كيمياء البوليمرات

بسم الله الرحمن الرحيم

السلام عليكم

كيمياء البوليمرات
أو كيمياء الجزيئات الكبيرة علم متشعب يتعامل مع التصنيع الكيميائي والخواص الكيميائي للبوليمرات أو الجزيئات الكبيرة. الجزيئات الكبيرة بصفة عامة ترجع إلى سلاسل جزيئية وبالتالي فإنها تتبع علم الكيمياء. البوليمرات تصف خواص أغلبية مادة البوليمروتتبع علم فيزياء البوليمرات كعلم متفرع من الفيزياء. اللدائن مثل البولي إثيلين يعامل فى هذه المقالة على أنها تفرع من البوليمرات التصنيعية التى لها شهرة تجارية. البوليمرات الحيوية مثل البروتينات هى أيضا تفرع للبوليمرات وتتواجد فى الطبيعة.

يتم عمل البوليمرات عن طريق بلمرة المونومرات. ويتم وصف البوليمر كيميائيا بدرجة البلمرة, توزيع الكتلة المولية, الإنتظامية, توزيع البوليمر التساهمي, تفرع البوليمر, مجموعة نهاية, تشابك, تبللر, وأيضا بالخواص الحرارية مثل درجة الإنتقال الزجاجية. البوليمرات فى المحاليل لها خواص خاصة بالنظر إلى ذوبانيته, كثافته, تكتله.

تاريخ البوليمرات
فى عام 1897 قام هيلاري دي شارونيه ببدء أول مصنع لتصنيع الخيوط بناءا على السيليلوز كمادة لإستبدال الحرير. فى عام 1907 قام ليو بيكيلاند باختراع أول بوليمر تصنيعي باكلايت. فى عام 1922 كان هيرمان شاودينجر أول من افترض أن البوليمرات تتكون من سلاسل طويلة من الذرات مرتبطة معا برابطة تساهمية. كما اقترح أيضا تسمية هذه المركبات بالجزيئات الكبيرة. وقبل هذا، كان العلماء يعتقدون أن البوليمرات هي تجمعات للجزيئات الصغيرة (تسمي غروانيات) مرتبطة معا عن طريق قوى دقيقة غير معروفة. وقد حصل شاودينجر على جائزة نوبل فى الكيمياء عام 1953 م. وقد اخترع والاس كاروثيرس أول مطاط تصنيعي نيوبرين عام 1931 م والنيلون عام 1935 م. وحصل بول فلوري على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1974 لعمله على شكل اللف العشوائي للبوليمرات.

مقدمة مختصرة عن البوليمر....

--------------------------------------------------------------------------------

إن كلمة ( بوليمر) لاتينية الأصل وهي مركبة من مقطعين هما (بولي)

poly وتعني متعدد و(مر) mer وتعني جزء أو وحدة، لذلك polymer

تعني متعدد الأجزاء أو متعدد الوحدات .

وعرف الإنسان (البوليمر) منذ القدم واستخدم المنتوجات النباتية و

الحيوانية البوليمرية لأغراض مختلفة في حياته اليومية .

فقد استخدم الإنسان القار "pitch" و الراتنجات "resin" النباتية فعرف

الصمغ " gum" و المطاط "rubber" قبل آلاف السنين .

والآن تعد البوليمرات العضوية ذات أهمية بالغة في حياة الإنسان إذ

تدخل لفي الوقت الحاضر في مكونات غذائه وكسائه ومسكنه ، فهو

ينتفع من النشويات والسكريات والبر وتينات في الغذاء ويستخدم

القطن والصوف والحرير وجلود الحيوانات في صنع الملابس كما يستفيد

من الخشب في تشييد المسكن والأثاث ويستخدم المطاط والصمغ

وغيرها من المواد التي لا تحصى في أغراض شتى.

