امعھ التكنولوجیھھ م العلوم التطبیقیة فرع علم المواد إشراف و إعداد المدرس

Transkript

1 امعھ التكنولوجیھھ الججل م العلوم التطبیقیة قسس فرع علم المواد الثانیة/ اللمرحلة Chemistry of Polymers إشراف و إعداد المدرس 0

2 مقدمة عن البولیمرات Introduction to Polymers بدأت قصة اللداي ن الاصطناعیة (البلاستیكات ( Plastics قبل قرن تقریبا و لا شك أن الانتشار الواسع في استخدام اللداي ن أو ما یسمى بالبولیمرات أحدث نقلة نوعیة في عصرنا الحاضر وجعلھ یتمیز عن العصور الا خرى التي مر بھا الا نسان منذ نشا تھ الا ولى و یعتبر علم البولیمرات أحد العلوم الكیمیاي یة الحدیثة حیث أن تركیب الجزیي ات العملاقة والتي سمیت بالبولیمرات (Polymers) لم یعرف بالتحدید إلا بعد عام 1920 م. وقد عرفت البولیمرات منذ القدم على ھیي ة مطاط ی ستخرج من الا شجار التي سمیت آنذاك بالا شجار الباكیة Trees) ( Crying كما في الشكل. وقد استخدم الا نسان القدیم البولیمرات الطبیعیة Polymers) (Natural والمستخرجة من النباتات والحیوانات قبل مي ات القرون فقد صنع ملابسھ من القطن والصوف والحریر وجلود الحیوانات واستخدم البولیمرات في طعامھ كالزیوت النباتیة (Oils) والشحوم الحیوانیة( Fats ) واستعمل الراتنجات الطبیعی Resins) Natural )كا صماغ و لواصق منذ آلاف السنین كالصمغ العربي Gum) (Arabic والا صماغ الحیوانیة والا سفلت الذي استخدم في طلاء القوارب. لقد صنفت البولیمرات في القرن الثامن عشر ضمن الغرویات (Colloides) لا ن الحالة الغرویة في ذلك الوقت كانت معروفة بمثابة حالة مستقلة من حالات المادة إضافة إلى الحالة الساي لة والصلبة وقد كان سبب ھذا الاعتقاد الخاطيء أن معظم المواد الغرویة تمتاز با وزانھا الجزیي ی ة العالی ة مقارن ة ب المواد الا خ رى البس یطة وبق ي ھذا المفھوم ساي دا حتى عام 1880 م عندما اكتشف راولت Raoult و فانت ھ وف Vant Hoff طرق ا لتعی ین الوزن الجزیي ي فقد عین بھذه الطریق ة ال وزن الجزیي ي للمط اط الطبیع ي و النش ا ونت رات الس لیلوز ووجد با نھ ا تت راوح ب ین( ). تعتبر ھذه الخط وة أول ى ال دوافع الت ي أدت إلى الاعتق اد بفكرة وجود الجزیي ات الكبیرة ( Macromolecules ).إلا إن ھذه الفكرة لم تكن مقبولة عند كیمیاي ي ذلك العصر لسببین :- 1- لم یكن بالا مكان وضع ح د فاص ل ب ین الجزیي ات الكبی رة والم واد الغروی ة لذلك فاعتقد البعض ب ان الم واد البولیمریة التي دعیت بالجزیي ات الكبیرة ھي مواد غرویة لا ینطبق على محالیلھا قانون راولت. 2- فسر كبر وزنھا الجزیي ي على أس اس تجم ع فیزی اي ي للجزیي ات الص غیرة فق د فس ر م ثلا ال وزن الجزیي ي للمط اط الطبیع ي ال ذي ع رف ص یغتھ الوض عیة من ذ ع ام ) C) 5 H با ن ھ ن اتج م ن تجم ع جزیي ات التي أمكن عزلھا م ن تقطیر المطاط الطبیعي أم ا الا یزوبرین Isoprene بھیي ة تراكیب مستقیمة أو على ھیي ة تراكیب حلقیة لتكوین المادة الغرویة ذات التركیب الا تي: CH 3 CH 2 C CH CH 2 CH 2 C CH CH 2 CH 3 1

3 نبذة تاریخیة عن استخدام البولیمرات في الصناعة History of Polymer Science تمثلت اھم الامور لبدایة المواد اللداي نیة بالاحداث التي حدثت عام 1820 م عندما بدات نظریة النش وء والارتق اء بالكیمیاء العضویة. - المطاط الطبیعي rubber) (Natural لقد عرف المطاط الطبیعي منذ فت رة طویل ة واس تخدم ف ي إنت اج الا نس جة المعامل ة بالمط اط وف ي ص ناعة قط ع الممحاة عام 1838 م إلا إن القفزة النوعیة في استخدامھ حدثت بعد اكتش اف الع الم ك ودییر Goodyear في عام 1839 م عملیة ) الفلكنة (Vulcanization of rubber طریقة معالجة للتصلید وذلك م ن اجل تص لید المط اط بالكبری ت حی ث أص بح المط اط المفلك ن الم ادة الا ساس یة ف ي ص ناعة الا ط ارات والعج لات وتع د اول محاولھ ناجحة في مجال التقدم الصناعي. - المطاط الصلب او القاسي ) الایبونایت (Ebonite في عام 1851 م سجلت براءة اختراع للمطاط الصلب الذي أصبح یستخدم تجاریا في العدید من الا جھزة والا دوات وخاصة الكھرباي یة منھا إلى فترات زمنیة قریبة حیث حلت محل لداي ن اقل وزنا وثمنا وأكثر جمالا وجودة. - أسیتات السلیلوز في عام 1856 م اكتشفت طریقة إنتاج السلیلوز نتیجة تفاعل السلیلوز مع خلیط من حامض الخلیك المركز وأنھیدرید حامض الخلیك.( anhydride ( Acetic ولكن ھذا البولیمر لم یستخدم صناعی ا حتى حتى عام 1900 م بعد أن اكتشفت التكنولوجیا الخاصة بتحویلھ إلى ألیاف صناعیة. - السلیلوز المرسب في عام 1859 م اكتشفت طریقة لا ذابة السلیلوز في مذیبات خاصة تتكون من أملاح النحاس النشادریة وقد أمكن ترسیب السلیلوز المذاب وحصل بذلك على نوع من الحریر الصناعى والذي عرف في ذلك الوقت بحریر الكوبر أمونیوم (Cuprammonium) كما تطورت العملیة التكنولوجیة عام 1891 م لا نتاج الفسكوز( Viscose ). - عام 1860 م حضر الكیمیاي ین البولي (كلایكول الا یثیلین). نترات السلیلوز في عام 1862 م عرض الكسندر باركس Alexander Barx في لندن مادة مصنوعة من نترات السلیلوز (Cellulose) والتي تحضر من معالجة السلیلوز بحامض النتریك والتي اسماھا الباركزین. وقد استعملت ھذه المادة في صنع أشیاء عدیده كالا وسمة والا زرار وصناعة المتفجرات (قطن البارود) والحریر الصناعي وصناعة زجاج الا مان وفى تصنیع بویات السیارات (الدوكو)...وغیرھا. - - السلیلوید (Celluloid) (الباغة) لقد رصدت أمریكا جاي زة لمن یجد بدیلا للعاج الذي كان الطلب علیھ كثیرا لصنع كرات البلیارد والتحف الثمینة ویاقات القمیص وھیاكل النظارات وایدي السكاكین. وحاول جون ویسلي یات John Websly Hyatt عام 1868 م ربح ھذه الجاي زة فطو ر مزیجا من نترات السلیلوز Cellulose) (Nitrated والكافور( Camphor ) الكثیر الشبھ بالباركزین واطلق علیھ اسم السلیلوید (الباغة) Celluloid) (. لكنھا لم تكن المادة المثلى فھي تلتھب بسرعة وسھولة لذلك تم البحث عن مادة جدیدة أكثر أمانا وذات خواص مماثلة وكانت خلات السلیلوز التي اكتشفھا بروس Bross و بیفان Bevan ذات مزایا مشجعة م تم تحضیر مطاط الا یزوبرین. - في عام 1897 قام ھیلاري دي شارونیھ ببدء أول مصنع لتصنیع الخیوط بناءا على الس لیلوز كمادة لا س تبدال الحریر. 2

4 - الفینول فورمالدھید یعتبر ھذا البولیمر من أقدم البولیمرات التي تم تص نیعھا م ن مصادر غیر طبیعی ة حیث م نح الع الم لیوبیكلاند Leo Bakland براءة اختراع عام 1907 في أمریكا عن اختراعھ الذي أطلق علیھ فیم ا بعد ) البیكالایت (Phenol ) وق د أدى ھ ذا الاكتش اف ال ى ص نع م واد راتنجی ة بتفاع ل كیمی اي ي ب ین الفین ول ( Bakelite والفورمالدیھاید.(Formaldehyde) وكانت ھذه الراتنجات ھ ي الص نف الا ول م ن عاي ل ة اللداي ن الحدیث ة التي عرف ت باس م الراتنج ات المتص لدة ب الحرارة وال ذي اس تخدم ف ي إنت اج أجھ زة التلف از الس وداء القدیم ھ والم ذیاع والھاتف. - في عام 1920 قام العالم ستوندنجر Herman Staudinger باقتراح حول تركیب الجزیي ات الضخمة التي تش بھ المط اط الطبیع ي إذ وج د ف ي الب ولیمرات العالی ة ان الكثی ر م ن الجزیي ات المنف ردة تحم ل مع ا بواس طة الاواصر التكافو یة الطبیعیة.وبفضل جھوده نالت فرضیة الجزیي ات الكبیرة تا یید الكثیر من العلماء. - نایلون 66) 66 (Nylon. في عام 1929 م ساھم في دعم وإثبات فرضیة الجزیي ات الكبیرة العالم الا مریكي كاروثر Carothers الذي یعتبر راي د ا في مجال تصنیع البولیمرات الصناعیة حیث قام بتحضیر النایلون الشھیر والمعروف باسم نایلون البولي ستایرین في عام 1600 م اكتشفت طریقة لتحویل مركب الستایرین Styrene إلى مركب معقد.وقد بدأ في اس تغلال ھذا البولیمر صناعی ا في ألمانیا عام 1930 م و يف الولایات المتحدة عام 1937 م. - لقد اخترع كاروثرز أول مطاط تصنیعي نیوبرین عام 1931 م والنایلون عام 1935 م. - البولي أثیلین وقد اكتشفت بعض اللداي ن الا خرى بطریقة الصدفة ففي انكلترا عام 1933 كان العلماء یدرس ون ت ا ثیر الضغط المرتفع ودرجة الحرارة عل ى م واد مختلف ة ك ان احدھا الاثیل ین وقد تا خر اكتش اف خ واص ھ ذه المادة س نوات عدی دة لقل ة الكمی ة المص نوعة منھ ا. ول م تت وفر ھ ذه الم ادة بكمی ات تجاری ة إلا ف ي أثن اء الح رب الثانی ة حی ث استعملت بكثرة في تجھیز الرادار. - عام 1938 تم صناعة التفلون (بولي (رباعي فلورواثیلین) ( وھو مادة بیضاء لاتذوب في الماء والمذیبات یستخدم في صناعة اواني الطبخ لمنع التصاق الطعام مثل مقلاة التیفال وصناعھ الملابس المقاومة للحراره أھم ویعتبر من البولیمرات الصناعیة نظرا - وفي الخمسینیات اكتشف بولیمر البولي كلورید الفاینل (PVC) لاستخدامھ في إنتاج بداي ل الجلد الطبیعي منھ. إن أھم حدثین ساھما في إعطاء دفعة كبیرة لھذا الفرع الجدید من العلم ھما: الح دث الا ول : تع دیل المفھ وم الخ اطي ع ن ماھی ة وطبیع ة الل داي ن ) وتس مى أیض ا الب ولیمرات أو الجزیي ات الكبی رة ( م ن قبل العالم ھیرم ان س تودنجر.Herman Staudinger فقد ك ان الاعتق اد الس اي د إن الجزیي ات الكبیرة ھي عبارة عن تجمع لجزیي ات صغیرة تربطھا روابط فیزیاي یة. وقد غی ر س تودنجر ھ ذه الفك رة الخاطي ة عام 1922 واقترح إن : - " إن ھذه الجزیي ات الكبیرة ھي عبارة عن جزیي ات كبیرة مس تقلة تربط وحداتھا روابط كیمیاي یة حقیقی ة ولھ ا أوزان جزیي یة كبیرة " - وك ان أول م ن اقت رح الص یغة الكیمیاي ی ة للجزیي ات الكبی رة مث ل الب ولي س تایرین والمط اط الطبیع ي وب ولي أوكسي مثیلین بشكل سلاسل طویلة من وحدات الایزوبرین 3

5 وفى البدایة قوبل اقتراح ستودنجر لفكرة الجزیي ات العملاقة باعتراضات شدیدة ولك ن بعد التقدم الذي ت م في تطویر استخدام أشعة السینیة في الكشف عن تركیب جزیي ات تلك المواد المعقدة وكذلك في ابتكار طرق جدیدة لتعیین الا وزان الجزیي یة تا كد صحة اقتراح س تودنجر وم نح ھذا الع الم ج اي زة نوبل في الكیمیاء ع ام 1953 م تقدیر ا لھ عن الكشف عن ھذه الجزیي ات العملاقة والتي عرفت فیما بعد بالبولیمرات. ومن ذ زم ن س تودنجر انتش رت وتط ورت الا بح اث الخاص ة لدراس ة الب ولیمرات م ن المص ادر الطبیعی ة وك ذلك تصنیع البولیمرات الصناعیة من كل نوع وحجم. من الصعوبات التي واجھتھا فرضیة الجزیي ات الكبیرة ھو كیفیة تفسیر تكون المجامیع الفعالة في نھایة السلاس ل وطبیعتھا لا ن تعیین نسب ونوع ھذه المجامیع الفعالة صعب لقلة تركیزھا من ناحیة ولعدم وجود طرق كیمیاي یة أو فیزیاي ی ة دقیق ة وقتي ذ لتعی ین وتش خیص ھ ذه المج امیع الفعال ة. وق د اقت رح س تودنجر ع ام 1925 م با ن ھ لا یستوجب وجود مجامیع فعالة في نھای ة السلاسل لغرض إش باع تكافو ات الذرة الا خیرة م ن السلسلة البولیمری ة واعتبر ھذه المجامیع حتى في حالة وجودھا غیر فعالة بسبب كبر حجم الجزیي ات المرتبطة بھا وقد اعتقد أیض ا بفكرة وجود التراكیب الحلقي Cyclic structure الكبیرة حلا لمش كلة المج امیع النھاي ی ة. وبقیت ھذه الفك رة مقبولة لفترة من الزمن حتى عام 1937 م عندما وضع فلوري Flory میكانیكی ة التف اعلات المتسلس لة Chain. Reaction أما الحدث الثاني: فقد كانت الحرب العالمیة الثانیة حیث قامت الا م م المشتركة فیھ ا با بح اث مستفیضة لتط ویر م واد جدی دة ب دل الم واد الا ولی ة مث ل المط اط الت ي انقط ع إم دادھا ع ن ال دول التجاری ة نتیج ة للحص ار البح ري المفروض على طرق التجارة. فقد باتت ألمانیا بحاجة ماسة لمواد تحل محل المطاط الذي ل م یعد متوفرا لدیھا. وقاد ذلك إلى تطویر أنواع من المطاط الصناعي معتمدا في إنتاجھ على الھیدروكاربونات. -: البولیمرات Polymers إن كلمة بولیمر (Polymer) أصلھا إغریقیة وتتا لف من مقطعین وھما (Poly) بمعنى متعدد و( mer ) بمعنى أجزاء أو وحدات. أي إن البولیمر متعدد الوحدات (الا جزاء). مثل الكلوكوز ھو الوحدة البناي یة للسیلیلوز ولكن یترتب السلیلوز بترتیب آخر ویكو ن الكلایكوجین او النشا. البولیمر : Polymer ھي جزیي ة كبیرة ) Molecular (Macro وتتراوح أوزانھا الجزیي یة من ) 6 10) والتي تتكون من جزیي ات كیمیاي ی ة صغیرة تدعى المون ومرات (Monomers) والتي تك ون مرتبطة مع بعضھا البعض با واصر كیمیاي یة مكونة سلاسل جزیي یة طویلة تا خذ أشكالا متعددة فتكون أما خطی ة فی دعى الب ولیمر ب البولیمر الخط ي Polymer) (Linear أو متفرع ة وی دعى الب ولیمر ب البولیمر المتف رع Polymer) (Branched وقد تكون الفروع في سلسلة البولیمر ذات تركیب مشطي Form) (Comb أو ذات تركیب سلمي Form) (Ladder أو ذات تركیب صلیبي (Cruciform) أو تكون ھذه التفرع ات متش ابكة م ع بعضھا فیدعى بالبولیمر المتشابك Polymer) (Crosslinked كما في الشكل (1). تسمى اللداي ن غالبا بالراتنجات( Resins ) عندما تكون كمادة اولیھ قبل التشكیل وھي الم ادة الش اي عة في عملی ات التص نیع الحدیث ة (ال راتنج : ھ و ب ولیمر عض وي س اي ل او ص لب او ش بھ ص لب غی ر متبل ور ق د یك ون طبیع ي تفرزه النباتات وحشرات معین ھ او یك ون ص ناعي وذو تركیب معقد مع وزن جزیي ي عال ولھ دور كبیر في الصناعات البلاستیكیة حیث تتوزع خواصھ من كونھ مادة لینة وسھلة التشكیل الى مواد صلدة ھشھ (. ان الج زيء الاساس ي لل داي ن ھ و الك اربون وت رتبط بی ھ ذرات العناص رالاخرى كالھی دروجین الاوكس جین النتروجین الكلور لتشكل الجزیي ات اما المواد الخام التي تستخدم لانتاج اللداي ن فھي البترول والغازات المكربن ة. ان المواد الخ ام للمركب ات اللداي نی ة تتمث ل بمختل ف المنتج ات الزراعی ة والمع ادن والعدی د م ن الم واد العض ویة متضمنھ موادا كالبترول الفح م الغ از الحجر الجیري الس یلیكا والكبریت وخلال عملی ة التص نیع تض اف موادا اخرى لاجراء بعض التعدیلات اللازمھ علیھ. 4

6 یبدا تكوین اللداي ن من الغاز (المونومر) ثم یتحول الى الحاي لة الساي لة ثم یتم تشكیلھا بواسطة الحرارة او بالحرارة والضغط حتى تصبح في الحالة الصلبة في شكلھا النھاي ي.ان اضافة مواد اخرى لتقویة اللداي ن سینتج عنھا ص نف جدید من المواد تسمى المواد المتراكبة. ویتم اضافة مواد اخرى للداي ن اثناء عملی ة التص نیع لتحس ین خصاي ص ھ كالصبغات لاكسابھ اللون والمذیبات والمزیتات والمل دنات لجعل ھ اكثر مرونھ ومض ادات الاكس دة لجعل ھ مقاوم ضد الكیمیاویات والحشوات والغرض منھا ھو لتقلیل كلف ة التص نیع ولتقلی ل الانكم اش ولتحس ین المقاوم ة الحراریة واكسابھ مقاومة ضد الصدمات او لتعزیز الخواص الاخرى المرغوبة للمنتج. مزایا البولیمرات :- إن أھم ما یمیز البلاستك عن المواد الطبیعیة الا خرى ھو الخواص المتعددة في المادة البلاس تیكیة الواحدة بینم ا تمتاز المواد الا خرى ب ان لھ ا خاص یة منفردة عن الاخرى وھذا ھ و الس بب في الانتش ار الكبیر لاس تخدامات المنتجات البلاستیكیة فمن الممكن أن تجتمع صفات القوة والمرونة والصلابة وخفة الوزن والشفافیة في آن واحد في مادة بلاستیكیة واحدة مما یجعلھا صالحة لعدة استخدامات متباینة بینما المواد الا خرى بخاص یتھا المنفردة لا یمك ن ان تص لح ل ذلك.وتمت از الب ولیمرات ك ذلك بانھ ا رخیص ة ال ثمن و متع ددة الال وان (حی ث یمك ن تلوینھ ا با لوان مختلفھ لاستخدامھا في مجال الدیكور) وسھلة القولبة والتشكیل (التصنیع) وتمتاز بخاصیة العزل للحرارة والبرودة والكھرباء ومقاومة التا كل والصدأ ومقاومة للمذیبات الكیمیاي ی ة ومقاوم ة للاش عة ف وق البنفس جیة وع دم نفاذیة للسواي ل و الغازات وتمتاز بان لھا معامل تمدد طولي كبیر و یمك ن اس تخدامھا لتخ زین ك م ھاي ل م ن المعلوم ات عل ى حوامل خفیف ة ال وزن والقی اس CD) DVD كروت ذاك رة وغیرھ ا ( وجزء كبیر م ن المنتجات البلاستیكیة یمكن إعادة تدویره وتصنیعھ من جدید وذات تركیب أكثر تعقیدا من المعادن والسیرامیك عیوب البولیمرات :- لھا راي حة غیر مرغوب فیھا وتسبب حساسیة في الجھاز التنفسي ولاتتحمل درجات الحرارة العالیة ولھا متانة واطي ة وقلھ استقراریة ابعادھا والتعرض للكسر والتلف ولھا عمراستخدام قصیرجدا لھذا فانھا تتحول الى م واد مھمل ة disposable وبالت الي تزی د م ن كمی ة النفای ات وان المخلف ات البلاس تیكیة ص عبة التحل ل إل ى جان ب التا ثیرات البیي یة الضارة في حالة حرق المخلفات البلاستیكیة والذي یولد غازات خطیرة أو عند تفاعلھا مع المواد الغذاي یة ف ي حال ة اس تخدامھا ك ا واني وأك واب الطع ام والش راب.وبالمقارن ھ م ع المع ادن فانھ ا اكث ر لیون ھ واق ل مطیلیھ اوكثر قابلیھ على التشوه تحت تا ثیر الاحمال وتتحلل في درجات حرارة منخفضة. 5

7 المونومر (Monomer) (أحادي الجزيء) : الجزیي ة البس یطة الت ي تبن ى منھ ا جزیي ة البولیمرتس مى المون ومر وھ و مركب كیمی اي ي بس یط ذو وزن جزیي ي صغیر ویتم انتاجھ من النفط الخام والغازات التي اساسھا الكاربون. ویتمیز جزيء ھذا المركب بتركیب خ اص یمكنھ التفاعل مع جزيء آخر م ن نفس نوع ھ أو ج زيء لمركب آخر وتحت الظ روف المناس بة لتك وین سلسلة الب ولیمر. وتس مى عملی ة ارتب اط الجزیي ات الص غیره (المون ومر) م ع بعض ھا ال بعض ب البلم رة (Polymerization) ان ابسط نوع لجزیي ة البولیمر تتمثل بالبولي اثیلین ( C 2 H 4 ) n حیث ان وحدتھ الاصل (المیر) ھي الاثیلین الوحدات التركیبیة أو الوحدات المتكررة Structural or Repeating Units تتك ون سلس لة الب ولیمر م ن وح دات تركیبی ة units) (Structural والت ي ت دعى أحیان ا بالوح دات المتك ررة Units) (Repeating وھ ي عب ارة ع ن جزیي ات كیمیاي ی ة ص غیرة ینش ا م ن تكرارھ ا الب ولیمر وتك ون ھ ذه الوحدات مكافي ة لجزیي ھ المونومر أو تنقصھا ذرة أو مجموعة من الذرات وتوضع صیغتھا بین قوسین. وتتراوح الوحدات المتكررة من العشرات إلى عشرات الا لاف. أما إذا كان عدد الوحدات المتكررة قل یلا یدعى المركب بمتعدد الجزیي ات (Oligomer) (وھ ي ب ولیمرات ذات وزن جزیي ي قلیل). إلا إن الب ولیمرات المھم ة ص ناعیا تت راوح أوزانھ ا الجزیي ی ة ب ین ( ) ابت داء م ن الم واد الص مغیة و اللواص ق وانتھ اء بالبلاستیكات القویة المتینة والمطاط و الا لیاف. درجة البلمرة Degree of polymerization أو طول سلسلة البولیمر 6 n ویرمز لھا (DP) وھي تمثل عدد الوحدات التركیبیة المتكررة في سلسلة جزيء البولیمر ویعبر عنھا بالعدد (n) والتي توضع أسفل نھایة القوس الذي یحتوي على الوحدة التركیبیة المتكررة. CH CH ) ( 2 2 Polyethyle ne : n درجة البلمرة وكلما ازدادت درجة البلمرة لا ي بولیمر كلما دل ذلك على أن وزنھ الجزیي ي كبیر. الوزن الجزیي ي للبولیمر = درجة البلمرة X الوزن الجزیي ي للوحدة المتكررة معدل الوزن الجزیي ي للبولیمر اي ان درجة البلمرة DP (عدد الوحدات ( n = الوزن الجزیي ي للوحدة المتكررة (مونومر)

8 الاستخدامات العملیة للبولیمرات:- تستخدم البولیمرات في خمسة مجالات صناعیة منھا ثلاثة ري یسیة تك ون فیھ ا الب ولیمرات ھي المك ون الري یسي وھي مجالات إنتاج :- 1) المواد المطاطیة Rubbers وتسمى مواد اللاتكس Latex في بعض التطبیقات. (2 الا لیاف الصناعیة.Synthetic Fibers 3) البلاستیك Plastic وتسمى في بعض الا حیان راتنجات.Resins ومجالات غیر ري یسین تدخل فیھا البولیمرات مع مكونات أخرى ھي مجالي إنتاج :- البویات أو الا صباغ. Paints 1) مواد اللصق. Adhesive (2 عن غیرھا من المواد المتاحة للبشر و من أمثلتھا : و للبولیمرات مجموعة واسعة من التطبیقات تتجاوز بكثیر تطبیقات في الزراعة و الصناعات الزراعیة حیث تستخدم المواد البولیمریة في التربة لتحسین التھویة وتعزیز نمو و صحة النباتات. تطبیقات في الطب : تستخدم البولیمرات في استبدال صمامات القلب و الا وعیة الدمویة مثل الداكرون والتفلون وتستخدم في صناعة الادویة. حاویات البلاستیك من جمیع الا شكال والا حجام أخف وزن ا وأقل تكلفة تطبیقات في علم المواد المستھلكة : من الحاویات التقلیدیة الملابس فرش الا رضیة وأكیاس التخلص من القمامة والتعبي ة والتغلیف وغیرھا. التطبیقات في الصناعة : مثل صناعة أجزاء وقطع غیارالسیارات والزجاج الامامي للطاي رات الحربیة والمواد اللاصقة و ومركبات الفضاء و الا نابیب و الخزانات و موادالتعبي ة و التغلیف و العزل والدبابات الصمغ والخشب الصناعي و الا رضیات و فرش الاسفنج و وأدوات الزینة ومنتجات التجمیل و صناعة الخیام لھا مقاومة عالیة للحریق وأغلفة الا دوات الكھرباي یة وھیاكل المقاومة للاحتراق و ھي عبارة عن بولیمرات وصناعة الا جھزة المنزلیة ولعب الا طفال والا كیاس ذات الاستخدامات المختلفة وأرفف المكاتب والمطابخ والتلفون وأجھزة التلفزیون وأدوات المطبخ والطاولات وادوات الماي دة والكراسي المكاتب والمقاعد والمسجلات السمعیة والبصریة وأعمدة الا نارة والملابس وفي صناعة ھیاكل الجسور و واجھات المباني والا بواب والنوافذ وطلاء الجدران و في صناعة الا حذیة وجمیع والا غطیة الداخلیة للمنازل وأسقفھا المغلفة أنواع الملابس والا ثاث والمفروشات حیث إن قمیصك مصنوع من البولي استر وحقیبة الملابس مصنوعة من البولي فینیل وقنینة اللبن واكیاس النفایات مصنوعة من البولي أثیلین كما أننا نسیر وننام على سجاجید مصنوعة من البولي بروبیلین ونجلس على أثاث مصنوع من البولي ستایرین وسیارتنا تسیر على إطارات مصنوعة من البولي ایزوبروبین ناھیك عن أجھزة الكمبیوتر التي تتغذى باسطوانات مصنوعة من البولي أسیتات الفینیل المرنة اما خراطیم المیاه والاقمشھ المشمعھ مصنوعھ من بولي كلورید الفاینیل...الخ تطبیقات في الریاضة : معدات اراضي الملاعب وكرات الجولف وانواع الكرات الاخرى والنوادي وأحواض السباحة والخوذات الواقیة و أجھزة الحمایة كلھا تقریبا مصنوعة من البولیمر. نستطیع القول بدون مبالغة أن المواد البولیمریة تجدھا في كل ما یحیط بك.ھذا فضلا عن الاستخدامات في بحوث التقنیة العالیة و المواد الجدیدة و لیس أقلھا استخدامھا في الخلایا الشمسیة. وما ذكر مجرد أمثلة بسیطة لما نتعامل معھ في حیاتن ا الیومیة م ن الب ولیمرات وم ا خف ي واستخدم في الا مور الا خرى أكثر وأعظم حیث لا یوجد شيء یخلو من أجزاء البلاستیكیة في صنعھا مما یجعل الاستغناء عنھا امرا صعبا لان الصناعات البلاستیكیة ھي صناعة العصر التي تستثمر فیھا بلایین الدولارات في مختلف بلدان الع الم الغنیة والفقیرة على السواء لا نتاج المواد التخلیقیة. ولذلك فا ن عصر البولیمرات یجب أن یكون مقرونا با بحاث مكثفة عن كیفیة التخلص من النفایات المترتبة على ذلك الاستخدام الواسع الانتشار وعن إمكانیة تدویرھا. ویبین جدول (1) و( 2 ) بعض البولیمرات المھمة صناعیا والوحدات التركیبیة فیھا والمونومرات المتكونة منھا. 7

9 8

10 9

11 10

12 ب نیة البولیمرات The Texture of Polymers إن البنیة الھندسیة (Texture) للسلاس ل البولیمری ة تعتم د عل ى ن وع الا واص ر الت ي ت ربط ال ذرات ف ي السلس لة البولیمریة ولعل وجود الایزومیرات الفراغیة Isomers) (Stereo أي وجود تراكیب ) السس ( Ciss و ) الترانس ( Trans في السلاسل البولیمریة ھو ابسط مثال على ذلك وقد تا خذ السلاسل البولیمریة وضعیات ھندسیة Conformation) ( مختلفة بسبب الدوران حول الا صرة المنفردة وخاصة عندما یك ون الب ولیمر على ھیي ة محل ول أو منص ھر. إن إمكانی ة ح دوث الحرك ة الموض عیة ل بعض أج زاء السلاس ل البولیمری ة وظھ ور الوضعیات الھندسیة المختلفة للسلاسل البولیمری ة تحدد طبیعة خ واص الب ولیمر الفیزیاي ی ة والمیكانیكیة كمرون ة المط اط وص لادة بع ض الب ولیمرات الا خ رى وم ا تقس یة المط اط (Vulcanization) لغ رض زی ادة ص لادتھ وتقلیل مرونتھ إلا مثالا لتقیید حركة السلاسل البولیمریة. إن الحركة الموض عیة Motion) (Local للسلاس ل البولیمری ة تعتم د اعتم ادا كلی ا عل ى درج ة الح رارة. فل و تصورنا مثلا منصھر لبولیمر معین في المنصھر تكون السلاسل البولیمریة حرة الحركة ولھذا الس بب یك ون المنصھر بھیي ة ساي ل لزج قابل للحركة والتنقل. ویستفاد من ھذه الخاصیة في تصنیع البولیمرات وذلك بتحویلھ ا إلى منصھر بتا ثیر التسخین المن تظم وث م ضغط المنصھر إلى قوالب معین ة. فعن د تبری د منص ھر الب ولیمر یا خ ذ الب ولیمر ش كل القال ب وت دعى ھ ذه الطریق ة م ن التص نیع بالقولب ة (Molding). وعن د خف ض درج ة ح رارة المنصھر تتقید حریة الحركة الانتقالی ة للسلاسل البولیمری ة وتص بح مقتصرة على الحركة الموض عیة للسلاس ل كحركة بعض المجامیع المعوضة وحركة نھایات السلاسل البولیمریة. ویرافق ھذه التحولات تغیرات كبی رة ف ي ص فات الب ولیمر الفیزیاي ی ة والمیكانیكی ة فیتح ول الب ولیمر من منصھر لزج إلى منصھر صلب قوي وتدعى درج ة الحرارة الت ي یحص ل عندھا ھذا التغیر بدرجة الانتقال الزج اجي T) g ) وعندما تنخفض درجة الحرارة دون درجة الانتقال الزج اجي (Glass Transition Temperature ) فتتقید الحركة الموضعیة لا جزاء السلاسل البولیمریة والمجامیع المعوضة فیتحول البولیمر إلى مادة صلدة ھشة أما عندما یكون البولیمر فوق درجة انتقالھ الزجاجي فیمتاز بالمرونة. مثال توضیحي : g یمكن ملاحظة ھذه التغیرات مع المطاط مثلا فلو أخذنا المطاط البیوتلي مثلا الذي تبلغ درجة انتقال ھ الزجاجی ة o ( 25 یكون مرنا مطاطی ا لان ھذه الدرج ة الحراری ة o C ) ففي درجة حرارة الغرفة ( T 50 حوالي ) C ( 100 فیتحول المطاط ھي فوق درجة انتقالھ الزجاجیة ولكن عند تبریده بواسطة النتروجین المسال إلى ) C o إلى مادة ھشة (Brittle) سھل التكسر ویفقد صفاتھ المطاطیة كلیا. إض افة إل ى الحال ة الزجاجی ة ) state (Glassy الت ي تم ر بھ ا الب ولیمرات ف ان بع ض الب ولیمرات تع اني تبل ورا (Crystallization) عند تبرید منصھر البولیمر وخاصة عندما یكون التبرید بطیي ا إلا إن ظاھرة التبلور في الب ولیمرات مقتص ر فق ط عل ى بع ض الا ص ناف م ن الب ولیمرات. إذ ھنال ك متطلب ات معین ة لح دوث التبل ور كالانتظ ام الفراغ ي للوح دة المتك ررة وخطی ة السلاس ل البولیمری ة (Linearity) وطبیع ة المج امیع المعوض ة الموجودة على سلسلة الب ولیمر. إن التبل ور ف ي الب ولیمرات یك ون عل ى ھیي ة من اطق متبلورة ) Crystalline (Regions موزعة بین المناطق غیر المتبلورة (Amorphous) ولا یا خذ التبلور أشكالا ھندسیة ثابتة كما ھ و ملاحظ مع بلورات المركبات العضویة وغیر العضویة البسیطة. 11

13 أنواع البولیمرات وأساس تصنیفھا :Types of Polymers and their Classification 1- التصنیف المعتمد على مصادر البولیمرات البولیمرات الطبیعیة مثل (سلیلوز قطن الحریر) البولیمرات الصناعیة مثل (بلاستیك مطاط صناعي) البولیمرات الطبیعیة المحورة مثل (خلات السلیلوز) 2- التصنیف المعتمد على الطبیعة الكیمیاي یة للبولیمر البولیمرات العضویة مثل (أملاح البولي أسید العضویة) البولیمرات غیر العضویة مثل (بولي اوكسید السیلیكون) البولیمرات العضویة غیر العضویة مثل (بولي سلفون) التصنیف التكنولوجي للبولیمرات -3 البولیمرات المطاوعة للحرارة Thermoplastics Polymers (بولي ستایرین بولي اثیلین ( البولیمرات المتصلدة بالحرارة Thermoset Polymers (ایبوكسي بولي أستر) البولیمرات المرنة المطاطیة Elastomers (المطاط الطبیعي (NBR SBR الا لیاف Fibers (ألیاف النایلون) اللواصق والمواد الطلاي یة Adhesive &Coatings ) الصمغ الالبومین) 12

14 - 4 التصنیف المعتمد على الشكل البناي ي لجزیي ات البولیمر البولیمرات الخطیة مثل (بولي أثیلین عالي الكثافةHDPE ) البولیمرات المتفرعة مثل (بولي أثیلین واطي الكثافة (LDPE البولیمرات المتشابكة مثل (راتنجات الفینول الایبوكسي (EP 5- التصنیف المعتمد على تجانس البولیمرات البولیمرات المتجانسة البولیمرات المشتركة (الكوبولیمرات) مطاطSBR البولیمرات المتراكبة Composite Polymers (الا یبوكسي المدعم با لیاف الزجاج) خلاي ط البولیمر Polymer blends (خلیط من القطن والبولي استر) (البولي أثیلین ( PE - التصنیف الكیمیاي ي للبولیمرات المعتمد على میكانیكیة التفاعل 6 البولیمرات ذات النمو المتسلسل (بولیمرات الا ضافة) (بولي ستایرین PS بولي كلورید الفاینیل PVC بولي بروبیلین (PP البولیمرات ذات النمو الخطي (بولیمرات التكثیف) (نایلون 6 بولي استر ایبوكسي بولي تیرفثالات الاثیلینPET ( 13

15 التصنیف أولا : المعتمد على مصادر البولیمرات: Classification based on Polymers Sources (1 البولیمرات الطبیعیة : Natural Polymers تعتبر ھذه البولیمرات منتجات طبیعیة نباتیة أو حیوانی ة وتتك ون م ن مصدر عض وي (Organic) (ناتج ة ع ن الكاي نات الحیة) ومن الا مثلة على ذلك : السلیلوز النشا الصمغ العربي القطن المطاط الطبیعي الحریر البروتینات الكولاجین الا حماض النیكیولیة الحامض النووي DNA الص وف الشعر الجلد وغیرھ ا.وتكون ھذه البولیمرات غالیة الثمن وذلك لصعوبة الحصول علیھا لذلك فان استخداماتھا محدودة نسبیا. 2) البولیمرات المحضرة صناعیا (البولیمرات الصناعیة) : Synthetic Polymers وھذه تشمل البولیمرات التي یجري تحضیرھا من مركبات كیمیاي یة بس یطة ویمك ن انتاجھ ا م ن البت رول والغ از الطبیعي وتمثل ھذه الا غلبیة العظمى من البولیمرات المھمة صناعیا. وھذه تش تمل عل ى البلاس تیكات المختلف ة المطاط الصناعي والا لیاف الصناعیة وغیرھا. وتنقسم ھذه البولیمرات إلى : أ- بولیمرات عضویة (Organic) مثل البولي أستر البولي أمید البولي أثیلین البولي أكریلیك البولي كاربونات البولي بروبیلین وغیرھا. ب- بولیمرات غیر عضویة (Inorganic) مثل البولي سیلیكون. (3 البولیمرات الطبیعیة المحورة : Modified Natural Polymers (بولیمرات معاد تصنیعھا من بولیمرات طبیعیة ( وتشتمل ھذه على بعض البولیمرات الطبیعی ة الت ي تج رى علیھا بعض التح ویرات إم ا بتغی ر تركیبھ ا الكیمی اي ي كا دخال مجامیع جدیدة ف ي الب ولیمر أو تغیی ر تركی ب بع ض المج امیع الفعال ة الموج ودة فی ھ أو بتطع یم ب ولیمر طبیعي على بولیمر صناعي والعكس. ومن الا مثلة على الب ولیمرات الطبیعیة المحورة : خلات السلیلوز ) Acetate (Cellulose نترات السلیلوز Nitrate) (Cellulose س لیلوز مرس ب ) فس كوز) ص وف ص ناعي القط ن المطع م با لی اف الا كریلی ك وغیرھا. ویمكن توضیح أھمیة ھذه البولیمرات با خذ خلات السلیلوز كمثال. إن الس لیلوز ب ولیمر طبیع ي ص عب ال ذوبان في معظ م المذیبات العض ویة ولاینصھر لذلك ف ان تص نیعھ صعب جدا بشكلھ الطبیع ي وذلك بس بب الا واص ر الھیدروجینی ة القوی ة الموج ودة فی ھ والت ي تقل ل م ن ذوبان ھ وانص ھاره. ولك ن عن د تحوی ل ع دد م ن مج امیع الھیدروكسیل في كل وحدة تركیبیة من السلیلوز إل ى أس تر الخلات ) بحدود ثلاثة مجامیع او اقل ( ف ان خلات السلیلوز الناتجة تذوب في معظم المذیبات العضویة وبالنتیجة یمكن تحویل محلول البولیمر إلى ألیاف صناعیة أو رقوق بلاستیكیة (Films) وغیرھا من الاستخدامات الا خرى. 14

16 ثانیا : التصنیف المعتمد على الشكل البناي ي لجزیي ات البولیمر -1 البولیمرات الخطیة : Linear Polymers في ھذه البولیمرات تكون الوحدات التركیبیة مرتبطة مع بعضھا بشكل خطي متواصل تحضر ھذه الب ولیمرات بط رق خاص ة. وم ن مون ومرات معین ة تك ون ھ ذه الب ولیمرات ذات قابلی ة عل ى التبل ور أكث ر م ن الا ص ناف البولیمری ة الا خ رى وع ادة ت ذوب ف ي بع ض الم ذیبات الكیمیاي ی ة وف ي الحال ة الص لبة وعن د درج ات الح رارة الاعتیادیة توجد بشكل مواد مرنھ مطاطیة Elastomers مرنة Flexible أو زجاجیة Glass كما في المواد المطاوعة للحرارة Thermoplastic وتمتاز بخواصھا المیكانیكیة المرغوبة. ومن الا مثلة على ھذه البولیمرات البولي أثیلین العالي الكثافة High density polyethylene الذي یحضر باستخدام عوامل مساعده من ن وع زیكلر- ناتا. Ziegler Natta Catalyst یك ون لھ ذه الب ولیمرات سلاس ل خطیة غیر متفرعة كما في الشكل الا تي: -2 البولیمرات المتفرعة : Branched Polymers البولیمرات المتفرع ة تع رف با نھ ا ب ولیمرات خطی ة م ع تفرع ات ل نفس التراكی ب الا ساس یة للسلس لة الري یس یة. تتك ون الب ولیمرات المتفرع ة أم ا بس بب اس تخدام مون ومرات متع ددة المج امیع الفعال ة أو بس بب ح دوث بع ض التفاعلات الجانبیة تكون جزیي ة البولیمر بشكل متفرع ویختلف التفرع م ن حیث ط ول الف رع الج انبي وموقع ھ على سلسلة البولیمر فقد تكون ھذه الفروع مرتبة بشكل صلیبي على السلسة الري یسیة أو بشكل مشطي أو سلمي. كما في الشكل أدناه. إن لھذه التفرعات ت ا ثیر كبیر عل ى صفات الب ولیمر الفیزیاي یة كقابلیتھ ا عل ى التبل ور ودرج ة انص ھارھا ) m T) ودرجة انتقالھا الزجاجیة ) g T) وعلى صفاتھا المیكانیكیة المختلفة. والبولیمرات المتفرعة تذوب عادة في نفس المذیبات كما في البولیمرات الخطیة.وف ي الحقیق ة تش ابھ الب ولیمرات الخطیة في الكثیر من خواصھا لكن تتمیز أحیان ا ع ن الب ولیمرات الخطیة ب ان لھا قابلیة واطي ة على التبلور أو اختلاف لزوجة المحلول أو سلوك تشتت الضوء.البولیمرات المتفرعة ربم ا تن تفخ في بعض الس واي ل بدون أن تنحل بشكل تام. وفي ھذا المجال یجب التمییز بین البولیمرات الخطیة الحاویة سلاسلھا على مج امیع معوضة كحلقة البنزین أو مجموعة المثیل أو ذرة الكل ور الموج ودة ف ي الب ولي س تایرین والب ولي ب روبیلین وب ولي (كلوری د الفاینی ل) عل ى التوالي لان المجامیع المعوضة تعتبر جزءا من الوحدة التركیبیة للب ولیمر لان التفرع یتك ون ع ادة م ن عدد م ن الوح دات التركیبی ة.وم ن الا مثل ة عل ى ھ ذه الب ولیمرات الب ولي أثیل ین الم نخفض الكثاف ة Low Density. Polyethylene 15

17 -2 البولیمرات المتشابكة : Crosslinked Polymers البولیمرات المتشابكةpolymers Crosslinked أو البولیمرات الشبكیة Network Polymers تكون فیھا السلاسل البولیمریة متشابكة مع بعضھا ومرتبطة مع بعضھا با كثر من موقع واحد.وقد یكون التشابك بثلاثة اتجاھات لتكوین شبكات مترابطة. Network وتفقد الب ولیمرات المتش ابكة حركتھ ا ولاتنصھر او تسیل ولایمكن تشكیلھا وإن بعض المواد عادة ما تنتفخ من قبل المذیب ولكنھا لا تذوب. إن لدرجة التشابك تا ثیر كبیر على صفات البولیمر الفیزیاي یة والمیكانیكی ة فبزی ادة درج ة التش ابك تقل الص فات المطاطیة وتزداد القوة والمتانة للمادة وتكون المادة صلبة rigid وتزداد درجة الانصھار وعندما تك ون درج ة التشابك عالیة یصبح البولیمر غیر قابل للانصھار وغیر موصل للحرارة والكھرباء. ومن الا مثلة على بولیمرات ھذا الصنف : الراتنجات المتصلبة حراریا Thermosetting Resin مثل رات نج الا یبوكسي والبولي أستر و راتنجات الیوریا فورمالدیھاید و الفینول فورمالدیھاید وغیرھا. Crosslinked التصنیف المعتمد على الطبیعة الكیمیاي یة للبولیمر ثالثا : ا- البولیمرات العضویة :- تش مل المركب ات العض ویة الت ي تحت وي عل ى ذرات مث ل (الك اربون الھی دروجین الا وكس جین النت روجین الھالوجینات ( وقد یكون موقعھا في المجامیع الجانبیة أو جزء من السلسلة الري یسیة او تكون ناتجة م ن مصدر عضوي وتعتبر من أكثر الب ولیمرات أھمی ة ف ي الص ناعة مثل : الب ولي أثیل ین ب ولي كلورید الفاینیل و ب ولي كحول الفاینیل. 2- البولیمرات غیر العضویة :- تتكون من مركبات غیر عض ویة أي لا وج ود ل ذرات الك اربون ف ي السلس لة البولیمری ة المكون ة لھا وتتك ون سلاسلھا الجزیي یة البولیمریة عادة من الس یلیكون فقط او النت روجین او الفس فور والنت روجین معا او الب ورون والنتروجین. وتمتاز بمقاومتھا العالیة للحرارة ولفعل المواد الكیماویة. ھنالك عدد كبیر م ن ھذه الب ولیمرات المحض رة م ن مركب ات الكبری ت و الفوس فور و الس لیكون و الب ورون إلا أن الاس تخدامات الص ناعیة لھ ذه البولیمرات محدودة في الوقت الحاضر عدا بولیمرات السیلیكون التي تستخدم في ص ناعة الا لیاف الزجاجیة و البولى سیلیكات (أسبستوس) و بولى أوكسید السیلیكون (الزجاج) و غیرھا. 3- البولیمرات العضویة الغیر العضویھ : تتك ون سلاس لھا م ن ذرات عض ویة مث ل الك اربون والا وكس جین والھی دروجین بالا ض افة إل ى ذرات العناص ر اللاعضویة مثل السیلكون التیتانیوم والحدید وغیرھا من العناصر الفلزیة اللاعضویة وتكون عددھا قلیل ودرج ة انصھارھا عالیة لاحتواي ھا على عناصر لاعضویة وتمتاز ھذه البولیمرات بمقاومتھا الجیدة للحرارة. مثل الب ولي سلفون والبولي سیلوكسان. 16

18 Technological Classification of Polymers رابعا : التصنیف التكنولوجي للبولیمرات 1 -البولیمرات المطاوعة للحرارة :Thermoplastics Polymers تمتاز ھذه البولیمرات بانھا : ذات سلاسل جزیي یة خطیة طویلة أو قلیلة التفرع وتذوب في المذیبات العضویة أ) وتك ون ع ادة وتكون غیر لزجھ not tacky وسھلة التعامل ب) صلبة القوام hard عند درجات الحرارة العادیة بشكل حبیبات. وتتح ول إل ى ما یش بھ بالعجینة بحیث یمك ن تغی ر ج) تتغیر صفاتھا بتا ثیر الحرارة فعند التسخین تل ین Soften ب ین تتح ول ال ى منص ھرات ل زجة. وت ربط ھیي تھ ا بالی د وعن د رف ع درج ة الح رارة أكث ر ف ان الم ادة اللین ة جزیي اتھ ا ق وى فان درفالز الض عیفة وتك ون م ادة لین ھ ومرن ة و عن د خف ض درج ة ح رارة المنص ھر(التبری د) تس ترجع حالتھ ا الص لبة القوی ة لھ ذا الس بب تس مى ھ ذه الب ولیمرات بالبلاس تیكات المطاوع ة للح رارة د).Thermoplastics لھذا فانھا تكون مادة بلوریة. ھ) یمكن اعادة تشكیلھا او تدویرھا و) لھا مدة صلاحیة غیر محددة ز) تك ون عادة لینھ soft ضعیفھ weak اقل ھشاش یة less brittle م ن ب ولیمرات المتص لده حراری ا وذات انفعال عالي عند الكسر ر) تحضر ببلمرة الاضافة تت راوح ي) تتراوح درجة انتقالھا الزجاجي بین (C <Tg<150 o درجھ حراره الغرفھ) اما درج ة انص ھارھا بین (80-300) o C. ومن الا مثلة على ھذه البولیمرات : البولي أثیلین PE البولي ستایرین PS البولي بروبلین PP والنایلون. 2- البولیمرات المتصلدة بالحرارة :Thermoset Polymers ویطلق علیھا الراتنجات resins وتكون اقل استخداما م ن الب ولیمرات المطاوع ة للحرارة.وتك ون ع ادة على ھیي ة ساي ل لاصق او طلاء. وھي بولیمرات تمتاز بانھا: أ) ذات جزیي ات متشابكة ومعقدة التركیب و لاتذوب في المذیبات العضویة ب) تكون صلبة القوام Hard وتكون لزجة. Tacky ج) عند التسخین تتشابك السلاسل البولیمریة و تتحلل او ت تعفن decompose وتص بح الب ولیمرات غی ر ذاي ب ة (ف ي الم ذیبات الش اي عة) وغی ر قابل ة للانص ھار(مقاوم ة عالی ة تج اه الح رارة) لان السلاسل الجزیي یة ترتبط با واصر تساھمیة قویة ویو دي التشابك إلى إعاقة تبلورالجزیي ات وزیادة الطاقة المطلوبة لتحریك مق اطع سلاس ل د) البولیمر لھذا السبب فان ھذه البولیمرات تكون عادة غیر بلوریة ھ) لایمكن اعادة تشكیلھا او تدویرھا و) لھا مدة صلاحیة محددة ز) تكون عادة صلبھhard قویة strong اكثر ھشاشیة more brittle من البولیمرات المطاوعھ للحرارة و ذات انفعال واطيء عند الكسر ر) تحضر ببلمرة االتكثیف ي) ذات درجات انتقال زجاجي عالي C<Tg) 300) o وھي بولیمرات ردیي ة التوصیل للحرارة والكھرباء وتدخل في كثیر من الصناعات الكھرباي یة والمنزلیة ومن أمثلتھا : راتنجات الا یبوكسي EP و بعض راتنجات البولي استر المتشابكة وراتنجات الفینول فورمالدیھاید وغیرھا 17

19 3- البولیمرات المرنة المطاطیة : Elastomers تمتاز بانھا : أ) بولیمرات ذات سلاسل جزیي یة خطیة طویلة مع وجود تشابك قلیل في السلاسل. ب) تبدي معدلات انفعال كبیرة عندما تتعرض للا جھاد وبا مكانھا استرجاع أبعادھا الا صلیة عند إزالة الا جھاد ج) تتمیز بالاستطالة (Elongation) وقابلیة على التمدد والتقلص (Resilience). وان قابلیتھا لا ظھار صفات المرون ة تعتمد عل ى طبیع ة جزیي ات ذات السلاسل الطویلة المرنة الموج ودة في وضعیات ملتفة على بعضھا بصورة عشواي یة بحیث إن معدل المسافة ب ین نھ ایتي جزیي ة ب ولیمر اقل بكثیر م ن مسافة عندما تكون الجزیي ة في وضعیة ممتدة. د) تكون غالبا غیر متبلوره. ھ) تمتاز بانخفاض درجة Tg وتكون عادة تحت درجة استخدام البولیمر >Tg) درجھ حراره الغرفة). من أمثلتھا:المطاط الطبیعي مطاط الا ثیلین بروبلین مطاط النتریل- بیوتادایین (NBR) ومطاط بیوتادایین.(SBR) ستایرین -4 الا لیاف : Fibers وتشمل ھذه البولیمرات الصالحة لصناعة الخیوط المستخدمة في صناعة الا قمشة والفرش ویتمیز ھذا الص نف من البولیمرات بمواصفات خاصة : أ) القوة والمتانة ب) قابلیتھا على التبلور حیث تكون عادة من النوع المتبلور. Crystalline Polymer ج) مرونة الا لیاف اقل بكثیر مما في البلاستیكات والمواد المرنة. د) تكون سلاسلھا عادة خطیة ولیست متفرع ة ویجب أن تك ون السلاس ل البولیمری ة ق ادرة عل ى الترتی ب باتج اه محور اللیف لكي تكسبھ القوة والمتانة. ھ ) ویج ب أن تك ون درج ة انتقالھ ا الزجاجی ة مرتفع ة نس بیا (C 160) o C <Tg<260 o لك ي تق اوم ظ روف الاستخدام كالغسل و الكوي وغیرھا. و) ویجب أن تكون القوى الجزیي یة فیھا عالیة. لذلك یستوجب أن تحتوي سلاسل الب ولیمر عل ى مجامیع مس تقطبة قادرة على ربط سلاسل البولیمر مع بعضھا. ز) تكون ھذه البولیمرات ثابتة تجاه الحرارة والضوء والا كسدة والتحلل الماي ي تحت ظروف الغسل والاستخدام. ر) یجب أن تكون قادرة على تقبل الا صباغ ) لھا قابلیة جیدة للصباغة). ي) ذات قابلیة لامتصاص الرطوبة الناتجة عن العرق لتبدید الشحنات المس تقرة الناتجة عن احتكاك الملابس م ع الجسم. وم ن أھ م ب ولیمرات ھ ذا الص نف ھ ي الن ایلون ) الب ولي أمی دات) والب ولي أس ترات الخطی ة وب ولي أكریلونتری ل (الا لیاف الا كریلیة) والبولي بروبیلین وغیرھا. -5 اللواصق والمواد الطلاي یة Adhesive and Coating تستخدم نسبة كبیرة من البولیمرات كمواد لاصقة وكمواد طلاي یة. إن نوعیة السطوح اللاصقة ھي الت ي تحدد طبیعة البولیمر المناسب لالتصاقھا فا ذا كانت السطوح نفاذة مثل الخشب وال ورق ف یمكن اس تخدام معظ م أن واع البولیمرات المعروفة لان الالتصاق في ھذه الحالة یكون بسبب التداخل الفیزیاي ي لسلاسل الب ولیمر اللاصق ب ین السطحین. أما إذا كانت السطوح غیر نفاذة كالمعادن والزجاج وغیرھا ففي ھذه الحالة یجب أن یك ون الب ولیمر حاویا على مجامیع مستقطبة لكي تكون عملیة اللصق جیدة بفضل الق وى الت ي تحصل ب ین المجامیع المس تقطبة والس طوح المس تقطبة غی ر النف اذة. وم ن الا مثل ة عل ى الب ولیمرات المس تخدمة كلواص ق ھ ي : الب ولیمرات الطبیعی ة مث ل الص مغ العرب ي والص مغ الحی واني والمط اط والا لب ومین والدكس ترین والنش ا والب ولي أمی دات وب ولي ف اینیلات وبولي سیلیكونات وبولي أسترات والمطاط الصناعي ) مطاط النتریل ومطاط النیوبرین ( وغیرھا. 18

20 خامسا : التصنیف المعتمد على تجانس البولیمرات أ- البولیمرات المتجانسة : Homopolymers تتكون من نوع واحد من الوحدات المتكررة مثل البولي اثیلین وبولي تیرفثالات الاثیلین ب- البولیمرات المشتركة (الكوبولیمرات) : Copolymers تتكون من اكثر من نوع واحد من الوحدات المتكررة مثل مطاط الستایرین بیوتادایین ) SBR ( ج- البولیمرات المتراكبة : Composite Polymers تتكون من نوعین م ن المكون ات او اكثر وتتك ون من ط ورین او أكثر أي انھا غیر متجانسة وھ ي تتك ون م ن اض افة بع ض الم واد ال ي الب ولیمرات المتجانس ة بغی ة تتغیر بعض خواص ھا وإدخ ال ص فات جدیدة عل ى البولیمر وھناك أنواع مختلفة من المضافات 1- المالي ات : تكون عادة مواد صلدة تعمل على زیادة صلادة البولیمر مثل الزجاج الرمل الكربون الاسود 2- الملدنات :عبارة عن سواي ل ذات درجات غلیان عالیة تعمل عند اضافة الملدنات للبولیمرتقل صلادتھا وتزداد مرونتھا وتنخفض درجة انتقالھا الزجاجیة ودرجة انصھارھا 3- تكون بعض المضافات على ھیي ة اسلاك معدنیة د- الخلاي ط البولیمریة : Polymer blends یتكون ھذا الصنف من البولیمرات من مزج نوعین او اكثر من البولیمرات مزجا فیزیاي یا مثل مزیج من القطن و البولي استر او الصوف والاكریلك او النایلون والقطن. ومن الامثلة على ذلك البولي ستایرین القابل للتمدد وھو مزیج من البولي ستیرین والبولي بیوتادایین. العوامل المحددة -1 لصفات البولیمر : ھناك ثلاثة عوامل مھمة تتوقف علیھا صفات البولیمرات وھي: الوزن الجزیي ي للبولیمر Molecular Weight of Polymer یعتب ر م ن الخص اي ص المھم ة ج دا للب ولیمرات وتعتم د علی ھ معظ م خ واص الب ولیمر الفیزیاي ی ة والخ واص المیكانیكیة إضافة إلى الاستخدامات التكنولوجیة للبولیمر. وان قوة البولیمرات ومتانتھا ومرونتھا تعود إلى تداخل وتشابك السلاسل البولیمریة الطویلة م ع بعضھا علی ھ یلاحظ إن البولیمرات التي تكون أوزانھا الجزیي یة اقل م ن لا تتس م بخص اي ص الق وة أو المتان ة لذلك فان البولیمرات المھمة صناعی ا یجب أن تكون لھا أوزان جزیي یة أعلى من ھذا الحد وتتراوح عادة بین( و ( ویعتمد ذلك على ن وع الب ولیمر واس تخداماتھ. فنجد م ثلا إن الب ولیمرات المطاطی ة یج ب أن تك ون أوزانھا الجزیي یة عالیة جدا بینما تحتاج استخدامات اللواصق (Adhesive) إلى ب ولیمرات ذات أوزان جزیي ی ة أوطا نسبیا لذلك تعتبر عملیات السیطرة على الوزن الجزیي ي للبولیمرات أثناء إنتاجھا مھمة جدا. والبولیمرات المتشابكة بصورة عامة لھا أوزان جزیي یة عالیة نتیجة لزیادة تركیز المونومرات في السلسة الري یسیة. إن الوزن الجزیي ي العالي للبولیمر یجعلھ غیر قابلا للذوبان في المذیبات وذات قوة ومواصفات عالیة والعكس صحیح حیث إن الا وزان الجزیي یة الواطي ة تكون سھلة الكسر وھشة ولھا القابلیة للذوبان في المذیبات ویمكن أن تكون ساي لة. یكون الوزن الجزیي ي للبولیمرات عادة غیر متجانس وإن السلاسل البولیمریة تختلف في أطوالھا وعدد الوحدات التركیبیة فیھا وبالتالي لاتمتلك نفس الوزن الجزیي ي وان طول ھذه السلاسل یعتمد على اعتبارات إحصاي یة فنجد في نفس البولیمر سلاسل طویلة جدا عالیة الوزن الجزیي ي وسلاسل أخرى قصیرة واطي ة الوزن الجزیي ي. وتتدرج بین ھذین الحدین السلاسل الا خرى.لھذا السبب یعبر عن الوزن الجزیي ي للبولیمرات با خذ معدل للا وزان الجزیي یة Average molecular weight لجمیع السلاسل. وھناك ثلاثة أنواع من الا وزان الجزیي یة للبولیمرات وھي : المعدل العددي للوزن الجزیي ي Number Average Weight Average molecular weight و المعدل الوزني للوزن الجزیي ي ( M n ) molecular weight. ) Viscosity Average molecular weight و المعدل اللزوجي للوزن الجزیي ي ( M m ) ( M v 19

