پلیمرهای حساس به نور | فتوپلیمرها و کاربردهای آن‌ها
پلیمرهای حساس به نور (فتوپلیمرها)
فتوپلیمرها پلیمرهایی هستند که در هنگام مقابله با نور، که بیشتر در نواحی مرئی و فرابنفش طیف الکترومغناطیس قرار می گیرند، دچار تغییر خواص میشوند. این تغییر معمولا از لحاظ ساختار آشکار می‌شود، به عنوان مثال، این مواد در مقابل نور در اثر پیوند عرضی سخت می شوند. بسیاری از کاربردهای موثر تکنولوژیکی تکیه به فتوپلیمرها دارند، به طور مثال بعضی از لاک الکل ها و لعاب ها بستگی به فرمولاسیون فتوپلیمرها برای سخت شدن در معرض تابش نور دارند. گاهی اوقات، لعاب می‌تواند با چند ثانیه در معرض نور قرار گرفتن فرآوری شود، حال آن که وقتی در معرض یک اشعه گرمایی قرار گیرند فرآوری به زمان بیشتری (حدود نیم ساعت) زمان نیاز دارد. این مواد بیشتر در زمینه تکنولوژی‌های پزشکی، فتوزیست و پرینت استفاده میشوند.
تغییر در خواص ساختاری و شیمیایی پلیمر می تواند با توجه به دو عامل صورت گیرد. عامل داخلی که در این مورد تغییر از کروموفورهایی که در زیر واحد های پلیمر موجود هستند شکل می گیرد و عامل خارجی، که در این حالت تغییر با افزودن مولکول های حساس به تابش نور ایجاد می شود. به طور کل فتوپلیمرها از ترکیب مونومرهای چند وظیفه و الیگومر ها ساخته می شوند تا ویژگی های فیزیکی مورد نیاز خود را به دست آورند. بنابراین انواع متفاوتی از مونومر و الیگومر ساخته شدند تا هر کدام در مقابل نور بسپارش بشوند.
مزایای فتوپلیمرها در صنعت
فوتوپلیمر یک فرایندی به نام فرآوری را انجام می دهد، که در این فرایند الیگومر هنگام مواجه شدن با نور توسط اتصالات عرضی به هم وصل می شوند و پلیمر شبکه را تشکیل می‌‌دهند. در نتیجه این فرآوری نوری، شبکه ترموست از پلیمرها را تشکیل می دهد. از مزایای استفاده از روش فرآوری نوری این است که می‌توان این فرآیند را به طور انتخابی با منابع نور پر انرژی مثل لیزرها انجام داد، با این وجود، بیشتر سیستم ها به آسانی با نور فعال نمی‌شوند که در این حال وجود یک آغازگر نوری لازم است. آغازگر نوری ترکیباتی هستند که در معرض نور به بخش های واکنش دهنده ای تجزیه میشوند و بر روی الیگومرها پلیمریزاسیون گروه مشخصی را فعال می کنند. در زیر یک نمونه از مخلوطی که زمان قرار گرفتن در تابش نور با اتصالات عرضی به هم وصل می شوند نمایش داده شده است. این مخلوطی از مونومر استایرن و آکریلات الیگومریک است.
سیستم فوتوپلیمر شده اغلب با روش اشعه ماوراء بنفش فرآوری می شود، چون این نور دارای انرژی بالایی میباشد. علاوه بر این، توسعه سیستم آغازگر نوری بر پایه رنگ ، امکان استفاده کردن از نور مرئی را فراهم ساخته است ، که باعث ایمنی بالاتر و کار آسان تر در این فرآیند شده است.
در طول چند دهه اخیر فرآوری توسط این اشعه ی فرابنفش در کاربردهای صنعتی بسیار افزایش یافته است. بعضی از فرآوری های سنتی که بر پایه ی دما یا محلول انجام می شد را با استفاده از روش فوتوپلیمریزاسیون می توان جایگزین کرد. از مزایای روش فتوپلیمریزاسیون نرخ بالای آن و عدم تخریب محیط زیست نسبت به روش پلیمریزاسیون همراه با حرارت است.
انواع آغازگرهای نوری در فتوپلیمرها
همانطور که پیشتر گفته شد سیستم فتوپلیمر از سه قسمت اصلی شامل آغاز کننده نوری، الیگومر و مونومر ساخته شده است که هر کدام از این قسمت ها را به طور جداگانه بررسی می کنیم:
-
آغازگرهای نوع رادیکال آزاد
دو مدل آغازکننده ی نوع رادیکال آزاد است:
- سیستمی با دو مولفه که در آن رادیکال آزاد با روش ربایش اتم هیدروژن از طریق ترکیب اولیه ساخته می شود.
- سیستمی با یک مولفه که در آن تعداد دو رادیکال آزاد از طریق تقسیم ساخته میشوند.
بنزوفنون ها و زانتون ها جزء آغازکننده هایی هستند که با روش ربایش ساخته میشوند و آمین الیفاتیک جزء ترکیب اولیه آن ها به شمار می رود. علاوه بر این بنزویل اکسیم، استوفنون، بنزوئین اتر و اسیل فوسفین نیز مثالی از آغازگرهای است که با شکافتگی تولید می شوند.
-
الیگومرها و مونومرها در فتوپلیمرها
خصوصیت مواد فرآوری شده با نور مثل انعطاف‌پذیری، مقاومت و چسبندگی توسط الیگومر های وظیفه ای ارایه میشوند. الیگومرها به طور معمول اپوکسید، اورتان و پلی اتر و پلی استرهایی هستند که هر کدام ویژگی های خاصی به محصول می بخشند. مثالی که در زیر نشان‌داده شده‌است، الیگومر اپوکسی است که با اسید اکریلیک عامل دار شده‌است.
مکانیزم ها
فرآیند جذب نور و تجزیه در آغازگرهای نوری به دو شکل انجام می شود: رادیکال آزاد و یونی. در ابتدا تعدادی از پلیمرها با ناخالص سازی به کمک آغاز گرهای نوری فرآیند را شروع میکنند. بعد از آن با تابش انتخابی یک محصول با پیوند عرضی ایجاد می شود. مقدار زیادی از این واکنش بدون نیاز به حلال هستند که این موضوع باعث می شود تا هزینه های کلی را کاهش دهد.
کاربردهای فتوپلیمرها
فتوپلیمریزاسیون یکی از تکنولوژی هاییست که به طور گسترده در کاربرد هایی مثل تصویربرداری و پزشکی استفاده می شوند. که به طور اختصار در زیر چند نمونه توضیح داده شده است:
1. کاربرد فتوپلیمر در دندانپزشکی
فتوپلیمر نوع رادیکال آزاد در کارهای مربوط به دندانپزشکی به عنوان عامل چسبنده،کامپوزیت و پوشش محافظ استفاده می شود. این کامپوزیت دندان پایه کامفورکینون است و شامل الیگومر متااکریلات با پرکننده های معدنی مثل سیلیکون دی‌اکساید است.
2. کاربردهای پزشکی فتوپلیمرها
این مواد چسبنده که قابل فرآوری توسط نور هستند در تولید سمعک، کانتر، فیلتر طبی، ماسک جراحی، و سنسور آنالیز خون استفاده میشوند. این فتوپلیمر ها علاوه بر این در سیستم های تحویل گرفتن دارو و مهندسی بافت بررسی شده اند. فرآیند فتوپلیمریزاسیون در این کاربرد برای شرایط موجود داخل بدن و خارج از بدن در حال گسترش هستند.
3. فتوپلیمرها در چاپ سه‌بعدی
تصویربرداری دیجیتالی، چاپ دیجیتال و چاپ سه‌بعدی جزو تکنولوژی های چاپ سه‌بعدی می باشند که با استفاده از فتوپلیمریزاسیون انجام می شوند. چاپ سه‌بعدی بیشتر با سیستم CAD – CAM صورت می‌گیرد، که یک نمونه کامپیوتری سه‌بعدی تشکیل می‌دهد تا به یک شیئ پلاستیک سه‌بعدی تبدیل بشود. سپس تصویر آن به قسمت های کوچک تری بریده می شود، که هر قسمت با روش فرآوری پلیمر مایع دچار بازسازی می‌شود، و تصویر آن را به جسم جامد تغییر می‌دهد.
فتوپلیمرهایی که در فرآیند تصویربرداری سه‌بعدی مورد استفاده قرار می گیرند نیاز زیادی به اتصال عرضی دارند و باید به طرز ایده‌آل در داشتن کمترین انقباض حجمی برای پلیمری شدن در جهت جلوگیری از اعوجاج شیئ جامد طراحی بشوند. علاوه براین مونومر معمولی که در تصویربرداری های سه‌بعدی مورد استفاده قرار می گیرند شامل اکریلات و متااکریلات است، که بیشتر با یک غیر پلیمر ترکیب شده و انقباض حجمی را کم می کند.
4. فتورزیست ها
به پوشش ها يا اليگومرهایی كه بر روي يك سطحی نشانده شده و براي تغيير دادن خواص در حین تابش نور استفاده می شوند فوتورزيست گفته می شود.
5. فتوپلیمرها در ترمیم نشتی
در تولید درزگیر از رزین های فعال شده توسط نور برای درزها و شکاف‌ها استفاده می شود. بعضی از رزین‌های نوری خصوصیات منحصر به فردی دارند که از آن ها در تولید محصول تعمیری ایده‌آل استفاده می کنند. این رزین‌ها قابلیت فرآوری سریع بر روی هر سطح خیس یا خشک را دارند.
6. اثرات زیست‌محیطی فتوپلیمرها
در زمان شست و شوی صفحات پلیمر به وسیله آب و برس، بعد از این که در معرض تابش پرتوی ماورا بنفش قرار داده شدند، مونومرها وارد فاضلاب میشوند و در آخر به مواد پلاستیکی در اقیانوس ها اضافه میشوند. در حال حاضر تاسیساتی که برای تصفیه آب موجود است توانایی حذف مولکول منومر را از آب های فاضلاب ندارند. برخی از مونومر ها مثل استایرین، سرطان‌زا و یا سمی هستند.
جمع‌بندی
فتوپلیمرها پلیمرهای حساس به نور هستند که با تابش نور، به‌ویژه فرابنفش، دچار تغییرات ساختاری میشوند و پیوندهای عرضی ایجاد میکنند. این ویژگی باعث کاربرد گسترده آن‌ها در صنایعی مثل دندانپزشکی، پزشکی، چاپ سه‌بعدی و فوتورزیست‌ها شده است. فتوپلیمرها از سه جزء اصلی شامل آغازکننده‌های نوری، الیگومرها و مونومرها تشکیل میشوند. مزایای آن‌ها شامل سرعت بالای فرآوری و کاهش اثرات زیست‌محیطی است، اما آثار زیست‌محیطی مونومرهای باقی‌مانده چالش‌برانگیز است.