高聚物的取向
在晶態和玻璃態高聚物的強迫高彈形變發展過程中,在拉伸產生結晶和流動的過程中,在高聚物接近斷裂時,以及在高聚物的機械加工時,常常遇到高聚物結構的很大改變。獲得高度取向的人造與合成纖維是一個例子。這種取向性是高聚物的一個特點。
一,高聚物分子鏈的取向 低分子物質,如果是球狀對稱的,就沒有取向可言,而當分子具有非球形的或電荷分布不對稱時,在電場或力場的作用下,分子才會沿場的方向取向。對于高聚物,由于分子是長鏈,分子很不對稱,所以它的取向就表現得特別顯著。
分子的熱運動使分子趨向無序狀態,而取向可使分子的有序性增加。因此,若在取向過程中達到平衡狀態,則外場愈強,溫度愈低,取向的程度就愈大。但是,溫度低了,分子到達取向狀態又是困難的。因此,在不平衡狀態下,取向的程度決定于分子在外場中存在的時間。分子不能在瞬時轉動,介質又有粘度,溫度愈低,粘度愈大,所需時間愈長。溫度低時,平衡取向度大,但達到平衡所需時間也愈長。
對于剛性鏈分子,它取向時,整個分子要轉動,雖然在外場中分子愈長,推動分子轉動的力偶愈大(與分子長度L成正比),似乎分子長度愈大,轉動會愈快,但由于在轉動時,粘滯力也隨之增大,而且粘滯力隨L增大(n>2)總的結果,剛性鏈愈長,轉動愈慢,甚至幾乎不能轉動,即不易取向。同理,取向后也不易解除。埃及古代皇帝墓中的纖維,雖然有幾千年的歷史,迄今仍是定向的。
對于柔性鏈分子,取向時有兩種結構單元的轉動:小的鏈段可以很快取向,大的鏈段取向就較慢,使整個分子取向就更慢。可見有一系列取向速度不同的取向過程。低分子卻只有一個取向過程。柔性鏈高聚物中,取向速度快的小鏈段,它的轉動相當于高彈性,而慢的大鏈段或整個分子鏈的取向,就相當于粘性流動。可見,它的取向要比剛性分子鏈的取向容易,解取向也容易,橡膠是柔性鏈分子,所以它的分子鏈取向容易,解取向也不難。選擇分子鏈柔性不大的高聚物纖維素,就是為了防止纖維紡成絲并織成布后容易收縮
綜上所述,高聚物分子鏈的取向與低分子取向有兩點差別。
(1)高分子的解取向與得到取向的歷史有關,取向的低分子在外場解除后,解取向的速率決定于溫度及分子間力(粘度),而與原來取向的速率無關。高聚物則不然,獲得很快取向的,解取向也快,反之亦然。因為高分子在快速取向中,只有分子鏈中小結構單元的取向,所以解取向也快。而在慢的取向過程中,則是小結構單元的取向,爾后導致整個分子的取向,所以解取向也慢。
(2)取向高分子的各向異性與取向不是單值關系,而低分子取向的各向異性(如雙折射)則取決于取向度,即兩者之間有單值的關系。圖3-19中的a雖然就整個分子鏈來說是取向的,但鏈的小結構單元并沒有很快取向,因此雙折射不b圖中,雖然對整個分子鏈來說并沒有取向,可是小結構單元的取向卻比較好,雙折射大。所以只用雙折射來衡量取向度時,認為甲比乙大。甚至用光學方法測得的折射樣品,還會有力學的各向異性。所以研究高聚物的取向用兩種方法:一種反映小結構單元;另一種反映整個分子鏈。并且能了解取向的歷史過程。
二,取向對力學性能的影響
高聚物分子取向后,各種物理性能,包括力學,光學,電和熱等性能,都會發生變化,由各向同性轉變為各向異性。
高聚物分子鏈取向后,與 分子鏈平行方向(圖3-20中A-A方向)的強度,比取向前大大增加,而分子鏈垂直方向(B-B方向)的強度則較取向前減少。這就使取向高聚物的力學強度的各向異性。形成詞異性的原因是在A-A方向需克服牢固的化學鍵鍵能,以使高聚物破裂;而在B-B方向只要克服范德華力就可使高聚物破裂。
取向的力學強度各異性對塑料,纖維都有實際意義。
取向的力學強度各向異性對塑料,纖維都有實際意義。
塑料的一個特點是,只要內部存在應力,遲早會有裂縫產生,雖然存在的應力可能比斷裂強度小的多。但卻特別容易在制品的彎曲處發生,這種裂縫最初可能很小,只有幾百個A,但在有了裂縫之后,在裂縫的端點就可能產生應力集中(如圖3-21),導致裂縫逐漸擴大,最后使整個物件破裂。另一種可能是這種應力集中是高分子發生強迫高彈變形,使分子沿應力方向取向,此時高聚物在這個應力方向的強度增加,裂縫就不再發展了。由此可見,高聚物是否容易破裂,取決于高分子的取向速率和裂縫發展速率這兩個因素,如分子來得及轉動得到取向,裂縫可以自愈。所以,取向快的高聚物,就是強度大的塑料,有時很硬的塑料往往不及增塑后的塑料強度大,其原因就是增塑后塑料取向快,而硬的塑料取向慢。
纖維的特點明顯表現出它的強度有很大的各向異性。取向得好的纖維,如苧麻纖維及聚酰胺纖維的強度和鋼的強度一樣。纖維的另一個特點是具有良好的彈性,高強度與彈性的結合,是纖維具有實際使用價值。可以用慢的取向過程,使分子鏈得到良好的取向,達到具備有強度高的目的,再用快的過程時小的鏈段解取向,使之具有彈性。這樣獲得的纖維,在外力作用下,由于小結構單元并沒有取向,可以在幾分之一秒或更快的時間內獲得取向,且迅速的伸長,外力除去后,熱運動又使小結構單元很快解取向,恢復原狀。同時取向了的整個分子鏈又是不容易解取向的,它使得纖維具有強度及穩定性。
橡膠工藝“壓延效應”,就是因為膠料通過輥桶的作用后,分子鏈在壓延方向得到取向,使該方向的抗張強度大于垂直方向的抗張強度;壓延后的解取向又會引起膠料在長,寬,厚等各個方向收縮不一樣(通常是厚度增加,長寬各減少),必須采取措施加以克服。又如橡膠的耐撕裂性能,亦與裂口繼續擴大有關。