پلیمر چیست؟ ‏‎
مقدّمه بیش از هر چیز باید به این نکته اشاره کنم که مقاله حاضر در واقع از دو مرجع بهره مند شده است ، مرجع اوّل پایان نامه های ‏دانشجویان مقاطع بالاتر تحصیلی و مرجع دوّم ، دائره المعارف بریتانیکا است . سعی شده است در مکان هایی که نیاز بوده است معادل ‏انگلیسی کلمه در کنار آن نوشته شود‎ . 
پلیمر چیست؟ ‏‎
اوّلین سؤالی که در ذهن خواننده پس از شنیدن نام بتن پلیمری نقش می بندد این است که پلیمر‎ ( Polymer ) ‎چیست ؟ برای پاسخ به این ‏سؤال بهتر است اوّل با مونومر‎ ( Monomer ) ‎آشنا شویم :دائره المعارف بریتانیکا در مورد مونومر چنین می گوید‎ : “ ‎مولکولی از هر دسته ‏ترکیبات ( ا‌غلب ارگانیک )‌ که می تواند با مولکول های همانند خود یا از نوع دیگر واکنش دهد و تشکیل مولکول های بسیار بزرگ یا پلیمر را ‏بدهد‎ . ‎خاصیّت و ویژگی اساسی مونومر چندگانه واکنش دادن آن است ، مونومر دارای قابلیّت شکل دادن ترکیبات شیمیایی با حدّاقل دو ‏مولکول مونومر دیگر است ، …..” با توجّه به آنچه گفته شد می توان متوجّه شد که مونومر همانند حلقه های یک زنجیر است و پلیمر خود زنجیر ‏است ، در واقع باید بتوان یک پلیمر را به مونومرها با ضریب صحیح تقسیم کرد ، لزومی ندارد که یک مونومر ، عنصر باشد ، در واقع مونومر ‏مولکولی است که از تکرار آن پلیمر به دست می آید و دارای وزن مولکولی کمی می باشد . بد نیست بدانیم که معادل فارسی مونومر ، تکپار ، ‏و معادل فارسی پلیمر ، بَسپار است . بتن پلیمریقرن بیستم را به حق باید قرن پلیمر ها نیز دانست ، محصولات پلیمری از لحاظ حجمی در سال ‏‏1990 بر حجم محصولات آهنی فایق آمد و پیش بینی می شود که در قرن حاضر ، از لحاظ وزن نیز بالاتر رود . صنایع ساختمان بزرگترین مصرف ‏کننده موادّ پلیمری ، 25 تا 30 درصد از کلّ پلیمر ها را مصرف می کند . یکی از مواردی که در ساختمان به وفور استفاده می شود بتن است . ‏این مادّه به دلیل هزینه پایین تولید ، راحتی استفاده و استحکام فشاری ، یکی از موادّ پرمصرف در سازه هاست ولی به دلیل نقایصی که دارد ( ‏نقایصی چون : 1‏‎ – ‎تخریب یخ زدگی و ذوب 2 – تخریب پذیری توسّط موادّ شیمیایی خورنده 3 – استحکام کششی کم 4- دیرپخت بودن و …. ) ‏همزمان با تولید این مادّه ، ترکیب آن با فولاد ( مسلّح کردن بتن )‌ و ایجاد خاصیّت تاب خمشی مطرح شد و از همان موقع ، استفاده از موادّ و ‏ترکیبات شیمیایی ، برای بهبود خواصّ آن مورد توجّه قرار گرفت . حاصل تحقیقیاتی که در این زمینه صورت گرفت این نتیجه را در بر داشت که ‏جایگزینی مناسبی ، با موادّ پلیمری انجام شده است و با به کارگیری آنها به روش های مختلف ، خواصّ بتن ارتقا می یابد . ( این تحقیقات ‏بیشتر در ژاپن ، آمریکا و روسیه انجام شده است ) . در این رابطه خانواده بتن های پلیمری ، بهترین خاصیّت ها را از خود نشان دادند . خواصّ ‏این نوع بتن ، برتر از بتن های سیمانی بود و گاهی خواصّ ‏‎
منحصر به فردی از خود نشان می دهد . با توجّه به ‌نیاز بیشتر به استحکام در سازه ها و برتری های این نوع بتن ، بتن پلیمری مورد علاقه ‏دانشمندان واقع شد و با وجود آنکه مدّت زیادی از اختراع آن نمی گذرد و علیرغم قیمت بالایی نیز که داراست مورد استقبال روزافزون قرار گرفته ‏است ‏‎. ‎بتن های پلیمری از حدود سال 1950 وارد بازار شده اند و پیش بینی می شود در طیّ دهه پیش رو ، مصرفشان 10 برابر شود . کاربرد ‏این نوع پلیمرها به دو شاخه استفاده جامد و استفاده غیر جامد تقسیم می شود‎ . 
در حالت جامد محصولات پلیمری به جای فولاد جایگزین می شوند و بتن را مسلّح می کنند که در این حالت ، پلیمر به صورت رشته ، شبکه و یا ‏میلگرد در بتن استفاده می شود . در حالت غیر جامد با تزریق پلیمر های پودری و مایع ، در دوام بتن بهبود حاصل می شود .در کشور ما کار ‏خاصّی روی بتن پلیمری صورت نگرفته است و هنوز در سطح یک موضوع تحقیقاتی برای دانشجویان باقی مانده است ، موضوعی که منابع ‏تحقیق آن نیز غالباً خارجی هستند‎ . 
بتن های پلیمری‎ ( Polymer Concrete ) ‎حالت جامد : اکثر موادّ و مصالح طبیعی به دلیل ناپیوستگی های سطحی و ترکیباتی که در خود دارند ‏، دارای مقاومت لازم برای تحمّل تنش های زیاد نیستند و لازم است تا با موادّ دیگری مسلّح شوند . دانشمندان به دنبال موادّی هستند که در ‏ضمن مسلّح کردن بتن ، دارای وزن کمتر ، مقاومت بیشتر در برابر عوامل جوّی ، رفتار بهتر در بارگذاری های متناوب باشد و بتواند مقاومت خود ‏را در دماهای بالا مثل دمای کوره حفظ کند و …..از این قبیل. یکی از مشهورترین این مصالح ، کامپوزیت های پلیمری می باشند . اوّلین باری که ‏کامپوزیت ها در بنا استفاده شد در زمان جنگ جهانی دوّم بود . در آن زمان بر روی ساختمان هایی که باید رادار نصب می کردند ، استفاده از ‏سازه های فلزّی و یا حتّی بتن آرمه ، مشکل ایجاد می کرد ، با مسلّح کردن بتن توسّط کامپوزیت های بتنی ، این مشکل برطرف شد . ‏همچنین در همان بحبوحه جنگ بعضی از قسمت های هواپیماهای جنگی را از پلی استرهایی که با رشته های شیشه تقویت شده بودند می ‏ساختند‎ . 
در ساختمان های مسکونی از کامپوزیت هایی با فیبر شیشه ای یا پلی استر استفاده می شد . (‌ سازه کامپوزیتی‎ GPR ) ‎، دو ساختمان ‏استثنایی با سازه کامپوزیتی ساخته شده است که یکی سازه گنبدی شکل در بن غازی (‌ 1968 )‌ و دیگری سقف فرودگاه دبی ( 1972 )‌ ‏است که تأثیر محسوسی بر استفاده از این نوع سازه ها داشته است . اکثر این سازه ها دارای سازه اصلی بتن مسلّح بود و برای ساخت ‏پانل ها از‎ GPR (Glass Polymer Reinforced ) ‎بهره می برد ، همانند سازه قوسی فضاکار زمین فوتبال شهر منچستر (‌1980 ) ، مهمّترین ‏کاربردهای‎ GPR ‎به قرار زیر است‎ : 
‎1- ‎ساختمان هایی که تحت اثر خوردگی شدید هستند‎ . 
