Цікаво про еластичність каучуку

У позаминулому столітті вчені виявили, що каучук володіє своєрідною «пам’яттю». Він запам’ятовує механічні дії. Чим більше часу пройшло з моменту впливу механічного «подразника», тим слабкіше каучук «пам’ятає» цей вплив. Більш того, каучук може «запам’ятати» кілька різних «подій» (механічних впливів), які мають різну тривалість і вироблені у різний час.

Візьмемо каучуковий циліндрик і закріпимо його з одного торця. Інший, вільний торець спочатку трохи закрутимо за годинниковою стрілкою і витримаємо циліндрик в такому стані деякий час. Потім швидко скрутимо циліндрик в іншому напрямку і негайно його відпустимо. Ми побачимо, як циліндрик спочатку швидко розкрутиться за годинниковою стрілкою; а потім «згадавши» перший тривалий вплив, почне повільно розкручуватися проти годинникової стрілки.

Є ще одна дивна властивість каучуку, пов’язана з його еластичністю. Якщо шматок каучуку розтягнути або стиснути, то на протилежних його кінцях виникнуть електричні заряди. І навпаки, якщо прикласти до каучукових зразків електричне поле, він буде деформуватися.
Нещодавно вчені проробили такий дослід. За допомогою імплантованих в мозок електродів на плівку були записані біоструми рухливої мавпи. Коли цю плівку «програли» і електричні імпульси потрапили через електроди знову в мозок, мавпа проробила точно такі ж рухи. Ви, запитаєте при чому ж тут каучук? Справа в тому, що м’язи тварин побудовані з полімеру – білка. А природа скорочення м’язів така ж, як і природа еластичності каучуку. І, може бути, ці два явища – деформація каучуку під дією електричного поля і скорочення м’язів під дією біострумів – мають між собою більш глибокий зв’язок, ніж проста аналогія.

КАУЧУК ЗАМІСТЬ ПАРА

Каучукова пам’ять і деяка схожість каучуку з м’язами тварин оточували еластичність ореолом таємничості. Тільки на початку сорокових років загадки еластичності поступово почали прояснюватися.

За першу третину минулого століття накопичилося багато експериментальних даних, які треба було якось узагальнити і пояснити. Перш за все, дослідників вражав той факт, що зі збільшенням температури шматок каучуку все важче стає розтягнути до потрібного розміру. У інших твердих матеріалів, таких, як дерево або залізо, подібного явища не було виявлено.

Правда, таким же чином поводиться і газ, укладений в циліндр з поршнем. Адже із збільшенням температури газ стає все важче стиснути до певного обсягу. Виходило, що каучук зовні схожий на звичайні тверді тіла, але разом з тим має властивості газу!

Але раз так, значить, можна побудувати двигун, де роль пари, тобто робочого тіла, виконував би каучук. Вчені побудували таку «каучукову машину». Робочим тілом в ній служила смужка каучуку. При нагріванні смужка стискалася, здійснюючи певну роботу, Охолоджуючись, смужка знову розтягувалася до початкового розміру, цикл замикався. Звичайно, така машина не могла знайти промислового застосування через її дуже низький ккд. Але ккд досліду виявився високим: вчені нарешті повірили в газоподібні властивості каучуку.

ГРА В КІСТКИ І ЕЛАСТИЧНІСТЬ

Молекула натурального каучуку складається з декількох тисяч ланок ізопренів, з’єднаних один з одним. Ланки можуть обертатися тільки навколо одинарних зв’язків. Припустимо, нам вдалося спостерігати поведінку такої окремої молекули, подібно до того, як ми часто спостерігаємо поведінку пилинок в сонячному промінні. Нашим очам з`явиться цікаве видовище. Ланки молекули, подібно порошинкам, знаходяться в безперервному русі. Але їх рухи обмежені, вони обертаються, як на шарнірах, навколо одинарних зв’язків. І рух всієї молекули нагадує дивний танець – вона безперервно згинається.

Але яку ж все-таки форму має молекула каучуку? На це питання відповів англійський вчений Трелоар. Зробив він це дуже дотепним способом. Трелоар взяв гнучкий дріт і сконструював модель молекули каучуку, що складається з 1 000 ланок. Напрямок кожної ланки в просторі може бути самим довільним, але кут між двома сусідніми ланками при їх обертанні залишається однаковим – 109,5 °.

Для визначення випадкового напрямку кожної ланки Трелоар скористався кубиком для гри в кості. На кожній грані кубика нанесені мітки від однієї до шести, що відповідає числу можливих напрямків в просторі. Кидаючи кубик, Трелоар визначав один з можливих випадкових напрямків ланок молекули каучуку, Так, поступово згинаючи дріт, вчений отримав «миттєву фотографію» молекули каучуку.

Що цікаво; «хвіст» і «голова» молекули каучуку розташовуються поруч. Це найбільш вірогідна конфігурація, або, як прийнято говорити, конформація молекули каучуку в її вільному, ненапруженому стані.

