مقدمة فى كيمياء البلمرات

2. مقدمة فى كيمياء البلمرات • عدد الساعات المعتمدة:3: 2(نظري) + 3 عملي

3. الأهداف • تعريف الطالب بالخطوط العريضة لكيمياء و تكنولوجيا البوليمرات و المبادئ الاساسية لعملية البلمرة و الظروف التقنية المتبعة في عمليات البلمرة و كذلك خصائص البوليمرات الفيزيائية و الكيميائية و الحرارية.

4. الهدف :تعريف البوليمرات ((polymersو تصنيفها ودراسة ميكانيكية البلمرة • يعتبر علم البوليمرات من العلوم الحديثة (1920) • ان كلمة بوليمر عبارة عن كلمة لاتينية تتكون من مقطعين : بولي (Poly)=متعدد ومير (Mer) جزء , أي انها مركبات عديدة الاجزاء وهى تسمى فى بعض الاحيان بالجزئ العملاق. ان جزيئة البوليمر عبارة عن جزيئة كبيرة تتكون من جزيئات صغيرة مرتبطة مع بعضها البعض باواصر كيميائية

5. تعريفات اساسية • 1-المونيمر Monomer • جزيئات بسيطة تبنى منها جزيئة البوليمر (احادي الجزيئة ) • 2-عملية البلمرة (polymerization) • عمليات اتحاد جزيئات المونيمر لتكوين جزيئة البوليمر

6. polystyrene

7. ٣) الوحدة التركيبية المتكررة Structural repeating Unit • تتكون سلسلة البوليمرات من وحدات متكررة (توضع بين قوسين) قد تكون مكافئة لجزيئة المونيمر او تنقصها ذرة او ذرتين • ٤) درجة البلمرة((Degree of Polymerization • يرمز لها بالرمز(DP)وهي تمثل عدد الوحدات التركيبية في سلسلة البوليمر (n), كلما ازدادت قيمتها دل ذلك على كبر الوزن الجزيئي للبوليمر

8. الوزن الجزيئي للبوليمر = X Dpالوزن الجزيئي للوحدة المتكررة 5-معدود الجزيئات(oligomer): عبارة عن بوليمرات قليلة الوزن الجزيئي

9. تصنيف البوليمرات • تصنف البوليمرات من حيث مصادرها الى ثلاثة أصناف رئيسية • 1-البوليمرات الطبيعية وتنقسم هذه البوليمرات الى : • ا) بوليمرات من مصدر عضوي • عبارة عن منتجات طبيعية من مصدر حيواني او نباتي مثل : • السليلوز , النشا , الشعر , الجلود , القطن و المطاط الطبيعي • ب) بوليمرات من مصادر غير عضوية • مثل : الأسبستوس – الجرافيت – الزجاج.

10. 2) البوليمرات المحضرة صناعيًا (البوليمرات الصناعية • وتشمل البوليمرات التي يتم تحضيرها منمركبات كيميائية بسيطة و تشمل البلاستيك , المطاط الصناعي و الالياف الصناعية .وتنقسم الى : • ١) بوليمرات عضوية : مثل البولي ايثلين و البولي استر 2)بوليمرات غير عضوية :مثل البوليسليكون • 3) البوليمرات الطبيعية المحورة :يتم تحويرها من البوليمرات الطبيعية اما بتغيير تركيبها الكيميائي كادخال مجاميع جديدة ,بتغيير تركييب بعض المجاميع الفعالة الموجودة او بتطعيم بوليمر طبيعي على بوليمر صناعي مثل خلات السليلوز و نترات السليلوز

11. ثانيًا : التصنيف المعتمد على الطبيعة الكيميائية للبوليمر • تصنف البوليمرات على أساس كونها بوليمرات عضوية او غير عضوية الى ثلاثة أصناف رئيسية : • أ) البوليمرات العضوية • ب) البوليمرات غير العضوية (لا عضوية بحتة) : يدخل في تكوينها بعض العناصر غير العضوية مثل السيليكون , النتروجين , الفسفور و البورون. • ج) البوليمرات العضوية – غير العضوية : تشتمل وحداتها المتكررة على مجاميع عضوية و اخرى غير عضوية مثل

