2 ─ (CH2)4 ─ NH2 ─ HOOC ─ (CH2 ─ COOH + ...

نایلون:


nH2O + (─ NH ─ (CH2)6 ─ N(H) ─ CO ─ (CH2)4 ─ CO ─)n

پلیمریزاسیون اشتراکی (کوپلیمریزاسیون) کوپلیمریزاسیون عبارتست از پلیمریزاسیون دو یا چند نوع مونومر و ایجاد مولکولهایی با بیش از یک نوع واحد ساختمانی ، که آنها را کوپلیمر می‌نامند. فرمول عمومی کوپلیمر را می‌توان به صورت...A)n(B)m(C)p) نشان داد که C,B,A و غیره نشان دهنده واحدهای ساختمانی مختلف می‌باشند. اگر در عمل پلیمریزاسیون ، 2 مونومر مختلف با هم بطور مشترک پلیمر شوند و یک پلیمر را بوجود آورند، آن را کوپلیمر می‌نامند. مثلا یک نوع لاستیک وجود دارد، به نام بونا _ S که از پلیمریزاسیون دو جسم مختلف یکی به نام 3 , 1- بوتا دی‌ان CH2 ═ CH ─ CH ═ CH2 و دیگری به نام وینیل بنزن (استیرن) C6H5 CH ═ CH2 بوجود می‌آید که قسمتی از فرمول ساختمانی آن به شکل زیر است:


--CH2 ─ CH ═ CH ─ CH2 ─ CH(C6H5) ─ CH2


هموپلیمرها (homopolymers)
ساده ترین انواع پلیمرها ، هموپلیمرها هستند که از زنجیره های پلیمری متشکل از واحدهای تکراری منفرد تشکیل شده‌اند. بدین معنی که اگر A یک واحد تکراری باشد، یک زنجیره هموپلیمری ، ترتیبی به صورت… AAAدر زنجیره مولکولی پلیمر خواهد داشت. به عبارت دیگر می توان برای هموپلیمرها فرمول عمومی An را در نظر گرفت. از جمله هموپلیمرها می توان پلیمرهایی مثل پلی‌اتیلن ، پلی‌پروپیلن ، پلی‌استایرن و پلی‌وینیل‌کلراید یا PVC را نام برد.



