Полимеры представляют собой высокомолекулярные соединения, состоящие из повторяющихся звеньев — мономеров. Основной характеристикой полимера является молекулярная масса и распределение молекулярной массы, которые определяют физико-химические свойства материала. Высокомолекулярные цепи могут быть линейными, разветвлёнными или сетчатыми, что непосредственно влияет на вязкость расплава, прочность и термостабильность.
Линейные полимеры характеризуются высокой подвижностью макромолекул, что способствует кристаллизуемости при охлаждении. Разветвлённые структуры обладают меньшей упорядоченностью и чаще формируют аморфные фазы. Сетчатые полимеры образуются в результате химического сшивания цепей, что увеличивает механическую прочность и химическую стойкость, снижая растворимость.
Степень кристалличности является ключевым фактором, определяющим механические и термические свойства полимера. Кристаллические области формируются из упорядоченных сегментов цепей и характеризуются высокой плотностью и температурой плавления. Аморфные области обладают большей подвижностью сегментов, низкой плотностью и отсутствием четкой температуры плавления.
Полимеры часто представляют собой смешанные структуры, состоящие из кристаллических и аморфных областей. Процент кристалличности влияет на прочность, прозрачность, диффузионные свойства и химическую устойчивость материала.
Термические характеристики полимеров включают температуру стеклования (Tg) и температуру плавления (Tm). Температура стеклования соответствует переходу аморфной фазы из твёрдого состояния в высокоэластичное, при котором макромолекулы получают возможность сегментарного движения. Температура плавления характерна для кристаллических областей и определяется прочностью межмолекулярных взаимодействий.
Термическая стабильность зависит от химической структуры цепей: ароматические и насыщенные полимеры демонстрируют высокую устойчивость к разложению, тогда как полимеры с легко разрываемыми боковыми группами более подвержены термическому разрушению.
Механические характеристики полимеров включают прочность на разрыв, модуль упругости, ударную вязкость и твердость. Линейные и частично кристаллические полимеры демонстрируют высокую эластичность и упругость, разветвлённые и аморфные — меньшую прочность, но большую ударную вязкость. Сетчатые структуры обладают высокой прочностью и химической устойчивостью, но теряют деформируемость.
Эластичность зависит от подвижности макромолекул: в аморфных полимерах сегменты свободно перемещаются при температуре выше Tg, обеспечивая пластичность. Кристаллические области ограничивают движение цепей, увеличивая модуль упругости.
Свойства полимеров определяются химической природой мономеров и наличием функциональных групп. Полимеры с полярными группами (гидроксил, карбоксил, амин) обладают повышенной гидрофильностью и адгезией к другим материалам. Неполярные полимеры (полипропилен, полиэтилен) демонстрируют химическую инертность и низкую влагопоглощаемость. Ароматические структуры обеспечивают термостойкость и механическую прочность, в то время как насыщенные углеродные цепи увеличивают гибкость.
Боковые группы и длина цепей влияют на взаимодействия между макромолекулами, такие как водородные связи, ван-дер-ваальсовы силы и диполь-дипольные взаимодействия, что определяет плотность упаковки и механические характеристики.
Смешение полимеров с различной структурой и свойствами позволяет получать материалы с заданными характеристиками. Композиты включают полимерную матрицу и армирующие наполнители: стекловолокно, углеродные нанотрубки, минералы. Армирование повышает модуль упругости, прочность на разрыв и термостойкость. Физико-химическая совместимость компонентов критична для однородности материала и предотвращения фазового разделения.
Методы обработки полимеров, такие как экструзия, литьё, каландрирование и термоформование, изменяют ориентацию цепей и кристалличность. Быстрое охлаждение расплава способствует формированию аморфной структуры, тогда как медленное охлаждение усиливает кристаллические области. Механическая ориентация при вытяжке увеличивает прочность и модуль упругости в направлении вытяжки.
Химические модификации, включая сшивку, пластификацию, добавление стабилизаторов и наполнителей, позволяют регулировать термическую, механическую и химическую стабильность полимеров.
Полимеры могут быть диэлектриками, полупроводниками или проводниками в зависимости от структуры цепей и наличия π-систем. Аморфные полимеры часто прозрачны, тогда как кристаллические области придают материалу мутность. Флуоресцентные и светопоглощающие добавки расширяют функциональность полимерных материалов в оптоэлектронике и фотонике.