12. مثال اخر على البوليمرات العضوية –غير العضوية

13. ثالثًا : التصنيف التكنولوجي للبوليمرات • تصنيف البوليمرات وفقًا لخواص البوليمر الناتج بالنسبة لتأثره بعملية التسخين : • أ) البلاستيكات المطاوعة للحرارةThermoplastics : وهي مواد صلبة القوام عند درجات الحرارة العادية ولكنها تلين بالحرارة حتى تنصهر و تسيل برفع درجة الحرارة اكثر , وعند انخفاض درجة الحرارة اكثر ترجع الى حالتها الاعتيادية مثال عليها البولي ايثلين , و البولي استيرين . • ب) البوليمرات المتصلبة حراريًا (غير المطاوعة للحرارة)Thermosetting Polymers: • يشمل هذا النوع من البوليمرات التي لا تنصهر بالتسخين و لكن يساعد التسخين على ثباتها في شكلها النهائي (بوليمرات الثيرموسيت ) ,حيث تتشابك سلاسلها البوليمرية بفعل الحرارة مثال عليها راتنجات الفينول الفورمالدهيد , و اليوريا فورمالدهيد .

14. صفات البوليمرات المتصلبة حراريًا (غير المطاوعة للحرارة) • وتكون هذه البوليمرات : • 1- معقدة التركيب ومتشابكة الجزيئات • 2-وذات مقاومة عالية تجاه الحرارة (غير قابلة للانصهار بفعل الحرارة ) • 3-صلبة القوام و عديمة الذوبان في المذيبات الشائعة • 4- رديئة التوصيل للحرارة و الكهرباء لذلك تستخدم في صناعة الادوات و الاجهزة العازلة للحرارة و الكهرباء .

15. تحويل البلاستيكات المطاوعة للحرارةإلى بوليمرات غير مطاوعة للحرارة Elastomers ج) البوليمرات المرنة المطاطية تتميز بصفات معينة منها قدرتها على الاستطالة بالضغط , وقابليتها على الاستطالة و التقلص

16. د) الألياف Fibers • تشمل هذه البوليمرات الصالحة لصناعة الخيوط المستخدمة في صناعة الملابس والفرش • يتميز هذا الصنف من البوليمرات بمواصفات خاصة • 1- القوة و المتانة • 2- قابليتها على التبلور • 3-تكون درجة انتقالها الزجاجية عالية حتى تستطيع مقاومة ظروف الاستخدام كالغسل و الكوي . • 4-سلاسلها البلوليمرية تتميز بانها خطية غالبا • 5-يجب ان تكون القوي الجزيئية فيها عالية , لذلك يجب ان تحتوي سلاسل البوليمر على مجاميع مستقطبة قادرة على ربط سلاسل البوليمر مع بعضها . • 6- لها قابلية لتقبل الاصباغ و امتصاص الرطوبة

17. ومن أهم بوليمرات هذا الصنف • النايلون (البولي أميدات). البولي أسترات الخطية. • بولي (اكريلو نتريل) البولي بروبيلين وغيرها. • ه) اللواصق والمواد الطلائية Adhesive and Coatings • ان نوعية السطوح اللاصقة هي التي تحدد طبيعة البوليمر المناسب لالتصاقها : من امثلتها الصمغ العربي , النشا , المطاط الطبيعي

18. رابعًا : التصنيف المعتمد على الشكل البنائي لجزيئات البوليمر • أ) البوليمرات الخطية Linear Polymers • تكون الوحدات المتكررة مرتبطة بشكل خطي , لها قابلية على التبلور , ولها صفات ميكانيكية مرغوبة و من امثلتها البولي ايثلين عالي الكثافة . • ب) البوليمرات المتفرعة Branched Polymers • من امثلتها البولي ايثلين منخفض الكثافة • ج) البوليمرات المتشابكة (crosslinked polymers) • ازدياد درجة التشابك : • تقل الصفات المطاطية. • ترتفع درجة الإنصهار. • عندما تكون درجة التشابك عالية يصبح البوليمر غير قابل للانصهار وغير موصل للحرارة والكهرباء. • ومن الأمثلة على بوليمرات هذا الصنف : البوليمرات المتصلبة حراريا مثل : • مثل : • راتنجات اليوريا فورمالدهيد.و الفينول فورمالدهيد

19. متفرع خطى شبكه أنواع للبوليمرات

20. الاشكال الهندسية للبوليمرات المتفرعه

21. (a) star polymer (c)ladder polymer POLYMER CHEMISTRY F. Representation of polymer architectures • مشطيه • سلميه • شبه سلميه • نجميه

22. خامسًا : التصنيف المعتمد على تجانس البوليمرات • أ) البوليمرات المتجانسة Homopolymers)) • تتكون من نوع واحد من الوحدات المتكررة مثل بولي تيرفثالات الايثلين

23. ب) البوليمرات المشتركة (الكوبوليمرات) Copolymers تتكون من اكثر من نوع واحد من الوحدات المتكررة مثل مطاط استيرين بيوتا دايين (ٍٍٍٍ SB ) فإنه يتكون من نوعين من الوحدات التركيبية هي :

24. ج) البوليمرات المركبات تتكون من نوعين من المواد او اكثر وهي تكون عادة غير متجانسة وهي تتكون من اضافة بعض المواد الي البوليمرات المتجانسة وهناك أنواع مختلفة من المضافات ا-المالئات : تكون عادة مواد صلدة تعمل على زيادة صلادة البوليمر مثل الزجاج ,الرمل , الكربون الاسود ٢) الملدنات :عبارة عن سوائل ذات درجات غليان عالية تعمل عند اضافتها للبوليمرمن تقليل صلادتها وتزداد مرونتها وتنخفض درجة انتقالها الزجاجية ودرجة انصهارها 3)تكون بعض المضافات على هيئة اسلاك معدنية

25. د) المخاليط البوليمرية • يتكون هذا الصنف من البوليمرات من مزج نوعين او اكثر من البوليمرات مزجا فيزيائيا ,مثل مزيج من القطن و البولي استر .

26. العوامل التى تتوقف عليها صفات البوليمرات هي: • * تتميزالمركبات العضوية العادية بأنها عديمة التماسك ولاتتحمل الضغط • *اما البولمرات فتتميز ب: • المتانه • المقاومه والدوام • طويلة السلاسل كبيرة الحجم • متفرعه او متشابكه • لها المقدره على الإمتداد وملاء الفراغ • مقاومه للذوبان فى المذيبات • * كل ذلك يذيد من صلابتها 1-الوزن الجزيئي للبوليمر

27. الطرق المستخدمة فى تعيين الوزن الجزيئى للبوليمر تختلف السلاسل البوليمرية فى أطوالها و عدد الوحدات التركيبية فيها. و نجد فى نفس البوليمرسلاسل طويلة جداً و سلاسل أخرى قصيرة منخفضة الوزن الجزيئى. لهذا يعبر عن الوزن الجزيئى للبوليمر بأخذ معدل للأوزان الجزيئية لجميع السلاسل كالأتى: 1- المعدل العددى للوزن الجزيئى:

28. 2-

31. أمثلة: 1- احسب كلاً من المعدل العددى و المعدل الوزنى للوزن الجزيئى و كذلك نسبة توزيع الوزن الجزيئى لثلاث سلاسل بوليمرية متساوية الكسر المولى و أوزانها الجزيئية هى 50000 و 20000 و 10000 . 2- احسب كلاً من المعدل العددى و المعدل الوزنى للوزن الجزيئى و كذلك نسبة توزيع الوزن الجزيئى لثلاث سلاسل بوليمرية أوزانها الجزيئية هى 50000 و 20000 و 10000 و كسورها المولية هى على الترتيب 0.2 و 0.3 و 0.5 . 3- عند إذابة (5 جم) من البولى ايثيلين جليكول فى ماء مقطر و معايرة المحلول بمحلول هيدروكسيد صوديوم (0.1 M) استهلك (2 mL)من محلول هيدروكسيد الصوديوم. احسب الوزن الجزيئى للبوليمر.