کوپلیمرها (Coplymers)
کوپلیمرها، پلیمرهایی هستند که از پلیمریزاسیون دو یا چند مونومر مختلف و مناسب با یکدیگر بوجود می‌آیند که از این راه می توان پلیمر را با ساختمانهای متفاوتی بوجود آورد. در کوپلیمریزاسیون دو مونومر B,A ، زنجیرهای پلیمر می‌توانند مونومر A یا مونومر B را در انتهای رشد کننده خود داشته باشند. در نتیجه ، چهار واکنش امکان پذیر است، واکنش زنجیر دارای انتهای A با مونومر A یا B و واکنش زنجیر دارای انتهای B با مونومر A یا B هر یک از واکنش ها ثابت سرعت مشخصی دارند. از روی نسبت داده شده مولکولهای مونومر می‌توان نسبت واحدهای مونومرهای بکار رفته در یک پلیمر را بدست آورد.
نسبت واکنش پذیری
مقدار نسبت های واکنش پذیری در تعیین ترکیب کوپلیمر دارای اهمیت زیادی است. اگر نسبت واکنش پذیری از 1 بزرگتر باشد، رادیکال ترجیحا با زنجیری که دارای واحد انتهایی مشابه با آن است، واکنش می‌دهد (یعنی رادیکال A با رادیکال A). ولی اگر نسبت واکنش پذیری کوچکتر از 1 باشد، مونومر با زنجیرهایی که در انتها دارای نوع دیگری مونومر هستند واکنش می‌دهد. در موارد خاص که نسبت واکنش پذیری برابر 1 باشد، واکنش به عنوان "کوپلیمریزاسیون ایده آل" شناخته می‌شود، چون کوپلیمر به صورت کاملا تصادفی تشکیل شده و ترکیب آن هماننتد ترکیب مخلوط واکنشی است که پلیمریزاسیون در آن انجام می‌شود. هنگامی که به دو نسبت واکنش پذیری ، صفر باشد، مونومرها به هیچ وجه با زنجیرهای پلیمر در حال رشد که دارای واحد انتهایی مشابه آنها باشد، وارد واکنش نمی‌شوند. در نتیجه "کوپلیمریزاسیون متناوب" انجام می‌گیرد.
خواص کوپلیمرها
اگر مونومرهای B و A با هم واکنش بدهند و یک کوپلیمر را بوجود بیاورند این کوپلیمر اغلب خواص کاملا متفاوتی نسبت به مخلوط فیزیکی دو هموپلیمر جداگانه B و A خواهد داشت. خواص یک کوپلیمر به روشنی بستگی به نحوه توزیع واحدهای B و A در زنجیرهای کوپلیمر دارد. توزیع مونومرها نباید الزاما برابر نسبت غلظت مونومرهای B,A موجود مخلوط اولیه باشد. بطور کلی در یک کوپلیمر متشکل از مونومر B و A ، در صورتیکه مونومر A فعالتر باشد کوپلیمری که در مراحل اولیه تشکیل می شود از A نسبت به B غنی‌تر خواهد بود ولی در مراحل بعدی واکنش از آنجا که غلظت مونومر A کم می‌شود کوپلیمر تشکیل شده بیشتر شامل B خواهد بود. این مسئله که ترکیب کوپلیمر در ضمن پلیمریزاسیون تغییر پیدا می‌کند را می‌توان با افزایش تدریجی مونومر فعالتر تا حدودی کاهش داد. از مزیت های کوپلیمریزاسیون این است که کیفیتهای خوب و دلخواهی که هر یک از هموپلیمرها دارند می توانند با هم در یک کوپلیمر جمع شده و خواص مورد دلخواه را به یک کوپلیمر بدهند.
انواع کوپلیمریزاسیون
کوپلیمرها انواع مختلفی دارند و لیکن می توان آنها را به چهار نوع مجزا از کوپلیمرها به صورت تصادفی ، تناوبی ، دسته ای و پیوندی دسته بندی نمود.
کوپلیمرهای تصادفی یابی نظم (Random Copolymers)
این کوپلیمرها بوسیله پلیمریزاسیون مخلوط مناسبی از مونومرهای مختلف که به طور تصادفی در زنجیره های پلیمر مرتب شده اند، تهیه می‌شوند. اگر B و A مونومرهای یک کوپلیمر باشند، در اینصورت آرایش کوپلیمر ممکن است به صورت زیر باشد: ...AABABBBAA
مثالهایی از این نوع ، کوپلیمرهای کلرواتن- اتنیل- اتانوات (وینیل کلراید- وینیل استات) و فنیل اتن- بوتا 1و3 - دین می‌باشند. در مورد کوپلیمر کلرواتن – اتنیل اتانوات حضور اتینل اتانوال باعث افزایش حلالیت و بهبود خاصیت قابلگیری (توسط افزایش میزان جاری شدن) در مقایسه با هموپلیمر کلرواتن می‌شود.
کوپلیمرهای متناوب (alternating copolymers)
در این کوپلیمرها ، واحدهای تکراری مختلف بصورت متناوب درون زنجیر پلیمری قرار گرفته اند. در واقع هنگامی که نسبت واکنش پذیری دومونومر B و A صفر باشد، مونومرها به هیچ وجه با زنجیرهای پلیمر در حال رشد که دارای واحد انتهایی مشابه با آنها باشد، وارد واکنش نمی‌شوند. در نتیجه "کوپلیمریزاسیون متناوب" انجام می گیرد. آرایش یک کوپلیمر متناوب متشکل از مونومرهای B,A به صورت زیر می باشد: ...ABABAB
مثالی از این کوپلیمرها ، محصولی است که از کوپلیمریزاسیون رادیکالی بوتن دیوئیک انیدرید (مالئیک ایندرید) و فنیل اتن با نسبت های مولی تقریبا مساوی بدست می آید. بوتن دیوئیک انیدرید همچنین می‌تواند بصورت رادیکال آزاد با فنیل اتین (فنیل استیلن) کوپلیمر شود.


