Строительные и отделочные материалы — Химические волокна
В этой статье речь пойдёт про макромолекулы или молекулы-гиганты. В настоящее время человечеству известны 100000 неорганических и более 3000000 органических соединений. Однако в основе всей природы лежит относительно небольшое количество элементов, которые размещены в периодической таблице Д. И. Менделеева. Сейчас их насчитывается около 104, из них последние 12 — трансурановые. Учёные полагают ориентировочно, что в будущем таблица Менделеева станет насчитывать до 137 элементов.
Как известно, элементы состоят из атомов. В свою очередь атомы имеют сложное строение ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра по специальным орбитам. Наружные электроны обусловливают активность атомов, благодаря им могут соединяться друг с другом не только однородные, но и разнородные атомы, образуя определённые совокупности, которые называются молекулами. В этом случае когда в молекулу входит большое количество атомов (обычно не превышающие 100), молекулы считаются небольшими и обладают сравнительно малым весом. Молекулярный вес таких молекул редко превышает 1000, и соединения, состоящие из них, называют низкомолекулярным.
Однако многие природные и синтетические вещества состоят из таких больших молекул, в состав которых входят тысячи и даже более сотни тысяч атомов. Вес таких молекул высок, и вещества, состоящие из них, называют высокомолекулярными. Молекулы высокого молекулярного веса называют — макромолекулы или молекулы-гиганты, хотя в подавляющем большинстве случаев их нельзя видеть не только невооружённым глазом, но и при сильном увеличении электронных микроскопов.
Изучение состава и структуры макромолекул, состоящих из десятков и сотен тысяч атомов, было бы чрезвычайно затруднено, если бы таких молекулах не было определённой системы и закономерности расположения атомов. Наличие в макромолекуле определённого порядка расположении атомов облегчает их изучение. Обычно в макромолекулах наблюдается повторение некоторых групп атомов. Такие группы называются звеньями, мономерными единицами, остатками мономеров и т.п. Следовательно, для выяснения структуры и состава макромолекул необходимо знать состав и структуру повторяющихся звеньев. Высокомолекулярные вещества, состоящие из макромолекулы, в которых многократно повторяются одинаковые или разнородные группы атомов, принято называть полимерами, что в переводе с греческого языка означает состоящие из многих частей.
Классическим примером полимерной цепи (макромолекулы), полученной из маленьких молекул газа этилена, является синтез полиэтилена
nCH2 = CH2 -> … CH2 — CH2 — CH2 — CH2…
Изменения свойств органических соединений наглядно можно проследить на примере предельных углеводородов. Так, по мере увеличения длины цепи, а следовательно, и молекулярного веса предельных углеводородов изменяются их физические свойства. Вместо газообразных продуктов (метан, этан, пропан) появляются жидкие соединения, в молекулы которых входят от 5 до 10 атомов, а затем возникают твёрдые углеводороды с молекулярным весом 100-200 и высокой температурой плавления. Например, парафин это уже смесь твёрдых углеводородов с наличием 20-40 углеродных атомов (молекулярный вес 300-600). Молекулы полиэтилена отличаются от молекул парафина лишь количеством CH2-групп цепи. В полиэтилене их несколько тысяч или десятков тысяч (молекулярный вес от 50-100 тысяч до 1 миллиона), поэтому его физико-механические свойства совершенно отличаются от свойств парафина.
Свойства любых соединений, как это в своё время отмечал великий русский химик А. М. Бутлеров , зависят от строения их молекул. Полимеры в этом отношении не составляют исключения, и их свойства определяются строением их молекул, т.е. формой цепей молекул, или, как принято говорить, структурой полимера. Полимеры могут обладать молекулами линейными, разветвлёнными и сетчатыми (кстати, синтетические волокна высокой прочности состоят из гибких линейных макромолекул).
Линейные макромолекулы можно представить себе в виде нитей, состоящих из последовательно связанных, в определённом порядке чередующихся, различных по химическому составу участков — остатков исходных мономерных соединений, т.е. состоящих из одной части. Длина таких молекул в тысячи раз больше их поперечного сечения. Для наглядного сравнения можно сказать, что если увеличить диаметр некоторых полимерных молекул до толщины волоса, то их длина достигла бы одного метра. Однако линейные макромолекулы редко находятся в виде вытянутой нити, обычно они закручены в спирали, а чаще всего перепутаны в клубок.
При растяжении полимера линейные молекулы расправляются в направлении действующей силы и располагаются более или менее параллельно по отношению друг к другу, или, как говорят, они ориентируются. Строго говоря, ориентируются только отдельные участки макромолекул, поэтому в вытянутом волокне ориентированные и неориентированные участки макромолекул перемежаются. Следует отметить, что ориентированные области макромолекулы могут находиться и в полимере, не подвергнутом растяжению. В этом случае они будут расположены беспорядочно, тогда как у растянутого полимера макромолекулы располагаются вдоль оси волокна.
Полимер годен для образования упругих и прочных волокон в том случае, если его макромолекулы будут достаточно высокомолекулярны, линейны, иметь строение, способствующее образованию кристаллических областей. Этим требованиям отвечают такие синтетические полимеры как, полиамиды, полиэфиры, поливиниловый спирт, полипропилен и т.п. Как уже отмечалось, макромолекулы могут обладать не только линейной, но и разветвлённой и сетчатой структурой; последние называются пространственными или трёхмерными.
За счёт боковых разветвлений, которые мешают соприкосновению основных цепей (подобно тому, как ветки деревьев мешают соприкосновению их стволов), получаются неплотные упаковки основных цепей, что ухудшает механические свойства полимера. Разветвлённый полимер следует отличать от других видов полимеров, например привитых или графт-полимеров, у которых от основной цепи отходят ветви иного состава, чем основная цепь; это своего рода гибрид, обладающий новыми ценными свойствами. В химии существует ряд методов прививки ветвей одного мономера или полимера к основной цепи другого полимера, подобно тому, как садовники прививают черенки одного фруктового дерева к другому.
Кроме привитых, существуют также блок-сополимеры. Для их построения используют блоки сравнительно невысокого молекулярного веса, состоящие из разных мономеров и содержащие реакционно-способные концевые группы, обеспечивающие связывание этих блоков в длинные цепи макромолекул. Так из этиленгликоля и терефталевой кислоты получают сополимеры, дающие высокопрочные синтетические волокна.
Важным показателем, характеризующим возможность применения полимера в качестве волокнообразующего материала, служит его температура плавления. Если она очень низка, то практическое применение волокон из этого полимера крайне ограничено. Линейные полимеры, обладающие температурой плавления в пределах 200-300 градусов Цельсия, широко применяются для получения химических волокон формованием из расплава. Полимеры, температура плавления которых очень высока или выше температуры их разложения, могут быть использованы для получения текстильных волокон только в том случае, если они способны растворяться в доступных и удобных для операций прядения растворителях или формоваться размягчённом состоянии.
Итак, химические волокна и волокнистые материалы, представляющие собой протяжённые гибкие и прочные тела с очень малыми поперечными размерами, пригодные для производства различных изделий бытового и технического назначения, например одежды, канатов, транспортёрных лент и т.д., состоят и линейных полимеров. Из разветвлённых и сетчатых полимеров невозможно получить химические волокна, пригодные для текстильной переработки в изделия. Природная целлюлоза, являющаяся основным материалом большинства природных и искусственных волокон, относится к группе линейных полимеров, состоящих из нитевидных макромолекул.
Представление о молекулах натуральных волокон, как о линейных макромолекулах, дало учёным основание полагать, что и синтетические полимеры макромолекулы которых подобного строения могут быть использованы в качестве исходного продукта для получения прочных текстильных волокнистых материалов. Таким образом, идея получения прочных синтетических волокон возникла на основании выводов, сделанных при изучении строения натуральных волокон. Поскольку в наших статьях при химические волокна речь идёт о волокнах большой прочности, мы будем рассказывать лишь о некоторых полимерах, таких как целлюлоза, полиамиды, полиэфиры, поливиниловый спирт, полипропиленовые и др.