صنعت رنگ سازی

رنگ در دنیای امروز نقش بسیار مهمی در پرورش ذوق و قرایح بشری و ارضای نیازهای زیبا شناختی وی ایفا می کند. بدین جهت است که احساس رنگ را به تعبیری حس هفتم می گویند. انسان در پهنه تولید تزئین خانه ها ، پوشاک و حتی نوشابه ها در هنر ، نقاشی ، صنایع کشتیرانی و امور ارتباطات محصولات مصرفی در صنایع فضایی و خلاصه در همه شئونات با رنگ سر و کار دارد . بطور کلی از رنگ علاوه بر ایجاد زیبایی محیط جهت حفاظت اشیا در مقابل عوامل طبیعی و غیره استفاده می شود .

 تاریخچه

سابقه استفاده از مواد رنگی توسط انسان به دوران غارنشینی می رسد. اولین کاربرد واقعی و عملی مواد رنگی را می توان در ساختن کشتی نوح مربوط دانست که برای جلوگیری از نفوذ آب و پوسیدگی آن از مواد رنگی استفاده شده بود. بعدها از مواد رنگی برای حفاظت چوب از پوسیدگی در بناهای چوبی و زمانی که استفاده از وسایل آهنی متداول شد. برای جلوگیری از زنگ زدن آنها استفاده می شد .  اجزای تشکیل دهنده رنگ ها  هر رنگ اصولا از دو قسمت اصلی تشکیل شده است که عبارتند از:
 رنگ دانه :

که ماده رنگی نامحلول در آن است ( خاک رس ناخالص رنگی و پودر برف از سنگهای رنگی به عنوان اولین رنگ دانه ها مورد استفاده انسان قرار می گرفتند ).
 محمل رنگها:مایعی است که با رنگ دانه مخلوط شده کاربرد آنرا آسان می کند و در چسبیدن آن کمک می کند ( از سفیده تخم مرغ چسب عسل محلول قند به عنوان محمل های رنگ استفاده می شد. امروزه متداول ترین محمل های رنگ دانه ها را آب یا روغن تشکیل می دهد. از اینرو رنگ ها را به دو دسته رنگ‌های روغنی و رنگ‌های آلی تقسیم می کنند.

انواع رنگ دانه ها

 اکسید ها :

لیمونیت ( Fe2O3.2H2O ) برای تهیه رنگ قرمز مصرف می شود و یکی از قدیمی ترین رنگ دانه هاست.
هماتیت ( Fe2O3 ) برای تهیه رنگ قرمز روشن بکار می رود. دی اکسید تیتان ( TiO2 ) برای تهیه رنگ سفید روشن و بسیار مرغوب که در هوا تیره نمی شود به کار می رود. معمولا آن را با سولفات باریم مخلوط می کنند. ZnO که از مهم ترین رنگ دانه های سفید است و از تجزیه کربنات روی و یا سوزاندن فلز روی در هوا حاصل می شود. سرنج ( Pb2O3 ) که رنگ سرخ یا قرمز تیره دارد و بیشتر برای پوشانیدن سطح قطعات فو لادی به منظور حفاظت آن ها از زنگ زدن ، کاربرد دارد.

سولفید روی و لیتوپن :

سولفید روی برای تهیه رنگ سفید مات مصرف می شود و از مزایای آن این است که بر خلاف سفید اب سرب در هوا سیاه نمی شود. این رنگ دانه معمولا در تجارت بصورت مخلوطی از سولفید روی و سولفات باریم به نام لیتوپن مصرف دارد که رنگ سفید بسیار مرغوب است.

 سفید اب سرب :

این رنگ دانه عمدتا شامل Pb(OH)2 , pbCO3 که از قرن ها پیش شناخته شده بود . قدرت پوشش آن ها زیاد است ولی در هوا به علت وجود H2O به مرور سیاه می شود . برای تبدیل مجدد آن به رنگ سفید می توان از تاثیر پر اکسید هیدروژن بر آن استفاده کرد.

دوده چراغ و زغال استخوان :یکی از اجزایی رنگ سیاه و مرکب است و برای تغییر رنگ سفید به میزان دلخواه نیز مصرف می شود.

رنگ دانه های فلزی :

مانند پودر آلومینیم در روغن جلا که که از آن برای حفاظت وسایل آهنی و فولادی استفاده می شود.

برنز آلومینیم ( آلیاژ AL,CU) در روغن جلا که از آن برای ایجاد رنگ بسیار زیبای طلایی برای دور قاب ها و ... استفاده می شود.

 رنگ دانه های آبی :

مهم ترین این این رنگ دانه ها آبی پروس و آبی نیلی یا لاجورد است. آبی پتروس که یکی از مهم ترین رنگ های آبی است . لاجورد نیز یکی از رنگ های آبی مرغوب است که از حرارت دادن مخلوط کائولین ، کربنات سدیم ، گوگرد و زغال سنگ در غیاب هوا حاصل می شود.

 رنگ دانه های زرد :

مهم ترین این رنگ دانه ها کرومات روی و کرومات سرب است . از قطران زغال سنگ نیز رنگ دانه های الوانی بصورت نمک های نامحلول فلزات به دست می آید که در هیدروکسید آلومینین بصورت ژله می بندد. این ژله را پس از خشک کردن به صورت پودر با رنگ دانه های نظیر کربنات کلسیم و سیلسس مخلوط می کنند و در انواع رنگ های مورد نیاز به کار می برند.

 رنگ‌های روغنی :

در این نوع رنگ‌ها ، رنگ دانه را در یک روغن خشک شونده که استر گلیسیرین با اسیدهای چرب نظیر اسیدهای اولیک و یا لینولنیک می باشد حل می کنند. این روغن‌‌ها در هوا اکسیده شده و به ترکیبات سیر شده تبدیل می شوند و لایه‌ای سخت مقاوم و محافظ تشکیل می دهند که از نفوذ آب در رنگ دانه جلوگیری می کنند.

رقیق کننده :

برای رقیق کردن و سهولت کاربرد رنگ به کار می رود و معمولا یک حلال هیدرو کربنی نظیر ترپنتین است که به روغن تربانتین شهرت دارد.

خشک کننده :

یکی از اجزای رنگ‌های روغنی است که در حقیقت نقش کاتالیزور در تسریع اکسیداسیون و خشک شدن رنگ ها را دارد و معمولا مخلوطی از اکسید های سرب ، منگنز و کبالت در ( روغن بزرک )بصورت استر مصرف می شود.

 رنگ‌های پلاستیکی

با اضافه کردن رزین های سنتزی نظیر رزین حاصل از فنل و فرمالدئید که خاصیت پلاستیکی دارد در روغن جلا رنگ های پلاستیکی حاصل می شود. این نوع رنگ ها به خاطر دوام و قابل شستشو بودن اهمیت و کاربردهای زیادی دارد.

رنگ‌های لعابی یا مات با اضافه کردن رنگ هایی نظیر TiO2 به روغن جلا آن را به صورت مات درآورده و بعد برای مات کردن هر نوع رنگی به کار می رود .

 رنگ اتومبیل

این نوع رنگ ها باید این ویژگی را داشته باشند که به سرعت در هوا خشک شوند. برای این منظور رنگ دانه را در حلال های آلی بسیار فرار نظیر استات آمیل ، استات اتیل یا استات بوتیل حل می کنند . برای رنگ‌های متالیک ( فلزی ) از رنگ دانه های فلزی استفاده می شود .

Composite bio material

اگر چه استفاده از مواد فلزی پر مدول برای نگهداری و محکم ساختن استخوان های داخلی موفقیت آمیز بوده است زمینه برای توسعه مواد پلیمری غیر جاذب در این خصوص وجود دارد . یک گروه از کامپوزیت ها که تا کنون بررسی شده است کامپوزیت های بر پایه پلی استر ها یا پلی ارتو استرهای تقویت شده با الیاف آلی یا کلسیم یا کلسیم / سدیم می باشد . به عنوان مثال Poly – L - Lactide تقویت شده با الیاف پلی گلیلولید افزایش زیادی در استحکام و صلبیت نشان می دهد . مثال دیگر کامپوزیت پلی لاکتیک تقویت شده با الیاف غیر آلی کلسیم فسفات می باشد . لازم به ذکر است استفاده از این مواد هنوز در مرحله توسعه می باشد .

