Химия полимеров

Химия полимеров (химия высокомолекулярных соединений) — раздел химии, который изучает химические и физико-химические свойства, методы синтеза высокомолекулярных соединений и материалов на их основе, а также исходных реагентов (мономеров, олигомеров) для их получения. Включает исследования как искусственных (полиолефины, полиэфиры, полиамиды и другие соединения), так и природных полимеров (крахмал, целлюлоза, лигнин).

Предмет изучения

Химия полимеров изучает кинетику, катализ, механизмы реакций полимеризации, поликонденсации, полиприсоединения, деструкции и вулканизации полимеров, процессы их стабилизации и другие их химические превращения.

Химия полимеров устанавливает взаимосвязь между условий синтеза со структурой и свойствами получаемых высокомолекулярных соединений. Исследует, в связи с химическим строением, физические преобразования в полимерах и их растворах, а также структуру, физические, физико-механические свойства полимеров, поверхностные, межфазные и другие явления, происходящие в полимерных системах и композитах.

Основные направления исследований

• Синтез мономеров, новых инициирующих и каталитических систем, олигомеров для получения на их основе линейных, разветвлённых и сетчатых полимеров .
• Изучение реакций полимеризации, поликонденсации, полиприсоединения, полигетероциклизации механизма и кинетики этих реакций, влияния строения исходных реагентов и условий синтеза на закономерности реакций и свойства полимеров.
• Изучение механизмов реакций синтеза и химических превращений в высокомолекулярных соединениях под действием УФ, лазерной, радиационного и другого облучения, установление взаимосвязей между механизмом реакций и свойствами получившихся соединений.
• Исследование химических превращений в полимерах и полимерных системах, их механизма и закономерностей.
• Изучение процессов термической, термоокислительной, световой, механической и биологической деструкции и стабилизации полимеров; создание новых стабилизаторов, изучение их действия.
• Изучение закономерностей синтеза блок-сополимеров, привитых и сетчатых полимеров, взаимопроникающих полимерных сеток, механизма их формирования, установления взаимосвязи их свойств со структурой.
• Изучение структуры и физико-химических свойств полимеров, их растворов и гетерогенных полимерных систем.
• Исследование поверхностных и межфазных явлений в многокомпонентных полимерных системах, их структуры и свойств.
• Изучение физических процессов в полимерах и полимерных системах в связи с их составом и химическим строением полимерной матрицы.
• Химические и физико-химические основы формирования композиционных и мембранных полимерных материалов.

История

К концу 19 века структура полимерных материалов была малоизученной. На основе измерений давления насыщенного пара и осмотического давления было известно, что в этих случаях речь идет о больших молекулах с высокой молекулярной массой. Ошибочным было предположение о том, что это — коллоидные соединения.

Основателем химии полимеров считается немецкий химик Штаудингер. В 1917 году в своем докладе в швейцарской академии наук он сообщил, что высокомолекулярные соединения состоят из ковалентно связанных длинноцепочечных молекул, и в 1920-х годах опубликовал свою теорию в серии публикаций[1][2][3][4]. В 1953 году за свои работы Штаудингер получил Нобелевскую премию по химии.

Проведённые Г. Майером и Ф. Кларком в 1928 году рентгеноструктурные исследования каучука позволили определить его молекулярную массу, хотя полученные результаты оказались заниженными[5]. Причиной послужило отсутствие в то время сведений о том, что полимерные молекулы могут входить в состав многих кристаллитов, образующих структуру полимера. Правильные результаты были получены позднее в работах Т. Сведбега (нобелевский лауреат по химии 1926 г.) по исследованию биомолекул.

В начале 1950-х годов немецкий химик Карл Циглер предложил катализаторы на основе алкилалюминия и тетрахлорида титана, которые позволилиполимеризовать этилен в полиэтилен при комнатной температуре; ранее эту рекцию проводили при высоком давлении в стальных автоклавах. Синтезированный этим методом полиэтилен обладает более высокими физико-механическими свойствми. Итальянский ученый Джулио Натта, основываясь на работах Циглера, разработал аналогичную методику производства полипропилена[6]. Циглер и Натта получили за свои работы в 1963 году Нобелевскую премию по химии.

Работы Поля Флори и Маурицио Гуггинса заложили основы теории полимерных растворов и смесей полимеров. На сегодняшний день эти исследования составляют основы физической химии полимеров[7].

Основы

См. также: Сополимеры, Гомополимер, Полимеризация и Поликонденсация

Полимерами принято называть соединения, состоящие из повторяющихся структурных (мономерных) фрагментов, с молекулярной массой более 10000 г/моль. Аналогичные по строению соединения с меньшей массой называют олигомерами (греч. оліго — некоторые). Полимеры, состоящие из одного вида мономеров (греч. моно — один) называют гомополимерами (греч. гомо — равный), из разных видов — сополимерами.

Процесс получения полимеров из мономеров, называемый полимеризацией или поликонденсацией, включает следующие основные стадии: конденсация, рост цепи, обрыв цепи.

Для анализа полимеров используют различные методы:

• косвенные — гель-хроматографии, вискозиметрия
• прямые — масс-спектрометрия, осмос, эбулиоскопия, статическое рассеяние света (нефелометрия).

Примечания

1. Staudinger H., Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 1920, 53, 1073.
2. Staudinger, H.: Die Struktur des Gummis. VI.; Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, Abteilung B: Abhandlungen 1924, 57B 1203-8.
3. Staudinger H. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 1926, Ges. 59.201.
4. Staudinger, H.; Frey, K.; Starck, W.: Verbindungen hohen Molekulargewichts IX. Polyvinylacetat und Polyvinylalkohol., Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, Abteilung B: Abhandlungen 1927, 60B 1782-92.
5. Meyer, Kurt H.; Mark, H.: Gummi. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, Abteilung B: Abhandlungen, 1928, 61B 1939-49.
6. Natta, G.; Pasquon, I.; Zambelli, A.: Stereospecific catalysts for the head-to-tail polymerization of propylene to a crystalline syndiotacfic polymer.; Journal of the American Chemical Society, 1962, 84, 1488-90.
7. Flory, P. J.; Yoon, D. Y.: Moments and distribution functions for polymer chains of finite length. I. Theory.; Journal of Chemical Physics; 1974, 61, 5358-65.

Литература

• Глоссарий терминов по химии // И. Опейда, А. Заточка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им. Л. М. Литвиненко НАН Украины, Донецкий национальный университет. — Донецк : Вебер, 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0
• ВАК Украины. Паспорт специальности. N 17-09 / 1 от 29.01.98
• Основы химии полимеров : Учеб. пособие. / А. В. Суберляк, Е. И. Сембай; Нац. ун-т "Львов. политехника ". Ин-т дистанции. обучения. — Л., 2004. — 240 c. — (Удален. Обучения; № 24). — Библиогр .: с. 238—239.
• Энциклопедия полимеров. Т. 1—3. М.: 1972—1977.
• Семчиков Ю. Д. Высокомолекулярные соединения. — М., 2003. — 367 с.
• Аблесимов Н. Е. Синопсис химии. — Справочно-учебное пособие по общей химии. — Хабаровск: ДВГУПС, 2005. — 84 с.
• Аблесимов Н. Е. Сколько химий на свете? Химия и жизнь — XXI в (рус.) // Ч. 2. — 2009. — № 6. — С. 34—37.