Полимеры представляют собой вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся структурных звеньев, соединённых ковалентными связями в длинные цепи или сетки. Эти молекулы отличаются чрезвычайно большой молекулярной массой и сложным строением, что определяет их физико-химические свойства, резко отличающиеся от свойств низкомолекулярных соединений. Термин «макромолекулы» был введён Г. Штаудингером в начале XX века для обозначения индивидуальных молекул огромных размеров, составляющих основу полимеров.
Строение макромолекул подчиняется общим законам химической связи, однако в силу их размеров важную роль играют не только ковалентные связи внутри цепей, но и межмолекулярные взаимодействия: водородные связи, ван-дер-ваальсовы силы, ионные взаимодействия.
Линейные полимеры. Молекулы состоят из одной длинной цепи, звенья которой соединены последовательно. Такие структуры характерны для полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида. Линейные полимеры могут образовывать кристаллические и аморфные участки, что определяет их механическую прочность и температуру плавления.
Разветвлённые полимеры. Основная цепь несёт боковые ответвления различной длины. Примером служит низкоплотный полиэтилен (LDPE), в котором множество коротких боковых цепей препятствуют плотной упаковке макромолекул, что снижает плотность и повышает эластичность материала.
Сетчатые и пространственные полимеры. Макромолекулы соединяются поперечными сшивками в трёхмерные структуры. Такие материалы характеризуются высокой прочностью и термостойкостью, они не плавятся, а разлагаются при нагревании. Классическим примером является бакелит, получаемый конденсацией фенола и формальдегида.
Сополимеры. Состоят из двух или более различных мономерных звеньев, расположенных в цепи в определённой последовательности. Существуют статистические, чередующиеся, блок- и привитые сополимеры, обладающие комбинацией свойств исходных мономеров.
Основу макромолекул составляют прочные σ-связи между атомами углерода и другими элементами. Дополнительную устойчивость в ароматических и сопряжённых системах обеспечивают π-связи, что придаёт жёсткость и повышает термостойкость полимерам на основе бензольных колец или гетероциклов.
Важную роль играют также межмолекулярные взаимодействия:
Баланс прочных ковалентных связей и слабых межмолекулярных взаимодействий определяет как механическую прочность, так и пластичность материала.
Макромолекулы способны формировать различные морфологические структуры. В линейных полимерах различают кристаллические и аморфные области. Кристаллические участки образуются благодаря параллельной укладке цепей, что повышает плотность, прочность и химическую стойкость. Аморфные области характеризуются хаотической ориентацией цепей, что придаёт гибкость и ударную вязкость. Соотношение кристаллической и аморфной фаз определяет эксплуатационные свойства полимера.
Особый интерес представляют жидкокристаллические полимеры, макромолекулы которых выстраиваются в упорядоченные мезофазы, сочетающие свойства жидкостей и кристаллов.
Полимеры проявляют уникальные свойства, отличающие их от низкомолекулярных веществ:
Температурные характеристики играют решающую роль: температура стеклования (Tg) и температура плавления (Tm) определяют диапазон эксплуатации материала.
Существуют два основных типа процессов:
Современные методы позволяют управлять молекулярной массой, архитектурой макромолекул и тактической упорядоченностью, что открывает путь к созданию материалов с заранее заданными свойствами.
К естественным полимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Их макромолекулы образованы аминокислотами, нуклеотидами или сахарами, соединёнными ковалентными связями. Пространственная организация этих молекул играет ключевую роль в биологических функциях: ферментативной активности, хранении и передаче наследственной информации, формировании клеточных структур.
Полимеры и макромолекулы лежат в основе современных материаловедения и биохимии. На их основе создаются пластмассы, синтетические волокна, резины, клеи, покрытия, биосовместимые материалы, мембраны для разделения и очистки. Влияние химической связи и молекулярной архитектуры на свойства макромолекул делает данную область фундаментальной для понимания природы вещества и создания новых технологий.