बहुलक (Polymers)

बहुलक बड़े अणु होते हैं जो मोनोमर्स नामक दोहराए जाने वाले संरचनात्मक इकाइयों से बने होते हैं। ये प्लास्टिक, रेशों और रबर के प्राथमिक घटक हैं। बहुलक प्राकृतिक या संश्लेषित हो सकते हैं। प्राकृतिक बहुलकों में प्रोटीन, सेल्यूलोज और स्टार्च शामिल हैं। संश्लेषित बहुलकों में पॉलीइथाइलीन, पॉलीप्रोपाइलीन और नायलॉन शामिल हैं।

बहुलकीकरण (Polymerization)

बहुलकीकरण वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा मोनोमर्स आपस में जुड़कर बहुलक बनाते हैं। बहुलकीकरण के दो मुख्य प्रकार हैं: योगात्मक बहुलकीकरण और संघनन बहुलकीकरण।

• योगात्मक बहुलकीकरण (Addition polymerization) तब होता है जब द्वि-बंध वाले मोनोमर्स आपस में जुड़कर एक बहुलक बनाते हैं। द्वि-बंध टूट जाते हैं और मोनोमर्स एक श्रृंखला अभिक्रिया में एक-दूसरे से जुड़ जाते हैं।

• संघनन बहुलकीकरण (Condensation polymerization) तब होता है जब क्रियात्मक समूह वाले मोनोमर्स आपस में अभिक्रिया करके एक बहुलक बनाते हैं। क्रियात्मक समूह आपस में अभिक्रिया करके एक बंध बनाते हैं, और एक छोटा अणु, जैसे कि पानी, मुक्त होता है।

बहुलकीकरण की शब्दावली

मोनोमर (Monomer):

• एक छोटा अणु जो स्वयं या अन्य मोनोमर्स के साथ अभिक्रिया करके एक बहुलक बना सकता है।

बहुलक (Polymer):

• मोनोमर्स से प्राप्त दोहराए जाने वाले संरचनात्मक इकाइयों से बना एक बड़ा अणु।

बहुलकीकरण (Polymerization):

• वह प्रक्रिया जिसके द्वारा मोनोमर्स आपस में जुड़कर बहुलक बनाते हैं।

योगात्मक बहुलकीकरण (Addition Polymerization):

• बहुलकीकरण का एक प्रकार जिसमें मोनोमर्स किसी भी परमाणु के ह्रास के बिना एक-दूसरे से जुड़ते हैं।

संघनन बहुलकीकरण (Condensation Polymerization):

• बहुलकीकरण का एक प्रकार जिसमें मोनोमर्स छोटे अणुओं, जैसे कि पानी, के ह्रास के साथ एक-दूसरे से अभिक्रिया करते हैं।

मुक्त मूलक बहुलकीकरण (Free Radical Polymerization):

• योगात्मक बहुलकीकरण का एक प्रकार जिसमें अभिक्रिया आरंभ करने के लिए मुक्त मूलकों का उपयोग किया जाता है।

आयनिक बहुलकीकरण (Ionic Polymerization):

• योगात्मक बहुलकीकरण का एक प्रकार जिसमें अभिक्रिया आरंभ करने के लिए आयनों का उपयोग किया जाता है।

ज़ीग्लर-नाटा बहुलकीकरण (Ziegler-Natta Polymerization):

• समन्वय बहुलकीकरण का एक प्रकार जिसमें बहुलक की स्टीरियोरसायन को नियंत्रित करने के लिए एक संक्रमण धातु उत्प्रेरक का उपयोग किया जाता है।

मेटाथेसिस बहुलकीकरण (Metathesis Polymerization):

• बहुलकीकरण का एक प्रकार जिसमें दो बहुलक एक-दूसरे के साथ मोनोमर्स का आदान-प्रदान करते हैं।

वलय-विदारण बहुलकीकरण (Ring-Opening Polymerization):

• बहुलकीकरण का एक प्रकार जिसमें एक चक्रीय मोनोमर खुलता है और बहुलकीकृत होता है।

अनुप्रस्थ-संयोजन (Cross-Linking):

