Структура полимеров

Наряду с химическим строением на свойства полимеров важное влияние оказывает их физическая структура, которая определяется межмолекулярным взаимодействием. Оно проявляется на разных уровнях: от элементарных звеньев до сегментов и целых макромолекул.

Межмолекулярное взаимодействие вызывается силами Ван-дер- Ваальса, энергия которых на порядок меньше энергии химических связей. Однако благодаря большой длине макромолекулы суммарная энергия этих сил достаточно велика, чтобы оказать заметное влияние на свойства полимера. При повышении температуры межмолекулярное взаимодействие уменьшается, так как с ее ростом ускоряется тепловое движение макромолекул. Но даже в расплавах и растворах полимеров взаимодействие между макромолекулами сохраняется.

В результате межмолекулярного взаимодействия образуются структуры, являющиеся различными формами упорядочения во взаимном расположении макромолекул. Такие структуры присутствуют в полимерах независимо от того, в каком фазовом состоянии он находится. Сложные агрегаты, образованные из большого числа макромолекул или их частей в результате действия межмолекулярных сил, являются элементами надмолекулярной структуры полимеров. На рис. 1.3 показаны некоторые виды надмолекулярных структур полимеров.

Рис. 1.3. Некоторые формы надмолекулярной структуры полимеров:

1 — глобулярная; 2 — фибриллярная; 3 — дендритная; 4 — отдельный сферолит; 5— сферолитная лента; 6— монокристалл; 7— глобулярный монокристалл

Более простые структуры образуются в аморфных полимерах. Для них характерны глобулы и пачки, которые при дальнейшей агрегации могут образовывать фибриллы и дендриты.

Для кристаллических полимеров характерны более сложные и более разнообразные формы надмолекулярных структур: сферолиты, сферолитные ленты, монокристаллы и др.

В кристаллических полимерах, в которых присутствует аморфная фаза, могут существовать наряду с этими структурами формы, характерные для аморфных полимеров.

Формы надмолекулярных структур определяются химическим строением полимера, условиями его получения на стадии синтеза и параметрами техпроцесса изготовления изделия (напряжением и скоростью сдвига, температурами формования и охлаждения, типом используемого растворителя). Надмолекулярная структура оказывает заметное влияние на свойства полимера. Изделия, полученные из одного материала, но при разных технологических режимах переработки, будут обладать и разными свойствами, если при их изготовлении были сформированы различные типы надмолекулярных структур.

И все же изменение надмолекулярной структуры может лишь частично повлиять на свойства полимера. Основные свойства, индивидуальность того или иного полимера определяются его химическим строением.

Понимание особенностей структурообразования и умение управлять этим процессом имеют большое значение для получения материалов и изделий с заданными свойствами.

Уровень современного развития науки о полимерах и методах их исследования позволяет достаточно точно определять различные виды взаимодействия макромолекул и рассчитывать их величину.

Таблица 1.3. Методы исследования строения полимеров

Современные методы исследования позволяют наблюдать до четырех уровней структурных единиц в кристаллизующемся полимере, начиная с образований в несколько десятых долей нанометров и заканчивая сферолитами, размер которых соизмерим с длиной волны света — (4—8) • 10² нм. Эти методы основаны на наблюдении за реакцией исследуемого полимера на подаваемый на него импульс. Для таких исследований используют сложные и дорогие в аппаратурном оформлении технологии: электронную микроскопию, ядерный магнитный резонанс, инфракрасную и ультрафиолетовую спектроскопию и многие другие (табл. 1.3).

Таким образом, свойства изделий из полимерных материалов зависят от:

• • химической природы полимера и строения его макромолекулы;
• • молекулярной массы или степени полимеризации полимера;
• • молекулярно-массового распределения;
• • надмолекулярной структуры полимера.

Воздействуя на эти характеристики, можно изменять свойства полимеров и изделий из них в очень широких пределах.

Контрольные вопросы

• 1. Каковы преимущества применения полимерных конструкционных материалов?
• 2. Что такое полимеры? Каковы особенности их физического и химического строения?
• 3. Что такое степень полимеризации? Что такое молекулярная масса полимеров? Каковы размеры макромолекулы? Что такое молекулярно-массовое распределение?
• 4. Чем вызывается межмолекулярное взаимодействие в полимере? Какие известны виды надмолекулярных структур аморфных и кристаллических полимеров? Что влияет на характер надмолекулярных структур полимеров?
• 5. Как влияет надмолекулярная структура на свойства полимеров?