Полімерні матеріали

Визначення і загальна характеристика

ПОЛІМЕ́РНІ МАТЕРІА́ЛИ  — матеріали на основі високомолекулярних сполук (полімерів). Складаються з довгих ланцюгів молекул (макромолекул), що містять велику кількість структурних одиниць (ланок), послідовно з’єднаних між собою хімічними зв’язками. П. м. природного походження, наприклад, з целюлози або шкіри, використовували з найдавніших часів, проте термін «полімер» (від грецьких слів «πολλά» — багато та «μέρος» — частина) був введений шведським науковцем Й.-Я. Берцеліусом лише 1833. Перші згадки про синтетичні полімери пов’язують із винаходом полівінілхлориду французьким фізиком і хіміком А.-В. Рено у 1838, однак початком інтенсивного розвитку та застосування П. м. вважають відкриття американським інженером-технологом Ч. Ґудієром процесу вулканізації природного каучуку з одержанням міцної та еластичної гуми (1839) та винахід першого синтетичного полімеру американським хіміком Л. Бакеландом (1907). Фундатором сучасної полімерної хімії вважають німецького хіміка Г. Штаудінґера, який 1922 запропонував термін «макромолекула», а сполуки, що складаються з макромолекул, назвав «високомолекулярними сполуками». У середині 1930-х рр. американський фізико-хімік П.-Дж. Флорі ввів у полімерну хімію концепцію виключеного об’єму та довів незалежність реакційної здатності (активності) функціональних груп від довжини ланцюга полімеру. Г. Штаудінґер за дослідження в галузі хімії високомолекулярних речовин (1953) та П.-Дж. Флорі за фундаментальні досягнення в галузі теорії та практики фізичної хімії макромолекул (1974) були удостоєні Нобелівської премії.

Нині П. м. поділяють: за походженням — природні й синтетичні, перші виникли як результат життєдіяльності рослин і тварин (полісахариди, білки, крохмаль, натуральний каучук тощо), другі — шляхом синтезу з низькомолекулярних речовин, або мономерів (поліолефіни, полістирол, полівінілхлорид тощо); за складом основного ланцюга — гомоланцюгові, що складаються з однакових ковалентно зв’язаних атомів, гетероланцюгові, основний ланцюг яких містить різні атоми (карбон, оксиген, нітроген та ін.) та елементорганічні, у яких до ланцюга атомів неорганічної природи приєднані органічні радикали; за типом макромолекул — лінійні, розгалужені, просторові та сітчасті; за методами синтезу — полімеризаційні, утворення яких відбувається без виділення побічних продуктів послідовним приєднанням молекул мономера до активних центрів реакційної системи, та поліконденсаційні, що формуються за одночасної взаємодії функціональних груп усіх молекул реакційної системи, в результаті чого виділяються побічні низькомолекулярні продукти (вода, аміак, спирти тощо); за фазовим станом — аморфні (тверді або рідкі), кристалічні (тверді); за поводженням при нагріванні — термопластичні (під дією високих температур здатні зворотно переходити у високоеластичний або в’язкотекучий стан і до повторного перероблення у вироби) та термореактивні (під впливом високих температур проходять незворотню хімічну реакцію з утворенням зшитої структурної сітки макромолекул (затвердіння), в результаті якої утворюється неплавкий і нерозчинний П. м.). Усі окреслені класифікаційні ознаки є надзвичайно важливими характеристиками П. м., що обумовлюють основні фізико-хімічні властивості та вибір сфер їхнього застосування. Проте не менш важливими є розмір макромолекул полімерів, що характеризується ступенем полімеризації, гнучкість ланцюгів, просторове розташування макромолекул (упаковка та орієнтація макромолекул), фізичний стан П. м. та ін. Усі П. м. мають достатньо велику молекулярну масу (M > 5000), нездатні переходити в газоподібний стан, з підвищенням молекулярної маси знижується розчинність полімеру, змінюються термічна та хімічна стійкість, механічна міцність, електричні та інші технологічні й експлуатаційні характеристики. Фізичний стан П. м. обумовлений здатністю змінювати фізичні властивості під впливом зовнішніх умов (переважно від температури). Розрізняють склоподібний, високоеластичний, в’язкотекучий стани П. м. За низьких температур більшість П. м. — досить крихкі, оскільки в склоподібному стані полімер — це тверде тіло з фіксованим розташуванням макромолекул, атоми ланок молекул розташовані тільки в коливальному русі, тобто рух ланок і переміщення молекул не відбувається. Проте з підвищенням температури полімери розм’якають і стають дуже пластичними. Температуру переходу від крихкого стану до пластичного називають температурою склування Тс. Вона не є чітко визначеною температурою фазового переходу, а радше вказує на температурний діапазон, у якому відбуваються зміни, та визначає тепло- і морозостійкість полімеру. При Т > Тс П. м. перебувають у високоеластичному стані, що характеризується рухливістю ланок або груп ланок у ланцюзі макромолекул за відсутності переміщення ланцюга в цілому, навіть при певних навантаженнях. У високоеластичному стані при кімнатній температурі перебувають, наприклад, каучуки. З наступним зростанням температури до температури текучості Тт полімер переходить з високоеластичного у в’язкотекучий (подібний рідкому) стан, що відрізняється від рідини підвищеною в’язкістю. Енергія теплового руху макромолекул перевищує сили міжмолекулярної взаємодії, і макромолекули вільно переміщуються під дією навіть невеликих зусиль. Такий стан притаманний лише лінійним (незшитим) полімерам. За кімнатної температури у в’язкотекучому стані перебувають низькомолекулярні П. м. (М < 5000), наприклад, фенольні, епоксидні та наволочні смоли.