کوپلیمرهای دسته‌ای (Block Polymers)
این کوپلیمرها بوسیله پلیمریزاسیون واحدهای هموپلیمر با جرم مولکولی کم بصورت دسته- دسته که با یکدیگر واکنش داده و کوپلیمر را تشکیل می دهند، تهیه می‌شوند. آرایش یک کوپلیمر دسته‌ای متشکل از مونومرهای B و A عبارتست از AAAA-BBB-AAAA….
کوپلیمرهای دسته ای را می‌توان با روشهای مختلفی تهیه کرد. یکی از این روشها با مکانیسم آنیونی انجام می‌شود که در مرحله اول یک نوع از مونومرها بصورت آنیونی پلیمر می‌شوند و واکنش تا آنجا ادامه پیدا می کند که مونومرها به مصرف برسند پس به پلیمر زنده بدست آمده مونومر دیگر اضافه می‌شود که این مونومر نیز به زنجیر اضافه می‌گردد و قسمت دوم زنجیر را بوجود می‌آورد و این فرآیند را می‌توان در صورت لزوم به همیتن ترتیب تکرار کرد. کوپلیمرهای دسته‌ای که از نظر تجارتی دارای اهمیت هستند شامل کوپلیمرهای قسمتی فنیل اتن- بوتا- 1و3- دین می‌باشند که از جمله لاستیک های گرمانرم بشمار می‌روند.
کوپلیمرهای پیوندی (Graft Copolymers)
در این کوپلیمرها ، یک شاخه اصلی هموپلیمر با تعدادی شاخه جانبی وجود دارد که هر شاخه جانبی ، هموپلیمر مونومر دیگری می باشد که روی شاخه اصلی پیوند زده شده است. آرایش یک کوپلیمر پیوندی شامل مونومرهای A بعنوان شاخه اصلی و مونومرهای B بعنوان شاخه فرعی بصورت زیر می‌باشد:
AAAAAA

B B

B B

کوپلیمرهای پیوندی را می‌توان با آغاز کردن پلیمریزاسیون مونومری مانند B بصورت رادیکال آزاد در حضور هموپلیمری از مونومر A تهیه کرد. رادیکالهای آزادی که بوجود می آیند باعث برداشته شدنم اتمهایی در امتداد زنجیر پلی (A) می‌شوند. و به این طریق محلهای رادیکالی را بر روی زنجیر بوجود می‌آورند که پس از این محل‌ها پلی (B) می‌تواند رشد پیدا کند. نمونه ای از یک کوپلیمر مهم صنعتی ، کوپلیمری است که از حدود 85 درصد کلرید پلی وینیل و 15 درصد استات پلی وینیل تشکیل شده است و به عنوان ماده پایه در اکثر ثباتهای وینیلی بکار می‌رود. از دیگر کوپلیمرهای پیوندی که از اهمیت صنعتی برخوردارند می‌توان پروپن نیتریل بوتا- 1و3 – دین و فنیل اتن را نام برد.

[ghasem motamedi]

پلیمر

تصور جهان پیشرفته کنونی بدون وجود مواد پلیمری مشکل می‌باشد. امروزه این مواد جزیی از زندگی ما شده‌اند و در ساخت اشیای مختلف ، از وسایل زندگی و مورد مصرف عمومی تا ابزار دقیق و پیچیده پزشکی و علمی بکار می‌روند. کلمه پلیمراز کلمه یونانی (Poly) به معنی چند و (Meros) به معنای واحد با قسمت بوجود آمده است. در این میان ساختمان پلیمرها با مولکولهای بسیار دراز زنجیر گونه با ساختمان فلزات کامل متفاوت است. این مولکولهای بلند از اتصال و بهم پیوستن هزاران واحد کوچک مولکولی مرسوم به منومر تشکیل شده‌اند. مواد طبیعی مانند ابریشم ، لاک ، قیر طبیعی ، کشانها و سلولز ناخن دارای چنین ساختمان مولکولی هستند.

البته تا اوایل قرن نوزدهم میلادی توجه زیادی به مواد پلیمری نشده بود بومیان آمریکای مرکزی از برخی درختان شیرابه‌هایی استخراج می‌کردند که شیرابه بعدها نام لاتکس به خود گرفت. در سال 1829 ، دانشمندان متوجه شدند که در اثر مخلوط کردن لاتکس طبیعی با سولفور و حرارت دادن آن ماده‌ای قابل ذوب ایجاد می‌شود که می‌توان از آن محصولات مختلفی نظیر چرخ ارابه یا توپ تهیه کرد. در سال 1909 میلادی فنل فرمالدئید موسوم به باکلیت ساخته شد که در تهیه قطعات الکتریکی ، کلیدها ، پریزها و وسایل مصرف زیادی دارد.

در اثنای جنگ جهانی دوم موادی مثل نایلون پلی اتیلن ، اکریلیک موسوم به پرسپکس به دنیا عرضه شد. نئوپرن را شرکت دوپان در سال 1932 ابداع و به شکل تجارتی ابتدا با نام دوپرن و بعدها نئوپرن عرضه کرد.

شاخه‌های پلیمر
اولین قدم در زمینه صنعت پلاستیک توسط فردی به نام واسپاهیات انجام گرفت وی در تلاش بود ماده‌ای را به جای عاج فیل تهیه کند. وی توانست فرآیند تولید نیترات سلولز را زا سلولز ارائه کند. در دهه 1970 پلیمرهای‌هادی به بازار عرضه شدند که کاربرد بسیاری در صنعت رایانه دارند زیرا مدارها و ICهای رایانه‌ها از این مواد تهیه می‌شوند. و در سالهای اخیر مواد هوشمند پلیمری جایگاه تازه‌ای برای خود سنسورها پیدا کردند. پلیمرها را می‌توان از 7 دیدگاه مختلف طبقه بندی نمود. صنایع ، منبع ، عبور نور ، واکنش حرارتی ، واکنش‌های پلیمریزاسیون ، ساختمان مولکولی و ساختمان کریستالی.

از نظر صنایع مادر پلیمرها به چهار گروه صنایع لاستیک ، پلاستیک ، الیاف پوششی و چسب تقسیم بندی می‌شوند. اینها صنایع مادر در پلیمرها می‌باشند اما صنایع وابسته به پلیمر هم فراوان هستند مانند صنعت پزشکی در اعضای مصنوعی ، دندان مصنوعی ، پرکننده‌ها ، اورتوپدی از پلیمرها به وفور استفاده می‌شود. پلیمرها از لحاظ منبع به سه گروه اصلی تقسیم بندی می‌شوند که عبارتند از پلیمرهای طبیعی ، طبیعی اصلاح شده و مصنوعی.

رزین
منابع طبیعی رزینها ، حیوانات ، گیاهان و مواد معدنی می‌باشد. این پلیمرها به سادگی شکل پذیر بوده لیکن دوام کمی دارند. رایج عبارتند از روزین ، آسفالت ، تار ، کمربا ، سندروس ، لیگنپین ، لاک شیشه‌ای می‌باشند. رزین‌های طبیعی اصلاح شده شامل سلولز و پروتئین می‌باشد سلولز قسمت اصلی گیاهان بوده و به عنوان ماده اولیه قابل دسترسی برای تولید پلاستیکها می‌باشد کازئین ساخته شده از شیر سرشیر گرفته ، تنها پلاستیک مشتق شده از پروتئین است که در عرصه تجارت نسبتا موفق است.

پلیمر مصنوعی
پلیمرهای مصنوعی را می‌توان از طریق واکنشهای پلیمریزاسیون بدست آورد. از مواد پلیمری می‌توان در تهیه پلاستیکها ، چسبها ، رنگها ، ظروف عایق ، مواد پزشکی بهره جست. پلاستیکها به تولید طرحهای جدید در اتومبیلها ، کامیونها ، اتوبوسها ، وسایل نقلیه سریع ، هاورکرافت ، قایقها ، ترنها ، آلات موسیقی ، وسایل خانه ، یراق آلات ساختمانی و سایر کاربردها کمک نموده‌اند در ادمه به بررسی کاربرد چندین پلیمر می‌پردازیم:

پلیمرهای بلوری مایع (LCP)
این پلیمرها بتازگی در بین مواد پلاستیکی ظهور کرده است. این مواد از استحکام ابعادی بسیار خوب ، مقاومت بالا ، مقاومت در مقابل مواد شیمیایی توام با خاصیت سهولت شکل پذیری برخوردار هستند. از این پلیمرها می‌توان به پلی اتیلن با چگالی کم قابل مصرف در ساخت عایق الکتریکی ، وسایل خانگی ، لوله و بطریهای یکبار مصرف ، پلی اتیلن با چگالی بالا قابل مصرف در ظروف زباله‌ها بطری ، انواع مخازن و لوله برای نگهداری و انتقال سیالات ، پلی اتیلن شبکهای ، پلی پروپیلن قابل مصرف در ساخت صندوق ، قطعات کوچک خودرو ، اجزای سواری ، اسکلت صندلی ، اتاقک تلویزیون و... اشاره نمود.

پلیمرهای زیست تخریب پذیر
این پلیمرها در طی سه دهه اخیر در تحقیقات بنیادی و صنایع شیمیایی و دارویی بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. زیست تخریب پذیری به معنای تجزیه شدن پلیمر در دمای بالا طی دوره مشخص می‌باشد که بیشتر پلی استرهای آلیفاتیک استفاده می‌شود. از این پلیمرها در سیستم‌های آزاد سازی دارویی با رهایش کنترل شده یا در اتصالات ، مانند نخ‌های جراحی و ترمیم شکستگی استخوانها و کپسولهای کاشتی استفاده می‌شود.

پلی استایرن
این پلیمر به صورت گسترده‌ای در ساخت پلاتیکها و رزینهایی مانند عایقها و قایقهای فایبر گلاس در تولید لاستیک ، مواد حد واسط رزینهای تعویض یونی و در تولید کوپلیمرهایی مانند ABS و SBR کاربرد دارد. محصولات تولیدی از استایرن در بسته بندی ، عایق الکتریکی - حرارتی ، لوله‌ها ، قطعات اتومبیل ، فنجان و دیگر موادی که در ارتباط با مواد غذایی می‌باشند ، استفاده می‌شود.

لاستیکهای سیلیکون
مخلوط بسیار کانی- آلی هستند که از پلیمریزاسیون انواع سیلابها و سیلوکسانها بدست می‌آیند. با اینکه گرانند ولی مقاومت قابل توجه در برابر گرما به استفاده منحصر از این لاستیکها در مصارف بالا منجر شده است. این ترکیبات اشتغال پذیری نسبتا پایین ، گرانروی کم در درصد بالای رزین ، عدم سمیت ، خواص بالای دی الکتریک ، حل ناپذیری در آب و الکلها و ... دارند به دلیل همین خواص ترکیبات سیلیکون به عنوان سیال هیدرولیک و انتقال گرما ، روان کننده و گریس، دزدگیر برای مصارف برقی ، رزینهای لایه کاری و پوشش و لعاب مقاوم در دمای بالا و الکلها و مواد صیقل کاری قابل استفاده‌اند. بیشترین مصرف اینها در صنایع هوا فضاست.

لاستیک اورتان
این پلیمرها از واکنش برخی پلی گلیکولها با دی ایزوسیاناتهای آلی بدست می‌آیند. مصرف اصلی این نوع پلیمرها تولید اسفنج انعطاف پذیر و الیاف کشسان است. در ساخت مبلمان ، تشک ، عایق - نوسانگیر و ... بکار می‌روند. ظهور نخ کشسان اسپندکس از جنش پلی یوره تان به دلیل توان بالای نگهداری این نوع نخ زمینه پوشاک ساپورت را دگرگون کرده است.

[ghasem motamedi]

دنیای پلیمر

تصور جهان پیشرفته کنونی بدون وجود مواد پلیمری مشکل می‌باشد. امروزه این مواد جزیی از زندگی ما شده‌اند و در ساخت اشیای مختلف ، از وسایل زندگی و مورد مصرف عمومی تا ابزار دقیق و پیچیده پزشکی و علمی بکار می‌روند. کلمه پلیمراز کلمه یونانی (Poly) به معنی چند و (Meros) به معنای واحد با قسمت بوجود آمده است. در این میان ساختمان پلیمرها با مولکولهای بسیار دراز زنجیر گونه با ساختمان فلزات کامل متفاوت است. این مولکولهای بلند از اتصال و بهم پیوستن هزاران واحد کوچک مولکولی مرسوم به منومر تشکیل شده‌اند. مواد طبیعی مانند ابریشم ، لاک ، قیر طبیعی ، کشانها و سلولز ناخن دارای چنین ساختمان مولکولی هستند.

البته تا اوایل قرن نوزدهم میلادی توجه زیادی به مواد پلیمری نشده بود بومیان آمریکای مرکزی از برخی درختان شیرابه‌هایی استخراج می‌کردند که شیرابه بعدها نام لاتکس به خود گرفت. در سال 1829 ، دانشمندان متوجه شدند که در اثر مخلوط کردن لاتکس طبیعی با سولفور و حرارت دادن آن ماده‌ای قابل ذوب ایجاد می‌شود که می‌توان از آن محصولات مختلفی نظیر چرخ ارابه یا توپ تهیه کرد. در سال 1909 میلادی فنل فرمالدئید موسوم به باکلیت ساخته شد که در تهیه قطعات الکتریکی ، کلیدها ، پریزها و وسایل مصرف زیادی دارد.

در اثنای جنگ جهانی دوم موادی مثل نایلون پلی اتیلن ، اکریلیک موسوم به پرسپکس به دنیا عرضه شد. نئوپرن را شرکت دوپان در سال 1932 ابداع و به شکل تجارتی ابتدا با نام دوپرن و بعدها نئوپرن عرضه کرد.

شاخه‌های پلیمر
اولین قدم در زمینه صنعت پلاستیک توسط فردی به نام واسپاهیات انجام گرفت وی در تلاش بود ماده‌ای را به جای عاج فیل تهیه کند. وی توانست فرآیند تولید نیترات سلولز را زا سلولز ارائه کند. در دهه 1970 پلیمرهای‌هادی به بازار عرضه شدند که کاربرد بسیاری در صنعت رایانه دارند زیرا مدارها و ICهای رایانه‌ها از این مواد تهیه می‌شوند. و در سالهای اخیر مواد هوشمند پلیمری جایگاه تازه‌ای برای خود سنسورها پیدا کردند. پلیمرها را می‌توان از 7 دیدگاه مختلف طبقه بندی نمود. صنایع ، منبع ، عبور نور ، واکنش حرارتی ، واکنش‌های پلیمریزاسیون ، ساختمان مولکولی و ساختمان کریستالی.

از نظر صنایع مادر پلیمرها به چهار گروه صنایع لاستیک ، پلاستیک ، الیاف پوششی و چسب تقسیم بندی می‌شوند. اینها صنایع مادر در پلیمرها می‌باشند اما صنایع وابسته به پلیمر هم فراوان هستند مانند صنعت پزشکی در اعضای مصنوعی ، دندان مصنوعی ، پرکننده‌ها ، اورتوپدی از پلیمرها به وفور استفاده می‌شود. پلیمرها از لحاظ منبع به سه گروه اصلی تقسیم بندی می‌شوند که عبارتند از پلیمرهای طبیعی ، طبیعی اصلاح شده و مصنوعی.

رزین
منابع طبیعی رزینها ، حیوانات ، گیاهان و مواد معدنی می‌باشد. این پلیمرها به سادگی شکل پذیر بوده لیکن دوام کمی دارند. رایج عبارتند از روزین ، آسفالت ، تار ، کمربا ، سندروس ، لیگنپین ، لاک شیشه‌ای می‌باشند. رزین‌های طبیعی اصلاح شده شامل سلولز و پروتئین می‌باشد سلولز قسمت اصلی گیاهان بوده و به عنوان ماده اولیه قابل دسترسی برای تولید پلاستیکها می‌باشد کازئین ساخته شده از شیر سرشیر گرفته ، تنها پلاستیک مشتق شده از پروتئین است که در عرصه تجارت نسبتا موفق است.

پلیمر مصنوعی
پلیمرهای مصنوعی را می‌توان از طریق واکنشهای پلیمریزاسیون بدست آورد. از مواد پلیمری می‌توان در تهیه پلاستیکها ، چسبها ، رنگها ، ظروف عایق ، مواد پزشکی بهره جست. پلاستیکها به تولید طرحهای جدید در اتومبیلها ، کامیونها ، اتوبوسها ، وسایل نقلیه سریع ، هاورکرافت ، قایقها ، ترنها ، آلات موسیقی ، وسایل خانه ، یراق آلات ساختمانی و سایر کاربردها کمک نموده‌اند در ادمه به بررسی کاربرد چندین پلیمر می‌پردازیم:

پلیمرهای بلوری مایع (LCP)
این پلیمرها بتازگی در بین مواد پلاستیکی ظهور کرده است. این مواد از استحکام ابعادی بسیار خوب ، مقاومت بالا ، مقاومت در مقابل مواد شیمیایی توام با خاصیت سهولت شکل پذیری برخوردار هستند. از این پلیمرها می‌توان به پلی اتیلن با چگالی کم قابل مصرف در ساخت عایق الکتریکی ، وسایل خانگی ، لوله و بطریهای یکبار مصرف ، پلی اتیلن با چگالی بالا قابل مصرف در ظروف زباله‌ها بطری ، انواع مخازن و لوله برای نگهداری و انتقال سیالات ، پلی اتیلن شبکهای ، پلی پروپیلن قابل مصرف در ساخت صندوق ، قطعات کوچک خودرو ، اجزای سواری ، اسکلت صندلی ، اتاقک تلویزیون و... اشاره نمود.

پلیمرهای زیست تخریب پذیر
این پلیمرها در طی سه دهه اخیر در تحقیقات بنیادی و صنایع شیمیایی و دارویی بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. زیست تخریب پذیری به معنای تجزیه شدن پلیمر در دمای بالا طی دوره مشخص می‌باشد که بیشتر پلی استرهای آلیفاتیک استفاده می‌شود. از این پلیمرها در سیستم‌های آزاد سازی دارویی با رهایش کنترل شده یا در اتصالات ، مانند نخ‌های جراحی و ترمیم شکستگی استخوانها و کپسولهای کاشتی استفاده می‌شود.
پلی استایرن
این پلیمر به صورت گسترده‌ای در ساخت پلاتیکها و رزینهایی مانند عایقها و قایقهای فایبر گلاس در تولید لاستیک ، مواد حد واسط رزینهای تعویض یونی و در تولید کوپلیمرهایی مانند ABS و SBR کاربرد دارد. محصولات تولیدی از استایرن در بسته بندی ، عایق الکتریکی - حرارتی ، لوله‌ها ، قطعات اتومبیل ، فنجان و دیگر موادی که در ارتباط با مواد غذایی می‌باشند ، استفاده می‌شود.

لاستیکهای سیلیکون
مخلوط بسیار کانی- آلی هستند که از پلیمریزاسیون انواع سیلابها و سیلوکسانها بدست می‌آیند. با اینکه گرانند ولی مقاومت قابل توجه در برابر گرما به استفاده منحصر از این لاستیکها در مصارف بالا منجر شده است. این ترکیبات اشتغال پذیری نسبتا پایین ، گرانروی کم در درصد بالای رزین ، عدم سمیت ، خواص بالای دی الکتریک ، حل ناپذیری در آب و الکلها و ... دارند به دلیل همین خواص ترکیبات سیلیکون به عنوان سیال هیدرولیک و انتقال گرما ، روان کننده و گریس، دزدگیر برای مصارف برقی ، رزینهای لایه کاری و پوشش و لعاب مقاوم در دمای بالا و الکلها و مواد صیقل کاری قابل استفاده‌اند. بیشترین مصرف اینها در صنایع هوا فضاست.

