Из школьного образовательного курса известно о том, что вещество может пребывать в одном из трех основных агрегатных состояний – жидком, твердом или газообразном. Такое разделение основывается на нескольких показателях: способности противодействовать агрессивной внешней среде и сохранению телом объема и формы. Полимеры же, выведенные синтетическим способом, не способны переходить в газообразное состояние в виду специфического цепного строения макромолекул.
В разрезе термодинамики промежуточным периодом называется фазовый переход, то есть переход в кристаллическую, жидкую или газообразную фазы. При кристаллизации наблюдается дальний порядок атомного и молекулярного расположения, в жидкой фазе – ближний. В газообразном состоянии молекулы пребывают в хаотичном порядке.
Амфорный полимер способен переходить из одного агрегатного состояния в другое только при определенных искусственно созданных условиях. Главный фактор при этом – изменение уровня температуры. Термодинамические процессы изменяют размеры запасов тепловой энергии макромолекул, что, в свою очередь, влияет на механические характеристики полимеров. Данное синтетическое вещество может пребывать в одном из трех агрегатных состояний – стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Для всех фаз характерны определенная степень деформации и показатели ее обратимости, что всегда учитывается при переработке полимеров и их дальнейшей эксплуатации.
Особенности аморфного состояния полимеров
По некоторым свойствам стеклообразное состояние аморфного полимера сравнимо с фазой, в которой пребывает жидкость в стадии сильного переохлаждения. Вещество становится крайне вязким, что препятствует его свободному течению и способствует сохранению формы как при твердом состоянии. В низкомолекулярных веществах молекулы теряют подвижность. Такой эффект достигается путем снижения температуры окружающей среды. Активность макромолекул при этом схоже с движениями гусеницы, поскольку они перемещаются частями или сегментами. Следовательно, чтобы блокировать интенсивное движение цепи, необходимо «обездвижить» лишь некоторые его звенья. Оставшиеся части при этом будут продолжать совершать некоторые движения в пространстве. Свобода передвижения способствует развитию значительных деформаций полимерных стекол, если на продукт будет оказываться механическое воздействие. Макромолекулы в активной фазе стеклования не создают новых связей в цепи, атомные звенья находятся в ближнем порядке расположения.
Стеклообразный полимер отличается одновременно твердостью и хрупкостью, поскольку макромолекулы, образуя сегменты, совершают слабые колебательные движения в пределах равновесного положения. Конформационные переходы молекул исключены, поскольку большая часть звеньев молекулярной цепи не проявляет признаки подвижности. При повышении температуры окружающей среды вещество начинает вырабатывать большее количество тепловой энергии, которая и приводит в движение застывшие сегменты цепи. При этом при визуальном наблюдении заметен плавный переход к более мягкому пластическому материалу. Температурный диапазон, при котором наблюдаются вышеописанные преобразования, называется температурой стеклования Тс.
Уровень температуры, при котором запускается процесс стеклования, зависит от изначальной молекулярной массы линейного полимера. С увеличением показателя растет и молекулярная масса. Это происходит до тех пор, пока она не достигнет необходимого значения для того, чтобы макромолекулы получили свободу передвижения. В этот момент температура фиксируется и не меняется до завершения фазного перехода. У пространственных полимеров все происходит несколько по-другому: чем гуще пространственная сетка между молекулами, тем выше будет температура стеклования.
Во время стеклования полимеров меняется не только их структура, но и качественные характеристики – уровень теплопроводности, электропроводимости, преломления, диэлектрической проницаемости и т.д.
Если температура стеклования снижается, уменьшается и количество тепловой энергии, что влечет за собой замедление подвижности тех частей макромолекул в цепи, которые при необходимом уровне Тс находились в состоянии свободного движения. В этом случае для даже небольшой деформации потребуется сильное механическое воздействие. В некоторых случаях действующая нагрузка может возрасти относительно разрушающего полимер напряжения, вследствие чего вещество разрушится при совсем небольшой деформации. Данный температурный показатель, воздействие которого вызывает полное или частичное разрушение полимера, называют температурой хрупкости (Тхр).
В высокоэластичном состоянии сегменты макромолекул в молекулярной цепи полимера обладают высокой степенью подвижности, что приводит к их конформации и изменению положения звеньев в пространстве. Конформации могут быть не только двух видов – максимально выпрямленными или свернутыми. Существуют различные варианты, отличающиеся друг от друга степенью свернутости.
Только полимеры с высокой молекулярной массой способны переходить в высокоэластическое физическое состояние. При значительной длине макромолекул полимер отличается гибкоцепностью. Данное свойство может проявляться даже в условиях комнатных температур. При повышенных температурах высокоэластичное состояние возможно, когда межмолекулярное взаимодействие ослабевает.
Свойство макромолекул принимать разнообразные формы конформаций молекулярных цепей под действием внешней механической силы объясняет тот факт, что в высокоэластичном состоянии полимер подвержен большим деформациям. Однако при уменьшении механического напряжения сегменты макромолекул приобретают исходное положение. Деформация полностью исчезает, если сила механического воздействия полностью исчезает.
Обратимость процессов деформации, которая свойственна полимерам в высокоэластичном состоянии, обусловлена тем, что время механического воздействия намного меньше по сравнению с тем сроком, что необходим для принятия макромолекулами и их сегментами конформации, возникшей вследствие деформации.
Если наблюдается медленная деформация линейного полимера, это говорит о том, что запустился процесс перехода вещества в состояние вязкотекучести. Макромолекулам достаточно времени для того, чтобы их расположение в пределах установленной конфронтации приобрело постоянный характер.
Чтобы вещество из вязкотекучего перешло в фазу высокоэластичности, необходимо поместить его в условия повышенной температуры окружающей среды. Ее уровень колеблется в пределах Тс-Тт, где последний показатель – температура текучести полимера.
Вязкотекучая фаза характеризуется способностью полимера пребывать в состоянии жидкости. Вещество способно течь даже под действием небольшого механического воздействия. Эта особенность называется пластической деформацией. Период течения может происходить бесконечно, и зачастую процесс характеризуется необратимостью.
Кристаллическая фаза полимеров
Кристаллическое агрегатное состояние полимера характерно для многих разновидностей данного вещества. Это может быть полипропилен, некоторые эфиры целлюлозы, полиамиды и натуральный каучук. Кристаллизации можно добиться путем погружения жидкой полимерной массы в среду с пониженной температурой. В процессе фазного перехода отдельные сегменты молекулярной среды застывают и перестают двигаться, вследствие чего возникают связи дальнего трехмерного порядка в расположении макромолекул.