کتاب واکنش های پلیمریزاسیون جلد دوم ویرایش هفتم نوشته وحید حدادی اصل توسط انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر با موضوع مهندسی مواد، مهندسی پلیمر، مهندسی شیمی به چاپ رسیده است.

تولید مواد پلیمری، محتاج دستیابی به دو علم پیوسته ی شیمی واکنش های پلیمری و مهندسی واکنش های پلیمری است. مهندسی واکنش های پلیمریزاسیون یک شاخه تخصصی و مهم از مهندسی واکنش های شیمیایی است با این تفاوت که علم شیمی و ریاضیات پلیمر ها بسیار پیچیده تر است. تعداد واکنش های شیمیایی که در واکنش پلیمریزاسیون شرکت دارند بالقوه بی شمار است و برای بیان ریاضی یک فرآیند پلیمریزاسیون ناپیوسته، به معادلات دیفرانسیل زیادی نیاز است.

معرفی مباحث کتاب واکنش های پلیمریزاسیون

۱. معادلات عمومی توزیع وزن مولکولی

توزیع وزن مولکولی در پلیمرها یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های ساختاری آن‌هاست که رفتار فیزیکی، مکانیکی و رئولوژیکی پلیمر را تعیین می‌کند. معادلات عمومی این توزیع، روابطی هستند که نحوهٔ پراکندگی جرم زنجیرهای پلیمری را بر اساس احتمال رشد، توقف یا واکنش زنجیره‌ها توصیف می‌کنند. این معادلات شامل کمیت‌هایی مانند میانگین عددی وزن مولکولی (Mn)، میانگین وزنی (Mw) و شاخص پراکندگی (PDI) بوده و بسته به نوع فرآیند پلیمریزاسیون شکل‌های متفاوتی می‌گیرند.

۲. پلیمریزاسیون مرحله‌ای (Step-Growth Polymerization)

در پلیمریزاسیون مرحله‌ای، واحدهای مونومری و الیگومری در هر مرحله می‌توانند با یکدیگر واکنش دهند و زنجیرهای بلند در مراحل پایانی تشکیل می‌شوند. سرعت رشد زنجیره مستقل از طول آن است و برای رسیدن به وزن مولکولی‌های بالا معمولاً به تبدیل نزدیک ۱۰۰٪ نیاز است. پلی‌استرها، پلی‌آمیدها و بسیاری از پلی‌یورتان‌ها از این روش تولید می‌شوند. ویژگی بارز این مکانیزم، رشد تدریجی و پراکنده بودن وزن مولکولی در تبدیل‌های پایین است.

۳. پلیمریزاسیون زنجیره‌ای (Chain-Growth Polymerization)

در این نوع پلیمریزاسیون، رشد زنجیره از طریق مراحل آغاز، رشد و اختتام انجام می‌شود و طول زنجیره به سرعت افزایش می‌یابد. تنها مونومرهای فعال می‌توانند به زنجیر در حال رشد اضافه شوند. این روش در تولید پلیمرهایی مانند پلی‌اتیلن، پلی‌وینیل کلرید و پلی‌استایرن رایج است. سرعت و کنترل وزن مولکولی در این فرآیند عمدتاً به غلظت مونومر، سرعت آغازگر و مکانیسم اختتام بستگی دارد.

۴. واکنش‌های کوپلیمریزاسیون (Copolymerization)

کوپلیمریزاسیون فرآیندی است که در آن دو یا چند مونومر مختلف به صورت هم‌زمان واکنش داده و زنجیر پلیمری با ترکیب شیمیایی متغیر تشکیل می‌شود. رفتار واکنشی مونومرها به کمک ضرایب واکنش‌پذیری (r₁ , r₂) توصیف می‌شود که تعیین‌کنندهٔ توالی قرارگیری آن‌ها در زنجیر پلیمر هستند. بسته به این ضرایب، کوپلیمرها می‌توانند تصادفی، تناوبی، بلوکی یا شاخه‌ای باشند. کنترل این واکنش‌ها برای رسیدن به خواص مورد نظر بسیار مهم است.

۵. روش‌های مدل‌سازی واکنش‌های پلیمریزاسیون

مدل‌سازی فرآیندهای پلیمریزاسیون با هدف پیش‌بینی رفتار واکنشی، توزیع وزن مولکولی، ترکیب کوپلیمر و اثر شرایط عملیاتی انجام می‌شود. مهم‌ترین روش‌ها شامل:

مدل‌های جبری و سینتیکی: بر پایه معادلات سرعت واکنش و موازنه جرم.

مدل‌های جمعیتی (Population Balance): مناسب برای پیش‌بینی توزیع وزن مولکولی و طول زنجیرها.

مدل‌های مبتنی بر شبیه‌سازی مونت‌کارلو: برای تحلیل دقیق‌تر رویدادهای تصادفی در رشد زنجیر.

مدل‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD): در راکتورهای صنعتی برای بررسی انتقال جرم و حرارت.

مدل‌های چندمقیاسی: ترکیب سینتیک، ترمودینامیک و پدیده‌های انتقال برای تحلیل جامع.