• बहुलक श्रृंखलाओं के बीच सहसंयोजक बंध बनाने की प्रक्रिया।

बहुलकीकरण की मात्रा (Degree of Polymerization):

• एक बहुलक श्रृंखला में मोनोमर्स की औसत संख्या।

आणविक भार (Molecular Weight):

• एक बहुलक अणु का द्रव्यमान।

कांच संक्रमण तापमान (Glass Transition Temperature):

• वह तापमान जिस पर एक बहुलक कांच जैसी अवस्था से रबर जैसी अवस्था में परिवर्तित होता है।

गलनांक (Melting Point):

• वह तापमान जिस पर एक बहुलक पिघलता है और द्रव बन जाता है।

स्फटिकता (Crystallinity):

• वह सीमा जिस तक एक बहुलक क्रिस्टलीय होता है।

अनाकार (Amorphous):

• एक बहुलक जो क्रिस्टलीय नहीं होता।

सिन्डियोटैक्टिक (Syndiotactic):

• एक बहुलक जिसमें मोनोमर इकाइयाँ एक नियमित वैकल्पिक शीर्ष-से-पुच्छ क्रम में व्यवस्थित होती हैं।

आइसोटैक्टिक (Isotactic):

• एक बहुलक जिसमें मोनोमर इकाइयाँ एक नियमित शीर्ष-से-शीर्ष या पुच्छ-से-पुच्छ क्रम में व्यवस्थित होती हैं।

एटैक्टिक (Atactic):

• एक बहुलक जिसमें मोनोमर इकाइयाँ एक यादृच्छिक क्रम में व्यवस्थित होती हैं।

सहबहुलक (Copolymer):

• एक बहुलक जो दो या दो से अधिक विभिन्न प्रकार के मोनोमर्स से बना होता है।

समबहुलक (Homopolymer):

• एक बहुलक जो केवल एक प्रकार के मोनोमर से बना होता है।

खंड सहबहुलक (Block Copolymer):

• एक सहबहुलक जिसमें विभिन्न प्रकार के मोनोमर्स खंडों में व्यवस्थित होते हैं।

प्रतिरोपण सहबहुलक (Graft Copolymer):

• एक सहबहुलक जिसमें विभिन्न प्रकार के मोनोमर्स एक समबहुलक की मुख्य श्रृंखला पर प्रतिरोपित किए जाते हैं।

यादृच्छिक सहबहुलक (Random Copolymer):

• एक सहबहुलक जिसमें विभिन्न प्रकार के मोनोमर्स एक यादृच्छिक क्रम में व्यवस्थित होते हैं।

एकांतर सहबहुलक (Alternating Copolymer):

• एक सहबहुलक जिसमें विभिन्न प्रकार के मोनोमर्स एक-दूसरे के साथ एकांतर होते हैं।

बहुलकों के लक्षण

बहुलक बड़े अणु होते हैं जो मोनोमर्स नामक दोहराए जाने वाले संरचनात्मक इकाइयों से बने होते हैं। वे अद्वितीय गुण प्रदर्शित करते हैं जो उन्हें अन्य पदार्थों से अलग करते हैं। बहुलकों के कुछ प्रमुख लक्षण यहां दिए गए हैं:

1. उच्च आणविक भार:

बहुलकों का उच्च आणविक भार होता है, जो आमतौर पर हजारों से लाखों ग्राम प्रति मोल तक होता है। यह उच्च आणविक भार उनकी शक्ति और स्थायित्व में योगदान देता है।

2. श्रृंखला संरचना:

बहुलक दोहराए जाने वाले मोनोमर इकाइयों की लंबी श्रृंखलाओं से बने होते हैं। ये श्रृंखलाएं रैखिक, शाखित या अनुप्रस्थ-संयोजित हो सकती हैं, जो बहुलक के गुणों और व्यवहार को प्रभावित करती हैं।

3. मोनोमर संघटन:

बहुलकीकरण प्रक्रिया में उपयोग किए जाने वाले मोनोमर का प्रकार बहुलक के संघटन और गुणों को निर्धारित करता है। बहुलक समबहुलक हो सकते हैं, जो एक प्रकार के मोनोमर से बने होते हैं, या सहबहुलक हो सकते हैं, जो दो या दो से अधिक विभिन्न मोनोमर्स से बनते हैं।

4. स्फटिकता:

बहुलक या तो क्रिस्टलीय या अनाकार हो सकते हैं। क्रिस्टलीय बहुलकों में उनकी आणविक श्रृंखलाओं की एक नियमित, क्रमबद्ध व्यवस्था होती है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च शक्ति और कठोरता होती है। दूसरी ओर, अनाकार बहुलकों में एक अव्यवस्थित आणविक संरचना होती है, जो उन्हें अधिक लचीला और पारदर्शी बनाती है।

5. कांच संक्रमण तापमान (Tg):

गर्म करने पर बहुलक एक कांच संक्रमण से गुजरते हैं। कांच संक्रमण तापमान से नीचे, बहुलक एक कठोर, कांच जैसी सामग्री की तरह व्यवहार करता है। Tg से ऊपर, यह नरम और अधिक लचीला हो जाता है। यह संक्रमण बहुलकों की प्रसंस्करण और अनुप्रयोग स्थितियों को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण है।

6. गलनांक (Tm):

क्रिस्टलीय बहुलकों का एक गलनांक होता है, जो वह तापमान है जिस पर बहुलक ठोस अवस्था से द्रव अवस्था में परिवर्तित होता है। अनाकार बहुलकों का एक विशिष्ट गलनांक नहीं होता बल्कि एक कांच संक्रमण तापमान होता है।

7. तन्य शक्ति:

बहुलक तन्य शक्ति की विभिन्न मात्राएं प्रदर्शित करते हैं, जो तन्य प्रतिबल के तहत टूटने का प्रतिरोध है। एक बहुलक की तन्य शक्ति उसकी आणविक संरचना, स्फटिकता और अनुप्रस्थ-संयोजन घनत्व पर निर्भर करती है।

8. प्रत्यास्थता:

बहुलक प्रत्यास्थ हो सकते हैं, जिसका अर्थ है कि वे विरूपण से गुजर सकते हैं और प्रतिबल हटाए जाने पर अपने मूल आकार में वापस आ सकते हैं। यह गुण रबर बैंड और प्रत्यास्थ रेशों जैसे अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है।

9. विद्युत और ऊष्मीय चालकता:

बहुलक आमतौर पर बिजली और गर्मी के खराब चालक होते हैं। हालांकि, कुछ बहुलक, जैसे कि चालक बहुलक, बेहतर विद्युत चालकता प्रदर्शित करने के लिए विकसित किए गए हैं।

10. जैवअपघटनीयता:

कुछ बहुलक जैवअपघटनीय होते हैं, जिसका अर्थ है कि उन्हें सरल पदार्थों में प्राकृतिक प्रक्रियाओं द्वारा तोड़ा जा सकता है। जैवअपघटनीय बहुलक पर्यावरण के अनुकूल होते हैं और पैकेजिंग और कृषि में अनुप्रयोग पाते हैं।

11. बहुमुखी प्रतिभा:

बहुलक अपने गुणों और अनुप्रयोगों के संदर्भ में अत्यधिक बहुमुखी प्रतिभा प्रदान करते हैं। मोनोमर संघटन, आणविक भार और प्रसंस्करण स्थितियों को बदलकर उन्हें विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए तैयार किया जा सकता है।

संक्षेप में, बहुलकों में विभिन्न विशेषताओं की एक विस्तृत श्रृंखला होती है जो उन्हें विभिन्न उद्योगों में मूल्यवान सामग्री बनाती है। उनका उच्च आणविक भार, श्रृंखला संरचना और विविध गुण उन्हें पैकेजिंग और निर्माण से लेकर वस्त्र और जैवचिकित्सा उपकरणों तक के अनुप्रयोगों में उपयोग करने में सक्षम बनाते हैं।

बहुलकों का वर्गीकरण

बहुलकों को उनकी रासायनिक संरचना, ऊष्मीय गुणों और विलायकों में व्यवहार जैसे विभिन्न मानदंडों के आधार पर विभिन्न श्रेणियों में वर्गीकृत किया जाता है। बहुलकों के कुछ सामान्य वर्गीकरण यहां दिए गए हैं:

1. रासायनिक संरचना द्वारा वर्गीकरण:

1.1 समबहुलक (Homopolymers):

• एक ही मोनोमर की दोहराई जाने वाली इकाइयों से बने होते हैं।
• उदाहरण: पॉलीइथाइलीन (PE), पॉलीस्टाइरीन (PS), पॉलीविनाइल क्लोराइड (PVC)।

1.2 सहबहुलक (Copolymers):

• दो या दो से अधिक विभिन्न मोनोमर्स के बहुलकीकरण द्वारा बनते हैं।
• इन्हें आगे वर्गीकृत किया जा सकता है:
  • यादृच्छिक सहबहुलक (Random copolymers): मोनोमर्स बहुलक श्रृंखला के साथ यादृच्छिक रूप से व्यवस्थित होते हैं।
  • एकांतर सहबहुलक (Alternating copolymers): मोनोमर्स बहुलक श्रृंखला के साथ नियमित रूप से एकांतर होते हैं।
  • खंड सहबहुलक (Block copolymers): विभिन्न मोनोमर्स के लगातार खंड।
  • प्रतिरोपण सहबहुलक (Graft copolymers): एक मोनोमर प्रकार की शाखाएं दूसरे मोनोमर प्रकार की मुख्य श्रृंखला पर प्रतिरोपित की जाती हैं।

1.3 त्रिबहुलक (Terpolymers):

• तीन विभिन्न मोनोमर इकाइयों से बने होते हैं।

2. ऊष्मीय गुणों द्वारा वर्गीकरण:

2.1 तापसुघट्य (Thermoplastics):

• गर्म करने पर नरम और ढलने योग्य हो जाते हैं, और ठंडा करने पर ठोस हो जाते हैं।
• बिना महत्वपूर्ण अवक्रमण के बार-बार नरम और ठोस किए जा सकते हैं।
• उदाहरण: पॉलीइथाइलीन (PE), पॉलीप्रोपाइलीन (PP), पॉलीस्टाइरीन (PS)।

2.2 तापदृढ़ (Thermosets):

• गर्म करने पर अपरिवर्तनीय रासायनिक परिवर्तनों से गुजरते हैं, एक कठोर, अनुप्रस्थ-संयोजित नेटवर्क संरचना बनाते हैं।
• एक बार क्योर हो जाने के बाद पिघलाए या पुनः आकारित नहीं किए जा सकते।
• उदाहरण: एपॉक्सी रेजिन, फिनॉलिक रेजिन, सिलिकॉन रबर।

2.3 प्रत्यास्थक (Elastomers):

• उच्च प्रत्यास्थता प्रदर्शित करते हैं और बिना टूटे बड़े विरूपण से गुजर सकते हैं।
• प्रतिबल मुक्त होने पर अपने मूल आकार को पुनः प्राप्त कर लेते हैं।
• उदाहरण: प्राकृतिक रबर, स्टाइरीन-ब्यूटाडाईन रबर (SBR), पॉलीयूरेथेन (PU)।

3. विलायकों में व्यवहार द्वारा वर्गीकरण:

3.1 अनाकार बहुलक (Amorphous Polymers):

• परमाणुओं या अणुओं की नियमित, दोहराई जाने वाली व्यवस्था नहीं होती।
• आमतौर पर पारदर्शी या अर्धपारदर्शी।
• उदाहरण: पॉलीस्टाइरीन (PS), पॉलीमेथिल मेथाक्राइलेट (PMMA)।

3.2 क्रिस्टलीय बहुलक (Crystalline Polymers):

• परमाणुओं या अणुओं की एक नियमित, दोहराई जाने वाली व्यवस्था होती है, जो क्रिस्टलीय क्षेत्र बनाती है।
• आमतौर पर अपारदर्शी या अर्धपारदर्शी।
• उदाहरण: पॉलीइथाइलीन (PE), पॉलीप्रोपाइलीन (PP), नायलॉन।

