Дослідження впливу наповнювача на структурну організацію і міжфазну взаємодію в композиційних полімерних матеріалах (стр. 3 из 5)
O || nHO – R1 – OH + nHOOC – R2 – COOH ®(HO – R1 – O – C – R2 )n-1
Тут R1 і R2 - аліфатичні або ароматичні радикали.
При полімеризації вихідний мономер, хоч і втрачає функціональну властивість, проте зберігає свою хімічну формулу. Однак, при поліконденсації формула повторюючої ланки відрізняється від хімічних формул вихідних компонентів.
Будемо характеризувати полімери молекулярною масою (М) або ступенем полімеризації (Р). Крім цих характеристик, важливою характеристикою є конфігурація макромолекул, тобто фіксоване розміщення атомів в полімерному ланцюгу , розгорнутих без спотворення валентних кутів і
 |
зв’язках на деякій уявній площині:
Оскільки поліетилен-полімер, який не являється єдиним для характеристики конфігурації, на схемі один із атомів водню кожної ланки замінено на радикал R. Це нестереорегулярний чи атактичний полімер: радикал R розміщений з обох боків площини, в якій знаходиться виправлений ланцюг без будь-якого порядку. У більшості випадків такий полімер не може кристалізуватися.
Полімер з ланкою CH2–CHR відноситься до вінілових, для яких характерна стереорегулярність, тобто радикал розміщений з обох боків площини у відповідному порядку. Стереорегулярні або тактичні полімери можуть кристалізуватися , але не завжди: якщо бокові ланки R дуже пасивні, їх електронні оболонки неможна "загнати" в елементарну комірку.
Внаслідок гнучкості макромолекули набувають в процесі теплового руху різні просторові форми, що називаються конформаціями. Чим більшу елективну гнучкість мають полімерні ланцюги, тим швидше вони згортаються в статистичні клубки. Слід розрізнити вимушені конформації, яких, наприклад, набувають стереорегулярні полімери вінілового ряду в кристалічній решітці, і конформації, зумовлені тепловим рухом.
Таким чином, полімери мають цілий ряд характеристик (конфігурація, конформація, молекулярна маса) і характерних ознак:
Þ конфігураційні ознаки - розгалуженість або сітсчатість структури
Þ будова основного ланцюга – гомоланцюгові полімери (ланцюг складається а однакових атомів), гетероланцюгові (ланцюг – складається з атомів двох або більше видів).
Þ полярність, визначається будовою як основною ланцюга, так і бокових груп. Граничний варіант полярних полімерів – поліелектроліти.
Þ дифільність або амфіфільність, тобто здатність одних частин макромолекули віддавати перевагу, наприклад, полярному оточенню, а інших - неполярному. Дифільність більш характерна для пополімерів, що мають два або більше типів ланок.
Þ полідисперсність, тобто існування деякого статичного розподілу макромолекул по ступенях полімеризації (для гомополімерів), і по складу (для сополімерів).
Структура полімерів.
Загальні характеристики, основні поняття.
Структура полімерів - це взаєморозміщення в просторі, внутрішня будова і характер взаємодії (зв’язку) між структурними елементами, що утворюють макроскопічне тіло. У даному визначенні використовується термін структурний елемент, який потребує пояснення, і який є запозиченим із статистичної фізики: Структура будь-якого фізичного тіла - це набір поступово ускладнених підсистем, що володіють певною обмеженою автономністю. Число виділених підсистем може бути більшим за одиницю. Наприклад, в металах необхідно розглядати як мінімум дві підсистеми: ансамбль іонізованих атомів, що утворюють - кристалічну гратку; і електронів (електронний газ), що відповідають за макроскопічні електромагнітні властивості. У випадку простих діелектриків виділена система - молекула, в більшості випадків дипольна, а в випадку полімерів - макромолекула, що володіє складною структурою.
Структурний елемент - характеристична частинка, яка утворює у величезній сукупності собі подібних відповідну підсистему, яка характеризує рівень структурної організації.[3]
Велика заслуга в поясненні характерних властивостей полімерів на структурній основі належить академіку В.А. Каргіну, який встановив, що однією із важливих особливостей полімерів є достатньо велика різноманітність їх надмолекулярних структур.[1]
Структурні елементи макромолекул – ланки ланцюгів. Макромолекули, особливо лінійні чи помірно розгалужені, слід виділяти в особливу підсистему, оскільки їх властивості дозволяють пояснити полімерний стан як особливу форму конденсації речовини. Значить, властивості макромолекул (закодована в них структурна інформація) передаються через всі наступні НМО полімерів.
Надмолекулярні структуроутворення.
Згідно поглядів Каргіна, Китайгородського і Сломінського полімери являють собою систему, яка складається з кристалічних і аморфних областей, які утворюють єдину складну фазу. При цьому в таких системах спостерігається утворення з десятків щільно складених, переважно паралельно, макромолекул – пачок. Пачкову будову мають жорстколанцюгові аморфні полімери.
