Файл: Трилор, Л. Введение в науку о полимерах.pdf

LR.G. TRELOAR

INTRODUCTION TO POLYMER SCIENCE

Department of Polymer and Fibre Science,

University of Manchester,

Institute of Science and Technology

WYKEHAM PUBLICATIONS (LONDON) LTD LONDON & WINCHESTER 1970

л. ТРИЛОР ВВЕДЕНИЕ

В НАУКУ

О ПОЛИМЕРАХ

Перевод с английского доктора хйм. наук Н. А. ПЛАТЭ

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О «МИР: М О С К В А 1973

Гее.публичная иаучно - твхничб чіая j

ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА |

Книга написана известным английским ученым Л. Трилором п адресована, широким кругам читателей. В первую очередь она предназначена для школьников и студентов младших курсов университетов, так как пре­ следует цель расширить познания старшеклассников и подвести их к современному состоянию данной области науки как к университетскому курсу.

Монография представляет собой также хорошее ме­ тодическое пособие н является образцом популяризации науки.

Издательство «Мир», 1973

Редакция литературы по химии

0253-100 041(01>73

ПРЕДИСЛОВИЕ

Поток монографий и брошюр в области химии и фи­ зики полимеров сегодня настолько велик, что читатель уже с некоторым опасением берет в руки очередное из­ дание, заранее сомневаясь в оригинальности и новизне информации, которую он может получить.

К счастью в данном случае для таких сомнений нет оснований и перед нами хороший пример оригиналь­ ного, увлекательно написанного «Слова о полимерах», автором которого является всемирно известный англий­ ский специалист, один из творцов кинетической теории высокоэластичности — краеугольного камня науки о по­ лимерах.

Книга Л. Трилора представляет собой звено в так называемой Уайкхемской серии, которая, по словам из­ дателей, преследует цель «расширить кругозор старше­ классников и подготовить их к восприятию современного уровня науки, на котором ведется преподавание в уни­ верситетах». Каждая монография этой серии призвана укрепить связь между школой и университетом, и по­ этому автору — профессору Манчестерского универси­ тета при написании помогал опытный педагог колледжа.

Книга Л. Трилора — не рядовое издание в море книг по полимерам, а одно из лучших для приобщения любо­ знательных молодых людей школьного и начального сту­ денческого возраста к этой области.

Автор поставил себе целью объяснить в терминах, понятных человеку со средним образованием, чем отли­ чается мир высокомолекулярных соединений и полимер­ ных материалов от привычного и знакомого мира низко­ молекулярных веществ и как абсолютно все свойства этого класса веществ определяются цепочечным строе­ нием больших молекул. Неоценимым достоинством книги

является то, что автор нигде не спускается до вульгари­ зации, а наоборот, ведет изложение на весьма высоком научном уровне, предполагающем активную работу мы­ сли читателя. Фактически эта книга — пример высшей формы научно-популярной литературы.

В главе 1 «От каучуков к стеклам» поясняется хими­ ческая сущность полимерных молекул, вводится терми­ нология и дается очень краткое описание примеров син­ тетических и природных полимеров.

Глава 2 называется «Полимерная молекула: ее раз­ меры и форма». Здесь почти исчерпывающе (на уровне введения, разумеется) рассматриваются особенности по­ ведения макромолекул в растворе — осмотическое давле­ ние, вязкость, влияние молекулярного веса, гибкость изо­ лированной цепи, свобода конформационных превращений и потенциальные барьеры вращения. В конце главы дается резюме, где читателю формулируется первая кон­ цепция о цепочечном строении молекул и их форме.

Глава 3 «Почему каучук эластичен?» — одна из луч­ ших в книге. В ней Л. Трилор увлекательно показы­ вает, как идея о длинных цепочечных молекулах необ­ ходима для объяснения столь знакомого читателю яв­ ления, как эластичность каучука. Примечательно то, что для доказательства своей последовательно развиваемой линии автор приводит чертежи и графики своих экспери­ ментальных работ и работ других ученых, опубликован­ ных в солидных научных журналах и, казалось бы, пред­ назначенных только для специалистов, а не новичков в данной области, да еще не знакомых с высшей математи­ кой и современной физической химией. Этот прием Л. Три­ лор использует и дальше, что весьма полезно, так как приобщает начинающего читателя к «высокой науке».

В заключении главы подчеркивается общность только что на глазах читателя построенной статистической тео­ рии эластичности и вместе с тем трудности и противоре­ чия, которые с ней связаны. Уже одно упоминание об этих противоречиях на страницах книги показывает, на­ сколько «на равных» автор разговаривает со старше­ классниками.

Далее рассматриваются молекулярные сетки, способы

их образования и их роль в реализации обратимой эла-

ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРА

Основная цель, которую преследует эта книга, со­ стоит в том, чтобы показать, как молено понять физиче­ ские свойства основных типов полимеров с точки зрения их молекулярного строения. Книга начинается с анализа природы полимерной молекулы, ее размеров и геометри­ ческой формы и далее рассматриваются конкретные осо­ бенности молекул, в зависимости от которых полимер представляет собой каучукоподобпый, стеклообразный или кристаллический материал. Детально описаны структура и физические свойства полимеров, относящихся к каждому из этих классов, а также волокна, которые представляют собой особый вид кристаллических поли­ меров.

Такое изложение дает читателю представление о ко­ лоссальном разнообразии промышленных полимерных материалов и позволяет разобраться в различиях между полимерными и неполимерными веществами.

Г л а в а 1

ОТ КАУЧУКОВ К СТЕКЛАМ

1. ОБЛАСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полимеры такие же древние как мир, так как в той или иной форме они составляют основу всей живой ма­ терии — растений и животных. Однако в самостоятель­ ную группу веществ полимеры были выделены только в начале XX в. благодаря обширным научным исследо­ ваниям, в результате которых появилась реальная воз­ можность получать полимеры химическим путем. Пер­ воначально эти синтетические вещества пытались ис­ пользовать как заменители известных природных поли­ меров, таких, как каучук или шелк,- однако развитие промышленности полимерных материалов в последние десятилетия (начиная приблизительно с периода второй мировой войны) привело к появлению широкого спектра совершенно новых веществ — пластмасс, каучуков и во­ локон, многие из которых имеют свойства, отличные от свойств любых природных полимеров. В современных исследованиях полимеров, хотя и включающих вещества природного происхождения, доминирующее место все больше занимают синтетические полимеры. Это объяс­ няется тем, что в основном научные исследования свя­ заны с проблемами промышленного развития этой об­ ласти.

Ставя своей целью изучение полимеров, мы прежде всего должны понять, что составляет основу полимера, что объединяет все эти различные материалы в единый класс. Позже мы увидим, что сходство заложено в структуре отдельных молекул, из которых состоит по­ лимер. Мы рассмотрим также особенности, отличающие друг от друга разнообразные классы полимеров (кау­ чуки, волокна и т. д.), и выясним, как уникальные фи­ зические свойства любого класса этих. веществ увязы-

ваются с некоторыми общими чертами их химического или молекулярного строения и как они зависят от спо­ соба, которым молекулы связаны друг с другом в поли­ мерную структуру.

Эти определяющие концепции в основных чертах бу­ дут раскрыты в данной главе, цель которой дать чита­ телю представление о предмете изложения и раскрыть некоторые идеи о направлениях и методах исследования. Последующие главы будут посвящены более детальной разработке этих основных концепций уже в связи с от­ дельными классами полимеров.

2. ЧТО ТАКОЕ ПОЛИМЕР?

Слово «полимер» дословно означает много сегментов (от греческого polus — много и meros — части, сегменты). Этот термин охватывает все вещества, молекулы кото­

так и (что чаще)_ небольшие группы атомов, соединен­ ные химическими связями. Примером полимера с эле­ ментами, состоящими из единичных атомов, служит так называемая «пластическая сера», с которой читатель, мо­ жет быть, знаком. Она получается при выливании рас­ плава серы (при соответствующей температуре) в холод­ ную воду. Структуру полимерной серы можно предста­ вить в виде цепи атомов, связанных друг с другом хими­ ческими связями по типу

более типичны для каучукоподобного полимера. Мягкая, очень эластичная и полупрозрачная, она не имеет в от­ личие от кристаллических веществ определенной точки плавления. При повышении температуры сера сначала размягчается, а затем течет как высоковязкая жидкость. Однако полимерная сера не стабильна и при комнатной температуре через несколько дней снова переходит в обычную порошкообразную или кристаллическую форму.

Для большинства полимеров повторяющимся эле­ ментом структуры является небольшая группа атомов,