Сучасні П. м. використовують в різних галузях промисловості, зокрема будівництві, електроніці, літако-, автомобіле- та суднобудуванні, медицині, сільському господарстві й побуті. П. м. відрізняються від інших матеріалів (таких як метали, кераміка, скло) своєю легкістю, широкими можливостями регулювання складу, структури й властивостей кінцевих виробів. Серед важливих переваг П. м. виокремлюють також високу технологічність, значно менші тривалість і вартість процесу виготовлення кінцевих виробів, довговічність, корозійну стійкість, можливість формування елементів та конструкцій зі складною конфігурацією та ін. Для надання специфічних або додаткових властивостей П. м. можуть виготовляти з сумішей різних полімерів або кополімерів з додаванням наповнювачів, пігментів, стабілізаторів, поверхнево-активних речовин, що значно розширює спектр можливих застосувань таких матеріалів. Станом на 2021 обсяг світового ринку полімерів сягав 713,9 млрд дол. США, а до кінця 2030 очікують зростання до 1078,5 млрд дол. США із загальним річним темпом зростання (CAGR) близько 4,69 %. Проте значним недоліком більшості П. м. залишається тривалий час їхнього розкладу в довкіллі, неможливість вторинного перероблення певних типів полімерів і їхніх складових, необхідність використання при виробництві шкідливих для природи та життєдіяльності людини речовин. Тому останні світові тенденції розвитку хімії високомолекулярних сполук і П. м. зосереджені не лише на створенні нових або покращених мультифункціональних матеріалів на основі полімерів, а також і на використанні для їхнього одержання біодеградабельних складових, таких, що здатні безпечно розкладатися в природних умовах під впливом мікроорганізмів, пошуку нових можливостей для повторного використання та одержанні П. м. з рослинної сировини тощо.

Провідними установами України, що провадять дослідження в галузі полімерної хімії, є Інститут хімії високомолекулярних сполук НАНУ (Київ), Український хіміко-технологічний університет (Дніпро), Київський університет, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Національний університет «Львівська політехніка», Львівський університет, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут».

Завантажити статтю