تعریف پلاستیکها
تعاریف مشابه بسیاری برای پلاستیکها وجود دارد اما آنچه بیشتر در راستای هدف این مقاله است به این صورت تعریف می شود که پلاستیکها متشکل از مولکولهای بزرگی هستند که تحت شرایط مناسب تهیه می شوند و به راحتی امکان شکل دهی یا قالبگیری آنها وجود دارد. مولکولهای پلاستیک بزرگ، پلیمر نامیده می شوند که ریشه آن از کلمات یونانی "پُلی" به معنای بسیار و "مروز" به معنی واحدها می باشد اما در پلاستیکها خلاصه نمی شوند. پلیمر از تعداد زیادی مولکولهای کوچکتر که مونومر نامیده می شوند تشکیل می شود که از طریق پیوند شیمیایی به یکدیگر متصل می گردند و عموما توسط واکنش پلیمریزاسیون تراکمی[1] یا افزایشی[2] انجام می شود. خواص شیمیایی مونومر تعیین کننده چگونگی تبدیل آن به پلیمر و نیز (از جهاتی) خواص نهایی پلیمر است.
گرمانرم ها و گرماسخت ها
پلاستیکها به دو دسته عمده گرمانرم ها و گرماسخت ها تقسیم می شوند. گرمانرم ها موادی هستند که هنگام گرم شدن نرم و جاری می شوند و امکان لغزش زنجیرهای پلیمر بر روی هم فراهم شده و هنگام سرد شدن سخت می شوند. این فرآیند می تواند بارها تکرار گردد. این ویژگی منجر به بازیافت آسان و استفاده مجدد مواد گرمانرم می شود. مواد گرماسخت در هنگام گرم شدن نرم می شوند و جریان پیدا می کنند اما با افزایش گرما واکنش شیمیایی و به اصطلاح شبکه ای شدن[3] اتفاق می افتد. در شبکه ای شدن پیوندهای شیمیایی مابین زنجیرهای پلیمر ایجاد می شود. این پیوندهای شیمیایی زنجیرهای پلیمر را به هم قفل می کند و مانع لغزش زنجیرها بر روی هم می گردد که منجر به سخت تر شدن پلیمر می شود. این فرآیند برگشت ناپذیر است در نتیجه قطعات ساخته شده از گرماسخت ها به آسانی بازیافت نمی شوند.
شکل 1 تفاوت رفتار مواد گرمانرم و گرماسخت را در برابر تغییرات دمایی نشان می دهد. در دماهای پایین تر (قسمت بالای نمودار، سمت چپ) هر دو پلاستیک گرمانرم و گرماسخت، جامد هستند (هرچند یک رزین گرماسخت از ابتدا میتواند به صورت مایع باشد). با افزایش دما، گرانروی (مقاومت در برابر جریان یافتن یا سیالیت) هر دو ماده کاهش می یابد تا آنجا که از حالت جامد به یک مایع گرانرو تبدیل شوند. با ادامه افزایش دما، گرانروی هر دو ماده به کاهش خود ادامه می دهد. برای مواد گرمانرم، افت گرانروی با افزایش دما ادامه می یابد (تا آنجا که پیوندهای شیمیایی شروع به گسستن کرده و تخریب پلیمر آغاز می شود). برای مواد گرماسخت، گرانروی ماده به سرعت با افزایش دما کاهش می یابد تا زمانی که تشکیل پیوندهای شیمیایی بین زنجیرها آغاز می گردد. در این نقطه گرانروی افزایش می یابد چرا که پیوندهای شیمیایی عرضی لغزش زنجیرهای پلیمر را بر روی یکدیگر محدود می کند. برای مواد گرمانرم، این فرآیند با کاهش دما معکوس می شود. اما برای مواد گرماسخت، با تشکیل پیوندهای شیمیایی عرضی، معکوس شدن این فرآیند امکان پذیر نبوده و به اصطلاح ماده پخت می شود.
شکل1- نمودار گرانروی برحسب دما.
پلاستیکها چگونه ساخته می شوند؟
عموما پلیمرها توسط دو ساز و کار متفاوت شامل پلیمریزاسیون افزایشی و پلیمریزاسیون تراکمی تشکیل می شوند. در پلیمریزاسیون افزایشی مونومر وارد رآکتور می شود و یک شروع کننده شیمیایی برای ایجاد رادیکال آزاد، به آن افزوده می شود. رادیکال آزاد با یک مونومر دیگر تشکیل پیوند می دهد و هم زمان یک رادیکال آزاد جدید ایجاد می شود. تکرار این فرآیند منجر به رشد زنجیر پلیمر می گردد. فرآیند رشد تا زمان اتمام مونومر، به هم رسیدن دو رادیکال آزاد یا افزودن عوامل اختتام[4] برای متوقف کردن واکنش، ادامه می یابد. پلیمریزاسیون افزایشی از قابلیت افزایش مقیاس تا اندازه های بسیار بزرگ برخوردار است، محصول جانبی ندارد (شروع کننده در واکنش مصرف می شود) و بسیار اقتصادی است. به پلیمریزاسیون افزایشی پلیمریزاسیون رشد زنجیری[5] نیز اطلاق می گردد. اغلب پلیمرهای پرمصرف عمومی از این طریق تولید می شوند. در پلیمریزاسیون تراکمی، دو مونومر متفاوت (یا یک مونومر با دو گروه عاملی متفاوت) وارد رآکتور می شوند. گروه عاملی از یک سر مونومر 1 با گروه عاملی از یک سر مونومر 2 واکنش داده و معمولا مولکول آب نیز به عنوان بخشی از این فرآیند ایجاد می شود (که منشاء نام گذاری پلیمریزاسیون تراکمی است). مولکول تازه تشکیل شده 1-2 می تواند با هر یک از دو مولکول 1 یا 2 وارد واکنش شده و زنجیر پلیمر را گسترش دهد. واکنش توسط افزودن عوامل اختتام یا سرد کردن تا توقف واکنش، به اتمام می رسد. معمولا کاتالیزورها برای کمک به پیش برد و کنترل واکنش افزوده می شوند. بر خلاف شروع کننده ها، کاتالیزورها در واکنش مصرف نشده و باید به همراه آب تولید شده در واکنش، از محصول پلیمر نهایی جدا شوند. بسیاری از پلیمرهای مهندسی توسط پلیمریزاسیون تراکمی به دست می آیند. عموما این فرآیند گرانتر بوده و قیمت پلاستیکهای ساخته شده به این روش را افزایش می دهد. پلیمریزاسیون تراکمی، پلیمریزاسیون مرحله ای[6] نیز نامیده می شود.
خواص عمومی پلاستیکها
تعداد بسیار زیادی از پلیمرهای تجاری با دامنه وسیعی از خواص برای کاربردهای بسیار متنوع موجودند. عموما پلاستیکها چگالی کمی دارند که منجر به وزن مخصوص (وزن به ازای واحد حجم) کم شده و نسبت استحکام به وزنِ بالایی را در رقابت با مواد دیگر به آنها می بخشد. این ویژگی در کاربردهای مرتبط با حمل و نقل مانند خودروها، هواپیما و قطارهای سریع السیر به دلیل کاهش مصرف سوخت از ارزش قابل توجهی برخودار است. معمولا پلیمرها نقطه ذوب نسبتا پایینی دارند که این ویژگی در فرآیندپذیری، مطلوب بوده اما کاربرد آنها را در محیط های با دمای بالا محدود می نماید. اگرچه پلاستیکها در رقابت با مواد دیگر، دمای ذوب پایین تری دارند اما پلاستیکهایی با قابلیت تحمل دماهای بالا نیز وجود دارند که امکان استفاده از آنها در زیر کاپوت خودرو و قطعات قابل استریل شدن وجود دارد. پلیمرها هدایت حرارتی کمی دارند که کاربرد آنها را به عنوان عایق حرارتی ممکن می سازد. همچنین از خواص عایق الکتریکی خوبی برخوردارند که موجب شده به عنوان مواد کلیدی در بسیاری از کاربردهای الکتریکی شامل عایقهای کابل و سیم، محفظه و بدنه های ابزار، برد و قطعات مدار و لوازم خانگی استفاده گردند. پلاستیکهای شفاف نیز با قابلیت ساخت در رنگبندی های بسیار متنوع وجود دارد. در نهایت یکی از بارزترین خواص عمومی پلاستیکها قیمت نسبتا کم آنها است که موجب شده است پلاستیکها در تعدادی از کاربردهای با حجم زیاد و هزینه کم استفاده شوند که به عنوان مثال می توان به مواد بسته بندی، مخازن و عایق ها اشاره نمود. اگرچه این پلیمرهای کم هزینه را می توان با قیمت کمتر از یک دلار به ازای هر پوند تهیه نمود، بسیاری از پلیمرهای با کارایی بالاتر قیمتی بیشتر از دو دلار تا صد دلار به ازای هر پوند خواهند داشت.
مواد اولیه و حجم مصرفی پلاستیکها
امروزه مواد اولیه خام پلاستیکهای تجاری عمدتا از نفت (در حال حاضر حدود 2% از محصولات نفتی برای تولید مواد پلاستیکی مصرف می شود) و گاز طبیعی تامین می گردد. اگرچه حرکت قابل توجهی به سمت مواد اولیه تجدیدپذیر از قبیل سویا، دانه های گرچک، ذرت، الیاف چوب و جلبکها وجود دارد. هزینه پلاستیکهای پلیمریزه شده شامل هزینه های مواد اولیه پایه، هزینه فرآیند پلیمریزاسیون و حجم مواد تولید شده است.
تولید پلاستیک به یک صنعت جهانی تبدیل شده است و این سبب شده تا قیمت محلی مواد اولیه بر نحوه احتمالی تولید یک پلیمر خاص تاثیرگذار باشد. به عنوان مثال پلی وینیل کلراید (PVC) یکی از پلیمرهای با حجم تولید بسیار بالا در جهان است. PVC از طریق پلیمریزاسیون افزایشی مونومر وینیل کلراید (VCM) ساخته می شود. در خاورمیانه و آمریکای شمالی به دلیل فراوانی و ارزانی گاز طبیعی، اولین مرحله در این فرآیند، تولید اتیلن از گاز طبیعی است که سپس برای ساخت اتیلن دی کلراید و نهایتا VCM استفاده می شود. اما به دلیل گرانتر بودن گاز طبیعی در اروپا، اتیلن از نفت تهیه می شود. در چین که نفت و گاز ارزان نیستند، از فرآیند کربید[7] استفاده می کنند که زغال ارزان، مواد اولیه تهیه VCM است. دامنه خواص موجود برای پلاستیکها از طریق آمیزه سازی گسترده تر می شود که در آن پلیمرِ پایه با افزودنی های مختلف برای تقویت و گسترش خواص مخلوط می شود. جاذبهای فرابنفش برای بهبود کارایی در کاربردهای فضای باز، تاخیراندازهای شعله برای بهبود مقاومت اشتعال پذیری، پایدارکننده های حرارتی برای بهبود پایداری گرمایی و انواع رنگها مانند فلورسنت ها برای ایجاد تاثیرات ظاهری افزوده می شوند. با اضافه کردن یک یا چند تقویت کننده که تنوع فراوانی دارند، دسته ای از پلاستیکها به نام کامپوزیتها ساخته می شوند که منجر به تقویت قابل توجه خواص شده و امکان استفاده از پلاستیکها را به عنوان یکی از مواد اصلی در هواپیماهای پیشرفته مانند بوئینگ و ماشین الکتریکی BMW فراهم می کند.
حجم پلاستیکها در جهان تقریبا به 650 میلیارد پوند در سال می رسد. بزرگترین مصرف کننده چین و سپس اروپا و آمریکای شمالی است. ایالات متحده سالانه بیش از 100 میلیارد پوند پلاستیک مصرف می کند. پلی اتیلن پرمصرفترین پلاستیک است و مصرف جهانی آن بالغ بر 180 میلیارد پوند است که در کاربردهای بسیار متنوعی از فیلمهای بسته بندی و کیسه های شیر تا لوله های آب و گاز استفاده می شود. حجم مصرف سالانه پلاستیکها در سال 1979 از استیل پیشی گرفته است و همچنان به رشد خود ادامه می دهد.