Полимеры представляют собой высокомолекулярные соединения, состоящие из множества одинаковых или различных молекул, называемых мономерами, соединённых между собой в длинные цепи. В отличие от простых молекул, полимеры обладают уникальными физико-химическими свойствами, которые зависят от структуры молекул, их размеров, а также условий синтеза и обработки материала. Важнейшими характеристиками полимеров являются молекулярная масса, степень кристалличности, термопластичность и механические свойства, которые могут быть разнообразно изменены в зависимости от условий их применения.
Полимеры можно классифицировать по различным признакам, что позволяет выбрать материалы с нужными свойствами для различных технологий и приложений.
Структура полимеров является ключевым фактором, определяющим их физические и химические свойства. Полимерные молекулы могут иметь линейную, разветвленную или сетчатую структуру, что существенно влияет на такие характеристики, как прочность, эластичность и растворимость.
Линейные полимеры представляют собой цепочки, состоящие из длинных последовательностей мономерных единиц, соединённых ковалентными связями. Эти полимеры обладают высокой степенью молекулярного упорядочения, что делает их твердыми и прочными при высокой молекулярной массе.
Разветвленные полимеры содержат боковые цепи, отходящие от основной молекулы. Эти боковые ветви могут быть как короткими, так и длинными, что влияет на физические свойства материала, включая его вязкость, прозрачность и способность к образованию гелей.
Сетчатые полимеры обладают трехмерной сетчатой структурой, образующейся в процессе полимеризации, что придаёт им высокую прочность и стойкость к воздействию растворителей и высокой температуре. Эти полимеры имеют свою специфику применения в производстве твердых и термостойких материалов, таких как эпоксидные смолы.
Молекулярная масса полимеров оказывает большое влияние на их физические свойства. Полимеры с высокой молекулярной массой обладают лучшими механическими характеристиками, например, высокой прочностью на растяжение и жесткостью. Однако полимеры с меньшей молекулярной массой, как правило, легче перерабатываются, так как они имеют более низкую вязкость расплава.
Молекулярная масса полимеров не является постоянной величиной для всех молекул. Это связано с тем, что в процессе полимеризации образуется распределение молекулярных масс. Средняя молекулярная масса (Mw) часто используется для характеристики полимера, а также распределение молекулярных масс (PDI) играет ключевую роль в оценке свойств материалов.
Механические свойства полимеров зависят от их молекулярной массы, структуры и степени кристалличности. Важнейшими характеристиками являются прочность на растяжение, модуль упругости, вязкость и эластичность. Полимеры могут быть как жесткими, так и эластичными, в зависимости от природы связей и молекулярной структуры. Например, термопластичные полимеры, как полиэтилен, обладают высокой эластичностью, в то время как термореактивные полимеры более жесткие.
Термопластичность полимеров определяется их температурой стеклования (Tg) и температурой плавления (Tm). При температуре ниже Tg полимер остаётся твердым и хрупким, а при повышении температуры до Tg начинает мягчать. Температура плавления характерна для кристаллических полимеров, при которой они переходят в жидкую фазу.
Полимеры обладают широким спектром электрических и оптических свойств. Например, некоторые полимеры, такие как полиметилметакрилат, являются прозрачными и используются в оптике, в то время как другие, как полиэтилен, имеют плохую проводимость. В последние годы развиваются кондуктивные полимеры, которые обладают проводимостью и могут быть использованы в электронике.
Полимеры могут обладать различной степенью химической стойкости в зависимости от структуры. Полимеры, состоящие из насыщенных углеродных цепей (например, полиэтилен), часто проявляют отличную стойкость к кислотам, щелочам и органическим растворителям. Полимеры, содержащие функциональные группы, как в случае полиамидов или полиэфиров, могут быть более чувствительны к воздействию химических веществ.
Полимеры могут быть аморфными, полукристаллическими или кристаллическими в зависимости от организации молекул в их структуре. Аморфные полимеры, такие как полистирол, имеют беспорядочную структуру, что обуславливает их высокую прозрачность и низкую прочность на растяжение. Кристаллические полимеры, такие как полиэтилен, имеют упорядоченные участки молекул, что придаёт им высокую прочность и термостойкость.
Полукристаллические полимеры обладают как аморфными, так и кристаллическими зонами, что позволяет им сочетать в себе хорошие механические и термические свойства. Степень кристалличности полимеров зависит от скорости охлаждения и условий синтеза, а также от их молекулярной массы.
Синтез полимеров может быть осуществлен различными методами, каждый из которых имеет свои особенности и ограничения. Основные методы включают:
Этот метод заключается в реакции двух или более монофункциональных мономеров с образованием высокомолекулярных соединений и выделением маломолекулярных веществ. Примеры таких полимеров – полиэфиры, полиамиды.
Полимеры находят широкое применение в различных отраслях, включая упаковочную промышленность, медицину, строительство, автомобильную промышленность и многие другие. В медицине используются биодеградируемые полимеры, в то время как в строительстве – полимеры с высокой стойкостью к внешним воздействиям. Одним из наиболее перспективных направлений является развитие функциональных и умных полимерных материалов, которые могут изменять свои свойства в ответ на внешние воздействия, такие как температура, свет или давление.