Надмолекулярные структуры

Полимерные цепи (вне зависимости от регулярности их строения) под влиянием теплового движения и межмолекулярного взаимодействия ассоциируются во флуктационные, более или менее упорядоченные пачки. Пачки под влиянием теплового движения то воссоздаются, то распадаются. Однако вследствие больших размеров макромолекул время жизни пачек может быть весьма большим. Если продолжительность жизни роя молекул низкомолекулярной жидкости составляет 10-8 с и менее, то в случае твердого полимера она возрастает до многих лет. Чем менее гибки макромолекулы, тем больше время жизни пачек.

Контакт между пачками может осуществляться как в результате межмолекулярного взаимодействия цепей, расположенных во внешних слоях пачки, так и за счет так называемых проходных цепей. В последнем случае одна часть макромолекул находится в одной пачке, а другая – в другой (рис. 2).

Рис. 2. Схематическое изображение проходных цепей

Пачки макромолекул, в свою очередь, агрегируются в более крупные надмолекулярные образования – микрофибриллы.

Если полимер построен из регулярных полимерных цепей, т. е. способен к кристаллизации, то плотность упаковки макромолекул в различных частях пачек неодинакова: в аморфных областях меньше, в кристаллических – больше. В свою очередь, пачки макромолекул ассоциируются в микрофибриллы так, что между ними появляются области с малой плотностью упаковки или даже пустоты. Дальнейшее усложнение надмолекулярной организации полимеров идет по пути образования либо сферолитных, либо фибриллярных структур (рис. 3). Сферолитные структуры возникают, как правило, в изотропных средах. Приложение силового поля способствует образованию преимущественно фибриллярных структур.

а                                                        б

Рис. 3. Схематическое изображение надмолекулярных структур: а – сферолитной; б – фибриллярной

Рассмотрим, например, структуру волокна на основе природной целлюлозы. Рентгенографическими и ИК-спектроскопическими исследованиями установлено, что элементарное звено целлюлозы – ангидро-b-D-глюкоза – имеет конфигурацию «кресла», а полимерная цепь построена из регулярно соединенных между собой, правильно расположенных в пространстве ангидроглюкозных звеньев:

целлюлоза

Природная целлюлоза – стереорегулярный синдиотактический полимер. Схематически макромолекулы целлюлозы представляют собой слегка свернутую спираль – «ленту» – сечением 0,39´0,83 нм. Агрегация молекул целлюлозы обусловлена большим числом полярных гидроксильных групп и регулярным строением полимерных цепей.

Ленты укладываются более или менее параллельно в одной плоскости по 10-15 штук, образуя пачки молекул из 8-10 слоев (рис. 4). Вследствие относительной жесткости макромолекул и прочности межмолекулярных связей такие пачки существуют практически бесконечно долго. В результате образуется пачка, сечение которой составляет примерно 5´8 нм.

Рис. 4. Схематическое изображение кристаллической области пачки макромолекул целлюлозы (1 – поперечное сечение полимерной цепи)

Молекулярные цепи оказываются правильно упакованными в среднем на участке длиной 15-17 нм, а затем следует участок «разрыхления» длиной 2,5-3,0 нм. Внутри аморфных областей имеются пустоты, поры размером 0,5-1,0 нм. Архитектоника целлюлозного волокна следующая: 10-12 пачек агрегируются в первичную элементарную фибриллу, 10-12 элементарных фибрилл – во вторичную фибриллу, 10-12 вторичных фибрилл – в микрофибриллу, 10-15 микрофибрилл – в фибриллы. Среднестатистические размеры элементарной фибриллы - 20´20 нм. Между пачками остаются поры, пустоты размером до 1-2 нм. Вторичные фибриллы имеют среднее сечение 80-120 нм. Размеры пор 5-6 нм. Сечение микрофибрилл – около 0,3 мкм, а размеры пор – до 10 нм.