Пластики, эластомеры и нанокомпозиты. Реактопластичные (термореактивные) эластомеры. Часть 1

Вторая характеристика, требуемая для эластичности, подобной резине, указывает на то, что различные пространственные расположения должны быть доступны, т. е. изменениям в этих расположениях не должны препятствовать ограничения, которые могут возникнуть в результате присущей жесткости цепей, обширной кристаллизации цепей или очень высокой характеристики вязкости в стеклоподобном состоянии. Последняя приведенная характеристика требуется для получения эластомерной восстанавливаемости. Ее получают путем объединения или «сшивания» пар сегментов, приблизительно одного из ста, что предотвращает необратимое скольжение вытянутых полимерных цепей по отношению друг к другу. Структура сети, полученная таким образом, показана на различных схемах, где сшивки, как правило, представляют собой химические связи (как это происходит в серно-вулканизованном натуральном каучуке). Сцепление между цепями включено, поскольку некоторые специалисты пришли к выводу, что оно также может вносить вклад в модуль сети. Эти эластомеры часто включают в категорию «термореактивных материалов», которые представляют собой полимеры, имеющие сетчатую структуру, которая генерируется или «схватывается» в результате термически индуцированных химических реакций сшивания.

В настоящее время этот термин часто принимает более конкретное значение сетей, которые очень сильно сшиты и находятся ниже их температур стеклования. Такие материалы, примером которых являются фенолформальдегид и эпоксидные смолы, являются очень твердыми, не обладающими высокой растяжимостью, связанной с типичными эластомерами. Сшивки в эластомерной сети также могут быть временными или физическими агрегатами, например, небольшие кристаллиты в частично кристаллическом полимере или стеклообразные домены в многофазном триблок-сополимере. Самые ранние эксперименты по упругости включали отношения напряжение-деформация-температура или «термоупругость» сети. Впервые они были выполнены много лет назад Дж. Гофом (еще в 1805 году). Открытие вулканизации или отверждения резины в сетчатые структуры С. Гудьером и Н. Хейвордом в 1839 году было важным в этом отношении, поскольку оно позволило подготовить образцы, которые могли быть исследованы в этом отношении с гораздо большей надежностью. Количественные эксперименты были выполнены Дж. П. Джоулем в 1859 году. Фактически, это было всего лишь через несколько лет после того, как энтропия была введена в качестве концепции в термодинамике в целом!

Поскольку для эластичности, подобной резине, требуются высокая гибкость и подвижность, эластомеры обычно не содержат групп жесткости, таких как кольцевые структуры и объемные боковые цепи. Об этих характеристиках свидетельствуют низкие температуры стеклования Tg, демонстрируемые этими материалами. Такие полимеры также имеют тенденцию иметь низкие температуры плавления, если таковые имеются, но некоторые подвергаются кристаллизации при достаточно больших деформациях. Примеры типичных эластомеров включают натуральный каучук и бутилкаучук (которые подвергаются деформационной кристаллизации), а также полидиметилсилоксан (PDMS), полиэтилакрилат, стирол-бутадиеновый сополимер и этиленпропиленовый сополимер (которые обычно не используются). В случае PDMS можно использовать полимеризацию на основе ферментов параллельно с естественными препаративными реакциями. Наиболее широко используемыми эластомерами являются натуральный каучук, синтетические полиизопреновые и бутадиеновые каучуки, стиролбутадиеновые сополимеры, этилен-пропиленовый каучук (в частности, EPDM), бутильные и галогенбутиловые эластомеры, полиуретаны, полисилоксаны, полихлоропрены, нитрильный каучук, полиакриловые термопластичные эластомеры на основе и фторсодержащие эластомеры.

Материалы, в которых ненасыщенность присутствует в повторяющихся звеньях (таких как диеновые эластомеры), обладают преимуществом легкой сшиваемости, но их недостатком является повышенная уязвимость к воздействию реагентов, таких как кислород и озон. Некоторые полимеры не являются эластомерными в нормальных условиях, но могут быть получены путем повышения температуры или добавления разбавителя (чаще всего пластификатора). Полиэтилен относится к этой категории из-за его высокой степени кристалличности. Полистирол, поливинилхлорид и биополимер эластин также относятся к этому типу, но из-за их относительно высоких температур стеклования требуются повышенные температуры или добавление разбавителя, чтобы сделать их эластомерными. Конечный класс полимеров по своей природе неэластомерен. Примерами являются полимерная сера, потому что ее цепи слишком нестабильны, поли-п-фенилен, потому что его цепи слишком жесткие, и термореактивные смолы, потому что их цепи слишком короткие.