Полимерная химия

Часть основы из нейлона 6,6 .

Химия полимеров — это раздел химии , который фокусируется на структуре химических веществ, химическом синтезе , а также химических и физических свойствах полимеров и макромолекул . Принципы и методы, используемые в химии полимеров, также применимы в широком спектре других химических дисциплин, таких как органическая химия , аналитическая химия и физическая химия . Многие материалы имеют полимерную структуру: 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 композиционных материалов. Химию полимеров можно также включить в более широкие области науки о полимерах или даже нанотехнологий , которые можно охарактеризовать как охватывающие физику полимеров и инженерию полимеров .

История

Работы Анри Браконно в 1777 году и работы Кристиана Шёнбейна в 1846 году привели к открытию нитроцеллюлозы , которая при обработке камфорой давала целлулоид . Растворенный в эфире или ацетоне , он превращается в коллодий , который использовался в качестве перевязочного материала для ран 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 Илер 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. В 1907 году Лео Бакеланд изобрел первый полимер, полученный независимо от продуктов жизнедеятельности организмов , термореактивную фенолформальдегидную — смолу , названную бакелитом . Примерно в то же время Герман Лойхс сообщил о синтезе N-карбоксиангидридов аминокислот и их высокомолекулярных продуктов при реакции с нуклеофилами, но не стал называть их полимерами, возможно, из-за сильных взглядов, которых придерживался Эмиль Фишер , его непосредственный руководитель. руководитель, отрицая возможность существования какой-либо ковалентной молекулы, превышающей 6000 дальтон. Целлофан был изобретен в 1908 году Жоком Бранденбергером, который обрабатывал листы вискозного волокна кислотой .

• Ведущие деятели химии полимеров
• 
  Герман Штаудингер , отец химии полимеров.
• 
  Уоллес Карозерс , изобретатель нейлона.
• 
  Стефани Кволек , изобретательница кевлара .

Структуры некоторых электропроводящих полимеров : полиацетилен ; полифениленвинилен ; полипиррол (X = NH) и политиофен (X = S); и полианилин (X = NH/N) и полифениленсульфид (X = S).

Структура полидиметилсилоксана , иллюстрирующая полимер с неорганической основной цепью.

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, за ней последовало расширение области химии полимеров, в ходе которого были изобретены такие полимерные материалы, как неопрен, нейлон и полиэстер. До Штаудингера полимеры считались кластерами небольших молекул ( коллоидов ) без определенной молекулярной массы , удерживаемых вместе неизвестной силой . Штаудингер получил Нобелевскую премию по химии в 1953 году. Уоллес Каротерс изобрел первый синтетический каучук под названием неопрен в 1931 году, первый полиэстер , а в 1935 году изобрел нейлон , настоящий заменитель шелка. Пол Флори был удостоен Нобелевской премии по химии. в 1974 году за работу над случайными конфигурациями полимерных клубков 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 полимеризации алкенов . Алан Дж. Хигер , Алан МакДиармид и Хидеки Сиракава были удостоены Нобелевской премии по химии 2000 года за разработку полиацетилена и родственных проводящих полимеров. Полиацетилен сам по себе не нашел практического применения, но органические светодиоды (OLED). в качестве одного из применений проводящих полимеров появились

Программы обучения и исследований в области химии полимеров были введены в 1940-х годах. Институт макромолекулярной химии был основан в 1940 году во Фрайбурге, Германия, под руководством Штаудингера. В Америке Институт исследования полимеров (PRI) был основан в 1941 году Германом Марком в Политехническом институте Бруклина (ныне Политехнический институт Нью-Йоркского университета ).

Полимеры и их свойства

Вязкость растворов полимеров является ценным параметром. вискозиметры . Для таких измерений используются такие

Полимеры — высокомолекулярные соединения, образующиеся в полимеризации мономеров результате . Они синтезируются в процессе полимеризации и могут быть модифицированы добавкой мономеров. Добавки мономеров изменяют механические свойства полимеров, технологичность, долговечность и т.д. Простая реакционноспособная молекула, из которой образуются повторяющиеся структурные единицы полимера, называется мономером. Полимер концевые можно описать по-разному: степень полимеризации , распределение молярной массы , тактичность , распределение сополимера , степень разветвления , его группы , сшивки , кристалличность и термические свойства, такие как температура стеклования и температура плавления. Полимеры в растворе обладают особыми характеристиками в отношении растворимости , вязкости и гелеобразования . Для иллюстрации количественных аспектов химии полимеров особое внимание уделяется среднечисленным и средневесовым молекулярным массам. $M_{n}$ и $M_{w}$, соответственно.

$M_{n}={\frac {\sum M_{i}N_{i}}{\sum N_{i}}},\quad M_{w}={\frac {\sum M_{i}^{2}N_{i}}{\sum M_{i}N_{i}}},\quad$

Образование и свойства полимеров были рационализированы многими теориями, включая теорию Шойтьенса-Флера , теорию решения Флори-Хаггинса , механизм Косси-Арлмана , теорию поля полимера , теорию нуклеации Хоффмана , теорию Флори-Стокмайера и многие другие.

Сегменты полипропилена , демонстрирующие немного разные структуры изотактических (вверху) и синдиотактических (внизу) полимеров.

Изучение термодинамики полимеров помогает улучшить свойства различных материалов на полимерной основе, таких как полистирол (пенопласт) и поликарбонат . Общие улучшения включают повышение прочности , улучшение ударопрочности , улучшение биоразлагаемости материала и изменение растворимости .

Вязкость

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.

Композиты образуются путем объединения полимерных материалов в общую структуру со свойствами, отличающимися от суммы отдельных компонентов.

Классификация

Полимеры можно классифицировать по-разному. Строго говоря, полимеры составляют большую часть твердого вещества: минералы (то есть большая часть земной коры) представляют собой в основном полимеры, металлы — это трехмерные полимеры, организмы, живые и мертвые, состоят в основном из полимеров и воды. Часто полимеры классифицируют по происхождению:

• биополимеры
• синтетические полимеры
• неорганические полимеры

Нить целлюлозы, показывающая водородные связи (пунктирные) внутри и между цепями.

Биополимеры — это структурные и функциональные материалы, составляющие большую часть органического вещества в организмах. Одним из основных классов биополимеров являются белки , которые образуются из аминокислот . Полисахариды , такие как целлюлоза , хитин и крахмал , представляют собой биополимеры, полученные из сахаров. Полинуклеиновые кислоты ДНК и РНК происходят из фосфорилированных сахаров с подвесными нуклеотидами, несущими генетическую информацию.

Синтетические полимеры — это конструкционные 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 , поли(метилметакрилат) , поливинилхлорид , нейлон и вискозу . К термореактивным пластикам относятся вулканизированная резина , бакелит , кевлар и полиэпоксид . Почти все синтетические полимеры получают из нефтехимической продукции .

См. также

• Полимер
• Полимерная наука
• Физика полимеров
• Химия
• Полимерная топология