کوپلیمرها دستهای از پلیمرها هستند که از دو یا چند نوع مختلف مونومر تشکیل شدهاند که طیف وسیعی از خواص و کاربردها را ارائه میدهند. در این مقاله طبقهبندی و ویژگیهای این دسته از ترکیبات مورد بررسی قرار خواهد گرفت و همچنین کاربردهای متنوع آنها در صنایع مختلف از جمله پزشکی، بیوتکنولوژی، الکترونیک، بسته بندی و ذخیره انرژی بیان خواهد شد.
کلیدواژه: کوپلیمر، مونومر ، کاربرد
در زمینه علم پلیمر، کوپلیمرها به دلیل خواص استثنایی و ساختار متمایزشان نسبت به هموپلیمرها، توجه زیادی را به خود جلب کردهاند. این مواد از طریق پلیمریزاسیون مونومرهای متعدد در پیکربندیهای مختلف تشکیل میشوند که در نتیجه طیف وسیعی از خواص منحصر به فرد را به همراه دارند. از طریق انتخاب استراتژیک و ترکیب مونومرهای مختلف، محققان میتوانند کوپلیمرها را برای برآوردن اهداف خاصی طراحی کنند و آنها را به مواد بسیار مطلوب در صنایع متعدد تبدیل نمایند.
کوپلیمرها دستهای از پلیمرها هستند که از طریق فرآیند پلیمریزاسیون تولید میشوند که در این فرایند دو یا چند نوع متنوع از مونومرها از نظر شیمیایی، به یکدیگر متصل میشوند. مونومرها مولکولهای کوچکی هستند که قادر به واکنش با یکدیگر و تشکیل زنجیرههای طولانی به نام پلیمر هستند. با استفاده از چندین نوع مونومر در طی پلیمریزاسیون، کوپلیمرهایی ایجاد میشوند که در مقایسه با هموپلیمرها (پلیمرهای متشکل از یک نوع مونومر) دارای خواص متمایزی هستند. کوپلیمرها نقش مهمی در زمینه علوم پلیمر ایفا میکنند و به دلیل ظرفیتشان به دلیل ترکیب ویژگیهای تک تک مونومرهای به کار رفته در ساختارشان، کاربردهای گستردهای پیدا کردهاند که در نتیجهی آن طیف گستردهای از خواص و ویژگیهای مواد به وجود میآید.
پلیمریزاسیون کوپلیمرها میتواند از طریق روشهای مختلفی انجام شود که هر یک بر ساختار و خواص کوپلیمر حاصل تأثیر میگذارد. ترکیب و ساختار کوپلیمرها با ترکیب دو یا چند مونومر مختلف در طی فرآیند پلیمریزاسیون تعیین میشود. کوپلیمر حاصل دارای آرایش منحصر به فردی از مونومرها است که بر خواص و ویژگیهای پلیمر حاصل شده اثرگذار است. انتخاب مونومرها و نحوه آرایش آنها در زنجیرهی کوپلیمر، بر خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی کوپلیمر سنتز شده اثرگذار است. کوپلیمرها را میتوان به نحوی طراحی کرد که بهترین ویژگیهای مونومرهای تشکیلدهندهشان را ترکیب کنند و آنها را به موادی همهکاره با طیف وسیعی از کاربردها تبدیل کنند. ترکیب و ساختار کوپلیمرها را میتوان برای رفع نیازهای صنعتی و تکنولوژیکی خاص، مانند تولید پلاستیکهای تخصصی، الاستومرها، پوششها و مواد زیستپزشکی، تنظیم کرد.