21 -2 طبیعة السلسلة الجزیي یة البولیمریة Nature of polymeric molecular chain -3 إن تركیب الوحدات المتكررة وھندستھا ونوعیة المجامیع العضویة والا واصر الكیمیاي یة التي تتضمنھا الوحدة المتكررة. كل ذلك یو ثر في الصفات الفیزیاي یة والكیمیاي یة للمركب بشكل عام. وعلى سبیل المثال نقول أن البولیمرات التي تحتوي على مركبات حلقی ة ف ي وحداتھا المتكررة تك ون ع ادة ذات درج ات انص ھار عالی ة أو أن الب ولیمرات الت ي تحت وي عل ى الرابط ة الا یثری ة ( C-O-C) ether linkage دون أن تنقطع مثل خی وط الا قمش ة وس ھولة الل وي flexibility تم نح الم ادة قابلی ة المرون ة elasticity وكذلك مادة المطاط. إن طبیعة الجزیي ة البولیمریة ھذه ونوعیة المجامیع الكیمیاي یة المرتبطة بھ ا ت و ثر على مدى قابلیة الجزیي ات في تكوین التراكیب المتبلورة. Crystalline Structures القوى الجزیي یة في البولیمرات Molecular Forces إن القوى الضمنیة أي قوى تعمل ضمن الجزیي ة نفسھا تسمى forces) (Intermolecular أما القوى المو ثرة ب ین الجزیي ات تس مى forces) (Intramolecular وت و ثر ب ین الجزیي ات المتجمع ة للم ادة الواح دة أو للم واد المختلفة أي إن الجزیي ة الواحدة تتا ثر بما یحیط بھا من جزیي ات أخرى وتو ثر ھي بدورھا علیھا وتوجد على أنواع كما یا تي:- النوع الا ول : القوى أو الا واصر الا ولیة : وھي المسو ولة عن ربط الذرات المكونة للسلاسل البولیمریة م ع بعض ھا وتمث ل الا واصر (الروابط) التساھمیة Covalent Bonds الغالبیة المطلقة في معظم البولیمرات وھذه الا واصر ھي التي تربط الوحدات التركیبیة مع بعضھا. النوع الثاني : الق وى الثانوی ة : Secondary Forces وتك ون ھ ذه الق وى ع ادة ب ین السلاس ل البولیمری ة أو ب ین أج زاء السلسلة الواحدة.وتختلف عن القوى الا ولیة بكونھا اقل طاقة وتا ثیرا منھا. ولھذه الق وى ت ا ثیر بلی غ عل ى معظ م خواص البولیمرات الفیزیاي یة والمیكانیكیة. ھن اك ن وع آخ ر م ن الارتباط ات ف ي الب ولیمرات ناتج ة ع ن التش ابك الفیزی اي ي البولیمریة الطویلة. Entanglement للسلاس ل وتوج د ف ي بعض الب ولیمرات غیر العض ویة Inorganic Polymers والش بھ عض ویة Semi Organic Polymers ن وع م ن الا واص ر التناس قیة Coordination Bonds والتي تن تج ع ن طریق ھبة إحدى الذرتین المرتبطتین بالا صرة بزوج من الالكترونات إلى الذرة الا خرى. أم ا الا واص ر الا یونی ة Ionic Bonds فا نھ ا غیر ما لوفة عادة ف ي الب ولیمرات عدا ف ي حالة استعمال بعض الایون ات الثناي ی ة التك افو لغ رض تقس یة الب ولیمرات أي تش ابك سلاس لھا م ع بعض ھا وخاص ة بع ض الراتنج ات الطبیعی ة Natural Resins لغ رض تك وین ب ولیمرات متش ابكة Crosslinkedوق Polymers د ادخ ل ھ ذا الصنف من الارتباطات في صنف من المواد تدعى ب الا یونومیرات Ionomers إذ تمتاز ھذه المواد بص فات ممت ازة ك القوة والمرون ة وقابلیتھ ا التلاص قیة الكبی رة ومقاومتھ ا لل دھون وتس تعمل مث ل ھ ذه الم واد ف ي تغلی ف الا غذیة و كلواصق طبیة Plasters وفي صناعة الا حذیة. أما الا واصر الفلزیة (فلز- فل ز) Metallic Bonds فا نھ ا غیر ما لوفة لحد الا ن ف ي مجال الب ولیمرات ولك ن تعتبر الا واصر الموج ودة ف ي المركب ات العض ویة المعدنی ة ) Organic metallic فلز- مركب عض وي ( الا ساس في إحدى أصناف البولیمرات المھمة المعروفة ببولیمرات المیتالوسین Metalocene Polymers أي البولیمرات الفلزیة المعدنیة مثل بولي فثالوسیانین. Polyphthalocyanene 20

22 * أنواع القوى الثانویة ) قوى فان درفالز ( الموجودة بین جزیي ات البولیمرات : توجد أیضا أنواع مختلفة من القوى الثانویة Secondary Forces بین جزیي ات البولیمرات وتعرف في بعض الا حیان ھذه القوى الثانویة بقوى فان درف الز Van der Waals وت دعى أحیان ا ب القوى ب ین الجزیي ات Intra. Molecular Forces ویعتبر فان درفالز أول من أشار إلى وجود مثل ھذه القوى الثانویة بین الجزیي ات ومن ھذه القوى الثانویة : أ- قوى الاستقطاب (ثناي ي القطب) Dipole Forces تنجم عن ھذه الق وى ع ن وجود جزیي ات مس تقطبة أو مجامیع مس تقطبة ف ي سلس لة الب ولیمر یك ون لمثل ھذه الجزیي ات أو المجامیع عزم قطبي Dipole Moment أي یكون لھ ا ش حنات كھرباي ی ة متس اویة ولكنھا مختلف ة الشحنة. وعندما تكون المسافات كبیرة فان مثل ھذه الجزیي ات تعمل ك ا ي نظ ام متع ادل كھرباي ی ا. ولك ن عندما تكون الجزیي ات قریبة جدا أي بحدود المسافات الجزیي یة فان الشحنات تصبح قریبة بم ا فیھ الكفایة لا حداث ق وى تجاذب بین الجزیي ات وان ھذا النوع من القوى یعتمد على تراصف الا قطاب وقوة الشحنة و درجة الحرارة. ب قوى الحث Induction Forces ویعود مصدر ھذه القوى إلى وجود مجامیع مستقطبة في سلسلة البولیمر إذ ت و ثر ھذه المج امیع على م ا یحیط بھا من الجزیي ات أو المجامیع غیر المستقطبة فتو دي إلى حدوث استقطاب جزي ي في ھذه الجزیي ات أو المجامیع. عندما تخلط مادتان إحداھما قطبیة والا خرى غیر قطبی ة ف ا ن الجزیي ة القطبی ة تس تطیع اس تقطاب الجزیي ات غی ر القطبیة الواقعة حولھا بطریقة الحث. ومن الجدیر بالذكر إن قوى الحث لا تعتمد على درجة الحرارة. ج- الا واصر الھیدروجینیة Hydrogen Bonds توجد ھذه الا واصر بین الذرات المرتبطة بذرة ھیدروجین وذرة حاویة على مزدوج الكتروني ویك ون الارتباط م ن خ لال ذرات الھی دروجین. وم ن أھ م المج امیع الق ادرة عل ى تك وین الا واص ر الھیدروجینی ة ھ ي مج امیع الكاربوكسیل -COOH) ( ومج امیع الامی دات ) 2 (-CONH والا مین ات ) 2 -NH ( و الھیدروكس یل (-OH) و( HF -) غیرھا. وتكون ھذه المجامیع قویة الاستقطاب بفضل السالبیة الكھربیة العالیة لذرات الا وكسجین والنیتروجین و الفل ور حیث ستقطب ذرة الھیدروجین جزي یا كما یلي : ت و ثر ال روابط المس تقطبة ھ ذه عل ى الجزیي ة بكاملھ ا حی ث تص بح الا خی رة مس تقطبة. فف ي فلوری د الھی دروجین یلاحظ وجود تجاذب بین جزیي ة وأخرى بفعل الروابط الھیدروجینیة. ویبلغ مقدار ھذا التجاذب حوالي (5) كیل و سعر للمول الواحد وھي طاقة الرابطة الھیدروجینیة وتمثل بشكل منقط لتمییزھا عن الرابطة العادیة: وبالطریقة نفسھا تستطیع جزیي ات الماء او الكحول من تكوین الروابط الھیدروجینیة كما یا تي: 21

23 إن لوجود ھذه المجامیع المستقطبة المكونة للا واصر الھیدروجینیة تا ثیر كبیر على صفات الب ولیمرات الفیزیاي ی ة والمیكانیكیة. وتتراوح طاقة الا صرة الھدروجینیة ب ین /mol) -12.6) 29.4 KJ ویت راوح المدى الذي تعم ل ضمنھ ھذه الا واصر بین 3.2) x 10-8 cm (2.4. د - قوى فان درفالز ) Forces (Vander Waals یمكن تقسیم ھذه القوى إلى نوعین ھما: -1 قوى فان درفالز للجذب ) Forces ( Vander Waals Attraction وتسمى أحیانا بقوى لندن London Forces وأحیانا بقوى الانتشار(المشتتة).Dispersion Forces وتنشا ھذه القوى عن تجاذب الجزیي ات فیما بینھا بسبب تكوین أقطاب كھربیة مو قتة على الجزیي ات. ویرجع مصدر ھذا النوع من القوى إلى تغییر العزم القطب ي للجزیي ات أو المج امیع الموج ودة في الجزیي ات م ع الزمن إلا إن محصلة الع زم القطبي تك ون مس اویة للصفر ویرج ع سبب ھذا التغییر في الع زم القطبي إلى الوضعیات الالكترونیة المختلف ة الت ي تتخذھا الالكترونات ح ول ن واة كل ذرة والت ي ت و دي إل ى تك وین قطب ین مختلفین في الشحنة بشكل مو قت لا یلبث أن یزول لتتكون أقطاب جدیدة في مواقع أخرى م ن الجزي ی ة وان ھذا یو ثر على توزیع القیمة الالكترونیة للذرات المجاورة والذي یو ثر على حصول قوى تجاذب تدعى بقوى التجاذب الانتشاریة. إن ھذا النوع من القوى موجود في معظم الجزیي ات إلا إن ھذه القوى تختفي في حالة وجود مج امیع أو جزیي ات مستقطبة قویة وان ھذه القوى لاتعتمد على درجة الحرارة. -2 قوى فان درفالز للتنافر( ( Vander Waals Repulsion Forces إن الذرات والجزیي ات باعتبارھا جسیمات صغیرة لھا كتل ولذلك فھي تخضع لق انون نی وتن الخ اص بالجذب فتوجد بین الذرات والجزیي ات المختلفة قوى للتجاذب تزداد بزیادة التقارب بینھا في المسافات إلا أن العالم ف ان درفالز بین أن الجزیي ات و الذرات تتقارب في حدود معینة بحیث تصل إلى حد یص بح أي تقارب إض افي ی و دي إلى التنافر وذلك بسبب تنافر النوى الموجبة للذرات. إن نصف قطر الداي رة المحیط ة بالذرة والتي عندھا یبدأ التنافر بین الذرات المتقارب ة تدعى بنصف قطر ف ان درفالز ) Radius ( Vander Waals's. عند تقارب الذرات من بعضھا بحیث تتعدى أنصاف أقطار فان درفالز یحدث تنافرا یدعى بقوى فان درفالز للتنافر. 22