4. अन्य वर्गीकरण:

4.1 जैवअपघटनीय बहुलक (Biodegradable Polymers):

• सूक्ष्मजीवों जैसी प्राकृतिक प्रक्रियाओं द्वारा विघटित होने में सक्षम।
• उदाहरण: पॉलीलैक्टिक अम्ल (PLA), पॉलीहाइड्रॉक्सीएल्कानोएट्स (PHAs)।

4.2 चालक बहुलक (Conductive Polymers):

• संयुग्मित द्वि-बंधों या अन्य चालक समूहों की उपस्थिति के कारण विद्युत चालकता प्रदर्शित करते हैं।
• उदाहरण: पॉलीएसिटिलीन, पॉलीएनिलीन, पॉलीपायरोल।

4.3 क्रियात्मक बहुलक (Functional Polymers):

• विशिष्ट क्रियात्मक समूह या गुण रखते हैं जो उन्हें विशेष कार्य करने में सक्षम बनाते हैं।
• उदाहरण: आयन-विनिमय रेजिन, हाइड्रोजेल, अग्निरोधी बहुलक।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि ये वर्गीकरण परस्पर अनन्य नहीं हैं, और कुछ बहुलक एक से अधिक श्रेणियों में आ सकते हैं। एक बहुलक के विशिष्ट गुण और अनुप्रयोग उसकी रासायनिक संरचना, आणविक भार और प्रसंस्करण स्थितियों पर निर्भर करते हैं।

तापदृढ़ और तापसुघट्य बहुलकों के बीच अंतर

बहुलक बड़े अणु होते हैं जो मोनोमर्स नामक दोहराई जाने वाली इकाइयों से बने होते हैं। उन्हें ऊष्मा के प्रति उनकी प्रतिक्रिया के आधार पर दो मुख्य प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है: तापदृढ़ और तापसुघट्य बहुलक।

तापदृढ़ बहुलक (Thermosetting Polymers)

तापदृढ़ बहुलक, जिन्हें अनुप्रस्थ-संयोजित बहुलक के रूप में भी जाना जाता है, गर्म करने पर एक रासायनिक परिवर्तन से गुजरते हैं, जिससे एक कठोर, त्रि-आयामी नेटवर्क संरचना बनती है। इस प्रक्रिया को क्यूरिंग कहा जाता है, यह अपरिवर्तनीय है, जिसका अर्थ है कि एक बार क्योर हो जाने के बाद बहुलक को पिघलाया या पुनः आकारित नहीं किया जा सकता।

तापदृढ़ बहुलकों के गुण:

• उच्च शक्ति और कठोरता: तापदृढ़ बहुलक अपनी उच्च शक्ति और कठोरता के लिए जाने जाते हैं, जो उन्हें संरचनात्मक अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाते हैं।
• उच्च तापमान प्रतिरोध: उनमें ऊष्मा का उच्च प्रतिरोध होता है और वे बिना पिघले या विकृत हुए उच्च तापमान को सहन कर सकते हैं।
• कम विद्युत चालकता: तापदृढ़ बहुलक बिजली के खराब चालक होते हैं, जो उन्हें विद्युत इन्सुलेशन अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी बनाते हैं।
• विलायकों के प्रति प्रतिरोधी: वे विलायकों और रसायनों के प्रति प्रतिरोधी होते हैं, जो उन्हें कठोर वातावरण में उपयोग के लिए उपयुक्त बनाते हैं।
• तापदृढ़ बहुलकों के उदाहरण:
  • एपॉक्सी रेजिन
  • पॉलिएस्टर रेजिन
  • फिनॉलिक रेजिन
  • सिलिकॉन रेजिन
  • वल्केनाइज्ड रबर

तापसुघट्य बहुलक (Thermoplastic Polymers)

तापसुघट्य बहुलक, जिन्हें रैखिक बहुलक के रूप में भी जाना जाता है, गर्म करने पर नरम और ढलने योग्य हो जाते हैं और ठंडा करने पर ठोस हो जाते हैं। यह प्रक्रिया प्रतिवर्ती है, जिसका अर्थ है कि बहुलक को बिना किसी रासायनिक परिवर्तन के बार-बार पिघलाया और पुनः आकारित किया जा सकता है।

तापसुघट्य बहुलकों के गुण:

• कम शक्ति और कठोरता: तापसुघट्य बहुलक आम तौर पर तापदृढ़ बहुलकों की तुलना में कम मजबूत और कठोर होते हैं।
• कम तापमान प्रतिरोध: उनमें ऊष्मा का प्रतिरोध कम होता है और वे अपेक्षाकृत कम तापमान पर पिघल या विकृत हो सकते हैं।
• उच्च विद्युत चालकता: तापसुघट्य बहुलक तापदृढ़ बहुलकों की तुलना में बिजली के बेहतर चालक होते हैं।
• विलायकों में घुलनशील: वे कुछ विलायकों में घुलनशील होते हैं, जो उन्हें रासायनिक आक्रमण के प्रति संवेदनशील बनाते हैं।
• तापसुघट्य बहुलकों के उदाहरण:
  • पॉलीइथाइलीन (PE)
  • पॉलीप्रोपाइलीन (PP)
  • पॉलीविनाइल क्लोराइड (PVC)
  • पॉलीस्टाइरीन (PS)
  • पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थालेट (PET)

तुलना सारणी

अनुप्रयोग

तापदृढ़ बहुलकों का उपयोग अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में किया जाता है, जिनमें शामिल हैं:

• ऑटोमोबाइल, विमान और नावों में संरचनात्मक घटक
• विद्युत इन्सुलेशन
• चिपकने वाले
• लेप
• संमिश्र

तापसुघट्य बहुलकों का भी अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में उपयोग किया जाता है, जिनमें शामिल हैं:

• पैकेजिंग
• बोतलें और कंटेनर
• खिलौने
• उपकरण
• ऑटोमोटिव पुर्जे

तापदृढ़ और तापसुघट्य बहुलक बहुलकों की दो महत्वपूर्ण श्रेणियां हैं जिनके विशिष्ट गुण और अनुप्रयोग हैं। एक विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए सही सामग्री का चयन करने के लिए इन दो प्रकार के बहुलकों के बीच के अंतर को समझना आवश्यक है।

बहुलकीकरण के प्रकार

बहुलकीकरण वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा मोनोमर्स आपस में जुड़कर बहुलक बनाते हैं। बहुलकीकरण के दो मुख्य प्रकार हैं: योगात्मक बहुलकीकरण और संघनन बहुलकीकरण।

योगात्मक बहुलकीकरण (Addition Polymerization)

योगात्मक बहुलकीकरण में, मोनोमर्स एक बढ़ती हुई बहुलक श्रृंखला में एक-एक करके जोड़े जाते हैं। मोनोमर्स आमतौर पर असंतृप्त होते हैं, जिसका अर्थ है कि उनमें कार्बन परमाणुओं के बीच द्वि-बंध या त्रि-बंध होते हैं। बहुलकीकरण के दौरान द्वि-बंध या त्रि-बंध टूट जाते हैं, और मोनोमर्स एकल बंधों द्वारा आपस में जुड़ जाते हैं।

योगात्मक बहुलकीकरण एक श्रृंखला-वृद्धि प्रक्रिया है, जिसका अर्थ है कि बहुलक श्रृंखला एक समय में एक मोनोमर के योग से बढ़ती है। बहुलकीकरण की दर मोनोमर की सांद्रता और तापमान से निर्धारित होती है।

योगात्मक बहुलकों के कुछ उदाहरणों में पॉलीइथाइलीन, पॉलीप्रोपाइलीन और पॉलीविनाइल क्लोराइड शामिल हैं।

संघनन बहुलकीकरण (Condensation Polymerization)

संघनन बहुलकीकरण में, मोनोमर्स दो क्रियात्मक समूहों के बीच एक सहसंयोजक बंध बनने से आपस में जुड़ते हैं। क्रियात्मक समूह आमतौर पर हाइड्रॉक्सिल समूह