پلی‌ایزوپرن
پلی‌ایزوپرن نامی جمعی برای پلیمرهایی است که با پلیمریزاسیون ایزوپرن تولید می‌شوند. در اصل، چهار ایزومر مختلف می‌توانند تشکیل شوند. سیس-1،4-پلی‌ایزوپرن، که به آن لاستیک ایزوپرن نیز گفته می‌شود ، ماده اصلی لاستیک طبیعی است. ترانس-1،4-پلی‌ایزوپرن یکی از مواد اصلی گوتاپرکا است. تولید سالانه پلی‌ایزوپرن در سراسر جهان 13000 کیلوتن در سال 2007 و 16 میلیون تن در سال 2020 بود.
اقوام مایایی و آزتکی (ساکنان باستانی مکزیک)، آن را از درخت هِوِآ به دست می آوردند و از آن برای ساخت چکمه های ضد آب استفاده می کردند. آنها همچنین این ماده را در ساخت توپ هایی به کار می بردند که از آنها برای یک بازی شبیه به بسکتبال استفاده می کردند. این پلیمر همان چیزی است که ما آن را الاستومر می نامیم؛ یعنی این ماده پس از کشیده شدن یا تغیر شکل، به شکل اولیه باز می گردد. معمولاً لاستیک طبیعی برای ایجاد اتصالات عرضی، تحت فرآیند قرار می گیرد تا به الاستومر بهتری تبدیل شود.
پلی‌ایزوپرن، یک پلیمر دی‌اِنی است، یعنی پلیمری است که از مونومری حاوی دو پیوند دوگانه‌ی کربن-کربن ساخته شده است. مانند اکثر پلیمرهای دی‌انی، این پلیمر نیز دارای یک پیوند دوگانه‌ی کربن-کربن در زنجیر اصلی است. پلی‌ایزوپرن را می‌توان از شیره‌ی درخت هوآ استخراج نمود، اما می‌توان از طریق پلیمریزاسیون زیگلر-ناتا نیز این ماده را تهیه نمود. این پلیمر، نمونه‌ای نادر از یک پلیمر طبیعی است که ما می‌توانیم آن را "تقریباً" به خوبی پلیمر به دست آمده از طبیعت، تولید کنیم.`
ایزوپرن هیدروکربنی نسبتاً رایج در محیط است. گیاهان ، جلبک ها ، باکتری ها و حیوانات قادر به سنتز و انتشار آن هستند ، حتی بیشترین قسمت بازدم را نیز تشکیل می دهند. توده های سبزیجات اصلی ترین تولید کننده و ساطع کننده ایزوپرن هستند و از آن در مکانیزم های مقاومت در برابر گرمای خارجی استفاده می کنند.
از نظر بیوشیمیایی ، ایزوپرن در واحد بیولوژیکی آن توسط ارگانیسم ها برای سنتز انواع مختلف ترپن ها مورد استفاده قرار می گیرد ، در این میان لانوسترول و اجزای تشکیل دهنده روغنهای اساسی برجسته هستند. به صورت ارگانیک ، برای سنتز لاستیک های مصنوعی و سایر پلیمرهای مرتبط استفاده می شود.
ساختار شیمیایی ایزوپرن را می توان به صورت CH2=C(CH3)—CH=CH2 نشان داد. پلی ایزوپرن - که از پیوند چندین مولکول ایزوپرن ساخته شده است - می تواند هر یک از چهار پیکربندی فضایی یا ایزومرهایی را به خود بگیرد که هر کدام مجموعه ای منحصر به فرد از خواص را به پلیمرها می بخشد.
این مولکول دارای یک هندسه مسطح است ، یعنی تمام اتمهای آن در یک صفحه قرار گرفته اند ، به جز هیدروژن های گروه -CH3 به کربن 2 متصل شده است. این هندسه به دلیل وجود اتم های کربن در ستون فقرات 1،3-بوتادین است که دارای هیبریداسیون sp است، در حالی که کربن -CH3 ترکیبی از sp است.
