ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Набухание и растворение высокомолекулярных соединений из "Курс коллоидной химии" Несмотря на изменения представлений о строении макро моле-кул, растворы полимеров всегда рассматривались как коллоидные системы. Одиако в 1937 г. их принадлел ность к коллопдам была взята под сомнение. В. А. Каргиным с сотр. в 1937 г. было установлено, что растворы полимеров являются термодинамически устойчивыми системами. Этот факт явился большим вкладом в науку о полимерах и о коллоидных системах вообще. В то же время, считая термодинамическую неустойчивость принципиальной особенностью коллоидных систем, авторы сделали вывод о том, что растворы полимеров являются истинными растворами, а не коллоидными. В связи с этим некоторые ученые даже предлагали выделить физическую химию полимеров вообще из коллоидной химии. [c.310] Однако уже к тому времени были известны коллоидные системы, обладающие термодинамической устойчивостью, например, растворы мыл и других коллоидных ПАВ (мицеллярные растворы). Кроме того, ио мере исследования структуры полимеров и их растворов стала проявляться важная роль поверхностных явлений в их свойствах. Это вызвало необходимость обратиться к более четким понятиям гетерогенности и микрофазы. [c.311] В растворах полимеров, как и в золях, частицы (макромолекулы) находятся в тепловом движении, н поэтому понятие о гетерогенности пли гомогенности системы не может являться однозначным ирн всех условиях. В хороших растворителях молекула линейного полимера вытянута, в ней отсутствует однородное внут-ренее ядро, характерное для микрофазы. В плохих растворителях макромолекула свернута в компактную глобулу и ее можно рассматривать как частицу отдельной фазы. Такое свертывание макромолекул аналогично возникновению новых фаз. При формировании глобул происходит определенное ориентирование углеводородных цепей и полярных групп, подобное тому, как это наблюдается при образовании мицелл из молекул ПАВ. Максимальное межфазное натяжение на границе макромолекула — среда определяется, как и для всех термодинамически устойчивых коллоидных систем, уравнением Ребиндера и Щукина (VI. 32). [c.311] С точки зрения термодинамики для макромолекул характерна такая особенность фазы, как постоянство свойств прн изменении молекулярной массы (количества фазы), например, давления пара мономера. В этом отнощении, как подчеркивал в дальнейшем А. В. Каргин, превращение мономера в полимер можно рассмат ривать как явление, эквивалентное фазовому превращению , или с точки зрения термодинамики макромолекулы должны рассматриваться как частицы твердой фазы . Приведенные рассуждения относились к отдельным макромолекулам, которые могут быть только в очень разбавленных растворах, и они тем более справедливы для частиц, имеющих надмолекулярный характер, т. е. представляющих собой ассоциаты нескольких макромолекул. Именно ассоциаты макромолекул (мицеллы) содержатся в растворах ебычных концентраций и составляют структуру полимеров. [c.311] Взаимодействие полимеров с растворителем имеет большое значение при переработке полимеров, их применении, в биологических процессах и др. Например, белки п полисахариды в живых организмах и растениях находятся в набухшем состоянии. Многие синтетические волокна и пленки получают из растворов полимеров. Растворами полимеров являются лаки и клеи. Определение свойств макромолекул, в том числе молекулярных масс, проводят, как правило, в растворах. Пластификация полимеров, применяемая в производстве изделий, основана на набухании полимеров в растворителях (пластификаторах). Вместе с тем для практического применения полимеров важным их свойством является устойчивость в растворителях. Для решения вопросов о возможном набу-ханни, растворенпи полимера в данном растворителе или об его устойчивости по отношению к этим процессам необходимо знать закономерности взаимодействия полимеров с растворителями. [c.312] Взаимодействие полимеров с растворителями обычно начинается с набухания. Процесс набухания состоит в поглощении растворителя веществом, объем и масса которого при этом увеличиваются. Набухание наиболее характерно именно для высокомолекулярных соединений. В результате набухания их объем и масса могут увеличиваться в 10—15 раз. Неорганические материалы, обладающие жесткой структурой, мало способны к набуханию. Они могут удерживать жидкостн в порах в основном благодаря адсорбции и капиллярным силам при этом их структура, а следовательно, и объем не изменяются. [c.312] В состоянии ограниченного набухания система состоит из двух фаз, находящихся в равновесии насыщенный раствор растворителя в веществе (ВМС), т. е. гель, и насыщенный раствор вещества (ВМС) в растворителе, как правило, небольшой концентрации. Такое двухфазное равновесие аналогично равновесшо ири ограниченном растворении низкомолекулярных веществ. Неограниченное набухание характерно для линейных полимеров. Сшитые полимеры набухают в растворителях, ио не растворяются. При изменении условий ограниченное набухание может перейти в неограниченное. Нанример, при повышении температуры такой переход наблюдается при набухании желат1шы и агара в воде. [c.313] Набухание — осмотический процесс, ири котором происходит диффузия молекул растворителя в высокомолекулярное вещество. Такой односторонний процесс объясняется тем, что макромолекулы ВМС очень большие и разветвленные, благодаря чему они переплетены между собой и слабо подвержены дейстЕ1по теплового движения. В противоположность молекулам ВМС небольшие молекулы растворителя очень подвижны, они проникают внутрь ВМС, увеличивая его объем. [c.313] Скорость набухания в данный момент времени определяется наклоном касательной к кинетической кривой набухания в данной точке. Она уменьшается с ростом степени набухания. Важными характеристиками ограниченного набухания являются максимальная степень набухания (предельное набухание) а аке и время ее достижения Тмакс, определяющие способность полимера поглощать низкомолекулярную жидкость при данной температуре. Чем больше молекулярная масса полимера, тем медленнее происходит процесс набухания. [c.314] Указанная зависимость соблюдается довольно часто. [c.315] Давление набухания зависит от степени поперечной связанности полимера (степени сшивки). Эта записимость становится заметной лишь ири достаточно большой степени набухания. Для полностью набухших ВМС (прн предельном набухании) давление набухания почти линейно зависит от стеиени сшивки. [c.315] Отсюда следует, что процессу смеи1ения благоприятствуют уменьшение энтальпии системы с1Н О и увеличение энтропии 3 0. [c.315] В качестве примеров приведем для некоторых веществ максимальные дифференциальные теплоты набухания в воде (о кДж/кг) желаиша 960, казеин —1150, целлюлоза — 1670, мука — 1840, глина — 1100, гумусовая почва —2600. [c.316] Теплоты набухання по закономерностям изменения мало чем отличаются от тепловых эффектов растворения. Эта аналогия дает основание рассматривать пабуханпе как растворение растворителя в ВМС. [c.316] Теплота расходуется на увеличение внутренней энергии системы и на совершение работы. При набухании увеличивается давление, относительно которого уравнение (VI. 69) принимает вид (при Т = onst). [c.317] Член dUjdV характеризует процесс набухания, происходящий благодаря взаимодействию растворителя с веществом. При этом выделяется теплота (уменьшается внутренняя энергия). Именно таким взаимодействием (сольватацией) определяется первая стадия набухания. На этой стадии энтропия системы почти не изменяется. [c.317] На второй стадии набухание происходит практически без изменения интегральной теплоты набухания (внутренняя энергия остается постоянной) и контракции системы. Вторая стадия набухания обычно отличается от первой существенно большим поглощением жидкости. Например, желатина поглощает гидратной ( связанной ) воды около 50 /о (первая стадия), а общее количество воды она может поглотить до 1000 4-2000% (от сухой массы). Из уравнения (VI.70) следует, что вторая стадия набухания характеризуется первым членом этого уравнения, т. е. энтропийным эффектом. Энтропия растет благодаря набуханию отдельных макромолекул, ослаблению связей между ними и росту числа их возможных конформаций. [c.317] Очевидно, энтропийной составляющей, главным образом, обусловлен и переход набухания в растворение. Однако дифференциальная теплота растворения, хотя оиа будет небольшой, нулевое значение примет только при бесконечном разбавлении раствора. Прн этом снижается до нуля и дифференциальная работа растворения. Для характеристики растворов полимеров исиользуют те же термодинамические параметры, что и для растворов низкомолекулярных веществ. [c.317] Вернуться к основной статье