اتصالات, اخبار, لوله

درباره ی کاتالیزورهای زیگلر-ناتا چه می دانید؟(بخش اول)

پلیمر

پیشگفتار

کاتالیزور شامل ۲ صفت کاتا و لیزور است در زبان یونانی کاتا به معنی پائین، افتادن، یا پائین افتادن است و لیزور به معنای قطعه قطعه کردن است. در بعضی زبان ها کاتالیزور را به معنای جمع آوری اجسام دور از هم معرفی کرده­ اند تجربه نشان داده است که واکنش با کاتالیزور در دمای کمتری انجام می شود و هم طور کاتالیزور انرژی اکتیواسیون را کم می کند یا موجب می­ شود ملکول های درشت به ملکول های کوچکتر قطعه قطعه و شکسته شوند.
نخستین گزارش در رابطه با کشف می ­باشد که با بهره بردن از یک اسید به عنوان کاتالیزور توانست نشاسته را به قند هیدرولیزه کند. بعدها دیوی توانست واکنش اکسیداسیون هیدروژن را با اکسیژن درحضور کاتالیزور پلاتین انجام دهد که این واکنش یک واکنش گرماگیر بوده و در نتیجه زمان انجام واکنش جرقه زده می شود. کاتالیزور به ۲ گونه ی کاتالیزور مرغوب و نامرغوب تقسیم می ­شود.
کاتالیزور مرغوب به کاتالیزوری گفته میشود که تنها اجازه تشکیل یک گونه کالا را بدهد چنانچه درحضور کاتالیزور کالاهایی متمایز امکان تشکیل داشته باشند کاتالیزور نامرغوب تلقی می­ شود.
نخستین کار در توضیح این که چرا یک واکنش کاتالیزوری صورت می­ گیرد و کاتالیزور چه نقشی دارد به وسیله ی فارادی صورت می گیرد بیشترین استفاده از کاتالیزور در جنگ جهانی بود. دهه ۱۹۶۰ ـ ۱۹۵۰ است که با ساخت کاتالیزورهای زیگرناتا تلفیقات بسیار هم و استراتژیک تولید شد.

پلیمر

تاریخچه کشف کاتالیزورهای زیگلر-ناتا

کاتالیزورهای زیگلر-ناتا به عنوان یک گروه اصلی از کاتالیزورهای صنعتی نقش بسیار مهمی در ساخته پلی­اولفین­ ها دارند. نخستین بار هولز کمپ دانشجوی پژوهشگر آلمانی، کارل زیگلر، تماما اتفاقی کاتالیزورهای زیگلر- ناتا را در موسسه علمی تحقیقاتی «ماکس پلانک» آلمان کشف کرد. او فهمید اتیلن در همجواری با تلفیقات آلومنیوم و تلفیقات کلوئیدی نیکل، که به شکل تماما اتفاقی در راکتور  بر­جای مانده بودند، در دمای کم پلیمریزه می­ شود. همین طور ناتا و همکارانش نشان دادند که می شود با کمک این گروه از کاتالیزورها پروپیلن را به شکل منظم فضایی پلیمریزه کرد. تا پیش از آن آماده کردن پلی­پروپیلن با وزن مولکولی بالا حدوداً غیرممکن بود و فقط پلی پروپیلن اتاکتیک با وزن مولکولی کم تولید می­ شد. کشف ذکرشده که به آماده کردن گونه خاصی از کاتالیزورها جهت ساخت پلی­اولفین­ ها منتهی شد به قدری با اهمیت بود که کارل زیگلر و جولیا ناتای ایتالیایی در سال ۱۹۵۶ موفق به کسب جایزه نوبل شیمی شدند. کشف کاتالیزورهای زیگلر- ناتا روند تحقیقات در عرصه ی پلی­اولفین­ ها را عوض کرد و با تحولاتی نه خیلی اساسی در این گروه از کاتالیزورها تولید پلی­اولفینی با خاصیت عالی ممکن شد.
اکنون به جرأت می شود گفت که ساخته پلیمرها با بهره بردن از کاتالیـزورهای زیگلر-ناتا یکی از اصلی ترین شیوه ها است و افزونترین سهم را در ساخته پلیمرها دارد. در اینک با آن که نسل هشتم این کاتالیزورها در حال شکل گیری است، همچنان کاتالیزورهای زیگلر-ناتا اصلی ترین عاملهای ساخته پلی­اولفین­ ها هستند و با گذشت تقریبا ۴ دهه از عمر کاتالیزورهای متالوسن، که در بعضی حالات تقریباً همانند کاتالیزورهای زیگلر-ناتا هستند و با تدرنظر گرفتن همین تشابه ها بعضی از پژوهشگران آن­ ها را یکی از نسل­ های کاتالیزورهای زیگلر-ناتا به حساب می ­آورند، همچنان در حدود ۹۰% از پلی­اولفین­ ها از شیوه کاتالیزورهای زیگلر-ناتا تولید می­ شوند و کاتالیزورهای متالوسنی همچنان به شکل صنعتی نتوانسته ­اند جایگاهی مناسب پیدا کنند و فقط چند کمپانی، از جمله بازل، به­ صورت اندک پلی­اولفین­ ها را با کاتالیزورهای متالوسنی ساخته اند. اکنون نسل­ های نوین کاتالیزورهای زیگلر-ناتا فعالیت خیلی بالا و طول عمر کمتری دارند. کاتالیزورهای نسل نخست برخی مواقع تا ۲۴ ساعت همچنان فعالیت خود را حفظ می­ کردند و به دلیل فعالیت کم و نسبت بالای کاتالیزور در کالای نهایی صنعتگران ناچار به شستشوی کالا و خنثی کردن کاتالیزور بودند، اما اکنون با درنظر گرفتن فعالیت ­های بالای کاتالیزور، میزان کاتالیزور آن­ قدر در کالای نهایی کم است که معضل شستشو و خنثی کردن کاتالیزور خیلی وجود ندارد و همین موجب کم شدن مخارج تولید هم شده است. قسمتی دیگر از فعالیت ­های پژوهشگران هم در عرصه ی کاتالیزورهای زیگلر-ناتا در عرصه ی فضاگزینی است. کاتالیست­ های زیگلر-ناتا قادرند همگن و یا ناهمگن باشند اما اغلب ناهمگن هستند و گونه محلول آن ها به علت نداشتن پایداری کاتالیزور و کنترل نامناسب نظم فضایی به طور معمول در صنعت بهره گرفته نمی­ شوند. جهت رفع این نقص کاتالیزورهایی بر اساس متالوسن در حال شکل­ گیری هستند. این کاتالیزورها محلول ­اند و قادرند با آلومینواکسان­ ها و دیگر کمک کاتالیزورها پلی­اولفین ­ها را با کنترل نظم فضایی، ریز ساختمان عالی و توزیع وزن مولکولی باریک (به علت داشتن فقط یک نوع مرکز فعال) تولید کنند ولی به دلیل معضلات فرآیندی و صنعتی، پلی­اولفین­ هایی که با این گروه از کاتالیزورها ساخته می­ شوند همچنان از چند درصد کل پلیمرها تجاوز نکرده است. کاتالیست­­ های متالوسن جهت کاربردهای اکستروژن و قالب گیری دمشی مناسب نیستند و تنها جهت کاربردهای قالب گیری تزریقی مناسب هستند.

