Составляющих эти тела, расположены преим. вдоль нек-рых направлений - осей ориентации. Так, в могут реализоваться виды плоскостной ориентации: двухосная, радиальная. Простейший и наиб. распространенный вид ориентации линейных - одноосная ориентация.

Ориентир. широко распространены в растит. мире (напр., хлопок, лен) и животном (сухожилия, шерсть и др.). Практически всюду в природе, где требуются прочные и гибкие элементы структуры, они формируются из ориентир. .

В технике ориентир. получают в осн. ориентац. вытягиванием (на десятки - тысячи процентов) изотропных полимерных тел, нагретых выше т-р стеклования. В результате цепные , хаотически (статистически) ориентированные в исходном теле, под воздействием внеш. направленного растягивающего усилия приобретают ту или иную степень ориентации. В аморфном гибкоцепном ориентир. состояние является неравновесным и, чтобы его зафиксировать, необходимо охладить ниже т-ры стеклования, не снимая растягивающего напряжения. В случае гибкоцепных кристаллизующихся ориентированное состояние можно считать равновесным ниже т-ры кристаллитов и снятие растягивающего напряжения при т-ре вытяжки не ведет к разориентации, т. к. кристаллиты образуют ориентир. каркас, сохраняющий аморфные участки полимерного тела в ориентированном состоянии .

При получении ориентир. гибкоцепных двухступенчатым методом вначале осуществляют ориентацию р-ра или . Этого достигают созданием потоков с градиентами скорости (поперечным или продольным), в результате чего длинные цепные ориентируются преим. вдоль направления потока. Происходящая при этом фиксирует достигнутое состояние, что приводит к образованию ориентир. . Послед. вытягивание в твердой фазе доводит (или изделие) до сверхвысокоориентир. состояния.

Для жесткоцепных ориентированное состояние является равновесным и достигается двухступенчатым методом: вначале при сравнительно умеренной т-ре вытягиванием из р-ра формуют ориентир. "заготовку", затем следует термообработка при повыш. т-ре, приводящая к значит. увеличению ориентац. порядка в (явление типа направленной ).

Ориентир. содержат характерные надмолеку-лярные образования-фибриллы-с поперечным размером ~ 10-100 нм и протяженностью не менее ~1-10 мкм.

Одноосноориентир. полимерные тела отличаются высокой мех., акустич., оптич., электрич. и др. св-в. Поэтому чувствительные к методы (напр., дифрактометрия, акусто-спектроскопия, измерение двулучепреломления) эффективны при изучении ориентир. . Последним присуща также характерная аномалия термич. расширения: отрицат. коэф. расширения вдоль оси ориентации. Это связано с поперечными колебаниями распрямленных участков цепных , амплитуда к-рых много больше, чем продольных колебаний, а также с конформац. "скручиванием" ориентир. участков в аморфных областях, что ведет к сокращению размеров этих областей вдоль оси ориентации . Важное техн. св-во ориентир. -повыш. при растяжении и жесткость вдоль оси ориентации при сохранении достаточной гибкости. Это обусловлено тем, что вдоль оси ориентации работают гл. обр. хим. связи, в перпендикулярном направлении-межмолекулярные. Так, теоретич. значения и модуля продольной упругости для волокна составляют соотв. 20-30 и 250 ГПа; для техн. ориентир. полимерных волокон 0,5-1,0 ГПа, 20-50 ГПа; для высокоориентир. волокон 5-10 ГПа, 100-150 ГПа, что близко к теоретич. значениям и является большим техн. достижением.

Гибкость цепных молекул обусловливает существование трёх физических состояний - стеклообразного, высокоэластического и вязкотекучего. Стеклообразное и вязкотекучее состояния наблюдаются и в низкомолекулярных веществах. Высокоэластическое состояние присуще только полимерам. Каждому физическому состоянию соответствуют свои механические, электрические, физические свойства. Наблюдая изменение соответствующих характеристик, например, модуля упругости, деформируемости, теплоёмкости, теплопроводности, тангенса угла диэлектрических потерь и пр., можно определить температурные области существования физических состояний конкретного полимера. Часто для изучения физических состояний полимеров проводят термомеханические исследования, то есть изучают деформацию полимера в зависимости от температуры Т при постоянных нагрузках Р и времени действия нагрузки.

Для аморфного полимера при переходе из одного физического состояния в другое ряд физических характеристик изменяется, однако фазовое состояние не изменяется. Более того, высокоэластическое состояние по многим показателям ближе к жидкому агрегатному состоянию, чем к твёрдому. Для выяснения причин, вызывающих различия деформационных свойств полимеров в различных физических состояниях, рассмотрим, что происходит с полимером в этих состояниях.

Во вязкотекучем состоянии под действием приложенной к расплаву силы макромолекулы перемещаются друг относительно друга. Однако, в отличие от низкомолекулярных веществ, это перемещение осуществляется ступенчато, оно складывается из ряда перемещений отдельных частей гибких макромолекул и напоминает движение червей. Часть макромолекулы, способную в определённых пределах к самостоятельному перемещению, независимо от перемещения самой макромолекулы в целом, называют сегментом, тем самым подчёркивая аналогию с движением червей. Таким образом, в вязкотекучем состоянии за время действия силы макромолекулы успевают переместиться целиком и занять новое равновесное состояние. Так осуществляется течение полимеров.

В высокоэластическом состоянии за время действия силы макромолекулы не успевают перемещаться целиком, происходит только движение сегментов. После снятия силы сегменты возвращаются в исходное состояние. Так осуществляются большие обратимые деформации полимеров.

По мере понижения температуры вязкость полимера растёт, что затормаживает сегментальное движение. При достижении вязкости 10 12 - 10 13 Па сегментальное движение становится невозможным (при прежних временах действия прежней силы) и полимер будет находиться в стеклообразном состоянии. Агрегативно это соответствует твёрдому состоянию.

Тот или иной тип физического состояния зависит, следовательно, как от температуры, так и от величины и продолжительности действия силы (скорости приложения силы). Всё определяется тем, насколько успевают макромолекулы отреагировать на изменение напряжённого состояния или, как говорят, отрелаксировать.

Понятие «релаксация» применимо к любым процессам и обозначает переход из неравновесного состояния в равновесное. При этом в системе уменьшаются внутренние напряжения, вызванные изменением внешних условий. Само слово «релаксация» происходит от латинского слова relaxatio - ослабление. Существует простая зависимость, связывающая время механической релаксации р с температурой Т и напряжением.

р = 0 . е (3.1)

где 0 10-11с; U - энергия активации вязкого течения; - коэффициент; R - универсальная газовая постоянная. Как видно, Т и уменьшают время релаксации.

Именно уменьшением времени релаксации при больших напряжениях до уровня, соответствующего высокоэластическому состоянию, объясняются наблюдаемые большие деформации стеклообразных полимеров. Эти деформации получили название «вынужденно-эластические».

Вынужденно-эластическая деформация по своей природе является высокоэластической и обратимой. Обратимость осуществится, если полимер нагреть выше Т с, т.е., если ускорить релаксационные процессы.

Высокоэластическая деформация имеет энтропийный характер, т.е. связана с изменением конформации макромолекул. При деформации происходит выпрямление свёрнутых макромолекул и энтропия системы уменьшается. При нагревании каучукоподобного тела тепловое движение увеличивает беспорядок, иначе говоря, приводит к возрастанию энтропии. Следовательно, при нагревании резины должно возрастать сопротивление деформированию. Действительно, с ростом температуры модуль эластичности каучукоподобных полимеров увеличивается.

Как известно, энтропия системы есть логарифм термодинамической вероятности S = k ln W. Для применения этого уравнения к рассмотрению высокоэластической деформации делается предположение о структуре полимера, как сетчатой, при этом не важно, будет ли эта сетка химической или физической. Это нужно для исключения процессов течения. Место соединения нескольких цепей называется узлом сетки, а молекулярная масса отрезков цепей между узлами сетки обозначается М с. Частотой сетки N тогда будет N = d/M c , где d - плотность полимера.

Между модулем эластичности Е в-э, плотностью, М с и температурой Т существует простое соотношение:

Е в-э = 3RTd/М с. (1)

Таким образом, по значению Ев-э можно рассчитать параметры сетки.

В действительности полностью исключить процесс течения при наличии физической сетки нельзя и высокоэластической деформации сопутствует некоторая доля пластической деформации.

В реальных эластомерах высокоэластическая деформация не является чисто энтропийной, но сопровождается изменением внутренней энергии. Это объясняется тем, что при деформации происходит изменение объёма, сопровождающееся изменением средних расстояний между полимерными цепями, при этом изменяется их энергия взаимодействия.

Полимеры не однородны по молекулярной массе, более того, они содержат два вида структурных элементов - звенья цепи и сами цепи. Размеры их значительно отличаются, отличается и их подвижность. Время релаксации звеньев составляет 10 -4 - 10 -6 с, а время релаксации цепей очень велико - от минут до лет. По этой причине высокоэластическая деформация по своей природе не равновесна, т.е. она развивается во времени и достижение равновесного значения может, в зависимости от температуры, происходить очень долго. Аналогично, после снятия нагрузки очень долго происходит восстановление прежней, исходной формы образца. Для линейных полимеров полное восстановление исходной формы может вообще не наблюдаться из-за наличия пластической деформации.

Разграничить виды деформации можно, изучая кривые ползучести (-). Ползучесть - это явление постепенного развития деформации. Для разделения общей деформации на виды проводят испытания в режиме нагружение - разгрузка.

На этом рисунке участок ОАВD соответствует изменению относительной деформации при нагружении, а участок DCE - при разгружении. Участок ОА отвечает условно - упругой деформации, участок АВ характеризует одновременно развивающиеся высокоэластическую деформацию и деформацию течения, участок ВD - необратимая (пластическая) деформация, являющаяся процессом установившегося течения.

Рис.

общ = упр + в-э + необр. (2)

Если продолжить прямую ВD до пересечения с осью ординат, то из треугольника А 1 DD 1 можно найти величину относительной деформации течения

d/dt = /t = A 1 D 1 /D 1 D, откуда A 1 D 1 = . (3)

По кривой ползучести можно не только разделить общую деформацию на виды, но и рассчитать целый ряд важных характеристик. Это:

• 1) вязкость = т /(d/d/t); (4)
• 2) Е упр = т / 0 = т /ОА; (5)
• 3) Е в-э = т / в-э = т /АА 1 (6)

Здесь т - действующее напряжение.

Ползучесть проявляется не только в высокоэластическом состоянии, но и в стеклообразном. Казалось бы, в стеклообразном состоянии времена релаксации очень велики и, кроме упругой, других видов деформации при небольших напряжениях не должно быть. Тем не менее, ползучесть наблюдается и в стеклообразном состоянии. Это объясняют наличием быстрых релаксационных процессов, обусловливающих деформацию, по своей природе являющуюся как бы промежуточной между упругой и вынужденно-эластической. Они получили названия деформации упругого последействия.

К явлениям упругого последействия, кроме ползучести, относятся:

зависимость модуля упругости Е упр от скорости деформирования или частоты воздействия, механические потери (механический гистерезис);

релаксация напряжения при постоянной деформации.

Отличием ползучести полимеров в стеклообразном состоянии от ползучести в высокоэластическом состоянии является значительно меньшая величина необратимой деформации, которая может развиться только при очень больших временах действия нагрузки.

Если образец аморфного полимера быстро растянуть и закрепить в этом положении, то напряжение в образце с течением времени уменьшается (по экспоненте). Это вызвано тем, что под действием этого напряжения макромолекулы, не успевшие изменить конформацию за время деформирования, изменяют конформацию - вытягиваются. В неполярных полимерах это происходит быстрее, чем в полярных, так как в неполярных межмолекулярное взаимодействие слабее.

Механический гистерезис - связан с несовпадением скоростей деформации при нагружении и разгрузке, при этом происходит отставание деформации от напряжения.

Если за время действия нагрузки успела развиться пластическая деформация (вязкое течение), то образец уже никогда самопроизвольно не восстановит своей исходной формы. Если же цикл нагружения был проведён так быстро, что вязкое течение не успело начаться, то вся «остаточная деформация» впоследствии исчезнет.

Площадь петли гистерезиса характеризует необратимо рассеянную в виде тепла механическую энергию.

На примере вынужденно-эластической деформации можно было увидеть, что время релаксации уменьшается не только при увеличении температуры, но и напряжения. Скорость релаксационных процессов также увеличивается при введении в полимер пластификаторов.

Свойства полимера зависят не только от химического состава полимера и формы макромолекулы, но и от их взаимного расположения. Макромолекулы разных полимеров имеют различный химический состав, длину, форму и степень гибкости. На гибкость цепей макромолекул значительное влияние оказывают силы межмолекулярного взаимодействия. Эти силы ограничивают в известной степени свободу перемещения отдельных звеньев цепи.

Характер вращения цепи определяется кинетической энергией макромолекулы, и для изменения как характера вращения, так и формы цепи требуется сообщить ей определенное количество энергии (например, тепловой), которое называется энергетическим барьером макромолекулы. В зависимости от пространственного расположения макромолекулы друг относительно друга изменяются степень их гибкости и эластичность полимера, что, в свою очередь, определяет характер деформации материала при механическом воздействии.

По степени упорядоченности расположения макромолекул различают два типа фазовых состояний полимеров: аморфное и кристаллическое. Аморфная фаза характеризуется хаотическим расположением макромолекулы в ВМС с некоторой упорядоченностью структуры, соблюдаемой на относительно небольших расстояниях, соизмеримых с размером макромолекулы. Кристаллическая фаза характеризуется упорядоченным расположением макромолекул в полимере, при этом упорядоченность соблюдается на расстояниях, превышающих размеры макромолекулы в сотни и тысячи раз (рис. 1).

Кристаллическая зона

Аморфная зона

Рис. 1. Схематическое изображение глобулы полимера

Аморфные и кристаллические полимеры существенно различаются по своим свойствам.

Аморфные полимеры с линейной или разветвленной структурой макромолекулы могут находиться в трех физических состояниях:

1. Стеклообразное . Такое состояние характеризуется наиболее прочными силами связи между молекулами и, как следствие, наименьшей гибкостью макромолекулы. Чем ниже температура полимера, находящегося в стеклообразном состоянии, тем меньшее число звеньев обладает подвижностью, и при определенной температуре, называемой температурой хрупкости, стеклообразные полимеры разрушаются без деформации (или малой деформации), подобно низкомолекулярным стеклам.

2. Высокоэластическое состояние характеризуется менее прочными силами связи между макромолекулами, большей их гибкостью и, как следствие, способностью длинных цепных молекул непрерывно изменять свою форму. В высокоэластическом состоянии малые напряжения вызывают быструю смену форм молекулы и их ориентацию в направлении действия силы. После снятия нагрузки макромолекулы под влиянием тепловых движений принимают наиболее энергетически выгодные формы, вследствие чего первоначальные размеры полимера восстанавливаются (обратимая деформация). При этом изменяется положение только отдельных звеньев и участков цепей, а сами макромолекулы не совершают поступательного движения друг относительно друга. Полимеры, аморфная фаза которых находится в высокоэластическом состоянии в широком интервале температур, называются эластомерами или каучуками (например, температурный интервал высокоэластического состояния натурального каучука от –73 до +180 °С, кремнийорганического от –100 до +250 °С).

3. Вязкотекучее состояние характеризуется исчезновением сил связи между макромолекулами, вследствие чего они не имеют возможности перемещаться друг относительно друга. Это может произойти при нагревании полимера до определенной температуры, после чего высокоэластическое (или стеклообразное) состояние сменяется вязкотекучим. Высокоэластическое состояние – характерный признак ВМС.

Кристаллические полимеры отличаются тем, что они наряду с кристаллической содержат и аморфную фазу. Благодаря очень большой длине молекул и вероятности ослабления сил межмолекулярного взаимодействия на отдельных участках цепей в полимере, как правило, не может образовываться сплошная кристаллическая фаза. Наряду с упорядоченно расположенными участками цепей возникают участки с хаотично расположенными звеньями, что приводит к образованию аморфной фазы в кристаллическом полимере. Основным условием, определяющим возможность кристаллизации полимеров, является линейное и регулярное строение макромолекул, а также достаточно высокая подвижность звеньев при температуре кристаллизации. Если замещающие атомы малы, то полимеры могут кристаллизоваться даже при их беспорядочном расположении, например атомы фтора в поливинилфториде

(−СН 2 −СН−) n

При наличии боковых, замещающих атомов водорода групп (С 6 Н 5 ~, СН 3 ~ и др.), кристаллизация возможна только в том случае, если макромолекулы имеют свернутую форму, их ориентация друг относительно друга затруднена и процессы кристаллизации, требующие плотной упаковки молекул, не протекают – полимер находится в аморфном состоянии.

Для образования кристаллической фазы необходимо, чтобы макромолекулы имели относительно распрямленную форму и обладали достаточной гибкостью, в этом случае происходит ориентация макромолекул и достигается их плотная упаковка. Полимеры, у которых макромолекулы лишены гибкости, не образуют кристаллической фазы.

Процессы кристаллизации развиваются только в полимерах, находящихся в высокоэластическом и вязкотекучем состояниях. Существуют следующие разновидности полимерных кристаллических структур:

Пластинчатые,

Фибриллярные,

Сферолитные.

Пластинчатые кристаллические структуры представляют собой многослойную систему из плоских тонких пластин, макромолекулы в которых многократно сложены. Фибриллы , состоящие из выпрямленных цепей макромолекул, имеют форму ленты или нити. Сферолиты – более сложные кристаллические структуры, построенные из фибриллярных или пластинчатых структур, растущих радиально с одинаковой скоростью из одного центра. В результате такого роста кристалл принимает форму шара размером от десятых долей микрона до нескольких миллиметров (иногда до нескольких сантиметров).

К числу кристаллических полимеров относятся полиэтилен (низкого давления), политетрафторэтилен, стереорегулярные полипропилен и полистирол, ряд сложных полиэфиров.

Кристаллические полимеры по сравнению с аморфными обладают большей прочностью. Кристаллизация придает полимеру жесткость, но благодаря наличию аморфной фазы, находящейся в высокоэластическом состоянии, кристаллические полимеры эластичны.

При нагревании до определенной температуры кристаллические полимеры переходят непосредственно в вязкотекучее состояние аморфных полимеров.

Рассмотренные закономерности фазовых состояний полимеров относятся к полимерам с линейной или разветвленной структурой макромолекул.

В ВМС с пространственной структурой фазовые состояния определяются частотой сшивок (числом валентных связей между макромолекулами).

Полимеры с частым расположением связей (трехмерные) жестки и при всех условиях образуют аморфную фазу, которая находится в стеклообразном состоянии. ВМС с редкими сшивками (сетчатые) образуют аморфную фазу, находящуюся в основном в высокоэластичом состоянии.

Неметаллические материалы

Строение и структура полимеров

Полимерами называются соединения, в которых более или менее регулярно чередуются большое число одинаковых или неодинаковых атомных группировок, соединенных химическими связями в линейные или разветвленные цепи, а также в пространственные сетки.

Многократно повторяющиеся группировки называются мономерными звеньями, а большая молекула, составленная из звеньев - макромолекулой или полимерной цепью. Число звеньев в цепи - степень полимеризации и обозначается буквой “n”. Название полимера складывается из названия мономера и приставки “поли”.

Полимеры, построенные из одинаковых мономеров, называются гомополимерами..

По сравнению с низкомолекулярными соединениями полимеры обладают рядом особенностей: они могут находиться только в конденсированном твердом или жидком состоянии; растворы полимеров имеют высокую вязкость; при удалении растворителя полимеры выделяются не в виде кристаллов, как низкомолекулярные соединения, а в виде пленок; полимеры можно переводить в ориентированное состояние; для многих полимеров характерны большие обратимые деформации и т.п.

Специфические свойства полимеров обусловлены особенностями их структуры, знание основных параметров которой необходимо для создания научно обоснованных методов их регулирования.

Типы макромолекул

Своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их макромолекул. По форме макромолекул полимеры делятся на линейные, разветвленные, лестнич- ные и сетчатые.

Линейные макромолекулы представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки.

Разветвленные макромолекулы отличаются наличием боковых ответвлений.

Лестничные макромолекулы состоят из двух цепей, соединенных химическими связями.

Пространственные полимеры образуются при сшивке макромолекул между собой в поперечном направлении химическими связями.

Отличительной особенностью полимерных молекул является гибкость. Гибкость цепи - это способность ее изменять форму под влиянием теплового движения звеньев или внешнего поля, в которое помещен полимер. Она характеризует способность полимеров кристаллизоваться, определяет температурный интервал плавления, упругие, эластические и другие свойства.

По структуре и отношению к температуре полимеры делятся на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные - полимеры, у которых при нагревании не образуется поперечных химических связей и которые при определенной температуре размягчаются и переходят из твердого в пластичное состояние.

Термореактивные - полимеры, которые на первой стадии образования имеют линейную структуру, а затем вследствие протекания химических процессов образуют пространственные сетки, затвердевают и переходят в неплавкое и нерастворимое состояние.

Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных веществ (мономеров) по реакциям полимеризации, поликонденсации, сополимеризации, а также путем химических превращений других природных и синтетических полимеров.

Полимеризация - процесс соединения нескольких мономеров, не сопровождающийся выделением побочных продуктов и протекающий без изменения элементарного состава. Полимеризацией получается такие полимеры как полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др.

Поликонденсация - процесс соединения нескольких мономеров, сопровождающийся выделением простейших низкомолекулярных веществ (H 2 O, Hcl и т.д.). Поликонденсацией получаются фенолформальдегидные смолы.

Сополимеризация - полимеризация двух или большего числа мономеров различного строения. Сополимеризацией получаются сополимеры этилена с пропиленом.

Фазовые состояния полимеров

Полимеры могут находиться в двух фазовых состояниях: кристаллическом и аморфном (жидком).

В газообразном фазовом состоянии полимеры находится не могут, так как температура кипения значительно больше температуры разложения.

Кристаллическое фазовое состояние характеризуется наличием трехмерного дальнего порядка в расположении атомов и молекул. Дальний порядок - порядок, соблюдающийся на расстояниях, превышающих размеры молекул в сотни и тысячи раз.

Жидкое (аморфное) фазовое состояние характеризуется отсутствием кристаллической структуры. В аморфном состоянии наблюдается ближний порядок - порядок, который соблюдается на расстояниях, соизмеримых с размерами молекул. Вблизи данной молекулы ее соседи могут быть расположены в определенном порядке, а на небольшом расстоянии этот порядок отсутствует.

Гибкость цепей полимеров

Физические свойства вещества зависят от их химического строения. Взаимосвязь между физическими свойствами полимеров и их химическим строением очень сложна и проявляется, в том числе, через гибкость макромолекул, определяемую их химическим строением и длиной макроцепи. Макромолекула приобретает гибкость, когда ее ММ становится равной или превышает значение сегмента Куна (М к). При ММ < М к - макромолекула выступает в качестве жесткого стрежня; при ММ >> М к - макромолекула становится гибкой. Она способна к изменениям своей геометрической формы, способна сворачиваться или складываться. Это качество характерно для абсолютного большинства термопластов.

Гибкость полимерной цепи связана не с изменением валентных углов или расстояний между составляющими ее атомами, а определяется способностью атомов или атомных групп вращаться вокруг соединяющих их химических связей. В реальных цепных молекулах полимеров вращение атомов или атомных групп не свободно, так кад положение каждого последующего звена в основной цепи оказывается зависимым от положения предыдущего. Такая заторможенность вращения приводит к тому, что непрерывно меняется потенциальная энергия макромолекулы, и каждому ее значению отвечает определенная форма макромолекулы.

Энергию, необходимую для перехода молекулы из положения с минимальным запасом потенциальной энергии в положение с максимальным ее значением, называют потенциальным барьером внутреннего вращения.

Изменение формы молекул под влиянием теплового движения (или под действием внешнего поля), не сопровождающееся разрывом химических связей, называют конформационным превращением, сами же новые формы молекулы - конформа- циями.

Тепловое движение, повороты вокруг связей в полимерах совершают не только атомы и атомные группы, но и отдельные участки макромолекул без изменения при этом расположения более отдаленных участков цепей. Таким образом, макромолекулы способны изменять свою геометрическую форму, изгибаясь, скручиваясь и раз­ворачиваясь, в соответствии со случайными тепловыми импульсами, действующими на отдельные участки макромолекулы. Такие движения происходят, как правило, в распла­вах и растворах. Размеры подвижных участков макроцепей ие являются строго опре­деленными. На рис. 1.3 схематически показана часть гибкой макромолекулы, к разным участкам которой приложены неодинаковые тепловые импульсы. Они вызывают перемещение участков различной длины. Среднестатистический участок макромо­лекулы, перемещающийся как единое целое в элементарном акте теплового движе­ния, называют сегментом.

Очень небольшие внутримолекулярные взаимодействия и энергии конформационных переходов (4,2-25,1 кДж/моль) позволяют отнести неполярные полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен к гибким полимерам, статистический сегмент которых составляет 10-40 элементарных звеньев. Введение в макромолекулы полярных заместителей приводит к увеличению внутри- и межмолекулярного взаимодействия, поэтому поливинилхлорид и поливиниловый спирт являются жесткоцепньши поли­мерами. Статистический сегмент таких полимеров может достигать 100 и более по­вторяющихся звеньев. Жесткоцепными являются полиэфиры и полиамиды, а также полиимиды, целлюлоза и полисахара, содержащие атомы, способные к образованию сильных межмолекулярных водородных связей. Жесткость цепей возрастает, если в макромолекулах содержатся большие по объему и массе заместители. Конформаци-онные переходы в таких макромолекулах требуют значительной энергии и длительны. При невысоких температурах они практически отсутствуют, а при высоких - проявляются благодаря увеличению общей кинетической гибкости цепей.

Наличие химических связей между макромолекулами существенно ограничивает их гибкость. В сетчатых и густосетчатых полимерах с развитой пространственной структурой гибкость цепей вырождается.

Физические и фазовые состояния полимеров

Известны три основных физических состояния веществ - твердое, жидкое и газо­образное. В основу этой классификации положена способность тел сохранять свой объем и форму, а также способность сопротивляться воздействию внешних сил. Цепное строение (ММ) и сильное межмолекулярное взаимодействие макромолекул являются причиной того, что полимеры могут находиться только в жидком или твердом состоянии.

С термодинамической точки зрения различают фазовые состояния вещества.

В полимерах могут присутствовать и кристаллическая, и аморфная фазы. Между фазовым состоянием и строением вещества существует прямая связь.

Кристаллические полимеры могут находиться в твердом и в жидком (жидкокри­сталлическом) состоянии. Аморфные полимеры кроме твердого и жидкого состояния могут находиться в специфическом - высокоэластическом состоянии.

Из одного физического состояния в другое полимер переходит при изменении температуры, которое влияет на запас тепловой энергии макромолекул и вызывает изменения в механических и деформационных свойствах полимеров.

Все физические состояния аморфных полимеров можно наблюдать, анализируя термомеханические кривые, показывающие зависимость деформации нагруженного полимера от температуры (рис. 1.4). Каждое физическое состояние имеет свою природу и особенности.

Аморфное состояние полимеров

Стеклообразное состояние аморфного полимера сравнивают обычно с состоянием переохлажденной жидкости, высокая вязкость которой исключает ее свободное течение, превращая в твердое физическое тело. Стеклообразное состояние у полимеров наблюдается тогда, когда их сегменты «заморожены», то есть лишены подвижности. Этого можно достичь понижением температуры. При стекловании между макромолеку­лами не возникает новых типов связей. В затвердевшем полимере наблюдается ближний порядок в расположении отдельных частей макромолекул.

Стеклообразный полимер - это твердый хрупкий материал, в макромолекулах которого лишь атомы или их группы совершают колебательные движения околопо­ложений равновесия.

С повышением температуры приток тепловой энергии может оказаться достаточным, чтобы началось движение более крупных фрагментов - сегментов. Внешне это проявляется в том, что наблюдается постепенный переход от свойств твердого, хрупкого материала к свойствам более мягкого пластичного тела. Среднее значение некоторой области температур, в которой наступает сегментальная подвижность макромолекул, называют температурой стеклования Т с (см. рис. 1.4). Поскольку гибкость цепи и размер сегмента взаимосвязаны и зависят от внутри- и межмолекулярного взаимодействия в полимере, то факторы, ответственные за его увеличение, будут повышать Т с и, наоборот, Т с будет смещаться в область более низких температур при ослаблении межмолекулярных сил:

У линейных полимеров температура стеклования зависит от молекулярной массы, увеличиваясь с ее ростом. У сетчатых полимеров образование сшитой структуры приводят к повышению Т с , тем большему, чем гуще пространственная сетка.

Процесс стеклования сопровождается изменением многих свойств полимера - теплопроводности, электрической проводимости, диэлектрической проницаемости, показателя преломления, причем эти свойства меняются скачкообразно при Т с .

При понижении температуры ниже Т с в полимере наблюдается дальнейшее умень­шение теплового движения кинетических фрагментов макромолекул. Чтобы вызвать теперь даже небольшую деформацию застеклованного полимера, нужно приложить к нему большую механическую нагрузку. При этом полимер ведет себякак упругое или упруго-вязкое тело. При дальнейшем понижении температуры полимер разрушается как хрупкое тело при практически исчезающей деформации. Температуру, при которой происходит хрупкое разрушение полимера, называют температурой хрупкости Т хр . Полимеры, как правило, эксплуатируются в стеклообразном состоянии, которому соответствует участок I на термомеханической кривои.

Высокоэластическое состояние (ВЭС) полимера характеризуется относительно высокой подвижностью сегментов макромолекул. Оно проявляется только тогда, когда макромолекулы имеют значительную длину (большую молекулярную массу) и особенно свойственно гибкоцепным полимерам, характеризуемым небольшими силами межмолекулярного взаимодействия.

В случае значительного межмолекулярного взаимодействия (диполи, водородная связь) ВЭС наблюдается при повышенных температурах, то есть когда действие межмолекулярных сил ослабевает. Сравнительная легкость принятия макромолекулой самых различных конформаций под влиянием внешнего механического напряжения объясняет большие деформации выше Т с (сотни процентов). После снятия нагрузки благодаря тепловому перемещению сегментов макромолекулы возвращаются к исходным конформациям и достигнутая высокоэластическая деформация исчезает, то есть она носит обратимый характер. Если процесс деформации линейного полимера осуществлять медленно, так, чтобы макромолекулы успели перейти из одной равновесной конформации в другую, вместо высокоэластического состояния полимер окажется в состоянии вязкотекучем.

У термопластов высокоэластическое состояние наблюдается в области температур Т с - Т т , где Т т - температура текучести (плавления) полимера (рис. 1.4, участок II).

В вязкотекучем состоянии термопластичный полимер представляет собой жидкость и способен необратимо течь под воздействием сравнительно небольших внешних усилий, то есть проявлять пластическую деформацию. При течении происходит перемещение отдельных макромолекул относительно друг друга. Деформация в вязкотекучем состоянии может развиваться бесконечно и носит необратимый характер. Вязкотекучему состоянию соответствует участок III на рис. 1.4.

Некоторые сетчатые полимеры также способны переходить в ВЭС. Однако при повышении температуры выше Т с они сначала размягчаются, а затем необратимо раз­рушаются.

Кристаллическое состояние полимеров

Многие термопластичные полимеры могут существовать в кристаллическом со­стоянии. Так, полиэтилен, полипропилен, полиамиды могут образовывать микроско­пические кристаллы.

В кристаллическое состоянии полимеры переходят из жидкого (расплав, раствор) при понижении температуры. Кристаллизация протекает в результате фиксации положения отдельных сегментов и возникновения элементов дальнего трехмерного порядка в их расположении.

Для осуществления процесса кристаллизации в полимерах необходимо соблюдение некоторых условий, каждое из которых является необходимым, но недостаточным.

Во-первых, для построения кристаллической структуры необходимо, чтобы молекулы полимера были регулярными, то есть обладали линейным строением цепи с определенным чередованием звеньев и однотипным расположением их в пространстве относительно главной цепи.

Во-вторых, при фазовом превращении взаимная укладка цепей или сегментов должна происходить по принципу плотной упаковки. Коэффициенты упаковки (отношение собственного объема макромолекул к истинному объему тела) у большинства закристаллизованных полимеров лежат в пределах 0,62-0,67 и близки к коэффициен­там упаковки обычных твердых тел. Понятно, что плотная упаковка затруднена для макромолекул, содержащих разветвления и объемные боковые заместители, кото­рые создают стерические затруднения.

B-третьих, для осуществления кристаллизации молекулы полимера должны обладать определенной подвижностью, чтобы цепи могли перемещаться и укладываться в кристаллическую структуру. Практически кристаллизация может осуществляться вблизи и ниже температуры плавления Тпл. Жидкокристаллические полимеры сохраняют кристаллическую организацию и при Т>Тпл.

Но даже при выполнении всех этих условий полимеры не бывают полностью кри­сталлическими.

Наряду с кристаллическими в полимерах всегда содержатся аморфные области, поэтому их нередко называют кристаллизующимися. Так, содержание кристаллической фазы в полиэтилене высокой плотности достигает 75-90%, а в полиэтилене низкой плотности не превышает 60%. Кристаллические структуры, в свою очередь, всегда морфологически дефектны.

В отличие от низкомолекулярных соединений, плавление полимеров происходит не при определенной температуре, а в температурном интервале, определяемом их химическим строением, молекулярной массой, кинетическими особенностями. За температуру плавления принимают некоторую среднюю температуру этого интервала.

Степень кристалличности, морфология кристаллических структур и интервал температуры плавления полимера связаны с временным, релаксационным характером процесса кристаллизации.

Если температуру понижать медленно, то образуются более разнообразные крис­таллические структуры.

Ниже приведены усредненные температуры плавления некоторых полимеров:

Из этих данных в частности видно, что Т пл растет с увеличением полярности эле­ментарных звеньев полимеров, регулярности их строения и с уменьшением гибкости макромолекул.

Надмолекулярная структура полимеров

Надмолекулярная структура (НМС ) отражает физическую организацию макроцепей полимера и свойственна всем полимерам независимо от их физического и фазового состояния. Причина возникновения НМС заключается в межмолекулярном взаимодействии макроцепей. Морфологически надмолекулярная структура полимеров представляет собой сложные, пространственно выделяемые агрегаты разных размеров и формы, созданные укладкой макромолекул определенным образом. В создании надмолекулярных структур проявляется фундаментальное свойство гибкой цепи - способность складываться в складки (пачки) или сворачиваться в клубки «сами на себя».

Гибкие макромолекулы могут принять форму клубков. Устойчивость такой формы определяется наименьшими значениями поверхности и поверхностной энергии. Клубок состоит из одной или нескольких макромолекул, при этом отдельные участки цепи внутри него расположены беспорядочно. Такая надмолекулярная организация типична для большинства аморфных полимеров и формируется в процессе их получения.

В полимерах с ММ > 10 4 широко распространены и структуры, возникающие обычно на стадии расплава или раствора в результате действия межмолекулярных сил либо при складывании одной макромолекулы или ее сегментов, либо при сближении линейных фрагментов соседних макромолекул. Складчатые образования (пачки) могут образовывать более крупные и морфологически усложненные структурные агрегаты - фибриллы (рис. 1.5, а, б). В синтезируемых полимерах пачечно-фибриллярная структура (рис. 1.5, в) предшествует формированию более развитых надмолекулярных структур - ламелей (рис. 1.5, г).

В зависимости от условий кристаллизации надмолекулярная структура может оставаться фибриллярной либо трансформироваться в ламелярную (пластинчатую) или сферолитную (рис. 1.6). Последние возникают из фибрилл, которые развиваются из одного центра в форме сферы и удерживаются так называемыми проходными цепями, то есть участками макромолекул, входящими в состав соседних сферолитов. Проходные цепи образуют аморфные области в кристаллическом полимере. Сферолиты могут создаваться не только укладкой фибрилл, но и ламелями.

Плотность полимера в кристаллах вследствие более плотной укладки макромолекул оказывается выше, чем в межструктурных зонах, заполненных неупорядоченными ходными макроцепями, и выше, чем в аморфных областях. Значения средней плотности некоторых полимеров (р), плотности кристаллической (р кр) и аморфной (р ам) составляющих приведены ниже (в кг/м 3):

Чем выше содержание в полимере кристаллической фазы, тем выше его T пл, ус­тойчивость к ударным нагрузкам, прочностные и деформационные характеристики. Так, полиэтилен, являясь кристаллическим полимером, в зависимости от количества содержащейся в нем кристаллической (или, напротив, аморфной) фазы известен как ПЭВП и как ПЭНП.

Структурообразование кристаллических полимеров обычно ограничивается сферолитами. Поэтому кристаллическому фазовому состоянию соответствует, как правило, сферолитная структура. Однако в особых условиях в кристаллических полимерах могут формироваться даже монокристаллы (например, в полиэтилене, когда кристаллизация осуществляется из очень разбавленных растворов и очень медленно).

Тип и размер надмолекулярных структур полимеров устанавливают при помощи электронной и оптической микроскопии, рентгеноструктурного анализа и других методов. Чем мельче и однороднее по размерам структуры, тем более высокие физико-механические свойства проявляет полимер (табл. 1.1).

В сетчатых полимерах также формируется НМС. Морфологически она представ­лена изометричными образованиями (глобулами) с более густой пространственной сеткой. Плотность сшивки между глобулами меньше, поэтому разрушение таких по­лимеров происходит также по границам НМС.

Пластификация полимеров

Пластификация - это физико-химический процесс, состоящий в изменении межмолекулярного взаимодействия макроцепей вследствие заполнения нанопространства между ними органическими веществами, называемыми пластификаторами, если они снижают силы взаимодействия, и антипластификаторами, - в случае противоположности оказываемого действия. Эффект пластификации определяется не только надмолекулярной организацией полимера, но и химическими свойствами компонентов этого процесса.

Пластификаторами в большинстве случаев являются низкомолекулярные жидкие органические соединения с высокой температурой кипения и низким давлением паров. Они легко совмещаются с полимерами, не вступая с ними, как правило, в химические реакции. Молекулы пластификатора раздвигают полимерные цепи и окружают их, создавая промежуточный слой. Появление промежуточного слоя в полимере облегчает перемещение цепей, в результате чего всегда снижается температура плавления и увеличивается пластичность (текучесть) полимера, что облегчает технологию его переработки. Количество пластификатора, которое добавляют к полимеру, ограничивается взаимной растворимостью этих веществ. Если растворимость неограничена, образуется термодинамически устойчивая система. Если растворимость очень мала или если пластификатор вообще не совмещается с полимером, то образуется коллоидная система, способная во времени разрушаться из-за миграции («выпотевания») пластификатора на поверхность полимера.

Окружая макромолекулы, пластификатор экранирует те или иные группы в них. Это сказывается на внутримолекулярном взаимодействии звеньев каждой макромолекулы, на их потенциальных барьерах внутреннего вращения. Если при этом потенциальный барьер вращения уменьшается, то цепи полимера становятся более гибкими. В результате пластификации увеличивается способность материала к большим высокоэластическим и вынужденно эластическим деформациям, повышается морозостойкость, но, как правило, снижается модуль упругости и прочность, падает теплостойкость и т. д.

Обычно количество пластификатора составляет несколько десятков процентов от массы полимера. В качестве пластификаторов применяют как индивидуальные органические соединения (например, сложные эфиры), так и разнообразные технические смеси (например, нефтяные и минеральные масла с различным содержанием ароматических, нафтеновых и парафиновых углеводородов). Для большинства по­лимерных материалов одновременно применяют смеси двух-трех и более пластифи­каторов различных типов. К числу важнейших пластификаторов для пластмасс относятся сложные эфиры ортофталсвой и себациновой кислот, эфиры фосфорной кислоты, полиэфиры, эпоксидированные соединения и др. (табл. 1.2).

Разновидностью этого процесса является так называемая структурная пласти­фикация, когда эффект достигается введением в полимер очень небольших количеств (до 1%) пластификатора. В этом случае его молекулы, как правило, располагаются на границах раздела надмолекулярных структур полимера, что и вызывает, как это происходит при обычной пластификации, изменение физических и физико-механических свойств полимера.

Известна и так называемая антипластификация, когда введение в полимер моно­мера приводит к возрастанию межмолекулярного взаимодействия, что проявляется в некотором увеличении физико-механических свойств.

ЛЕКЦИЯ 3. Получение полимеров. Полимеризация. Радикальная полимеризация. Ионная полимеризация. Катионная полимеризация. Анионная полимеризация. Координационно-ионная (стереоспецифическая) полимеризация. Ступенчатая полимеризация