ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯ́РНЫЕ СОЕДИНЕ́НИЯ

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯ́РНЫЕ СОЕДИ­НЕ́НИЯ, хи­мич. со­еди­не­ния с мо­ле­ку­ляр­ной мас­сой от не­сколь­ких ты­сяч до мн. мил­лио­нов. В со­став мо­ле­кул В. с. (мак­ро­мо­ле­кул) вхо­дят ты­ся­чи ато­мов, со­еди­нён­ных друг с дру­гом ко­ва­лент­ны­ми (ре­же ко­ор­ди­на­ци­он­ны­ми) свя­зя­ми. Ха­рак­тер­ная осо­бен­ность боль­шин­ст­ва В. с. – на­ли­чие в их мо­ле­ку­лах мно­го­крат­но по­вто­ряю­щих­ся звень­ев. Рас­про­стра­нён­ное на­зва­ние ве­ществ, со­стоя­щих из мак­ро­мо­ле­кул, – по­ли­ме­ры (от греч. πολυς – мно­го и μέρος – часть).

Классификация

По про­ис­хо­ж­де­нию В. с. де­лят­ся на при­род­ные (напр., кау­чук на­ту­раль­ный, смо­лы при­род­ные, био­по­ли­ме­ры – бел­ки, нук­леи­но­вые ки­сло­ты, по­ли­са­ха­ри­ды) и син­те­ти­че­ские (по­ли­эти­лен, по­ли­про­пи­лен, фе­но­ло-аль­де­гид­ные смо­лы, кау­чу­ки син­те­ти­че­ские и др.).

Ато­мы или атом­ные груп­пы мо­гут рас­по­ла­гать­ся в мак­ро­мо­ле­ку­ле В. с. в ви­де: ли­ней­ной (од­но­тяж­ной) це­пи (напр., по­ли­эти­лен, на­ту­раль­ный кау­чук) или по­сле­до­ва­тель­но­сти цик­лов (двух­тяж­ная цепь – ле­ст­нич­ные и спи­ро­по­ли­ме­ры); це­пи с раз­ветв­ле­ния­ми (раз­ветвлён­ные В. с., напр. ден­д­ри­ме­ры, крах­мал); трёх­мер­ной сет­ки, со­стоя­щей из от­рез­ков цеп­но­го строе­ния (сши­тые В. с., напр. от­вер­ждён­ные фе­но­ло-аль­де­гид­ные смо­лы). В. с., мо­ле­ку­лы ко­то­рых со­сто­ят из боль­шо­го чис­ла по­вто­ряю­щих­ся оди­на­ко­вых груп­пи­ро­вок (мо­но­мер­ных звень­ев), на­зы­ва­ют­ся го­мо­по­ли­ме­ра­ми, напр. по­ли­про­пи­лен, по­ли­ви­нил­хло­рид, по­ли­ка­про­лак­там, цел­лю­ло­за и др.

Мак­ро­мо­ле­ку­лы В. с. при од­ном и том же хи­мич. со­ста­ве мо­гут быть по­строе­ны из звень­ев оди­на­ко­вой или раз­ной про­стран­ст­вен­ной кон­фи­гу­ра­ции. В. с., мак­ро­мо­ле­ку­лы ко­то­рых со­сто­ят из звень­ев оди­на­ко­вой кон­фи­гу­ра­ции или из звень­ев разл. кон­фи­гу­ра­ции, но че­ре­дую­щих­ся в це­пи с оп­ре­де­лён­ной пе­рио­дич­но­стью, на­зы­ва­ют­ся сте­рео­ре­гу­ляр­ны­ми (со­от­вет­ст­вен­но изо­так­ти­че­ски­ми и син­дио­так­ти­че­ски­ми) по­ли­ме­ра­ми (см. Сте­рео­ре­гу­ляр­ные по­ли­ме­ры); в слу­чае от­сут­ст­вия оп­ре­де­лён­но­го по­ряд­ка в рас­пре­де­ле­нии звень­ев оди­на­ко­вой про­стран­ст­вен­ной кон­фи­гу­ра­ции – атак­ти­че­ски­ми. В. с., в мак­ро­мо­ле­ку­лах ко­то­рых ка­ж­дый или не­ко­то­рые сте­реоизо­ме­ры зве­на об­ра­зу­ют дос­та­точ­но длин­ные, не­пре­рыв­ные, сме­няю­щие друг дру­га по­сле­до­ва­тель­но­сти, на­зы­ва­ют­ся сте­рео­блоч­ны­ми по­ли­ме­ра­ми.

В. с., мак­ро­мо­ле­ку­лы ко­то­рых со­дер­жат неск. ти­пов мо­но­мер­ных звень­ев, на­зы­ва­ют­ся со­по­ли­ме­ра­ми. В за­ви­си­мо­сти от ха­рак­те­ра рас­пре­де­ле­ния мо­но­мер­ных звень­ев в мак­ро­мо­ле­ку­ле раз­ли­ча­ют ре­гу­ляр­ные и не­ре­гу­ляр­ные (ста­ти­сти­че­ские) со­по­ли­ме­ры. В ре­гу­ляр­ных со­по­ли­ме­рах рас­пре­де­ле­ние раз­ли­чаю­щих­ся звень­ев ха­рак­те­ри­зу­ет­ся оп­ре­де­лён­ной пе­рио­дич­но­стью. Про­стей­ши­ми при­ме­ра­ми мо­гут слу­жить че­ре­дую­щие­ся со­по­ли­ме­ры сти­ро­ла с ма­леи­но­вым ан­гид­ри­дом и не­ко­то­рых ал­ке­нов с SO₂, по­стро­ен­ные по прин­ци­пу че­ре­до­ва­ния двух разл. мо­но­мер­ных звень­ев. Воз­мож­ны и бо­лее слож­ные ре­гу­ляр­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти че­ре­до­ва­ния звень­ев, напр. че­ре­до­ва­ние три­пле­тов ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков в мак­ро­мо­ле­ку­ле бел­ка кол­ла­ге­на. В не­ре­гу­ляр­ных со­по­ли­ме­рах рас­пре­де­ле­ние звень­ев слу­чай­ное. Это ха­рак­тер­но для мн. син­те­тич. со­по­ли­ме­ров. В нук­леи­но­вых ки­сло­тах и бел­кaх не­ре­гу­ляр­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти звень­ев за­да­ют­ся ге­не­тич. ко­дом и оп­ре­де­ля­ют био­хи­мич. и био­ло­гич. спе­ци­фич­ность со­от­вет­ст­вую­щих со­еди­не­ний. Со­по­ли­ме­ры, в ко­то­рых зве­нья ка­ж­до­го ти­па об­ра­зу­ют дос­та­точ­но длин­ные, не­пре­рыв­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти, сме­няю­щие друг дру­га в пре­де­лах мак­ро­мо­ле­ку­лы, на­зы­ва­ют­ся блок­со­по­ли­ме­ра­ми. В ре­гу­ляр­ных блок­со­по­ли­ме­рах дли­ны бло­ков и их че­ре­до­ва­ние под­чиня­ют­ся оп­ре­де­лён­ной пе­рио­дич­но­сти. При умень­ше­нии дли­ны бло­ков раз­ли­чие ме­ж­ду блок­со­по­ли­ме­ра­ми и ста­ти­стич. со­по­ли­ме­ра­ми по­сте­пен­но ут­ра­чи­ва­ет­ся.

К внут­рен­ним (не­кон­це­вым) звень­ям мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ной це­пи од­но­го хи­мич. строе­ния мо­гут быть при­сое­ди­не­ны од­на или неск. це­пей др. строе­ния. Та­кие по­ли­ме­ры на­зы­ва­ют­ся при­ви­ты­ми со­по­ли­ме­ра­ми.

В за­ви­си­мо­сти от со­ста­ва ос­нов­ной (глав­ной) це­пи В. с. де­лят на ге­те­ро­цеп­ные, в осн. це­пи ко­то­рых со­дер­жат­ся ато­мы разл. эле­мен­тов (ча­ще все­го уг­ле­ро­да, азо­та, крем­ния, фос­фо­ра), и го­мо­цеп­ные, осн. це­пи ко­то­рых по­строе­ны из оди­на­ко­вых ато­мов. Из го­мо­цеп­ных В. с. наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны кар­бо­цеп­ные В. с., напр. по­ли­эти­лен, по­ли­ме­тил­ме­так­ри­лат, по­ли­тет­раф­то­рэ­ти­лен, по­ли­хло­ро­прен, гут­та­пер­ча, гл. це­пи ко­то­рых со­сто­ят толь­ко из ато­мов уг­ле­ро­да. При­ме­ра­ми ге­те­ро­цеп­ных В. с. яв­ля­ют­ся по­ли­эфи­ры (по­ли­эти­ле­нок­сид, по­ли­эти­лен­те­реф­та­лат, по­ли­кар­бо­на­ты и др.), по­ли­ами­ды, мо­че­ви­но-фор­маль­де­гид­ные смо­лы, по­ли­пеп­ти­ды, цел­лю­ло­за. К эле­мен­то­ор­га­ни­че­ским от­но­сят В. с., мак­ро­мо­ле­ку­лы ко­то­рых со­дер­жат ато­мы-не­ор­га­но­ге­ны, напр. крем­ний­ор­га­ни­че­ские по­ли­ме­ры. Оcобую груп­пу В. с. об­ра­зу­ют не­ор­га­ни­че­ские по­ли­ме­ры, напр. пла­сти­че­ская се­ра, по­ли­фос­фо­нит­рил­хло­рид, по­ли­фос­фор­ные ки­сло­ты и по­ли­фос­фа­ты, по­ли­крем­ние­вые ки­сло­ты и по­ли­си­ли­ка­ты.

Ли­ней­ные или сла­бо­раз­ветв­лён­ные мак­ро­мо­ле­ку­лы В. с. мо­гут су­ще­ст­во­вать в ви­де раз­вёр­ну­тых или плот­но свёр­ну­тых мо­ле­ку­ляр­ных це­пей. Мно­же­ст­во раз­вёр­ну­тых це­пей, ук­ла­ды­ва­ясь па­рал­лель­но друг дру­гу, спо­соб­ны об­ра­зо­вы­вать над­мо­ле­ку­ляр­ные струк­ту­ры в ви­де фиб­рилл, осо­бен­но лег­ко – при кри­стал­ли­за­ции В. с. (см. Кри­стал­ли­че­ское со­стоя­ние по­ли­ме­ров). Фиб­рил­ляр­ную струк­ту­ру име­ют, в ча­ст­но­сти, при­род­ные (цел­лю­ло­за, кол­ла­ген, фиб­ро­ин и др.) и син­те­ти­че­ские (хи­мич.) во­лок­на. При сво­ра­чи­ва­нии мак­ро­мо­ле­кул за счёт внут­ри­мо­ле­ку­ляр­но­го взаи­мо­дей­ст­вия од­ной или не­сколь­ких це­пей об­ра­зу­ют­ся ком­пакт­ные час­ти­цы – гло­бу­лы; ти­пич­ный при­мер – гло­бу­ляр­ные бел­ки. Ком­пакт­ную, близ­кую к сфе­ри­че­ской, фор­му мо­гут так­же иметь ин­ди­ви­ду­аль­ные сверх­раз­ветв­лён­ные мак­ро­мо­ле­ку­лы, напр. ден­д­ри­ме­ры.