Більш гнучкі макромолекули легко згортаються в так звані глобули. У результаті подальшої організації “пачок” виникають фібрилярні утворення. Характер таких надмолекулярних структур визначається умовами синтезу полімера і отримання із нього зразків.[1]
Фазовий стан і фазові перетворення полімерів.
Полімери можуть знаходитися в кристалічному, рідкому, рідкокристалічному фазовому стані. У кристалічному фазовому стані наявний трансляційний порядок в розміщенні частин макромолекули, що утворює кристалографічну комірку, в рідкому – тільки ближній. Рідкокристалічний фазовий стан є проміжним між кристалічним і рідкім. В рідкокристалічному фазовому стані макромолекули розміщені паралельно одна відносно одної і мають ближній орієнтаційний порядок. Поняття “фазовий стан ” не співпадає з поняттям “агрегатний стан”. рідкий фазовий стан за агрегатним станом може бути твердим (склоподібним чи високоеластичним) і рідким (в’язкотекучим).
Фазові перетворення полімерів (фазові переходи) – це перехід речовини із одного стану в інший. при фазових переходах відбуваються зміни температури, тиску, напруги або інших зовнішніх термодинамічних параметрів ; вони можуть супроводжуватись стрибкоподібними змінами термодинамічних і структурних характеристик полімерної системи.
Для більшості полімерів характерні фазові переходи першого і другого роду. При фазовому переході першого роду густина і енергія полімерної системи змінюється стрибкоподібно. Прикладами такого фазового переходу може бути кристалізація, плавлення, переходи між рідкокристалічними і аморфними станами. при фазовому переході другого роду стрибкоподібно змінюються такі параметри: теплоємність стисливість, об’ємний коефіцієнт теплового розширення. Такими переходами є перехід феромагнетика в парамагнетик, а в полімерах – температурний перехід через точку розшарування полімерного зразка.
Формування властивостей полімерів за допомогою наповнювачів.
Для зміни експлуатаційних характеристик полімерних матеріалів і створення гетерогенних систем з новими показниками використовують наповнювачі. Наповнення ВМС зумовлює збільшення міцності, тепло- і термостійкості, жорсткості та інших властивостей систем.
Наповнення полімерів - це зміщування полімера з твердою, рідкою чи газоподібною речовиною, яка відносно рівномірно розподіляється в об’ємі утвореної композиції і має чітко виражену границю з неперервною полімерною фазою (матрицею).
Наповнення полімерів є одним із способів отримання пластмас, гуми, лакофарбових матеріалів, синтетичного клею.
У більшості випадків для отримання наповнених полімерів застосовуються тверді наповнювачі: тонкодисперсні з частинками зернистої (двуокис кремнію, крейда, каолін, метали і т.д.) або пластинчастої (графіт, тальк, слюда) форми, а також різноманітні волокнисті матеріали, що застосовуються у вигляді елементарних волокон, ниток, джгутів, сіток, матів. В особливу групу, серед твердих наповнювачів, виділяють так звані еластифікатори, якими служать полімери з низьким модулем пружності, що використовуються в поєднанні з такими жорсткими полімерами, як полістирол і більшість реактопластів.
Численні експериментальні дослідження наповнених полімерних систем підтвердили перспективність використання в якості наповнювачів полімерів високодисперсних металевих порошків, зокрема, порошків нікелю, алюмінію, заліза, золота, молібдену, цинку, сплавів олова, германію і галію та інші. За основу для виготовлення полімерних матеріалів наповнених металами найчастіше використовують (феонолформальдегідні смоли, поліаміди, полівінілхлорид, поліметилметакрилат, полістирол, різноманітні еластоміри.
Введення таких наповнювачів сприяє не тільки зміні електропровідності і теплопровідності полімерних матеріалів, а і зміні інших фізико-механічних характеристик. Метали і окисли можуть в полімерних системах виконувати різну роль - бути наповнювачами, пігментами, зшиваючими агентами, стабілізаторами і т.д.
Зростаюче виробництво азотних мінеральних добрив і фосфорної кислоти проводить до інтенсивного збільшення відходів ці’ї галузі хімічної промисловості у вигляді фосфогіпсу і огарки. Проведені дослідження і розрахунки показують, що їх можна використовувати в якості наповнювачів, зокрема, для покращання якості виробів на основі полівінілхлориду (ПВХ) і полівінілбутиралю (ПВБ).
Необхідною умовою ефективного використання наповнювачів є суміщення компонентів, яке в значній мірі визначає здатність полімера змочувати поверхню частинок наповнювача, яка в свою чергу залежить від характеру полімерного середовища з активними центрами поверхні. Змочування полімерами, які знаходяться у в’язкотекучому або високоеластичному і, по меншій мірі, в розчиненому станах, суттєво відрізняється від змочування низькомолекулярними середовищами. Обмежена рухливість макроланцюгів і надмолекулярних утворень обмежує розтікання полімера по поверхні. Прагнення гнучких ланцюгових молекул до збереження найбільш вигідних конформацій приводить до того, що густина контактів виявляється меншою очікуваної (виходячи тільки з питомої поверхні наповнювача.