Созидающее излучение. Модификация свойств.

полиэтилен

Применение радиационно-химических процессов исключительно перспективно и в другой области, касающейся полимеров. Речь идет о модификации их свойств, то есть изменении их в требуемом направлении. Чтобы представить себе значимость этой проблемы, рассмотрим на примере полиэтилена некоторые вопросы зависимости свойств от строения.

Исходное соединение — этилен — представляет собой газ. При полимеризации молекулы этилена соединяются друг с другом, образуя линейную молекулу полимера, напоминающую своим строением цепочку, в которой каждое звено — это одна молекула этилена. В зависимости от числа таких звеньев в цепочке, то есть количества структурных единиц в полимерной молекуле, свойства вещества меняются.

молекула полиэтилена

Если цепочки очень коротки и состоят из нескольких десятков звеньев, то полиэтилен представляет собой жидкость; если цепочка содержит 1500—2000 звеньев, то получается твердый, но очень гибкий пластический материал. Увеличение же числа звеньев до 5—6 тысяч приводит к образованию полимера, обладающего достаточно высокой твердостью. Механические характеристики, растворимость и другие свойства полимера, состоящего из линейных молекул, зависят от их химического строения, от величины, а также от формы и взаимного расположения молекул в твердом веществе, то есть от физической структуры полимера.

Наряду с линейными молекулами могут быть и разветвленные, строение которых напоминает куст. Наконец, в полимере могут встречаться и сверхмолекулярные образования, возникшие в результате присоединения друг к другу большого числа линейных или разветвленных молекул. В этом случае весь полимер представляет собой как бы единую гигантскую молекулу. Разделение такой трехмерной сетчатой молекулы на отдельные цепи без разрыва химических связей невозможно. Эти образования не плавятся, не растворяются, а лишь набухают, и то только в том случае, если поперечные связи или мостики расположены не очень часто.

Процесс образования таких поперечных связей обычно называют вулканизацией, или сшиванием. Его осуществляют химическим путем, вводя в полимер мостиообразующий агент — вещество, присоединяющееся между двумя полимерными молекулами и создающее поперечную связь.

Вернемся к нашему примеру. При температурах выше 80° полиэтилен теряет механическую прочность, становится текучим и при действии даже малых нагрузок неспособен сохранять приданную ему форму; при нагревании до 110—115° полиэтилен приобретает свойства очень вязкой жидкости. Это значит, что теплостойкость его весьма невысока. Нельзя ли исправить этот недостаток, сшив линейные молекулы полимера поперечными связями? Тогда мостики скрепят между собой отдельные молекулы и даже при высоких температурах будут препятствовать их смещению, то есть предотвратят текучесть и повысят теплостойкость.

Оказывается, что и в этом случае на помощь приходит радиационная химия. Если подвергнуть полиэтилен действию ионизирующего излучения, то некоторые химические связи разрываются, выделяется водород, метан и ряд других простейших углеводородов. Благодаря своей подвижности они легко уходят от места освобождения, в то время как большие полимерные молекулы с освободившимися химическими связями практически остаются на месте. Если у двух соседних полимерных молекул вследствие этого процесса сказались свободные связи, то они могут соединиться между собой или заместиться образовавшимся в полимере под действием излучения свободным радикалам или атомом кислорода. Последние и свяжут молекулы полимера поперечным мостиком. Очевидно, что число освободившихся связей и, следовательно, число образовавшихся мостиков пропорционально интенсивности излучения.

Установлено, что для заметного изменения механических свойств достаточно, чтобы на 100 тысяч звеньев полимерной цепи образовался хотя бы один поперечный мостик. Чем больше таких, мостиков, тем сильнее будет изменение свойств полиэтилена, причем он определяется дозой излучения. Таким образом, без применения каких-либо посторонних веществ полиэтилен превращается в жесткий, теплостойкий (до 250°), — нерастворимый в органических растворителях материал.

Практическое значение этого явления очень велико. Проиллюстрируем сказанное всего лишь одним примером. Представьте себе, что в нашем распоряжении имеется провод с изоляцией из облученного полиэтилена. Следовательно, его можно использовать при температуре не 80°, а 250°. Значит, уменьшение сечения самого провода примерно на одну треть не вызовет повреждения изоляции из-за чрезмерного нагрева. У современного крупного самолета протяженность проводов бортовой сети достигает нескольких десятков километров, а вес ее — нескольких сотен килограммов. Поэтому улучшение качества изоляции проводов даст возможность не только сэкономить цветной металл, но и одновременно снизить вес проводки, то есть, в конечном счете, увеличить грузоподъемность самолета.

Повышение теплостойкости путем сшивания при облучении — далеко не единственный путь модификации свойств полимеров. Весьма обещающим является получение так называемых привитых сополимеров. Суть этого способа состоит в том, что выбранный мономер полимеризуют в присутствии полимера, полученного из другого исходного мономера. В результате взаимодействия растущей цепи полимеризующегося мономера с активированными атомами взятого полимера у последнего образуются боковые ответвления. Осуществление такого процесса дает возможность синтезировать материалы с наперед заданными свойствами.

«Прививка» одного полимера к «стволу» или боковым группам другого полимера позволяет получать «гибрид», обладающий свойствами исходных веществ. Так, кремнийорганический каучук обладает очень высокой теплостойкостью, но легко набухает в бензине и масле. Вместе с тем акрилонитрил бензомаслостоек, но не может использоваться при высоких температурах. Если пленку из такого каучука погрузить в акрилонитрил и подвергнуть действию ионизирующего излучения, то к кремнийорганическому полимеру удастся привить боковые ветви акрилонитрила, что придаст каучуку требуемые свойства.

Аналогичным образом к политетрафторэтилену (этот полимер имеет строение, аналогичное полиэтилену, но все атомы водорода замещены фтором), обладающему очень высокой теплостойкостью, удалось привить стирол и акрилонитрил, которые повысили способность этого материала к приклеиванию.

В небольшой статье, конечно, нет возможности даже кратко охарактеризовать все многообразные направления, в которых развивается радиационная химия. Мы остановились лишь на некоторых из них, уже используемых в промышленных масштабах или стоящих на пороге внедрения.
Автор: Финкель Э. Э…

P. S. И как говорят британские ученые: именно благодаря созидающим свойствам атомного излучения и модификациям полимером стали возможны многие современные технологии. Например, автоматизированная гидроизоляция пола тут о которой, вы сможете узнать более подробно.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *