Ориентированное состояние полимеров
Ориенти́рованное состоя́ние полиме́ров, особое состояние, свойственное полимерным материалам, в котором составляющие этот материал макромолекулы ориентированы своими главными осями вдоль некоторых направлений. Наиболее часто встречающийся вид ориентации макромолекул – одноосная (например, в волокнах); в кристаллических плёнках может создаваться плоскостная текстура (двуосная, радиальная). Ориентированное состояние существует в некоторых природных полимерах (образующих волокна хлопка, льна, паутину, мышечную ткань и т. п.) или создаётся искусственно в синтетических полимерах в ходе технологических операций, как правило, сводящихся к ориентационной вытяжке – большим одноосным деформациям растяжения, достигающим нескольких тысяч процентов.
Физический смысл перехода гибкоцепных полимеров в ориентированное состояние заключается в уменьшении числа возможных конформаций макромолекул и, соответственно, энтропии системы. Поэтому ориентированное состояние является неравновесным, при нагревании ориентированного полимера имеет место тенденция к возврату в неориентированное состояние (усадка). Исследование ориентации макромолекул осуществляется различными физическими методами: рентгеновского рассеяния под разными углами, электронной микроскопии и дифракции, оптической микроскопии, светорассеяния и др.
При деформации единичных макромолекул в растворе возникновение ориентированного состояния происходит скачком при некоторой критической скорости деформации и имеет характер фазового перехода. При ориентации кристаллических полимеров, осуществляемой растяжением полимера между температурами стеклования и плавления, имеет место постепенное изменение структуры на различных уровнях организации вещества. При достижении некоторой степени растяжения постепенный распад кристаллических образований сменяется резким образованием шейки – суженного участка образца, в котором достигается высокая степень ориентации. Дальнейшее растяжение осуществляется путём перехода исходного неориентированного материала в ориентированную шейку. Ориентация в реальных технологических условиях переработки гибкоцепных полимеров не достигает возможного предела, т. е. в макромолекулах всегда остаются участки с невысокой степенью ориентации. Однако специальными приёмами можно получить волокно с практически полностью ориентированными макромолекулами во всём его объёме. Такие волокна обладают исключительно высокими механическими свойствами, обусловленными внутримолекулярными взаимодействиями. Так, предел прочности для промышленных высокоориентированных волокон полиэтилена достигает 2,6 ГПа, модуль упругости – 120 ГПа, по сравнению с соответствующими показателями для промышленных марок неориентированного полимера – 22 МПа и 0,75 ГПа соответственно (т. е. ориентация повышает эти показатели примерно в 100 раз).
Жесткоцепные полимеры (например, ароматические полиамиды) ориентируются сравнительно легко и переходят в почти полностью ориентированное состояние уже при небольших деформациях. Волокна на основе жесткоцепных полимеров обладают исключительно высокой прочностью и жёсткостью (см. статьи Высокомодульные волокна, Полиамидные волокна), превосходя по этим показателям все известные материалы, кроме углеродных и борных волокон.
Ориентированные полимеры применяют для формования армированных пластиков, пулезащитной брони, радиопрозрачных покрытий, для изготовления изделий электро-, радио- и электронной техники, для производства спортивного инвентаря и др.