А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов - Физика в мире полимеров (1119325), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

Такой же эффект имеет место не только в случае сопо- .' лимсров, когда звенья А и Ю различаются хпмпчески, по и,", в случае гомо~очи««еров, у которых, однако, зг.енья могут: находиться в ра"личных пространственных конфигурациях. ". Для примера на рис. 2.2 схематически показаны две во:- можные конфигурации мономсрпого звена полипропилена.:. Если синтез полимера проводнтся при обычных условиях, ', то эти две конфигурации встречаются в цепи одинаково час-;, то и с.иедуют друг за другом в случайной последовательно- . сти (так называемый атактический полнпропилен). В этом! «( и Рис.

2.2. Две воз«>ожные коифигураиин монопериого звена поли- пропилена случае, очевидно, кристаллизация такого полимера невозможна. Если же производить синтез полипропилена спе-,: циальным образом, то можно в принципе получить так назы-: ваемый изотактический полипропилен, цепи которого содер-:, жат звенья, отвечающие только одной из показанных на::" рис. 2.2 конфигураций. Такой полимер легко кристалли-" зуется.

Помимо полипропилена существуе~ большое число дру- ' гих полимеров, которые при обычных условиях синтеза.-:; являются атактическими, т. е. некристаллизующимися., Упомянем те из этих полимеров, которые наиболее часто, используются в обыденной жизни: полисгирол, полиметил-.- метакрилат (плексиглас), поливинилхлорнд.

Какие же процессы происходят в некристаллизующих-': си полимерах при понижении температуры? Поскольку ин-,. тенсивность теплового движения будет при этом убывать„;. э >ергети >еские барьеры для взаимно~о движения полимер-.„! ных цепей будут становиться все более существенными.

По.:-',; тепенно это движение будет «замо(>аживаться» — сначала' па самых крупных, а потом на все меньших масштабах„.! В конце концов любое тепловое движение на масштабах,,:,' болыпих размера звена, прекратится. Такое «заморо>кенноев»( 28 онние и называется стеклообразным, а процесс перехода к этои ~тому состоянию — стеклованием. Этот переход обычно прои ° ' оисходит в достаточно узком температурном интервале близи некоторой темпе!ературы Т,.„называемой темпера;урой стеклова ния.

'узким образом, некристаллизующиеся полимеры при достаточно пизкон температуре являются стеклами. И дейвительно, вам, по-внднмому, хорошо известны более илн менее прозрачные стекла из уже упомянутых атактических полимеров — полистирола, плексигласа, поливинилхлорида (для первых двух из этих полимеров Т,, ж!00"'С, для третьего Т„ж80 "'С). Правда, обычные силикатные (окопные) стекла — не полимерный материал; они состоят яз смеси нескольких низкомолекулярных веществ — двуокиси кремния, окисей бора, натрия и кальция При охлаждении такая смесь стеклуется; физический механизм это~о — примерно такой же, как дпя полимерных стекол.

Сам термин «стекло» говорит об одном из основных практических применений таких веществ — в качестве прозрачных перегородок. Остановимся здесь на вопросе: почему большинство стеклообразных полимеров являются прозрачными материалами, а для частично-кристаллических полимероп это не таку Дело в том, что структура, показанная па рис. 2. !а, содержит множество поверхностей между кристаллической и аморфной фазами.

Свет многократно отражается па этих поверхностях и как бы «запутывается» среди ннх, в результате чего вещество не пропускает свет, т. е. теряет прозрачнгсть. В тоже время плексигласовые стекла, например, обладают однородной структурой, во всяком случае масштаб возможных неоднородностей намного меньше длины волны света. Поэтому свет проходит через такпе с~сила, не рассеиваясь.

2.3. Иластмассы Все четыре возможных состояния полимерных нашеста очень важны с точки зрения практики. !зезины ис- ~ ользуются в высокоэластичном состоянии, об этом классе веществ мы подробнее поговорим в главе б. В этом разделе мы рассмотрим пластмассы — материалы, которые хорошо известны в повседневной жизни; в пос'сдние десятилетия они широко применя*отея по многих буферах материального производства.

По определению, пластмассы — это полимерные материалы, которые в период фор- 29 моваьня изделий находятся в вязкотекучем или высоко"' эластичном состоянии, а при эксплуатации — в стеклсо~~': разном или частично-кристаллическом состоянии. Как пере-'„ водить полимер из одно~о состояния в другоей Во многих:; случаях используют изменение температурьч перерабаты-.:; вают полимер при высоких температурах, когда он пред-:. ставляет собой вязкую жидкость, затем охлаждают, гере', водя вещество в стеклообразпое или частично-крисгалли« ческое состояние (такие пластмассы называ«отея термоплас-': тами). Отметим, что некоторые полимерные материалы при,; повышении температуры, наоборот, затвердевают.