32. 2- طبيعة السلسلة الجزيئية البوليمرية • وتتمثل فى • تركيب الوحدات المتكرره • هندستها • نوعيه المجاميع العضويه • الاواصر الكيميائيه • جميعها تؤثر فى الخواص الكيميائيه والفيزيائيه للبوليمر

33. 3- القوى الجزيئيه • تصنف إلى نوعين 1-القوة الضمنيه: intramolecular forces آى قوه تعمل ضمن الجزيئيات نفسها. • 2-القوى المؤثره بين الجزيئات: intermolecular forces • آى قوه تؤثر بين الجزيئات المتجمعه للماده. وهى أنواع: • تاثير الأقطاب بين الجزيئات dipole effect • الرابطه الهيدروجينيه hydrogen bonding • الإستقطاب بواسطة الحث induced dipole • قوى فان درفآل Van derwaals forces

34. الطرق العامه لتحضيرالبولمرات • طريقتان عامتان: • بلمرة التكاثف: تقوم على البلمره من خلال المجموعات الفعاله • بلمرة الإضافه: تقوم على البلمره من خلال الرابطه المزدوجه

35. بلمرة التكاثف Condensation polymerization • تتم بلمرة التكاثف من خلال المجموعات الفعاله • تمتاز بوجود مجاميع رابطه بين الوحدات التركيبيه وتصنف طبقاً لمكانيكيه التفاعل بالبلمره الخطويه Stepwise polymerization • المكانيكيه الاخرى للبلمره تعرف بالبلمره المتسلسله • Chain Polymerization

36. جدول يوضح المجاميع الرابطه لبعض البولمرت التكاثفيه

37. نواتج البلمره بالتكاثف إما ان تعطى بولمرات خطيه او تكون بلمرات • بروابط عرضيه متشابكه • تدعى البلمرات الخطيه باللدائن التى تلين بالتسخينthermoplastic • قد تتحول هذه البلمرات إلى بلمرات ليفيه لها درجات تبلر عاليه لإحتوائها على • مجموعات قطبيه مثال بولى أميد ، بولى استر ،بولى كربونات وبولى يوريثان • تدعى البلمرات ذات الروابط المتشابكه باللدائن الحراريه او الراتنجات • الحراريهthermosetting resinsوتشمل : بلمرات اليوريا • فورمالدهاليد، بلمرات الميلامين فورمالدهاليد، بلمرات الفينول فورمالدهاليد، • بلمرات (راتنجات)الإب أكسى

38. طرق تحضير البلمرات الخطيه مثال 1: بولى أميد: يحضر إما عن طريق الأميده المباشرهdirect amidation لثنائى حمضمع ثنائى أمين أو الأميده الذاتيه self amidation للحموض الأمينيه او عن طريقالحلقات ذات الرابطه الأميديه حيث تنكسر إلى حمض أمينى

39. الأميده المباشره تتم بهذه الطريقه أهم البولى أميدات Polyamides: وهو النايلون . وفقاً للمعادله

42. مثال2: بولى إسترات: يحضر من خلال تفاعل أغوال ذات مجموعتى هيدروكسيل او أكثر مع حموض عضويه ذات مجموعتى كربوكسيل

44. مثال3: بولى كربونات: يحضر من خلال تفاعل أغوال ذات مجموعتى هيدروكسيل او بس فينول مع الفوسجين بوجود البيريدين كقاعده لإقتناص كلوريد الهايدروجين ليحول دون حدوث تفاعل عكسى

45. البلمرات ذات الروابط المتشابكه تتكون من سلاسل طويله متشعبه ومتشابكه وتتميز بعدم قابليتها للانصهاراو الذوبان فى المذيبات كما إنها مقاومه للعوامل الجويه.

46. مثال1: بولى يوريثانpolyurethane : يحضر من خلال تفاعل ثنائى آيزوسيانات مع كحول ثنائى الهيدروكسيل.

48. مثال 2: راتنجات الفينول فورمالدهيد: تتكون من تكاثف الفينول مع الفورمالدهيد وتسمى بالباكلايت

49. الإستخدامات الصناعيه لبلمرات التكاثف

50. بلمرة الإضافه Addition polymerization تسمى أحياناً بلمرة ضم حيث تنضم خلالها الجزئيات الاحاديه بعضها إلى بعض مكونه سلسله بولمر