2-1-1 ترمیم استخوان شکسته

استخوان از آنجا که خواصش تابع جهات می باشد یک ماده آن ایزوتروپیک به شمار می رود . استخوان کلا در کشش و برش بویژه در امتداد صفحه طولی ضعیف است . تحت بارگذاری اضافی یا ضربه استخوان می شکند , بسته به اندازه ترک , جهت , مرفولوژی و محل ترک انواع شکست را در استخوان خواهیم داشت .
شکست های استخوان به طرق گوناگونی تحت عمل و مداوا قرار می کیرند که این روش ها را می توان به دو نوع فیکسالسیون ( تثبیت ) داخلی و خارجی دسته بندی نمود .
در فیکسالسیون خارجی به واز کرذن محل شکست نیازی نیست در صورتیکه در فیکسالسیون داخلی به این عمل نیاز می باشد . در فیکسالسیون خارجی قطعات استخوان به کمک وسایل گونگون نظیر نوارها و قالبها یا بریسها و سایر سیستمهای تثبیت کننده خارجی در کنار هم نگه داشت .مواد قالبی یا بانداژهای پلاستری در ساخت نوارها , قالب ها یا بریس ها مورد استفاده قرار می گیرند . 

امروزه محققان به منظور استخوان سازی بهتر پیچهای کامپوزیتی از جنس کربن / C4 و CF/PEEK نیز تولیدنموده اند.به این ترتیب با بکارگیری پلیت ها و پیچهای کامپوزیتی پلیمری  , مشکل خوردگی که در پیچ و پلیت های فلزی دیده میشود دیگر وجود نخواهد داشت  علاوه بر این کاشت های فلزی ، تستهای پس از عمل که یا به کمک اشعه ایکس و یا بصورت روش های ترموگرافی کامپیوتری و تصویر برداری ، رزونانس مغناطیسی صورت می گیرند را بخاطر انعکاس امواج و ایجاد محصولات نامطلوب مشکل می سازند . برای رفع چنین مشکلاتی دو محقق با نام های برانتیگان و چیاتپا قفس هایی از جنس کامپوزیتهای CF/PEEK و CF/PS ساختند                                                                                                           

2-1-3- « جایگزینهای مفاصل » :

مفاصل به بدن و قسمت های مختلف آن امکان حرکت می دهند .
روش جراحی آزتوپلاستی یک روش جراحی مناسب برای تشخیص و تخفیف دردهای مفصلی می باشد . امروزه از آرتوپلاستی جایگزین کل مفصل بعنوان یک موفقیت بزرگ در جراحی ارتوپدیک یاد می شود . مشخص شده که در ساقه های فلزی شل شدگی پروتز و از کار افتادگی احتمالی می تواند از طریق طراحی دقیق تر پروتز و با استفاده از یک ماده با سفتی کمتر و با خواص مکانیک مشابه با استخوان کاهش می یابد . با این وجود و بخاطر نیاز به استحکام بالا در پروتز لگن ، مواد مناسب برای این کاشت ها بسیار محدود هستند . خوشبختانه کامپوزیتهای پلیمری پیشرفته می توانند استحکامی قابل مقایسه با فلزات را ایجاد کنند . در این راستا امروزه محققین ساقه های کامپوزیتی CF/C و CF/PC را عرضه نموده اند مشخص شده که در این کاشت ها به نسبت کاشتهای معمولی با سفتی بالا ، جوش خوردگی و اتصال سریع به استخوان وجود دارد .آنالیزهای الحان محدود و تست های INVITRO نشان داده اند که در مقایسه با ساخته های فلزی در ساقه های کامپوزیتی سطح مناسب تربی از تنش ها و دفرماسیون ایجاد می گردد .

-1-4- « کاربردهای دندانی » :

تمامی دندانها از دو بخش ساخته شدهاند ، تاج و ریشه ، که با لثه از هم متمایز می شوند . ریشه در یک حفره به نام آل دئولوس ، در استخوان هایی ماندیبولار ( فک پایین ) و ماگزیلاری ( فک بالا ) قرار می گیرد . دندان ها با یک لایه سطحی نازک از مینای دندان که به شدت مینرالی می باشد ( 190% پوشانده می شوند . نمک های کلسیم لایه مینا بصورت بلورهای ریزی در جهت عمود بر سطح چیده شده اند و عاج دندان را مورد حمایت قرار می دهند . عاج یک بافت تقریباً نرم می باشد که از یکسری لوله های ریز پر از مایعی که به داخل محفظه پالپ ( مغز دندان ) کشده می شوند ، برخوردار است . محفظه پالپ عصب را در خود دارد که این عصب در ادامه به ریشه مرکز دندان کشده می شود. مواد ترمیمی دندان همانطور که از نامش بر می آیاد برای پر کردن حفرات دندان ها و برخی اوقات پوشاندن بی رنگی ها یا تصحیح طرح و تنظیم شکل عیوب به کار می روند . آمالگام ، طلا ، آلومینا ، زیرکونیا ، رزین های اکرلیک و سیمان های لیلیکاتی متداولاً‌ برای ترمیم دندانهای پوسیده مورد استفاده قرار می گیرد . آمالگام و طلا عمدتاً در ترمیم دندانهای خلفی به کار می روند و بخاطر نازیبایی در دندانهای جلویی به کار نمی روند .

الکترو اکتیو پلیمرها (EAPs)

در دهه های اخیر، کشف و سنتز نوع جدیدی از پلیمرها که به الکترواکتیوپلیمرها (EAPs) موسومند و دارای خواص فیزیکی و شیمیایی جالبی هستند، توجه بسیاری از محققان را، به خصوص در زمینه های پزشکی، بیومواد، نانودارو و نانومواد، به خود جلب کرده است. اگرچه مواد دیگری از قبیل سرامیک های الکترواکتیو (EACs) دارای برخی از این خواص هستند، اما خصوصیاتی از قبیل سرعت پاسخ گویی سریعتر(نسبت به محرکهای الکتریکی و مکانیکی از قبیل اعمال ولتاژ و یا ایجاد فشار)، چگالی کمتر و حالت های ارتجاعی پیشرفته تر سبب شده EAPs در مقایسه با دیگر مواد الکترواکتیو کاربردهای وسیعتری پیدا کنند.

اگرچه عواملی از قبیل نیروهای پاسخ ضعیف(نیروهایی که پس از اعمال محرکهای الکتریکی و مکانیکی دریافت می کنیم) و مقاومت کم(نسبت به دیگر مواد الکترواکتیو، پلیمرها نمیتوانند تنشهای بزرگی را تحمل کنند) EAPs سبب محدودیت هایی در کاربرد آنها شده است، با این وجود، گزارشهای موفقیت آمیزی از کاربرد آنها در ساخت میله های هدایت کنندة جراحی، دست های ماشینی در مقیاس کوچک، جاروب کننده های گردوغبار، بازوهای رباتیک کوتاه و گیرنده ها منتشر شدهاست.

EAPs را براساس مکانیسم فعال سازی و تحریک آنها به دودسته «الکترونیکی» و «یونی» تقسیم می کنند. عموما میدان الکتریکی و نیروهای کولنی، سبب تحریک EAPs الکتریکی می شوند، در صورتی که برای EAPs یونی حرکت و انتشار یون از عوامل اولیه تحریک هستند

•        EAPهای الکتریکی:

§         پلیمرهای فروالکتریکی

هنگامی که کریستالهای مشخصی از قبیل کواترز، کهربا و... را در طول یک محور معین فشرده می کنیم و یا می کشیم (یک تنش ایجاد کنیم) یک ولتاژ بر روی سطح کریستال تولید می شود. به طور عکس، هنگامی که یک جریان الکتریسیته در چنین کریستالهایی جاری شود یک کشیدگی یا یک فشردگی در کریستال رخ می دهد. این پدیده به پیزو-الکتریکی موسوم است و برای اولین بار در سال 1880 کشف شد.

پلیوینیلیدینفلوراید (PVDF) و کوپلیمرهای آن از مهم ترین پلیمرهای فروالکتریکی مورد استفاده هستند.آنها شامل اندکی ترکیب کریستالی که در یک فاز غیرکریستالی قرار دارد، هستند. میدان های AC بزرگ سبب کشش الکترواستریکی(همان کشش یا فشردگی که در پدیده پیزو­الکتریکی به آن اشاره شد)   در حدود 2% (میزان کشش یا فشردگی) می شوند. P(VDF-T,FE) (یک کوپلیمرPVDF، پلی(وینیلیدین فلوراید-تری فلوئورواتیلن)) که در معرض تابش الکترون(تابش الکترون نیز همانند اعمال ولتاژ عمل می کند و کاهش فرکانس همانند افزایش ولتاژ می باشد.) قرار گرفته است در فرکانس های کمتر از یک کشش الکترواستریکی را به بزرگی 5% نشان می دهد.

EAPs فروالکتریکی می توانند در هوا، خلاء و آب و در یک بازة دمایی وسیع عمل کنند. لذا مواد بسیار مطلوبی برای تولید سنسورهای مکانیکی و الکتریکی هستند.

ادامه مطلب...

§         کاغذ الکترواستریکی

عموما، کاغذها از ترکیب ذرات و گروه های مجزا که اکثرا از الیاف طبیعی هستند و یک ساختار شبکه ای را شکل می دهند، تولید می شوند. برای مثال، یک لایه ورقه ای از نقره که دو تکه ورق نقره ای به وسیله الکترودهای نقره ای بر روی سطوح خارجی آن قرار گرفته اند را در نظر بگیرید. با اعمال ولتاژ الکتریکی بین الکترودها یک خمش را در صفحة نقره مشاهده می کنیم. حال اگر به جای صفحة نقره ای یک پلیمری الاستیک داشته باشیم که بتوان با اعمال ولتاژ در آن تنش ایجاد نمود، یک شرایط ایده آل برای تولید وسایلی داریم که اساس کار آنها تولید تنش است.

مزیت دیگر این مواد، سبک بودن و آسانی ساخت آنها می باشد. همچنین برای کاربرد در مواردی از قبیل جاذب های فعال صدا، بلندگوهای تاشو و وسایل کنترلی «هوشمند» مطلوب هستند.

§       الاستومرهای الکترو- ویسکوالاستیک

این مواد از ترکیبات الاستومرهای سیلیکونی در یک فاز قطبی هستند. در این دسته از پلیمرها میتوان با ایجاد میدان الکتریکی در خواص فیزیکی آنها تغییر ایجاد نمود، که مهمترین آن "ویسکو الاستیسیته" می باشد(رفتاری از ماده که به صورت ترکیبی از رفتار الاستیک و جریان کاملا ویسکوز در نظر گرفته میشود. برای توضیح این رفتار یک سیستم فنر و ضربهگیر تصور میشود. به این ترتیب که وقتی بر ماده تنش اعمال می­شود می تواند هر تغییر غیرقابل برگشتی را تحمل کند. در این حالت ماده به صورت موثری به عنوان یک جامد الاستیک رفتار میکند. رهایی از این تنش مو جب یک برگشت سریع به حالتی با کرنش کمتر خواهد شد.(مطابق پاسخ جز فنر) اما قسمتی از تغییر شکل ناشی از جریان ویسکوز ناپدید خواهد شد. به این ترتیب تنش کلی اعمال شده با گذشت زمان به وسیله جز فنر مصرف میشود.) با اعمال میدان الکتریکی مناسب ( <6) فاز قطبی در ماتریس الاستومر جهت گیری میکند و مو جب تغییر در مدول برشی میشود.

یک کاربرد پیش بینی شده برای این ترکیبات استفاده از آنها برای کاربرد به عنوان جاذب های اتلافی انرژی کنترل شده (damping) است.

•        EAPs یونی:

§   کامپوزیت های پلیمرهای یونی- فلز (IPMC):

این نوع EAPs، در پاسخ به یک فعال سازی الکتریکی، دچار خمیدگی می شوند. علت این امر حرکت کاتیون ها در شبکه پلیمری است. عمدتا دو نوع پلیمر نافیون (پرفلورو سولفونات محصول شرکت دوپونت*) و فلمیون (پرفلورو کربوکسیلات، محصول شرکت آساهی گلاس ژاپن) به عنوان پلیمر پایه برای تولید این کامپوزیت ها استفاده می شود. در یونومرهایی که به عنوان ماتریس استفاده میشود گروههای عاملی قابل یونیزه شدن( عموما سولفونات و کربوکسیلات) وجود دارد که تا 10 درصد واحد مونومری در پلیمر را تشکیل میدهند، و با یونهای فلزی نظیر سدیم یا روی خنثی میشوند. حضور این گروهها سبب استحکام مکانیکی و مقاومت شیمیایی بیشتر کامپوزیت میشوند. حضور یونها از یک جهت سبب ایجاد اتصال عرضی در شبکه میشود و از جهت دیگر به عنوان تقویت کننده عمل میکند و این دلیل دیگری برای استحکام مکانیکی کامپوزیت میباشد.

با اعمال میدان الکتریکی و حرکت کاتیونها در شبکه مولکولهای پلیمر ماتریس که دارای گروههای عاملی قابل یونیزه هستند، برای برقرار ساختن تعادل الکتریکی در شبکه مجبور به حرکت شده و یک خمیدگی را در کامپوزیت ایجاد میکنند.

برای برانگیختن کاتیون های شبکه IMPC و ایجاد یک خمیدگی نیاز به ولتاژهای پایین در محدود 1-10V و فرکانسهای پایین تر از 1Hz داریم.

§    پلیمرهای هادی (CP):

CPs از طریق جذب و دفع یون های مخالف که در یک چرخه اکسایش و کاهش رخ می دهد، فعال می شوند. در حقیقت وجود گروههای آزاد کننده الکترون(مانند باندهای مزدوج و فلزها و مولکولهایی نظیر ید) به عنوان عوامل هدایت الکتریکی عمل میکنند. همان طور که در یک سلول شیمیایی الکترونهای آزاد فلز به عنوان یک سیال عمل کرده، یعنی در قسمتی از فلز یون وارد(یا خارج) شده و از قسمت دیگری خارج میشود. در این مواد هم، این گروهها به عنوان عامل حرکت یون عمل میکنند.

در طول واکنشهای اکسایش-کاهش، الکترودها (که عمدتا از پلی آنیلین که به HCl آغشته شدهاست ساخته میشوند) دچار تغییر حجم میشوند.

CPs در محدوده ولتاژ V5-1 فعال میشوند و میتوان با تغییر ولتاژ فعالیت آنها را کنترل نمود. با وجود این که این مواد می توانند به یک چگالی انرژی مکانیکی بالا (بالاتر از ) دست یابند، اما به علت ساختار مولکولی آنها(وجود پیوندهای مزدوج و حلقههای آروماتیک) و کمبود چرخش آزاد حول پیوندهای کربن-کربن بازده آنها در حدود 1% می باشد.

ترکیبات دیگری از قبیل پلی(پیرول)، پلی( اتیلندی اکسیتیوفین)، پلی(p- فنیل وینیل)، پلی(آنیلین) و پلی(تیوفین) هم از جمله پلیمرهای هادی هستند. بعضی از کاربردهایی که برای CPs گزارش شده اند بدین شرح هستند: جعبه های کوچکی که توانایی باز و بسته شدن دارند، میکروربات ها، وسایل جراحی، روبا ت های جراح که بر روی دیگر وسایل کوچک سوار می شوند.

§     نانوتیوب های کربنی (CNT)

در سال 1999، CNTs با خواص مکانیکی شبیه الماس و ساختار و شکل شبیه EAPs ظاهر شدند.

مکانیسم فعال سازی بدین ترتیب است که در یک محیط الکترولیتی، با تغییر طول باندهای پیوند از طریق تزریق بارهای الکتریکی که بر روی توازن بار یونی بین نانوتیوب و الکترولیت اثر می گذارد، انجام می شود. هر چه بار الکتریکی بیشتری به CNT تزریق شود، تغییر اندازة بیشتری دیده می شود.

به خاطر مقاومت مکانیکی CNTs و دست یابی به یک تغییرمکانی به وسیله محرک ها، این نوع از EAPs نسبت به دیگر اشکال EAPs می توانند بیشترین میزان کار را در یک چرخه انجام دهند و تنش های مکانیکی بزرگتری را ایجاد کنند.

ادامه مطلب...

•    کاربردها:

اگر چه هنوز کاربرد EAPs در مراحل اولیه و آزمایشگاهی است، اما کاربردهای آنها شامل ساخت قسمتهایی که توانایی تقلید کردن از نمو نه های طبیعی آنها در حشرات، حیوانات و حتی انسان را دارند. برای مثال ماهیچه های مصنوعی انسان، میله های هدایت کنندة جراحی، دست های ماشینی کوچک، جاروب کننده های گردوغبار، بازوهای روباتیک کوتاه، جعبه های کوچک، میکروروبات ها، وسایل جراحی و روبات های جراحی که بر روی دیگر وسایل کوچک سوار می شوند، از   نمونههای کاربرد این پلیمرها میباشند.

منابع: 1. Azom.com 2. شیمی پلیمر نیکلسون( ترجمه دکتر وحید حدادی اصل و ...)

ساختن یک بهشت از جنس پلیمر

چگونه می توان رابطه انسان را با طبیعت خوب کرد؟

این پرسشی بود که مدتها ذهن تی اسمیت، یک دانشمند و گیاه شناس انگلیسی را به خود مشغول کرده بود. وسرانجام پاسخ پرسشش را یافت.

پاسخ این بود:ساخت باغی جدید و بسیار عجیب که نظر همه مردم جهان را به خود جلب کند.کار ساخت این باغ اکتبر 1998 شروع شد و پس از 3 سال در مارس 2001 پروژه ساخت به اتمام رسید. نام این مجموعه دیدنی را که در 270 مایلی غرب لندن واقع شده است« بهشت عدن» گذاشتند.

این مجموعه با مساحتی بیش از 2000 هکتار؛ صد هزار گیاه شامل 5000 نوع مختلف از مناطق آب و هوایی گوناگون را در خود جای داده است.

فرم قطعاتی که این سازه با آنها ساخته شده است نوعی استیل لعابدار با لوله های گالوانیزه است . پوشش روی گلخانه که درون قابهای شش ضلعی با قطر 9متر قرار گرفته اند از جنس نوعی پلیمر به نام ETFE است که خواص جالبی دارد. این ماده می تواند روز گرما را بگیرد و در شب آن را پس بدهد. همچنین شفاف و قابل باز یافت است و حداقل 30 سال عمر می کند. هیچگونه گرد و غباری را هم جذب نمی کند و با وجود اینکه یک درصد شیشه وزن دارد بسیار محکم است به طوریکه اگر یک تیم فوتبال روی آن برود می تواند وزنشان را تحمل کند.

این پلیمر همچنین اشعه ماورا بنفشUV را که برای رشد گیاهان لازم است از خود عبور می دهد و نور آفتاب، خواص آن را تغییر نمی دهد. روی این فویلها لانه زنبور وچشم حشرات شبیه سازی شده است

هدف از ساخت این گلخانه نه تنها تحقیقات بلکه بازدید عموم و آموزش کودکان و والدین آنها برای رفتار صحیح با دوست قدیمی بشر، طبیعت و گیاهان است.

پیل سوختی با الکترولیت پلیمری(PEFC)

پیل‌های سوختی وسایل الکتروشیمیایی هستند که انرژی شیمیایی را مستقیماً به الکتریسیته و گرما تبدیل می‌کنند. در پیل سوختی پلیمری، از یک غشا پلیمری نازک به عنوان الکترولیت استفاده می‌شود. غشا پلیمری دارای رسانایی یونی است. الکترولیت جامد نسبت به الکترولیت‌های مایع دارای دانسیتة انرژی بالاتری است، همچنین میزان خوردگی در این نوع الکترولیت کمتر است. این نوع پیل سوختی در محدوده دمایی که آب بصورت مایع است کار می‌کند (زیر 100درجة سانتیگراد).

مهمترین مشکل پیل‌های سوختی قیمت بالای آنها می‌باشد. پیل‌های سوختی مزایایی دارند که کم و بیش برای همة انواع آن صادق است. این مزایا عبارتند از:

ü   بازدهی بالا: پیل‌های سوختی نسبت به موتورهای احتراق دارای بازدهی بالاتری می‌باشند.

ü   سادگی سیستم: ساختار پیل سوختی بسیار ساده است.

ü   آلایندگی کم: تنها ماده حاصل از و اکنش پیل، آب است.

ü آلودگی صوتی کم: پیل‌های سوختی بسیار آرام کار می‌کنند که برای سیستم‌های قابل حمل از اهمیت زیادی برخوردار است.

ü   طول عمر بسیار بالا.

ü   عدم وجود قطعات و قسمتهای متحرک در سیستم.

استفاده از پیل‌های سوختی در سیستم‌های ترکیب‌کننده نیرو و گرما (در اندازه‌های کوچک و بزرگ) میسر است. همچنین از آنها می‌توان در وسایط نقلیه، کامپیوترهای قابل حمل، گوشی‌های تلفن همراه و … استفاده کرد.

در حال حاضر بزرگترین صنعت فعال در زمینة پیل سوختی پلیمری، صنعت

خودروسازی می‌باشد. با توجه به کاهش میزان آلودگی در استفاده از سوخت هیدروژن به جای سوخت‌های فسیلی، استفاده از این پیل در وسایط نقلیه، بخصوص وسایط نقلیة عمومی نظیر اتوبوس‌ها،‌ ترن‌ها و … ارجحیت یافته است. با استفاده از این تکنولوژی، آلاینده‌هایی نظیر اکسید نیتروژن و یا گوگرد وجود نخواهد داشت. در واقع تنها عامل آلوده‌کننده در این تکنولوژی، دی‌اکسیدکربن است که بصورت محصول جانبی در فرآیند تولید هیدروژن از سوخت‌های هیدروکربنی حاصل می‌شود. می‌توان از پیل سوختی پلیمری برای تامین الکتریسیته و گرما در آپارتمان‌ها وخانه‌های شخصی نیز استفاده کرد. گوشیهای تلفن همراه میتواند از سایر زمینه­های کاربرد این پیل باشد.

در پیل سوختی پلیمری از هیدروژن یا گاز غنی از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌شود. اکسیژن خالص یا هوا، وابسته به نوع کاربرد پیل، به عنوان اکسید کننده مورد استفاده قرار می‌گیرد. مولکول‌های هیدروژن در آند (قطب مثبت) به پروتون و الکترون تبدیل شده و پروتون‌ها از طریق الکترولیت به کاتد (قطب منفی) منتقل می‌شوند. این در حالی است که الکترون‌ها از طریق یک جریان خارجی به کاتد منتقل میشوند. در کاتد اکسیژن، پروتون و الکترون‌ها با هم ترکیب شده، آب و حرارت تولید می‌شود(شکل1). آند و کاتد هر دو دارای کاتالیست‌هایی (از جنس پلاتینیم) هستند که فرآیندهای الکتروشیمیایی را تسریع می‌کنند. واکنش‌های اصلی پیل بصورت زیر است:

انرژی الکتریکی و حرارتی از طریق واکنش‌ کاتد حاصل می‌شود. انرژی گیبس واکنش بصورت انرژی الکتریکی ظاهر می‌شود و آنتالپی واکنش بصورت حرارت آزاد می‌گردد. در عمل، مقداری از انرژی گیبس نیز به حرارت تبدیل می‌شود.

یک پیل سوختی واحد، ولتاژ محدودی تولید می‌کند (کمتر از یک ولت). بنابراین برای دستیابی به ولتاژ مورد نیاز برای کاربردهای عملی، چند پیل واحد را بصورت سری به هم متصل می‌کنند تا یک مجموعه پیل سوختی بدست آید. اجزا سازنده یک پیل سوختی پلیمری در شکل 2 نشان داده شده است.

یکی از اجزای مهم هر پیل سوختی، الکترولیت آن می باشد که در مجاورت الکترودها و دیگر اجزای پیل، مورد استفاده قرار می گیرد. الکترولیت مورد استفاده در PEFC، از جنس پلیمر می باشد که این پلیمر همراه با رطوبتی که در خلل و فرج پلیمر وجود دارد، وظیفه انتقال پروتون از آند به کاتد را بر عهده دارد، ولی باید از عبور مولکول‌های هیدروژن و اکسیژن ممانعت نماید. غشا الکترولیت همچنین به عنوان یک عایق بین صفحات دو قطبی عمل می‌کند.

غشا الکترولیت (غشا رسانای پروتون)، پلیمری است که زنجیر اصلی آن تفلون بوده و شامل گروههای اسیدسولفونیک می‌باشد. گروههای اسیدی بر روی زنجیر پلیمر ثابت هستند، ولی پروتون‌ها می‌توانند آزادانه در غشا حرکت کنند. معمولترین غشا مورد استفاده نیفیون است. این غشا‌ برای اینکه رسانای پروتون باشد، بایستی مرطوب بماند. این مسئله دمای عملیاتی پیل پلیمری را در زیر نقطة جوش آب محدود می‌کند. به این ‌ترتیب آب به عنوان یک مسئلة حیاتی در سیستم پیل پلیمری مطرح می‌شود. در حال حاضر تحقیقات زیادی برای ساخت غشاهایی که بتوانند در دمای بالای 100 درجة سانتیگراد رسانایی داشته باشند، انجام می‌گیرد. همچنین رسانایی یونی غشا نسبت به ناخالصی‌های موجود در آن حساس است. مثلاً اگر غشا در معرض ترکیبات فلزی قرار گیرد، یون‌های فلز داخل غشا نفوذ کرده و جایگزین پروتون‌ها می‌شوند. به این‌ترتیب رسانایی غشا کاهش می‌یابد .

                انواع لاستیکها:

1-     لاستیکهای طبیعی (natural rubber)

2-     لاستیکهای  مصنوعی (synthetic rubber)

( لاستیک طبیعی )

گیاهان بیشماری از جمله قاصدک ، گوایل ، گل روبینه و توت آمریکایی به عنوان منبع لاستیک پیشنهاد شده بودند. ولی هیچ یک توفیق درخت شیرابه ساز هوآ برزیلینسیس و همچنین صمغ درخت ساپوریلا و درخت بالاتا را نداشته است. لاستیک طبیعی عمدتا در کشتزارهای مالزی ، اندونزی ، لیبریا و همساگیانثی تولید شد، احتمالا به این علت که آنها مشکل بیماری‌های قارچی و حشرات را که کشتزاهای بومی در آمریکا را تهدید می‌کرد نداشتند. حدود 7 سال زمان لازم است تا این درختان به سن باروری برسند و پس از آن به مدت چند سال بار می‌دهند. بهره باردهی در طول جنگ دوم افزایش یافت و در حال حاضر از کشف انواع اصلاح شده درخت ، بهره‌ای بیش از 3000 کیلوگرم در هکتار (در سال) بدست می‌آید.

ساختار لاستیک طبیعی

لاستیک طبیعی یا کائوچو ، سیس- 1 ، 4- پلی ایزوپرن است و مولکولهای آن بر اثر کشش ، بلوری می‌شوند، بدین ترتیب شکل مطلوبی از تقویت حاصل می‌شود. به عنوان پیش نیاز ساختاری ، مولکولهای لاستیکهای طبیعی و سنتزی باید طویل باشند. خاصیت مشخصه کشیدگی برگشت‌پذیر به دلیل ترتیب اتفاقی و کلافی زنجیرهای بلند بسپاری است. بر اثر کشش ، زنجیرها بهم می‌خورند ولی مثل یک فلز ، پس از رها کردن تنش به شکل کلافی خود بر می گردند. لاستیک طبیعی 6 تا 8 درصد مواد غیر پلاستیکی دارد و در برابر گرما اندوزی مقاومت زیادی نشان می‌دهد.

روش تهیه لاستیک طبیعی

برای بدست آوردن شیرابه ، پوست درخت را طوری برمی‌دارند که مایع در فنجانهای کوچکی جمع شود، فنجانها باید مرتبا جمع‌آوری شوند تا از گندیدگی یا آلودگی شیرابه جلوگیری شود. پس از آن شیرابه به محل جمع آوری برده می‌شود و در آنجا پس از صاف شدن با افزودن آمونیاک محافظت می‌شود. لاستیک از طریق فرآیندی موسوم به انعقاد جدا می‌شود. این کار با افزودن اسیدها یا نمکهای مختلف انجام می گیرد. در طی این عمل ، لاستیک به شکل یک توده سفید خمیری از مایع جدا می شود، و سپس از آن با استفاده از غلتک ورقه‌ای و در نهایت خشک می گردد.
روش جدیدتر این است که با استفاده تیغه‌های دوار یا اعمال برش بین دو غلتکی که با سرعت متفاوت می چرخند ، شیرابه منعقد شده را به دانه تبدیل می‌کنند. دانه‌ها سپس به مدت چند ساعت در خشک کن‌های مکانیکی خشک می‌شوند، این عمل در روش قدیمی که از هوا یا دود چوب برای خشک کردن استفاده می شد چندین روز به طول می‌انجامید. به هر صورت ورقه یا دانه خشک شده متراکم و از آن مدلهایی به وزن 33 کیلوگرم می سازند.
مقداری از لاستیک طبیعی بصورت شیرابه به بازار عرضه می‌شود. پیش از آنکه لاستیک را بتوان با انواع افزودنیهای لازم آمیزه کاری مثل دوده (به عنوان پرکن) گوگرد یا ترکیبات گوگردی ، تسریع کننده و ولکانش ، ضد اکسنده محافظ و روغن بر روی همان غلتکها یا مخلوط‌کن ممکن است به ارتفاع یک ساختمان دو طبقه باشد و در عین حال تنها مقدار کمی لاستیک را در یک زمان می‌توانند عمل آورند. یک نمونه مخلوط‌کن ممکن است به ارتفاع یک ساختمان دو طبقه باشد و در عین حال تنها بسته‌های 250 کیلوگرمی را جوابگو باشد. پس از اختلاط ، لاستیک با روزن رانی یا قالب گیری به شکل محصول دلخواه در می آید و بعد پخت می شود. و ولکانشی به یک پلیمر سخت شبکه‌ای می‌انجامد که با گرمادهی مجدد نرم و با ذوب نمی‌شود.

( لاستیک مصنوعی )

دو لاستیک صناعی که برای نخستین بار با موفقیت تجاری همراه بودند، یعنی نئوپرن و تیوکول، هر دو برحسب تصادف تولید شدند. کشف نئوپرن شبه بخت یارانه و کشف تیوکول بخت یارانه بود.

شیمیدانان با حرارت دادن لاستیک در شرایط تنظیم شده و شناسایی قطعاتی که از تجزیه آن به دست می آمد، مطالبی در باره ساختار مولکولی لاستیک آموختند. یکی از این قطعات ایزوپرن بود، که ترکیبی پنج کربنی با دو پیوند مضاعف است. در سال 1920 هرمان استاودینگر مقاله معروفی نوشت که در آن برای ساختار فراورده های طبیعی مهمی نظیر لاستیک، سلولوز، و پروتئین ها، و نیز برخی مواد صناعی که ویژگی های مشابهی داشتند، توجیهی ارائه شده بود. به نظر وی این مواد، که ظاهراً با ترکیبات آلی ساده تر تفاوت مرموزی داشتند، پلیمر بودند ( این کلمه از دو واژه یونانی پلی به معنای چندین و مروس به معنای پاره یا قطعه مشتق شده است). پلیمرها از مولکول های عظیمی تشکیل شده اند که در آنها واحدهای تکرارشونده با همان انواعی از پیوندهای شیمیای که در ترکیبات ساده تر دیده می شوند به هم متصل شده اند. به عنوان نمونه فرمول مولکول لاستیک چنین پیشنهاد شد:

فرض شد که تعداد زیادی واحد ایزوپرن " منومر" ( لغتاً به معنای " یک پاره" ) در درخت کائوچو طی واکنش های زیست شناختی به یکدیگر متصل می شوند و مولکول های پلیمری بزرگ لاستیک به دست می آید.

پس از آنکه این فرمول برای لاستیک طبیعی پیشنهاد شد، تلاشهای زیادی برای تهیه نوعی لاستیک صناعی که ساختار مولکول و خاصیت ارتجاعی لاستیک به دست آمده از درخت را داشته باشد انجام شد. ایزوپرن در معرض کاتالیزورهای مختلفی قرار گرفت تا معلوم شود آیا به شکل چیزی مثل لاستیک پلیمریزه می شود یا نه. این تلاش ها به اندازه ای موفقیت آمیز بودند که مشخص شد نظریه استاد و دینگر صحیح است، اما جنبه های جزئیتر ساختار مولکولی ناشناخته بودند، تا سرانجام کارل زیگلر در 1953 کاتالیزورهای تنظیم کننده آرایش فضایی را کشف کرد ( در فصل 26 در باره این اکتشاف بخت یارانه توضیح داده شده است). معلوم شد که در لاستیک طبیعی آرایش واحدهای منومر ایزوپرن " تمام – سیس" است؛ این آرایش را می شد با کاتالیزورهای جدید در لاستیک صناعی تقلید کرد، در حالی که کاتالیزورهای قبلی باعث ایجاد آرایش اتفاقی واحدهای سیس و ترانس می شدند. تنها از این موقع بود که تولید لاستیک صناعی مقدور گردید، به نحوی که تقریباً نمی شد فرقی بین آن و همتای طبیعی اش گذاشت. امروز مهمترین عامل تعیین کننده استفاده از لاستیک طبیعی یا صناعی در ساخت تایر و تولیدات دیگر قیمت نفت است، که ماده اولیه لاستیک صناعی است.

دکتر و. س. کلکات، که در آزمایشگاه جکسون شرکت دوپون پژوهش می کرد، متوجه تحقیقاتی که پدر نیولند در دانشگاه نوتردام انجام داده بود شد. نیولند کشیشی کاتولیک، رئیس نوتردام و شیمیدان بود. او با انتشار نتایج تحقیقاتش نشان داد که استیلن، هیدروکربنی که فرمولH2 C2 را دارد، تحت شرایطی یک یا دوبار به خود اضافه می شود، و وینیل استیلن و دی وینیل استیلن، که مولکول هایی با فرمولC6H6,C4H4 هستند، ایجاد می کند. به عقیده کلکات ممکن بود این دیمرها و تریمرها آن قدر به واحد سازنده لاستیک طبیعی، یا ایزوپرن، شباهت داشته باشند که بتوان از آنها برای تهیه لاستیک صناعی استفاده کرد. عده ای از شیمیدانان زیر دست خود را در دوپون به این کار مشغول ساخت، اما موفقیتی نصیب شان نشد، بنابر این نزد والاس کارودرز رفت، که در ایستگاه آزمایشی دوپون که محل انجام مهمترین پژوهش ها در زمینه پلیمرها بود مقام سرگروهی داشت.

کارودرز به مسئله علاقه مند شد. از شیمیدانی به نام آرنولد کالینز که زیر نظرش کار می کرد خواست تا نمونه ای از مخلوط خامی را که به روش نیولند از استیلن به دست می آمد تخلیص کند. وقتی کالینز این کار را انجام داد توانست مقدار ناچیزی مایع جدا کند که به نظر می رسید نه وینیل استیلن باشد نه دی وینیل استیلن، و نیولند نیز آن را شرح نداده بود. اما آن را دور نریخت، بلکه در مدت تعطیلات آخر هفته بر میز کارش در کناری گذاشت. وقتی دوشنبه برگشت متوجه شد که مایع سفت شده است، و وقتی آنرا بررسی کرد، دریافت که حالتی لاستیکی پیدا کرده است، تا حدی که وقتی آن را روی میزش می انداخت، برمی گشت.

شاید بگویید این هیچ تصادف نبود، بلکه همان چیزی بود که کلکات انتظارش را می کشید یا حتی پیش بینی می کرد. اما وقتی این جامد لاستیکی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت، معلوم شد شکل پلیمری هیدروکربن استیلن نیست، بلکه در آن کلر وجود دارد، که کاملاً غیر مترقبه بود. ظاهراً این کلر ناشی از اسید کلریدریک (HCI) بود که در روش نیولند برای به دست آوردن دیمر و تریمر استیلن استفاده می شد، و به وینیل استیلن اضافه شده بود. محصولی که از این اضافه شدن به دست آمد به دلیل شباهتش به ایزوپرن، کلروپرن نام گرفت. تنها تفاوتی که وجود داشت این بود که در مولکول منومر آن، اتم کلر به جای یک گروه متیل ( واحدی مولکولی متشکل از یک اتم کربن متصل به سه اتم هیدروژن، یعنی CH3) قرار گرفته بود. این پلیمر یزاسیون خود به خودی کلروپرن در طی تعطیلات آخر هفته بر میزکالینز ایجاد جامد لاستیک مانندی کرده بود که شرکت دوپون نئوپرن نامید.

معلوم شد که این لاستیک صناعی جدید بر خلاف لاستیک طبیعی مقاومت زیادی در برابر نفت، بنزین واوزون دارد. همین ویژگی ها باعث شد دوپون آن را با وجود گرانتر بودنش در مقایسه با لاستیک طبیعی، در سال 1930 تولید و به بازار عرض کند. نئوپرن هنوز هم مفید و ارزشمند است؛ دوامش در کار بردهای سنگینی همچون شلنگهای صنعتی، پوشش کف کفش، درزگیری دور شیشه ، تسمه های انتقال نیروهای مکانیکی سنگین و پوشش کابل های برق، اثبات شده است. از کاربردهای تازه و جالب آن، استفاده از نئوپرن به عنوان ماده چسباننده کمربندهای چرمی دو لایه است: با این ماده می توان دو نوار چرمی سیاه و قهوه ای را بدون دوزندگی بطور دایمی به هم چسباند و کمربندهای دو رنگ قابل تعویض تولید کرد.

در سال 1924 ج . س . پاتریک تصمیم گرفت از مقادیر زیاد اتیلن و گاز کلر که محصول جانبی فرایندهای صنعتی بود، ماده مفیدی تهیه کند. از قبل می دانستندکه از ترکیب این دو ماده دی کلرید اتیلن به دست می آید؛ پاتریک مشغول آزمایش بر روی واکنش مواد مختلف با دی کلرید اتیلن بود، به این امید که اتیلن گلیکول، که محصول قابل فروشی بود، تولید شود. یکی از موادی که امتحان کرد پلی سولفید سدیم بود. واکنش این ماده با دی کلرید اتیلن موجب تولید مایع گلیکولی که به دنبال آن بود نشد، بلکه ماده ای نیمه جامد و لاستیکی به دست آمد. پاتریک بی درنگ به اهمیت بالقوه این جسم لاستیکی پیش بینی نشده پی برد، و طرح پژوهشی گسترده ای را آغاز کرد که پس از مدت کوتاهی به در خواست ثبت امتیاز و تاسیس شرکتی برای تولید این لاستیک صناعی جدید منجر شد.

