פרק 12: פולימרים

בפרקים הקודמים עסקנו במתכות, בקרמיקות ובזכוכיות. כעת נפנה למשפחת החומרים השלישית — ומן החשובות ביותר בהנדסה המודרנית — הפולימרים.

פולימרים נמצאים כמעט בכל תחום של חיי היום-יום:

• אריזות;
• טקסטיל;
• תחבורה;
• אלקטרוניקה;
• רפואה;
• בנייה.

לעיתים קרובות הם מחליפים מתכות וקרמיקות, בזכות שילוב של משקל נמוך, מחיר נמוך וקלות עיבוד.

---

12.1 מהו פולימר

המילה “פולימר” מורכבת משתי מילים יווניות:

פולי (poly) = רבים
מר  (meros) = יחידה

פולימר הוא חומר הבנוי ממולקולות ארוכות מאוד, המורכבות מחזרות רבות של יחידות קטנות יותר. אפשר לדמות מולקולת פולימר לשרשרת ארוכה הבנויה ממספר רב של חוליות זהות. במקרים רבים מספר היחידות החוזרות מגיע לאלפים ואף למיליונים.

מונומר, מר ודרגת הפילמור

כאן חשוב להבחין בין שני מושגים שקל לבלבל ביניהם:

• מונומר (monomer) — המולקולה הקטנה והעצמאית שממנה מתחילים, לפני התגובה. זהו חומר הגלם;
• מר (mer), או יחידת המבנה — היחידה המבנית החוזרת בתוך השרשרת המוכנה.

ההבחנה אינה קוסמטית: בתגובה, המונומר משנה את מבנהו. לכן המר אינו זהה למונומר — הוא “מה שנשאר” מן המונומר לאחר שנקשר לשכניו.

מספר היחידות החוזרות בשרשרת נקרא דרגת הפילמור (Degree of Polymerization, מסומן $n$ או $DP$). המסה המולקולרית של הפולימר היא, בקירוב:

$M_{polymer}=n\cdot M_{mer}$

כלומר מסת המר כפול דרגת הפילמור. דרגת פילמור גבוהה פירושה שרשראות ארוכות יותר, ובדרך כלל חוזק וקשיחות גבוהים יותר.

דוגמה: פילמור (פולימריזציה) של פוליאתילן

הדוגמה הפשוטה והחשובה ביותר היא ייצור הפוליאתילן מן המונומר אתילן (אתֶן). המפתח להבנת התגובה הוא הקשר הכפול שבמונומר.

המונומר הוא אתילן, ובו קשר כפול בין שני אטומי הפחמן:

$C{H}_2=C{H}_2$

בתנאי התגובה (חום, לחץ וזרז), הקשר הכפול נשבר: אחד משני הקשרים שבין אטומי הפחמן נפתח ומשתחרר לקשירת שכנים. הקצוות ה”פתוחים” של מולקולה אחת נקשרים לקצוות של מולקולות אתילן נוספות, וכך נבנית שרשרת ארוכה:

$n(C{H}_2=C{H}_2)⟶-(C{H}_2-C{H}_2){-}_n$

שים לב להבדל בין המונומר למר:

• המונומר הוא $C{H}_2=C{H}_2$ — עם קשר כפול;
• המר (היחידה החוזרת) הוא $-C{H}_2-C{H}_2-$ — עם קשרים יחידים בלבד, וקצוות הקשורים לשכנים.

זוהי דוגמה לפולימריזציית שרשרת (chain / addition polymerization): המונומרים פשוט “נוספים” זה לזה, ללא תוצר לוואי. נשוב לסוגי התגובות בסעיף 12.8.

---

פולימרים טבעיים ופולימרים סינתטיים

פולימרים אינם המצאה אנושית — הם קיימים בשפע בטבע, ולמעשה החיים עצמם בנויים עליהם. דוגמאות חשובות:

• תאית (cellulose) — הפולימר הנפוץ ביותר בטבע, מרכיב דפנות התא בצמחים;
• עמילן (starch);
• חלבונים (פולימרים של חומצות אמינו);
• חומצה דזוכסיריבו-נוקלאית DNA (פולימר נושא המידע התורשתי).

הפולימרים ההנדסיים, לעומת זאת, מיוצרים בדרך כלל באופן סינתטי:

• פוליאתילן;
• פוליפרופילן;
• פוליסטירן;
• ניילון.

---

12.2 מבנה מולקולרי

תכונותיהם של פולימרים נקבעות במידה רבה על ידי מבנה השרשראות המולקולריות — לא רק מהרכבן הכימי, אלא מצורתן ומאופן סידורן.

שרשראות ליניאריות

בפולימרים ליניאריים המולקולות דומות לחוטים ארוכים ורציפים. שרשראות אלה יכולות להסתדר זו לצד זו ולהחליק זו ביחס לזו. כתוצאה מכך מתקבלים לעיתים חומרים גמישים, קלים לעיבוד וניתנים להתכה.

שרשראות מסועפות

בפולימרים מסועפים יוצאות מן השרשרת הראשית שרשראות צד. ההסתעפויות “מפריעות” לשרשראות להצטופף זו לצד זו, ולכן משפיעות על:

• צפיפות (הסתעפות רבה → צפיפות נמוכה יותר);
• מידת הגבישיות;
• התכונות המכניות.

דוגמה מאלפת היא ההבדל בין פוליאתילן בצפיפות גבוהה (HDPE), שהוא ליניארי בעיקרו וצפוף וקשיח, לבין פוליאתילן בצפיפות נמוכה (LDPE), המסועף מאוד ולכן רך וגמיש — אותו מונומר בדיוק, ובכל זאת חומרים שונים, בשל מבנה השרשרת בלבד.

רישות (Cross-linking)

לעיתים נוצרים קשרים כימיים בין שרשראות שונות, ה”תופרים” אותן זו לזו. מבנה כזה נקרא מבנה מרושת. ככל שצפיפות הרישות גדלה:

• הקשיחות עולה;
• העמידות התרמית עולה;
• הגמישות פוחתת, והיכולת לזרום או להימס נעלמת.

מבנה זה חשוב במיוחד בתרמוסטים (רישות צפוף, קשיח) ובאלסטומרים (רישות דליל, גמיש) — שני סוגים שנפגוש בהמשך.

---

12.3 גבישיות בפולימרים

בניגוד למתכות ולקרמיקות, רוב הפולימרים אינם גבישיים לחלוטין. הסיבה פשוטה: קשה מאוד לשרשראות ארוכות ומפותלות להסתדר בסדר מושלם. גם כאשר קיימים אזורים גבישיים, הם מתקיימים לצד אזורים אמורפיים. לכן מרבית הפולימרים הם חומרים חצי-גבישיים (semi-crystalline).

אזורים גבישיים

באזורים הגבישיים השרשראות מקופלות ומסודרות בצורה הדוקה ומסודרת. אזורים אלה תורמים ל:

• חוזק;
• קשיחות;
• עמידות כימית.

אזורים אמורפיים

באזורים האמורפיים השרשראות סבוכות באקראי, כמו קערת ספגטי. אזורים אלה אחראים במידה רבה ל:

• גמישות;
• שקיפות;
• התנהגות ויסקו-אלסטית.

השפעת מידת הגבישיות

עלייה במידת הגבישיות גורמת בדרך כלל ל:

• עלייה בחוזק;
• עלייה בקשיחות;
• עלייה בצפיפות (השרשראות צפופות יותר);
• ירידה בשקיפות (האזורים הגבישיים מפזרים אור — ולכן פולימר גבישי נוטה להיות עכור, בעוד פולימר אמורפי יכול להיות שקוף).

---

12.4 גבישים נוזליים

גבישים נוזליים (Liquid Crystals) מהווים מצב ביניים מרתק בין נוזל לבין גביש. בחומרים אלה קיימת מידה מסוימת של סדר מולקולרי (המולקולות, לרוב מאורכות, נוטות להצביע לכיוון משותף), אך החומר עדיין מסוגל לזרום כמו נוזל.

