Молекулярная структура полимеров http://biofile.ru/bio/2692.html

Молекулярное строение, т.е. химический состав и способ соединения атомов в молекулу, однозначно не определяет поведение полимерного материала, построенного из макромолекул. Свойства полимеров, особенно в кристаллическом фазовом состоянии, зависят от их надмолекулярной структуры, т.е. способа упаковки макромолекул в пространственно выделенных элементах, размера и формы таких элементов и их взаимного расположения в пространстве. Другими словами, под надмолекулярной структурой понимают сложные агрегаты из большого числа макромолекул, образующиеся в результате действия межмолекулярных сил.

Для полимеров типичны твердое и жидкое агрегатные состояния, характеризующиеся колебательным и вращательным движением частиц и небольшими расстояниями между частицами. В газообразном состоянии полимеры не бывают, т.к. для того, чтобы раздвинуть макромолекулы на большие расстояния, необходимо преодолеть сильные межмолекулярные взаимодействия цепных макромолекул, требующие энергий, сравнимых с энергиями химических связей в полимерной цепи, т.е. произойдет деструкция полимера.

Фазовое состояние определяется порядком в расположении молекул. Различают два вида фазового состояния: аморфное и кристаллическое. Аморфное фазовое состояние характеризуется ближним порядком на расстояниях 10-15Ǻ. Термодинамически устойчивое состояние отличается изотропностью, хотя в аморфных полимерах возможны локальные упорядоченные образования флуктуационного характера. Одна из первых моделей структуры аморфного состояния полимеров «пачечная» модель Каргина. Предполагалось, что для оптимальной упаковки длинных цепных молекул в аморфных полимерах существуют упорядоченные области в виде межмолекулярных пачек (ММП), образованных параллельно ориентированными соседними макромолекулами развернутой вытянутой конформации. Следовательно, основным структурным элементом линейных гибкоцепных полимеров в аморфном состоянии является не собственно макромолекула, а ММП или другая надмолекулярная структура, в составе которой отдельные макромолекулы теряют свою индивидуальность.

Кристаллическое фазовое состояние характеризуется дальним трехмерным порядком на расстояниях 1000Ǻ. Это состояние отличается анизотропией свойств, скачками свойств на границе раздела фаз. В кристаллических полимерах практически всегда имеется доля аморфной фазы, часто встречаются дефекты, дислокации. Трудности в получении кристаллов полимеров и особенности кристаллического состояния макромолекул связаны с разнообразием надмолекуляных структур, существующих еще в аморфном состоянии.

Кроме аморфного и кристаллического, известно также мезофазное промежуточное жидкокристаллическое состояние полимеров. Оно отличается постоянной устойчивой анизотропией некоторых физических свойств. В обычных изотропных жидкостях может возникать временная «наведенная» анизотропия под влиянием электрического поля, механических воздействий и т. д. В отличие от этого у полимеров вследствие малой подвижности макромолекул и больших времен релаксации «наведенная» анизотропия сохраняется бесконечно долго, т.е. является устойчивой.

Надмолекулярная структура аморфных полимеров

Наиболее полное представление о процессах образования надмолекулярных структур и их типичных форм можно получить в том случае, если проследить весь процесс структурообразования. Существуют два пути образования структур. Если макромолекулы достаточны гибкие, то они могут сворачивать сферические частицы (клубки), так называемые глобулы.

Взаимное расположение отдельных участков цепной макромолекулы внутри такой глобулы, как правило, беспорядочно, и почти любой полимер, переведенный в форму глобул, находится в аморфном состоянии. Например, полиэтилен, полиамиды.

В очень разбавленных растворах подавляющее большинство полимеров находится в виде таких клубков. Наиболее общим способом получения полимеров в глобулярном состоянии является испарение растворителей из растворов при возможно низких температурах. В глобулярном состоянии находятся и макромолекулы ряда белков. Глобулярное строение выгодно только для переноса полимерного вещества в растворенном состоянии, это очень важно для биологических процессов. Для всех остальных случаев оно означает потерю основных свойств, связанных с линейным цепным строением макромолекулы.

Способность глобулярных полимеров к образованию более сложных структур весьма ограничена. Если полимер монодисперсен, т.е. все его макромолекулы одинаковы, то глобулы укладываются с образованием структуры с плотной упаковкой шаров. Так образуются одиночные кристалы глобулярных белков. Например, вирус табачной мозаики.

Глобулы образуются в результате превышения силы внутримолекулярного взаимодействия над силами межмолекулярного взаимодействия.

