|
| |
|
Главная Промышленность действием электрического поля достаточной напряженности, появлением турбулентного перемешивания молекул и увеличением прозрачности. Жидкие кристаллы используют в цветных индикаторах и других цветовых устройствах. Для цветных изображений применяют смеси жидких кристаллов с красителями, также имеющими продолговатые молекулы. При низкой напряженности поля молекулы жидкого кристалла размещаются перпендикулярно электродам ячейки и увлекают за собой молекулы красителя. В таком положении окраска не видна. При вращении молекул под влиянием поля более высокой напряженности молекулы красителя окрашивают изображение в определенный цвет. В жидких кристаллах третьего класса при нагреве шаг спирали увеличивается, что меняет условия интерференции света на кристаллах и сопровождается изменением окраски отраженного света. Оптические характеристики кристаллов весьма разнообразны, в среднем длина волны отраженного света при нагреве на 1°С уменьшается на 1-2 нм. Эту особенность используют для регистрации и измфения стационарных и медленно меняющихся температурных полей. Здесь используется как увеличение прозрачности при переходе жидкого кристалла в изотропную жидкость, так и изменение цвета отраженного потока света. На основе жидких кристаллов изготовляют медицинские термометры, датчики температуры для контроля перегрева узлов и деталей, преобразователи невидимого инфракрасного излучения в видимый свет. В последнем случае поглощение инфракрасного излучения нагревает жидкий кристалл так, что изменяется окраска отраженного света. Жидкие кристаллы применяют в модуляторах, системах отображения информации-калькуляторах, ручных часах, измерительных приборах автомобилей, устройствах для отклонения светового потока и др. 1.7. Структура полимеров, стекла и керамики Полимерами называют вещества с большой молекулярной массой (> 10*), у которых молекулы состоят из одинаковых групп атомов-звеньев (рис. 1.26). Каждое звено представляет собой измененную молекулу исходного низкомолекулярного вещества-мономера. При получении полимеров молекулы мономеров объединяются друг с другом и образуют длинные линейные молекулы или макромолекулы, в которых атомы соединены ковалентными связями. В зависимости от характера связей между линейными молекулами полимеры разделяют на термопластичные и термореактивные. Различие между ними особенно четко обнаруживается при нагреве. Термопластичные полимеры способны многократно размягчаться при нагреве и твердеть при охлаждении без изменения своих свойств. Термореактивные полимеры при нагреве остаются твердыми вплоть до полного термического разложения. Это различие поведения при нагреве объясняется тем, что у термопластичных полимеров между молекулами действуют относительно слабые силы Ван-дер-Ваальса. При нагреве связи между мо- \ I \ с= с 111 III -С\С-С\-С- 11 III ЗВено Боковые группы Н Н СН, Н Н СН, ,J L L LJ J Т"-г~гп-1- н сн, н н Главная цепь - С - С -1- Рис. 1.26. Схема строения линейной макромолекулы лекулами значительно ослабляются, материал становится мягким и податливым. У термореактивных полимеров кроме сил Ван-дер-Ваальса имеются поперечные ковалентные связи между молекулами. Благодаря им термореактивный материал остается твердым при нагреве. Линейные молекулы имеют главные цепи и боковые группы (см. рис. 1.26). При молекулярной массе 10* - 10 в линейной молекуле объединяются сотни звеньев и длина главной цепи во много раз больше размеров боковых групп. У большинства полимеров главные цепи состоят преимущественно из атомов углерода, у кремнийорганических полимеров они образованы чередующимися атомами кислорода и кремния. Боковые группы образуют атомы (водород, галоиды), радикалы (ОН-, CN-, CgHs- и др.), короткие полимерные цепи из нескольких звеньев. Очевидно, что при наличии боковых групп нескольких видов имеются возможности разместить их вдоль главной цепи как неупорядоченно, так и в определенном порядке. Полимеры с неупорядоченным чередованием групп называются нерегулярными, а с упорядоченным - регулярн ыми. Структура молекул определяется способом производства полимера. При обработке полимеров (нагрев, растворение и т. д.) структура молекул почти не изменяется, и нельзя, например, нерегулярный полимер сделать регулярным. Общая структура полимеров складывается из структуры молекул и надмолекулярной структуры, т. е. взаимной укладки линейных молекул в полимерном веществе. Надмолекулярная структура появляется под влиянием сил притяжения между молекулами и теплового движения самих молекул. Наиболее характерной и важной формой теплового движения макромолекул являются повороты частей молекул по отношению друг к другу (рис. 1.27). Равновесному состоянию соответствуют определенные  Рис. 1.27. Схема поворотов вокруг связей в главной цепи макромолекулы значения углов между связями а (см. рис. 1.27). Форма линейной молекулы все время изменяется. Установлено, что ее равновесной формой является эллипсоид. Любые неравновесные изменения формы молекулы быстро уничтожаются при тепловом движении, когда повороты вокруг связей внутри макромолекулы легко осуществляются. Для нерегулярных полимеров характерны пачечные структуры, когда на сравнительно больших участках главные цепи соседних молекул располагаются параллельно. У регулярных полимеров типичными надмолекулярными структурами являются кристаллы. Пачечные структуры и кристаллы образуются при повышенных температурах, когда внутри макромолекулы легко происходят сдвиги, повороты и т. д. Макромолекулы в полимерном веществе не упакованы плотно, и мерой плотности упаковки является так называемый свободный объем, т. е. разность между фактическим удельным объемом вещества и теоретическим удельным объемом при самой плотной упаковке. При нагреве свободный объем увеличивается. В зависимости от свободного объема полимерное вещество находится в одном из физических состояний: стеклообразном, высокоэластичном, вязко-текучем. Переходы из одного состояния 2 Под ред. Б. Н. Арзамасова в другое происходят без выделения или поглощения теплоты. Температуры переходов называются температурами стеклования t„. и текучести t- Различия между физическими состояниями полимеров наглядно проявляются при деформировании (рис. 1.28). В стеклообразном состоянии повороты вокруг связей в макромолекулах затруднены, полимер является упругим твердым телом. Под нагрузкой упругая деформация не превышает нескольких процентов и падает до нуля при снятии нагрузки. При деформации происходит искажение валентных углов а. Высокоэластичное состояние появляется тогда, когда свободный объем становится ~2,5%. В этом состоянии полимер ведет себя как эластичное тело. Под действием нагрузки скрученные макромолекулы вьшрямляются и вытягиваются, деформация достигает 500-800%. Расстояния между атомами в макромолекулах при этом меняются незначительно. При снятии нагрузки тепловое движение  f" Температура Температура в) г) Рис. 1.28. Зависимость деформации полимеров от температуры: а - термопластичный аморфный полимер; / - стеклообразное состояние; II - высокоэластичное состояние; Я/-текучее состояние; б - полимер с редкими поперечными связками; в - термопластичный кристаллический полимер; г - полимер с частыми поперечными связями за ДОЛИ секунды возвращает макромолекулы к равновесным формам, и поэтому высокоэластичная деформация обратима. В вязкотекучем состоянии полимер ведет себя как вязкая жидкость. Под нагрузкой макромолекулы вьшрямляются и скользят друг относительно друга. Главную часть деформации составляет необратимое вязкое течение. Течение прекращается после прекращения действия нагрузки, и вязкая жидкость сохраняет полученную форму. Нагрев сопровождается разрывом ковалентных связей в макромолекулах. Число таких разрывов заметно повышается выше {„к, а начиная с температуры разложения /разр термический распад макромолекул с вьщелением низкомолекулярных соединений быстро приводит к полному разрушению полимера. Таким образом, молекулярная структура полимера остается неизменной в разных физических состояниях (если не учитывать разрывов ковалентных связей в отдельных макромолекулах при нагреве). В то же время надмолекулярная структура легко изменяется. Неравновесные надмолекулярные структуры при нагреве выше «ст заменяются равновесными. При охлаждении ниже t„ в материале легко фиксируются неравновесные надмолекулярные структуры. Если растянуть нагретый выше t„ термопластичный полимер и, не снимая нагрузки, охладить его ниже t, то высокоэластичное состояние «замораживается», вытянутые макромолекулы сохранят свою форму и после снятия нагрузки. Ориентация молекул по направлению растягивающего усилия обусловливает анизотропию свойств. Отклонения надмолекулярной структуры от равновесной имеются в изделиях из полимеров и влияют на прочность. Регулярные полимеры кристаллизуются при переохлаждении ниже равновесной температуры кристаллизации t,. Кристаллизация регулярных полимеров сопровождается выделением теплоты и умень- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 [ 9 ] 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 |