طبقهبندی کوپلیمرها بر اساس آرایش انواع مختلف مونومرها در زنجیره پلیمر است. کوپلیمرها از دو یا چند مونومر مختلف تشکیل شدهاند که در طی فرآیند پلیمریزاسیون از نظر شیمیایی به یکدیگر متصل میشوند. نحوه چیدمان این مونومرها در زنجیره پلیمری، نوع کوپلیمر را تعیین میکند و بر خواص، رفتارها و کاربردهای آن تأثیر میگذارد. بر اساس آرایش مونومر، چهار دسته اصلی از کوپلیمرها وجود دارد (شکل 1):
در کوپلیمرهای تصادفی، مونومرها به طور تصادفی در امتداد زنجیره پلیمری قرار میگیرند و در نتیجه توزیع غیر منظمی از واحدهای تکراری ایجاد میشود. این آرایش تصادفی منجر به ایجاد انواع خواص شیمیایی و فیزیکی در سراسر پلیمر میشود. سنتز کوپلیمرهای تصادفی از طریق پلیمریزاسیون رادیکال آزاد، که در آن مونومرهای مختلف با هم مخلوط می¬شوند و ترکیب تصادفی آنها در زنجیره پلیمری در حال رشد اتفاق میافتد، نسبتا آسان است. خواص کوپلیمرهای تصادفی بین خواص هموپلیمرهای تشکیلدهنده قرار دارد و آنها را به یک کلاس همه کاره از مواد تبدیل میکند. لاستیک استایرن بوتادین (Styrene-butadiene rubber, SBR) یک کوپلیمر تصادفی است که به دلیل خاصیت ارتجاعی عالی، مقاومت در برابر سایش و عملکرد در دمای پایین، به طور گسترده در صنعت تایر استفاده میشود (شکل 2).
PP-R (Polypropylene Random Copolymer) نوعی پلیمر ترموپلاستیک است که از مونومر پروپیلن مشتق شده است. این ساختار به عنوان یک کوپلیمر تصادفی طبقهبندی میشود، به این معنی که حاوی واحدهای مونومر پروپیلن و همچنین مقادیر کمی از یک کومونومر، به طور معمول اتیلن است. این آرایش تصادفی واحدهای کومونومر خواص و عملکرد ماده را بهبود میبخشد (شکل 3).
خواص PP-R عبارتند از:
• مقاومت در برابر دمای بالا: PP-R میتواند در برابر دماهای نسبتاً بالا مقاومت کند و برای کاربردهای آب گرم و سرد مناسب است. میتواند تا 95 درجه سانتیگراد (203 درجه فارنهایت) را برای دورههای طولانی مدت و تا 110 درجه سانتیگراد (230 درجه فارنهایت) را برای مدتهای کوتاهتر تحمل کند.
• مقاومت شیمیایی: این ماده در برابر اکثر اسیدها، بازها و عوامل شیمیایی که معمولاً در سیستمهای لولهکشی یافت میشود بسیار مقاوم است و طول عمر و قابلیت اطمینان آن را تضمین میکند.
• هدایت حرارتی پایین: PP-R رسانایی حرارتی پایینی دارد، به این معنی که به حفظ دمای سیالات بهتر از سایر مواد مانند لولههای فلزی کمک میکند و از دست دادن گرما را کاهش میدهد.
• مقاومت در برابر خوردگی: برخلاف لولههای فلزی،PP-R دچار خوردگی نمیشود و این اطمینان را میدهد که آب، عاری از ناخالصیها باقی میماند و لولهها طول عمر بیشتری دارند.
• وزن سبک: لولههای PP-R سبکوزن هستند که حمل و نصب آنها را آسانتر میکند و هزینههای نیروی کار را در طول ساخت و ساز کاهش میدهد.
• کاهش نویز: لولههای PP-R دارای خاصیت میرایی صدا هستند و در نتیجه جریان آب ساکتتری نسبت به برخی لولههای دیگراز خود نشان میدهند.
در کوپلیمرهای متناوب، مونومرها در امتداد زنجیره پلیمری در یک الگوی منظم و قابل پیشبینی قرار میگیرند. ساختار به دست آمده تکرار یکنواخت دو مونومر است که یک آرایش پایدار و کاملاً مشخص را تشکیل میدهد. کوپلیمرهای متناوب معمولاً از طریق پلیمریزاسیون رشد پلهای سنتز میشوند، جایی که دو مونومر مکمل با یکدیگر واکنش میدهند و مولکولهای کوچک را در این فرآیند حذف میکنند. پلی اتیلن ترفتالات (Polyethylene terephthalate, PET) یک کوپلیمر متناوب متشکل از واحدهای اتیلن گلیکول و اسید ترفتالیک است که به دلیل استحکام، شفافیت و مقاومت بالا در برابر رطوبت، به طور گسترده در بطری های نوشیدنی استفاده میشود (شکل 4).
