Ориентированное состояние полимеров

Ориентированное состояние полимеров – это состояние, в котором оси выпрямленных и параллельно уложенных макромолекул или надмолекулярных структур расположены вдоль преимущественного направления – оси ориентации.

Ориентированные биополимеры широко распространены в растительном и животном мире. Примерами таких полимерных материалов служат древесина, хлопок, лен, сухожилия, мышечная ткань, шерсть и т.д.

В промышленности ориентация является неотъемлемой стадией производства волокон на основе кристаллизующихся полимеров.

Этот процесс включает ориентацию раствора или расплава полимера за счет создания однонаправленного потока, что обеспечивает преимущественное расположение макромолекулярных цепей вдоль заданного направления. При охлаждении ориентированного расплава или при удалении растворителя из ориентированного раствора происходит кристаллизация полимера, фиксирующая ориентированное состояние. Последующая ориентационная вытяжка твердого волокна увеличивает степень ориентации и позволяет получать сверхвысокоориентированные волокна.

В последнее время широкое развитие получила также гель- технология производства сверхвысокоориентированных волокон. В этом технологическом процессе ориентационной вытяжке подвергают заготовку (прекурсор), представляющую собой систему изолированных свернутых макромолекул. Данный способ позволяет предотвратить возникновение нежелательных зацеплений между полимерными цепями, характерных для полимерных растворов и расплавов. В гель-технологии каждая макромолекула ориентируется (вытягивается) индивидуально, что обусловливает достижение более высоких степеней ориентации.

В настоящее время использование перечисленных технологических приемов позволяет получать сверхвысокопрочные и сверхвысокомодульные полимерные волокна с величинами прочности и модуля упругости, близкими к теоретическим.  

Очевидно, что одноосноориентированный материал характеризуется ярко выраженной анизотропией. Механические свойства, в первую очередь, прочность вдоль оси ориентации на несколько порядков превосходят таковые в поперечном направлении. Та же ситуация наблюдается и для других свойств (акустических, оптических, электрических и т.п.) ориентированного материала. Это связано с тем, что вдоль оси ориентации «работают» химические связи основной цепи макромолекулы, а в поперечном направлении – физические межмолекулярные. Для изучения ориентированных полимеров и количественной оценки степени ориентации используют чувствительные к анизотропии методы анализа, например, дифрактометрию, двулучепреломление, ядерный магнитный резонанс, инфракрасную спектроскопию и т.д. 

С учетом анизотропии ориентированного состояния плоские полимерные изделия (пленки и листы) подвергают двуосной или многоосной ориентационной вытяжке при температурах, близких или превышающих температуру размягчения полимера. Последующее охлаждение под заданной нагрузкой фиксирует ориентацию макромолекул и позволяет получать материалы со свойствами, одинаковыми во всех направлениях.