Полимеры

Секрет прочности

Молекулы органических веществ, образовав длинные цепочки из десятков и сотен молекул-мономеров, приобретают необычную прочность. Происходит это из-за исключительной «цепкости» атомов углерода. Возьмем цепочку уже знакомого нам полиэтилена. Ее метиленовые звенья прочно «сшиты» между собой валентными связями углерода. В свою очередь, метиленовые звенья двух соседних молекул тоже притягиваются друг к другу, но довольно слабо. Чтобы разорвать валентную связь между двумя углеродными атомами, нужно затратить примерно в 160 раз больше энергии, чем для того, чтобы переместить один относительно другого два соседних метиленовых звена. Поэтому оторвать одну от другой обычные малые молекулы, например расплавить вещество, которое они образуют, куда легче, чем разорвать саму молекулу.

А вот в гигантской молекуле все происходит иначе. Чтобы переместить две такие молекулы друг относительно друга, нужно силу притяжения двух метиленовых звеньев умножить на общее количество таких звеньев во всей цепочке полимера. А их может быть несколько десятков тысяч. В этом случае куда легче разорвать саму молекулу, чем оторвать друг от друга две молекулы полимера.

Пример процесса поликонденсации.. Две молекулы гексаметилендиамияа и адипиновой кислоты соединяются в цепочку. При этом выделяется молекула воды Н—О—Н. В результате непрерывного роста цепочки образуется полимер нейлона-66. Пример процесса полимеризации (рис. внизу). Свободный радикал Н—О, получаемый при расщеплении перекиси водорода, имеет одну свободную валентную связь (обозначена красной звездочкой), через которую он и соединяется с мономером акрилонитрила. При этом свободная валентная связь перемещается на конец мономера. Мономер акрилонитрила получает возможность присоединить к себе другой такой же мономер, а переместившаяся на конец этого мономера свободная валентная связь — присоединить к образующейся цепочке третий мономер и т. д. Процесс непрерывного увеличения длины цепочки мономера прекращается лишь тогда, когда две такие цепочки соединяются друг с другом своими свободными валентными связями.

Цепочки полимеров могут располагаться прямолинейными параллельными пучками, вроде проводов в телефонном кабеле. Тогда вещество приобретает свойство прочных эластичных волокон или очень гибкого твердого тела. Если же молекулы свернуты в клубки, вещество приобретает способность сильно растягиваться и вновь сокращаться.

В зависимости от этого в них проявляются самые необычные и неожиданные сочетания физических свойств. Они могут одновременно счастливо сочетать в себе упругость, свойственную газообразным веществам, текучесть и несжимаемость, присущие жидкостям, сопротивляемость любому изменению формы, характерную для твердых тел.

Некоторые полимеры способны течь, как и жидкости, и одновременно обладают огромной вязкостью, в миллионы раз большей, чем очень вязкие вещества, например масла. При медленном механическом воздействии на них такие полимеры весьма податливы, легко деформируются и как бы текут. При более быстром воздействии они сопротивляются, как самая упругая резина, а при ударе ведут себя как твердое тело, т. е. не являются ни истинно упругими, ни настоящими вязкими телами.