Свойства и важнейшие характеристики

В. с. об­ла­да­ют уни­каль­ны­ми, толь­ко им при­су­щи­ми ме­ха­нич. и фи­зи­ко-хи­мич. свой­ст­ва­ми. Важ­ней­шие из них: спо­соб­ность об­ра­зо­вы­вать вы­со­ко­проч­ные ани­зо­троп­ные вы­со­ко­ори­ен­ти­ро­ван­ные во­лок­на и плён­ки (см. Во­лок­на хи­ми­че­ские, Во­лок­на при­род­ные, Плён­ки по­ли­мер­ные); спо­соб­ность к боль­шим об­ра­ти­мым (вы­со­ко­эла­сти­че­ским) де­фор­ма­ци­ям, ха­рак­те­ри­зую­щим­ся низ­ки­ми мо­ду­ля­ми уп­ру­го­сти (см. Вы­со­ко­эла­сти­че­ское со­стоя­ние); вяз­ко­уп­ру­гость, т. е. спо­соб­ность к про­яв­ле­нию ли­бо вы­со­ко­эла­сти­че­ских де­фор­ма­ций, ли­бо пол­зу­че­сти в за­ви­си­мо­сти от час­то­ты или про­дол­жи­тель­но­сти внеш­не­го ме­ха­нич. воз­дей­ст­вия (см. Вяз­ко­уп­ру­гость); спо­соб­ность на­бу­хать с об­ра­зо­ва­ни­ем уп­ру­гих тел (ге­лей), в ко­то­рых со­дер­жа­ние рас­тво­ри­те­ля мно­го­крат­но пре­вы­ша­ет со­дер­жа­ние ис­ход­но­го по­ли­ме­ра (см. На­бу­ха­ние по­ли­ме­ров); ано­маль­но вы­со­кая вяз­кость раз­бав­лен­ных рас­тво­ров (см. Рас­тво­ры по­ли­ме­ров). Эти свой­ст­ва обу­слов­ле­ны вы­со­кой мо­ле­ку­ляр­ной мас­сой, цеп­ным строе­ни­ем, а так­же гиб­ко­стью, т. е. спо­соб­но­стью мак­ро­мо­ле­кул из­ме­нять фор­му под влия­ни­ем внеш­них воз­дей­ст­вий, и по­яв­ля­ют­ся толь­ко при пре­вы­ше­нии не­ко­то­рой мо­ле­ку­ляр­ной мас­сы (кон­тур­ной дли­ны) по­ли­мер­ной це­пи, ве­ли­чи­на ко­то­рой за­ви­сит от хи­мич. при­ро­ды В. с. При пе­ре­хо­де от ли­ней­ных це­пей к раз­ветв­лён­ным, ред­ким трёх­мер­ным сет­кам и, на­ко­нец, гус­тым сет­ча­тым струк­ту­рам этот ком­плекс свойств ста­но­вит­ся всё ме­нее вы­ра­жен­ным. Силь­но сши­тые В. с. не­рас­тво­ри­мы, не­плав­ки и не спо­соб­ны к вы­со­ко­эла­сти­че­ским де­фор­ма­ци­ям.

Вы­со­кая мо­ле­ку­ляр­ная мас­са и цеп­ное строе­ние при­род­ных В. с., в ча­ст­ности нук­леи­но­вых ки­слот, бел­ков и по­ли­са­ха­ри­дов, – ка­че­ст­ва, прин­ци­пи­аль­но не­об­хо­ди­мые для хра­не­ния ге­не­тич. ин­фор­ма­ции, вос­про­из­ве­де­ния био­по­ли­ме­ров, а так­же вы­пол­не­ния ими всех др. важ­ней­ших био­ло­гич. функ­ций, обес­пе­чи­ваю­щих жиз­не­дея­тель­ность ор­га­низ­мов.

В. с. мо­гут су­ще­ст­во­вать в кри­стал­ли­че­ском и аморф­ном со­стоя­ни­ях. Не­об­хо­ди­мое ус­ло­вие кри­стал­ли­за­ции – ре­гу­ляр­ность строе­ния дос­та­точ­но длин­ных уча­ст­ков мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ной це­пи. В кри­стал­лич. по­ли­ме­рах воз­мож­но воз­ник­но­ве­ние раз­но­об­раз­ных кри­стал­лич. форм (фиб­рилл, сфе­ро­ли­тов, мо­но­кри­стал­лов и др.), тип, раз­ме­ры и вза­им­ное рас­по­ло­же­ние ко­то­рых во мно­гом оп­ре­де­ля­ют свой­ст­ва по­ли­мер­но­го ма­те­риа­ла. Не­за­кри­стал­ли­зо­ван­ные (аморф­ные) по­ли­ме­ры мо­гут на­хо­дить­ся в стек­ло­об­раз­ном (см. Стек­ло­об­раз­ное со­сто­я­ние), вы­со­ко­эла­сти­че­ском и вяз­ко­те­ку­чем со­стоя­ни­ях. По­сколь­ку в вяз­ко­те­ку­чем со­стоя­нии де­фор­ма­ции В. с., раз­ви­ваю­щие­ся при при­ло­же­нии ме­ха­нич. на­пря­же­ний, на­ря­ду с пла­сти­че­ской со­став­ляю­щей все­гда со­дер­жат вы­со­ко­эла­стич. состав­ляю­щую, это со­стоя­ние на­зы­ва­ют так­же вяз­ко­уп­ру­гим (вяз­ко­эла­сти­че­ским). Не­ко­то­рые В. с. при оп­ре­де­лён­ных ус­ло­ви­ях (темп-ра, дав­ле­ние и пр.) спо­соб­ны пе­ре­хо­дить в жид­ко­кри­стал­лич. со­стоя­ние – об­ра­зо­вы­вать ме­зо­фа­зу (см. Жид­кок­ри­стал­ли­че­ские по­ли­ме­ры).

В. с. и ма­те­риа­лы на их ос­но­ве, экс­плуа­ти­рую­щие­ся в вы­со­ко­эла­стич. со­стоя­нии, на­зы­ва­ют­ся эла­сто­ме­ра­ми; ти­пич­ные пред­ста­ви­те­ли – кау­чу­ки и ре­зи­ны, для ко­то­рых темп-ры пе­ре­хо­да из стек­ло­об­раз­но­го в вы­со­ко­эла­стич. со­стоя­ние (темп-ры стек­ло­ва­ния) зна­чи­тель­но ни­же ком­нат­ной. Два дру­гих важ­ней­ших клас­са В. с., экс­плуа­ти­рую­щие­ся в кри­стал­лич. или стек­ло­об­раз­ном со­стоя­нии, – пла­сти­че­ские мас­сы (пла­сти­ки) и боль­шин­ст­во во­ло­кон. Их темп-ры плав­ле­ния или стек­ло­ва­ния зна­чи­тель­но вы­ше ком­нат­ной. С це­лью фор­мо­ва­ния из­де­лий В. с. пред­ва­ри­тель­но пе­ре­во­дят в вяз­ко­те­ку­чее со­стоя­ние пу­тём на­гре­ва­ния или до­бав­ле­ния рас­тво­ри­те­лей. В вяз­ко­те­ку­чем со­стоя­нии упот­реб­ля­ют­ся клеи и гер­ме­ти­ки на ос­но­ве В. с.

Свой­ст­ва от­дель­ных В. с. оп­ре­де­ля­ют­ся хи­мич. со­ста­вом, строе­ни­ем и вза­им­ным рас­по­ло­же­ни­ем мак­ро­мо­ле­кул в ве­ще­ст­ве (его над­мо­ле­ку­ляр­ной струк­ту­рой) и в за­ви­си­мо­сти от этих фак­то­ров мо­гут из­ме­нять­ся в очень ши­ро­ких пре­де­лах. Так, 1,4-цис-по­ли­бу­та­ди­ен, по­стро­ен­ный из гиб­ких уг­ле­во­до­род­ных це­пей, при ком­нат­ной темп-ре пред­став­ля­ет со­бой эла­стич­ный ма­те­ри­ал, ко­то­рый при темп-ре ни­же –90 °С пе­ре­хо­дит в стек­ло­об­раз­ное со­стоя­ние, в то вре­мя как по­ли­ме­тил­ме­так­ри­лат, по­стро­ен­ный из бо­лее жё­ст­ких це­пей, при темп-ре ок. 20 °С – твёр­дый стек­ло­об­раз­ный про­дукт, пе­ре­хо­дя­щий в вы­со­ко­эла­стич. или вяз­ко­уп­ру­гое со­стоя­ние лишь вы­ше 100 °C. Цел­лю­ло­за – по­ли­мер с жё­ст­ки­ми це­пя­ми, со­еди­нён­ны­ми меж­мо­ле­ку­ляр­ны­ми во­до­род­ны­ми свя­зя­ми, во­об­ще не мо­жет су­ще­ст­во­вать в вы­со­ко­эла­стич. со­стоя­нии вплоть до темп-ры, при ко­то­рой про­ис­хо­дит хи­мич. раз­ло­же­ние. Су­ще­ст­вен­ные раз­ли­чия в свой­ст­вах В. с. мо­гут на­блю­дать­ся да­же в том слу­чае, ес­ли раз­ли­чия в строе­нии мак­ро­мо­ле­кул на пер­вый взгляд и не­ве­ли­ки. Так, изо­так­ти­че­ский по­ли­про­пи­лен – кри­стал­лич. ве­ще­ст­во с темп-рой плав­ле­ния ок. 175 °С, атак­ти­че­ский по­ли­про­пи­лен во­об­ще не спо­со­бен кри­стал­ли­зо­вать­ся и раз­мяг­ча­ет­ся при темп-ре ок. –40 °С. Раз­ли­чия в мик­ро­струк­ту­ре мак­ро­мо­ле­ку­лы вле­кут за со­бой и раз­ли­чия в над­мо­ле­ку­ляр­ной струк­ту­ре.

Ти­пич­ные хи­мич. ре­ак­ции В. с.: об­ра­зо­ва­ние хи­мич. свя­зей ме­ж­ду мак­ро­мо­ле­ку­ла­ми – т. н. сши­ва­ние (напр., вул­ка­ни­за­ция); рас­пад мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ной це­пи на от­дель­ные, бо­лее ко­рот­кие фраг­мен­ты (де­ст­рук­ция по­ли­ме­ров) вплоть до ис­ход­ных мо­но­ме­ров (де­по­ли­ме­ри­за­ция); ре­ак­ции бо­ко­вых функ­цио­наль­ных групп В. с. с низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ны­ми ве­ще­ст­ва­ми, не за­тра­ги­ваю­щие осн. цепь и при­во­дя­щие к об­ра­зо­ва­нию по­ли­мер­ана­ло­гов (по­ли­ме­ра­на­ло­гич­ные пре­вра­ще­ния); внут­ри­мо­ле­ку­ляр­ные ре­ак­ции, про­те­каю­щие ме­ж­ду функ­цио­наль­ны­ми груп­па­ми од­ной мак­ро­мо­ле­ку­лы, напр. внут­ри­мо­ле­ку­ляр­ная цик­ли­за­ция. Сши­ва­ние час­то про­те­ка­ет од­но­вре­мен­но с де­ст­рук­ци­ей. При­ме­ром по­ли­ме­ра­на­ло­гич­ных пре­вра­ще­ний мо­жет слу­жить омы­ле­ние по­ли­ви­нил­аце­та­та, при­во­дя­щее к об­ра­зо­ва­нию по­ли­ви­ни­ло­во­го спир­та. Ге­те­ро­цеп­ные В. с., в от­ли­чие от кар­боцеп­ных, обыч­но от­но­си­тель­но лег­ко гид­ро­ли­зу­ют­ся. Ско­рость ре­ак­ций В. с. с низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ны­ми ве­ще­ст­ва­ми час­то ли­ми­ти­ру­ет­ся ско­ро­стью диф­фу­зии низ­ко­мо­ле­ку­ляр­но­го ве­ще­ст­ва в В. с. Наи­бо­лее яв­но это про­яв­ля­ет­ся в слу­чае сши­тых В. с. Ес­ли ре­ак­ция про­те­ка­ет в ки­не­тич. об­лас­ти (напр., в раз­бав­лен­ном рас­тво­ре), ско­рость взаи­мо­дей­ст­вия мак­ро­мо­ле­кул с низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ны­ми ве­ще­ст­ва­ми час­то су­ще­ст­вен­но за­ви­сит от при­ро­ды и рас­по­ло­же­ния со­сед­них звень­ев от­но­си­тель­но реа­ги­рую­ще­го зве­на. Это же от­но­сит­ся и к внут­ри­мо­ле­ку­ляр­ным ре­ак­ци­ям ме­ж­ду функ­цио­наль­ны­ми груп­па­ми, при­над­ле­жа­щи­ми од­ной це­пи.

