Конструкции из полимерных материалов

Мышца и прозрачное стекло, меховая шубка и пластмассовая шестерня, яичный белок и кожаный портфель… Всех их, несмотря на различия в свойствах и назначении, объединяет одна общая черта: они построены, из веществ, состоящих из гигантских полимерных молекул. Если размеры молекул, например воды, составляют несколько стомиллионных долей сантиметра, то длина молекулы полимера может достигать нескольких стотысячных, а иногда и нескольких десятитысячных долей сантиметра. Это значит, что полимерная молекула в тысячи, а иногда и в десятки тысяч раз больше молекулы воды. По сравнению с ней молекула полимера — настоящий гигант.

Химический состав и структура отдельной молекулы-великана во многом определяют качества полимерного вещества. Но практически полимеры очень редко существуют в виде отдельных изолированных молекул. Говоря о свойствах того или иного полимерного материала, мы всегда имеем ввиду свойства множества больших молекул, объединенных вместе и взаимодействующих друг с другом. Молекула — лишь блок, из которого строится вещество.

Известно, что, соединяя одни и те же строительные блоки, можно получить самые разнообразные конструкции: прочные или разрушающиеся при малейшем усилии, жесткие или гибкие, сплошные и компактные или рыхлые и легкопроницаемые. Точно так же и свойства полимерного вещества в очень широких пределах меняются в зависимости от способа соединения больших молекул. Например, из одного и того же по химическому составу высокомолекулярного вещества поликапролактама делают и волокно капрон, и легкий искусственный мех, и прочные, бесшумно работающие автомобильные шестерни. Это стало возможным только потому, что ученые инженеры сумели проникнуть в тайну строения полимеров, найти связь между закономерностями расположения больших молекул в веществе и его свойствами и, используя эти знания, научились конструировать материалы с нужными свойствами.

Сердце — один из самых совершенных в мире механизмов. На протяжении всей жизни человека этот насос безостановочно гонит кровь по сосудам; за сутки сердце перекачивает около 5 тонн крови. Работа сердца обеспечивается сокращениями сердечной мышцы. Способность к сокращению у этой, равно как и других мышц связана с замечательным свойством больших белковых молекул, из которых они построены, гибкостью, то есть способностью изменять свою форму. Благодаря этому же свойству полимерные молекулы могут по-разному группироваться в веществе, обусловливая тем самым разнообразие его структур.

Молекула полимера представляет собой длинную цепочку повторяющихся групп атомов, соединенных химическими связями. Длина такой цепочки обычно в тысячи и десятки тысяч раз превосходит ее толщину.

Отдельные атомные группы, составляющие цепь, расположены на определенных расстояниях и под фиксированными углами. Однако эти группы могут с большей или меньшей свободой вращаться относительно друг друга, вокруг соединяющих их простых химических связей. Это вращение как раз и создает возможность для изменения формы полимерной цепочки, то есть делает ее гибкой.

В зависимости от условий длинная гибкая молекула может свернуться в компактный шарик — глобулу, либо вытянуться и принять форму спирали или тонкого стержня. Форму глобул имеют, например, молекулы яичного белка в несваренном яйце. При повышении температуры белковые глобулы разворачиваются, образуй сплошную структуру из полимерных цепей. Именно этим объясняются изменения, происходящие с белком при варке яиц: из подвижной жидкой массы образуется упругое, резиноподобное вещество. Форму вытянутых стержней или спиралей принимают полимерные молекулы, например, при образовании волокон или пленок.

Влияние формы полимерных цепей на свойства построенного из них вещества особенно ярко проявляется при сравнении крахмала и целлюлозы. Эти вещества известны всем. Крахмал — легкий белый порошок, хорошо растворимый в воде; целлюлоза (в форме хлопка или древесины) — прочный, волокнистый материал, который в воде совершенно не растворяется. Даже трудно поверить, что химический состав крахмала и целлюлозы совершенно одинаков. Но это так. Различие между этими веществами состоит лишь в том, что молекулы крахмала имеют форму глобул, а в целлюлозе они вытянуты в длинные цепи.

Проще всего представить себе, как кристаллическое полимерное вещество строится из компактных молекулярных глобул. В этом случае глобулы могут укладываться в строгом порядке и образовывать правильные крупные кристаллы (они достигают размеров 0,001 миллиметра) совершенно так же, как это происходит при кристаллизации мономерных веществ. Но имеется и очень существенная разница.

Каждая полимерная глобула представляет собой свернутую в компактный шарик длинную молекулярную цепь, состоящую из тысяч и десятков тысяч мономерных молекул. Поэтому внутри отдельной глобулы, «сидящей» в узле решетки полимерного кристалла, соблюдаются свои законы расположения маленьких молекул — мономеров. Глобулы в полимерном кристалле можно уподобить мешкам с картошкой, расположенным в строгом порядке. Но в каждом мешке существует свой особый порядок или беспорядок в укладке картофелин. Кристаллы низкомолекулярных веществ построены проще. В узлах их решеток закреплены отдельные маленькие молекулы или просто атомы.