ЗАЛІЗО І КАУЧУК

Уявімо, що нам вдалося взяти кінці однієї молекули каучуку і розсунути їх. Для цього треба докласти певне зусилля. Воно пов’язане з тим, що молекула в результаті обертання її ланок прагне згорнутися. Але це зусилля не таке велике. Щоб розсунути атоми кристалічної решітки заліза, треба затратити зусилля набагато більше – в кристалічній решітці дуже велика енергія взаємодії між атомами. Тому розтягнути каучук значно легше, ніж метал. Більше того, зв’язки між атомами в кристалічній решітці твердого тіла діють лише на невеликих відстанях. При великому розтягуванні металу порушується його цілісність – він руйнується. Каучук ж можна розтягнути дуже сильно, так як при цьому лише розсуваються кінці його молекул. Розтяжність каучукової молекули тим більше, чим більше її довжина, тобто чим вище її молекулярна вага.

ЧОМУ З ДЕРЕВА МОЖНА ЗРОБИТИ ШИНУ?

Ми тільки що говорили, що сильно розтягуватися можуть лише ті речовини, які складаються з довгих ланцюгових молекул, іншими словами, полімери. Але дерево також складається в основному з довгих молекул целюлози. Тим не менш, ми знаємо, що дерево не може замінити каучук. У чому тут справа?

Тут ліпший раз підтверджується закон про перехід кількості в якість. Коли ми оперуємо з однією молекулою полімеру, ми не враховуємо впливу її сусідів. Але в реальних умовах ми завжди маємо справу з шматком каучуку, що складається з багатьох мільйонів молекул. Вони взаємодіють один з одним. Це призводить до того, що обертання ланок дещо утруднено. Нарешті можна уявити собі такий випадок, коли сильна міжмолекулярна взаємодія повністю виключає обертання окремих ланок молекули полімеру. Тоді молекула полімеру буде жорсткою і нееластичною. Саме тому дерево і невідповідно. Довгі молекули целюлози занадто сильно пов’язані між собою, у них занадто багато поперечних зв’язків.

ШИНА, НА ЯКІЙ ДАЛЕКО НЕ ВИЇДЕШ

Втрата еластичності, яка відбувається при зшиванні полімерних молекул, не завжди шкідлива. Цим широко користуються в гумовій промисловості. Якби ми зробили шину з необробленого каучуку, у якого молекули зовсім не пов’язані один з одним, ми на ній далеко б не поїхали. При розтягуванні шматка каучуку його молекули будуть не тільки розпрямлятися, але і ковзати одна щодо одної. Це призведе до того, що шина дуже скоро втратить свою форму і вийде з ладу.

Щоб цього не відбувалося, в каучук додають спеціальні речовини – так звані вулканізуючі агенти. Вони зшивають один з одним сусідні молекули, утворюється єдина тривимірна сітка. Але не дуже густа. Вона запобігає ковзанню молекул одна щодо одної і в той же час не перешкоджає їх вільному згинанню. Такий вулканізований каучук називають гумою.

ВІД ТЕОРІЇ – ДО ПРАКТИКИ

Практична цінність кінетичної теорії еластичності полягає в тому, що вона дозволяє пояснити і передбачити поведінку вулканізованого каучуку під впливом різних впливів – температурних і механічних.

Ми вже говорили, що при вулканізації каучуку його молекули «зшиваються», утворюючи просторову тривимірну сітку. Дуже важливо знати, яка утворилася сітка – густа або рідка. Як це зробити? Адже побачити і підрахувати хімічні зв’язки, що утворюють сітку, неможливо навіть за допомогою найпотужніших електронних мікроскопів. Виявляється, густоту вулканізаційної сітки можна визначити, використовуючи висновки і рівняння кінетичної теорії еластичності, Такий метод надзвичайно витончений і настільки простий, що при бажанні його можна відтворити вдома. Для цього необхідно лише за допомогою певного вантажу розтягнути підвішений зразок і після деякої витримки заміряти його деформацію. Чим густіше вулканізаційна сітка, тим менше деформується зразок при навантаженні. Якщо вулканізаційна сітка повністю відсутня, то зразок буде деформуватися безмежно, тобто буде текти. Нарешті, сітка може бути настільки густою, що зразок абсолютно не буде деформуватися, – в цьому випадку ми маємо справу з ебонітом.

Зовсім недавно кінетична теорія еластичності отримала абсолютно несподіване застосування. Відомо, що в деяких видах твердого ракетного палива використовують каучукоподібні полімери. Старт ракети, а разом з нею і паливо відчувають величезні перевантаження. Тому необхідно, щоб тверде паливо володіло певною міцністю. Американські вчені створили теорію, що описує поведінку каучукового сполучного ракетного палива при різних температурах і навантаженнях.

У нашій статті ми спробували просто розповісти про складне явище – еластичність полімерів. Те, про що ми говорили, – всього лише ескіз, начерк олівцем великої і складної картини. Наука про еластичність, як і всяка наука, безперервно розвивається
і збагачується новими даними.

Автор: Пільменштейн.