Не­ко­то­рые свой­ст­ва В. с. – рас­тво­ри­мость, спо­соб­ность к вяз­ко­му те­че­нию, ста­биль­ность и др. – очень чув­ст­ви­тель­ны к дей­ст­вию не­боль­ших ко­ли­честв при­ме­сей и до­ба­вок, реа­ги­рую­щих с мак­ро­мо­ле­ку­ла­ми. Так, что­бы пре­вра­тить ли­ней­ное В. с. из рас­тво­ри­мо­го в пол­но­стью не­рас­тво­ри­мое, дос­та­точ­но об­ра­зо­вать од­ну-две по­пе­реч­ные свя­зи на од­ну мак­ро­мо­ле­ку­лу.

Важ­ней­шие ха­рак­те­ри­сти­ки В. с.: хи­мич. со­став, мо­ле­ку­ляр­ная мас­са и мо­ле­ку­ляр­но-мас­со­вое рас­пре­де­ле­ние, сте­пень раз­ветв­лён­но­сти и гиб­кость мак­ро­мо­леку­ляр­ных це­пей, сте­рео­ре­гу­ляр­ность и др. Свой­ст­ва В. с. су­ще­ст­вен­но за­ви­сят от этих ха­рак­те­ри­стик.

Получение и применение

Син­те­тич. В. с. по­лу­ча­ют в осн. пу­тём ре­ак­ций по­ли­ме­ри­за­ции и по­ли­кон­ден­са­ции. При­род­ные В. с. об­ра­зу­ют­ся в про­цес­се био­син­те­за в клет­ках жи­вых ор­га­низ­мов. С по­мо­щью экс­трак­ции, фрак­ци­он­но­го оса­ж­де­ния и др. ме­то­дов их вы­де­ля­ют из рас­тит. и жи­вот­но­го сы­рья. Не­ор­га­нич. при­род­ные В. с. об­ра­зу­ют­ся в ре­зуль­та­те гео­хи­мич. про­цес­сов, про­хо­дя­щих в зем­ной ко­ре.

Био­по­ли­ме­ры – важ­ней­шая со­став­ная часть жи­вых ор­га­низ­мов. Иг­ра­ют оп­ре­де­ляю­щую роль как в по­строе­нии са­мих ор­га­низ­мов, так и во всех про­цес­сах жиз­не­дея­тель­но­сти.

Ма­те­риа­лы на ос­но­ве разл. ти­пов син­те­тич. и не­ко­то­рых при­род­ных В. с. бла­го­да­ря вы­со­кой ме­ха­нич. проч­но­сти при от­но­си­тель­но низ­кой по срав­не­нию с ме­тал­ла­ми и ке­ра­ми­кой плот­но­сти, эла­стич­но­сти, элек­тро­изо­ля­ци­он­ным и др. цен­ным свой­ст­вам прин­ци­пи­аль­но не­заме­ни­мы и при­ме­ня­ют­ся прак­ти­че­ски во всех от­рас­лях пром-сти (ав­то­мо­би­ле- и ма­ши­но­строе­ние, строи­тель­ст­во, элек­тро­тех­ни­ка и др.), в с. х-ве, ме­ди­ци­не и в бы­ту (см. По­ли­мер­ные ма­те­риа­лы). Осн. ти­пы по­ли­мер­ных ма­те­риа­лов – пла­ст­мас­сы, ре­зи­ны, во­лок­на, плён­ки, ла­ки, эма­ли, крас­ки и клеи.

Наука о полимерах

Вы­де­ле­ние нау­ки о по­ли­ме­рах в са­мо­стоят. об­ласть зна­ния про­изош­ло в нач. 1950-х гг., ко­гда бы­ла осоз­на­на роль В. с. в тех­нич. про­грес­се и про­цес­сах жиз­не­дея­тель­но­сти био­ло­гич. сис­тем. В этот же пе­ри­од во­шло в тер­ми­но­ло­гию назв. дан­ной дис­ци­п­ли­ны (англ. – polymer science).

Мно­го­об­ра­зие по­ли­мер­ных ма­те­риа­лов, их ис­поль­зо­ва­ние во всех сфе­рах че­ло­ве­че­ской дея­тель­но­сти, уча­стие В. с. в про­цес­сах жиз­не­дея­тель­но­сти обу­слов­ли­ва­ет­ся в осн. уни­каль­ным це­по­чеч­ным строе­ни­ем мак­ро­мо­ле­кул, со­стоя­щих из мно­го­крат­но по­вто­ряю­щих­ся од­но­род­ных или раз­но­род­ных струк­тур­ных звень­ев, с прак­ти­че­ски не­ог­ра­ни­чен­ным чис­лом ато­мов в це­пи. Из В. с. по­стро­ен не толь­ко ок­ру­жаю­щий нас мир, но и сам че­ло­век яв­ля­ет­ся но­си­те­лем и про­из­води­те­лем В. с. – бел­ков, нук­леи­но­вых ки­слот. Ог­ром­ное чис­ло В. с. оп­ре­де­ля­ют зна­че­ние нау­ки о по­ли­ме­рах как од­но­го из круп­ней­ших раз­де­лов совр. хи­мии.

Нау­ка о по­ли­ме­рах раз­ви­ва­ет об­щие тео­ре­тич. пред­став­ле­ния о про­цес­сах син­те­за мак­ро­мо­ле­кул разл. ар­хи­тек­ту­ры, свой­ст­вах ин­ди­ви­ду­аль­ных мак­ро­мо­ле­кул, струк­ту­ре, фи­зи­ко-хи­мич. и ме­ха­нич. свой­ст­вах по­ли­мер­ных тел в аморф­ном, кри­стал­лич. и жид­кок­ри­стал­лич. со­стоя­ни­ях, а так­же осо­бен­но­стях по­ве­де­ния В. с. в рас­тво­рах. Хи­мия и фи­зи­ка по­ли­ме­ров мо­жет рас­смат­ри­вать­ся как меж­дис­ци­п­ли­нар­ная об­ласть зна­ния, по­сколь­ку не­раз­рыв­но свя­за­на с ор­га­нич., фи­зич. и кол­ло­ид­ной хи­ми­ей, фи­зи­кой твёр­до­го те­ла. Не­со­мнен­на её связь с био­ло­гич. дис­ци­п­ли­на­ми, объ­ек­та­ми изу­че­ния ко­то­рых яв­ля­ют­ся В. с. при­род­но­го про­ис­хо­ж­де­ния, гл. обр. био­по­ли­ме­ры – ти­пич­ные био­ло­гич. пред­ста­ви­те­ли вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ных со­еди­не­ний.

Ус­пе­хи нау­ки о по­ли­ме­рах не­раз­рыв­но свя­за­ны с при­клад­ны­ми ас­пек­та­ми ис­поль­зо­ва­ния В. с. – ре­ше­ни­ем за­дач хи­мич. тех­но­ло­гии (гл. обр. про­из-во мно­го­тон­наж­ных по­ли­ме­ров об­ще­го на­зна­че­ния), био­тех­но­ло­гии (пе­ре­ра­бот­ка био­по­ли­ме­ров), ме­ди­ци­ны (син­тез по­ли­ме­ров ме­ди­ко-био­ло­гич. на­зна­че­ния, по­лу­че­ние ком­по­зи­тов на их ос­но­ве), но­вых об­лас­тей тех­ни­ки (про­из-во ин­тел­лек­ту­аль­ных ма­те­риа­лов ма­ло­тон­наж­ной хи­мии для элек­тро­ни­ки, оп­ти­ки, ин­фор­мац. тех­но­ло­гий и пр.).

Осн. объ­ек­ты изу­че­ния нау­ки о по­ли­ме­рах – ор­га­нич., не­ор­га­нич. и эле­мен­то­ор­га­нич. со­еди­не­ния.

Важ­ней­шие на­уч. на­прав­ле­ния ис­сле­до­ва­ний совр. нау­ки о по­ли­ме­рах: ста­ти­стич. фи­зи­ка мак­ро­мо­ле­кул (кон­фор­ма­ци­он­ная ста­ти­сти­ка по­ли­мер­ных це­пей), ре­лак­са­ци­он­ные яв­ле­ния и ди­на­ми­ка мак­ро­мо­ле­кул, син­тез по­ли­ме­ров, ки­не­ти­ка об­ра­зо­ва­ния мак­ро­мо­ле­кул, хи­мич. пре­вра­ще­ния и де­ст­рук­ция мак­ро­мо­ле­кул, мо­ле­ку­ляр­ная и над­мо­ле­ку­ляр­ная струк­ту­ра аморф­ных, кри­стал­лич. и жид­кок­ри­стал­лич. по­ли­ме­ров, фи­зич., ме­ха­нич. и рео­ло­гич. свой­ст­ва по­ли­ме­ров, ди­элек­трич. и элек­трич. свой­ст­ва по­ли­ме­ров, по­ли­мер­ные рас­тво­ры и ге­ли, по­ли­элек­тро­ли­ты и био­по­ли­ме­ры, тех­но­ло­гия и пе­ре­ра­бот­ка по­ли­ме­ров и ком­по­зи­тов на их ос­но­ве и др.

Историческая справка

Ис­то­ки све­де­ний о при­ме­не­нии В. с. вос­хо­дят к глу­бо­кой древ­но­сти. Напр., пер­во­быт­ные лю­ди ши­ро­ко при­ме­ня­ли про­дук­ты об­ра­бот­ки шкур или шер­сти жи­вот­ных для из­го­тов­ле­ния оде­ж­ды, ис­поль­зо­ва­ли дре­ве­си­ну для строи­тель­ст­ва и из­го­тов­ле­ния из­де­лий хо­зяйств. и бы­то­во­го на­зна­че­ния. Най­ден­ные в еги­пет­ских пи­ра­ми­дах му­мии обёр­ну­ты в тка­ни, про­пи­тан­ные при­род­ны­ми смо­ла­ми, – по-ви­ди­мо­му, это од­но из пер­вых при­ме­не­ний по­ли­ме­ров в ка­че­ст­ве свя­зую­ще­го.

Тер­мин «по­ли­ме­рия» в нау­ку вве­дён в 1833 Й. Бер­це­лиу­сом; од­на­ко его смысл не со­от­вет­ст­во­вал совр. пред­став­ле­ни­ям о В. с., по­сколь­ку по­ли­ме­ри­ей был на­зван осо­бый вид изо­ме­рии. И хо­тя ряд В. с. был по­лу­чен в 1-й пол. 19 в. (в ча­ст­но­сти, в 1838 фо­то­хи­мич. по­ли­ме­ри­за­ци­ей был по­лу­чен по­ли­ви­ни­ли­ден­хло­рид, в 1839 ра­ди­каль­ной по­ли­мери­за­ци­ей – по­ли­сти­рол), эти ра­бо­ты сле­ду­ет рас­смат­ри­вать как эм­пи­ри­че­ские, по­сколь­ку мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ная при­ро­да та­ких по­ли­ме­ров бы­ла не­из­вест­на. К сер. 19 в. нау­чи­лись мо­ди­фи­ци­ро­вать при­род­ные по­ли­ме­ры, при­да­вая им не­об­хо­ди­мые свой­ст­ва за счёт хи­мич. ре­ак­ций при­род­ных ве­ществ с низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ны­ми со­еди­не­ния­ми. Пу­тём вул­ка­ни­за­ции на­ту­раль­но­го кау­чу­ка се­рой бы­ла по­лу­че­на ре­зи­на (1839–43), что по­слу­жи­ло на­ча­лом раз­ви­тия ре­зи­но­вой пром-сти. В нач. 1830-х гг. пу­тём об­ра­бот­ки цел­лю­ло­зы азот­ной ки­сло­той по­лу­че­на нит­ро­цел­лю­ло­за; свой­ст­ва нит­ро­цел­лю­ло­зы и осо­бен­но­сти об­ра­зуе­мо­го ею в рас­тво­рах «ор­га­ни­че­ско­го кол­лои­да» бы­ли изу­че­ны в 1846 К. Шён­бей­ном. В 1853 был раз­ра­бо­тан спо­соб фор­мо­ва­ния во­ло­кон из рас­тво­ра нит­ро­цел­лю­ло­зы. По­лу­чен­ная в 1862 на ос­но­ве нит­ро­цел­лю­ло­зы пла­ст­мас­са не ста­ла мно­го­тон­наж­ным про­дук­том, од­на­ко с неё и на­ча­лось пром. про­из-во пла­ст­масс. (Од­ним из важ­ней­ших ви­дов по­ли­мер­ных ма­те­риа­лов ста­ла изо­бре­тён­ная в 1907–1909 фе­но­ло-фор­м­аль­де­гид­ная смо­ла.) К нач. 20 в. пред­ло­же­ны и др. ме­то­ды мо­ди­фи­ци­ро­ва­ния цел­лю­ло­зы (по­лу­че­ны аце­тат­ные, вис­коз­ные, мед­но­ам­ми­ач­ные во­лок­на).

Од­на­ко до 1920-х гг. су­ще­ст­во­ва­ние боль­ших мо­ле­кул, та­ких как мо­ле­ку­лы цел­лю­ло­зы (и её эфи­ров) или на­тураль­но­го кау­чу­ка, объ­яс­ня­ли в осн. спо­соб­но­стью ма­лых ор­га­нич. мо­ле­кул ас­со­ции­ро­вать в рас­тво­ре в ком­плек­сы – «ор­га­ни­че­ские кол­лои­ды». В 1922–40 Г. Штау­дин­гер вы­ска­зал пред­по­ло­же­ние о це­по­чеч­ной при­ро­де мо­ле­кул вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ных со­еди­не­ний, ввёл тер­мин «мак­ро­мо­ле­ку­ла», по­ня­тие о сте­пе­ни по­ли­ме­ри­за­ции, раз­ветв­лён­ной мак­ро­мо­ле­ку­ле, трёх­мер­ной по­ли­мер­ной сет­ке. В 1953 Штау­дин­гер за фун­дам. ра­бо­ты в об­лас­ти В. с. был удо­сто­ен Но­бе­лев­ской пр., и его по пра­ву мож­но на­зывать соз­да­те­лем нау­ки о по­ли­ме­рах.

До кон. 1920-х гг. од­ним из гл. на­прав­ле­ний, в ко­то­ром раз­ви­ва­лась нау­ка о по­ли­ме­рах, был по­иск спо­со­бов син­те­за ана­ло­гов на­ту­раль­но­го кау­чу­ка. Кау­чу­ко­по­доб­ные про­дук­ты впер­вые бы­ли по­лу­че­ны на­гре­ва­ни­ем изо­пре­на – в 1875 (франц. хи­мик Г. Бу­шар­да) и в 1882 (англ. хи­мик У. Тил­ден). В 1899 И. Л. Кон­да­ков от­крыл ка­та­ли­ти­че­скую (под дей­ст­ви­ем ме­тал­лич. на­трия) по­ли­ме­ри­за­цию ди­ме­тил­бу­та­дие­на. В Рос­сии пром. спо­соб по­лу­че­ния син­те­тич. кау­чу­ка ка­та­ли­тич. по­ли­ме­ри­за­ци­ей бу­та­дие­на раз­ра­бо­тал С. В. Ле­бе­дев в 1928–32.

Раз­ви­тие ме­то­дов син­те­за и, глав­ное, на­ча­ло пром. про­из-ва но­вых син­те­тич. по­ли­ме­ров, та­ких как по­ли­сти­рол, по­ли­ме­тил­ме­так­ри­лат, по­ли­ви­нил­хло­рид и др., сти­му­ли­ро­ва­ли на­уч. ис­сле­до­ва­ния в за­ро­ж­даю­щей­ся об­лас­ти зна­ний, свя­зан­ной с соз­да­ни­ем но­вых ма­те­риа­лов и изу­че­ни­ем из фи­зи­ко-хи­мич. свойств.

В 1930-х гг. бы­ло до­ка­за­но су­ще­ст­во­ва­ние сво­бод­но­ра­ди­каль­но­го (Г. Штау­дин­гер и др.) и ион­но­го (амер. хи­мик Ф. Уит­мор и др.) ме­ха­низ­мов по­ли­ме­ри­за­ции. В 1940–50-х гг. С. С. Мед­ве­дев ус­та­но­вил ра­ди­каль­ную при­ро­ду ак­тив­ных цен­тров рас­ту­щих це­пей при ини­ции­ро­ва­нии по­ли­ме­ри­за­ции пе­рок­си­да­ми и сфор­му­ли­ро­вал по­ня­тие о пе­ре­да­че це­пи. Амер. хи­мик У. Ка­ро­зерс ввёл в хи­мию В. с. по­ня­тия функ­цио­наль­но­сти мо­но­ме­ра, ли­ней­ной и трёх­мер­ной по­ли­кон­ден­са­ции и раз­ра­бо­тал (1935–36) ме­тод по­лу­че­ния по­ли­ами­да для фор­мо­ва­ния во­ло­кон ти­па най­лон. В 1937 К. А. Ан­д­риа­нов впер­вые осу­ще­ст­вил син­тез крем­ний­ор­га­ни­че­ских по­ли­ме­ров – по­ли­ор­га­но­си­лок­са­нов.

Ра­бо­ты К. Циг­ле­ра по син­те­зу по­ли­эти­ле­на вы­со­кой плот­но­сти при от­но­ситель­но низ­ких дав­ле­нии и темп-ре на сме­шан­ных ти­тан-алю­ми­ние­вых ка­та­ли­за­то­рах и Дж. Нат­ты по по­лу­че­нию сте­рео­ре­гу­ляр­но­го по­ли­про­пи­ле­на за­ло­жи­ли ос­но­вы (1954) ме­то­да сте­рео­спе­ци­фи­че­ской по­ли­ме­ри­за­ции, по­зво­ляю­щей осу­ще­ст­в­лять син­тез сте­рео­ре­гу­ляр­ных по­ли­ме­ров с за­дан­ным кон­фи­гу­ра­ци­он­ным строе­ни­ем мак­ро­мо­ле­кул. Эти фун­дам. ис­сле­до­ва­ния бы­ли по­ло­же­ны в ос­но­ву пром. син­те­за сте­рео­ре­гу­ляр­ных по­ли-α-оле­фи­нов и от­ме­че­ны Но­бе­лев­ской пр. (1963).

В 1950–70-х гг. па­рал­лель­но с усо­вер­шен­ст­во­ва­ни­ем ме­то­дов син­те­за гиб­рид­ных по­ли­ме­ров со слож­ной ар­хи­тек­ту­рой мак­ро­мо­ле­кул (че­ре­дую­щие­ся, ста­ти­сти­че­ские, блок- и при­ви­тые со­по­ли­ме­ры) раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся фи­зи­ко-хи­мич. ос­но­вы нау­ки о по­ли­ме­рах. Тео­ре­тич. и экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ния, от­но­ся­щие­ся к тер­мо­ди­на­ми­ке рас­тво­ров по­ли­ме­ров, ста­ти­стич. ме­ха­ни­ке мак­ро­мо­ле­кул и изу­че­нию за­ко­но­мер­но­стей по­ли­кон­ден­са­ции, бы­ли вы­пол­не­ны П. Фло­ри (Но­бе­лев­ская пр., 1974); фун­дам. мо­но­гра­фия Фло­ри «Ос­но­вы хи­мии по­ли­ме­ров» («Prin­ciples of polymer chemistry», 1953) сыг­ра­ла клю­че­вую роль в раз­ви­тии пред­став­ле­ний о В. с. Круп­ный вклад в тео­ре­тич. фи­зи­ку по­ли­ме­ров вне­сли ра­бо­ты М. В. Воль­кен­штей­на и И. М. Лиф­ши­ца. В фор­ми­ро­ва­нии нау­ки о по­ли­ме­рах как об­лас­ти зна­ния, объ­е­ди­няю­щей хи­мию и фи­зи­ку мак­ро­мо­ле­кул, су­ще­ст­вен­ную роль сыг­ра­ли тру­ды В. А. Кар­ги­на и его шко­лы. Осн. вклад в раз­ра­бот­ку скей­лин­го­вой тео­рии по­ли­ме­ров и тео­рии жид­ких кри­стал­лов внёс П. де Жен (Но­бе­лев­ская пр., 1991).

К нач. 21 в. ис­сле­до­ва­ния в об­лас­ти син­те­за В. с. пре­тер­пе­ва­ют бур­ное раз­ви­тие. Соз­да­ют­ся но­вые ти­пы по­ли­ме­ров и по­ли­мер­ных сис­тем – жид­кок­ри­стал­лич. по­ли­ме­ры, сверх­раз­ветв­лён­ные по­ли­меры, ден­д­ри­ме­ры, по­ли­элек­тро­ли­т­ные ком­плек­сы, фо­то-, элек­тро- и тер­мо­чув­ст­ви­тель­ные по­ли­ме­ры, по­ли­мер­ные ге­ли и щёт­ки, ор­га­но-не­ор­га­нич. гиб­рид­ные сис­те­мы, на­но­ком­по­зи­ты и др. Ис­клю­чи­тель­ные ус­пе­хи в изу­че­нии элек­тро­про­во­дя­щих по­ли­ме­ров по­зво­ли­ли по­лу­чить до­пи­ро­ван­ный не­ор­га­нич. со­еди­не­ния­ми (I₂, BF₃, AsF₃) по­ли­аце­ти­лен с элек­тро­про­вод­но­стью (10⁵ См·м^–1), ко­то­рая близ­ка к про­во­ди­мо­сти ме­тал­лов (Х. Ши­ра­ка­ва, А. Мак­ди­ар­мид, А. Хи­гер; Но­бе­лев­ская пр., 2000).