کوپلیمرهای بلوکی از دو یا چند بلوک مجزا از مونومرها تشکیل شدهاند که به صورت کووالانسی با یکدیگر پیوند دارند. هر بلوک دارای یک توالی نسبتا طولانی از یک نوع مونومر قبل از انتقال به بلوک بعدی است.
کوپلیمرهای بلوکی دارای جداسازی میکروفاز هستند که منجر به تشکیل نواحی یا حوزه های مجزا با خواص متفاوت میشود. چیدمان بلوکها ویژگیهای منحصربهفردی را به کوپلیمرهای بلوکی میدهد، مانند بهبود خواص مکانیکی و بهبود پایداری فاز. پلی استایرن-پلی بوتادین (Polystyrene-polybutadiene, SBS) یک کوپلیمر بلوکی است که در چسبها و زیرههای کفش استفاده میشود. بلوک پلی استایرن منجر به ایجاد استحکام شده، در حالی که بلوک پلی بوتادین سبب ایجاد خاصیت ارتجاعی و انعطاف پذیری ایجاد میشود (شکل 5).
کوپلیمرهای پیوندی دارای یک زنجیره اصلی (ستون فقرات) هستند که از یک نوع مونومر تشکیل شده است که زنجیرههای جانبی مونومر متفاوتی به آن متصل شده است. زنجیرهای جانبی میتوانند کوتاه یا بلند باشند و میتوانند به طور منظم و با فواصل خاص یا به طور تصادفی در امتداد زنجیره اصلی توزیع شوند. کوپلیمرهای پیوندی خواص زنجیره اصلی و زنجیره جانبی را با هم ترکیب میکنند و در نتیجه ترکیب منحصر به فردی از ویژگیها را به وجود میآورند. کوپلیمرهای نشاستهای پیوندی به عنوان عامل تهویه خاک استفاده میشوند. زنجیره اصلی کوپلیمر حلالیت در آب را فراهم میکند، در حالی که زنجیره های جانبی به بهبود ساختار خاک و حفظ آب کمک میکنند (شکل 6).
هر طبقه از کوپلیمرها دارای مزایا و کاربردهای متمایزی است که آنها را به موادی همهکاره و ارزشمند در صنایع و زمینههای مختلف علمی تبدیل میکند. انتخاب آرایش کوپلیمری به خواص مورد نیاز برای یک کاربرد معین و روش سنتز به کار رفته در فرآیند پلیمریزاسیون بستگی دارد.
روشهای سنتز کوپلیمرها به تکنیکهای مختلفی گفته میشود که برای تولید کوپلیمرها از طریق پلیمریزاسیون دو یا چند مونومر مختلف استفاده میشوند. این روشها امکان ادغام کنترل شده مونومرهای مختلف را فراهم میکند که منجر به کوپلیمرهایی با ترکیبات، ساختارها و خواص ویژه میشود. برخی از روشهای سنتز رایج کوپلیمرها در ادامه مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
پلیمریزاسیون رادیکالهای آزاد یکی از پرکاربردترین روشها برای تولید کوپلیمر است. در این فرآیند، از یک آغازگر رادیکال برای تولید رادیکالهای آزاد استفاده میشود که شروعکننده واکنش پلیمریزاسیون مونومرها است. مونومرها با این رادیکالهای آزاد واکنش داده و زنجیرههای کوپلیمری را تشکیل میدهند. شرایط واکنش، مانند دما و غلظت را میتوان برای کنترل ادغام مونومرها و ترکیب کوپلیمر نهایی تنظیم کرد.
