هندسة البوليمرات

يشير مصطلح اللدائن الحرارية إلى البلاستيك الذي يتميز بخاصية التليين بالحرارة والتصلب بالتبريد. معظم أنواع البلاستيك التي نستخدمها في حياتنا اليومية تندرج ضمن هذه الفئة. تصبح هذه اللدائن لينة ومتجانسة التدفق عند تسخينها، وتتصلب عند تبريدها. هذه العملية قابلة للانعكاس والتكرار. تتميز اللدائن الحرارية بمعامل شد منخفض نسبيًا ، بالإضافة إلى انخفاض كثافتها وخصائص أخرى كالشفافية، مما يجعلها مثالية للمنتجات الاستهلاكية والطبية . تشمل هذه اللدائن البولي إيثيلين ، والبولي بروبيلين ، والنايلون ، وراتنج الأسيتال ، والبولي كربونات، والبولي إيثيلين تيريفثالات ( PET) ، وجميعها مواد شائعة الاستخدام. ^{[ 5 ]}

يشير مصطلح "المطاط الصناعي" عمومًا إلى مادة يمكن استعادتها إلى حالتها الأصلية بعد زوال قوة خارجية، بينما لا تُعتبر المادة المرنة بالضرورة مطاطًا صناعيًا. يتشوه المطاط الصناعي فقط تحت تأثير إجهاد ضعيف، ويمكن استعادة المادة البوليمرية بسرعة إلى حالة وحجم قريبين من حالتها الأصلية. المطاط الصناعي بوليمرات ذات معامل مرونة منخفض جدًا، وتُظهر تمددًا عكسيًا عند تعرضها للإجهاد، وهي خاصية قيّمة لامتصاص الاهتزازات وتخميدها. قد يكون المطاط الصناعي حراريًا (وفي هذه الحالة يُعرف باسم المطاط الصناعي الحراري ) أو متشابكًا، كما هو الحال في معظم منتجات المطاط التقليدية مثل الإطارات . تشمل أنواع المطاط الشائعة الاستخدام المطاط الطبيعي ، ومطاط النتريل ، والبولي كلوروبرين ، والبولي بوتادين ، والستايرين بوتادين ، والمطاط المفلور.

تُستخدم الراتنجات المتصلبة حراريًا كمكون رئيسي، ويتشكل البلاستيك المستخدم في المنتج النهائي من خلال عملية معالجة بالتشابك مع إضافة مواد مضافة ضرورية. يكون البلاستيك سائلًا في المراحل الأولى من التصنيع أو التشكيل، ويصبح غير قابل للذوبان والانصهار بعد المعالجة، ولا يمكن صهره أو تليينه مرة أخرى. من أنواع البلاستيك المتصلب حراريًا الشائعة: البلاستيك الفينولي، والبلاستيك الإيبوكسي، والأمينوبلاست، والبوليسترات غير المشبعة، والبلاستيك الألكيد، وغيرها. يشكل البلاستيك المتصلب حراريًا والبلاستيك الحراري معًا المكونين الرئيسيين للبلاستيك الصناعي. يُقسم البلاستيك المتصلب حراريًا إلى نوعين: نوع التشابك بالفورمالديهايد، وأنواع التشابك الأخرى.

تشمل المواد المتصلبة حرارياً الراتنجات الفينولية والبوليسترات وراتنجات الإيبوكسي ، وتُستخدم جميعها على نطاق واسع في المواد المركبة عند تدعيمها بألياف صلبة مثل الألياف الزجاجية والأراميدات . ولأن التشابك يُثبّت مصفوفة البوليمر المتصلب حرارياً لهذه المواد، فإن خصائصها الفيزيائية تُشابه إلى حد كبير خصائص المواد الهندسية التقليدية كالصلب . ومع ذلك، فإن كثافتها المنخفضة للغاية مقارنةً بالمعادن تجعلها مثالية للهياكل خفيفة الوزن. إضافةً إلى ذلك، فهي أقل عرضةً للإجهاد ، مما يجعلها مثالية للأجزاء الحساسة للسلامة التي تتعرض للإجهاد بشكل منتظم أثناء التشغيل.

البلاستيك مركب بوليمري يُبلمر عن طريق بلمرة الإضافة والتكثيف . يتميز البلاستيك بقدرته على تغيير تركيبه وشكله. يتكون من راتنجات صناعية وحشوات، وملدنات، ومثبتات، ومواد تشحيم، وملونات، ومواد مضافة أخرى. ^{[ 6 ]} المكون الرئيسي للبلاستيك هو الراتنج . يشير مصطلح "الراتنج " إلى أن المركب البوليمري لم يُضف إليه أي مواد مضافة. سُمي البلاستيك بهذا الاسم نسبةً إلى إفراز الزيوت من النباتات والحيوانات، مثل الصمغ الراتنجي والشيلاك . يشكل الراتنج ما يقارب 40% إلى 100% من الوزن الإجمالي للبلاستيك. تتحدد الخصائص الأساسية للبلاستيك بشكل رئيسي بطبيعة الراتنج، ولكن للمواد المضافة دور هام أيضًا. بعض أنواع البلاستيك مصنوعة أساسًا من راتنجات صناعية، مع أو بدون مواد مضافة مثل البليكسي جلاس والبوليسترين ، وغيرها. ^{[ 7 ]}

يشير مصطلح الألياف إلى خيوط متصلة أو متقطعة من مادة واحدة. تلعب الألياف الحيوانية والنباتية دورًا هامًا في الحفاظ على الأنسجة. تُستخدم الألياف على نطاق واسع، ويمكن نسجها لتكوين خيوط متينة، وأطراف خيوط، وحبال قنب. كما يمكن نسجها لتكوين طبقات ليفية عند صناعة الورق أو اللباد. وتُستخدم أيضًا بشكل شائع في صناعة مواد أخرى مع مواد أخرى لتكوين مواد مركبة. لذلك، سواء كانت الألياف طبيعية أو صناعية، فهي مواد خيطية. في الحياة المعاصرة، أصبح استخدام الألياف واسع الانتشار، وهناك العديد من المنتجات عالية التقنية التي تدخل في تركيبها. ^{[ 8 ]}

يشير مصطلح المطاط إلى مواد بوليمرية عالية المرونة وقابلة للتشكيل العكسي. يتميز المطاط بمرونته في درجة حرارة الغرفة، ويمكن تشكيله بقوة خارجية طفيفة. وبعد زوال هذه القوة، يعود إلى حالته الأصلية. المطاط بوليمر غير متبلور تمامًا ، ذو درجة حرارة انتقال زجاجي منخفضة ووزن جزيئي كبير، غالبًا ما يتجاوز مئات الآلاف. تُصنف مركبات البوليمر عالية المرونة إلى مطاط طبيعي ومطاط صناعي. يُستخلص المطاط الطبيعي من النباتات، مثل مطاط الصمغ ومطاط العشب، بينما يُصنع المطاط الصناعي من بلمرة مونومرات مختلفة. يُستخدم المطاط كمواد مرنة، عازلة، مانعة لتسرب الماء، ومقاومة للهواء.

يمكن تصنيف أنواع البولي إيثيلين الشائعة الاستخدام إلى بولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE)، وبولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE)، وبولي إيثيلين منخفض الكثافة الخطي (LLDPE). يتميز البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) بخصائص حرارية وكهربائية وميكانيكية أفضل، بينما يتميز كل من البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE) والبولي إيثيلين منخفض الكثافة الخطي (LLDPE) بمرونة ومقاومة للصدمات وقدرة على تشكيل الأغشية. يُستخدم البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE) والبولي إيثيلين منخفض الكثافة الخطي (LLDPE) بشكل أساسي في صناعة الأكياس البلاستيكية، وأغلفة التغليف البلاستيكية، والزجاجات، والأنابيب، والحاويات؛ أما البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) فيُستخدم على نطاق واسع في مجالات متنوعة مثل الأغشية، وخطوط الأنابيب، والسلع الاستهلاكية اليومية نظرًا لمقاومته للعديد من المذيبات المختلفة. ^{[ 9 ]}