Кроме того, для перехода от вытянутой формы к глобулярной, молекулярная цепь должна обладать достаточно высокой гибкостью для того, чтобы она могла свернуться.

Рис. 1. Молекула суперклея

Если полимер находится в высокоэластичном состоянии, то отдельные глобумерные частицы могут сливаться в одну частицу большего размера. Возникают глобулы, содержащие больше (десяти, сотни, тысячи) частиц. Этот процесс заканчивается или расслоением системы, или стабилизацией образовавшихся больших глобул, вследствие покрытия их поверхности примесями или перестройкой их в линейные структуры. Аналогичные процессы происходят и при полимеризации. В зависимости от условий проведения полимеризации могут быть термодинамически более выгодными те или иные конформации. Поэтому из одного и того же полимера можно получить множество различных по физическим структурам полимеров, крайними типами которых будут глобулярный и фибриллярный.

Известно, что существуют отдельные развернутые линейные цепи полимерных веществ. Развернутые макромолекулярные цепи образуют линейные агрегаты - пачки цепей. Типичной особенностью этих образований является то, что длины их значительно превосходят длину отдельных цепей. В каждую из таких пачек входят десятки, сотни отдельных макромолекул. Эти пачки цепей являются независимые структурными элементами, из которых строятся затем более сложные структуры.

Пачечную модель в последнее время подверглась критическому пересмотру. Вайнштейн, изучил дифракцию рентгеновских лучей на аморфном полимере, пришел к выводу, что структура такого полимера не может быть пачечной. Длина участков параллельности полимерных молекул, по его мнению, не велика и примерно равна их ширине. Эти участки постепенно переходят друг в друга, внутри них и в переходных зонах между ними образуются "косые" контакты молекул. Кроме того, пачечная модель находится в противоречии с основными положениями кинетической теории высокоэластичности, которая хорошо подтверждается экспериментом.

Йех предложил другую модель надмолекулярной организаци аморфного полимера. Он предположил, что аморфное состояние полимеров характеризуется наличием упорядоченных областей - доменов(«зерен»), образованных макромолекулами, имеющие складчатые конформации.

Домены соединяются между собой с помощью проходных цепей. Междоменные области состоят из звеньев неупорядоченно расположенных цепей, а также включают в себя проходные цепи и свободные концы цепей, не вошедшие в домены.

Различают три возможных вида доменов: складчатые (гофрированные), снопообразные (мицеллорные) и глобулярные. Последние два вида хорошо согласуются с пачечной и глобулярной теориями. В этом проявляется достоинство доменной теории, как более общей и объединяющей.

Существование доменов в расплавах полимеров носит флуктуационный характер. Домены - совокупность межмолякулярных связей, возникают и разрушаются под действием теплового движения. Чем выше температура, тем короче время жизни домена и меньше его размеры. С уменьшением гибкости цепей, их регулярности, тенденция к формированию доменов снижается.

В расплавах полимеров с жесткими нерегулярными цепями не всегда удается обнаружить домены. Считается, что в подобных условиях они не образуются, а цепи имеют форму статистических клубков-глобул. Клубки проникают друг в друга, образуя прямые контакты.

В отличие от Йеха, Арисаков, Бакеев и Кабанов, используя модели Йеха, считают, что аморфный полимер состоит из плотно упакованных фибрилл. Каждая фибрилла состоит из складчатых доменов, соединенных проходными цепями. Но экспериментальные данные не позволяют рассматривать фибриллу, как основную форму надмолекулярной организации аморфного полимера.

Для объяснения надмолекулярной организации аморфных полимеров была предложена также кластерная модель.

Кластеры-области, в которых имеет место более плотная упаковка молекул или частиц, а также более упорядоченное их расположение по сравнению с основной, более рыхлой и разупорядоченной массой вещества. Поэтому плотность кластера несколько превышает среднюю плотность полимера в целом. Но по сравнению с кристаллами, кластеры являются менее упорядоченными и менее плотно упакованными областями. В связи с этим выделяют два вида кластеров:

1. Кристаллические - кластеры, в которых при определенных условиях может достигаться более упорядоченное расположение макромолекул. Они способны кристаллизоваться.

2. Антикристаллические - кластеры, которые принципиально не кристаллизуются.

Аморфный полимер является совокупностью антикристаллических кластеров, окруженных менее упорядоченными и более рыхлыми областями. Следовательно, плотность аморфных полимеров прямо пропорциональна объемной доле кластеров. Это совпадает с таким опытным фактом, как увеличение плотности аморфных полимеров при их отжиге. Отжиг приводит к увеличению числа антикристаллических кластеров, росту средних размеров этих образований и более упорядоченному расположению полимерных цепей в них.

Аморфные полимеры имеют случайную ориентацию их полимерных цепей, в то время как кристаллические полимеры образуют высоко упорядоченной кристаллической структуры в аморфной матрице (рис. 2). Термин полу-кристаллические полимеры используются для полимеров, содержащих как кристаллических и аморфных областей.

Рис. 2. Аморфные полимеры

Отличительной чертой кластерной модели является то, что в ней отсутствует регламентированный характер расположения цепей внутри кластера (Он определяется химическим строением полимера, его молекулярной массой). Кластер может состоять как из макромолекул, имеющих складчатую конформацию, так и из развернутых элементов полимерных цепей, не образующих складок. Еще одна особенность - флуктуационный характер кластеров.

Описанные выше организации макромолекул в аморфных полимерах являются лишь простейшими представлениями форм упорядочивания макромолекул. Они важны тем, что являются первым этапом процессов организации макромолекул, без которых невозможны разнообразные надмолекулярные структуры кристаллических полимеров

Надмолекуляная структура кристаллических полимеров

Фазовое состояние полимеров или способности полимеров к кристаллизации зависит от множества условий: температуры и скорости кристаллизации, термической предыстории, присутствие посторонних веществ. В зависимости от условий кристаллизации может быть получено множество морфологических форм кристаллических структур даже для одного и того же полимера. Разнообразие надмолекулярных структур в кристаллических полимерах обусловлено гибкостью и длинно-цепочным строением полимеров.

Одной из особенностей кристаллического состояния полимеров является наличие в них значительной доли неупорядоченности - «доля аморфной фазы». Поэтому и уделяется особенное внимание процессам кристаллизации.

При удалении растворителя из разбавленного раствора полимера в случае достаточно сильного межмолекулярного взаимодействия макромолекулы могут ассоциироваться в пачке. Пачка - первичная надмолекулярная структура.

Если пачка образована регулярными гибкими макромолекулами, то при соответствующих термодинамических условиях в ней произойдет кристаллизация, т. е. макромолекулы расположатся так, чтобы образовать пространственную решётку. Закристаллизовавшаяся пачка обладает границей раздела и характерным для кристаллического вещества поверхностным натяжением. Однако появление избыточной поверхностной энергии должно быть существенным в таких тонких и длинных образованиях.

В результате кристаллическая пачка приобретает способность складываться в ленты, обладающие меньшей плотностью поверхности. Лента - энергетически более выгодная форма. Складывание пачки в ленты происходит самопроизвольно в направлении уменьшения свободной энергии F<О путем многократного поворота пачки на 180°. Лента - вторичная надмолекулярная структура при пластинчатом механизме кристаллизации. Существование складчатых структур было впервые обнаружено и детально исследовано Келлером на примере полиэтилена и полиамидов.

Образование вторичных структур в кристаллическом полимере не прекращается на образовании лент. Требование уменьшения поверхностного натяжения приводит к складыванию «лент» в плоские образования, т.е. в пластины-ламели. Такие пластины образуются путем примыкания отдельных «лент» своими плоскими сторонами, что приводит к дальнейшему уменьшению поверхности. Для линейных полимеров из сложных цепей типичны ламелирные кристаллы, которые получаются достаточно совершенными при низких скоростях кристаллизации (монокристаллы полиэтилена).

Рис. 3. Полоски показывают рост кристаллов полиэтилена

Кроме пластинчатого механизма образования единичных кристаллов существует другой тип структур, который характеризуется наличием фибриллярных элементов.

Наиболее важным практическим примером получения кристаллов, в которых цепи в значительной степени сохраняют выпрямленные конформации, является кристаллизация при охлаждении расплава с одновременным наложением больших напряжений. Возникающие при этом структурные формы, получившие название «шиш-кебаб», характеризуются наличием длинного фибриллярного центрального ствола. На этом стержне растут в поперечном направлении ламели, в которых цепи находятся в складчатых конформациях.

Вместе с пластинчатым механизмом образования единичных кристаллов существует другой тип возникновения ряда высших надмолекулярных структур. Для пластинчатого типа простейшим структурным элементом является пластина из лент, а для фибриллярного типа такая складчатость отсутствует и пачки расположены вдоль фибриллы. Один и тот же полимер может кристаллизоваться и по пластинчатому, и по фибриллярному типу.

Картина образования единичных кристаллов является предельной картиной процесса кристаллизации. Отсюда вытекают неограниченные возможности возникновения неравновесных состояний кристаллических полимеров. Когда кристаллизация задерживается на стадиях образования лент, пластин и фибрилл, это ведет к образованию сферолитных структур - наиболее распространенный элемент крупных структур.

Сферолиты - это агрегаты кристаллов, обладающие одним центром и радиальной ориентацией кристаллов относительно центра.

Представляют собой типичные полукристаллические образования, получающиеся в реальных условиях формирования отливок, пленок и других полимерных изделий на основе кристаллизирующихся высокомолекулярных соединений практически всех классов.

Продукция из полистирола. Фото: Pat Hayes

Сферолиты не являются выгодными с точки зрения термодинамики, но они кинетически предпочтительнее. Размеры сферолитов могут колебаться в широких пределах - от десятков микрон до нескольких миллиметров и более. Мелкие сферолиты обнаруживают способность к агрегации с образованием очень длинных лентоподобных частиц.

Лентам из сферолитов присуща анизотропия оптических свойств из-за радиальной асимметрии их строения. Изменение ориентации происходит в каждом радиальном направлении, что проявляется возникновением картины чередующихся светлых и темных колец.

Сферолиты графита видно под электронным микроскопом

Кроме радиальных существуют также кольцевые сферолиты, характеризующиеся тем, что на картину мальтийского креста накладывается ярко выраженная система чередующихся темных и светлых колец.

В процессе кристаллизации при последовательно понижающейся температуре можно получить различные промежуточные стадии от многогранных ламелей до сильно разветвленных дендритов.

Дендриты - разветвленные кристаллы, иногда похожие на дерево (от греческого «дерево»). Все ветви дендрита кристаллографически связаны друг с другом.

Дендриты

Заключение

Надмолекулярные структуры в полимерах исследуются методами электронной микроскопии, нейтронографии, рентгеновской дифракции, светорассеяния, двойного лучепреломления и др. В частности, методом малолучевой дифракции нейтронов были определены радиусы инерции макромолекул, совпадающие с невозмущенными размерами гауссовых клубков, а невытянутых «пачек». В настоящее время известны альтернативные структурные модели: перекрывающиеся статистические клубки (ПСК); статистически сложные макромолекулы (домены) и др. В частности, предложенная Флори модель ПСК позволила теоретически обосновать концепцию зацеплений, стала основой для статистических теорий течений и термодинамических свойств концентрированных растворов полимеров. Результаты компьютерного моделирования конформаций методом Монте-Карло также подтверждали ПСК, которая характеризуется достаточно плотной упаковкой.

Методы исследования структуры полимеров можно разделить на две группы. К первой относятсявизуальные методы: оптическая иэлектронная микроскопия, в которых используемая длина волны (источника света или пучка электронов) гораздо меньше размеров структурных элементов (макромолекул или их агрегатов).

Ко второй группе относятся интерференционно-дифракционныеметоды: дифракция рентгеновских лучей, дифракция электронов, нейтронов, светорассеяние. В этих методах используются электромагнитные колебания с длиной волны, сравнимой с размером исследуемых структурных элементов. Например, один из самых распространенных методов - рентгеноструктурный анализ - основан на явлении дифракции рентгеновских лучей с l=0,5-2,5Å. Если пучок рентгеновских лучей падает на кристаллы, линейные размеры которых сравнимы с, то можно оценить период идентичности, установить относительное расположение различных плоскостей кристаллической решетки, оценить степень кристалличности, размеры кристаллов, их ориентацию.

С помощью электронной микроскопии можно наблюдать отдельные макромолекулы и их агрегаты. Именно этим методом были получены представленные выше на рисунках основные типы надмолекулярных структур: фибриллярные кристаллы,монокристаллы и сферолиты. Тонкие детали строения сферолитов удается исследовать только при помощи электронного микроскопа.

Присутствие сферолитов оказывает влияние на механические (прочность) и другие свойства полимеров. Например, непрозрачность полиэтилена, нейлона и других кристаллических полимеров объясняется наличием сферолитов. Разнообразие надмолекулярных структур - основная причина особенных свойств кристаллических полимеров.

Одна из основных причин интереса к физике макромолекул заключается в том, чтобы с ее помощью постичь тайны живой природы, понять молекулярные основы поведения биологических систем. Прогресс в понимании механизма жизненных процессов невозможен без применения физических и химических идей и методов к изучению биологических процессов на молекулярном уровне.

Поиск по сайту: