О полимерах часто говорят и пишут как о новых материалах. Но на самом деле совсем не новы…
Из природных полимеров — целлюлозы и лигнина — в основном состоит дерево. Из полимерных молекул состоят волокна, переплетение которых образует кожу животного. Клеющее вещество, соединяющее эти волокна воедино — тоже полимер…
Натуральный шелк, овечья шерсть и хлопковое волокно состоят из полимеров. К полимерам относятся натуральный каучук, мягкие и твердые природные смолы (гуттаперча, янтарь, шеллак), естественные клеющие вещества (например, казеин и разнообразные камеди, в частности, гуммиарабик).
Таким образом, полимерные материалы всех типов (твердые, эластичные, пластичные, волокнистые, пленочные) известны людям с незапамятных времен и широко используются.
Новое — это промышленный синтез не существующих в природе полимеров и создание на их основе самых разнообразных твердых материалов, синтетических каучуков и текстильных волокон, пленок, лаков, клеев и так далее.
Синтезированы вещества, свойства которых лучше, чем у природных. Синтезированы и «необычные материалы с такими комбинациями физических и химических свойств, которые не встречаются в природе.
Например, несуществующий в природе политетрафторэтилен, известный под названием «тефлон», обладает необычайно высокой химической стойкостью, сохраняет свои механические свойства до значительно более высоких температур, чем природные органические полимеры, обладает превосходными диэлектрическими и антифрикционными свойствами.
К другой большой группе синтетических полимерных материалов — полиорганосилоксанов принадлежит, в частности, великолепный по теплостойкости каучук — полидиметипсилоксан. В последнее время эту группу веществ удалось значительно расширить, включая в состав полимерных молекул атомы таких элементов, как титан, бор, алюминий. И все полиэлементоорганосилоксаны необычны по своим свойствам.
Синтезированы полимерные полупроводники, созданы углеводородные полимеры, длительно выдерживающие температуру красного каления, и многие другие. Естественно, возникла необходимость изучить основные физические свойства новых материалов.
Уже более 100 лет было известно, что природные полимеры обладают многими необычными качествами. Но только в последние десятилетия появилась острая потребность в точном знании основных. законов, управляющих механическим поведением и. физическими свойствами полимерных веществ. Дл5 создания автомобильных шин из синтетического каучука нужно было изучить законы деформации резины при длительных и периодических нагрузках А чтобы повысить стабильность работы радиотехнических систем оказалось необходимым исследовать медленные процессы упругого последействия, развивающиеся в изоляторных пластинах конденсаторов.
Исследования, начатые в 1937 году в Советском Союзе, а затем быстро развитые у нас и за рубежом, оказались исключительно интересными. Выяснилось, что тело из полимерного материала может быть одновременно твердым и жидким — в зависимости от того, быстро или медленно действовали деформирующие его силы. Оказалось, что многие полимеры, в первую очередь каучуки, обладают в широком интервале температур такой высокой эластичностью, какая не встречается чи у каких других материалов. Упругие деформации эластичных и твердых полимерных материалов не подчиняются закону Гука, а текучесть жидких полимеров (например, расплавов и растворов) не повинуется закону вязкости Ньютона. Полимер, который при медленном механическом воздействии на него течет, казалось бы, можно охарактеризовать коэффициентом вязкости. Однако тот же полимер при быстром воздействии ведет себя уже как упругое тело, и для его характеристики нужно определять модуль упругости…
На протяжении многих лет исследователи не учитывали этих особенностей. Результаты, полученные в лаборатории, использовали для производственных расчетов.
Естественно, это приводило к серьезным ошибкам и даже к авариям. Полимер, который считали твердым после лабораторных испытаний на удар (быстрое воздействие), тек под действием длительной нагрузки в условиях эксплуатации. И, наоборот, резина, которую считали эластичной при низких температура (на основании опытов с медленным растяжением на динамометре), оказывалась при тех же температурах твердой и даже хрупкой при ударе шины о землю во время посадки самолета. Таким образом, методы теории сопротивления материалов, основанные на использовании закона Гука, оказались непригодными для расчета изделий из твердых или эластичных синтетических материалов. А для расчета процессов переработки расплавленных полимеров точно так же нельзя было применить методы гидродинамики вязкой жидкости, основанные на законе вязкости Ньютона.
В связи с этим, в последние годы возникли новые области науки — структурная механика полимеров, инженерная механика полимеров. В основе этих новых научных направлений лежат накопленные химиками и физико-химиками знания об особенностях строения огромных молекул полимеров, об особенностях их взаимной укладки в так называемые надмолекулярные структуры в массивных полимерных телах, о связях между химическим строением больших молекул, надмолекулярной структурой и механическими свойствами полимерных тел.
В области изучения свойств полимеров сплетаются в одно целое такие, казалось бы, разные области знания, как химия и механика, не говоря уже о физике и биологии. Другая интереснейшая особенность науки о полимерах — оригинальное совмещение чисто качественных закономерностей со строго количественными зависимостями. «Инструментом» для этого служат многие, казалось бы, весьма абстрактные разделы математики.
Химическое производство, создав и продолжая создавать все новые и новые синтетические материалы, дало толчок к развитию ряда смежных наук. «Обратное» воздействие этих наук на химию помогает создавать полимеры с нужными нам ценными свойствами. Так химия, в содружестве с другими науками, преобразует нашу жизнь.
Доктор химических наук Г. Л. СЛОНИМСКИЙ