Úvod

Bezmyšlenkovitě použijeme a zničíme každodenně desítky různých obalů, oblékáme oděvy obsahující umělá vlákna, hrajeme si s balony, žvýkáme žvýkačky, děti nosí plenkové kalhotky atd. Vše toto by neexistovalo nebýt jedné oblasti fyziky, a to fyziky polymerů. Fyzika polymerů zatím do učebních plánů nepronikla, ale žákům ji můžeme zviditelnit pomocí jednoduchých experimentů.

Začneme například u gumy. Každý z nás ví, co je to guma. Nebo si alespoň myslí, že to ví. Je to zvláštní materiál mající mnoho překvapivých vlastností.

Guma je polymer. Co to je? Polymery najdeme v textilních vláknech (perlonu, nylonu), ve voscích, lepidlech, v biopolymerech jako proteiny, nukleové kyseliny, ve stavebninách. Základní stavební jednotkou polymerů jsou makromolekuly. Přitom všechny makromolekuly obsahují alespoň jeden řetězec táhnoucí se celou molekulou. Jedná se o řetězec různě zavěšených uhlíkových atomů. Tyto základní jednotky jsou tzv. monomery. Polymer se může skládat až z několika set tisíc monomerů. Řetězce se různě roztékají, spojují, tvoří sítě.

Experiment 1

Porovnejme polymer a tuhou látku (guma – pružina): pro gumu např. neplatí Hookův zákon, (pružinu lze prodloužit jen jako celek o 100 %, u gumy se prodlužují jednotlivé elementy až o 600 %), lze naměřit nelineární závislost mezi působící silou a protažením gumy (konformace řetězce polymeru). Navíc při protažení gumy dochází k částečné krystalizaci (obr. 2b).

Obr. 1: Protažení a) pružiny, b) gumy

Obr. 2: Částečná krystalizace při prodloužení gumy

Experiment 2

Zkoumejme chování polymerů pod vlivem vody – žvýkačka je tzv. frustrovaný polymer (čeká na vodu - změkne slinami a vlivem vyšší teploty). Podobně se chovají kojenecké pleny. Zkuste určit hmotnost žvýkačky při vyjmutí z obalu a po deseti minutách žvýkání! Kolik vody pojmou plenkové kalhotky?

Experiment 3

Vyrobíme disk z jogurtového kelímku – zakoupíme jogurt, který je v plastovém kelímku označeném zkratkou PS. Jogurt sníme. Očištěný kelímek ponoříme do vařící vody, nádobu uzavřeme tak, abychom získali teplotu vyšší než 100 °C. Po několika minutách máme disky hotové. Jogurtové kelímky se smrští do tvaru disku. Místo vody lze použít i parafínový olej, který vře při teplotě 110 stupňů. Potom lze celý proces sledovat (obr.3a, 3b, 3c).

Vysvětlení: PS je termoplast, při zahřátí jej můžeme formovat, když se ochladí, opět ztvrdne. Polystyrol je složen z dlouhých molekulových řetězců, které při zahřátí po sobě kloužou (chovají se jako špagety – jsou-li čerstvě uvařené, lehce po sobě kloužou, necháme-li je vychladnout v hrnci ve vodě jak vařily, zachovají si uvedený tvar a ztvrdnou. Jednotlivé nudle potom již nelze vytáhnout.) Při výrobě jogurtových kelímků se postupuje tak, že desky z plastu se zahřejí na určitou teplotu, položí se na formy, ze kterých zespodu odsajeme vzduch. Vlivem vzniklého vakua je plast vtažen do formy. Molekulové řetězce jsou takto namáhány a po ochlazení jsou pod napětím. Nemohou se však pohybovat a zůstávají ve tvaru, který jim byl vnucen. Svůj stav bez napětí však nezapomněly. To se ukáže, když je zahřejeme – pak se mohou vrátit do původního stavu. Kelímky se vracejí do původního tvaru desky. Polymery jsou materiály s pamětí.

Obr. 3a	Obr. 3b	Obr. 3c

Experiment 4

Vyrobíme vlákna ze zbytků lahví PET, popř. obalů HDPE, LDPE. Z obalů nařežeme menší kousky (1x1 cm) , které dáme do ploché misky vytvarované z alobalu. Tuto misku položíme na plotýnkový vařič a zahříváme. Do tajícího polymeru ponoříme skleněnou nebo dřevěnou tyčinku a pomalým pohybem vytahujeme plastové vlákno. Můžeme zkoumat pevnost vlákna v tahu a soutěžit, které vlákno bude nejdelší. (obr. 4a, b)

Obr. 4a		Obr. 4b

Toto je přetisk článku Polymery – vybrané experimenty, který byl součástí starší verze FyzWebu od října 2003. Autorkou článku je Renata Holubová z Přírodovědecké fakulty UP v Olomouci.