На упаковку действительно идет львиная доля самого крупнотоннажного полимера, производимого в мире. А ведь перед Второй мировой войной он появился в Англии как редкий изоляционный материал для первых радиолокационных установок и был дороже золота. Современные полиэтиленовые пакеты по внешнему виду и свойствам намного лучше тех первых, которые изготовили в середине прошлого века. Даже у специалистов по пластмассам вызывает восхищение тончайшая полупрозрачная пленка, в пакет из которой можно положить до 20 кг разнообразных вещей и продуктов. Правда, иногда пакеты все-таки рвутся, но с каждым годом становятся все прочнее. Почему? Ведь материал все тот же — полиэтилен! 
Рис. 1 Установка, на которой получают ориентационные полимеры Все дело в новых технологиях. Чтобы изготовить тонкие пленки, толстую заготовку нагревают, потом растягивают и резко охлаждают. Такой термовытяжкой сегодня получают почти все полимерные пленки, в том числе с рекордно малой толщиной — менее одного микрометра. Огромные промышленные ориентационные установки (рис.1) растягивают пленки не только из полиэтилена, но и из многих других полимеров. Растягивают и в длину (одноосно), и в ширину (двухосно). Уже первые опыты показали, что при термовытяжке прочность и жесткость полимеров можно повысить в десятки раз, сделав полиэтиленовые ленточки и волокна прочнее стальных. При этом они почти в восемь раз легче. 
Рис. 2 Хворостинки мудреца Почему ориентированные полимеры прочнее обыкновенных? Для начала нужно ответить на вопрос: а почему обыкновенный полиэтилен такой непрочный? Этот вопрос не так наивен, как кажется. Алмаз, состоящий из тех же атомов углерода, связанных между собой теми же ковалентными связями, что и атомы углерода в молекулярной цепочке полиэтилена, — один из самых твердых и прочных материалов в природе. Разницу между ними можно объяснить, вспомнив древнюю легенду о мудром старце. Перед смертью он попросил своих сыновей сломать прутики хвороста, сложенные в пучок, что они так и не смогли сделать, несмотря на свою молодость и крепость мышц. Физико-химический смысл этой сказки очевиден. Чтобы разделить рыхлую кучу хвороста на части (рис.2), больших усилий не нужно. Стоит чуть-чуть потянуть, и хворостинки разделятся на две кучки, не ломаясь. Если и придется сломать одну-две, то это будет довольно просто. А вот сломать пучок плотно уложенных хворостинок намного труднее, ведь ломать придется все одновременно. И чем больше в пучке палочек, тем труднее будет это сделать . В полиэтилене такие «хворостинки» — полимерные цепочки. Между собой они связаны физическими межмолекулярными связями, которые в сотни раз слабее химических углерод-углеродных (тех, которыми соединены молекулы углерода в полимере). Поэтому реальная прочность обычного полиэтилена намного меньше прочности алмаза, в котором все углероды связаны между собой химическими связями. Если все полимерные молекулы в пленке уложить параллельно, в одном направлении, то придется потратить значительно больше энергии на разрушение. Попробуйте порвать декоративную ленточку, которой продавцы перевязывают букеты цветов. Разорвать ее поперек руками невозможно, хотя она сделана из обычного (но ориентированного) полиэтилена. Однако ленточку легко разделить на полоски, если ее рвать в продольном направлении. В первом случае необходимо рвать ковалентные углерод-углеродные связи полимерных молекул, а во втором — надо просто развести молекулы, разрушив слабые межмолекулярные связи и почти не затрагивая сами молекулы. 
Рис. 3 Полимерные молекулы извиваются, как змеи У полимерных молекул есть одно существенное отличие от жестких прутьев, которое сильно осложняет достижение нужного результата. Молекула полиэтилена — не жесткий стержень. Она очень гибкая, поскольку связь между атомами углерода в полимерной цепочке подвижная и атомы углерода вращаются относительно друг друга. Так как они связаны между собой под углом около 110 градусов, то их движение заставляет зигзагообразные полимерные молекулы извиваться с огромной скоростью, подобно нано-размерным змеям (рис. 3). В результате эти «змеи» при синтезе сворачиваются в клубки — как цепочка, которую положили на хаотично вибрирующую поверхность. Именно поэтому легко разорвать обычную полиэтиленовую пленку: в ней не нужно рвать все цепочки полиэтилена. Если полимер со свернутыми молекулами нагреть и растянуть, то они вытянутся в направлении растягивающей силы. Но как только внешняя сила перестанет действовать, хаотичное тепловое движение заставит макромолекулы вновь свернуться в клубки. Это свойство называется упругостью, а точнее, термоупругостью, так как она — следствие теплового движения. Термоупругость отличается от обычной упругости стальной пружины, поскольку она связана не с изменением расстояния между атомами в молекуле, а с размерами молекулярного клубка — меняются расстояния между концами длинной молекулы. (Когда в следующий раз вы растянете кусок резины, то имейте в виду, что вы растягиваете молекулярные клубки и ощущаете их суммарную термоупругость. А когда вы отпустите один из концов, то представьте, как эти молекулы, извиваясь в тепловом движении, снова сворачиваются.) Термоупругость и мешает ориентации молекул, которая делает полимер прочным. Если же растянутый образец охладить до низкой температуры, то можно «заморозить» молекулы, и образец сохранит свою новую форму и структуру. Так делают ориентированные пленки. К этому надо добавить, что неоднородная ориентация молекул может быть вредной. В готовых изделиях из-за нее появляются напряженные области (специалисты называют это остаточными напряжениями). Именно на границах этих областей со временем появляются микротрещины, приводящие к разрушению полимерных материалов. Иногда полимерное изделие приходится долго прогревать (отжигать), чтобы обеспечить стабильность его свойств и размеров.
|