Следует сказать, что глобулярные полимерные кристаллы обычно непрочны и легко разрушаются даже при незначительных внешних воздействиях. Их нельзя использовать для изготовления каких-либо изделий. Эти кристаллы характерны для многих биологических объектов.

А как же обстоит дело, если полимерное вещество строится из вытянутых молекулярных цепочек? И в этом случае при благоприятных условиях (например, при осаждении полимера из очень разбавленных растворов) отдельные развернутые цепи могут совершенно правильно укладываться параллельно друг другу, что приводит к образованию хорошо ограненных полимерных кристаллов. Такие кристаллы обычно очень малы, и только электронный микроскоп позволяет изучать их во всех деталях.

Следовательно, полимерное вещество может существовать в виде двух типов правильно ограненных кристаллов, между которыми имеется принципиальное различие. Кристаллы первого типа строятся из отдельных молекулярных глобул, второго типа — из распрямленных параллельно уложенных молекулярных цепей. Возможность осуществления двух типов кристаллизации — одно из отличий полимеров от веществ, построенных из маленьких молекул.

Однако в куске кристаллического полимерного материала в том виде, в каком его обычно используют для изготовления изделий, мы не найдем отдельных ограненных кристаллов. Бесполезно их искать и в кристаллическом полимерном волокне. В чем же дело?

Изучение полимеров с помощью различных физических методов и в первую очередь прямое наблюдение в электронном микроскопе позволило проникнуть в тайну их сложного строения. Было обнаружено, что молекулярные цепочки в полимере имеют тенденцию собираться в пачки фибриллы. Каждая пачка содержит от нескольких десятков до нескольких тысяч параллельно ориентированных длинных молекул.

Порядок в укладке молекул внутри каждой пачки может быть различным. Если схематически изобразить поперечный разрез пачки, то сечение отдельной цепи можно приблизительно представить в виде эллипса. Предельным случаем упорядоченности внутри пачки будет такой, когда центры эллипсов (оси цепей) образуют правильную решетку, а все эллипсы правильно ориентированы по отношению друг к другу. Этот случай и соответствует состоянию полимерной пачки.

Полимерные материалы, которые строятся из таких высокоупорядоченных пачек, называются кристаллическими. Такую структуру имеет, например, полиэтилен. Обычно высокая упорядоченность не сохраняется по всей длине пачки. Хорошо упорядоченные кристаллические области чередуются с областями относительно худшего порядка. Именно присутствие в материале менее упорядоченных областей придает ему повышенную упругость, сочетающуюся с достаточной твердостью, обусловливаемой кристаллическими областями. Размеры отдельных кристаллических областей очень малы и, как правило, колеблются от одной миллионной до одной стотысячной доли сантиметра. В куске кристаллического полимера кристаллические области могут быть ориентированы в самых различных направлениях. В этом смысле они подобны мелким кристалическим зернам, из которых состоит кусок металла. Если строение отдельных полимерных цепей таково, что внутри пачки цепей кристаллическая упорядоченность вообще не может возникнуть, то полимерное вещество, построенное из этих пачек, называют аморфным. Именно такая структура характерна, например, для органических стекол.

Каждая линия здесь соответствует отдельной полимерной молекуле, которая в пределах пачки сохраняет своих боковых соседей. Участки, образованные отрезками прямых линий, соответствуют высокоупорядоченным кристаллическим областям пачки, отрезки волнистых линий — областям меньшего порядка.

При вытягивании из полимерных материалов волокон отдельные пачки цепей перестраиваются, распрямляются и располагаются параллельно друг другу. Каждое волоконце состоит из системы параллельно ориентированных пачек молекулярных цепей. Большинство кристаллических областей при этом ориентируется вдоль оси волокна. Такое расположение цепных молекул в волокне придает ему повышенную прочность на разрыв вдоль оси ориентации. В ряде случаев полимерные волокна по прочности не уступают стальной проволоке.

Конструкции из полимерных молекул, создаваемые живой природой, пока еще значительно совершеннее тех, которые мы научились получать синтетическим путем. Вместе с тем уже сейчас имеются искусственно созданные полимерные вещества, значительно более разнообразные по химическому составу, чем природные. Можно не сомневаться, что, используя и дополняя опыт природы в создании полимерных конструкций и применяя для этой цели большие молекулы нужного химического состава, удастся получить материалы с совершенно исключительными свойствами. Негорючие ткани, по прочности намного превосходящие лучшие сорта хлопчатобумажных тканей, полупроводниковые материалы на основе полимеров, искусственные кровеносные сосуды и даже «детали» сердца — все это уже не только ближайшее будущее, но и сегодняшний день химии высокомолекулярных соединений.

А если заглянуть дальше? Человеческая мышца. Сложный и совершенный механизм, построенный из белковых молекул. Но, быть может, со временем люди, не довольствуясь силой и работоспособностью мышц, данных им от природы, найдут способы создавать синтетические мышцы, более прочные и более работоспособные. Но это уже немного научная фантастика, у которой, тем не менее, есть все шансы стать реальностью…

Автор: В. А. Кабанов.