پلیمریزاسیون افزودنی نوعی پلیمریزاسیون است که در آن مونومرهای حاوی پیوندهای دوگانه کربن-کربن (مونومرهای غیراشباع) تحت یک سری واکنشهای افزودنی قرار میگیرند تا کوپلیمر را تشکیل دهند. روشهای رایج پلیمریزاسیون افزودنی شامل پلیمریزاسیون افزودنی رادیکال (شکل 7) و پلیمریزاسیون کوئوردیناسیونی میباشد. این روش امکان سنتز کوپلیمرهایی با نسبتها و توالیهای مختلف مونومر را فراهم میکند.
پلیمریزاسیون تراکمی شامل واکنش بین مونومرها با گروههای عاملی مانند گروههای هیدروکسیل و کربوکسیل است. در طی واکنش، مولکولهای کوچکی مانند آب یا متانول حذف میشوند که منجر به تشکیل کوپلیمر و سایر محصولات جانبی میشود. این روش معمولاً برای تولید کوپلیمرهایی مانند پلیاسترها و پلیآمیدها استفاده میشود (شکل 8).
پلیمریزاسیون حلقه-گشا برای مونومرهای حلقوی مانند لاکتونها و استرهای حلقوی استفاده میشود. این واکنش ساختار حلقه مونومرها را باز میکند و به آنها اجازه پلیمریزه شدن و تشکیل کوپلیمرها را میدهد. این روش برای تولید کوپلیمرهایی مانند پلیاتیلن گلیکول-کو-کاپرولاکتون (Polyethylene glycol-co-caprolactone, PEG-co-PCL) و پلی لاکتیک اسید-کو-گلیکولیک اسید (Polylactic acid-co-glycolic acid, PLGA) استفاده می شود (شکل 9).
تکنیکهای پلیمریزاسیون زنده، مانند پلیمریزاسیون رادیکال زنده، پلیمریزاسیون آنیونی زنده، و پلیمریزاسیون کاتیونی زنده، امکان کنترل دقیق فرآیند پلیمریزاسیون را فراهم میکند. این روشها سنتز کوپلیمرهایی با طولهای زنجیرهای کاملاً مشخص، پراکندگی کم و توالیهای مونومر کنترلشده را امکانپذیر میسازند.
پلیمریزاسیون امولسیونی فرآیندی است که در آن مونومرها در یک محیط آبی با کمک سورفکتانت ها پراکنده میشوند. پلیمریزاسیون در قطرات امولسیون مونومر رخ میدهد و منجر به تشکیل ذرات کوپلیمر میشود. پلیمریزاسیون امولسیونی معمولاً برای تولید کوپلیمرهای لاتکس مورد استفاده در پوششها و چسبها استفاده میشود (شکل 10).
پلیمریزاسیون سوسپانسیون مشابه پلیمریزاسیون امولسیونی است، اما مونومرها در محیط غیر آبی با کمک تثبیتکنندهها پراکنده میشوند. مونومرها در قطرات معلق پلیمریزه میشوند و ذرات کوپلیمری را تشکیل میدهند. پلیمریزاسیون سوسپانسیون برای تولید کوپلیمرهایی مانند پلی وینیل کلراید (Polyvinyl chloride, PVC) استفاده میشود.
این روشهای سنتزی به محققین و مهندسین این امکان را میدهد تا ترکیب، وزن مولکولی و ساختار کوپلیمرها را برای برآوردن نیازهای کاربردی خاص تنظیم کنند. با کنترل شرایط پلیمریزاسیون، میتوان کوپلیمرهایی با خواص مطلوب ایجاد کرد و آنها را به موادی همهکاره تبدیل کرد که در طیف وسیعی از صنایع مورد استفاده قرار میگیرند.
خواص متنوع کوپلیمرها طیف وسیعی از کاربردها را در صنایع مختلف باز میکند.
کوپلیمرها انقلابی در زمینه پزشکی و بیوتکنولوژی ایجاد کردهاند که برخی از موارد کاربرد آنها در ادامه آورده شده است:
(الف) تحویل هدفمند دارو: کوپلیمرها میتوانند آزادسازی کنترل شده و پایدار داروها را فراهم کنند و اثربخشی درمانی را افزایش داده و در عین حال عوارض جانبی را کاهش دهند. به عنوان مثال، کوپلیمرهای پلی (لاکتیک-کو-گلیکولیک اسید) (Poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA) به طور گسترده در سیستمهای دارورسانی برای کاربردهای مختلف درمانی استفاده شده است (شکل 11).
(ب) مهندسی بافت: چارچوب ساخته شده از کوپلیمرهای زیست سازگار میتواند منجر به بازسازی بافت و پیوند اعضا شود. به عنوان مثال میتوان به کوپلیمرهای پلی (لاکتید-کو-کاپرولاکتون) (Poly(lactide-co-caprolactone), PLCL) اشاره کرد که در چارچوبهای مهندسی بافت برای بازسازی استخوان و غضروف مورد استفاده قرار میگیرند.
ج) ایمپلنتهای پزشکی: کوپلیمرهایی با خواص مکانیکی و زیستسازگار مناسب به عنوان مواد ایمپلنت برای جایگزینی مفصل و کاربردهای دندانی عمل میکنند. کوپلیمرهای پلی اترترکتون (Polyetheretherketone, PEEK) به دلیل زیستسازگاری و استحکام مکانیکی در ایمپلنتهای ارتوپدی استفاده میشود.
کوپلیمرها به طور قابل توجهی به توسعه مواد بستهبندی نوآورانه کمک کردهاند.
خواص حفاظتی: کوپلیمرها خواص محافظتکننده بستهبندیها در مقابل گاز و رطوبت را بهبود میبخشد و عمر مفید محصولات فاسد شدنی را طولانی میکند. کوپلیمرهای اتیلن وینیل الکل (Ethylene vinyl alcohol, EVOH) به طور گسترده در بستهبندی مواد غذایی برای جلوگیری از ورود اکسیژن و افزایش تازگی محتویات استفاده میشود.
کوپلیمرهای زیستتخریبپذیر: کوپلیمرهای سازگار با محیط زیست به راهحلهای بستهبندی پایدار کمک میکنند و اثرات زیستمحیطی را کاهش میدهند. پلی لاکتیک اسید (Polylactic acid, PLA)، کوپلیمرهای مشتق شده از منابع تجدیدپذیر، به طور فزایندهای در مواد بستهبندی زیستتخریبپذیر استفاده میشوند.
4.3. الکترونیک و اپتوالکترونیک: خواص الکترونیکی منحصر به فرد کوپلیمرهای خاص، آنها را در دستگاههای الکترونیکی ارزشمند میکند. به عنوان مثال:
دیودهای ساطع کننده نور ارگانیک(Organic Light-Emitting Diodes, OLEDs) : کوپلیمرهای با تحرک “الکترون و حفره” بالا به عنوان لایههای تابشی کارآمد درOLED ها عمل میکنند که منجر به افزایش عملکرد نمایشگر و کارایی انرژی میشود.
فتوولتائیک آلی(Organic Photovoltaics, OPVs) : کوپلیمرها با سطوح انرژی قابل تنظیم به بهبود عملکرد فتوولتائیک در سلولهای خورشیدی کمک میکنند.
کوپلیمرها اجزای حیاتی در دستگاههای ذخیره و تبدیل انرژی هستند.
باتریهای لیتیوم یونی: کوپلیمرها میتوانند عملکرد و ایمنی باتریهای لیتیوم یون را با ارائه الکترولیتهای پایدار و جلوگیری از تشکیل دندریت افزایش دهند. به عنوان مثال، کوپلیمرهای مبتنی بر اکسید پلی اتیلن (Polyethylene oxide, PEO) به دلیل وجود پتانسیل، در باتریهای لیتیومی حالت جامد بررسی میشوند.
سلولهای سوختی: کوپلیمرهای رسانای پروتون، اجزای ضروری در سلولهای سوختی غشای تبادل پروتون (proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs) هستند که تبدیل انرژی کارآمد را با انتشار گازهای گلخانهای کمتر تسهیل میکنند (شکل 12).
در نتیجه، کوپلیمرها به عنوان یک کلاس همهکاره و ضروری از مواد با طیف گستردهای از کاربردها و روشهای سنتز ظهور کردهاند. ثابت شده است که کوپلیمرها توانایی بالایی در ترکیب مونومرهای متمایز به شیوه کنترل شده دارند و در نتیجه میتوانند دستهی گستردهای از مواد با ویژگیهای متفاوت را به وجود آورند. با انتخاب دقیق مونومرها و تنظیم نسبت آنها، کوپلیمرها را می-توان طوری مهندسی کرد که مجموعهای از ویژگی های دلخواه از جمله افزایش استحکام مکانیکی، بهبود پایداری حرارتی، افزایش انعطافپذیری و مقاومت شیمیایی بالا را نشان دهند. این ویژگیها کوپلیمرها را قادر میسازد تا صنایعی مانند بستهبندی، خودروسازی، مراقبتهای بهداشتی، الکترونیک و غیره را متحول کنند. علاوه بر این، روشهای سنتز کوپلیمرها به طور قابلتوجهی پیشرفت کردهاند و امکان کنترل دقیق روی معماریهای مولکولی و الگوهای توزیع مناسب را فراهم میکنند.
تکنیکهایی مانند پلیمریزاسیون رادیکالهای آزاد، پلیمریزاسیون تراکمی و پلیمریزاسیون زنده نقشهای محوری در طراحی کوپلیمرهایی با ساختارهای مشخص و توزیع وزن مولکولی باریک ایفا کردهاند. علاوه بر این، پیشرفتهای انجام شده در فناوری نانو و تکنیکهای پلیمریزاسیون، فرصتهای جدیدی را برای تولید کوپلیمرهایی با عملکردهای پیچیده و مورفولوژیهای نانوساختار فراهم کرده است. در سالهای اخیر، تلاشهای تحقیقاتی بر توسعه روشهای تولید کوپلیمر پایدار و سازگار با محیط زیست با استفاده از مواد اولیه تجدیدپذیر و استفاده از اصول شیمی سبز متمرکز شدهاند. این رویکردهای آگاهانه محیطی، منجر به کاهش اثرات زیستمحیطی تولید کوپلیمر خواهند شد و کمک به ساختن آیندهای پایدارتر را ممکن میکنند.
به طور خلاصه، کوپلیمرها به عنوان سنگ بنای علم و مهندسی مواد ظاهر شدهاند و حوزهی وسیعی را برای نوآوری و خلاقیت ارائه میدهند. در آینده پیشرفتهای متعددی برای کوپلیمرها را شاهد خواهیم بود و نقش آنها در پیشرفت فناوری و مقابله با چالشهای جهانی را نمیتوان کتمان کرد. با تقویت همکاریهای بین رشتهای و پذیرش شیوههای پایدار، میتوانیم به طور کامل پتانسیل کوپلیمرها را گسترش دهیم و از قدرت تغییردهنده آنها برای جهانی بهتر و پایدارتر استفاده کنیم.
1. Singh, N., & Riaz, U. (2022). Recent trends on synthetic approaches and application studies of conducting polymers and copolymers: a review. Polymer Bulletin, 79, 10377-10408. 2. Policastro, G., Panico, A., & Fabbricino, M. (2021). Improving biological production of poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) co-polymer: a critical review. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 20, 479-513. 3. Journal of Polymer Research. (2023). A peer-reviewed journal that covers all aspects of polymer science and engineering. 4. Raza, Z. A., Abid, M., Banat, F., & Shakeel, A. (2019). Polyhydroxyalkanoates: characteristics, production, recent developments and applications. International Journal of Biological Macromolecules, 133, 850-867. 5. Feng H, Lu X, Wang W, Kang NG, Mays JW. Block Copolymers: Synthesis, Self-Assembly, and Applications. Polymers (Basel). 2017 Oct 9;9(10):494.