از ویکی*پدیا، دانشنامهٔ آزاد
(تغییرمسیر از پلیمریزاسیون)



بسپارش[۱] یا پلیمریزاسیون یک واکنش شیمیایی است که در آن مولکول های کوچک و ساده یا همان تکپار[۲]با یکدیگر پیوند برقرار کرده و مولکولی بزرگ با وزن مولکولی چندین برابر مولکول اولیه به وجود می*آورند.
دسته بندی انواع بسپارش
روش های انجام بسپارش را می توان به صورت های مختلف دسته بندی کرد:
دسته بندی بر اساس طریقه ی عمل کرد:
بسپارش آنیونی Anionic polymerization
بسپارش رادیکالی Radicalic polymerization
بسپارش کاتیونی Cationic polymerization
دسته بندی بر اساس محصولات واکنش بسپارش
واکنش بسپارش با توجه به امکان تشکیل مولکول دیگری به دو دسته تقسیم می*شود:
===
بسپارش تراکمی[۳] Condensation polymerization
در بسپارش تراکمی، متصل شدن تکپارها به یکدیگر با حذف اتم ها یا گروه های اتمی همراه است (مانند آب و ...)[۴] . بسپارهای زیر به روش تراکمی تولید می*شوند:
پلی آمید(نایلونها), پلی استرها و بعضی پلی یورتانها است .
بسپارش افزایشی[۵] Addition polymerization ===== در بسپارش افزایشی تکپارها بدون از دست دادن مولکول، به یکدیگر متصل می*شوند. بنابراین بسپار تولید شده با این واکنش دارای واحدهای تکرار شونده*ای همانند تکپار اولیه هستند.[۴] بسپارهای زیر به روش فرایند بسپارش افزایشی تولید می*شوند:
پلی اتیلن (PE), پلی پروپیلن (PP), پلی استایرن (PS), پلی وینیل استات (PVAS) و پلی تترافلوئورواتیلن یا تفلون (PETFE) و بیشتر گرمانرم*ها و برخی گرماسخت*ها.
مرحله ای-زنجیره ای
در سال ۱۹۵۲ فلوری طبقه بندی فوق را اصلاح و واکنش های بسپارش را براساس مكانيسم بسپارش به دو گروه واکنش های بسپارش مرحله*ای[۶] و زنجیره*ای [۷] تقسیم بندی کرد. طبقه بندی یاد شده بر اساس این نظریه بود که در بسپارش های مرحله*ای همه ی تکپارها[۸] از ابتدا تبدیل به دوپار (دو تکپار به هم چسبیده)[۹] و سپس سه*پار (سه تکپار به هم چسبیده)[۱۰] و چهارپار و ... می*شوند ولی در بسپارش زنجیره*ای تنها تکپارهایی قابلیت تبدیل شدن به دوپار را دارند که بتوانند در ابتدای واکنش (رادیکاله یا یونیده) شوند . در مرحلهٔ بعدی نیز همین دیمرها هستند که به تکپارهای دیگر حمله می*کنند و طول زنجیر خود را می افزایند و به سرعت به زنجیر بلندی تبدیل می*شوند.
====دسته بندی بر اساس محیط انجام واکنش واکنش های بسپارش بر اساس محیط انجام واکنش به سه دسته تقسیم می*شوند.
بسپارش توده*ای[۱۱] Bulk polymerization
بسپارش امولسیونی Emulsion polymerization
بسپارش محلولی[۱۲] Solution polymerization
بسپارش امولسیونی یا پلیمریزاسیون امولسیونی (به انگلیسی: Emulsion polymerization) یکی از انواع فرایند بسپارش است که در آن تکپارها (به انگلیسی: [۱] monomer) در محیط آبی، به مانند روغن در آب امولسیون می*شوند. دیگر مواد موجود در محیط واکنش، ماده امولسیون کننده(به انگلیسی: [۲] Emulsifiers) و آغازگر واکنش رادیکالی (به انگلیسی: [۳] Radical initiator) هستند. سازوکار (مکانیسم) واکنش بسپارش امولسیونی از نوع زنجیره ای رادیکالی (به انگلیسی: [۴] Chain reaction) است
کاربرد
واکنش بسپارش امولسیونی در تولید انواع مختلفی از بسپارهای کلوئیدی و لاتکس کاربرد دارد. برای مثال پلیمرهای زیر بوسیله این واکنش تولید می*شوند:[۵]
پلی بوتادین
هم*بسپارهای بوتا دی*ان–استیرن
پلی وینیل استات (به انگلیسی: [۶] Polyvinyl acetate)
کوپلیمرهای وینیل استات (به انگلیسی: [۷] Vinyl acetate copolymers)
کوپلیمرهای استر آکریلات (به انگلیسی: [۸] Acrylic elastomers)
پلی وینیل کلراید و کوپلیمرهای وینیل کلرید
کوپلیمرهای وینیلیدن کلرید (به انگلیسی: Vinylidene chloride copolymers)
کوپلیمرهای اتیلن
پلی اتیلن (به انگلیسی: [۹] Polyethylene)
پلی ترفلورواتیلن
پلی آکریلامید (به انگلیسی: [۱۰] Polyacrylamide)
کوپلیمرهای آکریلامید.
این بسپارها کاربردهای زیادی دارند. از قبیل تولید: لاستیک، پوشش کف، رنگ، چسب، الیاف مصنوعی، فوم پلیمری خیلی محکم، مواد افزودنی برای ساخت مصالح ساختمانی مثل سیمان و بتن، فلوکولنت (به انگلیسی: [۱۱] Flocculants) و مواد لازم برای آزمایشهای پزشکی. همچنین پلیمرهای کلوئیدی بعنوان استاندارد برای کالیبره کردن اندازه گیری و برای آزمایش تئوریهای فیزیک، کلوئیدها و مطالئات تغییرشکل مواد استفاده می*شوند.
فرایند
بسپارش امولسیونی به سه صورت زیر امکان پذیر است: [۵]
پلیمریزاسیون ناپیوسته (Batch): در این فرایند تمام مواد مورد نیاز برای واکنش در ابتدای واکنش اضافه می*شوند.
بسپارش نیمه پیوسته (semi-batch): در این فرایند یک یا تعدادی از مواد واکنش دهنده (معمولاً منومر) به صورت مداوم و یا با فواصل زمانی به محیط واکنش اضافه می*شوند. مزیت این نوع فرایند اینست که کنترل دما بهتر صورت می*گیرد و همینطور درصد ترکیب مونومر در کوپلیمر قابل کنترل است. بدلیل این مزایا پلیمریزاسیون نیمه منقطع بیشتر از دیگر انواع فرایندی این واکنش در صنعت استفاده می*شود.
بسپارش پیوسته (continuous): در این فرایند تمام مواد واکنش دهنده بطور مداوم به محیط واکنش اضافه می*شوند و محصول لاتکس بطور مداوم از محیط خارج می*شود.
مزایا و معایب
واکنش بسپارش امولسیونی بسیار مورد استفاده قرار می*گیرد چون نسبت به روش*های دیگر بسپارش مزایای زیادی دارد. مزایای این واکنش عبارتند از:[۱۲][۱۳]
وجود آب در سیستم به کاهش گرمای ناشی از واکنش بسپارش (که بسیار گرمازا است) بسیار کمک می*کند و بنابراین موجب افزایش سرعت واکنش می*شود.
قابلیت تولید لاتکس با ویسکوزیته پایین در این نوع واکنش وجود دارد.
سرعت این نوع پلیمریزاسیون بالاست.
قابلیت کنترل وزن مولکولی پلیمر وجود دارد، چون متوسط تعداد رادیکالها می*تواند در طول واکنش ثابت باشد.
از آنجائیکه آب به عنوان محیط واکنش استفاده شده*است واکنش و محصول به محیط زیست صدمه کمتری می*زنند.
محصول پلیمریزاسیون امولسیونی معمولاً بدون فرایندهای دیگر قابل استفاده*است.
قابلیت افزایش وزن مولکولی پلیمر همزمان با افزایش سرعت واکنش وجود دارد.
با وجود مزایای فراوان واکنش بسپارش امولسیونی این واکنش معایبی نیز دارد:[۱۲]
محصول حاوی موادی چون سورفاکتانت و افزودنی*های دیگر است، که جداسازی آنها مشکل می*باشد.
اگر محصول خشک مورد تقاضا باشد پروسه حذف آب بسیار انرژی مصرف می*کند.
بسپارش امولسیونی در محیط ناهمگن اتفاق می*افتد و محیط واکنش حداقل دو فاز دارد، این مسئله باعث مشکلات اجرائی در انجام واکنش می*شود.
چگونگی انجام واکنش
بسپارش امولسیونی در سه مرحله اتفاق می*افتد:[۱۴][۱۲]
مرحلهٔ ۱
در این مرحله، تکپارها به مخلوط آب و سورفکتانت (به انگلیسی: [۱۵]Surfactant) اضافه می*شوند و قطره*های منومری می*سازند. این قطره*ها بوسیله سورفکتانت پوشیده می*شوند. باقی*ماندهٔ سورفکتانت تشکیل مایسل (به انگلیسی: [۱۶] Micelle) را می*دهد. مقدار کمی از منومر بوسیلهٔ پدیدهٔ نفوذ (به انگلیسی: [۱۷] Diffusion) از داخل قطره*های منومر به داخل مایسل حرکت می*کند.
تصویر شماتیک از چگونگی واکنش پلیمریزاسیون امولسیونی
وقتی که آغازگرِ واکنش رادیکالی به محیط اضافه می*شود، آغازگر تجزیه شده و به دو رادیکال تبدیل می*شود. رادیکال با مونومر در محیط آبی واکنش می*دهد و رادیکال اُلیگومری (به انگلیسی: [۱۸] Oligomer) تشکیل می*دهد. سپس رادیکالِ اُلیگومری وارد مایسل شده و با منومرها در داخل مایسل واکنش می*دهد و یا در محیط آبی با منومرها واکنش می*دهد، تا جایی که زنجیرهٔ بسپار آنقدر سنگین شود که دیگر معلق نباشد و در آب تهنشین شود. رادیکالهای اُلیگومری بدین دلیل ورود به مایسل را به ورود به قطرهٔ منومری ترجیح می*دهند که کل سطح رویهٔ مایسلها از کل سطح رویهٔ قطره*های منومری بیشتر است. در تصویر شماتیک از چگونگی واکنش پلیمریزاسیون امولسیونی دیده می*شود که منومرها از قطرهٔ منومری به داخل مایسل حرکت می*کنند و به زنجیره بسپار درون مایسل اضافه می*شوند. در پایان مرحلهٔ یک تمام مایسلها دارای هستهٔ پلیمری هستند و وقتیکه غلظتِ سورفکتانت از حد بحرانی برای تهیه مایسل کمتر می*شود، تشکیلِ ذرات متوقف می*شود و تعداد ذرات ثابت باقی می*ماند.
مرحلهٔ ۲
زمانیکه تشکیل ذرات متوقف می*شود، مرحلهٔ ۲ آغاز می*شود. در این زمان هر دو جزء منومر و قطرهٔ منومری در محلول واکنش وجود دارند. بسپارش ادامه می*یابد و منومرها همچنان از قطرهٔ منومری به ذرهٔ بسپار حرکت می*کنند و غلظت منومر را در ذرهٔ بسپار در حد اشباع نگه می*دارند. در طی این مرحله، قطرهٔ منومری کوچک می*شود و ذرات بسپار بزرگ می*شوند.
مرحلهٔ ۳
زمانیکه قطره*های منومری ناپدید می*شوند، مرحلهٔ ۳ آغاز می*شود. در این مرحله بیشتر منومرها در ذرات بسپار و در محیط آبی قرار دارند. به مرور زمان غلظت منومر در ذرات کاهش یافته و سرعت پلیمریزاسیون کاهش می*یابد تا جائیکه واکنش پایان یابد.
