Химия полимеров — это раздел химии , который фокусируется на структурах химикатов, химическом синтезе , а также химических и физических свойствах полимеров и макромолекул . Принципы и методы, используемые в химии полимеров, также применимы в широком спектре других разделов химии, таких как органическая химия , аналитическая химия и физическая химия . Многие материалы имеют полимерные структуры, от полностью неорганических металлов и керамики до ДНК и других биологических молекул . Однако химия полимеров обычно связана с синтетическими и органическими композициями . Синтетические полимеры повсеместно встречаются в коммерческих материалах и продуктах повседневного использования, таких как пластмассы и резины , и являются основными компонентами композитных материалов. Химия полимеров также может быть включена в более широкие области науки о полимерах или даже нанотехнологии , обе из которых можно описать как охватывающие физику полимеров и полимерную инженерию . [1] [2] [3] [4]
Работа Анри Браконно в 1777 году и работа Кристиана Шёнбейна в 1846 году привели к открытию нитроцеллюлозы , которая при обработке камфарой давала целлулоид . Растворенный в эфире или ацетоне , он становится коллодием , который использовался в качестве перевязочного материала со времен Гражданской войны в США . Ацетат целлюлозы был впервые получен в 1865 году. В 1834-1844 годах было обнаружено, что свойства каучука ( полиизопрена ) значительно улучшаются при нагревании с серой , что положило начало процессу вулканизации .
В 1884 году Илэр де Шардонне запустил первый завод по производству искусственного волокна на основе регенерированной целлюлозы , или вискозного волокна , в качестве заменителя шелка , но оно было очень огнеопасным. [5] В 1907 году Лео Бакеланд изобрел первый полимер, полученный независимо от продуктов организмов , термореактивную фенолформальдегидную смолу под названием бакелит . Примерно в то же время Герман Лейхс сообщил о синтезе аминокислот N-карбоксиангидридов и их высокомолекулярных продуктов при реакции с нуклеофилами, но воздержался от упоминания их как полимеров, возможно, из-за сильных взглядов, поддерживаемых Эмилем Фишером , его непосредственным руководителем, отрицавшим возможность существования любой ковалентной молекулы, превышающей 6000 дальтон. [6] Целлофан был изобретен в 1908 году Жоком Бранденбергером, который обрабатывал листы вискозного волокна кислотой . [ 7]
Химик Герман Штаудингер первым предположил, что полимеры состоят из длинных цепочек атомов, удерживаемых вместе ковалентными связями , которые он назвал макромолекулами . Его работа расширила химическое понимание полимеров и последовало расширение области полимерной химии, в ходе которого были изобретены такие полимерные материалы, как неопрен, нейлон и полиэстер. До Штаудингера считалось, что полимеры представляют собой кластеры небольших молекул ( коллоиды ) без определенного молекулярного веса , удерживаемые вместе неизвестной силой . Штаудингер получил Нобелевскую премию по химии в 1953 году. Уоллес Карозерс изобрел первый синтетический каучук, названный неопреном , в 1931 году, первый полиэстер , а затем изобрел нейлон , настоящую замену шелка, в 1935 году. Пол Флори был удостоен Нобелевской премии по химии в 1974 году за свою работу по конфигурациям случайных клубков полимеров в растворе в 1950-х годах. Стефани Кволек разработала арамид , или ароматический нейлон под названием кевлар , запатентованный в 1966 году. Карл Циглер и Джулио Натта получили Нобелевскую премию за открытие катализаторов для полимеризации алкенов . Алан Дж. Хигер , Алан МакДиармид и Хидеки Сиракава были удостоены Нобелевской премии по химии 2000 года за разработку полиацетилена и родственных ему проводящих полимеров. [8] Сам полиацетилен не нашел практического применения, но органические светодиоды (OLED) появились как одно из применений проводящих полимеров. [9]
Программы обучения и исследований в области химии полимеров были введены в 1940-х годах. Институт химии макромолекул был основан в 1940 году во Фрайбурге, Германия, под руководством Штаудингера. В Америке в 1941 году Герман Марк основал Институт исследований полимеров (PRI) в Политехническом институте Бруклина (ныне Политехнический институт Нью-Йоркского университета ).
Полимеры — это высокомолекулярные соединения, образованные полимеризацией мономеров . Они синтезируются в процессе полимеризации и могут быть модифицированы добавлением мономеров. Добавки мономеров изменяют механические свойства полимеров, технологичность, долговечность и т. д. Простая реактивная молекула, из которой получены повторяющиеся структурные единицы полимера, называется мономером. Полимер можно описать многими способами: его степенью полимеризации , распределением молярной массы , тактичностью , распределением сополимера , степенью разветвленности , его концевыми группами , сшивками , кристалличностью и термическими свойствами, такими как температура стеклования и температура плавления. Полимеры в растворе обладают особыми характеристиками в отношении растворимости , вязкости и гелеобразования . Иллюстрируя количественные аспекты химии полимеров, особое внимание уделяется среднечисленным и средневесовым молекулярным массам и , соответственно.
Образование и свойства полимеров были объяснены многими теориями, включая теорию Шойтенса–Флира , теорию растворения Флори–Хаггинса , механизм Косси–Арлмана , теорию полимерного поля , теорию зародышеобразования Хоффмана , теорию Флори–Стокмайера и многие другие.
Изучение термодинамики полимеров помогает улучшить свойства различных полимерных материалов, таких как полистирол (пенополистирол) и поликарбонат . Распространенные улучшения включают упрочнение , улучшение ударопрочности , улучшение биоразлагаемости и изменение растворимости материала . [10]
По мере того, как полимеры становятся длиннее и их молекулярная масса увеличивается, их вязкость имеет тенденцию к увеличению. Таким образом, измеренная вязкость полимеров может предоставить ценную информацию о средней длине полимера, ходе реакций и о том, каким образом полимер разветвляется. [11]
Полимеры можно классифицировать многими способами. Полимеры, строго говоря, составляют большую часть твердого вещества: минералы (т.е. большая часть земной коры) в основном являются полимерами, металлы — трехмерными полимерами, организмы, живые и мертвые, в основном состоят из полимеров и воды. Часто полимеры классифицируют по их происхождению:
Биополимеры — это структурные и функциональные материалы, которые составляют большую часть органического вещества в организмах. Одним из основных классов биополимеров являются белки , которые являются производными аминокислот . Полисахариды , такие как целлюлоза , хитин и крахмал , являются биополимерами, полученными из сахаров. Полинуклеиновые кислоты ДНК и РНК являются производными фосфорилированных сахаров с боковыми нуклеотидами, которые несут генетическую информацию.
Синтетические полимеры — это структурные материалы, представленные в пластмассах , синтетических волокнах , красках , строительных материалах , мебели , механических деталях и клеях . Синтетические полимеры можно разделить на термопластичные полимеры и термореактивные пластмассы . Термопластичные полимеры включают полиэтилен , тефлон , полистирол , полипропилен , полиэстер , полиуретан , полиметилметакрилат , поливинилхлорид , нейлоны и вискозу . Термореактивные пластмассы включают вулканизированную резину , бакелит , кевлар и полиэпоксид . Почти все синтетические полимеры получают из нефтехимических продуктов .
{{citation}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )