§ 272. Полимеры

Мы рассмотрели внутреннее строение кристаллических тел, примерами которых являются каменная соль, кварц, металлы, и таких аморфных тел, как стекло. Эти вещества состоят либо из атомов, либо из молекул, содержащих небольшое число атомов. Рассмотрим теперь особую группу веществ, играющих в природе и в технике исключительно важную роль. Мы имеем в виду такие природные вещества, как хлопок, дерево, кожа, шерсть, естественный шелк, естественный каучук, и многочисленные вырабатываемые промышленностью материалы, как искусственный каучук, вискозный шелк, целлофан, органическое стекло, всевозможные пластмассы. Эти вещества имеют малую по сравнению с металлами плотность, малые теплопроводность и электропроводность и своеобразные механические свойства, резко отличающие их от других веществ. Особенно замечательны механические свойства резины, о которых речь будет далее и которые делают ее совершенно незаменимой в ряде отраслей техники (автомобильные шины, трубки, галоши и т. п.).

Химическая природа всех этих веществ почти одна и та же. Все они являются полимерами (от греческих слов: «поли» — много, «мерос» — часть, «моно» — один). Этот термин означает, что молекулы этих веществ состоят из множества одинаковых частей (мономеров), соединенных в длинные цепи прочными химическими связями.

Мономеры состоят из небольшого числа легких атомов, куда непременно входят углерод и водород, часто входит кислород, иногда хлор или другие элементы. Пример строения полимера схематически показан на рис. 453; места соединения  мономеров  отмечены штриховой линией. Число мономеров, составляющих молекулу полимера, обычно очень велико: тысячи или десятки тысяч мономеров. Так, например, молекула природного каучука построена из 3000 — 6000 мономеров, каждый из которых состоит из атомов углерода и водорода; молекула целлюлозы (основной части хлопка) содержит более 10 000 мономеров, состоящих из атомов углерода, кислорода и водорода. Необходимо отметить, что в одном и том же полимере (например, в целлюлозе) одновременно существуют молекулы, содержащие разное число мономеров; таким образом, молекулярная масса полимера не является вполне определенной величиной.

Рис. 453. Цепь мономеров, образующих полимер — один из видов синтетического каучука. Черные кружки изображают атомы углерода, белые — водорода

Физические свойства полимеров определяются в основном тем, что их молекулы представляют собой длинные прочные цепочки, сохраняющиеся при механических и термических операциях (прядение, продавливание сквозь узкие отверстия, прессование и т. п.), а также при растворении и плавлении полимеров. Эти цепочки иногда свиты в клубки, иногда более или менее вытянуты. Они могут переплетаться, как нитка в запутанном клубке. Звенья полимеров (т. е. мономеры) могут в большей или меньшей мере поворачиваться друг относительно друга; хотя угол поворота отдельного звена не может быть велик, но так как звеньев очень много, то закручивание молекулы может быть значительным. Это и обусловливает возможность больших деформаций предметов, изготовленных из полимеров.

Растворы полимеров всегда имеют значительную вязкость. Это связано с наличием длинных цепочек полимера в растворе. Вязкость самих полимеров весьма велика и быстро убывает при повышении температуры. При прессовании изделия из пластмассы ее нитеобразные причудливо переплетенные молекулы принудительно принимают новое расположение. Они стремятся вновь вернуться к прежнему расположению, но громадная вязкость пластмассы чрезвычайно замедляет процесс возвращения к прежней форме изделия. Повышение температуры ускоряет этот процесс. Если, например, блюдечко из органического стекла подержать несколько минут в кипящей воде, то оно принимает форму плоской пластинки, из которой оно было выпрессовано (рис. 454).

Рис. 454. а) Блюдце из плексигласа, б) То же блюдце после пребывания в кипящей воде

Особенно интересными являются механические свойства резины, т. е. эластичного вещества, изготавливаемого из каучука. Все знают, что изделия из резины можно растягивать во много раз больше, чем это возможно для других веществ. Это объясняется так. Каучук, как и всякий другой полимер, состоит из длинных, изогнутых в разных направлениях молекул. Степень изогнутости зависит от теплового движения звеньев цепи, т. е. от температуры. Определенной температуре соответствует определенная изогнутость молекулы каучука, тем большая, чем выше температура. Но чистый каучук при температурах, близких к комнатной, находится в жидком состоянии. Чтобы придать ему эластичность, нужно связать между собой переплетенные концы молекул так, чтобы они не могли разойтись. Для этого нужно связать концы близко расположенных молекул «мостиками». Эти мостики могут быть сделаны разными способами. Самым старым способом является «вулканизация каучука», т. е. внесение в каучук серы. Атомы серы внедряются между звеньями двух молекул каучука, образуя мостики. Мостики связывают множество молекул каучука в одну общую структуру, каучук теряет текучесть и превращается в резину. Мостиков из атомов серы (или иных) не должно быть много, так как при излишнем их числе резина делается жесткой.

Что же происходит при растягивании резины? Молекулы каучука меняют форму, приближаясь к прямой линии и располагаясь более или менее параллельно друг другу. После снятия растягивающих сил молекулы каучука вновь принимают прежнюю, соответствующую данной температуре форму, и резиновое изделие снова укорачивается. Состояние вещества, при котором возможно очень большое удлинение без разрыва изделия, называют каучукообразным состоянием. Оно возможно только в некотором интервале температур. При понижении температуры вещество переходит в твердое состояние, а при повышении происходит разрушение структуры.

Кроме естественного каучука, добываемого из сока некоторых растений, в технике широко применяют искусственные каучуки, получаемые, например, из спирта.