Cтраница 2
В 1839 г. американец Чарльз Гудьир, а вслед за ним в 1843 г. и англичанин Томас Гэнкок показали, что нагревание каучука с серой ( вулканизация) устраняет такие недостатки натурального каучука1, как малая прочность, липкость, способность растворяться в органических растворителях, резкое изменение твердости в зависимости от температуры. Кроме того, оно существенно улучшает механические свойства каучука и придает ему ряд новых ценных качеств. [16]
Таким образом, в основу всех ранних представлений о структуре - и свойствах полимеров легли два положения: гибкость цепных макромолекул и их беспорядочное расположение относительно друг друга. Практически это означало, что любое проявление механических свойств полимеров связано только с изменением формы самих макромолекул, причем эта форма может легко изменяться под нагрузкой, так как макромолекулы - гибкие образования. На основе этих представлений создавались стройные теории ( например, кинетическая теория высокоэластичности), объясняющие и позволяющие рассчитывать многие механические свойства каучуков и подобных материалов. [17]
Применимость сырого каучука ограничена вследствие его чувствительности к изменениям температуры, большой остаточной деформации и относительно малой прочности. Вальцованный каучук даже слабее сырого и почти неприменим как таковой. Гудьир установил, что свойства каучука сильно улучшаются при введении в мастицируемый каучук небольших количеств серы и нагревании смеси в течение нескольких часов при температуре 130 - 150 С. Механические свойства каучука при этом резко изменяются, сопротивление разрыву и излому возрастает примерно в семь раз ( рис. 1); каучук становится гораздо менее термопластичным, так что его можно с успехом использовать для разных целей в гораздо более широких пределах температур, чем сырой каучук: растворимость и набухание каучука в органических растворителях понижается; сильно понижается и величина остаточной деформации. Такое изменение свойств сопровождается, как будет показано ниже, образованием химического соединения серы с каучуком. [18]
К рассматриваемому классу веществ, называемых полимерами, относятся все волокна - как натуральные, так и полученные искусственным путем. Такие волокна, как шерсть, волосы, щетина, хлопок, лен, джут, мышечная ткань животных, шелк, найлон, терилен, при всем разнообразии химической структуры сравнимы по прочностным характеристикам. Очевидно, что волокнообразующие свойства этих материалов должны определяться каким-то общим фактором. Аналогично натуральный каучук и все синтетические каучуки, сырьем для которых обычно служат продукты переработки нефти, состоят из больших молекул. Хотя механические свойства каучуков, обладающих высокой эластичностью, очень сильно отличаются от свойств волокон, в строении молекул этих двух типов веществ много общего. Несколько ниже будет показано, что различия между волокнами и каучуками не так уж велики, и часто один материал может быть превращен в другой путем довольно простой химической обработки. [19]
В главе I этой книги уже было рассказано об энтропийной природе упругости полимеров в каучукоподобном состоянии. Реальный полимер представляет собой сложную сетку переплетенных цепей; для проявления высокоэластичности без течения необходимо наличие поперечных связей между цепями. Прежде чем исследовать особенности поведения такой сетки, следует рассмотреть растяжение изолированных цепей. Первые работы Куна, Марка и других ученых, посвященные молекулярной теории упругости каучука, целиком основывались на таком рассмотрении и не учитывали явлений, возникающих вследствие объединения цепей в единую сетку. Для построения подлинной теории упругости каучука, связывающей физико-механические свойства материала с химическим строением его молекул, необходимо изучить наряду со свойствами отдельных цепей их поведение в сетке. Однако изучая растяжение изолированных цепей, мы приходим к пониманию и основных особенностей растяжения сетки. Как указывал П. П. Ко-беко [ ], равновесные механические свойства каучука и других эластомеров в первую очередь определяются внутримолекулярными свойствами цепей полимера и структурой сетки, образованной из этих цепей. Однако межмолекулярное взаимодействие ответственно не только за временной и температурный интервалы, в которых проявляется высоко-эластичность, но и за струв: туру сетки и гибкость цепей. [20]