‎2- ‎سازه های پیشرفته رادارها‎ . 
‎3- ‎ساختمان هایی که کنترل کیفیّت آنها مهم است‎ . 
‎4- ‎ماهواره ها‎ . 
‎5- ‎آنتن های بزرگ‎ . 
مهمّ ترین دلایل افزایش استفاده از کامپوزیت‎ ( Composite ) : 1 – ‎وزن کم ‏‎2- ‎قابلیّت ایجاد معماری های زیبا 3- مقاومت در برابر شرایط جوّی ‏‏4- خواصّ ضدّ خوردگی 5 – وجود سازه هایی که در آنها نباید از فلز استفاده کرد .امروزه بسیاری از پل های بتن آرمه به دلیل وجود کلر در آب ‏دریا ، تخریب شده اند که بتن پلیمری این نقیصه را ندارد و خورده نمی شود ، محصولات پلیمری در حالت جامد بیشتر به صورت میلگرد و شبکه ‏مورد استفاده قرار می گیرند .انواع بتن های پلیمری ( حالت غیر جامد‎ ) : ‎پیش از بیان انواع بتن های پلیمری لازم است با فرآیند پلیمریزاسیون ‏بیشتر آشنا شویم : پلیمریزه شدن : از اتّصال واحد های مونومر به یکدیگر ، رشته یا شبکه های مولکولی سطحی یا فضایی تشکیل می شود ‏که دارای وزن مولکولی بالایی هستند و به آنها پلی مر می گویند ، این فرآیند را پلیمریزه شدن می گویند‎ . 
انواع بتن های پلیمری بدین قرارند‎ : 
‎1- ‎بتن های باردار شده توسّط پلیمر‎ ( PIC ) : ‎شامل بتن پورتلند پیش ریخته شده است که توسّط یک سیستم مونومری باردار گردیده است (‌ ‏آماده واکنش است ‏‎) ‎و متعاقباً در محلّ ، پلیمریزه می شود‎ . 
‎2- ‎بتن های پلیمر – سیمان‎ (PCC) : ‎شامل یک مونومر است که به مخلوط آبی بتن تازه افزوده می شود و متعاقباً در محلّ، پلیمریزه می شود‎ . ‎‎
‎3- ‎بتن های پلیمری‎ (PC) : ‎شامل یک سیستم مخلوط از سنگریزه‎ ( Aggregate ) ‎و پرکننده‎ ( Filler ) ‎در مونومر می باشد که متعاقباً در محلّ ‏، پلیمریزه می شود‎ . 
‎4- ‎بتن های پلیمر – گوگرد‎ (PSC ) : ‎شامل یک سیستم مخلوط از بتن های گوگردی است که توسّط پلیمر ها اصلاح خواصّ پیدا کرده باشد ‏‏.نحوه تولید بتن پلیمری (‌حالت غیر جامد ) :بتن های پلیمری از 80 تا 95 درصد پرکننده های معدنی و گاهی آلی تشکیل شده اند و حدود 5 تا ‏‏20 درصد بایندر پلیمری نیز بتن را نگاه می دارد ‏‎( ‎بایندر‎ ( Binder ) ‎به معنای پیوند دهنده یا متّصل کننده است و منظور همان محلول مونومر ‏است که پس از فرآیند پلیمریزاسیون بتن را نگاه می دارد ) ، خواصّ بتن های پلیمری برتر از بتن های سیمانی است‎ . 
با انتخاب : الف ) بایندر مناسب ‏‎
ب‎) ‎نوع و میزان مناسب پرکننده ‏‎
ج ) به کار بردن افزودنی های مناسب می توان طیف وسیعی از بتن های پلیمری را با خواصّ فیزیکی ، مکانیکی ، دینامیکی ، الکتریکی ، ‏حرارتی ، شیمیایی ، تزئینی و … تهیّه کرد‎ . 