يُستخدم البولي بروبيلين على نطاق واسع في تطبيقات متنوعة نظرًا لمقاومته الكيميائية الجيدة وقابليته للحام. وهو يتميز بأقل كثافة بين أنواع البلاستيك الشائعة. ويُستخدم عادةً في تطبيقات التعبئة والتغليف، والسلع الاستهلاكية، والتطبيقات الآلية، والتطبيقات الطبية. كما تُستخدم ألواح البولي بروبيلين على نطاق واسع في القطاع الصناعي لإنتاج خزانات الأحماض والمواد الكيميائية، والألواح، والأنابيب، وعبوات النقل القابلة لإعادة الاستخدام، وغيرها، وذلك بفضل خصائصه مثل قوة الشد العالية، ومقاومة درجات الحرارة المرتفعة، ومقاومة التآكل. ^{[ 10 ]}

تُستخدم المواد المركبة عادةً في هياكل الطائرات والسيارات ، بالإضافة إلى منتجات أخرى أكثر شيوعًا مثل صنارات الصيد والدراجات . كانت قاذفة الشبح أول طائرة مصنوعة بالكامل من المواد المركبة، لكن العديد من طائرات الركاب، مثل إيرباص وبوينغ 787 ، تستخدم نسبة متزايدة من المواد المركبة في هياكلها، مثل رغوة الميلامين المقاومة للماء . ^{[ 11 ]} تمنح الخصائص الفيزيائية المختلفة للمواد المركبة المصممين حرية أكبر في تشكيل الأجزاء، ولهذا السبب غالبًا ما تبدو المنتجات المركبة مختلفة عن المنتجات التقليدية. من ناحية أخرى، تبدو بعض المنتجات ، مثل أعمدة الدوران وشفرات دوارات المروحيات والمراوح، مطابقةً للمواد المعدنية الأولية نظرًا للاحتياجات الوظيفية الأساسية لهذه المكونات.

تُستخدم البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الطبية الحيوية والصيدلانية. وتُعتبر هذه البوليمرات واعدة جدًا في أجهزة توصيل الأدوية المُتحكم بها. كما تُوفر البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي إمكانات كبيرة في إدارة الجروح، وأجهزة تقويم العظام ، وتطبيقات طب الأسنان، وهندسة الأنسجة . وعلى عكس البوليمرات غير القابلة للتحلل الحيوي، فإنها لا تتطلب خطوة ثانية للتخلص منها من الجسم. إذ تتحلل البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي ويتم امتصاصها من قِبل الجسم بعد انتهاء وظيفتها. ومنذ عام 1960، وجدت البوليمرات المُحضرة من حمض الجليكوليك وحمض اللاكتيك استخدامات متعددة في الصناعة الطبية. وتُعد بولي لاكتات (PLAs) شائعة الاستخدام في أنظمة توصيل الأدوية نظرًا لسرعة تحللها وإمكانية التحكم في معدل تحللها. ^{[ 12 ]}

تُستخدم تقنيات الأغشية بنجاح في فصل السوائل والغازات منذ سنوات، وتُعدّ الأغشية البوليمرية الأكثر شيوعًا نظرًا لانخفاض تكلفة إنتاجها وسهولة تعديل سطحها، مما يجعلها مناسبة لعمليات فصل متنوعة. تُسهم البوليمرات في العديد من المجالات، بما في ذلك فصل المركبات النشطة بيولوجيًا، وأغشية تبادل البروتونات لخلايا الوقود ، وأغشية العزل لعملية احتجاز ثاني أكسيد الكربون.