در دنیای مدرن امروز، پلاستیک، جزء جدایی ناپذیر زندگی ما تبدیل شدهاند و تقریبا در هر جنبه ای از زندگی روزمره، از بسته بندی مواد غذایی گرفته تا قطعات خودرو و تجهیزات پزشکی، حضور دارند. اما مواد تشکیل دهنده پلاستیک چیست و چگونه این تنوع بی نظیر در خواص و کاربردهای آن ایجاد میشود؟ فرآیند پیچیده تبدیل این ماده خام به محصولاتی با ویژگی های گوناگون، شامل مراحل مختلفی از جمله تقطیر، پلیمریزاسیون و افزودن مواد خاص است که هر کدام نقشی حیاتی در تعیین سرنوشت نهایی محصول ایفا میکنند.
همچنین، تنوع پلیمرهای سازنده پلاستیک ها، از پلی اتیلن انعطاف پذیر گرفته تا پلی استایرن سخت و شکننده و نیز نقش مواد افزودنی در بهبود خواص آن ها، پرسش های متعددی را در ذهن ایجاد میکند. در این پست آموزشی از برزین صنعت، قصد داریم به این سوالات پاسخ دهیم و با مواد تشکیل دهنده پلاستیک، بیشتر آشنا شویم.
پلاستیک چگونه تولید میشود؟
تولید پلاستیک، فرآیندی پیچیده است که از مواد اولیه گوناگونی مانند نفت خام، گاز طبیعی، ذغال سنگ، نمک و سلولز آغاز میشود. نفت خام، به عنوان مادهای حیاتی، در پالایشگاهها تحت فرآیند تقطیر قرار میگیرد تا به اجزای سبکتر موسوم به «کسری» تقسیم شود. یکی از این کسریها، نفتا نام دارد که ترکیبی کلیدی در تولید پلاستیک به شمار میرود. تولید پلاستیک عمدتاً از دو روش اصلی پلیمریزاسیون و پلی کندسانساسیون بهره میبرد که هر دو نیازمند کاتالیزورهای خاصی هستند. در روش پلیمریزاسیون، مونومرهایی مانند اتیلن و پروپیلن با یکدیگر ترکیب شده و زنجیرههای پلیمری طولانی را تشکیل میدهند و در نهایت، اصلیترین مواد تشکیل دهنده پلاستیک را میسازند.
در فرآیند پلیمریزاسیون، مونومرها به صورت پیوسته به یکدیگر متصل میشوند تا پلیمر تشکیل شود و هیچ محصول جانبی تولید نمیشود. در مقابل، واکنش تراکمی با افزودن کاتالیزور به مونومرها، آنها را وادار به ترکیب با مونومرهای اطراف میکند که منجر به تشکیل پلیمر و تولید محصول جانبی، اغلب آب، میشود. پلیمرهای حاصل نیز به دو دسته هموپلیمر (ساخته شده از مونومرهای یکسان) و کوپلیمر (ساخته شده از مونومرهای متفاوت) تقسیم میشوند. ساختار این پلیمرها از پیوند زنجیره های طولانی کربن به کربن تشکیل شده که به آن ساختار همگن گفته میشود، مانند پلی اتیلن و پلی پروپیلن. اما اگر این زنجیره با عناصری مانند اکسیژن یا نیتروژن قطع شود، ساختار ناهمگن ایجاد میشود که پلی استر و نایلون از این دسته هستند و در نهایت منجر به تولید محصولات متنوع پلاستیکی مانند تولید بطری پلاستیکی میشوند.
انواع مواد تشکیل دهنده پلاستیک
به طور کلی، مواد تشکیل دهنده پلاستیک به دو دسته اصلی تقسیم میشوند: پلیمرها و مواد افزودنی. پلیمرها، که اساس ساختار پلاستیک را تشکیل میدهند، مولکولهای بزرگی هستند که از اتصال واحدهای کوچک تکرارشونده به نام مونومرها به وجود میآیند. این اتصال از طریق فرآیندهای شیمیایی مختلفی مانند پلیمریزاسیون، کوپلیمریزاسیون و پلی کاندنسیون انجام میشود و منجر به تشکیل زنجیرههای بلند مولکولی میگردد.
دسته دوم از مواد تشکیل دهنده پلاستیک، افزودنیها هستند که به منظور بهبود، تغییر یا ایجاد ویژگی های خاص در پلاستیک به پلیمرها اضافه میشوند. این مواد میتوانند خواصی مانند انعطاف پذیری، مقاومت مکانیکی، رنگ، پایداری حرارتی، مقاومت در برابر اشعه UV، مقاومت در برابر آب و سایر ویژگی ها را تحت تاثیر قرار دهند. بنابراین، ترکیب مناسب پلیمرها و مواد افزودنی، تعیین کننده خواص نهایی پلاستیک و کاربرد آن خواهد بود.
انواع پلیمرهای تشکیل دهنده پلاستیک
پلیمرها، به عنوان بنیانیترین مواد تشکیل دهنده پلاستیک، دستهای متنوع از ترکیبات با ویژگیهای منحصر به فرد هستند که نقش تعیین کنندهای در خواص و کاربردهای نهایی محصولات پلاستیکی ایفا میکنند. این مواد، طیف گستردهای از خواص فیزیکی و شیمیایی را به پلاستیکها میبخشند و آنها را برای مصارف گوناگون مناسب میسازند. در ادامه به معرفی برخی از پلیمرهای رایج و پرکاربرد در صنعت پلاستیک میپردازیم.
- پلی اتیلن (PE): این پلیمر به دلیل قیمت پایین، انعطاف پذیری و مقاومت شیمیایی بالا، به طور گسترده در تولید انواع فیلمها، کیسهها، بطری آب معدنی و ظروف بسته بندی به کار میرود.
- پلی پروپیلن (PP): پلی پروپیلن نیز از پلیمرهای پرکاربرد است که دارای مقاومت حرارتی و شیمیایی خوب، سختی و استحکام بالایی است. از این پلیمر در تولید قطعات خودرو، لوازم خانگی، الیاف و بسته بندی مواد غذایی استفاده میشود.
- پلی وینیل کلراید (PVC): پلیمری سخت و مقاوم است که میتواند با افزودن نرم کنندهها، انعطاف پذیر شود. PVC در تولید لولهها، پروفیلهای ساختمانی، کفپوشها، روکشها و سیم و کابل به کار میرود.
- پلی استایرن (PS): پلی استایرن پلیمری شفاف، سخت و شکننده است که به دو صورت معمولی (GPPS) و مقاوم (HIPS) تولید میشود. از PS در تولید ظروف یکبار مصرف، عایقهای حرارتی و بسته بندی استفاده میشود.
- پلی اتیلن ترفتالات (PET): این پلیمر به دلیل شفافیت، استحکام و مقاومت در برابر نفوذ گازها، به طور گسترده در تولید بطریهای نوشیدنی، الیاف و فیلمهای بسته بندی استفاده میشود.
این ها تنها چند نمونه از پلیمرهای رایج در صنعت پلاستیک هستند و پلیمرهای دیگری نیز با ویژگیهای خاص برای کاربردهای ویژه وجود دارند.
انواع مواد افزودنی در تولید پلاستیک
مواد افزودنی، از دیگر مواد تشکیل دهنده پلاستیک میباشند و نقشی حیاتی و تعیین کننده در شکل دهی ویژگیهای نهایی محصولات ایفا میکنند. این مواد متنوع، با اهداف گوناگونی به ساختار پلیمرهای پایه افزوده میشوند تا خواص مختلفی از جمله انعطاف پذیری، میزان مقاومت در برابر عوامل گوناگون، رنگ ظاهری، پایداری در شرایط محیطی مختلف و بسیاری دیگر از ویژگیها را بهبود بخشند یا به طور کلی تغییر دهند. تنوع گسترده این مواد افزودنی، امکان ایجاد پلاستیکهایی با کاربردهای بسیار متنوع را فراهم میآورد و هر کدام از این افزودنیها، وظیفه و تاثیر خاصی را در ساختار و عملکرد نهایی پلاستیک بر عهده دارند.
