Будова полімерів та їхкласифікація.

До природних полімерів відноситься численна група речовин тваринного й рослинного походження: бавовна, шовк, вовна, шкіра, натуральний каучук. Особливе значення мають синтетичні полімери, одержані синтезом низькомолекулярних речовин. Синтетичні полімери є продуктами хімічної переробки нафти, природних газів, кам'яного вугілля, горючих сланців.

Полімерні матеріали дають великий ефект: при їхньому використанні, 1 метр капронового волокна у виробництві автомашин вивільняє 4-6 м. натуральних волокон. У виробництві побутових виробів, 1 метр пластмаса вивільняє 5-6 м чорних і кольорових металів.

Для успішного використання матеріалів на основі полімерів, необхідно добре уявляти особливості їхньої будови й обумовлені цим своєрідні властивості. Механічне перенесення закономірностей, що визначають поведінку металевих матеріалів під навантаженням, на полімерні матеріали призводить до грубих помилок.

Будова полімерів. Характерними рисами молекул полімерів є їх велика молекулярна маса й розміри. Залежно від форми й будови макромолекул полімери можуть бути лінійними, розгалуженими, сітчастими. Ланки ланцюгових макромолекул за складом можуть бути повністю ідентичні або відрізнятися. Щоб зрозуміти особливості властивостей полімерів, необхідно ознайомитися з будовою й властивостями лінійних ланцюгових молекул.

Особливістю ланцюгових молекул є їхня гнучкість, що обумовлена стійкістю молекул при поворотах окремих частин молекули відносно валентних зв'язків, завдяки чому можливий перехід молекул з однієї конфігурації в іншу без руйнування зв'язків між ланками молекул і між атомами в ланках, де має місце ковалентний характер зв'язку. Зв'язок між макромолекулами в рідкому або твердому полімері в більшості випадків має полярний характер і здійснюється слабкими силами Ван - дер - Вальсу. Можливі й інші види зв'язку. Однак у всіх випадках характерні властивості полімерів реалізуються тільки тоді, коли сили міжмолекулярної взаємодії залишаються значно меншими внутрішньо молекулярної взаємодії.

При оцінці властивостей полімерного матеріалу необхідно враховувати дві структурні одиниці:

а. - ланцюгову макромолекулу;

б. - ланки, з яких вона побудована.

Особливістю полімеру є те, що ці одиниці виступають незалежно одна від одної. Це є характерним тільки для полімерного матеріалу й призводить до виникнення своєрідного комплексу властивостей цих матеріалів.

Значний вплив на властивості полімерного матеріалу вносить ступінь упорядкованості ланцюгових макромолекул у конденсованій фазі. У розплавленому стані ланцюгові макромолекули завжди більш впорядковані, ніж молекули низькомолекулярної рідини. Ступінь порядку в упорядкованого полімеру завжди менше, ніж у кристалі відповідної низькомо- лекулярної речовини, у зв'язку із труднощами правиль- ного впакування в кристалічну решітку громіздких ланцю- гових макромолекул.

У більшості випадків макромолекули групуються в пачки. Сутність пачкової теорії полягає в тому, що ліній- ні полімери складаються з «пачок» молекул (паралель- них пучків) як у кристалічному, так і в аморфному стані. Розходження кристалічного й аморфного стану визначається внутрішньою структурою самих пачок. Якщо ланцюги в пачці впорядковані не тільки по взаємному розташу- ванню, але й ланцюгів орієнтованих паралельно, то це буде відповідати кристалічному порядку (а). Якщо в поперечному перерізі пачок немає впорядкованості по відстані між ланцюгами, то така пачка утворить аморфну область (в). Випадок (б) відображає проміжну структурну форму полімерної речовини, коли осі ланцюгів розташовані впорядковано. Такий проміжний стан має місце в деяких полімерів. У них одночасно сполучаються елементи строгої кристалічної впорядкованості й елементи майже повного безладдя. Пачкова теорія добре пояснює невелику відмінність в густині аморфного й кристалічного стану полімеру. Процес кристалізації полімеру в цьому випадку пояснюється досить просто: перебудова забезпечується поворотом азимутів ланцюгів.

Через малу рухливість макромолекул полімери можна досить легко переохолодити до нормальної температури без кристалізації їх. У цьому випадку утвориться стклоподібний стан полімерів.

Релаксаційні явища в полімерах. Релаксаційними називаються процеси переходу системи з нерівновагого в рівноважний стан, які протікають під час впливу на систему силового поля.

Незважаючи на те, що будь-який процес протікає в часі, явище релаксації може бути виявлене лише тоді, коли час спостереження за процесом більше часу релаксації. Якщо позначити ∆Х відхилення вимірюваної величини від рівноважного значення в цей момент часу t, то

де - відхилення вимірювальної величини в момент спостереження t=0;

τ – час релаксації процесу. При t=τ величина , тобто за час релаксації змінюється в 2,7 рази. Щоб зрозуміти вплив релаксації на властивості полімеру розглянемо процес плину звичайної рідини. При досить високій температурі сила міжмолекулярної взаємодії мала, завдяки чому час перегрупування молекул дуже малий 10^-8…10^-10с. При зниженні температури час перегрупування молекул зростає - рідина густіє. При низьких температурах, якщо рідина не закристалізується , час релаксації перегрупування молекул настільки великий, що рідина буде проявляти властивості твердого тіла, перебуваючи у склоподібному стані.

З вище сказаного випливає , що час релаксації перегрупування молекул, подібно в'язкості рідини, визначається співвідношенням енергії взаємодії й енергії теплового руху молекул. У зв’язку з великими розмірами і гнучкістю макромолекул полімерів, переміщень частин молекул - атомів, ланок, груп ланок, що утворять сегменти й макромолекули в цілому - потребує досить різної енергії активації.