Стислі теоретичні відомості. Як відомо, речовини можуть знаходитися в трьох фазових станах – газоподібному, рідкому (аморфному) і кристалічному

Як відомо, речовини можуть знаходитися в трьох фазових станах – газоподібному, рідкому (аморфному) і кристалічному. Всі ці стани визначаються різним ступенем впорядкованості в розміщенні частинок, із яких складається певна речовина. Кристалічний фазовий стан характеризується певним порядком в розміщенні молекул, атомів і іонів. Газоподібний стан, навпаки, відрізняється повним безпорядком в розміщенні частинок. По цьому признаку рідкий (аморфний) стан займає проміжне положення між кристалічним станом і газоподібним. В рідинах спостерігається деяка впорядкованість в розміщенні частинок навіть при дуже високих температурах.

Для полімерів неможливий газоподібний стан. Молекули їх дуже великі і не можуть переходити в газову фазу. Утворення кристалічних структур можливе тільки для деяких полімерів відносно простої будови. Найбільш типічний для полімерів аморфний фазовий стан, в цьому стані можуть знаходитися як рідкі полімери, так і тверді.

В аморфному стані у полімерів спостерігається деяка структурна впорядкованість. Вона проявляється в тому, що макромолекули розміщаються не хаотично, а оріентуються паралельно одна іншої, утворюючи пачки певної довжини, які включають від десятків до декількох тисяч молекул. Такі агрегати, утворені в результаті дії міжмолекулярпних сил отримали назву надмолекулярних структур. В свою чергу пачки можуть також розміщатися впорядковано, утворюючи більш складні просторові структури.

Крім фазових станів у полімерів розрізняють фізичні стани. В залежності від температури аморфні полімери можуть існувати в трьох фізичних станах: склоподібному, високоеластичному і в’язкотекучому. В цих фізичних станах полімери володіють різними властивостями, у власності механічними. Тому температуру переходу із одного фізичного стану в інший звичайно визначають по властивості полімерного матеріалу до якої-небудь деформації під дією постійної напруги при постійному підвищенні температури. Цей метод дослідження полімерів отримав назву термомеханічного метода, а графічна залежність деформації від температури – термомехамічної кривої. Перший участок термомеханічної кривої відповідає склоподібному стану полімерів. Деформація в цій температурній області дуже мала і практично не залежить від температури. Такий стан можливий при значній перевагі сил міжмолекулярної взаємодії над енергією теплового руху молекул.

Різка зміна механічних властивостей спостерігається при температурах вище температури скловання. Участок кривої від температури скловання до температури текучості відповідають високоеластичному стану. Цей стан являється характерним признаком полімерних речовин. Полімери у високоелестичному стані мають властивість до зворотньої деформації, т.е. володіють еластичністю. Дія механічної напруги на полімери, які знаходяться у високоеластичному стані, визиває зміну конформації скручених молекул. Якщо зняти напругу з молекули, то вона прагне повернутися в попередній стан. Така властивість макромолекул і придає полімерам елестичність.

При температурі вище температури текучості дія механічних сил приведе до незворотньої деформації полімера. Це звязано із збільшенням рухомості окремих ланцюгів макромолекул і зменшення міжмолекулярних сил, в результаті чого стає можливим переміщення макромолекул відносно одної іншої. Такий стан полімера являється в’язкотекучим.

Властивість твердих тіл незворотньо змінювати свої розміри і форму під дією механічних нашрузок називається пластичністю. У полімерів пластичність проявляється при більш високих температурах, чим температура текучості, ця властивість звязана з взаємним переміщенням гибких макромолекулярних ланцюгів або пачок. Всі фактори, які зменшують міжмолекулярну взаємодію, збільшують пластичність.

Збільшення числа міжмолекулярних звязків, т.е. посилюється міжмолекулярна взаємодія, придає полімерним матеріалам велику механічну міцність.

Механічні властивості полімерних матеріалів (еластичність, пластичність, міцність) визначаються в значному ступені характером міжмолекулярного зв’язку. Руйнувати ці зв’язки або будувати їх, можливо змінюючи властивості полімерних матеріалів в потрібному напрямку.

Основною складовою частиною пшеничного тіста, яка визначає його структурно-механічні властивості являється нерозчинний білок, який з водою дає упругу, пластичну масу – клейковину, яка має властивість розтягуватися. Для покращення фізичних властивостей тіста в нього іноді вводять при замісі в невеликої кількості неіоногенні харчові ПАР. Адсорбуючись на пачках білкових макромолекул, молекули ПАР послабшують міжмолекулярні сили в клейковині і збільшують пластичність тіста. В даному випадку додавання до тіста ПАР служить пластифікатором.

Завдання для виконання самостійної роботи.

1. В яких фазових і фізичних станах можуть знаходитися високомолекулярні речовини?

2. Що таке пластичність?

3. Що таке еластичність?

4. Які фактори впливають на еластичність?

5. Які фактори впливають на пластичність?

6. Який порядок розміщення частинок в аморфному стані?

7. Який фактор визначає механічні властивості полімерів?