שרשראות ארוכות של יחידות קטנות
פולימר הוא מולקולה שנוצרת מחיבור של יחידות קטנות וזהות רבות זו לזו, קצה אל קצה, כמו חרוזים על חוט. פוליאתילן, הפלסטיק של שקיות קניות ושל בקבוקי חלב, הוא שלד של אטומי פחמן שלכל אחד מהם צמודים שני אטומי מימן, והמבנה הזה חוזר על עצמו אלפי פעמים. שרשרת אחת יכולה להיות באורך של מאה אלף אטומים, ובעובי של אטומים ספורים בלבד.
בגוש מוצק השרשראות אינן שוכבות ישר. כל אחת מתפתלת בפקעת אקראית ומשתחלת בין שכנותיה, כמו ספגטי מבושל בקערה. רק משיכה חלשה בין שרשראות שכנות והסבך שהן יוצרות מחזיקים את הגוש יחד. מה שקורה כשמושכים תלוי בשאלה אם משהו נוסף קושר את השרשראות זו לזו.
שרשראות חופשיות מחליקות: תרמופלסטים
בתרמופלסט כמו פוליאתילן, ניילון או PET, השרשראות אינן קשורות זו לזו כלל. משכו בעדינות, והגוש נמתח מעט וחוזר לאורכו. משכו חזק יותר, ובסביבות 30 MPa במודל השרשראות מתחילות להחליק זו לצד זו ולהתיישר בחלקן בכיוון המשיכה. הדגם ממשיך להתארך כמעט באותו כוח. ההחלקה הזאת קבועה: שחררו, והשרשראות נשארות במקום שאליו החליקו.
נסו: בחרו ללא בקשרים צולבים, הזיזו את מתיחה אל נמתח לאורך כפול, ואז לחצו על שחרור. הגוש כמעט לא מתכווץ, והגרף מראה שכמעט כל המתיחה נשמרה, כי שום דבר לא מושך את השרשראות בחזרה.
אותו חופש הוא הסיבה שתרמופלסטים נמסים. חממו אחד מהם, והשרשראות מחליקות זו לצד זו בקלות הולכת וגדלה, עד שהוא זורם ואפשר לצקת אותו מחדש. התרמופלסטים הם סוגי הפלסטיק שאפשר להתיך ולמחזר.
למה אורך השרשרת חשוב
נר שעווה ובקבוק חלב עשויים מאותן יחידות. בשעוות פרפין השרשראות באורך של עשרים עד ארבעים אטומי פחמן בלבד; בפוליאתילן הן מגיעות לאלפים רבים. שרשראות קצרות כמעט אינן מסתבכות, ולכן משיכה פשוט מפרידה ביניהן, והשעווה מתפוררת. שרשראות ארוכות מתפתלות בין כל כך הרבה שכנות, שלפני שאחת מהן מצליחה להשתחרר היא גוררת איתה את האחרות, והפלסטיק נמשך ומתארך במקום להישבר.
נסו: קבעו את אורך השרשרת על 10 חרוזים והזיזו את מתיחה קצת. הגוש נפרד אחרי אחוזים ספורים; שרשראות שלמות נפרדות זו מזו בלי שאף אחת מהן תיקרע. קבעו את אורך השרשרת על 30 חרוזים בערך, והגוש מחזיק מעמד יותר זמן לפני שהוא נפרד.
מעט קשרים: גומי
גם גומי טבעי הוא סבך של שרשראות ארוכות, אבל בשנת 1839 גילה צ’ארלס גודייר שחימום שלו עם גופרית הופך גומי דביק למוצק קפיצי. הגופרית יוצרת קשרים צולבים: גשרים קצרים של אטומים, הקשורים בקשר כימי לשתי שרשראות, שקושרים שרשראות שכנות זו לזו. התהליך הזה נקרא גיפור (וולקניזציה).
כשיש מעט קשרים צולבים, השרשראות כבר לא יכולות להחליק זו לצד זו; הן יכולות רק להתיישר בין הקשרים. כוח קטן יכול ליישר שרשרת מפותלת למרחק רב, ולכן גומי נמתח עד פי שניים מאורכו כבר במשיכה של כ־1 MPa, פי שלושים פחות מאשר בתרמופלסט. שחררו, והוא קופץ בחזרה. שום דבר דמוי קפיץ לא נמתח בפנים: הרעידות של האטומים מחזירות כל שרשרת שוב ושוב לאחת מאינספור הצורות המקומטות שהיא יכולה לקבל, ויש הרבה יותר צורות כאלה מצורות ישרות. זו גם הסיבה שגומייה שמותחים אותה מהר כשהיא צמודה לשפה מרגישה חמה.
הרבה קשרים: תרמוסטים
המשיכו להוסיף קשרים צולבים, והמקטעים שביניהם מתקצרים. עם כל כך הרבה קשרים השרשראות כמעט לא יכולות להתיישר, והרשת ננעלת למוצק קשה דמוי זכוכית. גומי שגופר עם הרבה גופרית הופך לאבוניט, החומר השחור והקשה של כדורי באולינג ופיות מקטרות ישנים. דבק אפוקסי, השרף שבחלקים מסיבי פחמן והפלסטיק החום של שקעי חשמל ישנים (בקליט) נוצרים כך מלכתחילה.
התרמוסטים האלה קשיחים וחזקים, בערך 60 MPa במודל, אבל נמתחים רק אחוזים ספורים לפני שהם נסדקים. מכיוון שהקשרים הצולבים הם קשרים כימיים, הסדק חייב לשבור קשרים: שרשראות וקשרים צולבים נקרעים לאורכו. גם חום לא יכול לשחרר את השרשראות, ולכן תרמוסט אינו נמס; אם מחממים אותו מספיק, הוא מתפחם. מעצבים אותו פעם אחת, כשהוא מתקשה, ואי אפשר לצקת אותו מחדש.
נסו: בחרו תרמוסט בקשרים צולבים והזיזו את מתיחה לאט. הקו בגרף מטפס בתלילות ומסתיים בסביבות 4%. אחר כך השוו לגומי, שהקו שלו צמוד לתחתית הגרף לאורך כל הדרך עד 100%.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
שרשראות אמיתיות ארוכות פי מאות מאלה שמצוירות כאן, ולכן בפלסטיק אמיתי הן מסתבכות הרבה יותר. לטמפרטורה יש השפעה גדולה: מתחת לטמפרטורת המעבר הזכוכיתי של פולימר, השרשראות שלו קפואות במקומן, ולכן כדור גומי מתנפץ אחרי טבילה בחנקן נוזלי, ולכן התרמוסט כאן דמוי זכוכית. גם מהירות המשיכה חשובה, כי השרשראות צריכות זמן כדי להחליק. תרמופלסטים רבים, וביניהם פוליאתילן, גבישיים בחלקם, עם שרשראות מקופלות בערימות מסודרות בין האזורים הסבוכים, ורצועה שנמשכת נעשית דקה במקום אחד, צוואר, שנודד אחר כך לאורכה בזמן שהשרשראות בצוואר מסתדרות בשורה. המודל, לעומת זאת, מותח את הגוש באופן אחיד. הקשרים הצולבים כאן ממוקמים באקראי בין שרשראות קרובות; בפועל הכימיה קובעת היכן הם נוצרים, וגומי עם מעט קשרים צולבים צריך לפחות בערך קשר אחד לכל שרשרת לפני שהוא מחזיק יחד כרשת אחת.