【Основы терминологии в области полимеров и материалов-021】: Термины, связанные с полимерами

Учиться*постить — обязательно нужно, чтобы набрать популярность

Переосмысление ориентации: ориентация представляет собой определенное состояние, но каково её влияние на материал?

У низкомолекулярных веществ, у которых структура имеет сферическую симметрию, речи о направленности не идет. А когда молекулярная структура имеет несферическую форму (например, у участков полимерных цепей), или когда распределение заряда в ней асимметрично, то под действием электрического или силового поля молекула ориентируется в направлении этого поля. Это ориентация полимеров! В реальной жизни повсюду встречаются упаковочные веревки из полипропилена. Благодаря одноосному растяжению их невозможно разорвать даже при приложении большой силы в направлении их ориентации, но в перпендикулярном направлении их можно легко разорвать на мелкие волокна ； Если сначала сделать на резинке небольшой надрез, а затем попытаться её растянуть, то через некоторое время надрез быстро будет расширяться в глубину, и его будет легко разорвать. Но если сначала растянуть резинку до большой длины, чтобы молекулярные связи в ней выровнялись, а затем сделать надрез ножом, то надрез будет расширяться в направлении силы растяжения, а не в глубину. В таком случае, чтобы разорвать резинку, потребуется значительно больше усилий ； Нанокарбоновые трубки находят широкое применение, но во многих случаях это возможно только при их ориентированном расположении. Поэтому исследование структуры ориентации полимеров имеет важное значение, поскольку оно позволяет на основе контроля условий обработки получать материалы с ориентированной структурой и свойствами, что служит научным обоснованием для таких процессов. Ориентация – это состояние, при котором линейные полимеры при полном растяжении имеют длину, в сотни, тысячи или даже десятки тысяч раз превышающую их ширину. Такая особая геометрическая асимметрия позволяет им под действием внешнего поля легко устраиваться в таком порядке, который обусловлен действием этого поля. Для неориентированных полимерных материалов участки молекул имеют случайную ориентацию: количество участков, ориентированных в одном направлении, равно количеству участков, ориентированных в любом другом направлении. Поэтому неориентированные полимерные материалы являются изотропными. В то же время в ориентированных полимерных материалах участки молекул имеют предпочтительную ориентацию в определенных направлениях. Поскольку вдоль направления молекулярной цепи связи устанавливаются ковалентными связями, а перпендикулярно этому направлению действует сила ван-дер-ваальсовской агрегации между цепями, материал с такой структурой обладает анизотропией. Результатом ориентации являются значительные изменения в механических свойствах, оптических свойствах, теплопроводности и скорости распространения звука полимеров. Среди механических свойств прочность на растяжение и прочность при усталостном изгибе значительно возрастают в направлении ориентации, тогда как в направлениях, перпендикулярных этой ориентации, они снижаются ； Среди оптических свойств ориентация полимерных молекул приводит к появлению дуплексного показателя преломления ； Что касается тепловых свойств, то коэффициент теплового расширения различается в ориентированном и неориентированном направлениях. Ориентация полимерных материалов под действием внешних сил происходит двумя способами: одноосная ориентация и двухосная ориентация. Одноосная ориентация — это процесс, при котором полимерные материалы растягиваются под действием внешних сил в одном направлении; в результате увеличивается их длина, а толщина и ширина уменьшаются. Молекулярные цепи под действием этих сил выстраиваются в направлении приложенной силы.

Наиболее распространенным примером одноосной ориентации является растяжка синтетических волокон. Обычно при прядении синтетических волокон молекулярные цепи уже имеют определенную ориентацию с момента их выхода из форсунок. После дальнейшего растяжения на несколько раз степень ориентации молекулярных цепей вдоль направления волокна еще больше повышается. Двуосная ориентация — это растяжение полимерного материала внешними силами в двух перпендикулярных друг другу направлениях; при этом длина материала увеличивается в направлении действия сил, а толщина уменьшается. Молекулярные цепи располагаются параллельно плоскости растяжения, во внутренней части же они расположены случайным образом. Как видно, после двухосной ориентации свойства полимера в плоскости растяжения становятся изотропными. Наиболее распространенным примером двуосевой ориентации является двуосевая ориентация пленок, при которой молекулярные цепи выстраиваются параллельно плоскости пленки в произвольном направлении, что позволяет получить изотропную пленку в этой плоскости. Для сравнения степени ориентации материалов был введен понятие степени ориентации. Степенью ориентации называется степень, в которой молекулярные цепи в полимерах расположены в определенном направлении. Степень ориентации обычно обозначается функцией ориентации F: F = 0,5(3cos2θ – 1), где θ — угол между осью молекулярной цепи и направлением ориентации. Для реальных полимеров θ не является постоянной величиной; он распределяется определенным образом. Поэтому в уравнении функции ориентации в качестве значения θ часто используется среднее значение фактического угла ориентации. Существует множество методов для определения степени ориентации. К ним относятся метод оптической преломления, инфракрасная дихроизм, широкоугольная рентгеновская дифракция, метод распространения звуковых волн, а также поляризационный флуоресцентный метод. Ниже кратко описаны первые три метода. Метод оптической диэлектрической анизотропии: обычно в качестве показателя степени ориентации используется разница показателей преломления в двух перпендикулярных друг другу направлениях. Образцы с произвольной ориентацией обладают оптической изотропией, при этом △n = 0. В то же время у образцов с полной ориентацией значение △n может достигать максимума. Следует отметить, что для одного и того же образца в разных направлениях будет получаться разное значение △n. Например, у одноосно ориентированных пленок наибольшее значение △n наблюдается в двух направлениях, параллельных плоскости пленки. У двухосно ориентированных пленок значение △n в направлениях, параллельных плоскости пленки, является небольшим или равно нулю; наибольшее значение △n наблюдается только в двух направлениях, перпендикулярных плоскости пленки. Используя эту особенность, можно определить тип ориентации пленки. Инфракрасная дихроизм: когда инфракрасный поляризованный свет проходит через исследуемый образец, интенсивность поглощения света A в данном группировке обусловлена изменением момента диполя колебаний M. Инфракрасное поглощение максимально, когда направление электрического вектора совпадает с направлением изменения дипольного момента; при перпендикулярности этих двух направлений поглощения не происходит. Это явление называется инфракрасной дихроизмом. Направление изменения M у неориентированных полимеров имеет равномерное распределение, в то время как у ориентированных полимеров M также ориентируется. Следовательно, степень ориентации полимеров можно определять с помощью инфракрасной дихроизма. В зависимости от выбранных участков инфракрасного спектра можно определить ориентацию кристаллических и аморфных областей, а также среднюю ориентацию всего материала. На основе вибрационного спектра, определяющего, являются ли группы придаточными или частью основной цепи, можно различать ориентацию основной цепи и придаточных групп. Метод инфракрасной дихроизации позволяет получить широкий спектр параметров ориентации. В реальном производстве и быту применение ориентации полимеров становится всё более широким. При процессе прядения с использованием линейных жидкостей благодаря свойствам ориентации молекул линейных жидкостей можно достичь высокого уровня их ориентации при более низких условиях растяжения. Это позволяет избежать возникновения напряжений и повреждений в волокнах при их сильном растяжении. В процессе производства ЖК-дисплеев технология контроля ориентации молекул линейных жидкостей имеет большое значение. Она влияет не только на скорость реакции молекул, но и напрямую определяет качество отображения на ЖК-дисплее. Хорошие эффекты ориентации позволяют увеличить объем отображаемой информации и повысить качество изображения. Характеристики органических полимерных материалов мало меняются при изменении свойств жидких кристаллов, что делает их подходящими для производства на производственных линиях; поэтому они постепенно становятся материалами для ориентационных пленок. Люди постоянно исследуют способы контроля ориентации молекул жидких кристаллов, чтобы они могли быстро реагировать под действием внешнего электрического поля. В промышленности широко используются традиционные методы контроля ориентации, а также методы, разработанные в последние годы и не основанные на трении. Полимеры с заданной ориентацией обладают очень широкими перспективами применения. Можно предположить, что в ближайшие годы, по мере развития исследований в области ориентации полимеров и соответствующих технологий, они принесут еще большую пользу человечеству.