پلی ایزوپرن طبیعی و مصنوعی الاستومرهای ارزان قیمتی هستند که مقاومت خوبی در برابر خستگی دارند و بنابراین انتخابی عالی برای کاربردهای دینامیکی در دماهای پایین و محیط هستند. استحکام کششی، ازدیاد طول و مقاومت در برابر سایش لاستیک طبیعی در محدوده دمای کاری آن از -50 تا +100 درجه سانتیگراد عالی است. پلی ایزوپرن مصنوعی از نظر شیمیایی مشابه استحکام کمتری نسبت به لاستیک طبیعی دارد اما خواص بهتری در دمای پایین دارد. در کاربردهایی که سازگاری و فرآیندپذیری خوب مورد نیاز است، پلی ایزوپرن مصنوعی اغلب انتخاب بهتری است. از آنجایی که پلیمریزاسیون ایزوپرن تحت شرایط محدود کنترل شده انجام می شود، تنوع بسیار کمی در ترکیب، ساختار و خواص حاصل وجود دارد، در حالی که لاستیک طبیعی حاوی ناخالصی های طبیعی است و وزن مولکولی با شرایط رشد درخت لاستیک متفاوت است. هر دو تاثیر قابل توجهی بر خواص فیزیکی و قابلیت پردازش لاستیک دارند. به طور کلی، لاستیک مصنوعی مقاومت بالایی در برابر پیری و هوازدگی دارد و به دلیل ویسکوزیته کمتر پردازش آن آسان‌تر است. همچنین اغلب با لاستیک های دیگر مانند SBR و EPDM سازگارتر است.
لاستیک طبیعی و مصنوعی در ریزساختار متفاوت است. لاستیک طبیعی تقریباً به طور کامل از پلیمر cis-1،4 تشکیل شده است در حالی که ایزوپرن مصنوعی ترکیبی از پلیمر cis-1،4، trans-1،4 و 3،4 است. مقدار cis-1,4 معمولاً در محدوده 90 تا 98 درصد است. افزایش cis-1،4 معمولاً دمای انتقال شیشه را کاهش می دهد، کریستالینیتی را افزایش می دهد و استحکام مکانیکی را بهبود می بخشد. بنابراین استحکام کششی و مقاومت پارگی پلی ایزوپرن مصنوعی معمولاً تا حدودی کمتر از لاستیک طبیعی است.
اگرچه لاستیک طبیعی (NR) و پوییزوپرن (IR) را می توان با آب، مواد آلی قطبی (اسیدهای آلی، الکل ها، کتون ها) و برخی از اسیدهای رقیق و قلیایی استفاده کرد، الاستومرهای دیگر مانند EPDM برای این کاربردها ارجحیت دارند. ترکیبات لاستیکی ایزوپرن طبیعی و مصنوعی توسط حلال های غیر قطبی، سوخت ها و روغن های مبتنی بر نفت مورد حمله قرار می گیرند. آنها همچنین مقاومت حرارتی ضعیفی دارند و به دلیل وجود پیوندهای دوگانه در ستون فقرات پلیمری که مستعد تخریب حرارتی و اکسیداتیو هستند، مستعد حمله ازن هستند. تخریب عموماً از طریق بریدگی زنجیره رخ می دهد و باعث کاهش خواص مکانیکی می شود.
مولکول های ایزوپرن از طریق نیروهای پراکنده لاندن با یکدیگر در تعامل هستند ، که به دلیل جرم های مولکولی کم ، بسیار ضعیف هستند. با این حال ، آنها انسجام کافی برای وجود ایزوپرن به عنوان مایع فرار در شرایط عادی اعمال می کنند.
به عنوان واحدهای تکرار شونده پلی ایزوپرن، چهار ایزومر دارای ساختارهای زیر هستند:
از بین این چهار ایزومر، مهمترین آنها پلیمر cis-1،4 و پلیمر trans-1،4 است.
لاستیک طبیعی تقریباً به طور انحصاری از پلیمر cis-1،4 تشکیل شده است که در لاتکس شیری برخی از گیاهان - به ویژه درخت لاستیک (Hevea brasiliensis) تولید می شود. منحصر به فرد بودن لاستیک طبیعی در ویژگی های فیزیکی کشش پذیری و چقرمگی آن است که در توانایی آن در کشش مکرر تا هفت یا هشت برابر طول اولیه آن خلاصه می شود. در غیاب تنش کششی (کششی)، زنجیره های پلیمری آرایشی بی شکل یا نامنظم به خود می گیرند. با این حال، با کشیده شدن، مولکول ها به راحتی در یک آرایش کریستالی منظم قرار می گیرند. بلورینگی استحکام بیشتری به مواد می دهد، بنابراین لاستیک طبیعی به عنوان "خودتقویت کننده" در نظر گرفته می شود. اما در حالت طبیعی خود، لاستیک طبیعی تا حد زیادی تحت تأثیر دما قرار می گیرد: در هنگام خنک شدن متبلور می شود و تنها چند ساعت طول می کشد تا در دمای 25- درجه سانتی گراد (13- درجه فارنهایت) این کار را انجام دهد، و در بالای 50 درجه سانتی گراد چسبنده و غیر کشسان می شود. 120 درجه فارنهایت). علاوه بر این، توسط روغن‌های هیدروکربنی متورم و ضعیف می‌شود و با اکسیژن و ازن موجود در اتمسفر واکنش نشان می‌دهد که منجر به پارگی مولکول‌های پلیمر در پیوندهای دوگانه کربن-کربن و نرم شدن و ترک خوردن مواد در طول زمان می‌شود. این معایب تا حد زیادی با پیوند متقابل زنجیره های پلیمری از طریق فرآیندی به نام ولکانیزاسیون برطرف می شود.
لاستیک ایزوپرن (IR) با پلیمریزاسیون ایزوپرن مصنوعی، که از ترک خوردگی حرارتی بخش نفتای نفت به دست می آید، تولید می شود. پلیمریزاسیون در محلول با استفاده از کاتالیزورهای آنیونی و زیگلر-ناتا انجام می شود. این محصول حداکثر 98 درصد سیس-1،4 پلی ایزوپرن است و ساختار آن از جهات دیگر به اندازه لاستیک طبیعی منظم نیست. در نتیجه، به آسانی مواد طبیعی متبلور نمی شود، و در حالت خام (بدون ولکانیزاسیون) قوی یا چسبنده نیست. با این حال، از همه جهات دیگر، لاستیک ایزوپرن جایگزین کاملی برای لاستیک طبیعی است. برای هر دو ماده، استفاده اصلی در تایرها است، اگرچه این الاستومرها نیز به دلیل مقاومت در برابر خستگی و انعطاف پذیری بالا، برای فنرها و پایه های لاستیکی ترجیح داده می شوند. کفش یک کاربرد مهم است و لاستیک طبیعی هنوز در چسب ها (مانند سیمان لاستیکی) استفاده می شود.
پلی ایزوپرن Trans-1،4 ایزومر غالب در گوتاپرکا و بالاتا است، دو ماده ای که مانند لاستیک طبیعی از ترشحات شیری درختان خاص به دست می آیند. با این حال، بر خلاف پلیمر cis-1،4، پلیمر ترانس-1،4 بسیار کریستالی است، بنابراین بالاتا و گوتاپرکا مواد سخت، سخت و چرمی هستند - خواصی که در قرن نوزدهم منجر به استفاده از آنها به عنوان روکش شد. کابل های زیر آب و توپ گلف. پلیمر ترانس 1،4 را می‌توان با کاتالیزورهای زیگلر-ناتا نیز سنتز کرد و یک بالاتای مصنوعی با خواص مشابه به دست آورد که در پوشش‌های توپ گلف و همچنین در دستگاه‌های ارتوپدی مانند آتل‌ها و بریس‌ها استفاده می‌شود.
این مولکول دارای یک هندسه مسطح است ، یعنی تمام اتمهای آن در یک صفحه قرار گرفته اند ، به جز هیدروژن های گروه -CH3 به کربن 2 متصل شده است. این هندسه به دلیل وجود اتم های کربن در ستون فقرات 1،3-بوتادین است که دارای هیبریداسیون sp است، در حالی که کربن -CH3 ترکیبی از sp است.
مولکول های ایزوپرن از طریق نیروهای پراکنده لاندن با یکدیگر در تعامل هستند ، که به دلیل جرم های مولکولی کم ، بسیار ضعیف هستند. با این حال ، آنها انسجام کافی برای وجود ایزوپرن به عنوان مایع فرار در شرایط عادی اعمال می کنند.
لاستیک ایزوپرن به دلیل استحکام فوق العاده و مجموعه فشرده سازی عالی، ماده ترجیحی برای بسیاری از کاربردهای مهندسی است. کاربردهای معمولی شامل پایه‌های ضد لرزش، کوپلینگ‌های محرک، لاستیک‌ها، فنرها، بلبرینگ‌ها، نوارهای لاستیکی و چسب‌ها است.
گوتا پرکای طبیعی و ترانس 1،4-پلی‌ایزوپرن سنتز شده برای توپ‌های گلف استفاده می‌شود. لاستیک طبیعی و سیس-1،4-پلی‌ایزوپرن سنتزی برای الاستومر استفاده می‌شود.
کاندوم‌های پلی‌ایزوپرنی جایگزینی برای کاندوم‌های سنتی لاتکس هستند.