Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Курс коллоидной химии МИТХТ.doc
Скачиваний:
28
Добавлен:
30.04.2019
Размер:
5.15 Mб
Скачать

13.5. Термодинамика растворения полимеров

Растворение аморфного полимера является процессом смешения двух жидкостей: полимера и растворителя. Этот процесс протекает самопроизвольно, если свободная энергия системы убывает. Согласно второму началу термодинамики, убыль свободной энергии системы определяется изменением теплосодержания и энтропии системы:

(13.4)

Растворение полимеров протекает самопроизвольно в двух случаях. В первом случае энергия взаимодействия полимера с растворителем значительно превышает энергию межмолекулярного взаимодействия полимера . Тогда тепловой эффект растворения положителен, а изменение теплосодержания системы отрицательно ( ), что обеспечивает самопроизвольное растворение. За счет энергетического фактора происходит растворение полярных полимеров в полярных растворителях: желатины в воде, нитроцеллюлозы в циклогексаноне.

Во втором случае растворение полимера происходит за счет роста энтропии системы. При смешении энтропия всегда увеличивается, так как увеличивается число способов расположения молекул: . Увеличение энтропии при смешении можно рассчитать как разность энтропии конечного и начального состояний:

(13.5)

где – термодинамическая вероятность системы. , .

В случае смешения гибкоцепных полимеров с неполярным растворителем экспериментально определенные значения энтропии смешения оказались значительно выше расчетных значений: . Расчет производился, исходя из модели квазикристаллической решетки раствора полимера, когда одну ячейку в решетке может занимать либо молекула растворителя, либо эквивалентный ей по размерам термодинамический сегмент полимера. При этом не учитывалась гибкость цепи полимера. Благодаря гибкости макромолекулы в одном и том же микрообъеме может принимать множество конформаций, т. е. Обладает собственным конформационным набором. Энтропия смешения является суммой двух величин: комбинаторной энтропии и конформационной энтропии. При переходе макромолекулы в раствор гибкость цепи возрастает, возрастает число способов расположения макромолекулы в микрообъеме, и число конформаций, что приводит к увеличению энтропии. Поэтому растворение гибкоцепных неполярных полимеров в неполярных растворителях протекает за счет энтропийного фактора. Возрастание энтропии настолько велико, что растворение полимера идет даже при увеличении теплосодержания системы: , , . Примером растворения полимера, протекающего с отрицательным тепловым –эффектом, является растворение натурального каучука в бензоле.

Основными отличиями растворов полимеров от растворов низкомолекулярных соединений являются способность к набуханию, высокая вязкость, медленная диффузия, неспособность проникать через полупроницаемые мембраны.

13.6. Набухание как первая стадия растворения

Набухание полимеров является первой стадией растворения и заключается в проникновении молекул растворителя в полимер, сопровождающемся увеличением объема полимера. Набухание не является простым процессом капиллярного впитывания, проникновения в поры полимера, при набухании происходит изменение структуры полимера. Причиной набухания является уменьшение свободной энергии системы при набухании ( ), или уменьшение химического потенциала растворителя при переходе его в среду полимера. Набухание следует рассматривать как одностороннее смешение полимера с растворителем. Молекулы полимера вследствие малых размеров диффундируют в полимер значительно быстрее, чем молекулы полимера диффундируют в растворитель. Различают процессы ограниченного и неограниченного набухания полимеров. При ограниченном набухании кинетика набухания описывается плавно возрастающей кривой 1 порядка, достигающей некоторого предела называемого максимумом набухания. (рис.13.6).

Рис.13.6. Кинетика ограниченного (1) и неограниченного (2) набухания полимера.

- количество растворителя, поглощенного 1 г полимера, - время набухания.

При неограниченном набухании кинетическая кривая переходит через максимум, что объясняется уменьшением содержания полимерной фазы вплоть до полного растворения полимера.

Ограниченное набухание полимера может вызвать ограниченное сродство полимера к данному растворителю, приводящее к ограниченному смешению полимера с растворителем. Так, полихлоропреновый каучук ограниченно набухает в бензоле, поливинилхлорид – в ацетоне. Другой случай ограниченного набухания полимеров вызывается образованием сшитого полимера, пространственной сетки, в котором все макромолекулы соединены прочными химическими связями. Силы набухания недостаточны для того, чтобы разорвать химические связи и обеспечить переход отдельных макромолекул в раствор. Ограниченно набухают в любых растворителях вулканизованные каучуки, отвержденные реактопласты.

Степень набухания полимера Q измеряется количеством растворителя, поглощенного одним граммом полимера:

(13.6)

где – навеска набухшего полимера, – навеска сухого полимера.

Скорость набухания может быть рассчитана по уравнению 1 порядка:

(13.7)

где – константа скорости набухания.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.