[ghasem motamedi]

شیمی پلیمر
تعریف پلیمر
پلیمر یک جسم با وزن مولکولی بالاست که ساختمانش از تعداد زیادی از واحدهای کوچک و از نظر ساختمانی مشابه،تشکیل شده است.به این واحد های کوچکتر که اصطلاحا بلوکهای ساختمانی پلیمر خوانده میشوند منومر یا واحد های تکرار شونده میگویند.polymerازpolysکه کلمه یونانی به معنی زیاد وmerosبه معنی قسمت یا واحد است گرفته شده و معنی چند واحدی یا چند قسمتی را میدهد.(در فارسی به پلیمر بسپار نیز گویند که در حقیقت ترجمه همان polyبه معنی بسی وبس وmerبه معنی پاره یا پار است).
فرایندی که در طی آن پلیمرها تشکیل می شوند پلیمریزاسیون نامیده میشود.در صورتی که پلیمر از یک نوع منومر تشکیل شده باشد آن را هموپلیمر وفرایند را هموپلیمریزاسیون اگر از دو نوع منومر تشکیل شده باشد کوپلیمر وفرایند را کوپلیمریزاسیون و در صورتی که از سه نوع منومر تشکیل شده باشد تر پلیمر و فرایند را ترپلیمریزاسیون مینامند.مدلهایی که برای نمایش ساختمان یا اصطلاحا ارشیتکت مولکولی پلیمرها فرض میشوند در عمل به صورت زنجیرهایی هستند که میتوانند به شکلهای خطی وانشعابی(شاخه ای) و یا شبکه ای وجود داشته باشند.
همانطور که اشاره شد هر یک از بلوکهای ساختمانی تشکیل دهنده زنجیره پلیمر این امکان را داراست که طی یک فرایند شیمیایی با دو یا تعداد بیشتری از منومر ها ترکیب گردیده و زنجیر طولانی پلیمر را تشکیل دهد.
تعریف پلیمر
پلیمر یک جسم با وزن مولکولی بالاست که ساختمانش از تعداد زیادی از واحدهای کوچک و از نظر ساختمانی مشابه،تشکیل شده است.به این واحد های کوچکتر که اصطلاحا بلوکهای ساختمانی پلیمر خوانده میشوند منومر یا واحد های تکرار شونده میگویند.polymerازpolysکه کلمه یونانی به معنی زیاد وmerosبه معنی قسمت یا واحد است گرفته شده و معنی چند واحدی یا چند قسمتی را میدهد.(در فارسی به پلیمر بسپار نیز گویند که در حقیقت ترجمه همان polyبه معنی بسی وبس وmerبه معنی پاره یا پار است).
فرایندی که در طی آن پلیمرها تشکیل می شوند پلیمریزاسیون نامیده میشود.در صورتی که پلیمر از یک نوع منومر تشکیل شده باشد آن را هموپلیمر وفرایند را هموپلیمریزاسیون اگر از دو نوع منومر تشکیل شده باشد کوپلیمر وفرایند را کوپلیمریزاسیون و در صورتی که از سه نوع منومر تشکیل شده باشد تر پلیمر و فرایند را ترپلیمریزاسیون مینامند.مدلهایی که برای نمایش ساختمان یا اصطلاحا ارشیتکت مولکولی پلیمرها فرض میشوند در عمل به صورت زنجیرهایی هستند که میتوانند به شکلهای خطی وانشعابی(شاخه ای) و یا شبکه ای وجود داشته باشند.
همانطور که اشاره شد هر یک از بلوکهای ساختمانی تشکیل دهنده زنجیره پلیمر این امکان را داراست که طی یک فرایند شیمیایی با دو یا تعداد بیشتری از منومر ها ترکیب گردیده و زنجیر طولانی پلیمر را تشکیل دهد.