مهندسی پلیمر

[toc]

رشته مهندسی پلیمر نسبت به رشته‌های مهندسی دیگر تقریبا جوان است و شکوفایی آن از زمان جنگ جهانی دوم آغاز شده است. اما به دلیل کاربرد روزافزون پلیمر در صنایع مختلف، این رشته به سرعت رشد کرده و امروزه جزو یکی از رشته‌ های مهم کشورهای صنعتی پیشرفته می‌باشد.

هدف رشته مهندسی صنایع پلیمر تولید کلیه محصولات پلیمری از قبیل لاستیک ، پلاستیک، الاستومر، چسب‌ها، رزین و سایر مواد مورد نیاز صنعت است. برای مثال طراحی و تولید تایر ماشین در صنایع لاستیک، لوله‌های پلی‌اتیلن در صنایع پلاستیک و انواع فایبرگلاسها در کامپوزیت به یاری متخصصان مهندسی صنایع پلیمر انجام می‌گیرد یا حتی در این رشته شکل‌دهی رزین‌ها نیز مطرح است که برای مثال می‌توان به ساخت ملامین اشاره کرد.حتی کیسه‌های پلاستیکی و روکش ظروف نچسب ( تفلون ) از مواد پلیمری می‌باشند. در واقع در رشته مهندسی صنایع پلیمر هر آنچه که به این مواد بر می‌گردد، مورد مطالعه و بررسی قرار می‌گیرد. البته پلیمرها فقط کاربرد صنعتی ندارند بلکه کاربرد پزشکی نیز دارند. مثلا اگر کشکک زانوی یک نفر آسیب ببیند و ترمیم آن امکان‌پذیر نباشد، شبیه به همان کشکک زانو را با مواد پلیمری درست می‌کنند و بر روی زانو قرار می‌دهند و یا دندان مصنوعی و لنزهای چشمی همه از مواد پلیمری ساخته می‌شوند که به این مواد پلیمری «پلیمرهای زیستی» می‌گویند.

فرصت‌های شغلی

در صنعت پوشاک نیز پلیمرها در تولید پاپوش‌ها ،تن‌پوشها و کف‌پوشها بسیار موثر هستند. در صنایع حمل و نقل زمینی(خودروسازی، قطار و … ) ، هوایی ( هواپیما و بالگرد) و دریایی (کشتی‌ها و …) پلیمرها حضوری چشمگیر دارند، و بالاخره در صنایع نظامی ، پزشکی،کشاورزی و بسته‌بندی کاربرد مواد پلیمری بسیار گسترده است. باتوجه به کاربرد وسیع پلیمرها در صنایع، فارغ‌التحصیلان این رشته توانایی‌های کافی در زمینه‌های ایجاد و برنامه‌ریزی واحدهای تولیدی تبدیل پلیمر خام به مواد مصرفی و اشتغال در مجتمع‌ های بزرگ تولید پلیمر خواهند داشت.

دروس تخصصی مهندسی پلیمر- صنایع پلیمر

از دروس اصلی مهندسی پلیمر می‌توان از موازنه انرژی و مواد، مکانیک سیالات، انتقال جرم و حرارت، شیمی و سینتیک پلیمریزاسیون، فرآیندهای پلیمریزاسیون، مهندسی پلاستیک ، تکنولوژی الیاف مصنوعی و تکنولوژی کامپوزیت‌ها نام برد.

رئولوژی پلیمرها :

سیالات از جهت خواص و عکس العمل در برابر نیروی وارد به آنها به گروه تقسیم می شوند گروه اول سیالات نیوتنی نامیده می شوند و گروه دوم سیالات غیر نیوتنی نام دارند . درس مکانیک سیالات ، روابط خواص سیالات نیوتنی را بررسی می‌کند . از آن رو که پلیمرها جز سیالات غیر نیوتنی هستند در درس رئولوژی روابط خواص سیالات غیر نیوتنی از جمله پلیمرها مورد بررسی قرار می گیرد .