شرکت شیمیایی تیوکول، که پاتریک رئیس آن بود، تیوکول A را در سال 1929 به بازار فرستاد. ساختار مولکولی آن با لاستیک طبیعی کاملاً تفاوت داشت، ولی در عین حال ارتجاعی بود. نسبت به لاستیک طبیعی یک برتری داشت و آن اینکه مثل نئوپرن در برابر مواد نفتی مقاوم بود. اما چندی نگذشت که عیب بزرگ آن معلوم شد: بوی گندی داشت!

شرکت تیوکول و دیگران لاستیک های پلی سولفید متعددی تولید کردند. در به کار گرفتن آنها از مقاومتشان در مقابل فراورده های نفتی و ویژگی های عایقکاری خوبشان نظیر درزگرفتن دور شیشه های اتومبیل و پوشاندن مخازن سوختی که در بالهای هواپیماها وجود دارند استفاده می شد. چون لاستیک های تیوکول را می شد در دمای پایین تثبیت کرد، مدتی از آنها به عنوان چسباننده و جزئی از سوخت های جامد موشک برای پرتاب ماهواره ها و سفینه های فضایی به مدار استفاده می شد.در سال 1982 شرکت نمک مورتون، شرکت تیوکول را خرید و تشکیل شرکت مورتون تیوکول را داد؛ هر دو شرکت قبل از ادغام در یکدیگر مواد شیمیایی تخصصی تولید کرده بودند و پس از ادغام نیز به کار خود ادامه دادند. شرکت مورتون تیوکول که از پیمانکاران عمده در ساخت شاتل فضایی نا فرجام چلنجر بود، دچار بدنامی زیادی شد. اما حلقه O شکلی که انفجار سفینه فضایی مزبور را به آن نسبت می دادند از لاستیک های صناعی پلی سولفید تیوکول نبود، بلکه آن را از ویتون، نوعی پلیمر ارتجاعی که از لحاظ شیمیایی بیشتر به تفلون شباهت دارد، تهیه کرده بودند.

بتن پلیمری

قرن بیستم را به حق باید قرن پلیمر ها نیز دانست ، محصولات پلیمری از لحاظ حجمی در سال 1990 بر حجم محصولات آهنی فایق آمد و پیش بینی می شود که در قرن حاضر ، از لحاظ وزن نیز بالاتر رود . صنایع ساختمان بزرگترین مصرف کننده موادّ پلیمری ، 25 تا 30 درصد از کلّ پلیمر ها را مصرف می کند .

یکی از مواردی که در ساختمان به وفور استفاده می شود بتن است . این مادّه به دلیل هزینه پایین تولید ، راحتی استفاده و استحکام فشاری ، یکی از موادّ پرمصرف در سازه هاست ولی به دلیل نقایصی که دارد ( نقایصی چون : 1 – تخریب یخ زدگی و ذوب 2 – تخریب پذیری توسّط موادّ شیمیایی خورنده 3 – استحکام کششی کم   4- دیرپخت بودن و …. ) همزمان با تولید این مادّه ، ترکیب آن با فولاد ( مسلّح کردن بتن )‌ و ایجاد خاصیّت تاب خمشی مطرح شد و از همان موقع ، استفاده از موادّ و ترکیبات شیمیایی ، برای بهبود خواصّ آن مورد توجّه قرار گرفت . حاصل تحقیقیاتی که در این زمینه صورت گرفت این نتیجه را در بر داشت که جایگزینی مناسبی ، با موادّ پلیمری انجام شده است و با به کارگیری آنها به روش های مختلف ، خواصّ بتن ارتقا می یابد . ( این تحقیقات بیشتر در ژاپن ، آمریکا و روسیه انجام شده است ) . در این رابطه خانواده بتن های پلیمری ، بهترین خاصیّت ها را از خود نشان دادند . خواصّ این نوع بتن ، برتر از بتن های سیمانی بود و گاهی خواصّ
منحصر به فردی از خود نشان می دهد . با توجّه به ‌نیاز بیشتر به استحکام در سازه ها و برتری های این نوع بتن ، بتن پلیمری مورد علاقه دانشمندان واقع شد و با وجود آنکه مدّت زیادی از اختراع آن نمی گذرد و علیرغم قیمت بالایی نیز که داراست مورد استقبال روزافزون قرار گرفته است . بتن های پلیمری از حدود سال 1950 وارد بازار شده اند و پیش بینی می شود در طیّ دهه پیش رو ، مصرفشان 10 برابر شود . کاربرد این نوع پلیمرها به دو شاخه استفاده جامد و استفاده غیر جامد تقسیم می شود .
در حالت جامد محصولات پلیمری به جای فولاد جایگزین می شوند و بتن را مسلّح می کنند که در این حالت ، پلیمر به صورت رشته ، شبکه و یا میلگرد در بتن استفاده می شود . در حالت غیر جامد با تزریق پلیمر های پودری و مایع ، در دوام بتن بهبود حاصل می شود .

در کشور ما کار خاصّی روی بتن پلیمری صورت نگرفته است و هنوز در سطح یک موضوع تحقیقاتی برای دانشجویان
باقی مانده است ، موضوعی که منابع تحقیق آن نیز غالباً خارجی هستند .

بتن های پلیمری ( Polymer Concrete )  حالت جامد :

اکثر موادّ و مصالح طبیعی به دلیل ناپیوستگی های سطحی و ترکیباتی که در خود دارند ، دارای مقاومت لازم برای تحمّل
تنش های زیاد نیستند و لازم است تا با موادّ دیگری مسلّح شوند . دانشمندان به دنبال موادّی هستند که در ضمن مسلّح کردن بتن ، دارای وزن کمتر ، مقاومت بیشتر در برابر عوامل جوّی ، رفتار بهتر در بارگذاری های متناوب باشد و بتواند مقاومت خود را در دماهای بالا مثل دمای کوره حفظ کند و …..از این قبیل.

 یکی از مشهورترین این مصالح ، کامپوزیت های پلیمری می باشند . اوّلین باری که کامپوزیت ها در بنا استفاده شد در زمان جنگ جهانی دوّم بود . در آن زمان بر روی ساختمان هایی که باید رادار نصب می کردند ، استفاده از سازه های فلزّی و یا حتّی بتن آرمه ، مشکل ایجاد می کرد ، با مسلّح کردن بتن توسّط کامپوزیت های بتنی ، این مشکل برطرف شد . همچنین در همان بحبوحه جنگ بعضی از قسمت های هواپیماهای جنگی را از پلی استرهایی که با رشته های شیشه تقویت شده بودند
می ساختند .

در ساختمان های مسکونی از کامپوزیت هایی با فیبر شیشه ای یا پلی استر استفاده می شد . (‌ سازه کامپوزیتی GPR ) ، دو ساختمان استثنایی با سازه کامپوزیتی ساخته شده است که یکی سازه گنبدی شکل در بن غازی (‌ 1968 )‌ و دیگری سقف فرودگاه دبی ( 1972 )‌ است که تأثیر محسوسی بر استفاده از این نوع سازه ها داشته است .

اکثر این سازه ها دارای سازه اصلی بتن مسلّح بود و برای ساخت پانل ها از GPR (Glass Polymer Reinforced )  بهره می برد ، همانند سازه قوسی فضاکار زمین فوتبال شهر منچستر (‌1980 ) ، مهمّترین کاربردهای GPR به قرار زیر است :

1-    ساختمان هایی که تحت اثر خوردگی شدید هستند .

2-     سازه های پیشرفته رادارها .

3-    ساختمان هایی که کنترل کیفیّت آنها مهم است .

4-    ماهواره ها .

5-    آنتن های بزرگ .

پیش از بیان انواع بتن های پلیمری لازم است با فرآیند پلیمریزاسیون بیشتر آشنا شویم :  

پلیمریزه شدن : از اتّصال واحد های مونومر به یکدیگر ، رشته یا شبکه های مولکولی سطحی یا فضایی
 تشکیل می شود که دارای وزن مولکولی بالایی هستند و به آنها پلی مر می گویند ، این فرآیند را پلیمریزه شدن می گویند .

انواع بتن های پلیمری بدین قرارند :

1- بتن های باردار شده توسّط پلیمر ( PIC ) : شامل بتن پورتلند پیش ریخته شده است که توسّط یک سیستم مونومری باردار گردیده است (‌ آماده واکنش است )‌ و متعاقباً در محلّ ، پلیمریزه می شود .

2-    بتن های پلیمر – سیمان (PCC)  : شامل یک مونومر است که به مخلوط آبی بتن تازه افزوده می شود و متعاقباً در محلّ، پلیمریزه می شود .

3- بتن های پلیمری (PC) : شامل یک سیستم مخلوط از سنگریزه  ( Aggregate ) و پرکننده ( Filler )   در مونومر می باشد که متعاقباً در محلّ ، پلیمریزه می شود .

4-    بتن های پلیمر – گوگرد  (PSC ) : شامل یک سیستم مخلوط از بتن های گوگردی است که توسّط پلیمر ها اصلاح خواصّ پیدا کرده باشد .

نحوه تولید بتن پلیمری (‌حالت غیر جامد ) :

بتن های پلیمری از 80 تا 95 درصد پرکننده های معدنی و گاهی آلی تشکیل شده اند و حدود 5 تا 20 درصد بایندر پلیمری نیز

بتن را نگاه می دارد ( بایندر  ( Binder )  به معنای پیوند دهنده یا متّصل کننده است و منظور همان محلول مونومر است که پس از فرآیند پلیمریزاسیون بتن را نگاه می دارد ) ، خواصّ بتن های پلیمری برتر از بتن های سیمانی است .

با انتخاب : الف ) بایندر مناسب    ب) نوع و میزان مناسب پرکننده   ج ) به کار بردن افزودنی های مناسب

می توان طیف وسیعی از بتن های پلیمری را با خواصّ فیزیکی ، مکانیکی ، دینامیکی ، الکتریکی ، حرارتی ، شیمیایی ، تزئینی و … تهیّه کرد . در صورتیکه این طیف وسیع برای بتن های سیمانی وجود ندارد . از مجموعه موادّ رایج به عنوان بایندر پلیمری سه نوع رایج ترند که عبارتند از : 1 – اپوکسی ( Epoxy )    2- پلی استر    3 – پلی یورتان

از پرکننده های رایج نیز دو نوع رایج ترند که عبارتند از : 1 – سیلیس (Silica)    2- کربنات کلسیم

بر اساس آزمایش هایی از نوع برزیلی ، نتایج زیر حاصل شد :

1 – نمونه های بتن پلیمری با بایندر اپوکسی و پلی استر ، استحکاک بالاتری دارند .

2- نمونه های بتن پلیمری با بایندر پلی یورتان ، ازدیاد طول بسیار زیادی دارند . ( تعریف اپوکسی و …. در همین مقاله گفته خواهد شد . )

بایندر های پلیمری 90% کلّ قیمت بتن را شامل می شوند . با وجود این ، قیمت بتن های پلیمری ، بسیار کمتر از
پلاستیک هاست . انتخاب مناسب بایندر و پر کننده مناسب ، می تواند سبب هر یک از حالات زیر شود :

1 – بتن هایی با دی الکتریک بالا   2 – برعکس بتن هایی با هدایت الکتریکی بالا   3 – قطعاتی مناسب برای ایجاد خلاء و ..

تغییر خواصّ بتن پلیمری بر حسب تغییر پرکننده ها :

پرکننده ها از دو دسته تشکیل می شوند : 1- جزء زبر ( دانه بندی درشت )   2- جزء نرم ( دانه بندی ریز )

پرکننده های سبک وزن شامل سه دسته سنگ های رسی سبک ، پرلیت و سنگ پا  ( Pumice )  می شوند و پر کننده های سنگین شامل 4 دسته قطیر ، هماتیت ، ایلمنیت ، باریت می شوند .

از این موادّ برای تولید بتن های پلیمری با وزن مخصوص بین 640 تا 5200 کیلوگرم بر متر مکعّب می توان استفاده کرد . پرکننده های بسیار نرم برای کاهش حجم خالی بتن به کار برده می شود . مانند پودر سیلیس ، کربنات کلسیم ، خاکستر ، کائولین . میکا تالک ،‌تری هیدرات آلومینا ‌، سولفات کلسیم و سیمان پورتلند . پر کننده ها می توانند سبک باشند مانند
دانه های شیشه ای سوراخ دار ، سرامیک یا گلوله های پلاستیک .

با استفاده از پرکننده های هادی مثل کربن یا پودرهای فلزّی ، می توان بتن را از نظر الکتریکی رساناتر کرد ، افزودنی هایی مثل فیبرهای شیشه ای ،‌آلی و فلزّی برای اصلاح استحکام ضربه ای ، خمشی و همچنین برای کاهش پدیده انقباض ناشی از پخت به کار می رود . عوامل تر کننده باعث کاهش سطحی زیرین مایع و سهولت ترشدگی سطوح پرکننده می شود . جهت تأمین رنگ و همچنین گاهی اوقات به منظور پایداری در مقابل نور از رنگدانه ها استفاده می شود .

با افزودن لاتکس های  SBR  و اپوکسی به بتن معمولی به عنوان بتن سیمان پرتلند ، پلی مری استفاده شده است که باعث بهبود خواصّ‌مهندسی و پایایی بتن می شود و همچنین با افزودن رزین های پلی اسراسیترن و اپکسی به مصالح سنگی
به عنوان بتن پلیمری که در مورد رزین پلی اسراسیترن، خواصّ‌ مهندسی و پایایی بتن به طور چشمگیری بهبود می یابد .

آشنایی با انواع بایندرها :‌

رزین  ( Resin )  : به مادّه آلی جامد یا نیمه جامد یا شبه جامدی گفته می شود که اغلب دارای وزن مولکولی نامشخّص امّا بالایی بوده و وقتی در معرض تنش قرار می گیرد تمایل به جریان دارد .

اپوکسی : اپوکسی نوعی رزین است ، این نوع رزین دارای قطعاتی گرم و نرم است که با گرما آب می شوند .

رزین های اپوکسی : نوع مایع آن از چسبندگی خوبی به الیاف شیشه برخوردارند .

لاتکس : شیر آب محتوی مونومر که برای تولید پلی مر استفاده می شود .  ( SBR )

خواصّ رزین های اپوکسی :

1- مقاومت در برابر خوردگی (Corrosion ) بسیار زیاد .    2- زمان پخت کم .     3- زمان کم برای رسیدن به استحکام ساختمانی .        4 –چسبندگی خیلی خوب به سطوح فلزّی .              5- مقاومت سایشی  ( Abrasion Resistance )  بالا.      6 – استحکام مکانیکی بالا .                                                              7 – مقاومت در برابر موادّ شیمیایی مخرّب .

 8 – چروکیدگی ( Shrinkage )  کم در حین پخت .        9- عدم تولید محصولات فرّار جانبی در واکنش پخته شدن .

10 – حفظ خواصّ و سازگاری حرارتی با فولاد در محدوده دمایی 30 تا 70 درجه سانتیگراد .

رزین اپوکسی مایعی است بی رنگ ، ‌متمایل به زرد ، فرّار و سمّی که در دمای اتاق بخار می شود .