גבישים נוזליים בצגים

היישום המוכר ביותר הוא מסכי LCD (Liquid Crystal Display). העיקרון: בהפעלת שדה חשמלי ניתן לשנות את כיוון המולקולות, וכך לשלוט במעבר האור דרך כל פיקסל — לפתוח או לחסום אותו. כל המסכים השטוחים שאנו מכירים מבוססים על עיקרון זה.

פולימרים גבישיים-נוזליים

קיימים גם פולימרים בעלי מבנה גבישי-נוזלי (LCP), שבהם השרשראות הקשיחות מסתדרות בכיוון משותף כבר במצב המותך. סידור זה מקנה להם שילוב יוצא דופן של:

• חוזק גבוה;
• קשיחות גבוהה;
• משקל נמוך.

דוגמה מפורסמת היא הסיב קוולר (Kevlar), המשמש באפודים נגד ירי.

---

12.5 תרמופלסטים ותרמוסטים

אחת החלוקות החשובות ביותר של פולימרים היא לפי תגובתם לחימום — והיא נובעת ישירות ממבנה השרשראות (סעיף 12.2).

תרמופלסטים

תרמופלסטים (thermoplastics) בנויים משרשראות נפרדות, שאינן קשורות זו לזו בקשרים כימיים. לכן הם מתרככים בחימום ומתקשים מחדש בקירור, ותהליך זה הפיך בעיקרו. בחימום, השרשראות מקבלות חופש לזרום זו ביחס לזו; בקירור הן “קופאות” שוב. מכאן שניתן:

• להתיך;
• לעצב מחדש;
• למחזר.

דוגמאות: PE, PP, PVC, PET.

תרמוסטים

תרמוסטים (thermosets) עוברים במהלך הייצור תגובת רישות היוצרת רשת תלת-ממדית אחת ענקית, שבה כל השרשראות קשורות זו לזו בקשרים כימיים. לאחר השלמת הרישות הם אינם ניתכים עוד — אין שרשראות נפרדות שיכולות לזרום. בחימום חזק הם מתפרקים (נשרפים) במקום להימס.

דוגמאות: אפוקסי, בקליט, שרפים פנוליים.

השוואה

תרמופלסטים	תרמוסטים
ניתנים להתכה חוזרת	אינם ניתנים להתכה
קלים למחזור	קשים למחזור
גמישים יחסית	קשיחים יותר
עיבוד פשוט	יציבות תרמית גבוהה יותר

---

12.6 אלסטומרים

אלסטומרים (elastomers) הם פולימרים בעלי יכולת לעבור דפורמציה גדולה מאוד — מאות אחוזים — ולחזור כמעט לחלוטין לצורתם המקורית עם הסרת העומס. הדוגמה המוכרת ביותר היא הגומי.

מקור האלסטיות

האלסטיות באלסטומרים שונה במהותה מזו של מתכות, וזו נקודה מושגית חשובה:

• במתכות, האלסטיות נובעת ממתיחת קשרים אטומיים — מרחק קטן מאוד שהאטומים מוסטים ממיקום שיווי המשקל. לכן הדפורמציה האלסטית במתכת קטנה (אחוזים בודדים);
• באלסטומרים, האלסטיות קשורה בשינוי צורתן של השרשראות הארוכות. במצב הרפוי השרשראות מקופלות ומפותלות באקראי; במתיחה הן נמתחות ומתיישרות. כאשר העומס מוסר, התנועה התרמית מחזירה אותן למצב המפותל, האקראי והסביר יותר. מכאן הדפורמציה העצומה וההפיכה.

האלסטומרים מרושתים בצפיפות נמוכה: די בכמה “תפרים” בין השרשראות כדי שהחומר “יזכור” את צורתו ויחזור אליה, אך לא כל כך הרבה שימנעו את המתיחה. תהליך יצירת הרישות בגומי נקרא וולקניזציה.

דוגמאות

• גומי טבעי;
• SBR (גומי סטירן-בוטדיאן, בצמיגים);
• סיליקון;
• ניאופרן.

---

12.7 תכונות מכניות

התנהגותם המכנית של פולימרים מורכבת יותר מזו של מתכות, והסיבה היא תנועת השרשראות המולקולריות, התלויה בטמפרטורה ובזמן.

ויסקו-אלסטיות

פולימרים רבים מפגינים התנהגות ביניים בין:

• מוצק אלסטי (המגיב מיד ומחזיר את כל האנרגיה);
• נוזל צמיג (הזורם ומפזר אנרגיה).

תופעה זו נקראת ויסקו-אלסטיות (viscoelasticity). המשמעות המעשית: תגובת החומר תלויה לא רק בגודל העומס, אלא גם בזמן ובקצב ההעמסה. אותו פולימר עשוי להיות קשיח תחת מכה מהירה, ורך תחת עומס איטי וממושך.

זחילה (Creep)

כאשר מופעל עומס קבוע לאורך זמן, הפולימר ממשיך להתעוות בהדרגה — השרשראות “מחליקות” לאט זו ביחס לזו. תופעה זו נקראת זחילה. בפולימרים היא משמעותית הרבה יותר מאשר במתכות בטמפרטורת החדר. דוגמה יומיומית: מדף פלסטיק עמוס שמתעקל לאורך חודשים.

עייפות (Fatigue)

גם פולימרים עלולים להיכשל כתוצאה מהעמסה מחזורית חוזרת, גם אם כל עומס בנפרד קטן מן הסף. תופעת העייפות חשובה במיוחד ב:

• רכיבים מכניים נעים;
• צנרת;
• שתלים רפואיים;
• רכיבי רכב.

---

12.8 סינתזה של פולימרים

פולימרים נוצרים בתגובות כימיות הבונות שרשראות ארוכות ממולקולות קטנות. שתי משפחות התגובות העיקריות נבדלות בשאלה אחת פשוטה: האם נוצר תוצר לוואי?

פולימריזציה (פילמור שרשרת / תוספת)

בפולימריזציית תוספת, יחידות המונומר מתחברות זו לזו ללא יצירת תוצר לוואי — כל אטומי המונומר נכנסים לשרשרת. זהו המנגנון שראינו עבור הפוליאתילן בסעיף 12.1, והוא אופייני למונומרים בעלי קשר כפול הנשבר ונפתח לקשירה.

דוגמאות: פוליאתילן, פוליפרופילן, פוליסטירן.

פוליקונדנסציה (רב-עיבוי)

בפוליקונדנסציה, חיבור המונומרים מלווה בשחרור מולקולה קטנה כתוצר לוואי בכל צעד. המולקולה המשתחררת יכולה להיות:

• מים;
• מתנול;
• HCl.

כאן המונומרים נושאים קצוות פעילים (קבוצות פונקציונליות) המגיבים זה עם זה ופולטים את המולקולה הקטנה. דוגמאות חשובות: ניילון, פוליאסטרים, פוליקרבונט.

---

12.9 תוספים לפולימרים

פולימרים הנדסיים כמעט אף פעם אינם “נקיים” — הם מכילים מגוון תוספים (additives). לעיתים קרובות התוספים קובעים את תכונות המוצר הסופי לא פחות מן הפולימר עצמו, ולעיתים אף יותר.

סוגי תוספים נפוצים

• חומרי מילוי (fillers) — להוזלה ולחיזוק;
• פיגמנטים — לצבע;
• מייצבים — נגד התפרקות בחום ובאור;
• מעכבי בעירה;
• חומרי סיכה (לעיבוד);
• סיבים מחזקים (זכוכית, פחמן).

השפעת התוספים

באמצעות תוספים ניתן לשנות:

• חוזק וקשיחות;
• צבע;
• מוליכות חשמלית;
• עמידות תרמית;
• עמידות לקרינת UV.

דוגמה מוכרת: PVC טהור הוא קשיח (צינורות), אך בהוספת מרכך (plasticizer) הוא הופך גמיש (בידוד כבלים, ריצוף, וילונות מקלחת) — אותו פולימר, שתי תכונות הפוכות, הכול בזכות תוסף.

---

12.10 פולימרים הנדסיים נפוצים

פוליאתילן (PE)

מחיר נמוך, עמידות כימית טובה ועיבוד קל. הפולימר המיוצר ביותר בעולם. קיים בגרסאות צפיפות שונות (HDPE קשיח, LDPE גמיש), כפי שראינו בסעיף 12.2.

פוליפרופילן (PP)

קשיחות גבוהה יותר מ-PE, עמידות כימית טובה ומשקל נמוך. נפוץ באריזות, ברכיבי רכב ובמכלים העמידים לחום (כמו מכלי מיקרוגל).

פוליוויניל כלוריד (PVC)

נפוץ בצנרת, בבידוד חשמלי ובחומרי בנייה. גמיש או קשיח, לפי כמות המרכך.

פוליאתילן טרפתלט (PET)

פוליאסטר המשמש בעיקר באריזות, בסיבי טקסטיל ובבקבוקי שתייה. ניתן למחזור היטב.

ניילון (פוליאמיד)

הפוליאמידים מצטיינים בחוזק, בעמידות שחיקה ובתכונות טריבולוגיות (חיכוך) טובות. הם משמשים לגלגלי שיניים, למיסבים, לחבלים ולגרביונים.

הערה לשונית חשובה: בעברית היומיומית נהוג לקרוא בשם “ניילון” דווקא לפוליאתילן — שקיות הניילון, יריעות הניילון בחקלאות, ועטיפות הניילון כולן עשויות פוליאתילן ולא ניילון כלל! זהו שיבוש לשוני נפוץ. הניילון ה”אמיתי” (פוליאמיד) הוא חומר אחר לגמרי: ממנו עשויים גרבי ניילון (השימוש המקורי שהקנה לו את שמו ופרסומו), חוטי דיג, מברשות שיניים, בדי מצנחים, וגלגלי שיניים הנדסיים. כדאי לשים לב להבחנה זו, שכן היא מקור בלבול תכוף.

פוליקרבונט (PC)

שקיפות גבוהה, קשיחות ועמידות הלם מצוינת. משמש לעדשות משקפיים, לתקליטורים, לקסדות מגן ולמשטחי זכוכית-תחליפית עמידי ניפוץ.

פוליאתר אתרקטון PEEK

אחד הפולימרים ההנדסיים המתקדמים ביותר, המשלב עמידות תרמית גבוהה, עמידות כימית ותכונות מכניות מצוינות. יקר מאוד, ומשמש ביישומי תעופה, חלל ושתלים רפואיים — שם הוא מחליף לעיתים מתכת.

---

סיכום הפרק

• פולימרים בנויים משרשראות מולקולריות ארוכות, החוזרות על יחידת בניין (מר) שמקורה במונומר; מספר החזרות הוא דרגת הפילמור.
• תכונותיהם מושפעות ממבנה השרשראות (ליניארי, מסועף, מרושת), ממידת הגבישיות ומצפיפות הרישות.
• פולימרים עשויים להיות תרמופלסטים (ניתכים, שרשראות נפרדות), תרמוסטים (מרושתים, אינם ניתכים) או אלסטומרים (מרושתים דלילות, גמישים מאוד).
• התנהגותם המכנית מאופיינת בויסקו-אלסטיות, בזחילה ובעייפות — וכולן תלויות בזמן ובטמפרטורה.
• פולימרים מיוצרים בעיקר בפולימריזציה (ללא תוצר לוואי) או בפוליקונדנסציה (עם שחרור מולקולה קטנה).
• תוספים מאפשרים התאמה רחבה של תכונות החומר, ולעיתים קובעים אותן לא פחות מן הפולימר עצמו.
• פולימרים הנדסיים ממלאים תפקיד מרכזי בתחבורה, באלקטרוניקה, ברפואה ובתעשייה.

בפרק הבא נראה כיצד ניתן לשלב מספר חומרים שונים במערכת אחת ולקבל תכונות שלא ניתן להשיג בחומר יחיד — החומרים המרוכבים.