در صورتیکه این طیف وسیع برای بتن های سیمانی وجود ندارد . از مجموعه موادّ رایج به عنوان بایندر پلیمری سه نوع رایج ترند که عبارتند از‎ : 
‎1 – ‎اپوکسی‎ ( 
Epoxy ) 2- ‎پلی استر ‏‎
‎3 – ‎پلی یورتان از پرکننده های رایج نیز دو نوع رایج ترند که عبارتند از‎ : 
‎1 – ‎سیلیس ‏‎
‎(Silica) 2- ‎کربنات کلسیم بر اساس آزمایش هایی از نوع برزیلی ، نتایج زیر حاصل شد‎ : 
‎1 – ‎نمونه های بتن پلیمری با بایندر اپوکسی و پلی استر ، استحکاک بالاتری دارند‎ . 
‎2- ‎نمونه های بتن پلیمری با بایندر پلی یورتان ، ازدیاد طول بسیار زیادی دارند . ( تعریف اپوکسی و …. در همین مقاله گفته خواهد شد . ) ‏بایندر های پلیمری 90% کلّ قیمت بتن را شامل می شوند . با وجود این ، قیمت بتن های پلیمری ، بسیار کمتر از پلاستیک هاست . انتخاب ‏مناسب بایندر و پر کننده مناسب ، می تواند سبب هر یک از حالات زیر شود‎ : 
‎1 – ‎بتن هایی با دی الکتریک بالا ‏‎
‎2 – ‎برعکس بتن هایی با هدایت الکتریکی بالا ‏‎
‎3 – ‎قطعاتی مناسب برای ایجاد خلاء و .. تغییر خواصّ بتن پلیمری بر حسب تغییر پرکننده ها : پرکننده ها از دو دسته تشکیل می شوند‎ : 
‎1- ‎جزء زبر ( دانه بندی درشت‎ ) 
‎2- ‎جزء نرم ( دانه بندی ریز ) پرکننده های سبک وزن شامل سه دسته سنگ های رسی سبک ، پرلیت و سنگ پا‎ ( Pumice ) ‎می شوند و پر ‏کننده های سنگین شامل 4 دسته قطیر ، هماتیت ، ایلمنیت ، باریت می شوند .از این موادّ برای تولید بتن های پلیمری با وزن مخصوص بین ‏‏640 تا 5200 کیلوگرم بر متر مکعّب می توان استفاده کرد . پرکننده های بسیار نرم برای کاهش حجم خالی بتن به کار برده می شود . مانند ‏پودر سیلیس ، کربنات کلسیم ، خاکستر ، کائولین . میکا تالک ،‌تری هیدرات آلومینا ‌، سولفات کلسیم و سیمان پورتلند . پر کننده ها می توانند ‏سبک باشند مانند دانه های شیشه ای سوراخ دار ، سرامیک یا گلوله های پلاستیک . با استفاده از پرکننده های هادی مثل کربن یا ‏پودرهای فلزّی ، می توان بتن را از نظر الکتریکی رساناتر کرد ، افزودنی هایی مثل فیبرهای شیشه ای ،‌آلی و فلزّی برای اصلاح استحکام ضربه ‏ای ، خمشی و همچنین برای کاهش پدیده انقباض ناشی از پخت به کار می رود ‏‎. ‎عوامل تر کننده باعث کاهش سطحی زیرین مایع و سهولت ‏ترشدگی سطوح پرکننده می شود‎ . ‎جهت تأمین رنگ و همچنین گاهی اوقات به منظور پایداری در مقابل نور از رنگدانه ها استفاده می شود ‏‏.با افزودن لاتکس های‎ SBR ‎و اپوکسی به بتن معمولی به عنوان بتن سیمان پرتلند ، پلی مری استفاده شده است که باعث بهبود ‏خواصّ‌مهندسی و پایایی بتن می شود و همچنین با افزودن رزین های پلی اسراسیترن و اپکسی به مصالح سنگی به عنوان بتن پلیمری که در ‏مورد رزین پلی اسراسیترن، خواصّ‌ مهندسی و پایایی بتن به طور چشمگیری بهبود می یابد‎ . 
آشنایی با انواع بایندرها :‌رزین‎ ( Resin ) : ‎به مادّه آلی جامد یا نیمه جامد یا شبه جامدی گفته می شود که اغلب دارای وزن مولکولی ‏نامشخّص امّا بالایی بوده و وقتی در معرض تنش قرار می گیرد تمایل به جریان دارد . اپوکسی‎ : ‎اپوکسی نوعی رزین است ، این نوع رزین دارای ‏قطعاتی گرم و نرم است که با گرما آب می شوند .رزین های اپوکسی : نوع مایع آن از چسبندگی خوبی به الیاف شیشه برخوردارند ‏‎.‎لاتکس : ‏شیر آب محتوی مونومر که برای تولید پلی مر استفاده می شود‎ . ( SBR ) ‎خواصّ رزین های اپوکسی‎ : 
‎1- ‎مقاومت در برابر خوردگی‎ (Corrosion ) ‎بسیار زیاد‎ . 
‎2- ‎زمان پخت کم‎ . 
‎3- ‎زمان کم برای رسیدن به استحکام ساختمانی‎ . 
‎4 –‎چسبندگی خیلی خوب به سطوح فلزّی‎ . 
‎5- ‎مقاومت سایشی‎ ( Abrasion Resistance ) ‎بالا‎. 
‎6 – ‎استحکام مکانیکی بالا‎ . 
‎7 – ‎مقاومت در برابر موادّ شیمیایی مخرّب‎ . 
‎8 – ‎چروکیدگی‎ ( Shrinkage ) ‎کم در حین پخت‎ . 
‎9- ‎عدم تولید محصولات فرّار جانبی در واکنش پخته شدن‎ . 
‎10 – ‎حفظ خواصّ و سازگاری حرارتی با فولاد در محدوده دمایی 30 تا 70 درجه سانتیگراد .رزین اپوکسی مایعی است بی رنگ ، ‌متمایل به زرد ‏، فرّار و سمّی که در دمای اتاق بخار می شود .روشی برای تقویّت بتن های معمولی :‌در بتن های پلیمری از تکنیک آغشته سازی بتن با پلیمر ‏استفاده می شود . در این روش ، یک سیستم مونومری به داخل بتن سخت شده نفوذ می کند و پس از پلیمریزاسیون موجب انسداد مجاری ‏و حفره های درون بدنه و اتّصال بیشتر اجزاء متشکّله و ارتقای بسیاری از خواصّ بتن خواهد شد . در این روش از مونومر های متیل متا کریلات ‏و استایرن استفاده می شود‎ . ‎روش کار بدین ترتیب است که نمونه های بتن را خشک و تمیز نموده و سپس خنک می کنیم‎ . ‎بعد بتن را با ‏سیستم مونومری آغشته می کنیم و پس از انجام پلیمریزاسیون کاتالیتی حرارتی ، بتن پلیمری آماده است . این بتن ، مقاومت فشاری و ‏نفوذناپذیری اش افزایش پیدا کرده است .مزایای بتن های پلیمری‎ : 
‎1 – ‎استحکام ‏‎
‎2- ‎کرنش های فشاری ، خمشی ، کششی (‌چندین برابر‎ ) 
‎3 – ‎میرایی ‏‎
‎4 – ‎عمر سرویس ‏‎
‎5 – ‎مقاومت سایش و ضربه ای ‏‎
‎6 – ‎مقاومت در برابر تغییرات جوّی ‏‎
‎7- ‎مقاومت در برابر عوامل شیمیایی ‏‎
‎8 – ‎مقاومت در برابر عوامل مخرّب محیطی ‏‎
‎9- ‎مقاومت در برابر عوامل مخرّب صنعتی ‏‎
‎10- ‎جذب آب کمتر ‏‎
‎11 – ‎افت کمتر خواص ‏‎
‎12 – ‎خواصّ فیزیکی و مکانیکی بهتر ‏‎
‎13 - ‎دارای خواصّ تزئینی ‏

جواد دلیری راد


Linkback: https://irmeta.com/meta/b1374/t7588/