وقد حلت بعض البوليمرات المحضرة صناعيا في الآونة الأخيرة مكان

المواد الطبيعية وهذا ناتج عن التطور الهائل الذي حصل في الصناعات

الكيماوية والقائمة على النفط ومشتقاته وهذه تتميز بصفات ميكانيكية

جيدة كما تتميز برخص الثمن وتوفرها بشكل كبير وقد تم استخدامها

في صناعة الأدوات المنزلية والصناعات الحربية و المدنية كالسيارات

والطائرات والغواصات والأجهزة الكهربائية .

والآن نحن أمام مجال صناعي ضخم وهائل فبالإضافة إلى المجالات

السابقة تمكن العلماء من وضع آلية تمكن من الاستفادة من البوليمرات

في مجال التوصيل الكهربائي وعلى وجه الخصوص في مجال تصنيع

البطاريات الكهربائية

تعاريف أساسية :
- (البوليمر) polymer

ويسمى في بعض الأحيان الجزيء العملاق (macromolecule) وهو

جزيء لمركب كيميائي ويتمثل بوزن جزيئي عالي ( 10,000 إلى 10

مليون ).

والجزيء على شكل سلسلة حلقاتها عبارة عن جزيئات لمركب بسيط

ترتبط مع بعضها البعض بروابط تساهمية (covalent bond ).

- ( المونمر ) Monomer

ويقصد بالمونمر مركب كيميائي بسيط ذو وزن جزيئي صغير و يتميز

جزيء هذا المركب بتركيب خاص يمكنه التفاعل مع جزيء آخر من

نوعه أو مع جزيء لمركب آخر و تحت ظروف مناسبة لتكوين

سلسلة

البوليمر .

مثال :-

n CH2=CH2 [CH2-CH2]-n

بولي إيثلين الايثلين
(البوليمر) (المونمر)

- الوحدة التركيبية المتكررة structural repeating unit

وهي الوحدة التركيبية التي يتكرر وجودها على طول سلسلة البوليمر

وهي تمثل الجزء التركيبي المتبقي من جزيء المونمر أو( المونمرات )

بعد تفاعلها لتكوين البلمير وتوضع صيغتها بين قوسين .

- درجة البلمرة Degree of polymerization

يشار عادة إلى عدد الوحدات المتكررة Repeating Unit أوعدد

الوحدات البنائية Structural Unit والتي هي في الواقع عدد

المونمرات المتحدة في سلسلة واحدة ,يشار إليها بالمصطلح درجة

البلمرة Degree Of Polymerization ويرمز لها بالرمز Dp أو Xn
ولما كانت جزيئات البوليمر الواحد غير متساوية جميعا في درجة البلمرة

ولذلك يعبر عن درجة البلمرة بمعدل درجة البلمرة

الوزن الجزيئي للبوليمر = X Dp الوزن الجزيئي للوحدة المتكررة .

ـ مصادر البوليمر Polymer Sources
يمكن الحصول على البوليمرات من مصدرين أساسيين هما:-

1-البوليمرات الطبيعية Natural Polymers
وهي مركبات مصدرها إما نباتي أو حيواني ،مثال ذلك الخشب والقطن

والمطاط الطبيعي والأصماغ النباتية والصوف والجلود والشعر والوبر

والحرير الطبيعي وجميعها مركبات بوليمرية طبيعية ضرورية لحياتنا اليومية

ويمكن الحصول عليها من مصادر نباتية أو حيوانية ، ومن المواد الغذائية

التي تعد بوليمرات طبيعية هي :

النشا والبروتينProtein ) ) و السلولوز ( Cellulose ) .

2- البوليمرات المحضرة Synthetic Polymer
وهي المواد التي غزت الأسواق العالمية حديثا ومنها المواد البلاستيكية

Plastics) ) والمطاط Rubber) ) والجلود الصناعية (Synthetic

Leather ) وأقمشة النايلون Nylons) ) والبولي استر (Polyesters )

وبعض الصباغ (dyes ) و الطلائات الواقية وغيرها . ومن هذا يتضح مدى

أهمية هذا الحقل من حقول الكيمياء في خطط التنمية الصناعية وازدهار

القطر صناعيا واقتصاديا وتدل الإحصائيات التي أجريت عام 1975م في

الولايات المتحدة الأمريكية أن 75% من الكيميائيين يتعاملون مع

البوليمرات بصورة مباشرة أو غير مباشرة فما بالنا في عصرنا الحالي .

ففي الآونة الأخيرة أخذت صناعة البوليمرات تدخل حتى في عالم

الإلكترونيات و بشكل كبير حتى دخلت في تصنيع مصادر الطاقة للأجهزة

الإلكترونية المحمولة نظرا لخفة وزنها ولمواصفاتها الأخرى الحسنة .

وتعتبر المبلمرات الاصطناعية مبلمرات بسيطة نسبيا بالمقارنة مع

المبلمرات الطبيعية وأقل في التكلفة .

وتنقسم المبلمرات أيضا تبعا لطريقة الاصطناع ،التركيب الكيميائي

،الخواص الطبيعية (الفيزيائية) ، أو الاستخدام التطبيقي . فمثلا تنقسم

البوليمرات تبعا لطريقة الاستخدام إلى :-
1- اللاستمرات Ellastomers وهي المبلمرات المطاطية مثل (Rubber) .
2- البلاستيك Plastics وهي المبلمرات الصلبة التي تندرج من مبلمرات لدنة (elastic) إلى شديدة

الصلابة مثل البويات ومبلمرات البولي ايثلين .

3-الأنسجة الصناعية Synthetic Fibers الألياف الصناعية ،وهي

مبلمرات تستخدم لصناعة الأنسجة المصنعة مثل البولي اميدات .

-أهم طرق تقسيم المبلمرات هي تبعا لطريقة الاصطناع أي تبعا لنوع

تفاعلات البلمرة والتي تنقسم إلى :

أولا / البلمرة بالإضافة :

وينتج عنها مبلمر إضافة وهي التي تنتج من تفاعل إضافة متسلسل

والذي يتم عن طريق بادئ إلى رابطة الكربون الثنائية C=C مكون

مركب وسطي نشط الذي يتفاعل بدوره مع جزيء مونمر آخر مكونا

مركب وسطي جديد .

كما تنقسم طرق البلمرة بالإضافة تبعا لنوع البادئ لتفاعلات الإضافة

فهو إما أن يكون شق حر (طليق) ( Free radical) أو بادئ انيوني

(أيون سالب) أو بادئ كاتيوني (أيون موجب ) .

ثانيا / البلمرة بالتكاثف :-

وهو تكاثف متتابع (متسلسل) بين مركبين مختلفين كل منهما يحتوي

مجموعتين فعالتين مع فقد ناتج ثانوي وتتم البلمرة بدون حافز بادئ .

وتنقسم المبلمرات الصناعية إلى خمسة أقسام تبعا لخواصها الفيزيائية وهي :

1-الثرمو بلاستيكات :

وهي المبلمرات الصناعية الصلبة التي تلين بارتفاع الحرارة ثم تعود

لصلابتها بالتبريد دون تغير في تركيبها الكيميائي .

2-الثرمو ستاتيكات :

وهي المبلمرات ذات القواطع العرضية والتي تعطي بتسخينها مبلمرات

شديدة الصلابة (لا تلين بالتسخين كما في الثرموبلاستيكات ).

وتستخدم في صناعة المواد اللاصقة وهي مثل البولي يوريثان ، ويوريا

ولدائن ميلانين، ولدائن الفينول الإيبوكسي.

3-الملدنات :

وهي مواد عضوية صغيرة وتستخدم كملدنات للمبلمرات الصلبة مثلا

البلاستيك لتعطها ليونة ومن أهمها ثنائي الكيل فيثالات .

4- الاستومير (المبلمرات المرنة ) : Elastomers

وهي مواد هيدروكربونية غير مشبعة ذات أوزان جزيئية عالية وتتميز بأن

لها القدرة على تحمل زيادة الطول تصل نسبتها من 500 إلى 100 %

ومن ثم ترتد إلى شكلها ألأصلي بعد إزالة السبب وتنتج هذه المرونة

من عملية ترابط شبكي بسيط بين السلاسل المكونة لها ومن أمثلتها

المطاط .

5- الألياف الصناعية : Fibers

وهي من أهم المبلمرات المستخدمة في الصناعة وتمتاز بمقاومة

شديدة للتشوه وتتحمل إطالة صغيرة حوالي (10-50%) ولها قوة شد

عالية لاحتوائها على مراكز قطبية أو هيدروجينية و تمتاز بضعف

امتصاصها للرطوبة ولها درجة تبلور عالية نتيجة لوجود قوى ثانوية من

أمثلة هذه الألياف بولي استر وبولي أميد وبولي بروبلين .

- خواص البوليمرات :

1- الوزن الجزيئي :
إن مركبات الجزيئات الضخمة لا توجد إلا في حالتين سائلة وصلبة لأن

ضغط أبخرة المركبات ينقص بزيادة الوزن الجزيئي وقد يهبط هذا الضغط

إلى الصفر قبل أن يصل الجزيء الضخم إلى قيمته المميزة .

2- الخواص الفيزيائية للبوليمرات :Physical properties of polymers
يمكن تصنيف البوليمرات من حيث حالتها الفيزيائية إلى متبلورة وغير

متبلورة وهناك نوع ثالث بينهما هي المبلمرات شبه المتبلورة ونعني

بالتبلور في البوليمرات تكوين تراكيب منتظمة ، ونادراً ما تتكون بلورا

ت منفردة ذات أشكال هندسية ثابتة ، كما في المركبات العضوية

البسيطة واللاعضوية .

أما البوليمرات غير المتبلورة ( الزجاجية ) فتكون سلاسل الجزيئات

البوليمريه منتشرة بشكل غير منتظم . وتعد هذه الأنظمة سوائل من

الناحية الفيزيائية وتسمى بالسوائل المتجمدة وكما الحال في الزجاج

الاعتيادي فالتعريف الفيزيائي للمادة الصلبة الحقيقية هي التي تكون

متبلورة أما غير المتبلورة تكون عادة شفافة كالزجاج وذات مرونة أكثر

نسبياً من المتبلورة .

وتكون المناطق المتبلورة في البليمر منتظمة أما باقي السلاسل

البوليمرية فتبقى موزعة بشكل اعتباطي وتكون في الحالة الزجاجية ،

والنسبة بين المناطق المنتظمة المتبلورة وغير المنتظمة" الزجاجية"

تدعى بدرجة التبلور .

وتعتمد درجة التبلور على عدة عوامل منها طبيعة المجاميع الفعالة

(المستبدلة ) الموجودة على السلسلة البوليمرية وحجمها ومدى

قطبيتها ودرجة تفرع السلاسل والإنتظام الفراغي لها . وكل ما قلت

درجة التفرع وكانت السلاسل متجانسة ومنتظمة كل ما زادت القدرة

على التبلور والعكس بسبب ازدياد القوى البينية للجزيئات .

أمثلة لبوليمرات طبيعية:
( النشأ , السليلوز , الحرير , المطاط الطبيعي ).
أمثلة لبوليمرات صناعية :
( البلاستيك , المطاط الصناعي ,الألياف الصناعية )

أنواعـــــــهــــــــــا
1. بوليمرات بالإضافة:
بولي إيثيلين :البلاستيك .
بولي كلوريد الفينيل(PVC ):الأنابيب , الأكياس , القنينات .
بولي أكريلونيتريل:الألياف الصناعية مثل الأورلون.
بولي ستايرين:المشغولات البلاستيكية.
بولي بيوتادايين:المطاط الصناعي .

2. بوليمرات بالتكاثف :
بولي إيثيلين تيرفيثالات:ألياف صناعية من نوع بولي إستر.
الأصماغ :التغليف , المواد الملدنة .
نايلون 66 :ألياف صناعية من النايلون ز
فينول فورمالدهيد :مواد لاصقة مثل البكالايت.
بولي يوريثان :رغاوي مطاطية تستخدم في العزل والتنجيد

بسم الله الرحمن الرحيم
بارك الله فيك معلومات قيمه
الف شكر

السلام عليكم

بارك الله فيك

جزيت كل خير

شكرا لمرورك العطر

برائحة العود والمسك والعنبر