24 ت س میة البولیمرات Nomenclature of Polymer توج د أن واع مختلف ة م ن التس میة للب ولیمرات مس تخدمة ف ي الوق ت الحاض ر أن واع منھ ا ما لوف ة عل ى النط اق التجاري والا خرى في مجال العلوم الصرفة. ومن الطرق المختلفة لتسمیة البولیمرات ھي: أولا :التسمیة المبنیة عل ى مصادر البولیمرات Nomenclature based on polymer sources تعتب ر تس میة الب ولیمرات نس بة إل ى مص ادرھا م ن ابس ط ط رق التس میة وأكثرھ ا اس تعمالا وخاص ة لتس میة البولیمرات المحضرة من مونومر واحد. تسمى البولیمرات حسب ھذه الطریقة با ض افة مقطع بولي Poly قبل الاسم العلمي للمونومر المتكون منھ الب ولیمر. ف البولیمرات المحضرة م ن الاثیل ین بروبیلین س تایرین بیوتادایین تسمى بالبولي أثیلین بولي بروبیلین بولي ستایرین بولي بیوتادایین على التوالي. أم ا عندما یتك ون اس م المون ومر م ن أكثر م ن مقط ع واحد فعندي ذ یجب إحاط ة اس م المون ومر بقوس ین لتف ادي الارتباك الذي قد یحصل عند تسمیة بعض البولیمرات بالرغم من إن مثل ھذا الغم وض لایحصل عند تس میة الب ولیمر باللغ ة العربی ة كم ا ھ و الح ال عن د تس میتھ باللغ ة الانكلیزی ة فم ثلا Polyethylene oxide باللغ ة الانكلیزیة قد یعني احد التركیبین التالیین : أو أما باللغة العربیة فیكون لھا اسمان متمیزان كلیا حتى بدون الا قواس المقاطع في اسم المونومر ولكن یجب وضع الا قواس في حال ة تعدد و- نإ یس مى ب ولي (6- امین و -6 aminocaproic acid ف البولیمر المحض ر م ن 6- امین و ح امض الكبروی ك acid (Poly (6-aminocaproic. یلاح ظ م دى بس اطة التس میة س واء لب ولیمرات ح امض الكبروی ك (( الاضافة او لب ولیمرات التكثیف المتكون ة م ن مونومر واحد. أم ا في حال ة تعدد المون ومرات التي یحضر منھ ا البولیمر فتص بح ھ ذه الطریق ة معق دة وغی ر مرغوب ة بالرغم م ن إن ال بعض یقترح إتب اع نف س الطریق ة الس ابقة ویوضع مقطع ك (Co) بین المونومرات المتكون منھا البولیمر. مثال : یمكن تسمیة البولي أستر المتكون من أثیلین الكلایكول Ethylene Glycol وحامض التیرفثالیك Terphthalic Acid كما یلي : بولي (أثیلین كلایكول كو- حامض التیرفثالیك ( ) acid Poly(ethyleneglycol-co-terphthalic إلا إن تسمیة ھذه البولیمرات بھذه الطریقة تكون: صعبة وغیر مفھومة. 1- والصعوبة الا خرى التي تواجھھا ھذه الطریقة ھو إن بعض البولیمرات تسمى نسبة إل ى مون ومرات قد 2- یبدو بان المونومر محضر منھا. إلا انھ محضر في الحقیقة من مونومرات أخرى. یبدو انھ محضر من كحول الفاینیل إلا انھ في مثال آخر : البولي ) كحول الفاینیل (vinylalcohol) (Poly ث م یجرى للب ولیمر الحقیقة یحضر من خلات الفاینیل لتكوین بولي ) خلات الفاینیل (vinylacetate) (Poly الناتج تحلل لتكوین بولي ) كحول الفاینیل). 23

25 ثانیا :التسمیة المبنیة على أساس تركیب الوحدة البناي یة لسلسلة البولیمر Nomenclature based on the structure of repeating unit of polymer یمكن تسمیة البولیمرات نسبة إلى تركیب الوحدة البناي یة لسلسلة البولیمر بھذه الطریقة یمكن تسمیة الب ولیمرات المشتقة من مونومرین أو أكثر. تجري ھذه التسمیة بوض ع كلم ة ) ب ولي) قب ل ق وس یحت وي عل ى اس م الوحدة التركیبیة للبولیمر. مثال توضیحي : البولیمر المحضر من ھكسامثیلین داي أمین Hexamethylenediamine یسمى نسبة إلى الوحدة التركیبیة الت ي ھ ي أمید وحامض السباسیك Sebasic acid والتي لھا التركیب التالي : فیكون اسم البولیمر كالا تي : بولي ) ھكسا مثیلین سبسامید ( Poly(hexamethylenesebasamide) Hexamethylenediamine مثال آخر: الب ولیمر المحض ر م ن ھكس امثیلین داي أم ین وحامض الا دیبیك Adipic acid لھا التركیب التالي : یسمى نسبة إلى الوحدة التركیبیة التي ھي أمید والتي فیكون اسم البولیمر كالا تي : بولي ) ھكسا مثیلین أدیبامید ( adipamide) Poly(hexamethylene مثال آخر: الب ولیمر المحض ر م ن كلایك ول الاثیل ین وح امض التیرفثالی ك التركیب التالي : یسمى نسبة إلى الوحدة التركیبیة للب ولیمر الن اتج والتي ھي أستر لھ ا فیكون اسم البولیمر الناتج كالا تي : بولي (تیرفثالات الاثیلین) (ethyleneterphthalate). Poly إن ھذه الطریقة للتسمیة صعبة التطبیق بالنس بة للب ولیمرات الت ي لھ ا تراكیب كیمیاي یة معقدة غیر إنھ ا ما لوف ة بالنسبة لمعظم البولیمرات المھمة صناعیا. 24

26 Trade and Known Names ثالثا :التسمیات التجاریة أو التسمیات الما لوفة لقد أصبحت التسمیات التجاریة أكثر ألفة وشیوعا في الاستعمال حتى من التسمیات العلمیة بالرغم م ن إن بعض التسمیات التجاریة لیست لھا أیة علاقة بالتركیب الكیمیاي ي للبولیمر. وان التسمیات التجاریة بشكل ع ام تنقصھا الدق ة العلمی ة فا نھ ا لا تعط ي تفص یلات ع ن التركی ب الكیمی اي ي للب ولیمر و تس تعمل التس میات التجاری ة بكث رة لسھولتھا ولتعقید التسمیة العلمیة للكثیر من البولیمرات. وقد یكون لنفس البولیمر أسماء تجاریة مختلفة من شركات منتجة مختلفة. فم ثلا : الب ولیمرات المحض رة م ن الفین ول و الفورمالدیھای د ت دعى أحیان ا بب ولیمرات الفین ول فورمالدیھای د أو الراتنجات الفینولیة Phenolic resins أو الفینوبلاست. Phenoplast وقد تستعمل أسماء تجاریة لا علاقة لھا مطلقا بتركیب البولیمر. فم ثلا: ی دعى الب ولي (تترافل ورواثیلین ( Polytetrafluroethylene ب التفلون Teflon وی دعى الب ولي (أكریلونتریل) Polyacrylonitrile بالبریسبكس Persepex او أورل ون Orlon او أك ریلان Acrylan او.PAN ویوجد للبولي أثیلین إثنا عشر اسما تجاری ا منھا آلاث ون Alathon وفیلی بس Philips ودایلون Dylon و دوبد doped و Marlex وAramco.. الخ مثال توضیحي: تدعى البولیمرات المشتقة من الح وامض الثناي ی ة الكاربوكس یل وال داي أمین ات Diamines والمعروفة علمی ا تحت اسم البولي أمیدات بالنایلون Nylon نسبة إلى التسمیة التي أطلقھا مكتشفھا الا ول كاروثرز Carothers الذي یشیر فیھا إلى عدد ذرات الكاربون في الداي أمین والحامض با رقام تلي كلمة نایلون على التوالي. فمثلا. * نایلون - 6 : تعني ان البولیمر متكون من الكابرولاكتام او (6- امینو حامض الكبرویك (6-aminocaproic acid ) * نایلون- : 66 بولي (ھكسا میثیلین ادیبامید) * نایلون- : 106 بولي (ھكسا میثیلین سباسامید) رابعا :التسمیات المبنیة على النظام العالمي Nomenclature based on IUPAC نظ را لتع دد التس میات المس تعملة للب ولیمرات ولتزای د ع دد الب ولیمرات المحض رة ص ناعیا فق د أص بح م ن الضروري إیجاد نظام عام لتس میة الب ولیمرات أس وة بالمركب ات العض ویة وغی ر العض ویة. وقد ارتا ت اللجن ة العالمیة لتسمیة البولیمرات IUPAC Macromolecular nomenclature Commission عام 1973 إلى وضع أسس وقواعد عامة لتسمیة البولیمرات كما ھو الحال في تسمیة المركبات العضویة. إن ھذا النظام في التسمیة غیر ما لوف لدى الكثیرین وغیر متبع لحد الا ن إلا في عدد قلیل من الكتب الدراسیة إلا أنھا الطریق ة الوحی دة ف ي الوق ت الحاض ر المتبع ة ف ي المراج ع العلمی ة وال دوریات والمج لات العلمی ة والمع اجم العلمیة. في ھذه الطریقة من التسمیة یتم اختیار الوحدة المتكررة في سلسلة البولیمر حیث یمك ن لكل ب ولیمر اختیار ن وع واحد أو أكثر من الوحدات المتكررة فمثلا البولي بروبیلین یمكن اختیار نوعین من الوحدات التكوینیة. CH 2 CH CH 3 و CH CH CH

27 وق د وض عت بع ض القواع د والا س س الت ي یج ب مراعاتھ ا عن د اختی ار وح دة التك وین المتك ررة للب ولیمر بھ ذه الطریقة أھمھا ما یلي :- أ)إذا كانت في السلسلة البولیمریة ذرات غیر الكاربون مثل الا وكسجین والنتروجین والكبریت وغیرھا فیجب أن تعطى ھذه الذرات الا ولویة في ترقیم ذرات الوحدات المتكررة ولكي یمكن تسمیة الوحدة المتكررة بمقط ع واحد وفي حالة وجود أكثر من نوع من ھذه الذرات في السلسلة الري یسیة فتكون الا فضلیة في الترقیم كما یا تي : O, S, Se, Te, N, P, As, Sb, Bi, Si, Ge, Sn, Pb, B. Hg وإن ھذا الترتیب ما خوذ من تسلسل مواقعھا في الجدول الدوري. Poly(ethyleneterphthalate) ویمكن تسمیة بولي (تیرفثالات الاثیلین ( حسب ھذه الطریقة كما یلي : وبشكل عام فھنالك نقطتان مھمتان جدیرتان بالاھتمام الا ولى تخص استعمال الا قواس عند تس میة الب ولیمرات وخاصة في وجود أسماء متكونة من أكثر من مقطع واحد فعند تسمیة البولیمر و فان التسمیة الا ولى Polyethyleneoxide ب دون اس تخدام الا ق واس قد لاتعن ي الب ولیمر المعني بل تعني البولیمر ذو التركیب : والنقطة الا خرى الجدیرة ب الملاحظ ھي الارتباك الحاصل م ن اس تخدام الا سماء المختصرة للدلالة على أسماء البولیمرات فمثلا قد یعبر عن البولي س تایرین Polystyrene ب الرمز (PS) ولك ن ھذا الرم ز قد یعن ي ب ولي سلفونات (PS) أو قد یعني قد یعني ب ولي سایلوسكان (PS) Polysiloxanes.. وغیرھا لذلك یفضل تجنب استخدام الا سماء المختصرة في الكتابات العلمیھ. ب) عند تسمیة المجامیع المعوضة في الوحدة المتكررة یجب أن تخت ار المجامیع الا قل عددا م ن حیث المق اطع وابسطھا فیكون للبولي ستایرین ذي الوحدة المتكررة : التسمیة التالیة : بولي (1- فنیل أثیلین) Poly(1-phenylethylene) ولیس : بولي (بنزیلیدین مثیلین) Poly(benzylidinemethylene) ولا بولي (1- فنیل داي مثیلین) phenyldimethylene) Poly ( -1 26

28 ویتم تحدید مواقع المجامیع المعوضة في الوحدة المتكررة من خلال ترقیم الوحدة المتكررة متبع ا نفس الا سس المعمول بھا عند تسمیة المركبات العضویة فعلى ھذا الا ساس تتم تسمیة البولیمر الا تي: ج) اختیار الوحدة المتكررة الثناي یة التكافو (Bivalent) المتعددة التكافو ات كما مبین أدناه: في سلسلة البولیمر وتفضل على الوحدات المتكررة الوحده المتكررة مفضلة على الوحدة المتكررة والوحدة المتكررة مفضلة على الوحدة المتكررة والوحدة المتكررة مفضلة على الوحدة المتكررة د) یجب اختیار ابسط الوحدات المتكررة وأسھلھا من حیث التسمیة ولاعلاقة لوحدة التك وین المتكررة ب المونومر الذي حضر منھ البولیمر. ھ) لا یجوز تجزي ة وحدة التكوین المتكررة بل یفضل اختیار اكبر الوحدات المكون ة للوحدة المتك ررة وتس میة بقیة الوحدات أو المجامیع كوحدات ثانویة. فمثلا یسمى البولي بیوتادایین ذي الوحدة المتكررة التكوینیة التالیة : بولي -1) بیوتینیلین) Butenylene) Poly (1- ول یس ب ولي( 2 - بی وتینیلین) Butenylene) Poly -2) لان الا صرة المزدوجة یجب أن تحمل اصغر رق م ممكن ولا بولي (فانیلین اثیلین ( ethylene) Poly( Vinylene لا نھ تم تجزي ة الوحدة المتكررة إل ى وحدات اصغر ولتكون اسم الوحدة المتكررة من مقطعین إذ یفضل اختیار الوحدة المتكررة ذي المقطع الواحد او التس میة ذي اقل عدد من المقاطع. فتكون تسمیة البولیمر ذو التركیب : بولي (اثیلیدین) Poly(ethylidine) ول یس ب ولي (مثیل مثیل ین)( Poly (methyl methylene وذل ك لتع دد مق اطع الوح دة المتك ررة ف ي التس میة الثانیة. 27