عوامل واکنش
سورفاکتانت
سورفکتانت (به انگلیسی: [۱۵] Surfactant) یا ماده فعال کننده سطحی، مولکولی است که دارای دو سر آب دوست و آب گریز است. به خاطر داشتن این ویژگی این مولکول در هر دو فاز آلی و آبی قابل حل است. برای مثال سدیم دودسیل سولفات (SDS) (به انگلیسی: [۱۹] Sodium dodecyl sulfate) یک سورفاکتانت است که در بسپارش امولسیونی استفاده می*شود.[۲۰]
همانطور که در شکل دیده می*شود این مولکول ۱۲ اتم کربن در دم آلی و یک گروه سولفات در سر آبی خود دارد.
ساختمان دودسیل سولفات
CnH۲n+۱SO۴Na (n۱۲)
در بسپارش امولسیونی مولکول سورفاکتانت از قسمت آلی به قطره منومری وصل می*شود و قسمت آبی آن در محیط آبی حل می*شود. این مسئله باعث می*شود که قطره*های منومری در محیط آبی به حالت تعلیق درآید و با مکانیزمی مشابه باعث می*شود که ذرات بسپارِ در حال رشد تثبیت شوند. در تصویر شماتیک از چگونگی واکنش پلیمریزاسیون امولسیونی مولکولهای سورفکتانت را در سطح قطره منومری و در مایسل می*بینید.
آغازگر واکنش رادیکالی
آغازگر واکنش رادیکالی (به انگلیسی: [۳] Radical initiator) ماده ایست که تجزیه می*شود و در محیط واکنش تولید رادیکال می*کند. رادیکال مولکول، اتم و یا یونی است که الکترون جفت نشده دارد. رادیکال بسیار واکنش پذیر بوده و بسپارش را آغاز می*کنند. پتاسیم پرسولفات (به انگلیسی: [۲۱] Potassium persulfate) بافرمول شیمیایی (K۲S۲O۸) آغازگری است که بسیار در واکنش بسپارش امولسیونی استفاده می*شود.[۲۰]
رآکتورهای مورد استفاده
رآکتورهای همزن دار
تصویر شماتیک از رآکتور همزن دار با برش مقطعی به همراه لایهٔ خنک کننده
راکتور همزن دار (به انگلیسی: [۲۲]Continuous stirred-tank reactor, CSTR) شامل مخزن واکنش به همراه همزن برای مخلوط شدن بهتر مواد واکنش دهنده*است. این رآکتور بیشتر برای نوعی از واکنش بسپارش امولسیونی استفاده می*شود که در آن محصول واکنش ویسکوزیته بالایی داشته باشد. [۲۳] رآکتور همزن دار می*تواند بصورت یک واحد و یا یک سری متوالی از مخازن دارای همزن باشد.
وقتیکه رآکتور همزن دار بصورت حالت پایا (به انگلیسی: [۲۴] Steady state) کار می*کند، ذرات محصول بطور مداوم تولید می*شوند. چنین محصولی طیف وسیعی از اندازه ذرات محصول را در بر می*گیرد.
رآکتور لوله*ای

تصویر شماتیک از رآکتور لوله*ای
در رآکتور لوله*ای (به انگلیسی: [۲۵] Tubular reactor) یا (به انگلیسی: [۲۶] Plug flow reactor model) چند ماده واکنش دهنده به داخل یک یا چند لوله پمپ می*شوند. واکنش در طول لوله انجام می*شود. در ابتدای لوله سرعت واکنش بالاست و در انتهای لوله سرعت کم می*شود و میزان محصول افزایش یافته*است.
مزیت رآکتور لوله*ای داشتن سطح زیاد برای انتقال حرارت است و چون واکنش بسپارش امولسیونی بسیار گرمازا است، توانایی بالای انتقال حرارت، مزیت مهمی برای این نوع رآکتور است. هر چه سطح مقطع لوله ها کوچکتر باشد، نسبت سطح انتقال حرارت به حجم مواد واکنش دهنده افزایش پیدا می کند.[۲۷] مزیت دیگر رآکتور لوله*ای اینست که بدلیل اینکه زمان باقی*ماندن ذرات در رآکتور نسبتاً ثابت است، توزیع اندازهٔ ذرات، طیف کمی را در بر می*گیرد.


سونات