در جدول زیر، انواع مواد افزودنی مورد استفاده در تولید پلاستیک به همراه نقش آنها به طور خلاصه آورده شده است:
نوع ماده افزودنی | نقش |
نرم کننده ها (Plasticizers) | افزایش انعطاف پذیری و کاهش سختی، به ویژه در PVC |
پرکننده ها (Fillers) | کاهش هزینه، افزایش حجم، بهبود مقاومت و سختی |
رنگ دهنده ها (Colorants) | ایجاد رنگ های مختلف (رنگدانه ها یا رنگ های محلول) |
مواد پایدار کننده حرارتی (Heat Stabilizers) | جلوگیری از تخریب حرارتی در دماهای بالا |
مواد جاذب UV (UV Stabilizers) | محافظت در برابر اشعه فرابنفش و جلوگیری از تخریب نوری |
مواد آنتی اکسیدان (Antioxidants) | جلوگیری از اکسیداسیون و افزایش عمر مفید |
مواد ضد خوردگی (Anti-corrosion agents) | جلوگیری از خوردگی قطعات فلزی در تماس با پلاستیک |
آلیاژ سازها (Alloying agents) | بهبود خواص مکانیکی مانند مقاومت ضربه و سختی |
مواد ضد سرکوب کننده حرارتی (Flame Retardants) | کاهش اشتعال پذیری و جلوگیری از گسترش آتش |
مواد آروماتیک (Aromatic compounds) | افزایش مقاومت شیمیایی در برابر حلال ها و مواد شیمیایی |
در نهایت، انتخاب نوع و میزان مواد افزودنی بستگی به نوع پلاستیک پایه و کاربرد نهایی محصول دارد. با استفاده هوشمندانه از این مواد، میتوان خواص پلاستیک را به طور چشمگیری بهبود بخشید و آن ها را برای کاربردهای مختلف بهینه کرد.
فرمول شیمیایی پلاستیک و شیمی مواد آن
شیمی مواد پلاستیکی و فرمول شیمیایی آنها به دلیل تنوع بسیار زیاد انواع پلاستیکها، موضوعی پیچیده است. پیشتر اشاره کردیم که مواد تشکیل دهنده پلاستیک از واحدهای تکرارشوندهای به نام مونومر تشکیل شدهاند و با آرایشهای مختلف به هم متصل شده و پلیمرها را میسازند. به همین دلیل، فرمول شیمیایی واحدی برای همه پلاستیکها وجود ندارد و هر نوع پلاستیک فرمول خاص خود را دارد. به طور کلی، شیمی مواد پلاستیکی بر پایه پیوندهای کووالانسی بین اتمهای کربن است. بیشتر پلاستیکها از هیدروکربنها (ترکیبات شیمیایی ساخته شده از کربن و هیدروژن) مشتق میشوند، اما عناصری مانند اکسیژن، نیتروژن، کلر، فلوئور و گوگرد نیز میتوانند در ساختار آنها حضور داشته باشند.
برای مثال:
- پلی اتیلن (PE)، سادهترین پلاستیک است که از پلیمریزاسیون اتیلن (C₂H₄) به دست میآید و فرمول شیمیایی آن (C₂H₄)ₙ است که n نشان دهنده تعداد واحدهای تکرارشونده میباشد.
- پلی پروپیلن (PP) از پلیمریزاسیون پروپیلن (C₃H₆) به دست میآید و فرمول شیمیایی آن (C₃H₆)ₙ است.
- پلی وینیل کلراید (PVC) نیز از پلیمریزاسیون وینیل کلراید (C₂H₃Cl) به دست میآید و فرمول شیمیایی آن (C₂H₃Cl)ₙ میباشد.
- پلی استایرن هم(PS) از پلیمریزاسیون استایرن (C₈H₈) به دست میآید و فرمول شیمیایی آن (C₈H₈)ₙ است.
نکته مهم این است که علاوه بر نوع مونومر، نحوه اتصال آنها به یکدیگر (ساختار پلیمری) نیز در خواص پلاستیک تاثیرگذار است. ساختار میتواند خطی، شاخه دار، شبکهای یا فضایی باشد. همچنین، افزودنیهایی مانند نرم کنندهها، رنگ دهنده ها، پایدار کننده ها و پرکننده ها نیز به پلاستیک ها اضافه میشوند تا خواص آن ها را تغییر دهند. بنابراین، شیمی پلاستیکها ترکیبی از شیمی پلیمرها و شیمی مواد افزودنی است.
جمع بندی
در مجموع، تولید پلاستیک فرآیندی چند مرحله ای و پیچیده است که از مواد اولیه ای مانند نفت خام آغاز شده و با فرآیندهای شیمیایی دقیق، از جمله تقطیر و پلیمریزاسیون و افزودن مواد خاص، به محصولاتی متنوع تبدیل میشود. این فرآیندها، به ویژه نوع پلیمر و مواد افزودنی، تعیین کننده خواص نهایی پلاستیک و کاربردهای آن هستند. پلیمرها، به عنوان اصلیترین مواد تشکیل دهنده پلاستیک، تنوع گستردهای دارند و هر کدام ویژگی های منحصر به فردی را به این محصولات میبخشند؛ در حالی که مواد افزودنی نقش مهمی در بهبود خواصی مانند انعطاف پذیری، مقاومت و پایداری ایفا میکنند. فرمول شیمیایی پلاستیک ها نیز بسته به نوع مونومرها و ساختار پلیمری متفاوت است.