Супевысокопрочные волокна и самоармированные пластики

Высокая степень порядка в расположении жесткоцепных и полужесткоцепных макромолекул в лиотропных и термотропных ЖК полимерах соответственно используется для получения высокопрочных волокон, пленок и разнообразных изделий из ЖК полимеров. Среди ЖК полимеров лиотропные полимеры исторически были первыми, вышедшими на арену практического применения в середине 60-х годов нашего столетия. Использование лиотропных ЖК растворов, таких, как поли-//-бензамид, поли-w-фенилентерефтальамид (см. выше реакцию II), а также других ароматических полиамидов произвело
настоящую революцию и позволило создать индустрию нового поколения высокопрочных, так называемых высокомодульных (имеющих высокие значения модуля растяжения) волокон.

В исходной анизотропной ЖК фазе достигается значительно более совершенная упаковка макромолекул по сравнению с изотропным расплавом за
счет формирования в мезофазе доменных областей, характеризующихся параллельной агрегацией макромолекул. Получение волокон из таких растворов приводит к резкому повышению их прочностных характеристик, что определяется как химической структурой полимеров, так и совершенной ориентацией их макромолекул по сравнению с волокнами, полученными из изотропных растворов. Прочность таких волокон в 2, 5 раза, а модуль упругости в 10-20 раз выше, чем у самых прочных нитей из алифатических полиамидов типа нейлон. Так, прочность на разрыв волокон кевлар и ПВО составляет 2, 8 и 3, 4 ГПа, а модуль упругости при растяжении -
180 и 450 ГПа соответственно (см. реакции II и III).
С учетом низкого удельного веса этих ароматических волокон их удельная прочность в 2-4 раза превосходит стальные и стеклянные волокна.

Тот же принцип лежит в основе получения высокопрочных, так называемых самоармирующихся пластиков, когда за счет продавливания уже не растворов, а анизотропных расплавов ЖК термотропных полимеров через капилляры литьевых машин образуются фибриллярные (волокнистые) структуры, выполняющие роль армирующих материалов. Однако в этом случае и матрица и армирующий материал одинаковы по составу. Одним из примеров таких ЖК полимеров может служить сополимер “Вектра”, состоящий из разнородных звеньев:

строение которого соответствует структуре, изображенной на рис. 1, ж. Прочность этого и других подобных термотропных ЖК полимеров необычно
высока и в несколько раз превосходит соответствующие величины для изотропных пластиков, что дало основание рассматривать их как новое поколение самоармированных молекулярных композитов для использования в качестве конструкционных материалов.

Помимо отличных механических свойств этих пластиков существенный интерес представляет низкий коэффициент линейного расширения термотропных ЖК полимеров а. Значение а для них составляет величины порядка < 1 • 10^_6 град^-1, что сопоставимо с величиной а для неорганического стекла (5 • 10“⁷ град^-1) и значительно меньше, чем у
нейлона (1 • 10^_4 град^-1). Это позволяет использовать такие ЖК полимеры в качестве защитных оболочек для световодов, что обеспечивает практически полное отсутствие светопотерьу световодов при температурах от -80 до +80°С.

Высокие механические показатели, термостойкость, удобство переработки обеспечивают широкое практическое использование Ж К полимеров в
виде конструкционных и армирующих материалов в электронной и радиотехнической промышленности, самолетостроении, космической технике, ракетостроении, для получения шинного корда, создания огнезащитных и других полимерных материалов.

Как видно из рассмотренных выше данных, ЖК полимеры активно вторгаются в сферы научной и практической деятельности. Быстрыми темпами
развивается промышленное производство ЖК линейных полимеров, получаемых из лиотропных и термотропных систем, мировое производство которых уже исчисляется сотнями тысяч тонн. Разрабатываются подходы к производству гребнеобразных полимеров. Настоящий период характеризуется быстрым накоплением знаний в этой области, что, несомненно, приведет не только к расширению наших представлений вообще о ЖК соединениях, но и к созданию качественно новых полимерных материалов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Платэ НА., Шибаев В.П. Гребнеобразные полимеры
и жидкие кристаллы. М.: Химия, 1980.

2. Шибаев В.П. Жидкие кристаллы // Химическая
энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1990. Т. 2.
С. 286-289.

3. Платэ НА., Шибаев В.П. Жидкокристаллические
полимеры // Наука и человечество. М.: Знание, 1983.
С. 283-298.

4. Шибаев В. П. Настоящее и будущее жидкокристаллических полимеров// Хим. волокна. 1987. № 3. С. 4-12.

5. Жидкокристаллические полимеры / Под ред.
НА. Платэ. М.: Химия. 1988.