Полимеры
смять, медленно растянуть в длинную ленту, а потом резко дёрнуть за концы,
она с треском порвётся. Если же по шарику стукнуть молотком, он, как
стеклянный, разобьётся на мелкие осколки, которые снова легко слепить в
комок.
Когда американские химики впервые синтезировали это вещество, они
рассчитывали получить новый полимер с ценными свойствами, а вышло невесть
что — какая-то дурацкая замазка. Так её и назвали, решив, что единственное
достойное для неё место — магазин детских игрушек.
Как же вещество может одновременно проявлять столь различные свойства?
Казалось бы, текучесть и упругость полностью исключают друг друга,
так что всегда можно сказать, является ли данное тело твёрдым веществом или
жидкостью. Оказывается, не всегда. Конкретный тому пример — «дурацкая
замазка» (другое название — «прыгающая замазка»). И он далеко не
единственный. Впервые предположение о том, что могут существовать тела,
которые являются текучими и упругими одновременно, и что чёткой границы
между жидкостью и твёрдым телом не бывает, высказал в XIX в. английский
физик Джеймс Кларк Максвелл (1831—1879). Тогда это вызвало огромное
удивление.
На самом деле ничего странного здесь нет. Ведь и обычная вода, если по
ней ударить с большой скоростью, не успеет отреагировать на воздействие и
будет сопротивляться ему, как твёрдое тело (в этом может убедиться каждый,
если неудачно плюхнется с берега в воду животом или же просто стукнет
ладонью по поверхности воды). Это свойство жидкости можно проверить и более
безопасным способом: если по вытекающей из трубки струе вязкой жидкости
сильно ударить молотком, струя поведёт себя как хрупкое тело и разобьётся
на осколки с острыми краями (это можно зафиксировать с помощью скоростной
кинокамеры или фотоаппарата с малым временем выдержки).
С другой стороны, твёрдая смола или битум под нагрузкой медленно текут,
как очень вязкая жидкость. Значит, всё дело в соотношении между временем
воздействия на вещество и временем, которое требуется молекулам, чтобы
отреагировать на внешнее воздействие. Среднее время, необходимое молекуле
жидкости для перемещения под внешней нагрузкой, называется временем
релаксации. Когда время воздействия значительно меньше времени релаксации и
частицы не успевают должным образом перестроиться, «поддаваясь» внешней
силе, происходит разрыв химических связей между молекулами (или даже внутри
них). Время релаксации может изменяться в очень широких пределах — от
тысячных долей секунды до многих веков и даже тысячелетий.
Особый интерес представляет случай, когда время релаксации не слишком
мало (как у воды) и не слишком велико (как у твёрдой смолы), т. е.
измеряется секундами или десятыми долями секунды. Именно это наблюдается у
«дурацкой замазки». Кроме того, будучи полимерным веществом, она обладает
ещё и эластичными свойствами. Они проявляются особенно заметно, когда
длительность воздействия примерно равна времени релаксации. Последнее
сильно зависит от температуры (в этом нетрудно удостовериться, понаблюдав
за асфальтом на дороге зимой и жарким летом). Только при комнатной
температуре «дурацкая замазка» проявляет все три свойства: при медленном
воздействии она ведёт себя как очень вязкая жидкость, при более быстром —
как резина, а при очень резком — как хрупкое твёрдое тело.
С химической точки зрения необычное вещество представляет собой
кремнийорганический полимер, содержащий от 0,5 до 7,5 % бора, и называется
полидиметилборасилоксаном. Подобно силиконовым каучукам, полимер построен
из диметилсилоксановых цепочек (—(СНз)2Si—О—)n. Кроме них в полимере
имеются борсодержащие группы —О—В—О—, которые связывают между собой
силоксановые цепи. Молекулярная масса полимера может изменяться от
нескольких сотен до десятков тысяч, а консистенция — от почти жидкой до
почти твёрдой. Если цепи не очень длинные, полимер уже при комнатной
температуре медленно растекается по твёрдой поверхности. С увеличением
длины цепей вещество постепенно твердеет, улучшается и его «прыгучесть»:
некоторые сорта «прыгающей замазки» подскакивают после свободного падения
на твёрдую поверхность почти до исходной высоты. Это свойство позволяет,
например, изготовлять из «дурацкой замазки» мячи для игры в гольф.
Заметная упругость многих полимерных жидкостей проявляется еще в
одном необычном опыте. Если наклонить стакан с такой вязкой жидкостью, она
начнёт медленно переливаться через край, постепенно заполняя подставленный
снизу сосуд. Если теперь, сохраняя непрерывность струи, вернуть стакан в
исходное положение, жидкость будет продолжать перетекать в нижний сосуд,
пока её в стакане практически не останется! Очевидно, что с водой такой
фокус не пройдёт: её струя немедленно прервётся.
Для того чтобы провести подобные опыты в домашних условиях, не
обязательно синтезировать кремнийорганический полимер. «Интересное» время
релаксации имеют сгущённое молоко, некоторые сорта мёда и шампуней,
резиновый клей средней густоты. Его можно переливать из стакана в стакан,
как обычную жидкость. И в то же время струю этой жидкости можно в
буквальном смысле слова разрезать ножницами (только их надо предварительно
смазать жиром, иначе клей к ним прилипнет). После разрезания нижняя часть
струи быстро упадёт в сосуд, в который клей переливают, а верхняя, проявляя
упругие свойства, подскочит и вернётся в стакан, из которого она только что
вылилась.
Любопытный опыт можно провести с шампунем подходящей густоты. Если
выливать его тонкой струйкой в маленькое блюдечко, то струя через некоторое
время начнёт укладываться поверх горки шампуня петлями, как будто это не
жидкость, а верёвка. И хотя «верёвка» постепенно расплывается, легко
заметить, как её петли время от времени забавно прыгают во все стороны (а
иногда даже вверх). Значит, и у шампуня есть свойства резины!
Опыт же с «прыгающей замазкой» можно проделать с помощью обычного
силикатного клея (это водный раствор силиката натрия) и этилового спирта. В
небольшую чашечку наливают примерно 10 мл клея и медленно, непрерывно
помешивая, добавляют равный объём спирта. Вскоре жидкость застывает в
студнеобразную массу; из неё надо слепить шарик и промыть его водой (руки и
особенно посуду потом нужно тщательно очистить от клея).
Полученная эластичная разновидность силикагеля (он имеет состав Sio2 •
nН2О) обладает всеми свойствами «прыгающей замазки». При медленном
приложении силы вещество ведёт себя как очень вязкая жидкость, похожая на
холодный пластилин: шарик можно разминать руками, а если его положить на
твёрдую поверхность, он постепенно растечётся. От твёрдой поверхности он
отскакивает не хуже резинового, а при сильном ударе рассыпается. К
сожалению, со временем шарик высыхает, становится хрупким и теряет эти
свойства.
Фенолформальдегидные смолы
В обычной жизни смолой называют густую тягучую жидкость, выступающую из
надреза в коре сосны, ели и некоторых других деревьев. Раньше,
когда не было синтетических смол, люди использовали только природные.
Многие из них, например канифоль (от названия древнегреческого города
Колофона в Малой Азии), копал (ископаемая смола), янтарь, натуральный
каучук, имеют растительное происхождение, однако есть и такие смолы,
которые производятся животными — в частности, шеллак.
Раньше природный шеллак был практически незаменимым материалом: из него
делали граммофонные пластинки и другие предметы быта, а его спиртовой
раствор использовали в качестве лака для дерева. Шеллак стоил очень дорого:
европейцам приходилось завозить его из далёких
южных стран — Индии и Индокитая. Процесс получения шеллака из
природного сырья был очень долгим и трудоёмким. Все эти причины заставили
химиков в конце XIX в. заняться поисками материала, который смог бы
заменить шеллак. И такой материал удалось найти. Им стала
фенолформальдегидная смола — синтетическая смола, получаемая нагреванием
смеси фенола с формальдегидом.
Реакция образования фенолформальдегидной смолы впервые была описана
немецким учёным Адольфом Байером в 1872 г. В результате этой реакции
молекулы формальдегида связывают между собой молекулы фенола, при этом
выделяется молекула воды.
Формальдегид способен взаимодействовать с молекулами фенола по орто-и
пара-положениям с образованием сетчатого полимера.
Главным недостатком первой синтетической смолы была хрупкость. Кроме
того, её синтез проводили при довольно высокой температуре (140—180 °С), и
образующаяся вода выделялась в виде пара. Это приводило к возникновению
вздутий и пустот.
Может ли стекло быть органическим
С древнейших времён человеку было известно стекло — твёрдый прозрачный
термостойкий материал. К сожалению, оно очень хрупкое — все хорошо знают,
как легко бьётся стеклянная посуда. И только в XX в. развитие химии
полимеров позволило получить пластмассу, по свойствам похожую на
неорганическое стекло, — полиметилметакрилат (ПММА). Это высокомолекулярное
соединение образуется в результате радикальной полимеризации мономера —
метилового эфира метакриловой кислоты.
В макромолекулах ПММА к атому у
| |  скачать работу |
Полимеры |
