А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов - Физика в мире полимеров (1119325), страница 8

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

Текст из файла (страница 8)

Спрашивается, нельзя ли, развивая те физические представления, которые были изложены выше, попытаться преодолеть этот разрыв и приблизить прочность полимерных волокон к прочности сталий Проблема синтеза таких полимерных волокон, называемых сверхвысокопрочными, очень важна для многих приложений, в которых требуется использовать очень прочные и вместе с тем легкие материалы. Оказывается, что такие сверхвысокопрочные волокна, прочность которых даже превышает прочность стали, получить можно, но для этого надо перевести полимер в особое состояшш, называемое жидкокристаллическим.

))(идкокрвсталлическое состояние полимеров — подкласс вязко текучего состоянчя, Если для определения вязкотекучего состояния полимеров можно употребить термин «полимерная жидкость», то жидкокристаллическое состояние— это «анизотропная полимерная жидкость», причем анизотропия возникает саэюпроизвольпо, без помощи каких- либо внешних воздействий (типа внешних ориентпруюп.пх полей, механических напряжений и т. д.), Поясни,~ возможность возникновения саэ опроизвольной анизотропии на следующем простеашем модельном примере (рпс.

2.6). Разбросаем на плоскости некоторое количество случайным образом ориентированных спичек (рнс. 2.ба) и будем уменьшать размер квадратной области, в которой 37 паходятся спички, следя за тем, чтооы нх Орис!Ггзцпя оставалась хаотической. В конце копцов мы придем к ситуации, изображенной па рис. 2.6б, когда дальнейшее уменьшение стороны квадрата а при сохранении случайной ориентации становится невозможныы. Означает ли это, что мы достигли максимально плотной упаковки спичек? Конечно, нет, ведь возможна упаковка, показанная на рис. 2.6в, она соответствует гораздо меньшему значению а. Но распределение ориентаций спичек в этом случае вовсе не хаотическое — все спички смотрят в одну с.о'.;Ону.

Итак, мы приходим к выводу, что система спичек может П Рис. 2.6. Опыт со спичками иа плоскости существовать и в случае, когда величина а меныне, чем на рнс. 2.6б, но распределение ориентаций спичек при этом обязательно должно быть анизотропным. Предположим теперь, что у нас имеется не система спичек, а совокупность (раствор) молекул вытянутой формы, н мы постепенно увеличиваем концентрацию этого раствора.

Малым концентрациям отвечает ситуация, изображенная на рис. 2.6а, распределенно ориентаций молекул при этом изотропное. Но с увеличением концентрации мы приближаемся к пределу, показанному на рис. 2.6б. Раствор болыпей концентрации может существовать только при наличии анизотропни в распределении молекул по ориентации. Эта анпзотропия возникает не под влиянием каких-то внешних причин, а самопроизвольно — просто в силу невозможности разместить изотропным образом достаточно плотную систему частиц вытянутой формы. Самопроизвольно возника|ощес при большых концентрациях раствора молекул вытянутой формы аничотроппое состояние и называется жидкокристаллическим.

Разумеется, начиная с некоторой степенв асимметрии молекул ~т. е. отношения длины к диаметру) жидкокристаллич.- ское состояние будет реализовываться и в расплаве вытянутых молекул. Термин «жидкий кристалл» возник потому, что свойства вещества в жидкокристаллическом состоянии являются промежуточными между свойствами жидкости и кристаллического твердого тела. Как и в жидкостях, в жидких кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении молекул; подобно жидкостям большинство жидких крисгаллов явлшотся текучими веществами. В то же время, как и кристаллические твердые тела, жидкие кристаллы анизотропны--их молекулы анизотропным образом распределены по ориентациям.

Из рис. 2.6 видно, чтообразоваинежидкокристаллического состояния должно быть наиболее характерно для тех веществ, молекулы которых имеют вытянутую форму. Причем чем болшие степень асимметрии молекул, тем меньшей должна быть концентрация раствора, отвечакь щая возникновению самопроизвольной ориентации. С эзои точки зрения ясно, что в растворах макромолекул с жесткой цепью жидкокристаллическое состояние должно образовываться достаточно легко и в широкой области концентраций. Действительно, степень асимметрии таких молекул, коль скоро на больших масштабах они запутываются в клубки, определяется отношением длины максимального участка цепи, который еще можно (хотя бы приближенно) считать прямолинейным, т.

е. длины куновского сегмента цепи 1 (см. ниже раздел 4.5), к характерному диаметру цепи г). Для жесткацепных полимеров отношение )/г) может быть достаточно большим, например для ароматических полиамидов оно может достигать нескольких сотен. Л это означает, что даже тогда, когда объемная доля полимера в растворе ароматических полнамидов составляет несколько процентов, такой раствор должен бгять жидкокристаллическим„т. е.

макромолекулярные цепи в таком растворе должны быть преимущественно ориентированы вдоль направления самопроизвольной ориентации. Вернемся теперь к проблеме получения сверхвысоко- прочных волокон. Встественной является идея использовать значительную апизотропию, которая возникает и жидкокристаллическом растворе, и формовать волокно непосредственно из такого раствора. При этом сразу же после формовапин, дополшггельной вытяжки и удаления растворителя мы должны 1юлучить сильно ориентированное во. локно, причем степень ориентации существенно превышает ту, которую можно получить только с помощью ориентапионной вытяжки.

Практически таким путем из жидкокристаллического раствора ароматических полиамидов удается получить волокна, прочность и модуль Юнга которых того же порядка, что и соответствующие величины для стали. Такие волокна были получены около 20 лет назадодновременно в СССР и СШЛ, в настоящее время они широко используются в различных областях промышленности. 2.6. Полимерные растворы До сих пор при обсуждении возможных состояний полимерных веществ мы рассматривали в основном вещества, состоящие только из полимерных молекул.

Правда, когда речь шла о формовании полимерных волокон, отмечалось, что такое формование часто идет из растворов полимеров. Полимерные растворы, т. е. жидкие смеси длинных Рис. в.7. а — раабавлеиаый полиыериый раствор; б — перекоп от раабавлеиисго к полтраабавлеииоыу режиму; в — полураабавлепный раствор; г — коипевтркроваииый раствор; д — >килко- кристаллииеский раствор полимерных цепей и малых (пизкомолскулярных) молекул, игржот очень важную роль в физике полимеров, поэтому целесообразно в заключение этой главы коротко остановиться па списании двух возможных качествешю различных однородных состояний полимерных ряс~воров.

Зги состояния схематически изображены па рис. 2.7, прп этом сплошные линни обозначают полимерные цепи, малые молекулы растворителя не показаны. Рис. 2.7а соответствует разбавленпому полимерному раствору; в таком растворе макромолекулы разделеигя большими расстояниями и по1ти пе взаимодействуют друг с другом. Свойства разбивлеппого полимерпого раствора непосредственно снязаиы со свойствами иидивидуазп ных макромолекул.

Нипрпмер, изучая рассеяние света или вязкость разбавленного раствора, можно определить размеры и форму отдельных полимерных клубков. Поэтому можно сказать, что разбавленный раствор — наиболее фундаментальная полимерная система, поскольку, исследуя ее, можно изучить свойства отдельных макромолекул В этом смысле разбавленный полимерный раствор аналогичен разрежецпому газу для малых молекул, В более сложных полимерных системах цепи, как правило, сильно перепутаны н сильно взаимодействуют друг сдругож так что выделить вклад отдельных макромолекул довольпо трудно. В этих случаях для определения параметров полимерных цепей используются данные, полученные при изучении разбавленных полимерных растворов.

Е~ли увеличивать концентрацию полимерного раствора, то рано илп поздно полимерные клубки иа рис. 2.?а начнут перекрываться, и мы перейдем к ситуации сильно перепутанных полимерных цепей, показанной на рис. 2.7ж Очевидно, что переход между режимами рис. 2.?а и в приблизительно отвечает тому, что полимерные клубки, ие перекрываясь, как бы касаются друг друга (см.

рис. 2.76). Эго означает, что концентрация раствора, отвечающая переходпому режиму (эту концентрацию принято обозначать с "), того же порядка, что и концентрация звеньев внутри отдельного полимерного клубки. Необходимо уметь рассчитывать эту вели шну или хотя бы оценивать ее порядок — только это может позволить понять, какие концентрационные режимы осуществимы и характерны для реального полимерного раствора в тех или иных условиях.

К этому вопросу мгя верпемся в разделе 4.6, где сможем дать оцеш<у величины с '. На этом мы заканчиваем обзор возможных состояний простейших полимерных веществ и материалов. Естественно, что вашим кратким перечнем миогообразие полимерных систем пе исчерпывается. Некоторые другие примеры можно найти далыпе в тексте даш:ой книжки, а также в других попупярных книгах, прпседспиых в списке литературы.

глава з Й гю:п~, в аког~-,. в где,н в !".~Р. ~ г\' «'Й~~*. Р О~ с ~й'.. вс~ /и и Р,.де Мы це сможем здесь рассказать о всех илн даже хоти бы многих иитересшйх биологических полимери2х объев!з!х — нх слн!иком много: от панциря черепахи или жесткой спинки жука„«сделапныхя из цепочек полимера хптипа, скрепле!шых белками (т. е. тоже полимерами), до вируса, представля!ощего озбо!! коробку из цепей белков с заклю !снной в пее полимерной цело !кой пуклепновой кислого. !й!! приведем только три примера, которые пам, как физикам, кажутся самь!мн интересными и фупдамептальпымн.

Характеристики

Список файлов книги