Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Функциональные полимерные материалы и полимеры специального назначения

До 1980-х гг. полимеры рассматривали, главным образом, как основу для производства конструкционных материалов с уникальным комплексом фи- зико-механических характеристик, недостижимым при использовании низкомолекулярных химических соединений. В последние два десятилетия XX в. полимеры стали применять и как функциональные материалы в медицине, свето- и электротехнике, электронике, энергетике и т.д. На рубеже XX—XXI вв. была сформулирована концепция «умных» материалов (smart materials), способных обратимо менять свое поведение при изменении внешних условий, например температуры и влажности среды, или при воздействии механического, электрического, магнитного и других полей. Отсюда вытекает два основных направления использования «умных» материалов: в качестве сенсоров, чувствительных к какому-либо внешнему воздействию, и в качестве актуаторов, совершающих строго определенные действия при подаче контролирующего сигнала.

Спектр современных «умных» материалов довольно широк. К ним относят пьезоэлектрики, которые при деформации индуцируют электрический заряд на поверхности изделия (прямой пьезоэффект) или, наоборот, деформируются иод действием внешнего электрического поля (обратный пьезо- эффект)', сплавы с памятью формы; магнито- и электрореологические жидкости и пр.

Главенствующую роль в развитии этого научно-технического направления играют полимеры, вследствие своей цепной макромолекулярной природы. Практически неограниченный набор конформаций, доступных для макромолекул, открывает широкие возможности для направленного регулирования механических и функциональных свойств конечного материала.

Каучук — самый простой пример «умного» полимерного материала. При растяжении каучука его прочность возрастает: иными словами, чем сильнее деформируют каучук, тем прочнее он становится (см. и. 4.2.4Л). 11аблю- даемое упрочнение материала при увеличении механической нагрузки вытекает, естественно, из цепной химической природы каучука. Структура каучука представляет собой переплетенные, взаимопроникающие макромо- лекулярпые клубки. На начальных стадиях растяжения сопротивление материала механическому воздействию определяется работой против межмолекулярных дисперсионных взаимодействий, энергия которых составляет величину порядка 5 кДж/моль. По мере увеличения деформации клубки разворачиваются, и макромолекулярные цепи ориентируются вдоль оси растяжения. В этом случае нагрузка практически полностью ложится на ковалентные связи основной цепи, энергия которых достигает 250 кДж/моль. Как результат сопротивление материала внешнему нагружению возрастает в несколько десятков раз. При разгрузке каучук обратимо возвращается в исходное состояние.

В настоящее время функциональные и «умные» полимерные материалы используют практически во всех областях техники. В качестве примеров рассмотрим лишь несколько научно-практических приложений подобных систем.

Электропроводящие полимерные материалы, производство которых получило бурное развитие начиная с 1970-х гг., находят широкое применение вследствие уникального сочетания высокой электропроводности, малого удельного веса, пластичности, прочности, способности к формовке и т.п.

Стратегия развития электропроводящих полимерных материалов включает:

  • 1) разработку композитов, в которых традиционные электропроводящие соединения (графит, углеродные, металлические и металлизированные волокна, металлическая пудра) помещены в пластичную полимерную матрицу на основе термо- и реактопластов или каучуков;
  • 2) синтез полисопряженных полимеров, таких как полифениленвини- лен, полиацетилен, полианилин, полипирролы, политиофены и пр.

Путем соответствующей модификации (в первую очередь, допирования до- норами или акцепторами электронов) электропроводность полисопряженных полимеров можно варьировать в пределах от уровня электропроводности полупроводников до уровня электропроводности металлов. Более того, некоторые сопряженные полимеры проявляют электролюминесцентные свойства: они светятся при прохождении электрического тока, и наоборот, поглощение света создает в них электрический заряд. Последнее, по сути дела, отражает принцип работы солнечных батарей. Например, полимерные листы из донированного полиацетилена преобразуют солнечную энергию в электрическую с коэффициентом полезного действия, сопоставимым с таковым кремниевых солнечных батарей.

Замена неорганических полупроводников и металлов полимерными материалами определила развитие новой области техники — молекулярной электроники. В рамках этого направления удается достичь высокой скорости действий в электронике и компьютерной технике, а также обеспечить возможность контроля электрических и оптических характеристик устройств и аппаратов.

Основным недостатком полисопряженных полимеров является хрупкость. Для придания конечному изделию необходимых механических свойств электропроводящие полисопряженные полимеры комбинируют с пластическими массами, получая в результате электропроводящие поли- мер-полимерные композиты. В простейшем варианте тонкие пленки хрупкого электропроводящего полимера наносят на пластичные полимерные носители из полиэтилена, (мет)акрилатов и т.д. Болес сложные конструкции включают формирование перколированных электропроводящих слоев или каналов в объеме пластичных полимерных матриц.

Перспективы развития электропроводящих полимеров и композитов связаны с их использованием в конденсаторах, элементах памяти компьютеров, фотопреобразователях, аккумуляторах, упомянутых выше солнечных батареях и т.д.

Жидкокристаллические полимеры — быстро развивающийся класс современных полимерных материалов.

Жидкокристаллическое состояние — особое фазовое состояние вещества. Жидкие кристаллы сочетают текучесть жидкости с анизотропией оптических, электрических, магнитных и других свойств при отсутствии трехмерного дальнего порядка в расположении атомов и молекул. В связи с этим жидкокристаллическое состояние называют мезоморфным состоянием или мезофазой.

Различают термотропные и лиотропные жидкие кристаллы. Молекулы низкомолекулярных термотропных жидких кристаллов обладают стержне- или дискообразной формой. Примерами таких соединений служат производные ароматических соединений, в которых чередуются расположенные в иарй-положении линейные структуры и бензольные кольца. Для этих веществ жидкокристаллическое состояние реализуется в температурном интервале между температурой плавления твердых кристаллов и температурой просветления, выше которой мутные жидкокристаллические образцы переходят в прозрачную изотропную жидкость вследствие плавления мезофазы.

Лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении некоторых веществ (мыла, полипептиды, липиды, белки и др.) в определенных растворителях.

Особое место среди жидкокристаллических веществ занимают полимеры. Термотропные жидкокристаллические полимеры могут содержать мезоген- ные группы как в основной цепи (например, ароматические полиамиды), так и в качестве боковых групп (гребнеобразные полимеры). Использование лиотропного жидкокристаллического состояния на стадии переработки жесткоцепных полимеров является перспективным методом их ориентации с целью получения высокомодульных и высокопрочных полимерных материалов. Остановимся более подробно на функционировании гребнеобразных жидкокристаллических полимеров.

Эти полимеры содержат в каждом мономерном звене боковую мезоген- ную группу, ансамбль которых может образовывать жидкокристаллическую мезофазу. В отличие от низкомолекулярных жидкокристаллических веществ мезогенные группы в макромолекуле гребнеобразного полимера связаны между собой гибкой основной цепыо, что облегчает их самоорганизацию с образованием жидкокристаллического состояния.

Химическую структуру гребнеобразного жидкокристаллического полимера можно усложнить, введя в качестве боковых заместителей хиральные, фотохромные, электроактивные и другие функциональные группы. Это достигается путем сополимеризации соответствующих мономеров и приводит к формированию уникального комплекса свойств, сочетающего оптическую активность, фото-, электро- и магниточувствителыюсть, способность к образованию комплексов и т.д. В качестве примера приведем светоуправляемые фотоактивные жидкокристаллические полимеры с фоторегулируемой надмолекулярной структурой. Падающий свет инициирует химические реакции в фотоактивных группах, которые выполняют роль «молекулярных переключателей», запускающих цикл структурно-химических превращений, таких как изомеризация, циклизация, димеризация и сшивание.

Такие фотоактивные материалы используют для обратимой или необратимой черно-белой и цветной записи, хранения информации, для создания систем с оптической памятью, дисплейной технологии, оптоэлектроники, голографии, систем телекоммуникаций и т.д.

Полимерные гели. Яркими представителями функциональных и «умных» полимерных материалов являются гели. Полимерный гель представляет собой трехмерную сшитую сетку, способную поглощать объем жидкости, в сотни раз превышающий исходный объем полимера. В связи с этим на основе таких материалов выпускают суперабсорбенты, используемые в быту, например для производства памперсов, а также в сельском хозяйстве, строительстве, медицине и т.д. В качестве примера функционирования «умных» гелей рассмотрим их использование для ограничения водопритока при добыче нефти.

При бурении скважины вскрывают как нефте-, так и водоносные пласты. В результате на поверхность поступает смесь нефти с водой, причем объем воды может троекратно превышать объем добытой нефти. Возникает трудоемкая и дорогостоящая задача разделения указанных компонентов. Решение проблемы заключается в поиске системы, которая бы блокировала водоносные пласты, не препятствуя течению нефти.

С этой целью разработаны полимеры, основная цепь которых построена из гидрофильных звеньев, а боковые ответвления — из гидрофобных. Такие полимеры в водных средах способны формировать физический гель, узлами которого являются гидрофобные агрегаты. Для направленного регулирования процесса формирования геля в систему вводят водорастворимый ингибитор гелеобразования. При закачивании такой композиции в скважину при контакте с нефтью нерастворимый в ней ингибитор остается в системе и предотвращает образование геля, не препятствую, таким образом, течению нефти. По достижении водоносного слоя водорастворимый ингибитор вымывается из композиции, в результате чего происходит гелеобразование, и образующийся гель блокирует место притока воды.

Использование функциональных полимеров и «умных» материалов на их основе, конечно, не ограничивается приведенными примерами. Это направление науки о полимерах непрерывно расширяется, охватывая всё новые и новые области практического применения.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>