- •Физика полимеров
- •Введение
- •1. Структура полимеров
- •1.1. Структура макромолекул полимеров.
- •1.2. Топологические особенности структуры полимеров.
- •1.3. Надмолекулярная структура полимеров.
- •Надмолекулярная структура аморфных полимеров
- •Надмолекулярная структура кристаллических полимеров
- •2.Физические свойства полимеров.
- •2.1 Тепловое движение молекул.
- •2.2 Гибкость полимерных молекул
- •2.3 Межмолекулярное взаимодействие
- •2.4 Молекулярная подвижность в полимерах.
- •3. Физические и фазовые состояния полимеров
- •3.1 Высокоэластическое состояние аморфных полимеров
- •Статистическое рассмотрение высокоэластической деформации линейных полимеров.
- •3.2 Релаксационные свойства аморфных полимеров в высокоэластическом состоянии
- •3.3 Вязкотекучее состояние аморфных полимеров
- •Стеклообразное состояние аморфных полимеров
- •3.5 Кристаллизация полимеров
- •4. Механические свойства полимеров.
- •4.1. Деформационные свойства полимеров.
- •4.2. Ударная прочность полимеров.
- •4.3. Долговечность. Усталостная прочность полимеров.
- •5. Реология полимеров
- •5.1. Типы реологического поведения полимеров и их растворов
- •Приборы для получения кривых течения
- •5.2 Закон течения полимеров
- •5.3 Механизм течения полимеров
- •5.4 Зависимость вязкости от температуры, полярности макромолекул и молекулярной массы
- •Влияние эластичности на течение полимеров
- •6. Химические превращения полимеров
- •6.1 Старение полимеров
- •6.2 Деструкция полимеров
- •7. Контрольные вопросы
- •8. Литература
2.Физические свойства полимеров.
2.1 Тепловое движение молекул.
Макромолекулы полимеров являются цепочками повторяющихся звеньев. Отношение длины макромолекулы к ее эффективному диаметру может достигать 104. Форма макромолекулы зависит от многих факторов: природы звена, среды, температуры и др. Общим остаётся практическое постоянство валентных углов в полимерной цепочке. Отсюда специфика теплового движения на межатомном уровне - это вращение атомов друг относительно друга при сохраняющихся постоянных валентных углах по схеме, показанной на рис.8. Тепловое движение полимерной молекулы реализуется в меняющейся ее форме (конформации). Интенсивность теплового движения, набор конформаций, время переходов из одной конформации в другую в отсутствие внешних воздействий на полимер зависят от соотношения двух факторов: ∆E - потенциальной энергии (барьер) вращения и Т - температуры:
, (6)
где tp - время перехода от одной конформации к другой; τ0 - константа.
Поэтому полимерная цепь почти никогда не бывает предельно вытянутой и представляет собой статистический макромолекулярный клубок. Форма и размеры макромолекулярного клубка зависят от интенсивности теплового движения макромолекулы и химического состава полимера.
2.2 Гибкость полимерных молекул
Гибкость макромолекулы - возможность перемещения ее участков друг относительно друга без разрушения самой молекулы. Это основное молекулярное свойство полимеров. Гибкостью макромолекул объясняют многие свойства полимеров: большие (десятки-сотни процентов) обратимые деформации, ползучесть, "полимерную память", способность одной молекулы находиться отдельными своими участками в разных фазах в многофазных полимерных системах и т.д.
Благодаря гибкости макромолекул полимеры обладают высокоэластичностью, высокоэластической деформацией. В отличие от хорошо известных обратимой гуковской и необратимой пластической деформации высокоэластическая деформация имеет следующие характерные свойства: она обратима; может иметь большие величины (до многих сотен процентов); имеет большой диапазон времени развития (от секунд до тысяч лет). Наиболее ярко высокоэластичность проявляется в резинах, каучуках. Гибкость полимеров зависит от химического состава звеньев и наличия межмакромолекулярных химических связей.
Важной интегральной характеристикой гибкости макромолекул является величина потенциальной энергии вращения ∆E [см. уравнение (6)]. Чем выше ∆E, тем меньше гибкость полимерных молекул, тем более жестким является полимер, выше eгo модуль упругости и прочность. Очень сильно влияют на гибкость полимеров химические связи между макромолекулами.
|
Рис.8 Схема вращения звеньев цепи относительно химических связей в молекуле полиэтилена |
Таким образом гибкость макромолекул можно определить как результат совокупного вклада теплового движения атомов и групп атомов в макромолекуле с одной стороны и энергии межмолекулярных связей с другой. Энергия теплового движения определяется величиной kT (где k-постоянная Больцмана, равная 1,3810-23 Дж/гpaд-l Т-температура, К) и благоприятствует развитию гибкости макромолекул. Межмолекулярное взаимодействие фиксирует элементы полимерной структуры, подавляет гибкость цепных молекул и способствует повышению жесткости полимера.
Таким образом, в изотермических условиях гибкость макромолекул зависит от эффективности межмакромолекулярных взаимодействий. Последнее зависит от химического состава звеньев и их полярности. Обычно, чем выше полярность звеньев, тем меньше гибкость макромолекул, т.е. выше модуль упругости, прочность и термостойкость этого полимера. Именно поэтому принято делить все полимеры на полярные и неполярные. Есть разные количественные подходы в разделении полимеров по признаку полярности звена.
Можно разделить полимеры по величине дипольного момента звена (µ). Действительно, у полиэтилена практически отсутствует дипольный момент звена - это гибкоцепной полимер. Поливинилхлорид, полиакрилонитрил, полиэтилентерефталат (лавсан), полиметилметакрилат (оргстекло) имеют полярные звенья, т.е. они обладают значительным дипольным моментом до 2-4 Кл·м - это жесткоцепные полимеры.
Оценку полярности полимера можно сделать и по величине диэлектрической проницаемости (ε). У неполярных полимеров: фторопластов и полиэтилена ε=2,1; у полярных полимеров - капрона и оргстекло ε≥3,5 .
Эти методы оценки полярности полимеров не позволяют однозначно предсказать количественно эксплуатационные свойства полимеров (механические, электрические и др.), сделать точный расчет параметров этих свойств с учетом значений, µ и ε.
Значительно большие возможности дает использование величины теплоты испарения полимера (∆Нисп). Величина ∆Нисп является обобщенной характеристикой энергии всей совокупности структурных связей, которые нужно разорвать, чтобы перевести макромолекулы из конденсированного состояния в пар, включая и прочные ковалентные связи между атомами углерода в основной цепи. Величина ∆Нисп полимеров зависит от полярности звеньев.
Для оценки полярности полимера используют параметр взаимодействия δ, (Дж/м3)0,5:
, (7)
где Vм - мольный объем.
Параметр δ позволяет вполне достоверно предсказать некоторые свойства полимеров. Дли многих полимеров модуль Е=К1δ2, где K1-константа. У многих полимеров диэлектрическая проницаемость ε = К2δ, где К2 – константа.
Если δ полимера и δ окружающей среды близки по величинам, то в такой среде полимер не может эксплуатироваться, так как он будет набухать в ней, растворяться и разрушаться. Например, полиметилметакрилат разрушается в парах ацетона. У ацетона и полиметилметакрилата (оргстекла) близкие значения параметров взаимодействия.
Если же нужно приготовить лак, полимерную эмаль, краску, то, наоборот, растворитель подбирают в соответствии с правилом: δ полимера и δ растворитель должны иметь близкие значения (или быть равны).