کاتالیزورهای زیگلر-ناتا

در کلی­ ترین حالت کاتالیست های زیگلر-ناتا از واکنش تلفیقات فلزات وابسطه (بیشتر هالیدها) گروه های ۴ تا ۸ جدول تناوبی مثل تیتانیوم، وانادیوم، کرمیوم، زیرکونیوم و غیره با آلکیل، آریل یا هالیدهای عنصرهای گروه یک تا چهار بوجود می­آیند:
کاتالیست زیگلر-ناتای فعال                   هالید آلکیل یا آریل فلز     +      ترکیب فلز واسطه
از گروه ۱ تا ۴                     از گروه ۴ تا ۸
تعریف گفته شده کلی است و خیلی از تلفیقات بدست آمده، کاتالیست های فعال نیستند. واکنش فوق در حلال های آلی انجام می­ گیرد و در گزارش یک سیستم کاتالیستی زیگلر-ناتا نوع حلال نبایستی فراموش شود و پلیمریزاسیون اولفین ­ها هم با بهره بردن از حلال های خنثی مانند هگزان، هپتان، تولوئن و غیره انجام می­ شود. بهره بردن از حلال های قطبی اثرهای بسیاری بر مکانسیم واکنش دارد. از جمله نکته های دیگر این است که چنانچه کاتالیزور در فضای واکنش حل شود، سیستم پلیمریزاسیون را همگن و در غیر این صورت ناهمگن می ­نامند. تلفیقات آلی یا معدنی جهت مقاصد ویژه به این تلفیق دوتایی اولیه اضافه می ­شوند، به عنوان مثال الکترون­دهنده­ ها جهت بهبود ایزوتاکتیسیتی، نگهدارنده جهت افزایش فعالیت کاتالیزور و هیدروژن جهت کنترل وزن مولکولی. تشابه اجزای کاتالیزور زیگلر-ناتا در این است که یک موضع کئوردیناسیون خالی برروی فلز واسطه وجود دارد و یک مولکول مونومر قادر است به آن متصل شود، دومین مولکول مونومر خود را به موضع کئوردیناسیون خالی بعدی متصل می­ کند که از آن جا قادر است با نخستین مولکول وصل شده واکنش دهد. این موجب می­ شود که دومین موضع کئوردیناسیون مجددا خالی و امکان ورود مولکول­ های بعدی مونومر و واکنش ­آن ­ها با زنجیر پلیمر درحال رشد مهیا شود، به علت وضعیت فضایی ویژه موجود در­ تلفیقات کئوردیناسیون فلزات واسطه، این گونه پلیمریزاسیون به شکل بسیار فضا ویژه ادامه می­ یابد و پلیمری ایجاد می­ شود که در آن سر واحدهای مونومر ساختار شیمیایی متشابهی دارند، یعنی یک پلیمر ایزوتاکتیک به دست می­ آید.

برای اطلاعات بیشتر به بخش دوم مراجعه کنید.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید