Полімерні матеріали

ПОЛІМЕ́РНІ МАТЕРІА́ЛИ — матеріали на основі високомолекулярних сполук (полімерів). Складаються з довгих ланцюгів молекул (макромолекул), що містять велику кількість структурних одиниць (ланок), послідовно зʼ­єд­наних між собою хімічними звʼязками. 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 повʼязують 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 обʼєму 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 звʼязаних 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 вʼязкотекучий 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, вʼязкотекучий 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 роз­мʼякають 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 вʼязкотекучий (подібний рідкому) стан, що від­різняється від рідини під­вищеною вʼязкістю. 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 вʼязкотекучому 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