Напри-' мер, смешанная с отверднтелсм эпоксидная смола быстро-" затвердевает именно в нагретом состоянии. Причина это.: го — в более интенсивном образовании сшивок между поли-::. мерными цепями при нагревании. Такие пластмассы на»пи'- сают реактопласгами. Итак, можно видеть, что все четыре состояния полимер-:,, ных веществ так пли иначе «впосят вклад» в формирование': с юйств пластмасс — либо на стадии переработки, либо на стадии эксплуатации. Подчеркнем здесь же различие в;: сзойствах пластмасс, которые используются в частичво-' к >исталлическом и стеклообразном состояниях.

Частнчно-::, кристаллические термопласты (полиэтилен, лавсан, най-~ лон, тефлон) обладают гораздо большей деформируемостью'. н упругостью и гораздо менее хрупки, чем полимерные стекла. Кроме того, они, как правило, непрозрачны и, в от-; личие от резины, при умеренных нагрузках сохраняют свою форму. Степень деформируемости нетекучих (твердых) материа-- лов количественно характеризуется в физике значением; вздули К)пга Е.

Напомним его определение. Предположим,: ч:о мы растягиваем цилиндрический стержень длины 1 и площади 5, прикладывая к нему снлу1, направленную вдоль. гки стержня. Как установил еще в 1660 г. английский уче- ' ный Роберт Гук, деформация стержня Д1(т. е. измене~не его длины) при не слишком больших значениях Д1 связана с силой 1 с,ютношением о = (/Я = Е Д 111.

(2.1), В этойформулео — растягпгающее напряжение, т. е. сила,: отнесенная к единице площади поперечного сечения,.- а Е -- модуль Юнга. Значение Е загисит от материала. сгержпя, но не от его геометрических размеров. Приведем характерные значения модуля Юнга при комватной температуре для материалов, которые обсуждаются ' да пюй главе, В качестве точки отсчета выберем наиболее в данно~ ' тверд неорганические вещества — сталь, металлокера-: .»ьвче ,«вские сг!лавы н т. д. Инте(»вал нх модуля Юнга — ст 101«до 101«Пз. У неорганических стекол (типа оконного) 101« . 10" Па. У полимерных стекол Е- 1О" —:10" Па, деформируемость на два порядка выше деформируемсс„и стали.

Как уже говорилось, еще лучше деформируются ча астичио-к(шсталлические пластмассы, для них Е 1О' —; 10» Па, г(тс касается различных сортов резины, а также других полимеров, которые эксплуатируются в высокоэластпческом состоянии, то их модуль !Оша исключительно мал: Е-,10' Па.

С чем же связано столь существенное различие модулей !Опта !зазных полимерных веществу Для налиме!За в высокоэластическом состоянии тепловое движение достаточно, чтобы обеспечить беспрепнтственное взаимное перемещение полимерных цепей, но перемещение на большие расстояния (течение) тормозится из-за наличия сшивок между цепями.

В этом состоянии прн наложении внешней сялы цепи могут легко вытягиваться, что и соответствует малым значениям модуля Юнга. Напротив, в застекловапных полимерах взаимное перемен.ение цепей даже па малых масштабах (порядка размера звена! практически невозможно, поэтому модуль 10нга таких материалов должен быть существенно выше. То, чго прп комнатной температуре значение Е для полимерных стекол оказывается все же на порядок ниже, чем для неорганических, показывает, что при таких условиях степень азаморох е:ности» молекулярного движения не столь выражена, как, например, в силикатном стекле; сохраняется свобода некоторых локальных перестроек конформацнй цепей, и э~о обстоятельство увелнчиваег степень деформируемостн и уменьшает значение Е.

Наконец, в полимерном веществе, находящемся в частично-кристаллическом состоянии, кристаллические области разделены аморфными прослойками (рис, 2.1в). .!1ля многих термопластов эти прослойки при комнатной гсмпературе пе являются полнсстью застеклсваппыми. Соответственно мы получаем вещество, как бы состоящее из тв«рных кристаллических «островков», окруженнь1х «смазное» рсзиноподсбного полимера.

Ясно, что у такого материала и мгдуль Юнга долл«еп быть меньше, и сам он дол'и н Сыть менее хруи1им, чем полимерное стекло. 2.4. Полимерные волокна Итак, мы описали возможные агрегатные со-,' стояния полимерных веществ и ссютнесли с этими состоя- ', ниями два класса наиболее широко используемых полимер.: ных материалов — пластмассы и резины. Однако, как уже; отмечалось, существует еще один класс полимерных ма- ", териалов — волокна, который для нас не менее важен хотя, бы потому, что из волокон изготовляют практически всю .' одежду человека.

Что же зто такое и какому агрегатному состоянию отвечают полимерные волокна? Прежде всего заметим, что полимерные волокна могут, быть природного происхождеяия, а могут быть получены в:-, химической лаборатории или на заводе. Из природных во.:,' локон наиболее распространены целлюлозные В их основе: лежит полимерная цепь целлюлозы, которая составляет-; один из главных компонентов стенок клегок большинства л растений, а также древесины. Природные целлюлозные'," волокна получают из льна, хлопка„ конопли и т.

Характеристики

Список файлов книги