Лекция 4/1
Тема. Физические состояния полимеров. Кристаллические, аморфные и жидкокристаллические полимеры.
Различают агрегатные и фазовые состояния полимеров.
Полимеры существуют в двух агрегатных состояниях: твердом и жидком. Третьего агрегатного состояния – газообразного – для полимеров не существует по причине очень высоких сил межмолекулярного взаимодействия, обусловленных большими размерами макромолекул.
В твердом агрегатном состоянии полимеры характеризуются высокой плотностью упаковки молекул, наличием у тел определенной формы и объема, способностью к их сохранению. Твердое состояние реализуется в том случае, если энергия межмолекулярного взаимодействия превышает энергию теплового движения молекул.
В жидком агрегатном состоянии сохраняется высокая плотность упаковки макромолекул. Оно характеризуется определенным объемом, определенной формой. Однако в данном состоянии полимер обладает малым сопротивлением к сохранению этой формы. Поэтому
полимер принимает форму сосуда.
В двух агрегатных состояниях существуют термопластичные полимеры, способные плавиться. К ним относятся многие линейные и разветвленные полимеры – полиэтилен, полипропилен, полиамиды, политетрафторэтилен и др.
Сетчатые полимеры, а также линейные и разветвленные полимеры, которые при нагревании приобретают сетчатое строение, существуют только в твердом состоянии.
В зависимости от степени упорядоченности расположения макромолекул полимеры могут находиться в трех фазовых состояния: кристаллическом, жидкокристаллическом и аморфном.
Кристаллическое состояние характеризуется дальним порядком в расположении частиц, т. е. порядком, в сотни и тысячи раз превышающим размеры самих частиц.
Жидкокристаллическое состояние промежуточно между кристаллическим и аморфным.
Аморфное фазовое состояние характеризуется ближним порядком в расположении частиц, т. е. порядком, соблюдаемым на расстояниях, сопоставимых с размерами частиц.
Кристаллическое состояние полимеров
Кристаллическое состояние полимеров характеризуется тем, что звенья макромолекул образуют структуры с трехмерным дальним порядком. Размер этих структур не превышает нескольких мкм; обычно их называют кристаллитами. В отличие от низкомолекулярных веществ, полимеры никогда не кристаллизуются нацело, в них наряду с кристаллитами сохраняются аморфные области (с неупорядоченной структурой). Поэтому полимеры в кристаллическом состоянии называют аморфно-кристаллическими или частично кристаллическими. Объемное содержание кристаллических областей в образце называют степенью кристалличности. Ее определяют количественно различными структурно-чувствительными методами. Наиболее распространенными из них являются: измерение плотности, дифракционный рентгеновский метод, ИК спектроскопия, ЯМР. Для большинства полимеров степень кристалличности колеблется от 20 до 80% в зависимости от строения макромолекул и условий кристаллизации.
Морфология кристаллитов и тип их агрегации определяются способом кристаллизации. Так, при медленной кристаллизации из разбавленных растворов в низкомолекулярных растворителях (концентрация ~ 0,01%) кристаллиты представляют собой одиночные правильно огранённые пластины (ламели), которые образуются путем складывания макромолекулы "на себя" (рис.1).
Рис.1. Схема строения ламелярного кристалла из складчатых макромолекул
svarka-info/com
Толщина ламелей обычно составляет 10-15 нм и определяется длиной складки, а их длина и ширина могут колебаться в самых широких пределах. При этом ось макромолекулы оказывается перпендикулярной плоскости пластины, а на поверхности пластины образуются петли (рис.2). Из-за наличия участков, в которых собраны петли складывающихся макромолекул, отсутствует полностью кристаллический порядок. Степень кристалличности даже у отдельных полимерных монокристаллов всегда меньше 100% (у полиэтилена, например, 80-90%). Морфология полимерных монокристаллов отражает симметрию их кристаллических решеток, а толщина сильно зависит от температуры кристаллизации и может различаться в несколько раз.
