شبکه ای شدن

کلمات کلیدی

الاستومر،ژل،گرماسخت

زمان زیادی از موقعی که تنها لاستیک در دسترس ما لاتکس لاستیک طبیعی، پلی‌ایزوپرن بود گذشته است. لاتکس لاستیک طبیعی که به طور مستقیم از درخت به دست می‌آید خیلی مناسب نیست. وقتی گرم شود روان و چسبناک می‌شود، و وقتی سرد شود سخت و شکننده می‌شود. تایرهای ساخته شده از آن خیلی مناسب نخواهند بود، مگر اینکه در جایی که دما در تمام سال ۷۰ درجه است به کار روند.

در حدود ۱۶۰ سال پیش، و اگر بخواهیم دقیق باشیم، در سال ۱۸۳۹، قبل از این که اتومبیلی وجود داشته باشد که به تایر نیاز داشته باشد، باز هم ایده‌ی یک لاستیک قابل استفاده بسیار جذاب بود. یکی از کسانی که سعی ‌کرد تا لاستیک را مفید‌تر کند، چارلز گودیر (Charles Goodyear) نام داشت؛ یک حلبی‌ساز و مخترع. گودیر زمانی که در آشپزخانه‌اش با تکه پارچه‌ای پوشیده شده از مخلوط لاتکس لاستیک، گوگرد و مقدار کمی سرب سفید، پرسه می‌زد، تصادفاً آن را بالای بخاری گرم قرار داد. این مخلوط مانند یک تکه گوشت سرخ شده بدبو یا مانند یک لاستیک در حال سوختن، شروع به جلز ولز کرد. زمانی که او به این تکه‌ی لاستیک نگاهی انداخت، دریافت که اگر به آن گرما داده شود، ذوب یا چسبناک نمی‌شود، و اگر آن را تمام شب در زمستان سرد ایالت ماساچوست بیرون بگذارد، شکننده نمی‌شود. او لاستیک جدیدش را لاستیک پخت‌شده، نامید.

پیوند دادن با یکدیگر

در اینجا چه اتفاقی رخ داده است؟ گوگرد با لاستیک چه کرد؟ اتفاقی که افتاد این بود که گوگرد پل‌هایی تشکیل داد که تمام زنجیره‌های پلیمری داخل لاستیک را به هم متصل می‌کرد. این پل‌ها اتصالات عرضی نامیده می‌شوند. می‌توانید این فرآیند را در تصویر زیر ببینید. پل‌های تشکیل شده به وسیله‌ی زنجیر‌های کوتاه اتم گوگرد، یک زنجیر پلی‌ایزوپرن را به زنجیر دیگر متصل می‌کنند، تا زمانی که تمام زنجیر‌ها در یک اَبَرمولکول غول‌پیکر به هم متصل می‌شوند.

در حقیقت یک ماده‌ی ساخته شده از لاستیک شبکه‌ای یک مولکول منفرد است. یک مولکول که آنقدر بزرگ است که می‌توانید آن را با دستتان بردارید.

این اتصالات عرضی تمامی مولکول‌های پلیمر را به هم متصل می‌کند و به همین دلیل، زمانی که لاستیک گرم می‌شود، مولکول‌ها نمی‌توانند روی هم یا به دور هم بلغزند و جاری شوند و به این ترتیب ماده‌ای به دست می‌آید که ذوب نمی‌شود. همچنین، چون همه مولکول‌های پلیمر به یکدیگر متصل شده‌اند، به راحتی از یکدیگر جدا نمی‌شوند و به همین دلیل لاستیک پخت شده‌ی چارلز گودیر زمانی که سرد می‌شود، شکننده نمی‌شود.

برای درک مفهوم این پدیده به تصویر زیر که تفاوت بین تعدادی زنجیر پلیمری منفرد غیرشبکه‌ای و شبکه‌ای با اتصالات عرضی را نشان می‌دهد، بیندازید:

انواع دیگر لاستیک که شیمیدان‌ها آنها را الاستومر می‌نامند و شبکه‌ای هستند، شامل موارد زیر می‌شود:

پلی بوتادین
پلی ایزوبوتیلن
پلی کلروپرن

مواد گرماسخت (ترموست)

اما لاستیک تنها چیزی نیست که می‌تواند شبکه‌ای شود. پلاستیــک‌ها نیز با ایجاد اتصال عرضی قوی‌تر می‌شوند. فورمیکا یک ماده‌ی شبکه‌ای است.

پلمیرهای شبکه‌ای معمولاً قبل از شبکه‌ای شدن، قالب گیری و شکل داده می‌شوند. زمانی که اتصال عرضی، معمولاً در دماهای بالا، ایجاد شود، ماده دیگر قابل شکل‌دهی نیست. از آنجا که گرما معمولاً منجر به ایجاد اتصالات عرضی می‌شود که این اتصالات هم به نوبه‌ی خود باعث دائمی شدن شکل‌ یک قطعه می‌شوند، این دسته از مواد را گرماسخت(ترموست) می‌نامیم. این نام آنها را از گرمانرم ها(ترموپلاستیک ها)، که شبکه‌ای نیستند و با قالب‌گیری می‌توانند شکل مجدد بگیرند، متمایز می‌کند. نکته‌ی جالب توجه در این است که اولین ترموست هم پلی‌ایزوپرن بود. هرچه اتصالات عرضی گوگردی بیشتری در پلی‌ایزوپرن قرار دهید، ماده سخت‌تر می‌شود. اگر به مقدار کم شبکه‌ای شود، یک لاستیک انعطاف‌پذیر است و اگر به مقدار زیاد شبکه‌ای شود، یک گرماسخت سفت می‌شود (برادر چالز، Noah اولین پلی‌ایزوپرن ترموست را از این راه درست کرد). در اینجا تعدادی از گرماسخت‌های شبکه‌ای آورده شده است:

رزین‌های اپوکسی
پلی‌دی سیکلو پنتادین
پلی کربنات‌ها

پلیمرهای شبکه‌ای هم‌چنین می‌توانند به عنوان پوشش‌ها، چسب‌ها و قطعات الکترونیکی به کار روند. مواد شبکه‌ای، نمی‌توانند در حلال‌ها حل شوند. چرا که تمام زنجیره‌های پلیمر با پیوند کووالانس با یکدیگر متصل شده‌اند. اما این مواد می‌توانند حلال‌ها را به خود جذب کنند. تکه‌ای از ماده‌ی شبکه‌ای که مقدار زیادی حلال را به خود جذب کرده است، ژل نامیده می‌شود. نوعی از ژل که ممکن است شما با آن آشنا باشید، پلی‌آکریل‌آمید شبکه‌ای است.
پلی‌آکریل‌آمید غیر شبکه‌ای، در آب محلول است و پلی‌آکریل‌آمید شبکه‌ای ، می‌تواند آب را به خود جذب کند. ژل‌های آب‌دار پلی‌آکریل‌آمید شبکه‌ای، برای ساختن لنزهای چشمی نرم استفاده می‌شوند.

جمع‌بندی

شبکه‌ای کردن، هم الاستومرها و هم پلاستیک‌ها را محکم‌تر می‌کند، اما در این میان مشکلی وجود دارد. ماده‌ی شبکه‌ای، ذوب نمی‌شود و در نتیجه بازیافت این مواد بسیار مشکل است. یک راه‌حل برای این مشکل آن است که اتصالات عرضی برگشت‌پذیر تشکیل شود. یک گروه از موادی که اتصالات عرضی برگشت‌پذیر دارند، الاستومرهای گرمانرم هستند.

پس‌گفتار

چارلز گودیر هیچگاه به خاطر کشفش ثروتمند نشد. او زندگی خود را صرف داد‌خواهی در مورد تقلید اختراع ثبت شده ی خود کرد. اما زمانی که از دنیا رفت، یک کمپانی به نام او، گودیر، تبدیل به یک شرکت عظیم و موفق شد، که امروزه همه ی ما آن را می شناسیم. مرکز این کمپانی در حال حاضر در آکرون، اوهایو قرار دارد. هر چند در آن سوی شهر، در کمپانی لاستیک دیگری به نام B.F. Goodrich، شخص دیگری به یک راه جدید هوشمندانه برای ایجاد اتصالات عرضی در لاستیک دست یافت.

برای اینکه ببینید این راه چه بوده است، اینجا کلیک کنید.