29 و) عند اختیار الوحدة المتكررة التكوینیة للبولیمرات المحتویة على التراكیب الاروماتیة والتراكیب الحلقیة والسلاسل الكاربونیة یجب أن یكون ترتیبھا في الوحدة المتكررة على النحو التالي: التراكیب الاروماتیة ثم الحلقیة ثم السلاسل المفتوحة. وھذه تتباین في أفضلیتھا من حیث عدد الحلقات في المركب وكبر حجم الحلقة وبازدیاد عدد ذرات الكاربون المشتركة بین الحلقات وكلما قل عدد ذرات الكاربون المھدرجة. وندرج بعض الا مثلة على ھذا النوع من الا فضلیة بالنسبة للمركبات الاروماتیة والحلقیة. 28

30 ملاحظات مھمھ في تسمیة البولیمرات : CH 2 =CH- او -CH- CH 2 تسمى مجموعھ الفاینیل CH 2 =CH-CH 2 - تسمى مجموعة الا لیل -CH 2 تسمى مجموعة المثیلین مثل ) 6 2 (CH یسمى ھكسا مثیلین -CH 3 تسمى مجموعة المثیل تسمى مجموعھ الفنیل R 3 NH تسمى مجموعة الكاربونیل امین اولي R 2 NH امین ثانوي امین ثالثي R NH 2 أماید اولي أماید ثانوي اماید ثالثي مجموعة الكاربوكسیل فعند تسمیتھا حسب نظام العالمي : حامض ادیبیك فیسمى ادیبویل حامض التیرفثالیك یسمى تیرفثالویل مثل - Cl كلورو -B برومو - CH 3 COO س یانو -CN اذا وجدت ھذه الذرات في تركیب البولیمر فتسمى كالاتي (F- فلورو NO 2 ن ایترو 2 -NH امین و -OH ھیدروكس ي -O اوكس ي اسیتوكسي 3 -OCH میثوكسي ( 29

31 تابع لجدول (1) 30

32 الجدول التالي یوضح تراكیب سلسلة البولیمر وتسمیتھ 31

33 البلمرة Polymerization تطلق تسمیة البلمرة على عملیات تحویل الجزیي ات ذات الوزن الجزیي ي الواطيء ) المونومرات) إلى مواد ذات أوزان جزیي یة عالیة او (عملیة ارتباط الجزیي ات الصغیرة المتكررة ) المونومرات) مع بعضھا البعض لتكوین سلسلھ البولیمر) ومعظم تفاعلات البلمرة تتم ضمن مجال حراري معین. n M ( monomer ( chemical reaction ) Polymeriza tion ( M ) ) ( Polymer n ) Low molecular weight material high temperature & /or pressure high molecular (Possessing two or more reactive group) &/or catalyst weight material n CH 2 CH Ethylene ( monomer) 2 ( CH 2 CH 2 Polyethylene ( Polymer) ) n مثال: یمكن تصنیف تفاعلات البلمرات حسب تصنیف الاتحاد الدولي للكیمیاء التطبیقیة الصرفة IUPAC كما یلي: میكانیكة تفاعلات البلمرة بلمرة الا ضافة Addition Polymerization ) بلمرة ذات النمو المتسلسل) Chain- growth Polymerization بلمرة التكثیف Condensation Polymerization ) بلمرة ذات النمو الخطي) Step- growth Polymerization بلمرة الجذور الحرة Free radical Polymerization البلمرة الا یونیة Ionic Polymerization البلمرة التناسقیة (البلمرة المنتظمة فراغیا) Coordination Polymerization (Stereoregular Polymerization) البلمرة الكاتیونیة( الموجبة ( Cationic polymerization البلمرة الانیونیة (السالبة) Anionic polymerization 32

34 في بلمرة الاضافھ فان المادة الابتداي یة ستكون مونومر على شكل محل ول او مس تحلب او بخار او شحنھ غی ر معبا ه bulk وسیكون البولیمر الناتج من عملیة البلمرة لھ نفس الوحدات المتكررة ك المونیمر الابتداي ي اما في بلمرة التكثیف س تكون الجزیي ات المتكررة ف ي سلسلة الب ولیمر الن اتج مختلف ة ع ن الم ادة الابتداي یة المس تخدمة ویستخدما الماء غالبا في التفاعل الكیمیاي ي لذلك یستخدم مصطلح التكثیف. وعادة نحتاج محفز catalyst في شكل ما لكي نبدأ تفاعلي البلمرة بالاضافة او بالتكثیف. كما في الشكل -: Condensation Polymerization أولا : بلمرة التكثیف أن البولیمرات التي یتم تحضیرھا على أساس التف اعلات ذات النمو الخط وي (الت دریجي) ) Step-growth (polymerization تس مى ب ولیمرات التكثی ف لا نھ ا تتك ون نتیج ة تكثی ف المون ومرات البس یطة م ع بعض ھا لتكوین سلاسل طویلة. * خصاي ص بلمرة التكثیف : 1- تحضر بولیمرات التكثیف عن طریق تكثیف المونومرات الحاوی ة على مجم وعتین فعالتین Functional group أو أكثر فعن دما تس تخدم المون ومرات المحتوی ة عل ى مجم وعتین فع التین یتك ون ب ولیمر خط ي وعن د استخدام عدة مجامیع یتكون بولیمر متشابك. * في ھذه الطریقة ینمو البولیمر بمعدل بطيء تدریجي وزنھ الجزیي ي یكون منخفضا نسبیا. تتمیز بولیمرات التكثیف عادة بوجود مجامیع رابطة Interlinkage groups لربط الوحدات المتكررة مع -2 بعضھا كمجموعة الاستر في البولي أسترات ) )والا مید في البولي أمیدات (- السمة الا ساس في تمییز البولیمرات التكثیفیة عن بولیمرات الا ضافة. وتعتبر ھذه 3- یصاحب تفاعلات التكثیف عادة تكوین جزیي ات صغیرة كنواتج عرضیة ثانویة By product مثل الماء أو الا مونیا أو كلورید الھیدروجین.. وغیرھا ولھذا السبب تنقص الوحدة التركیبیة في البولیمر بذرة أو مجموعة من الذرات عن الصیغة التركیبیة للمونومر المستخدم في تحضیره. Monomer (A) +Monomer(B) Polymer + small molecule (normally water ) * الوحدات التركیبیة المتكررة للبولیمرات التكثیفیة تختلف عن المونومرات في الصیغة الجزیي یة حیث تكون عدد الذرات في صیغة المونومر أكثر من صیغة الوحدات المتكررة في البولیمر. 33

35 *عند تحضیر البولي أسترات حیث إن جزءا من مجامیع الھیدروكسیل الموجودة في الكحول ربما تخرج بشكل ماء كما في المعادلات الا تیة : 4- إن معظم تفاعلات بلمرة التكثیف ھي تفاعلات عكوسة. Reversible reactions حیث یحصل توازن كیمیاي ي بعد فترة من التفاعل وللحصول على بولیمر ذي وزن جزیي ي عالي یجب الا خلال بالتوازن الكیمیاي ي وذلك أما بسحب النواتج الثانویة المتكونة من إناء التفاعل حال تكوینھا بطرق فیزیاي یة كا جراء التفاعل تحت ضغط مخلخل أو بطرق كیمیاي یة كاستخدام مواد كیمیاي یة تتفاعل معھا مثل إضافة البیریدین Pyridine للتخلص من غاز كلورید الھیدروجین في تحضیر البولي كاربونات. 5- في ھذا النوع من بلمرة ذات النمو الخطي لا یوجد مركز فعال Active center كم ا ھ و الحال في بلمرة ذات النمو المتسلسل بل إن كل جزیي ھ مونومریة تتفاعل مع غیرھا فقد ترتبط جزیي تان م ن المون ومر مع بعضھا لتك وین (دایم ر ( Dimer وق د ی رتبط Dimer م ع مون ومر ثال ث لتك وین جزیي ة (ترایم ر (Trimer...وھكذا. أي إن المون ومر یختف ي من ذ المراح ل الا ول ى م ن البلم رة مو لف ا جزیي ات مكون ة م ن وح دات تركیبی ة متع ددة Oligomers ثم ترتبط ھذه الجزیي ات الوسطیة فیتضاعف طول السلسلة البولیمریة وذلك في المراحل الا خیرة من التفاعل مكونة جزیي ات بولیمریة ذات أوزان جزیي یة. وان نسبة المونومر في مزیج التفاعل لاتتعدى %1 عندما تكون جزیي ات البولیمر متكونة من عشرات وحدات تركیبیة. M M M M M M M M فلو مثلنا المونومر المستخدم في التفاعل ب M فیمكن التعبیر عن التفاعلات المختلفة الممكنة الحدوث الا تیة: M M Dimer Trimer Tetramer Pentamer Hexamer Heptamer Octamer الخ M M M M M M M M M M M M M M وھذا یعني إن أي جزیي تین حاملتین للمجامیع الفعالة با مكانھا أن تتفاعل مع بعضھا وھذا مما یجعل دراسة حركیة تفاعلات البلمرة التكثیفیة معقده جدا. 6- یستھلك معظ م المون ومر في المراحل الا ولى م ن التفاعل وتك ون سرعة البلمرة بطیي ة عند درجة حرارة الغرفة وتزداد مع زیادة درجة الحرارة. 7- ضرورة استخدام مونومرات نقیة وذلك لضمان وجود النسب الصحیحة المونومرات المستخدمة ف ي التفاع ل إضافة إلى إن الشواي ب تو دي إلى تفاعلات جانبیة غیر مرغوبة ت وثر على ال وزن الجزیي ي أو تغییر شكل الجزیي ة البولیمریة. 34

36 المج امیع الفعال ة Active group او المج امیع المعوض ة (المس تبدلة) substitute group او المج امیع الوظیفیة Functional group ھي مجموعات محددة من الذرات ضمن الجزیي ات مسو ولة عن خواص الجزیي ات وعن سلوكھا في التف اعلات الكیمیاي یة مع غیرھا من الجزیي ات وتمثل الجزء النشط أو الفعال في جزيء المركب العضوي الذي تتركز فی ھ معظم تفاعلاتھ وتمسى مجامیع مستبدلة لانھ یتم استبدال ذرةH مثل الایث ان CH 3 -CH 3 یس تبدل احدى ذرات H ویكو ن كحول الا یثانول CH 3 -CH 2 -OH فمجموعھ R-OH ھي مجموعھ فعالھ. بعض المونومرات تحتوي على أكثر من مجامیع للسماح للتفرعات بین السلاسل وبذلك یزداد ال وزن الجزیي ي للبولیمر. والمجامیع الفعال ة ھ ي مجموع ھ ),Alkene Alcohol, Amine, Carboxylic acid,alkane ( Carbonyl Aldehyde Amide Ethers Ketone Alkyne كما موضح في الجدول ادناه Carbonyl group Methyl R-CH 3 35

37 بولي سیلیكون PolySilicone الایبوكسي Epoxy ومن البولیمرات الا خرى التي تحضر ببلمرة التكثیف ھي : ) الب ولي أمی دات Polyamides الب ولي كاربون ات Polycarbonates الن ایلون- 6 الن ایلون - 66 راتنجات الفینول فورمالدیھاید Phenol-Formaldehyde resins راتنجات الامینوبلاست Aminoplast resin راتنج ات الا یبوكس یدات Epoxy resin ب ولي س لفون Polysulphone ب ولي س یلیكون ( (Poly (phenylene oxide ) بولي اوكسید الفنیلین Polysilicone 36