Рис. 2. Складки макромолекул в кристаллитах полиэтилена svarka-info/com
Вырожденной формой пластинчатых кристаллов являются фибриллярные кристаллы (фибриллы), которые характеризуются большим отношением длины к толщине (рис.3). Они развиваются в условиях, которые способствуют преимущественному росту одной из граней, например, высокая скорость испарения растворителя. Толщина фибрилл составляет обычно 10 -20 нм, а длина достигает многих мкм.
Рис. 3. б — микрофибрилла; в — фибрилла. Сканирующая электронограмма..www. ntmdt. ru
Кристаллические пластины представляют наиболее простую форму кристаллизации из раствора. Увеличение скорости кристаллизации или увеличение концентрации раствора приводят к появлению более сложных структур: спиральных образований «двойников» (две пластины, соединенные по кристаллографической плоскости), а также различных дендритных форм, включающих большое число пластин, винтовых террас, «двойников» и других. При дальнейшем увеличении концентрации образуются сферолиты. Сферолиты образуются также при кристаллизации полимеров из расплавов. Это наиболее распространенная и общая форма кристаллических образований в полимерах.
В сферолитах ламели радиально расходятся из общих центров (рис.4). Электронно-микроскопические исследования показывают, что фибрилла сферолитов составлена из множества ламелей, уложенных друг на друга и скрученных вокруг радиуса сферолита. Наблюдаются сферолиты диаметром от нескольких мкм до нескольких см. В блочных образцах возникают трехмерные сферолиты, в тонких пленках — двумерные, плоские. Предполагают, что в кристаллитах блочных образцов часть макромолекулы имеет складчатую конформацию, а другая часть проходит из кристаллита в кристаллит, связывая их друг с другом. Эти «проходные» цепи и области складывания образуют аморфную часть сферолитов.
Рис. 4. Кольцевые сферолиты полиэтиленсебацината
allchem. ru
Один и тот же полимер в зависимости от условий кристаллизации может образовывать сферолиты различного вида (радиальные, кольцевые) (рис.5). При малых степенях переохлаждения обычно образуются сферолиты кольцевого типа, при больших – радиальные сферолиты. Например, сферолиты полипропилена обладают разными оптическими свойствами и даже различными точками плавления в зависимости от того, в какой кристаллической модификации кристаллизуется полимер. В свою очередь сферолиты полипропилена с моноклинной ячейкой могут быть как положительными, так и отрицательными. Сферолит называют положительным, если его двойное лучепреломление больше нуля. Если оно меньше нуля, то сферолит – отрицательный.
а б
Рис.5. Виды сферолитов: а - радиальный, б - кольцевой.
pyro-zp.
Кристаллизация расплава при температуре, близкой к температуре плавления (переохлаждение не больше 1˚С), происходит очень медленно и приводит к формированию наиболее совершенных кристаллических структур, построенных из выпрямленных цепей. Механизм кристаллизации с выпрямленными цепями реализуется на практике редко. Для этого одновременно с охлаждением расплава необходимо наложение больших напряжений.
Большинство полимеров кристаллизуется в форме сферолитов. Однако в ряде случаев в блочном полимере обнаруживаются только группы пластинчатых кристаллов. Найдены также структурные образования, промежуточные между монокристаллами и сферолита-ми. Часто эти структуры имеют огранку и большие размеры — до десятков мкм. Пока не выяснено, существует ли определенное число промежуточных структур или же разнообразные морфологические формы непрерывно переходят одна в другую.
Аморфное состояние полимеров
Аморфные полимеры не имеют кристаллического строения, Такое состояние полимеров характеризуется:
· отсутствием трехмерного дальнего порядка в расположении макромолекул,
· ближним порядком в расположении звеньев или сегментов макромолекул, быстро исчезающим по мере их удаления друг от друга.
Молекулы полимеров как бы образуют «рои», время жизни которых очень велико из-за огромной вязкости полимеров и больших размеров молекул. Поэтому в ряде случаев такие рои остаются практически неизменными. В аморфном состоянии находятся также растворы полимеров и полимерные студни.
Аморфные полимеры однофазны и построены из цепных молекул, собранных в пачки. Пачки являются структурными элементами и способны перемещаться относительно соседних элементов. Некоторые аморфные полимеры могут быть построены из глобул. Глобулы состоят из одной или многих макромолекул, свёрнутых в сферические частицы (рис.6). Возможность сворачивания макромолекул в клубок определяется их высокой гибкостью и преобладанием сил внутримолекулярного взаимодействия над силами межмолекулярного взаимодействия.
Рис.6. Глобулярная форма гемоглобина, содержащая четыре молекулы комплекса железа
www. krugosvet. ru
Аморфные полимеры в зависимости от температуры могут находиться в трех состояниях, отличающихся характером теплового движения: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Стадия, в которой находится полимер, определяется изменением его структуры и силами сцепления между макромолекулами линейных полимеров.
При низких температурах аморфные полимеры находятся в стеклообразном состоянии. Сегменты молекул не обладают подвижностью, и полимер ведет себя как обычное твердое тело в аморфном состоянии. В этом состоянии материал хрупок. Переход из высокоэластического состояния в стеклообразное при уменьшении температуры, называется стеклованием, а температура такого перехода — температурой стеклования.
Высокоэластическое состояние, характеризующееся способностью полимера легко растягиваться и сжиматься, возникает при достаточно высоких температурах, когда энергия теплового движения становится достаточной для того, чтобы вызвать перемещение сегментов молекулы, но еще недостаточной для приведения в движение молекулы в целом. В высокоэластичном состоянии полимеры, при сравнительно небольших механических напряжениях, обладают весьма большой упругой деформацией. Например, каучуки могут растягиваться почти в 10 раз.
В вязкотекучем состоянии могут перемещаться не только сегменты, но и вся макромолекула. Полимеры приобретают способность течь, но, в отличие от обычной жидкости, их течение всегда сопровождается развитием высокоэластической деформации. Материал в этом состоянии под влиянием небольших усилий проявляет необратимую пластическую деформацию, что может быть использовано для его технологической обработки.
При линейном строении макромолекул полимеры в аморфном состоянии являются упруговязкими телами, а при образовании прочной пространственной структуры вязкоупругими телами.
Любое внешнее воздействие, влияющее на подвижность частиц в аморфных телах, (изменение температуры, давления), влияет на физические свойства (диэлектрические характеристики материала, газопроницаемость).
Жидкокристаллическое состояние полимеров
Жидкие кристаллы - вещества необычные. Они соединяют в себе свойства, присущие жидкостям и твердым телам, что и отражено названии. От жидкостей они взяли текучесть, то есть возможность принимать форму сосуда, в который налиты. От твердых кристаллических тел - анизотропию свойств. Последнее объясняется структурой жидких кристаллов - молекулы в них расположены не хаотично, а упорядоченно. Однако, не так строго, как в твердых кристаллах
В жидкокристаллическое состояние переходят не все соединения, а лишь те, молекулы которых имеют существенную анизометрию (форму палочек или дисков). В зависимости от упаковки молекул различают три типа структур жидких кристаллов - смектический, нематический и холестерический.
Смектики, пожалуй, ближе всего к обычным кристаллам. Молекулы в них упакованы слоями, и их центры масс закреплены (рис.7). В нематиках, напротив, центры масс молекул расположены хаотично, а вот оси их молекул, обычно стержнеобразных, параллельны друг другу (рис. 8). В этом случае говорят, что они характеризуются ориентационным порядком.
Самая сложная структура у третьего типа жидких кристаллов - холестерических. Для образования холестериков необходимы так называемые хиральные молекулы, то есть несовместимые со своим зеркальным отображением.
Рис. 7. Схематическое изображение жидкого кристалла в смектической фазе
http://dic. academic. ru/
Рис.8. Схематическое изображение нематического жидкого кристалла.
http://dic. academic. ru/
Если мысленно слой холестерика разбить на монослои, то молекулы в нем располагаются внутри каждого монослоя так, что их длинные оси параллельны друг другу. Таким образом, каждый монослой имеет структуру нематика. Однако зеркальная асимметричность молекул холестерика заставляет каждый последующий монослой поворачиваться на небольшой угол. В итоге вся структура закручивается в спираль. Шаг спирали, то есть расстояние, через которое молекулы повернутся на 360°, зависит от вида хиральных молекул и их концентрации.
Именно спиральная структура дает холестерикам возможность избирательно отражать падающий свет. Шаг спирали определяет длину волны отражаемого света, именно в этот цвет кажется окрашенным слой холестерика. Причем если рассматривать этот образец под разными углами, то и окрашен он будет по-разному. Впрочем, окраски мы можем и не увидеть, если длина волны отражаемого излучения расположена в ультрафиолетовой или инфракрасной области спектра.
Холестерики - это вязкие жидкости, неудобные в использовании. В большинстве случаев их необходимо помещать в специальную герметичную оболочку для придания формы и защиты от внешних воздействий. Одно из решений этой проблемы - капсулирование, то есть физическое введение жидкого кристалла в полимерную пленку. Но можно поступить по-другому - создать жидкокристаллические полимеры.
Получают такие материалы сополимеризацией определенных мономеров - молекул, которые, соединяясь друг с другом, формируют полимерную цепочку. Если использовать мономеры, содержащие хиральный фрагмент, то получившийся полимер будет холестерическим (рис.9). Впервые полимерные холестерики получили в 90-х годах прошлого столетия одновременно на химическом факультете МГУ и в Университете Майнца (Германия).
Рис.9. Схематическое изображение холестерического жидкого кристалла
dic. academic. ru
В такую полимерную цепочку можно ввести и другие функциональные группы, например, фотохромные группы, управляемые светом, или электроактивные группы, ориентирующиеся под воздействием электрического поля.
Сами по себе жидкие кристаллы представляют собой вязкие жидкости только в узком интервале температур. Поэтому свои особенные свойства они имеют только в этом интервале температур. Жидкокристаллические полимеры, в отличие от жидких кристаллов, при охлаждении сохраняют и структуру, и свойства жидкокристаллической фазы. То есть можно зафиксировать чувствительную жидкокристаллическую структуру в твердом теле, не потеряв при этом, например, ее уникальных оптических свойств.
Холестерики легко реагируют на воздействие температуры. Некоторые очень быстро меняют цвет при совсем небольшом температурном изменении - из них можно создавать своеобразные тепловизоры, или термоиндикаторы. Например, облучая поверхность такого материала лазером, можно изучать распределение плотности интенсивности его пучка. Можно применять покрытия из холестерических полимеров для испытания самолетов в аэродинамической трубе, так как распределение температуры четко укажет, в каких местах больше проявляется турбулентность, а в каких - ламинарный поток воздуха, обтекающий самолет.
Один из наиболее интересных примеров использования полимерных холестериков - получение светоуправляемых пленок. Если в полимерную цепочку ввести мономер с фотохромной группой, форма которой меняется при воздействии на нее светом с определенной длиной волны, то можно менять шаг спирали в структуре холестерика. Другими словами, облучая материал светом, можно менять его окраску. Это свойство полученного материала можно использовать для записи и хранения цветовой информации, в голографии и дисплейной технике.
Однако шаг спирали можно менять не только действием света и изменением температуры (как в тепловизорах), но также воздействием электрического и магнитного полей. Для этого необходимо ввести в полимер электроактивные или магнитоактивные группы. Воздействие электрического или магнитного поля приводит к ориентации молекул жидкого кристалла и к искажению, а затем к полной раскрутке холестерической спирали.
Исследование жидкокристаллических полимеров, которые значительно моложе низкомолекулярных жидких кристаллов, откроет еще много неизведанных сторон их физико-химического поведения.