مهندسی الاستومر :

برخی از مواد در اثر نیروی وارد به آنها تغییر شکل داده پس از برداشتن نیرو مجددا به حالت اولیه خود بر می گردند به این مواد الاستومر یا لاستیک می گوییم. بخش عمده ای از مواد پلیمری دارای خاصیت الاستومری هستند که از جمله آنها می توان به تایرهای اتومبیل واشرهای لاستیکی و لرزه گیرهای اتومبیل اشاره کرد مهندسین پلیمر با گذراندن این درس ضمن آشنا شدن با این گونه مواد با نحوه طراحی فرمولاسیون و ترکیب صحیح لاستیکها همچنین با فرآیندهای ساخت ، پخت و شکل دهی الاستومرها آشنا می شوند .

مهندسی پلاستیک :

در مقابل لاستیکها گونه دیگری از مواد پلیمری وجود دارند که بر اثر اعمال نیرو تغییر شکل می دهند و اگر میزان نیروی وارد شده بیش از حد مقاومت آنها باشد دیگر با حذف نیرو به حالت اولیه خود باز نمی گردند . به این مواد پلاستیک می گویند . انواع مواد پلاستیکی را می توانیم در اطراف خود مشاهده کنیم . در این درس دانشجویان ضمن اشنایی با این مواد و خواص آنها با نحوه تهیه پخت پلاستیکها آشنا می شوند .

تکنولوژی کامپوزیتها :

گاهی پلیمرها به تنهایی خواص مطول را برای هدف مورد نظر ندارند . در این گونه مواقع با اضافه کردن مواد خاصی شرایط مطلوب حاصل می‌شود کامپوزیتها موادی هستند که از ترکیب فیزیکی یک یا چند ماده به پلیمرها حاصل می گردند . از این گونه مواد می توان به فایبر گلاس ها اشاره کرد در این درس دانشجویان با انواع کامپوزیت ها روش های ساخت و خواص فیزیکی و مکانیکی آنها آشنا می شوند .

تکنولوژی و خواص فیزیکی الیاف :

الیاف که عمدتا به صورت مصنوعی ساخته می شوند گاهی دارای منابع طبیعی بوده از الیاف طبیعی ساخته می شوند و گاهی از مواد شیمیایی به دست می آیند . در این درس دانشجویان ضمن آشنایی با انواع الیاف پلیمری خواص و نحوه ساخت آنها را نیز فرا می گیرند .

لازم به ذکر است رشته مهندسی شیمی تا حدودی واحدهای مشترک با این رشته دارد.

گفتنی است نباید رشته مهندسی پلیمر- صنایع پلیمر را که در دفترچه راهنمای آزمون ورودی تحصیلات تکمیلی با کد ۱۲۸۶ مشخص گردیده است، با مهندسی پلیمر- صنایع رنگ کد۱۲۵۵ که آن هم جزو رشته‌های شناور است یک رشته با دو گرایش مختلف دانست.

مواد امتحانی و ضرایب دروس در رشته مهندسی پلیمر- صنایع پلیمر:

۱) زبان عمومی و تخصصی با ضریب3

۲) شیمی پلیمر(شیمی پلیمر، اصول مهندسی پلیمریزاسیون) با ضریب۲

۳) ریاضیات مهندسی با ضریب ۳

۴) تکنولوژی پلیمر(الاستومر، پلاستیک، کامپوزیت) با ضریب۲

۵) شیمی فیزیک پلیمرها خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمرها با ضریب3

۶) پدیده‌های انتقال(رئولوژی، انتقال حرارت، انتقال جرم) با ضریب3

۷) کنترل فرآیندهای پلیمری با ضریب3

۸) مکانیک سیالات با ضریب 3 پلاستیک‌ها ، الاستومرها و ترموپلاستیک الاستومرها

پلاستیک ها:

درگیری‌های فیزیکی همچون گره خوردگی‌های بین زنجیری ( Entanglements ) باعث عدم شارش زنجیرها می‌شود و نیروهای بین زنجیری مانند پیوندهای هیدروژنی این درگیری‌ها را تشدید می کنند و باعث مستحکم تر شدن ساختار ماده و بهبود خواص آن می شوند . یک چنین ساختاری در ترموپلاستیک‌ها سبب می‌شود که ماده ، توانایی ذوب شدن را داشته باشد و درنتیجه قابل بازیافت تلقی شود . دلیل این امرنیز ضعیف تربودن نیروهای بین زنجیری نسبت به نیروی کووالانسی درون زنجیری میان مونومرهای تشکیل دهندهٔ زنجیر پلیمر است که با افزایش دما می توانیم براین نیروی بین زنجیری غلبه کرده و پلیمررا ذوب کنیم که این مسئله بیانگر فرآیند پذیری آسان و همچنین وجود صرفهٔ اقتصادی است . پلیمرهای مشهوری چون PC , PMMA , PS , PP , PE و… جزﺀ این خانواده هستند .

الاستومرها:

اما الاستومرها دارای اتصالات شیمیایی ( کووالانسی ) بین زنجیره‌های خود هستند : چون نیروهای بین زنجیری همچون نیروهای درون زنجیری ازنوع کووالانسی است درنتیجه امکان ذوب شدن از ماده سلب شده و دیگرقابل بازیافت نیست . ازطرفی فرآیند کراسلینکینگ ، فرآیندی هزینه براست و شکل دهی الاستومرها سخت بوده و همواره با محدودیت هایی همراه می‌باشد ولی با تمام این وجود به دلیل خواص ویژه الاستومرها نیازمند کاربرد آنها می باشیم و ترموپلاستیک‌ها نمی توانند این کاربردها را به خود اختصاص دهند . رابرهای مشهوری چون NBR , SBR , BR , NR جزﺀ این خانواده می باشند . کاربرد الاستومرها منتج از Tg بسیارپایین آنها است که درترموپلاستیک‌ها وجود ندارد و از طرفی الاستومرها بدون وجود اتصالات عرضی خواص کاربردی خود را ازدست می دهند و گفتیم که وجود این اتصال عرضی شیمیایی یعنی عدم توانایی درذوب کردن ماده و در نتیجه عدم توانایی در بازیافت آن .

ترموپلاستیک الاستومرها:

با توجه به معایب و مزایای پلاستیک‌ها و الاستومرها این فکر مطرح شد که باید الاستومرها را با اتصالات قابل ذوب با یکدیگر درگیر کرد که دردمای کاربرد خاصیت الاستومری را حفظ کرده و در دماهای بالا بتوان آنها را ذوب کرد که ایجاد یک چنین رفتاری یعنی به وجود آوردن شرایط فرایندی پلاستیک‌ها برای الاستومرها همراه با حفظ خواص الاستومری . این ایجاد اتصال عرضی غیرشیمیایی مبنای به وجود آمدن علم ترموپلاستیک الاستومرها شد . تنیجه ای که این فکر دربرداشت ، به وجود آوردن سیستم‌های چند فازی ( Multi Phase Systems ) بود که یک فاز آن شامل ماده یا موادی است که دردمای اتاق سخت ( Hard ) هستند که توانایی جریان پیدا کردن با حرارت دهی را دارند و فاز دیگر شامل ماده یا موادی نرم تر ( Softer Material ) که در دمای اتاق به صورت رابری ( Rubber like ) است تشکیل شده است .

این نکته را باید مد نظر داشته باشیم که بخش‌های Soft و Hard باید از نظر ترمودینامیکی ناسازگار باشند به طوریکه در داخل یکدیگر حل نشوند بلکه همچون فازهای جداگانه عمل کنند و مورفولوژی خاصی را بپذیرند .

توجه به این نکته ضروری است که خواص ترموپلاستیک الاستومرها ، شدیدا تحت تاثیرمشخصات مورفولوژیکی آنها است . بسته به نوع بخش‌ های سخت و نرم ، انواع ترموپلاستیک الاستومرها را تولید میکنند.خانواده هادی همچون :

1 TPE-V 6- TPE-O 5- TPE-A 4- TPE-E 3- TPE-S 2- TPE-U که از شماره 1 تا 4 عضو گروه Block-Copolymers و شماره‌های 5 و 6 عضو گروه Polymer Blends می باشند.

اخیرا دو خانوادهٔ جدید به نام‌های radiation cross linked , TPE- Silicone که اولی جزﺀ گروه Block-Copolymers و دیگری Polymer Blends است نیز مطرح شده اند ولی هنوز گسترده نشده اند و مرسوم نیستند ولی پیش بینی می‌شود که به زودی جایگاه خود را به دست می آورند . ازلحاظ Hardness نیز دامنهٔ آنها در رنج 60Shore D _ 35 Shore A می باشد.