Polymer je termín používaný k popisu molekul skládajících se ze strukturálních jednotek a velkého počtu opakujících se jednotek spojených kovalentními chemickými vazbami. Termín je odvozen z řeckých slov: polys znamená mnoho a meros znamená části . Klíčovým rysem, který odlišuje polymery od ostatních molekul, je opakování mnoha stejných, podobných nebo komplementárních molekulárních podjednotek v těchto řetězcích. Tyto podjednotky, monomery, jsou malé molekuly s nízkou až střední molekulovou hmotností a jsou navzájem propojeny během chemické reakce zvané polymerizace.
Místo toho, aby byly podobné monomery identické, mohou mít různé chemické substituenty. Rozdíly mezi monomery mohou mít vliv na vlastnosti, jako je rozpustnost, pružnost a pevnost. V proteinech tyto rozdíly dávají polymeru schopnost přijmout biologicky aktivní konformaci přednostně před ostatními. (Viz samomontáž.) Identické monomery s nereaktivními postranními skupinami mají za následek polymerní řetězec, který bude mít tendenci přijmout náhodnou konformaci cívky, jak je popsáno matematickým modelem ideálního řetězce. Ačkoli většina polymerů je organická, s monomery na bázi uhlíku existují také anorganické polymery; například silikony, s páteří střídajících se atomů křemíku a kyslíku a polyfosfokinů.
Polymery jsou obvykle klasifikovány podle čtyř hlavních skupin:
Pojem polymer je velký, různorodý shluk molekul, včetně látek od bílkovin po tuhá, vysokopevnostní kevlarová vlákna. Například tvorba poly(ethenu) (také nazývaného polyethylen) zahrnuje tisíce molekul ethenu vázaných dohromady, aby vytvořily rovný (nebo rozvětvený) řetězec opakujících se -CH2-CH2- jednotek (s -CH3 na každé koncovce):
Polymery jsou často pojmenovány podle monomeru, ze kterého jsou vyrobeny. Protože se syntetizuje z ethenu v procesu, během kterého se ztratí všechny dvojné vazby vinylových monomerů, má poly(ethen) nenasycenou strukturu:
Proteiny jsou polymery aminokyselin. Obvykle stovky z (nominálně) dvaceti různých monomerů aminokyselin tvoří proteinový řetězec a sekvence monomerů určuje jeho tvar a biologickou funkci. (Existují také kratší oligopeptidy, které fungují jako hormony.) Existují však aktivní oblasti, obklopené, jak se dnes věří (srpen 2003), strukturálními oblastmi, jejichž jedinou úlohou je odhalit aktivní oblasti. (Na dané bílkovině může být více než jedna.) Přesná sekvence aminokyselin v určitých částech řetězců se tedy může lišit druh od druhu, a dokonce i dané mutace v rámci druhu, pokud jsou aktivní místa řádně přístupná. Zatímco k tvorbě polyethylenu dochází spontánně za správných podmínek, syntéza biopolymerů, jako jsou bílkoviny a nukleové kyseliny, vyžaduje pomoc enzymatických katalyzátorů, látek, které usnadňují a urychlují reakce. Na rozdíl od syntetických polymerů mají tyto biopolymery přesné sekvence a délky. (To nezahrnuje sacharidy.) Od 50. let 20. století katalyzátory také způsobily revoluci ve vývoji syntetických polymerů. Tím, že umožňují pečlivější kontrolu nad polymerizačními reakcemi, byly vyrobeny polymery s novými vlastnostmi, jako je schopnost vyzařovat barevné světlo.
Fyzikální vlastnosti polymerů
Mezi fyzikální vlastnosti polymerů patří
Kopolymerizace se dvěma nebo více různými monomery vede ke vzniku řetězců s různými vlastnostmi. Existuje dvacet monomerů aminokyselin, jejichž sekvence vede k různým tvarům a funkcím proteinových řetězců. Kopolymerizace ethenu s malým množstvím 1-hexenu (nebo 4-methyl-1-pentenu) je jedním ze způsobů, jak vytvořit lineární polyethen o nízké hustotě (LLDPE). (Viz polyethylen.) Větve C4 vznikající z hexenu snižují hustotu a brání vzniku velkých krystalických oblastí v polymeru, jako tomu je u HDPE. To znamená, že LLDPE odolá silným trhacím silám při zachování pružnosti.
Blokový kopolymer vzniká, když je reakce prováděna postupně, což vede ke struktuře s dlouhými sekvencemi nebo bloky jednoho monomeru střídajícími se s dlouhými sekvencemi druhého. Existují také roubované kopolymery, ve kterých jsou celé řetězce jednoho druhu (např. polystyren) vyrobeny tak, aby vyrůstaly ze stran řetězců jiného druhu (např. polybutadien), což vede k produktu, který je méně křehký a více odolný proti nárazu. Blokové a roubované kopolymery tak mohou kombinovat užitečné vlastnosti obou složek a často se chovají jako kvazidvoufázové systémy.
Následuje příklad skokové polymerizace neboli kondenzační polymerizace, při níž se uvolní molekula vody a vytvoří se nylon. Vlastnosti nylonu jsou dány R a R‘ skupinami v použitých monomerech.
Prvním komerčně úspěšným, zcela syntetickým polymerem byl nylon 6,6 s alkanovými řetězci R = 4C (kyselina adipová) a R‘ = 6C (hexamethylendiamin). Včetně dvou karboxylových uhlíků každý monomer daruje 6 uhlíků; odtud název. Při pojmenovávání nylonů se uvádí jako první počet uhlíků z diaminu a číslo z diacidu jako druhé. Kevlar je aromatický nylon, ve kterém jsou R i R‘ benzenové kruhy.
Kopolymery ilustrují fakt, že opakující se jednotka v polymeru, jako je nylon, polyester nebo polyuretan, je často tvořena dvěma (nebo více) monomery.
Chemické vlastnosti polymerů
Atraktivní síly mezi polymerovými řetězci hrají velkou roli při určování vlastností polymeru. Protože jsou polymerové řetězce tak dlouhé, jsou tyto mezivazové síly zesíleny daleko za přitažlivostí mezi konvenčními molekulami. Také delší řetězce jsou amorfnější (náhodně orientované). Polymery mohou být vizualizovány jako zamotané špagetové řetězce – vytažení jednoho špagetového vlákna je mnohem těžší, čím jsou řetězce zamotanější. Tyto silnější síly mají obvykle za následek vysokou pevnost v tahu a body tání.
Intermolekulární síly v polymerech jsou dány dipóly v monomerních jednotkách. Polymery obsahující amidové skupiny mohou vytvářet vodíkové vazby mezi sousedními řetězci; kladné atomy vodíku v N-H skupinách jednoho řetězce jsou silně přitahovány k atomům kyslíku v C=O skupinách na druhém. Tyto silné vodíkové vazby mají například za následek vysokou pevnost v tahu a bod tání kevlaru. Polyestery mají dipól-dipólové vazby mezi atomy kyslíku v C=O skupinách a atomy vodíku v H-C skupinách. Dipólové vazby nejsou tak silné jako vodíkové vazby, takže bod tání a pevnost ethenu jsou nižší než u Kevlaru, ale polyestery mají větší pružnost.
Ethen však nemá žádný trvalý dipól. Atraktivní síly mezi polyethenovými řetězci vznikají ze slabých van der Waalsových sil. Molekuly lze považovat za obklopené oblakem záporných elektronů. Jak se dva polymerové řetězce přibližují, jejich elektronové oblaky se vzájemně odpuzují. To má za následek snížení elektronové hustoty na jedné straně polymerového řetězce a vytvoření mírného kladného dipólu na této straně. Tento náboj je dostatečný k tomu, aby skutečně přitahoval druhý polymerový řetězec. Van der Waalsovy síly jsou však poměrně slabé, takže polyethen při nízkých teplotách taje.
Charakteristika polymeru vyžaduje několik parametrů, které je třeba specifikovat. Je to proto, že polymer se ve skutečnosti skládá ze statistického rozložení řetězců různých délek a každý řetězec se skládá ze zbytků monomerů, které ovlivňují jeho vlastnosti.
K určení vlastností polymerů se používá celá řada laboratorních technik. K určení krystalické struktury polymerů se používají techniky jako širokoúhlý rentgenový rozptyl, maloúhlý rentgenový rozptyl a maloúhlý neutronový rozptyl. Gelová permeační chromatografie se používá k určení číselně průměrné molekulové hmotnosti, hmotnostně průměrné molekulové hmotnosti a polydisperzity. K určení složení lze použít FTIR, Raman a NMR. Tepelné vlastnosti jako teplota skelného přechodu a bod tání lze určit diferenciální skenovací kalorimetrií a dynamickou mechanickou analýzou. Pyrolýza následovaná analýzou fragmentů je další technikou k určení možné struktury polymeru.
Polymer známý jako polymerový substrát se používá pro běžné bankovky v Austrálii, Rumunsku, Papui-Nové Guineji, Samoe, Zambii, Vietnamu, na Novém Zélandu a v několika dalších zemích a tento materiál se používá také v pamětních bankovkách v některých dalších zemích. Proces tvorby polymerového substrátu vyvinula australská organizace CSIRO.