Целенаправленное превращение полимеров

Рассматривая примеры превращения полимеров, проиллюстрируем их влияние, в частности, на механическую прочность диэлектрических материалов.

Межмолекулярная сшивка

Сшитыми или сетчатыми полимерами называют такие высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых соединены между собой химическими связями с образованием пространственной структуры – сетки. Понятие «макромолекула» теряет смысл, а под молекулярной массой понимают массу отрезка полимерной цепи между сшитыми звеньями. Подобные системы получают либо отверждением реакционноспособных олигомеров, либо сшиванием исходных молекул путем химического взаимодействия со специальными веществами (например, серой при производстве резины или другими реагентами перекисного типа), а также за счет воздействия ионизирующего излучения.

Сшивка предотвращает течение, но неоднозначно влияет на механическую прочность полимерного материала: сначала увеличивает ее (за счет фиксации молекул и обеспечения их частичной ориентации), а затем уменьшает (из-за снижения гибкости молекул, осложняющей их ориентацию). Однако этот способ модификации полимерного материала широко используется на практике. Так, например, растяжение сшитого полиэтилена при Т > Тпл с последующим охлаждением в растянутом состоянии позволяет получить материал, который при последующем нагреве усаживается практически до первоначального состояния. Это явление – эффект памяти. Его используют для создания различных термоусаживающихся изделий: пленок, шлангов, изоляционных лент и т.д.

Введение наполнителей

В процессе изготовления полимерных материалов в их состав вводят различные наполнители. Если цель этого приема – повышение механической прочности диэлектрика, то наполнитель должен быть активным, должен смачиваться полимером. Пассивные наполнители, которые вводятся с иными целями (как, например, адсорбенты, предназначенные для повышения сорбционной способности полимеров), в лучшем случае на механические характеристики материала не влияют, в худшем – снижают их. На рисунке схематично показано удержание частиц адсорбента в композите целлюлоза + хитозан.

Пластификация

Пластификация – практический прием введения в полимеры различных, главным образом низкомолекулярных, веществ – пластификаторов, способствующих улучшению эластических свойств материала и облегчающих его переработку.

Физико-химическая сущность пластификации состоит в изменении вязкости системы вследствие увеличения подвижности макромолекул и надмолекулярных образований. Пластификаторы обычно вводят в полимер в жидком состоянии. Это – высококипящие, мало летучие жидкости (такие как: эфиры ряда кислот, каменноугольная смола, гудрон, мазут и пр.), которые испаряются в процессе переработки и эксплуатации полимерного материала.

Различают внутриструктурную пластификацию и межструктурную пластификацию. Пластификаторы оказывают влияние на все физико-механические свойства полимерных материалов (прочность, эластичность, хрупкость, диэлектрические потери и т.д.). Если говорить о механических характеристиках, то для повышения эластичности (и высокой, и вынужденной) введение пластификатора полезно. Однако влияние на механическую прочность неоднозначно: зависимость механической прочности полимеров от содержания пластификатора носит экстремальный характер (имеет максимум), следовательно, необходимо оптимизировать систему в каждом конкретном случае.

Введение пластификаторов активно используется на практике. Классический пример – пластифицированный поливинилхлорид («пластификат»), который применяется при изготовлении эластичных трубок, а также изоляции проводов и кабелей.

Ориентация

Ориентация макромолекул при переработке полимеров (в процессе течения), а также ориентационная вытяжка полимерных материалов (в процессе производства пленок, волокон и т.д.) являются важнейшими способами формирования их надмолекулярной структуры и, как следствие, обеспечения требуемых электрофизических и физико-механических свойств полимерных диэлектрических материалов.

Ниже (в таблице) сопоставлены свойства ориентированных и неоринтированных полимерных пленок.