Введение
Полимерная химия – это подраздел химии, который изучает структуру химических веществ, химический синтез, а также химические и физические свойства полимеров и макромолекул. Принципы и методы, используемые в полимерной химии, также применимы в широком спектре других химических подразделов, таких как органическая химия, аналитическая химия и физическая химия. Многие материалы имеют полимерную структуру, начиная от полностью неорганических металлов и керамики и заканчивая ДНК и другими биологическими молекулами. Однако полимерная химия обычно связана с синтетическими и органическими соединениями. Синтетические полимеры широко распространены в коммерческих материалах и продуктах повседневного использования, таких как пластмассы и каучуки, и являются основными компонентами композитных материалов. Полимерная химия также может быть включена в более широкие области полимерной науки или даже нанотехнологии, которые можно охарактеризовать как охватывающие полимерную физику и полимерную инженерию.
Polymer chemistry is a sub discipline of chemistry that focuses on the structures of chemicals, chemical synthesis, and chemical and physical properties of polymers and macromolecules. The principles and methods used within polymer chemistry are also applicable through a wide range of other chemistry sub disciplines like organic chemistry, analytical chemistry, and physical chemistry. Many materials have polymeric structures, from fully inorganic metals and ceramics to DNA and other biological molecules. However, polymer chemistry is typically related to synthetic and organic compositions. Synthetic polymers are ubiquitous in commercial materials and products in everyday use, such as plastics, and rubbers, and are major components of composite materials. Polymer chemistry can also be included in the broader fields of polymer science or even nanotechnology, both of which can be described as encompassing polymer physics and polymer engineering.
История
Работа Анри Браконно в 1777 году и работа Кристиана Шёнбейна в 1846 году привели к открытию нитроцеллюлозы, которая при обработке камфорой давала целлулоид. Растворённая в эфире или ацетоне, она становится коллодием, который использовался в качестве перевязочного материала со времён Гражданской войны в США. Ацетат целлюлозы был впервые получен в 1865 году. В период с 1834 по 1844 год было установлено, что свойства каучука (полиизопрена) значительно улучшаются при нагревании с серой, что положило начало процессу вулканизации. В 1884 году Илер де Шардонне запустил первое производство искусственного волокна на основе регенерированной целлюлозы, или вискозного раёна, как заменителя шёлка, однако он был очень легковоспламеняющимся. В 1907 году Лео Бакеланд изобрел первый полимер, созданный независимо от органических продуктов, – термореактивную фенолформальдегидную смолу, известную как бакелит. Приблизительно в то же время Герман Лейхс сообщил о синтезе N-карбоксиангидридов аминокислот и продуктов с высокой молекулярной массой, образующихся при их реакции с нуклеофилами, но воздержался от названия их полимерами, возможно, из-за твёрдых убеждений Эмиля Фишера, его непосредственного научного руководителя, отрицавшего возможность существования ковалентных молекул, превышающих 6000 дальтон. Целлофан был изобретён в 1908 году Жоком Бранденбергером, который обрабатывал листы вискозного раёна кислотой. Химик Герман Штаудингер первым предположил, что полимеры состоят из длинных цепей атомов, связанных ковалентными связями, которые он назвал макромолекулами. Его работа расширила химическое понимание полимеров и привела к развитию полимерной химии, в ходе которого были изобретены такие полимерные материалы, как неопрен, нейлон и полиэстер. До работ Штаудингера полимеры считались скоплениями небольших молекул (коллоидов) без определённого молекулярного веса, удерживаемых вместе неизвестной силой. Штаудингер получил Нобелевскую премию по химии в 1953 году. Уоллес Карротерс изобрел первый синтетический каучук, неопрен, в 1931 году, первый полиэстер и в 1935 году – нейлон, полноценную замену шёлку. Полу Флори был удостоен Нобелевской премии по химии в 1974 году за его исследования конфигураций случайных полимерных клубочков в растворе, проведённые в 1950-х годах. Стефани Кволек разработала арамид, или ароматический нейлон, известный как кевлар, патент на который был получен в 1966 году. Карл Циглер и Джулио Натта получили Нобелевскую премию за открытие катализаторов для полимеризации алкенов. Алан Хигер, Алан МакДиармид и Хидеки Сиракава были удостоены Нобелевской премии по химии в 2000 году за разработку полиацетилена и связанных с ним проводящих полимеров. Сам полиацетилен не нашёл практического применения, но органические светоизлучающие диоды (OLED) стали одним из применений проводящих полимеров. В 1940-х годах были внедрены учебные и исследовательские программы по полимерной химии. Институт макромолекулярной химии был основан в 1940 году во Фрайбурге (Германия) под руководством Штаудингера. В Америке Институт полимерных исследований (PRI) был создан в 1941 году Германом Марком в Политехническом институте Бруклина (ныне Политехнический институт Нью-Йоркского университета).
Полимеры и их свойства
Полимеры – это соединения с высокой молекулярной массой, образующиеся в результате полимеризации мономеров. Они синтезируются посредством процесса полимеризации и могут быть модифицированы добавлением мономеров. Добавление мономеров изменяет механические свойства полимеров, технологичность, долговечность и другие характеристики. Простая реакционноспособная молекула, из которой происходят повторяющиеся структурные единицы полимера, называется мономером. Полимер может быть описан различными способами: степенью полимеризации, распределением молярных масс, тактичностью, составом сополимера, степенью разветвления, концевыми группами, поперечными связями, кристалличностью и термическими свойствами, такими как температура стеклования и температура плавления. Полимеры в растворе обладают особыми характеристиками в отношении растворимости, вязкости и гелеобразования. В качестве иллюстрации количественных аспектов химии полимеров особое внимание уделяется среднечисловой и средневесовой молекулярным массам, обозначаемым как и , соответственно. Формирование и свойства полимеров объясняются множеством теорий, включая теорию Шейтженса – Флиера, теорию растворов Флори – Хаггинса, механизм Коссе – Арлмана, теорию поля полимера, теорию зародышеобразования Хоффмана, теорию Флори – Стокмайера и многие другие. Изучение термодинамики полимеров способствует улучшению свойств различных полимерных материалов, таких как полистирол (пенопласт) и поликарбонат. Типичные улучшения включают повышение ударной вязкости, улучшение ударопрочности, повышение биоразлагаемости и изменение растворимости материала.
Вязкость
По мере увеличения длины полимеров и роста их молекулярной массы, их вязкость обычно возрастает. Таким образом, измеренная вязкость полимеров может дать ценную информацию о средней длине полимерных цепей, о ходе реакций и о характере разветвления полимера.