Рис. 4 Термоусадочная пленка

Возьмем другую ситуацию: полимер растянут при невысокой температуре, охлажден и зафиксирован в новой форме и размерах. Тогда он станет термоусадочным. Такой материал можно снова разогреть — растянутые молекулы вновь начнут извиваться и сворачиваться в клубки, а полимер сократится, вспомнив свою исходную форму. Как можно использовать такие материалы? Посмотрите на коробку с конфетами или на дорогую книгу. Они защищены пленкой. Эту пленку невозможно, да и не нужно натягивать на коробку. Коробку с конфетами просто поместили в пакет из термоусадочной пленки и нагрели. Размер пакета может уменьшиться как минимум в два раза, поэтому пленка с усилием обтягивает положенный в нее предмет. Так можно упаковывать фрукты, банки, бутылки и т.п. (рис. 4). Кстати, если нагреть ПЭТ-бутылку, она тоже усядет. Дело в том, что ее изготовили, раздув сжатым воздухом разогретую до 90°С маленькую заготовку (преформ). Так же ведут себя одноразовые полистирольные стаканчики.

Теперь представьте, что вам нужно ликвидировать разрыв кабеля. Для этого потребуются термоусадочные трубки. Полиэтиленовую трубку растягивают, увеличив ее диаметр в 6—8 раз, и она становится термоусадочной. Вы надеваете такую термоусадочную трубку на оторванный конец кабеля, соединяете медные жилы и надвигаете трубку на место разрыва. Остается только нагреть трубку — она сожмется и надежно изолирует провод. Эффект термоусадки можно усилить и сделать еще более стабильным, если радиационным или химическим воздействием сшить растянутые полимерные молекулы между собой. Такие пространственно сшитые термоусадочные материалы сохраняют свою форму после усадки даже при нагреве до очень высоких температур.

А что произойдет, если разогреть несшитый полимер еще сильнее? Его молекулы начнут извиваться все быстрее, и при температуре, которую называют температурой текучести или плавления, даже силы тяжести хватит, чтобы заставить их «расползаться» в разные стороны — полимер превращается в жидкий расплав. Межмолекулярные физические связи постепенно разрушаются, перестают удерживать молекулярные клубки вместе, они перемещаются относительно друг друга и вытягиваются в направлении течения. Каковы будут последствия?

Полимерные расплавы — это не обычные жидкости, они не подчиняются основным законам гидродинамики. Так, если в трубе с обычной жидкостью (бензином, водой, глицерином, ртутью, жидким азотом) увеличить в два раза давление, то из трубы ее вытечет вдвое больше. Это первым заметил Исаак Ньютон, поэтому обычные жидкости называют ньютоновскими. А вот если в трубе находится расплав полиэтилена, то расход может увеличиться не в два, а в три, пять или более раз! То есть вязкость полимерного расплава уменьшается с увеличением скорости течения. Это происходит потому, что вытягиваются молекулярные клубки, а значит, изменяются структура жидкости и ее вязкость. Подобные жидкости называют неньютоновскими.

 Полимерные жидкости имеют еще одну очень важную особенность — они эластичны. Если растянуть полимерный расплав и разрезать его посередине, то половинки сократятся (хотя и не полностью до прежнего состояния), как резиновые «червячки». Такие жидкости называют вязкоупругими. Между прочим, в их изучение большой вклад внесли известные ученые Джеймс Максвелл и Уильям Кельвин — ведь так ведут себя не только расплавы и растворы полимеров. В свое время знаменитые физики исследовали эти свойства на концентрированном растворе крахмала в воде, который становится вязкоупругим при обычных температурах.

Если поискать в Интернете материалы по теме «неньютоновские жидкости», то можно увидеть много интересного. Например, как молодые люди бегают по такой «жидкости» и даже отплясывают на ее поверхности, но когда останавливаются, то сразу начинают тонуть. Суть фокуса в том, что если воздействие быстрое, то молекулы расплавленного полимера не успевают переместиться относительно друг друга. Связанные между собой физическими связями большие молекулы ведут себя как единая молекулярная сетка. Чем менее подвижны полимерные молекулы (ниже температура расплава) и чем больше скорость деформирования, тем больше упругость этой сетки. Такая неньютоновская жидкость ведет себя, как резиновый матрас. Когда только человек останавливается, жидкость начинает медленно течь и человек благополучно тонет. Если же он снова начнет быстро шевелить руками и ногами в нужном направлении, то сможет опереться на упругую массу и вылезти из нее, подобно барону Мюнхгаузену.

Рис. 6 Если окунуть палочку в расплав полимера и потянуть, то получится волокно

Ударим по жидкому расплаву полимера со скоростью несколько десятков метров в секунду. Думаете, он прогнется? Нет — разлетится на осколки (рис. 5). Почему? При ударном воздействии молекулярные клубки не успевают отреагировать, и расплав может повести себя как хрупкое стекло.

Есть и другие интересные примеры особого поведения полимерных расплавов. Например, если окунуть кончик палочки в расплав или концентрированный раствор полимера и потянуть вверх, то образуется волокно (рис. 6). Чем дольше вы будете его тянуть, тем длиннее и тоньше оно будет становиться, пока не превратится в довольно прочную паутинку. Эта аналогия не случайна — такой же механизм прядения используют пауки. Почему волокно не рвется? Когда мы вытягиваем расплав, молекулы тоже вытягиваются вдоль и делают его прочным. Чем быстрее тянуть волокно, тем прочнее оно станет. Это происходит до тех пор, пока полимер не остынет. На этом свойстве основано производство большинства синтетических волокон.