Պոլիմերները կարող են գոյություն ունենալ երկու փուլային վիճակում. ամորֆԵվ բյուրեղայինԻր հերթին, ամորֆ պոլիմերները կարող են գոյություն ունենալ երեք ֆիզիկական վիճակներում. ապակեպատ, բարձր առաձգականԵվ մածուցիկ.Այս վիճակներից յուրաքանչյուրը կապված է որոշակի մեխանիկական հատկությունների հետ: Պոլիմերները շարժվում են մեկից ֆիզիկական վիճակմյուսին, երբ ջերմաստիճանը փոխվում է:
Պոլիմերների անցումները մի վիճակից մյուսը հարմար կերպով գրանցվում են ջերմամեխանիկական հետազոտության մեթոդի միջոցով, որը հիմնված է պոլիմերային դեֆորմացիայի կախվածության չափման վրա ( ε ) ջերմաստիճանի վրա (T), երբ որոշակի ժամանակ ենթարկվում է մշտական բեռի (ջերմամեխանիկական կոր)(նկ. 11) .
Բյուրեղային պոլիմերի ջերմամեխանիկական կորը ունի ձև Ա(Նկար 11), ամորֆ ջերմապլաստիկի համար կորը նման է բ.Դրա վրա կա բարձր առաձգական վիճակի հստակ տեսանելի տարածք (սարահարթ): Կոր Վարտացոլում է խիտ ցանցային ամորֆ պոլիմերի հատկությունները, որի անսահմանափակ ջեռուցումն ավարտվում է ջերմամեխանիկական ոչնչացմամբ (TMD): Տ<Т Р все полимеры находятся в твердом состоянии, при Т>TPL ջերմապլաստիկները դառնում են հեղուկ, մածուցիկ T P ջերմաստիճանի միջակայքում< Т < Т ПЛ (Т ТМД) полимерные материалы размягчены.
Ինչպես տեսնում ենք Նկ. 11, գծային ամորֆ պոլիմերների համար ջերմամեխանիկական կորը ավելի բարդ է (նկ. 12)
Ապակե (տարածաշրջան Ι) և մածուցիկ հոսող (տարածաշրջան ΙΙΙ) ջերմաստիճանային շրջանների միջև առաջանում է մեկ այլ ջերմաստիճանային շրջան, որտեղ պոլիմերը գտնվում է հատուկ բարձր առաձգական վիճակում։ Այս վիճակում, փոքր ուժերի ազդեցության տակ, պոլիմերում զարգանում են շատ մեծ շրջելի դեֆորմացիաներ, որոնք բնութագրվում են առաձգական մոդուլի ցածր արժեքներով (10 4 - 10 5 անգամ ավելի քիչ, քան սովորական պինդ մարմիններինը):
Բարձր առաձգական վիճակը հնարավոր է միայն երկար շղթայական մոլեկուլներից կառուցված նյութերի համար, և դրա առաջացումը կապված է այդ մոլեկուլների ճկունության դրսևորման հետ։
Տարբեր ջերմաստիճանային միջակայքերում մակրոմոլեկուլների ջերմային շարժման բնույթը նույնը չէ։ Ապակե վիճակի ջերմաստիճանային շրջանում ջերմային շարժման էներգիան անբավարար է մակրոմոլեկուլների առանձին հատվածները միմյանց նկատմամբ տեղափոխելու համար, հետևաբար մակրոմոլեկուլների ձևը և դրանց ձևը. փոխադարձ պայմանավորվածությունժամանակի ընթացքում գործնականում չեն փոխվում: Համապատասխանաբար, ապակե վիճակում ցածր բեռների դեպքում պոլիմերները ցուցադրում են միայն փոքր շրջելի դեֆորմացիաներ:
Ապակու անցման ջերմաստիճանին հասնելուն պես զգալիորեն մեծանում է մակրոմոլեկուլային միավորների շարժունակությունը, որը շատ սահմանափակ է ապակե վիճակի շրջանում։ Հետեւաբար, բեռնման ժամանակ հնարավոր է դառնում շղթաների առանձին հատվածներ տեղափոխել եւ փոխել մակրոմոլեկուլների ձեւը։ Արտաքին ուժը ուղղորդող բնույթ է հաղորդում այս փոփոխություններին և դրանով իսկ առաջացնում նմուշի զգալի դեֆորմացիաներ:
Նույնիսկ ավելի բարձր ջերմաստիճաններում, բեռնման ժամանակ, տեղի է ունենում ոչ միայն մակրոմոլեկուլների և դրանց առանձին մասերի ձևի փոփոխություն, այլև ազդեցության տակ գտնվող մակրոմոլեկուլների ընդհանուր (դրանց ծանրության կենտրոնների) նկատելի տեղաշարժը: արտաքին ուժ. Արդյունքում զարգանում է պոլիմերի անդառնալի դեֆորմացիա, այսինքն. իր ընթացքը. Այն ջերմաստիճանը, որի դեպքում, հետադարձելի բարձր առաձգական դեֆորմացիայի հետ մեկտեղ, անդառնալի դեֆորմացիան նույնպես նշանակալի է դառնում, կոչվում է. հորդառատ կետ.
Նկար 13-ը ցույց է տալիս ջերմամեխանիկական կորերի ընտանիքը պոլիմերային հոմոլոգիայի շարքի տարբեր անդամների նմուշների համար: Նկարից պարզ է դառնում, որ ցածր մոլեկուլային քաշի պոլիմերային հոմոլոգները կարող են գոյություն ունենալ միայն երկու վիճակում՝ ապակյա և մածուցիկ (այլ կերպ ասած՝ դրանց Տ Ս Եվ Տ Տ համապատասխանեցնել)։
Աճող մոլեկուլային քաշով (պոլիմերացման աստիճանը) անցումային ջերմաստիճանը բաժանվում է Տ Ս Եվ Տ Տ , այսինքն. առաջանում է բարձր առաձգական վիճակ, և, համապատասխանաբար, վերը նկարագրված երեք հատվածները հայտնվում են ջերմամեխանիկական կորի վրա: Պոլիմերի մոլեկուլային քաշի հետագա աճով Տ Ս մնում է հաստատուն և Տ Տ շարունակում է բարձրանալ։ Հետեւաբար, միջակայքը Տ Տ —Տ Ս , բնութագրելով տվյալ պոլիմերի համար բարձր առաձգական վիճակի ջերմաստիճանային շրջանի չափը, այնքան մեծ է նրա մոլեկուլային քաշը։
Առաջխաղացման դադարեցում Տ Ս պոլիմերային հոմոլոգ շարքում և բարձր առաձգականության առաջացումը պայմանավորված է մակրոմոլեկուլների ճկունությամբ։ Իրոք, առանձին հատվածների շարժունակությունը ( հատվածներ) ճկուն շղթայի մոլեկուլը կախված չէ դրա ընդհանուր երկարությունից, բացառությամբ այն դեպքերի, երբ վերջինս զգալիորեն ավելի երկար է, քան այս հատվածների երկարությունը:
Մոլեկուլային շղթաների զգալի ճկունության պատճառով դրանց շարժումը միմյանց նկատմամբ որպես ամբողջություն նույնպես տեղի է ունենում առանձին հատվածների ջերմային շարժման արդյունքում։ Մածուցիկ հոսքի վիճակի անցումը ճշգրիտ կապված է դիտարկման ժամանակ նման շարժումների առաջացման հետ: Բնականաբար, որքան երկար է մակրոմոլեկուլը, այնքան դիֆուզիայի ավելի շատ տարրական գործողություններ են պահանջվում նրա ծանրության կենտրոնը տեղափոխելու համար: տրված հեռավորությունըկամայականորեն ընտրված որոշակի ժամանակահատվածի համար, այսինքն. այնքան ավելի ինտենսիվ պետք է լինի ջերմային շարժումը: Սա բացատրում է մշտական աճ Տ Տ քանի որ պոլիմերի պոլիմերացման աստիճանը մեծանում է։
Դիտարկված ջերմամեխանիկական կորերը (նկ. 3 և 4) արտացոլում են գծային ամորֆ պոլիմերների դեֆորմացիան կախվածությունը ջերմաստիճանից:
Խաչաձև ամորֆ պոլիմերները մակրոմոլեկուլների միջև փոքր քանակությամբ քիմիական խաչաձև կապերով բնութագրվում են 14-ում ներկայացված ջերմամեխանիկական կորով: Ցանցային հանգույցները կանխում են պոլիմերային շղթաների ծանրության կենտրոնների հարաբերական շարժումը։ Հետեւաբար, մածուցիկ հոսքը չի նկատվում նույնիսկ բարձր ջերմաստիճանում: Բարձր առաձգականության ջերմաստիճանի շրջանը ընդլայնվում է, և դրա վերին սահմանըդառնում է պոլիմերի քիմիական տարրալուծման ջերմաստիճանը ( Տ ՌԱԶԼ ).
Բյուրեղային պոլիմերների հատկությունների զգալի փոփոխություններ են նկատվում հալման ջերմաստիճանի շրջանում։ Հալման ջերմաստիճանում պոլիմերի բյուրեղային փուլը անհետանում է, իսկ նմուշի դեֆորմացիան կտրուկ մեծանում է։ Եթե պոլիմերի պոլիմերացման աստիճանը համեմատաբար ցածր է, այնպես որ այն Տ Տ ավելի ցածր է ստացվում T PL , ապա հալվելուց անմիջապես անցնում է մածուցիկ հոսքի վիճակի (նկ. 6, կոր 2)։ Պոլիմերացման բավականաչափ բարձր աստիճանի դեպքում Տ Տ կարող է ավելի բարձր լինել T PL . Այնուհետեւ միջեւ T PL Եվ Տ Տ ջերմամեխանիկական կորի վրա հայտնվում է բարձր առաձգականության բարձրավանդակ (նկ. 15, կոր 1):
Ֆազային և ֆիզիկական վիճակների ջերմաստիճանային միջակայքերը որոշում են մեխանիկական հատկությունների համալիրը և, համապատասխանաբար, պոլիմերի գործնական կիրառման ոլորտները: Այսպիսով, սենյակային ջերմաստիճանում բյուրեղային (փուլային) վիճակում գտնվող պոլիմերները կամ ապակե (ֆիզիկական) վիճակում գտնվող ամորֆ պոլիմերները կարող են օգտագործվել որպես պլաստմասսա կամ մանրաթել առաջացնող նյութեր։ Ամորֆ պոլիմերները, որոնք գտնվում են բարձր առաձգական ֆիզիկական վիճակում սենյակային ջերմաստիճանում, կարող են օգտագործվել որպես ռետիններ ռետինե արտադրանք արտադրելու համար: Մածուցիկ հոսքի վիճակում պոլիմերները սովորաբար մշակվում (ձուլվում են) արտադրանքի:
Պոլիմերի մեջ պինդ նյութերՏարբերակվում է կառուցվածքային փոխակերպումների հետ կապված փուլային անցումների և ներմոլեկուլային շարժունակության ինտենսիվության փոփոխության հետ կապված թուլացման անցումների միջև:
Պոլիմերների մեխանիկական հատկությունները կախված են կառուցվածքից, ֆիզիկական վիճակից, ջերմաստիճանից և ազդեցության արագությունից: Պոլիմերների ֆիզիկական վիճակներն անմիջականորեն կապված են դրանցում ներմոլեկուլային ջերմային շարժման ֆիզիկական կառուցվածքի և ինտենսիվության հետ։ Անցումը մի ֆիզիկական վիճակից մյուսին կոչվում է ջերմաստիճանի անցում:
Կախված ջերմաստիճանից՝ պոլիմերները կարող են լինել երեք ֆիզիկական վիճակում՝ ապակյա, բարձր առաձգական և մածուցիկ։ Պոլիմերի դեֆորմացիայի գծապատկերը՝ կախված ջերմաստիճանից, ներկայացված է Նկար 3-ում: 4.
Բրինձ. 3. 4. Պոլիմերի ջերմամեխանիկական կորը
Անցումը մի վիճակից մյուսին տեղի է ունենում որոշակի ջերմաստիճանի միջակայքում: Միջին ջերմաստիճանները, որոնցում նկատվում է ֆիզիկական վիճակի փոփոխություն, կոչվում են անցումային ջերմաստիճաններ։ Ապակե վիճակից բարձր առաձգական վիճակի (և հակառակը) անցման ջերմաստիճանը կոչվում է ապակու անցման ջերմաստիճան (T c), իսկ բարձր առաձգական վիճակից մածուցիկ հոսքի վիճակի (և հակառակը) անցման ջերմաստիճանը. կոչվում է հեղուկության ջերմաստիճան (T t):
Եթե պոլիմերը բյուրեղային վիճակում է, ապա բյուրեղացման ջերմաստիճանից ցածր (ամորֆ փուլի անցում բյուրեղային փուլին) այն գտնվում է պինդ վիճակում, սակայն, ինչպես ամորֆ պոլիմերը, ապակու անցման ջերմաստիճանից ցածր և բարձր ունի տարբեր դեֆորմացիա։ . Բյուրեղացման ջերմաստիճանից բարձր պոլիմերի բյուրեղային մասը հալվում է, և ջերմամեխանիկական կորը գրեթե կտրուկ հասնում է ոչ բյուրեղային պոլիմերին բնորոշ բարձր առաձգական դեֆորմացիաներին։ Եթե պոլիմերը թույլ բյուրեղացած է, ապա ապակու անցման ջերմաստիճանից բարձր այն դեֆորմացվում է գրեթե ամորֆ պոլիմերի նման։
Ջերմաստիճանի բարձրացումը հեշտացնում է պոլիմերի դեֆորմացիան։ Հետևաբար, անցումային ջերմաստիճանները հիմնական բնութագրերն են պոլիմերային նյութերի մշակման և շահագործման ջերմաստիճանի ընտրության ժամանակ:
Դիտարկենք պոլիմերների երեք վիճակների առանձնահատկությունները.
Ապակե վիճակ.Ապակու անցման ջերմաստիճանը բաժանում է ամորֆ պոլիմերի ապակե և առաձգական վիճակները: Ապակու անցման Tg ջերմաստիճանից ցածր, մակրոմոլեկուլների հիմնական շղթայի՝ հատվածների անկախ տարրերի համատեղ շարժունակությունը սառեցված է, և մակրոմոլեկուլների անհավասարակշիռ փաթեթավորումն ամրագրված է՝ պոլիմերի ապակենացումը։
Երբ ջերմաստիճանը իջնում է Tc-ից ցածր, թրթռումների ամպլիտուդը և տատանումների քանակը, որոնք հանգեցնում են մակրոմոլեկուլի մի դիրքից մյուսը ցատկման, նվազում են։ Սա իր հերթին հանգեցնում է մոլեկուլների փաթեթավորման խտության և, հետևաբար, ամբողջ նմուշի խտության ավելացմանը։ Այս դեպքում մակրոմոլեկուլների բոլոր հատվածների շարժունակությունը դառնում է սահմանափակ, և պոլիմերն անցնում է ապակյա վիճակի։
Եթե դեֆորմացնող ուժ է կիրառվում նման պոլիմերի վրա, ապա նախ, հատվածների միջև կապի անկյունների փոփոխության պատճառով, տեղի է ունենում շրջելի առաձգական դեֆորմացիա, որի մեծությունը փոքր է և սովորաբար չի գերազանցում մի քանի տոկոսը: Հենց որ լարումները համարժեք են դառնում միջմոլեկուլային ուժերի մեծությանը, կսկսվի մակրոմոլեկուլների հատվածների փոխադարձ շարժումը։ Ապակե պոլիմերների և մետաղների մեծ դեֆորմացիաների մեխանիզմների հիմնարար տարբերությունն ընդգծելու համար առաջարկվեց «պարտադիր առաձգականություն» տերմինը՝ նշելու պոլիմերների մեծ դեֆորմացիաները: Սթրեսը, որի դեպքում նկատվում է անցում սկզբնական առաձգականից հարկադիր դեֆորմացիայի, կոչվում է «պարտադիր առաձգականության սահման»: Հարկադիր առաձգականության սահմանը նկատելիորեն փոխվում է լարվածության արագության փոփոխությամբ: Ձգման դիագրամը ներկայացված է Նկ. 3.5 ա.
Բրինձ. 3.5. Պոլիմերների լարվածության դիագրամներ ապակե (a), փխրուն (b) և բարձր առաձգական (c) վիճակներում. I – շրջան առաձգական դեֆորմացիաներ; II - հարկադիր առաձգական (ա) և բարձր առաձգական (բ) դեֆորմացիայի տարածք
Նմուշում ապակու անցման ջերմաստիճանից ցածր ջերմաստիճանի հետագա նվազման դեպքում նկատվում է մակրոմոլեկուլների այն հատվածների ջերմային շարժման նվազում, որոնք նախկինում ունեցել են որոշակի շարժունակություն: Սեգմենտների ակտիվացման և մակրոմոլեկուլների կոնֆորմացիան փոխելու համար պահանջվող մեխանիկական էներգիայի քանակը կարող է ավելի բարձր լինել, քան առաձգական ուժը: Պոլիմերը փլուզվում է որպես փխրուն մարմին՝ աննշան դեֆորմացիայով (նկ. 3.5, բ): Ջերմաստիճանը, որում տեղի է ունենում այս երեւույթը, կոչվում է փխրունության ջերմաստիճան (Tcr):
Բարձր առաձգական վիճակ.Եթե դուք տաքացնում եք ապակեպատված պոլիմերը, ապա ապակու անցման ջերմաստիճանը գերազանցելուց անմիջապես հետո նմուշը կսկսի փափկել և անցնել բարձր առաձգական վիճակի: Վերջինս բնութագրվում է մակրոմոլեկուլների հատվածների համեմատաբար բարձր շարժունակությամբ։ Սա հանգեցնում է մակրոմոլեկուլների հակմանը` ընդունելու կոնֆորմացիաների լայն տեսականի: Երկու ծայրահեղ կոնֆորմացիաների հետ մեկտեղ՝ ամբողջովին ուղղված և ամբողջովին ոլորված, կան բազմաթիվ կոնֆորմացիաներ՝ պայմանավորված. տարբեր աստիճաններովմակրոմոլեկուլների կորություն.
Բեռի ազդեցության տակ վերմոլեկուլային գոյացությունները կազմող մակրոմոլեկուլները կարող են փոխել իրենց ձևը՝ ոլորվածից մինչև ավելի երկարաձգված, ինչը ապահովում է պոլիմերի բարձր առաձգականություն։ Բեռը հեռացնելուց հետո ջերմային շարժումը քիչ թե շատ արագ, կախված ջերմաստիճանից և միջմոլեկուլային փոխազդեցության մեծությունից, մակրոմոլեկուլը երկարաձգված ձևից կվերադարձնի իր նախկին հավասարակշռության ձևին՝ դրանով իսկ ապահովելով դեֆորմացիայի շրջելի բնույթը: Նման պոլիմերի դեֆորմացիայի դիագրամը ներկայացված է Նկ. 3,5 դյույմ
Մածուցիկ հոսքի վիճակը: Tt-ից բարձր ջերմաստիճանի հետագա աճով պոլիմերը վերածվում է մածուցիկ հոսքի վիճակի: Այս վիճակում այն ունակ է անդառնալիորեն հոսել երբեմն համեմատաբար փոքրի ազդեցության տակ արտաքին ջանքերը. Մածուցիկ հոսքի պրոցեսն անպայման ուղեկցվում է մակրոմոլեկուլների լուծարմամբ։ Նյութի բարձր մածուցիկությունը կարող է հանգեցնել շղթաների զգալի ուղղման և դրանց կողմնորոշմանը ուժի կիրառման ուղղությամբ, որն օգտագործվում է կողմնորոշված բարձր ամրության մանրաթելեր և թաղանթներ ստանալու համար:
Պոլիմերներում ֆիզիկական անցումների ջերմաստիճանների որոշումը հնարավոր է ջերմամեխանիկական մեթոդի միջոցով, որն ուսումնասիրում է դեֆորմացիայի կախվածությունը ջերմաստիճանից մշտական բեռների տակ։ Նույն մեթոդով կարելի է արագ որոշել այդպիսին կարևոր բնութագրերպոլիմերային նյութեր, ինչպիսիք են ապակու անցման ջերմաստիճանը, բյուրեղացումը և քիմիական տարրալուծման սկիզբը:
Օգտագործելով ջերմամեխանիկական մեթոդը, հնարավոր է ուսումնասիրել տարբեր նյութերի ազդեցությունը պոլիմերների պնդացման վրա. ուսումնասիրել պլաստիկացնողների, լցոնիչների և այլ բաղադրիչների ազդեցությունը պոլիմերային նյութերի տեխնոլոգիական հատկությունների վրա: Պոլիմերներում ֆիզիկական անցումների ջերմաստիճանները կարող են որոշվել նաև դիֆերենցիալ ջերմային վերլուծության միջոցով:
Որպես կառուցվածքային պոլիմերային նյութեր օգտագործվող ջերմապլաստիկ պոլիմերների կառուցվածքի և ֆիզիկական անցումների վերլուծությունը թույլ է տալիս դրանք բաժանել երեք հիմնական խմբերի.
Առաջին խումբ - կոշտ մակրոմոլեկուլներով ամորֆ կամ դժվար բյուրեղացվող պոլիմերներ, որոնց բյուրեղության առավելագույն աստիճանը չի գերազանցում 25%-ը, իսկ Tc-ն զգալիորեն գերազանցում է սենյակային ջերմաստիճանը. Այս խումբը ներառում է անկանոն կառուցված ածխածնային շղթայի պոլիմերներ՝ պոլիստիրոլ, պոլիմեթիլմետակրիլատ, պոլիվինիլքլորիդ, դրանց պատահական համապոլիմերները՝ մեկ այլ մոնոմերի փոքր քանակությամբ միավորներով և անուշաբույր հետերաշղթայական պոլիմերներ՝ պոլիէթերներ (պոլիֆենիլեն օքսիդ, պոլիսուլֆոնային պոլիսուլֆոն, պոլիսուլֆոնային պոլիսերներ), պոլիսուլֆոնային պոլիսամերներ (պոլիսուլֆոնատներ), պոլիսուլֆոնային պոլիսամերներ (ֆենիլոն): Սենյակային ջերմաստիճանում դրանք կոշտ առաձգական նյութեր են (պոլիմերային ակնոցներ), որոնց ջերմաստիճանի վերին սահմանը սահմանափակվում է Tc. Արտադրանքի ձուլումն իրականացվում է T t-ից բարձր ջերմաստիճանում (ձուլման կամ արտամղման դեպքում) կամ T c (դրոշմելու և նկարելու համար):
Երկրորդ խումբ – բյուրեղացնող պոլիմերներ՝ բյուրեղության միջին աստիճանով, որոնց Tc-ն բավականին մոտ է սենյակային ջերմաստիճանին։ Այս խումբը ներառում է պոլիմեթիլպենտեն, պոլիտրիֆտորքլորէթիլեն, պենտապլաստ և ալիֆատիկ պոլիամիդներ։ Նման պոլիմերների շահագործման վերին ջերմաստիճանի սահմանը որոշվում է բյուրեղականության աստիճանով և կարող է տատանվել T-ից ամորֆ փուլից մինչև հալման ջերմաստիճանը: (T pl)բյուրեղային, և արտադրանքի վերամշակումն իրականացվում է T pl-ի վերևում:
Երրորդ խումբ – բյուրեղացման բարձր աստիճան ունեցող պոլիմերներ, որոնց ամորֆ փուլի Tc-ն զգալիորեն ցածր է սենյակային ջերմաստիճանից։ Այս խումբը ներառում է պոլիէթիլեն, պոլիպրոպիլեն, պոլիբութեն-1, պոլիտետրաֆտորէթիլեն և պոլիֆորմալդեհիդ: IN նորմալ պայմաններԱյս պոլիմերները միավորում են առաձգական վիճակում գտնվող ամորֆ փուլին բնորոշ հատկությունները և կոշտ բյուրեղային փուլը։ Հետեւաբար, միջակայքում T ս< Т < Т пл их поведение в решающей степени определяется степенью кристалличности. Верхний температурный предел эксплуатации обычно ограничивается Т пл. Ниже Т с аморфной фазы полимеры становятся жесткими и хрупкими полимерными стеклами. Формование изделий литьем или экструзией осуществляется выше Т пл, штамповкой – вблизи Т пл. Механические свойства и степень кристалличности наиболее используемых полимеров приведены в таблице 3.1.
Ջեռուցման հետ կապված
Պոլիմերային նյութերը փոխում են իրենց հատկությունները ջերմաստիճանի ազդեցության տակ: Այս հիման վրա առանձնանում են ջերմապլաստիկ և ջերմակայուն պոլիմերները։
Ջերմապլաստիկ պոլիմերները (ջերմոպլաստիկները) տաքանալիս փափկվում են, նույնիսկ հալվում են և սառչելիս կարծրանում են; Այս գործընթացը շրջելի է: Նման պոլիմերների մակրոմոլեկուլների կառուցվածքը գծային է և ճյուղավորված:
Ջերմակայուն պոլիմերները (ջերմաակտիվները) առաջացման առաջին փուլում ունեն գծային կառուցվածք և փափկվում են տաքանալիս, այնուհետև հոսքի պատճառով. քիմիական ռեակցիաներկարծրանալ (ձևավորվում է տարածական կառուցվածք) և հետագայում մնում ամուր: Պոլիմերի պինդ վիճակը կոչվում է ջերմակայուն։
Առավել հաճախ օգտագործվող պոլիմերների մեխանիկական հատկությունները և բյուրեղության աստիճանը տրված են Աղյուսակ 3.1-ում:
Գերազանցում է 10 12 -10 13 n վրկ/մ 2 (10 13 – 10 14 համբերություն) , Ա - 10 3 -10 4 Mn/m 2(10 4 -10 5 կգ/սմ 2) .
Պոլիմերների անցումը մածուցիկ կամ բարձր առաձգական վիճակից ապակե վիճակի կոչվում է ապակե անցում. Ապակե վիճակն իրականացվում է նաև գործընթացների արդյունքում, որոնք սովորաբար չեն դասակարգվում որպես ապակե անցում.
- բարձր առաձգական վիճակում պոլիմերների նկարում կամ խաչաձև կապում.
- պոլիմերային լուծույթների գոլորշիացում կամ գելերի չորացում ցածր ջերմաստիճանում ( Տ ս) կամ հալման ջերմաստիճանըհամապատասխանաբար.
Պոլիմերների ապակյա վիճակի հիմնական առանձնահատկությունն այն է թերմոդինամիկ անհավասարակշռություն.Պոլիմերների հեղուկ, բյուրեղային և ապակյա վիճակների միջև կապը կարելի է բացատրել դիագրամի միջոցով. ծավալ - ջերմաստիճան (նկար 1):
Քանի որ պոլիմերային հալոցը սառչում է, նրա ծավալը շարունակաբար նվազում է, քանի որ մոլեկուլային վերադասավորումների արդյունքում հալոցքը մի հավասարակշռված վիճակից անցնում է մյուսին։ Եթե սառեցման արագությունը բավականաչափ ցածր է, որոշ ջերմաստիճանում Տ կտեղի է ունենում բյուրեղացում, որն ուղեկցվում է ծավալի կտրուկ նվազմամբ (տող ԱԲվրա Նկար 1) Շատ պոլիմերների համար բարձր արագությունսառեցումը, բյուրեղացումը ժամանակ չունի առաջանալու, և նյութը մնում է գերսառեցված հեղուկ վիճակում, բյուրեղային վիճակի նկատմամբ անհավասարակշռություն (տող ԱԲվրա Նկար 1) ժամը Տ սմոլեկուլային շարժումը դառնում է այնքան դանդաղ, որ նույնիսկ շատ երկար ժամանակփորձ, վերադասավորումները ժամանակ չունեն առաջանալու, այսինքն՝ նյութը ապականում և կարծրանում է։ Ցածր ջերմաստիճաններում Տ սապակյա վիճակը հավասարակշռության մեջ չէ երկու հավասարակշռության հեղուկ վիճակի նկատմամբ (գծիկ VDվրա Նկար 1), և մինչև բյուրեղային վիճակ:
Ապակե վիճակի թերմոդինամիկական անհավասարակշռությունը հանգեցնում է նրան, որ երբ մշտական ջերմաստիճան Տ ոտժժամանակի ընթացքում ապակու կառուցվածքը փոխվում է՝ հակված լինելով հավասարակշռության (կառուցվածքային թուլացման երևույթ), հատկությունների համապատասխան փոփոխությամբ (գիծ ԳԴվրա Նկար 1) Հավասարակշռության կառուցվածքի հասնելը գործնականում հնարավոր է միայն նեղ ջերմաստիճանի միջակայքում, երբ Տ ոտժավելի քիչ Տ ս 15-20⁰С-ում:
Ապակե վիճակում սեգմենտային շարժունակությունը խիստ սահմանափակ է, սակայն թուլացման գործընթացները տեղի են ունենում՝ կապված վերջի կամ կողային խմբերի պտտման, մոլեկուլային շղթայի փոքր հատվածների վերակողմնորոշման հետ կառուցվածքային արատների տարածքում, օրինակ՝ մակերեսի վրա։ միկրոճաքեր. Համապատասխան թուլացման անցումները կարելի է դիտարկել ջերմաստիճանի կախվածության մեջ մաքսիմումների ի հայտ գալով ֆիզիկական հատկություններ, օրինակ՝ մեխանիկական և դիէլեկտրական կորուստներ։
Մեխանիկական վարքագիծ՝ ապակյա վիճակկարելի է բաժանել փխրուն, որն իրականացվում է ցածր ջերմաստիճաններում փխրունության ջերմաստիճանը, Եվ ոչ փխրուն. Ոչ փխրուն ապակե վիճակը բնութագրվում է նրանով, որ սահմանը գերազանցող լարվածության դեպքում բավական դանդաղ ձգվելով, պոլիմերը դուրս է քաշվում: Մոլեկուլային կողմնորոշումը, որն առաջանում է այս դեպքում, մնում է բեռնաթափումից հետո գրեթե անորոշ երկար ժամանակ. Տ<Т с . Լիցքավորված պոլիմերային ակնոցները ժամանակի ընթացքում ինքնաբերաբար ճաքում են:
Մատենագիտություն:
Կոբեկո Պ.Պ., Ամորֆ նյութեր, Մ.-Լ., 1952;
Կարգին Վ.Ա., Սլոնիմսկի Գ.Լ., Համառոտ ակնարկներ պոլիմերների ֆիզիկական քիմիայի վերաբերյալ, 2-րդ հրատ., Մ., 1967;
Ֆերի Ջ., Պոլիմերների մածուցիկական հատկություններ, տրանս. անգլերենից, Մ., 1963
Կախված իրենց ֆիզիկական վիճակից՝ պոլիմերները բաժանվում են ամորֆ և բյուրեղային:Ամորֆ վիճակին բնորոշ է մակրոմոլեկուլների դասավորության կարգի բացակայությունը։ Ճյուղավորված և ցանցային պոլիմերները հիմնականում ամորֆ են։
Պոլիմերների բյուրեղությունը վերաբերում է մակրոմոլեկուլների առանձին հատվածների դասավորվածությանը: Միայն կարծրականոնավոր գծային պոլիմերներն ունեն բյուրեղացման հատկություն: Բյուրեղային և ամորֆ պոլիմերների հատկությունները զգալիորեն տարբերվում են: Օրինակ, բյուրեղային պոլիմերները, ի տարբերություն ամորֆների, ունեն որոշակի հալման կետ։ Ամորֆ պոլիմերները բնութագրվում են փափկեցնող ջերմաստիճանների շրջանով, այսինքն՝ պինդից հեղուկի աստիճանական անցման շրջանով: Այսպիսով, ամորֆ գծային պոլիմերները սկզբում փափկվում են, երբ տաքանում են՝ առաջացնելով մածուցիկ հեղուկ։ Ջերմաստիճանի հետագա բարձրացումը հանգեցնում է պոլիմերի ոչնչացմանը: Ամորֆ պոլիմերների համար, կախված ջերմաստիճանից (և մեխանիկական սթրեսի մեծությունից), հնարավոր է երեք ֆիզիկական (դեֆորմացիա) վիճակ. ապակյա, մածուցիկԵվ բարձր առաձգականությունՊոլիմերների գործնական կիրառումը որոշվում է նրանով, թե այս վիճակներից որում է տվյալ պոլիմերն իր օգտագործման ջերմաստիճանում: Ապակե պոլիմերներին բնորոշ են համեմատաբար փոքր առաձգական (շրջելի) դեֆորմացիաները (1–10%)։ Պլաստմասսաների արտադրության մեջ օգտագործվում են ապակե վիճակում գտնվող պոլիմերներ։ Մածուցիկ հոսքի վիճակը սովորաբար իրականացվում է բարձր ջերմաստիճաններում և օգտագործվում է պոլիմերները արտադրանքի վերածելու համար: Բոլոր ռետինները շահագործման պայմաններում գտնվում են բարձր առաձգական վիճակում: Այս վիճակը բնորոշ է միայն պոլիմերներին, որոնք կարող են շրջելիորեն դեֆորմացվել հարյուրավոր տոկոսով:
Ցանցային պոլիմերները շատ տարբեր հատկություններ ունեն գծային և ճյուղավորված պոլիմերներից: Նրանք չեն բյուրեղանում, չեն լուծվում լուծիչների մեջ, չեն հալվում առանց քայքայվելու և ունեն մեծ մեխանիկական ուժ։ Դա բացատրվում է նրանով, որ նրանց մակրոմոլեկուլները կապված են մեծ թվով քիմիական կապերով, որոնց խզումը մեծ էներգիա է պահանջում։
Ջերմաստիճանի ազդեցությունը
Ինչ վերաբերում է ջերմությանը, պոլիմերները բաժանվում են երկու խմբի՝ ջերմապլաստիկ և ջերմակայուն: Ջերմապլաստիկ պոլիմերներն ի վիճակի են փափկվել տաքացման ժամանակ և կարծրանալ՝ սառչելիս՝ պահպանելով իրենց բոլոր ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները: Նման պոլիմերներից են պոլիէթիլենը, պոլիստիրոլը, պոլիվինիլքլորիդը և պոլիամիդները։ Ջերմակայուն պոլիմերները չեն կարող վերածվել պլաստիկ վիճակի, քանի որ երբ տաքանում են, դրանք կա՛մ ամբողջությամբ փլուզվում են, կա՛մ երկրորդ անգամ պոլիմերացվում են՝ ձևավորելով նոր, ավելի դիմացկուն և կոշտ կառուցվածքներ։
Ջերմակայուն պոլիմերների օրինակներ են ֆենոլ-ֆորմալդեհիդը, միզանյութը և պոլիեսթեր խեժերը:
Պոլիմերներ և դրանց վրա հիմնված նյութեր օգտագործելիս կարևոր են դրանց մեխանիկական հատկությունները: Պոլիմերների մեխանիկական ուժը մեծանում է մոլեկուլային քաշի ավելացման հետ՝ գծայինից ճյուղավորված և ցանցային կառուցվածքների անցման ժամանակ։ Stereoreregular պոլիմերները բնութագրվում են ավելի բարձր ուժով, քան անկանոնները: Հզորության աճը տեղի է ունենում, երբ պոլիմերը անցնում է բյուրեղային վիճակի: Պոլիմերի մեխանիկական ամրությունը մեծանում է լցոնիչների ներմուծմամբ (օրինակ՝ կավիճ, մուր, գրաֆիտ, մետաղ և այլն) և այդպիսով ստացվում են տարբեր պլաստմասսա։
Պոլիմերների արտադրության մեթոդներ
Պոլիմերներն արտադրվում են պոլիմերացման ռեակցիաների, պոլիկոնդենսացիայի, ինչպես նաև մակրոմոլեկուլների քիմիական փոխակերպումների միջոցով։
Պոլիմերացում– սա պոլիմերների առաջացման ռեակցիան է՝ մոնոմերի մոլեկուլների հաջորդական միացումով աճող շղթային՝ օգտագործելով կովալենտային կապերի վերադասավորումը։.
Պոլիմերացումը բնորոշ է հիմնականում բազմակի (կրկնակի կամ եռակի) կապերով կամ ցիկլային միացություններով միացություններին։ Պոլիմերացման գործընթացում մի քանի կապեր կոտրվում են կամ օղակներ են բացվում մոնոմերի մոլեկուլներում, որին հաջորդում է այդ մոլեկուլների միջև քիմիական կապերի ձևավորումը՝ պոլիմերներ ձևավորելու համար։ Ելնելով ներգրավված մոնոմերների քանակից՝ դրանք առանձնանում են հոմոպոլիմերացում(մի տեսակի մոնոմերի պոլիմերացում) և համապոլիմերացում(երկու կամ ավելի տարբեր մոնոմերների համապոլիմերացում): Հոմոպոլիմերացման ռեակցիայի օրինակ է տեֆլոնի արտադրությունը (ֆտորոպլաստիկ).
nCF 2 =CF 2 (–CF 2 –CF 2 –) n
tetrafluoroethylene polytetrafluoroethylene
Համապոլիմերները միավորում են յուրաքանչյուր առանձին մոնոմերից ստացված պոլիմերների հատկությունները: Հետևաբար, համապոլիմերացումը արդյունավետ մեթոդ է ցանկալի հատկություններով պոլիմերների սինթեզման համար:
Ստիրոլ բութադիենային կաուչուկը արտադրվում է համապոլիմերացման ռեակցիայի միջոցով.
| 2 |
բութադիեն-1,3
ստիրոլի բութադիեն ստիրոլի ռետին
Պոլիկոնդենսացիա– Սա երկու կամ ավելի ֆունկցիոնալ խմբեր ունեցող մոնոմերներից պոլիմերների առաջացման ռեակցիան է, որն ուղեկցվում է այդ խմբերի պատճառով ցածր մոլեկուլային քաշի արտադրանքների (H 2 O, NH 3, HCl և այլն) արտազատմամբ:
Բնական պայմաններում բնական պոլիմերների առաջացման հիմնական մեթոդը պոլիկոնդենսացիան է։ Պոլիկոնդենսացիայի ժամանակ շղթան աստիճանաբար աճում է. սկզբում սկզբնական մոնոմերները փոխազդում են միմյանց հետ, ապա ստացված միացությունը փոխազդում է նույն մոնոմերի մոլեկուլների հետ՝ ի վերջո ձևավորելով պոլիմեր, իսկ մոնոմերի n մոլեկուլներից՝ (n-1) մոլեկուլներ։ թողարկվում են ցածր մոլեկուլային արտադրանք.
Հեքսամեթիլենդիամինի H 2 N–(CH 2) 6 –NH 2-ի և երկհիմնական ադիպաթթվի HOOC–(CH 2) 4 –COOH-ի համապոլիխտացումից առաջանում է անիդ կամ նեյլոն՝ nH 2 N–(CH 2) 6 –NH 2 + nHOOC– ( CH 2 ) 4 –COOH →
→ [–NH–(CH 2) 6 –NH–CO–(CH 2) 4 –CO–] n + (n-1)H 2 O
Անիդ (նեյլոն կամ պերլոն)
Պոլիկոնդենսացիան տարբերվում է պոլիմերացումից նրանով, որ այն հիմնված է փոխարինման ռեակցիայի վրա, և պոլիկոնդենսացիայի գործընթացում բարձր մոլեկուլային միացությունների հետ միասին ձևավորվում են ցածր մոլեկուլային քաշի արտադրանքներ։ Արդյունքում, սկզբնական մոնոմերի և ստացված պոլիմերի տարերային բաղադրությունը տարբերվում է մի խումբ ատոմներով, որոնք թողարկվում են ցածր մոլեկուլային զանգվածի արտադրանքի տեսքով (այս օրինակում՝ H 2 O):
Պոլիմերների տեսակները
Ըստ իրենց ծագման՝ բարձր մոլեկուլային քաշ ունեցող նյութերը բաժանվում են բնական,կամ բիոպոլիմերներ (սպիտակուցներ, նուկլեինաթթուներ, պոլիսախարիդներ) և սինթետիկ(պոլիէթիլեն, ֆենոլային խեժեր):
Ելնելով բաղադրիչ միավորում ներառված տարրերի տեսակից՝ առանձնանում են օրգանական, անօրգանական և օրգանական տարրերի պոլիմերները։
Օրգանական պոլիմերներ.Օրգանական պոլիմերները, ելնելով իրենց ծագումից, բաժանվում են երեք խմբի.
– բնական, բնության մեջ (բնական կաուչուկ, օսլա, բջջանյութ, սպիտակուցներ, նուկլեինաթթուներ);
– արհեստականորոնք ստացվում են բնական պոլիմերների (տրինիտրոցելյուլոզա, ացետատ և վիսկոզա մանրաթել, քլորացված բնական կաուչուկ, ռետինե) քիմիական ձևափոխմամբ.
– սինթետիկ, ստացվում է սինթեզով (պոլիէթիլեն, պոլիպրոպիլեն, նեյլոն, պոլիստիրոլ, ֆենոլ–ֆորմալդեհիդային խեժ)։
Ըստ հիմնական մակրոմոլեկուլային շղթայի քիմիական կազմի՝ օրգանական պոլիմերները բաժանվում են homochain, որոնց շղթաները կառուցված են միանման ատոմներից, և հետերաշղթա, պարունակող ածխածնի ատոմներ և հիմնական շղթայի այլ տարրերի ատոմներ, օրինակ՝ պոլիկարբոնատ [−O−R−O−CO−] n, բջջանյութ (C 6 H 10 O 5) n, նեյլոն [−NH−(CH 2) 5 −CO− ] n . Homochain պոլիմերներից ամենատարածվածը ածխածնային շղթա, որոնց մակրոմոլեկուլային շղթաները պարունակում են միայն ածխածնի ատոմներ, օրինակ՝ պոլիէթիլեն [−CH 2 −CH 2−] n, պոլիստիրոլ [−CH 2 −CH(C 6 H 5)−] n, պոլիտետրաֆտորէթիլեն [−CF 2−CF։ 2 −] n.
Անօրգանական պոլիմերներ.Շատ անօրգանական նյութեր պոլիմերներ են: Բոլոր մետաղները, որոշ ոչ մետաղներ (պլաստիկ ծծումբ, սև և կարմիր ֆոսֆոր, ածխածին ադամանդի, գրաֆիտի, ածուխի և ածուխի տեսքով), սիլիցիումի թթուները, սիլիկատները, ալյումինոսիլիկատները, սիլիցիումի երկօքսիդը, պոլիսիլանը և այլն Շատ անօրգանական պոլիմերների կարևոր տարբերակիչ հատկությունը նրանց ջերմային և քիմիական դիմադրությունն է: Նրանք կարող են ունենալ գծային կառուցվածք (ծծմբային շղթաների պլաստիկ ձևափոխում ....− S−S −S −...., պարույրով ոլորված), շերտավոր (միկա, տալկ), ճյուղավորված կամ եռաչափ կառուցվածք (սիլիկատներ) . Նույնիսկ ավելի բարդ գոյացությունները՝ ցեոլիտները՝ սիլիկատների և մետաղների ալյումինատների համապոլիմերները, ձևավորում են պոլիեդրաներ, որոնք պարունակում են խոռոչներ և ալիքներ ներսում, որոնցում տեղավորված են իոններ, որոնք կարող են փոխանակվել ուրիշների հետ (օրինակ՝ ջուրը մաքրելիս):
Օրգանական տարրերի պոլիմերներ.Սրանք պոլիմերներ են, որոնք հիմնական շղթայում պարունակում են ոչ թե ածխածնի, այլ այլ տարրերի ատոմներ (սիլիցիում, ալյումին, թթվածին, ֆոսֆոր): Նման պոլիմերներում կողային շղթաները ներկայացված են օրգանական ռադիկալներով։
Կենսապոլիմերներ
Կենսապոլիմերներն են բնական բարձր մոլեկուլային քաշի միացություններ.Դրանք ներառում են պոլիսախարիդներ, պոլիիզոպրեններ, պոլիպեպտիդներ, սպիտակուցներ և նուկլեինաթթուներ:
Պոլիսաքարիդներ – դրանք բիոպոլիմերներ ենմակրոմոլեկուլները, որոնցից բաղկացած են մոնոսաքարիդների մնացորդներից։ Պոլիսաքարիդների ամենակարևոր ներկայացուցիչներն են ցելյուլոզը, օսլան, ինուլինը և գլիկոգենը։ Ունենալով ընդհանուր բանաձև (C 6 H 10 O 5) n, պոլիսախարիդները տարբերվում են մակրոմոլեկուլի կառուցվածքով: Օսլան և գլիկոգենը բաղկացած են α-գլյուկոզայի մնացորդներից, ցելյուլոզը՝ β-գլյուկոզայի մնացորդներից, ինուլինը ՝ ֆրուկտոֆուրանոզայի մնացորդներից։ Թթուների կատալիտիկ ազդեցության տակ պոլիսախարիդները հիդրոլիզ են անցնում։ Օսլայի, գլիկոգենի և ցելյուլոզայի հիդրոլիզի վերջնական արդյունքը գլյուկոզան է, իսկ ինուլինը ֆրուկտոզա։ Ցելյուլոզը ամենակոշտ շղթայական պոլիմերներից է, որում գործնականում ոչ մակրոմոլեկուլների ճկունություն.
Սկյուռիկներկենսապոլիմերներ են, որոնք բաղկացած են α-ամինաթթուների մնացորդներից՝ կապված պեպտիդային (ամիդային) կապերով։ Սպիտակուցի մոլեկուլներում այսպես կոչված ատոմների պեպտիդային խումբը՝ CO–NH– բազմիցս կրկնվում է։ Բազմաթիվ փոխկապակցված պեպտիդային միավորներից բաղկացած միացությունները կոչվում են պոլիպեպտիդներ: Ըստ այդմ, սպիտակուցները դասակարգվում են որպես պոլիպեպտիդներ: Պեպտիդային շղթայում ներառված ամինաթթուների մնացորդների թիվը կարող է շատ մեծ լինել, ուստի սպիտակուցների մոլեկուլային կշիռները կարող են հասնել մի քանի միլիոնի։ Ընդհանուր սպիտակուցներից են հեմոգլոբինը (մարդու արյան մեջ), կազեինը (կովի կաթում), ալբումինը (հավի ձվի մեջ)։
Սպիտակուցներն ամենակարևոր կենսաբանական նյութերն են՝ դրանք անհրաժեշտ են օրգանիզմների կյանքի համար։ Սպիտակուցի սինթեզը մարմնում իրականացվում է պոլիկոնդենսացիոն ռեակցիաների միջոցով.
nH 2 N−СНR−COOH ↔ [−NH−СНR−CO−] n + (n-1)H 2 O: Երբ α-ամինաթթուների երկու մոլեկուլ փոխազդում են, ռեակցիա է տեղի ունենում մեկ մոլեկուլի ամինո խմբի և մյուսի կարբոքսիլ խումբը, որը հանգեցնում է ջրի գոյացման։
Ըստ իրենց բաղադրության՝ սպիտակուցները բաժանվում են պարզ (սպիտակուցներ) և բարդ (սպիտակուցներ): Երբ պարզ սպիտակուցները հիդրոլիզվում են, առաջանում են միայն α-ամինաթթուներ, երբ հիդրոլիզվում են բարդ սպիտակուցներ, առաջանում են α-ամինաթթուներ և ոչ սպիտակուցային նյութեր։
Սպիտակուցների կառուցվածքի չորս մակարդակ կա.
– առաջնային կառուցվածքըսպիտակուցները պեպտիդային շղթայի կառուցվածքն է, այսինքն. ամինաթթուների մնացորդների մի շարք և դրանց միացման հաջորդականությունը սպիտակուցի մոլեկուլում։
– երկրորդական կառուցվածքորոշվում է սպիտակուցի մոլեկուլների պոլիպեպտիդային շղթաները պարույրի մեջ ոլորելու առանձնահատկություններով՝ −CO− և NH− խմբերի միջև ջրածնային կապերի առաջացման պատճառով։
– երրորդական կառուցվածքորոշվում է սպիտակուցային խխունջների տարածական դասավորությամբ՝ ջրածնի, ամիդային և դիսուլֆիդային կապերի ձևավորման պատճառով։
– Չորրորդական կառուցվածքորոշվում է մակրոմոլեկուլների տարածական դասավորությամբ, որոնք ներառում են մի քանի պոլիպեպտիդ շղթաներ։
Նուկլեինաթթուներ – բնական բիոպոլիմերներ, որոնք կառուցված են մոնոմերներից. նուկլեոտիդներ,կրկնվող նուկլեինաթթվի բեկորներ. Նուկլեոտիդները կազմված են երեք բաղադրիչներից՝ հետերոցիկլիկ հիմքերից, մոնոսաքարիդներից և ֆոսֆորաթթվի մնացորդներից, որոնք կապում են մոնոնուկլեոտիդները պոլիմերային մոլեկուլում։ Գոյություն ունեն նուկլեինաթթուների երկու տեսակ՝ ռիբոնուկլեինաթթուներ (ՌՆԹ) և դեզօքսիռիբոնուկլեինաթթուներ (ԴՆԹ): Բոլոր կենդանի օրգանիզմներն անպայման պարունակում են երկու տեսակի նուկլեինաթթուներ։
Պոլիմերների կիրառում
Պոլիմերների կիրառման կարևոր ոլորտներից է մանրաթելերի և գործվածքների արտադրությունը։ Մանրաթելերի դասակարգումը ներկայացված է դիագրամում.
Քիմիական մեթոդներով արտադրված մանրաթելերը կազմում են քիմիական մանրաթելերի խումբ: Նրանք բաժանվում են արհեստական և սինթետիկ: Արհեստական մանրաթելերը ստացվում են բնական նյութերի (բամբակ, բուրդ) քիմիական ձևափոխմամբ, մինչդեռ սինթետիկ մանրաթելերի արտադրության համար օգտագործվում են միայն սինթետիկ նյութեր՝ պոլիմերներ։ Ամենակարևոր սինթետիկ մանրաթելերը ներառում են լավսանԵվ նեյլոն.
Լավսանստացված էթիլենգլիկոլի և տերեֆտալային (բենզոլ-1,4-դիկարբոքսիլաթթվի) պոլիկոնդենսացիայի արդյունքում.
Ստացված գծային պոլիմերը պոլիեսթեր է, որի տարրական միավորն ունի հետևյալ տեսքը.
Լավսանից պատրաստված մանրաթելը (այս պոլիեսթերի այլ անվանումներն են՝ տերիլեն, դակրոն) ունի լավ ամրություն, ջերմակայունություն և դիմացկուն է նոսր թթուների և ալկալիների նկատմամբ:
Նեյլոն – պոլիամիդ մանրաթել, որը ստացվում է պոլի-
խտացում hexamethylenediamine H 2 N (CH 2) 6 NH 2 եւ adipic թթու HOOC (CH 2) 4 COOH:
Տարրական նեյլոնե կապն ունի հետևյալ ձևը.
Նեյլոնե և այլ պոլիամիդային մանրաթելեր բնութագրվում են բարձր ամրությամբ և քայքայման դիմադրությամբ: Նրանց թերությունները բարձր էլեկտրիֆիկացումն ու անկայունությունն են, երբ տաքացվում են: Հետեւաբար, նեյլոնե հագուստը չի կարելի արդուկել տաք արդուկով:
Ռետիններ
Բնական ռետինե.Բնական կաուչուկը ստացվում է լատեքսից՝ որոշ արևադարձային բույսերի հյութից։ Նրա կառուցվածքը կարող է որոշվել իր քիմիական հատկություններով. կաուչուկը միացնում է բրոմը, ջրածնի բրոմը և ջրածինը, և երբ տաքացվում է առանց օդի մուտքի, այն քայքայվում է և առաջանում է իզոպրեն (2-մեթիլբուտադիեն): Սա նշանակում է, որ ռետինը չհագեցած պոլիմեր է՝ պոլիիզոպրեն։
Կաուչուկի մոլեկուլային զանգվածը տատանվում է 100 հազարից մինչև 3 միլիոն: Բնական կաուչուկում գրեթե բոլոր ագրեգատներն ունեն cis կոնֆիգուրացիա.
Սա նշանակում է, որ բնական կաուչուկն ունի ստերեկանոնավոր կառուցվածք, որն էլ որոշում է նրա արժեքավոր հատկությունները։
Կաուչուկի ամենակարևոր ֆիզիկական հատկությունը առաձգականությունն է, այսինքն՝ նույնիսկ փոքր ուժի ազդեցության տակ շրջելիորեն ձգվելու ունակությունը: Մեկ այլ կարևոր հատկություն ջրի և գազերի նկատմամբ անթափանցելիությունն է։ Ռետինի հիմնական թերությունը նրա զգայունությունն է բարձր և ցածր ջերմաստիճանների նկատմամբ։ Երբ ռետինը տաքանում է, փափկացնում և կորցնում է առաձգականությունը, իսկ սառչելիս դառնում է փխրուն և կորցնում է առաձգականությունը։
Պլաստիկությունը նվազեցնելու և ամրությունը, մաշվածության դիմադրությունը և ագրեսիվ միջավայրերին դիմադրությունը մեծացնելու համար ռետինը ենթարկվում է. վուլկանացումծծմբի առկայությամբ տաքացնելով տարբեր լցանյութերով (մուր, կավիճ, ցինկի օքսիդ և այլն)։ Վուլկանացման գործընթացում կաուչուկի գծային մակրոմոլեկուլները դիսուլֆիդային կամուրջներով (–S–S–) խաչակցվում են միմյանց հետ և ձևավորվում է տարածական պոլիմեր՝ ռետինե.
Ռետինն ունի ճյուղավորված տարածական կառուցվածք և, հետևաբար, ավելի քիչ առաձգական է, քան բնական կաուչուկը, բայց ունի զգալիորեն ավելի մեծ ամրություն: Կաուչուկի արտադրությունը հիմնված է պոլիմերացման և վուլկանացման գործընթացների վրա։
Սինթետիկ ռետիններ
Առաջին սինթետիկ կաուչուկը ստացվել է Ռուսաստանում 1931 թվականին պրոֆեսոր Ս.Վ.
Բուտադիենային կաուչուկն ունի լավ ջրի և գազի անթափանցելիություն, բայց ավելի քիչ առաձգական է, քան բնական կաուչուկը, քանի որ այն ունի անկանոն կառուցվածք: Իր շղթայում ցիս- և տրանս-միավորները պատահականորեն բաշխված են: Բացի այդ, պոլիմերացումը տեղի է ունենում ոչ միայն որպես 1,4-, այլև որպես 1,2 հավելում, որի արդյունքում ձևավորվում է տիպի ճյուղավորված կառուցվածքով պոլիմեր:
Մշակվել են տեխնոլոգիաներ սինթետիկ իզոպրենային և բութադիենային կաուչուկի արտադրության համար՝ գծային ստերեկանոնավոր կառուցվածքով (վերջինս կոչվում է. դիվինիլ) Որոշ սինթետիկ կաուչուկներ արտադրվում են համապոլիմերացման գործընթացի միջոցով: Օրինակ, ռեակցիայի արդյունքում սինթեզվում է ստիրոլ բութադիեն կաուչուկը
Համապոլիմերացման մեթոդի առավելությունն այն է, որ բաղադրամասերի միջև հարաբերակցությունը փոփոխելով՝ կարելի է վերահսկել ռետինի հատկությունները:
Պլաստիկ
Պլաստիկպոլիմերային հիմքով նյութեր են, որոնք տաքացնելիս կարող են փոխել իրենց ձևը և սառչելուց հետո պահպանել նոր ձև: Այս հատկության շնորհիվ պլաստմասսաները հեշտ են մշակվում և օգտագործվում են տվյալ ձևով արտադրանք արտադրելու համար: Բացի պոլիմերներից, պլաստմասսաները ներառում են պլաստիկացնողներ, ներկանյութեր և լցոնիչներ, որոնք բարելավում են պոլիմերների ֆիզիկական և մեխանիկական հատկությունները: Պլաստիկները լինում են երկու հիմնական տեսակի. ջերմապլաստիկԵվ ջերմակայուն.
ԹերմոպլաստիկՊլաստիկները կարող են բազմիցս փոխել իրենց ձևը, երբ տաքանում են, ապա սառչում: Դրանք ներառում են գծային շղթաներով պոլիմերներ: Նման պոլիմերների փափկելու ունակությունը տաքացման ժամանակ պայմանավորված է տարբեր շղթաների միջև ամուր կապերի բացակայությամբ: Դրանք պոլիէթիլենի, պոլիտետրաֆտորէթիլենի, պոլիվինիլքլորիդի, պոլիամիդների, պոլիստիրոլի և այլ պոլիմերների վրա հիմնված նյութեր են։
ՋերմակայունՏաքացման ժամանակ պլաստմասսաները նույնպես փոխում են իրենց ձևը, բայց միևնույն ժամանակ կորցնում են իրենց պլաստիկությունը, դառնում կոշտ և այլևս ենթակա չեն հետագա մշակման: Դա պայմանավորված է նրանով, որ խաչաձև կապերի ձևավորման արդյունքում անշրջելիորեն ձևավորվում է ցանցային տարածական կառուցվածք, որը չի կարող վերածվել գծայինի։ Ջերմակայուն պոլիմերներն օգտագործվում են որպես սոսինձների, լաքերի, իոնափոխանակիչների և պլաստմասսաների հիմք։ Ֆենոլ-ֆորմալդեհիդային խեժերի վրա հիմնված պլաստմասսաները կոչվում են ֆենոլային պլաստմասսա, իսկ միզա-ֆորմալդեհիդային խեժերի վրա հիմնվածները՝ ամինոպլաստներ։ Դրանցում պարունակվող լցոնիչներն են՝ թուղթ, ստվարաթուղթ, գործվածք (տեքստոլիտ), քվարց և միկա ալյուր և այլն։ Ֆենոլային պլաստմասսաները դիմացկուն են ջրի, թթուների, աղերի և հիմքերի լուծույթների, օրգանական լուծիչների, հրակայուն են, եղանակին դիմացկուն և լավ դիէլեկտրիկներ. Բացի թվարկված հատկություններից, ամինոպլաստները դիմացկուն են լույսի և ուլտրամանուշակագույն ճառագայթների նկատմամբ և կարող են ներկվել տարբեր գույներով։ Հետեւաբար, պլաստմասսաները լայնորեն օգտագործվում են էլեկտրատեխնիկայում: էլեկտրոնիկան, մեքենաշինությունը, ավտոմոբիլային արդյունաբերությունը, շինարարությունը և դրանց կիրառման մասշտաբն ու շրջանակը անընդհատ աճում են:
Խնդիրների լուծման օրինակներ
Օրինակ 15.1.Ատոմների ո՞ր խումբն է պոլիէթիլենային մակրոմոլեկուլի կառուցվածքային միավորը. Գրե՛ք պոլիմերի առաջացման ռեակցիան: Հաշվե՛ք պոլիմերի մոլեկուլային զանգվածը, եթե հայտնի է, որ պոլիմերի N մոլեկուլներն ունեն 28000 մոլեկուլային զանգված, իսկ 3N մոլեկուլները՝ 140000։
Գտե՛ք պոլիմերացման միջին թվային աստիճանը:
Լուծում.Պոլիէթիլենը արտադրվում է էթիլենի հոմոպոլիմերացման արդյունքում.
n CH 2 = CH 2 → (−CH 2 −CH 2 −) n
էթիլեն պոլիէթիլեն
Պոլիմերացման գործընթացում մոնոմերի՝ էթիլենի մոլեկուլներում բազմաթիվ կապեր են կոտրվում, և մոլեկուլների միջև առաջանում են քիմիական կապեր, ինչը հանգեցնում է մակրոմոլեկուլների առաջացման։
Պոլիէթիլենային մակրոմոլեկուլի կառուցվածքային միավորը՝ −CH 2 −CH 2 −:
Գտե՛ք պոլիմերի մոլեկուլային քաշի միջին (թվային) արժեքը.
Մենք գտնում ենք կառուցվածքային միավորի հարաբերական մոլեկուլային քաշը՝ M(C 2 H 4) = 28:
Թիվ-միջին աստիճանը պոլիմերացման nav այս դեպքում հավասար է.
Ոչ մետաղական նյութեր
Պոլիմերների կառուցվածքը և կառուցվածքը
Պոլիմերները միացություններ են, որոնցում մեծ թվով միանման կամ անհավասար ատոմային խմբեր քիչ թե շատ կանոնավոր կերպով հերթափոխվում են՝ քիմիական կապերով միացված գծային կամ ճյուղավորված շղթաների, ինչպես նաև տարածական ցանցերի։
Բազմիցս կրկնվող խմբերը կոչվում են մոնոմերային միավորներ, իսկ մեծ մոլեկուլը, որը կազմված է միավորներից, կոչվում է մակրոմոլեկուլ կամ պոլիմերային շղթա։ Շղթայի օղակների թիվը պոլիմերացման աստիճանն է և նշվում է «n» տառով: Պոլիմերի անվանումը բաղկացած է մոնոմերի անունից և «պոլի» նախածանցից։
Նույնական մոնոմերներից կառուցված պոլիմերները կոչվում են հոմոպոլիմերներ:
Ցածր մոլեկուլային միացությունների համեմատ պոլիմերներն ունեն մի շարք առանձնահատկություններ. դրանք կարող են լինել միայն խտացրած պինդ կամ հեղուկ վիճակում; պոլիմերային լուծույթներն ունեն բարձր մածուցիկություն; երբ լուծիչը հեռացվում է, պոլիմերներն ազատվում են ոչ թե բյուրեղների տեսքով, ինչպես ցածր մոլեկուլային միացություններ, այլ թաղանթների տեսքով. պոլիմերները կարող են տեղափոխվել կողմնորոշված վիճակի. Շատ պոլիմերներ բնութագրվում են մեծ շրջելի դեֆորմացիաներով և այլն:
Պոլիմերների հատուկ հատկությունները որոշվում են դրանց կառուցվածքի առանձնահատկություններով, որոնց հիմնական պարամետրերի իմացությունը անհրաժեշտ է դրանց կարգավորման գիտականորեն հիմնավորված մեթոդներ ստեղծելու համար։
Մակրոմոլեկուլների տեսակները
Պոլիմերների յուրահատուկ հատկությունները որոշվում են նրանց մակրոմոլեկուլների կառուցվածքով։ Ըստ մակրոմոլեկուլների ձևի՝ պոլիմերները բաժանվում են գծային, ճյուղավորված, սանդուղքի և ցանցային։
Գծայինմակրոմոլեկուլները երկար զիգզագաձեւ կամ պարուրաձեւ շղթաներ են։
Ճյուղավորվածմակրոմոլեկուլներն առանձնանում են կողային ճյուղերի առկայությամբ։
Աստիճաններմակրոմոլեկուլները բաղկացած են երկու շղթայից, որոնք կապված են քիմիական կապերով:
ՏարածականՊոլիմերները ձևավորվում են մակրոմոլեկուլների խաչաձև կապակցմամբ՝ լայնակի ուղղությամբ քիմիական կապերով։
Պոլիմերային մոլեկուլների տարբերակիչ առանձնահատկությունն է ճկունություն.Շղթայի ճկունությունը կապերի ջերմային շարժման կամ արտաքին դաշտի ազդեցության տակ, որտեղ տեղադրված է պոլիմերը, ձևը փոխելու կարողությունն է: Այն բնութագրում է պոլիմերների բյուրեղացման ունակությունը, որոշում հալման ջերմաստիճանի միջակայքը, առաձգականությունը, առաձգականությունը և այլ հատկություններ:
Կախված իրենց կառուցվածքից և ջերմաստիճանի հետ հարաբերությունից՝ պոլիմերները բաժանվում են ջերմապլաստիկների և ջերմակայունների։
Թերմոպլաստիկ- պոլիմերներ, որոնցում տաքացնելիս խաչաձև կապեր չեն առաջանում, և որոնք որոշակի ջերմաստիճանում փափկվում են և պինդ վիճակից անցնում պլաստիկի։
Ջերմակայուն- պոլիմերներ, որոնք առաջացման առաջին փուլում ունենում են գծային կառուցվածք, իսկ հետո քիմիական պրոցեսների առաջացման պատճառով կազմում են տարածական ցանցեր, կարծրանում և անցնում չլուծվող և չլուծվող վիճակի.
Սինթետիկ պոլիմերները ստացվում են ցածր մոլեկուլային քաշ ունեցող նյութերից (մոնոմերներ) պոլիմերացման, պոլիկոնդենսացիայի, համապոլիմերացման ռեակցիաների, ինչպես նաև այլ բնական և սինթետիկ պոլիմերների քիմիական փոխակերպումների միջոցով։
Պոլիմերացում- մի քանի մոնոմերների համակցման գործընթաց, որը չի ուղեկցվում կողմնակի արտադրանքների արտազատմամբ և տեղի է ունենում առանց տարրական կազմը փոխելու: Պոլիմերացումից ստացվում են այնպիսի պոլիմերներ, ինչպիսիք են պոլիէթիլենը, պոլիստիրոլը, պոլիվինիլքլորիդը և այլն:
Պոլիկոնդենսացիա- մի քանի մոնոմերների միացման գործընթացը, որն ուղեկցվում է ամենապարզ ցածր մոլեկուլային նյութերի (H 2 O, Hcl և այլն) արտազատմամբ: Ֆենոլ-ֆորմալդեհիդային խեժերը արտադրվում են պոլիկոնդենսացիայի միջոցով։
Համապոլիմերացում- տարբեր կառուցվածքների երկու կամ ավելի մոնոմերների պոլիմերացում. Համապոլիմերացումից ստացվում են էթիլենի և պրոպիլենի համապոլիմերներ:
Պոլիմերների փուլային վիճակներ
Պոլիմերները կարող են լինել երկու փուլային վիճակում՝ բյուրեղային և ամորֆ (հեղուկ):
Պոլիմերները չեն կարող լինել գազային փուլային վիճակում, քանի որ եռման կետը շատ ավելի բարձր է, քան տարրալուծման ջերմաստիճանը:
Բյուրեղայինփուլային վիճակը բնութագրվում է ատոմների և մոլեկուլների դասավորության մեջ եռաչափ հեռահար կարգի առկայությամբ: Հեռավոր կարգը այն կարգն է, որը դիտվում է մոլեկուլների չափը հարյուրավոր և հազարավոր անգամներ գերազանցող հեռավորությունների վրա։
Հեղուկ (ամորֆ)փուլային վիճակը բնութագրվում է բյուրեղային կառուցվածքի բացակայությամբ: Ամորֆ վիճակում նկատվում է կարճ հեռահարության կարգ՝ կարգ, որը դիտվում է մոլեկուլների չափին համարժեք հեռավորությունների վրա։ Տվյալ մոլեկուլի մոտ նրա հարևանները կարող են դասավորվել որոշակի հերթականությամբ, բայց կարճ հեռավորության վրա այդ կարգը բացակայում է։
