Корисне випромінювання. Модифікація властивостей.

полиэтилен

Застосування радіаційно-хімічних процесів виключно перспективно і в іншій області, що стосується полімерів. Йдеться про модифікацію їх властивостей, тобто зміну їх у необхідному напрямку. Щоб уявити собі значимість цієї проблеми, розглянемо на прикладі поліетилену деякі питання залежності властивостей від будови.

Оригінал з’єднання – етилен – являє собою газ. При полімеризації молекули етилену з’єднуються одна з одною, утворюючи лінійну молекулу полімеру, що нагадує своєю будовою ланцюжок, в якій кожна ланка – це одна молекула етилену. Залежно від числа таких ланок у ланцюжку, тобто кількості структурних одиниць в полімерній молекулі, властивості речовини міняються.

молекула полиэтилена

Якщо ланцюжки дуже короткі і складаються з декількох десятків ланок, то поліетилен являє собою рідину; якщо ланцюжок містить 1500-2000 ланок, то виходить твердий, але дуже гнучкий пластичний матеріал. Збільшення ж числа ланок до 5-6 тисяч призводить до утворення полімеру, що володіє досить високою твердістю. Механічні характеристики, розчинність та інші властивості полімеру, що складається з лінійних молекул, залежать від їх хімічної будови, від величини, а також від форми і взаємного розташування молекул у твердій речовині, тобто від фізичної структури полімеру.

Поряд з лінійними молекулами можуть бути і розгалужені, будова яких нагадує кущ. Нарешті, в полімері можуть зустрічатися і надмолекулярні утворення, що виникли в результаті приєднання один до одного великого числа лінійних або розгалужених молекул. В цьому випадку весь полімер являє собою якби єдину гігантську молекулу. Поділ такої тривимірної сітчастої молекули на окремі ланцюга без розриву хімічних зв’язків неможливий. Ці утворення не плавляться, не розчиняються, а лише набухають, і то тільки в тому випадку, якщо поперечні зв’язки або містки розташовані не дуже часто.

Процес утворення таких поперечних зв’язків зазвичай називають вулканізацією, або зшиванням. Його здійснюють хімічним шляхом, вводячи в полімер містоутворюючий агент – речовину, що приєдналася між двома полімерними молекулами і дає поперечний зв’язок.

Повернемося до нашого прикладу. При температурах вище 80 ° поліетилен втрачає механічну міцність, стає текучим і при дії навіть малих навантажень нездатний зберігати надану йому форму; при нагріванні до 110-115 ° поліетилен набуває властивостей дуже в’язкої рідини. Це означає, що теплостійкість його дуже невисока. Чи не можна виправити цей недолік, пошивши лінійні молекули полімеру поперечними зв’язками? Тоді містки скріплять між собою окремі молекули і навіть при високих температурах будуть перешкоджати їх зміщенню, тобто запобіжать плинності і підвищать теплостійкість.

Виявляється, що і в цьому випадку на допомогу приходить радіаційна хімія. Якщо піддати поліетилен дії іонізуючого випромінювання, то деякі хімічні зв’язки розриваються, виділяється водень, метан і ряд інших найпростіших вуглеводнів. Завдяки своїй рухливості вони легко йдуть від місця звільнення, в той час як великі полімерні молекули з вивільненими хімічними зв’язками практично залишаються на місці. Якщо у двох сусідніх полімерних молекул внаслідок цього процесу позначились вільні зв’язки, то вони можуть з’єднатися між собою або замінитись в полімері під дією випромінювання вільним радикалом або атомом кисню. Останні і зв’яжуть молекули полімеру поперечним містком. Очевидно, що число звільнених зв’язків і, отже, число нових містків пропорційно інтенсивності випромінювання.

Встановлено, що для помітної зміни механічних властивостей достатньо, щоб на 100 тисяч ланок полімерного ланцюга утворився хоча б один поперечний місток. Чим більше таких, містків, тим сильніше буде зміна властивостей поліетилену, причому він визначається дозою випромінювання. Таким чином, без застосування будь-яких сторонніх речовин поліетилен перетворюється на жорсткий, теплостійкий (до 250 °), – нерозчинний в органічних розчинниках матеріал.

Практичне значення цього явища дуже велике. Проілюструємо сказане всього лише одним прикладом. Уявіть собі, що в нашому розпорядженні є провід з ізоляцією з опроміненого поліетилену. Отже, його можна використовувати при температурі не 80 °, а 250 °. Значить, зменшення перетину самого дроту приблизно на одну третину не викличе пошкодження ізоляції через надмірне нагрівання. У сучасного великого літака протяжність проводів бортової мережі досягає декількох десятків кілометрів, а вага її – кількох сотень кілограмів. Тому поліпшення якості ізоляції проводів дасть можливість не тільки заощадити кольоровий метал, але і одночасно знизити вагу проводки, тобто, в кінцевому рахунку, збільшити вантажопідйомність літака.

Підвищення теплостійкості шляхом зшивання при опроміненні – далеко не єдиний шлях модифікації властивостей полімерів. Вельми перспективним є отримання так званих щеплених кополімерів. Суть цього способу полягає в тому, що обраний мономер полімеризують в присутності полімеру, отриманого з іншого вихідного мономера. У результаті взаємодії зростаючого ланцюга мономера, що полімеризується з активованими атомами взятого полімеру в останнього утворюються бічні відгалуження. Здійснення такого процесу дає можливість синтезувати матеріали з наперед заданими властивостями.

«Щеплення» одного полімеру до «стовбура» або бічних груп іншого полімеру дозволяє отримувати «гібрид», що володіє властивостями вихідних речовин. Так, кремнійорганічний каучук має дуже високу теплостійкість, але легко вибухає в бензині і маслі. Разом з тим акрилонитрил стійкий до бензину та масла, але не може використовуватись при високих температурах. Якщо плівку з такого каучуку занурити в акрилонитрил і піддати дії іонізуючого випромінювання, то до кремнійорганічних полімерів вдасться прищепити бічні гілки акрилонітрилу, що додасть каучуку необхідні властивості.

Аналогічним чином до політетрафторетілену (цей полімер має будову, аналогічну поліетилену, але всі атоми водню заміщені фтором), котрий володіє дуже високою теплостійкістю, вдалося прищепити стирол і акрилонітрил, які підвищили здатність цього матеріалу до приклеювання.

У невеликій статті, звичайно, немає можливості навіть стисло охарактеризувати всі різноманітні напрямки, в яких розвивається радіаційна хімія. Ми зупинилися лише на деяких з них, що вже використовуються в промислових масштабах або стоять на порозі впровадження.

Автор: Фінкель Е. Е.

P. S. О чем еще думают британские ученные: о том, что именно благодаря ученым-химикам занимающимся исследованием полимеров мы имеем возможность, например, использовать пленки полиэтиленовые, сделанные именно благодаря полимерам.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *