ポリマー

ポリマー（/ ˈ p ɒ l ɪ m ər / ^{[4] [5]}）は、非常に大きな分子、つまり高分子からなる物質または材料であり、 1つまたは複数のモノマー種から派生した多数の繰り返しサブユニットで構成されています。^[6]幅広い特性のため、^[7]合成ポリマーと天然ポリマーはどちらも日常生活に不可欠で遍在的な役割を果たしています。^[8]ポリマーには、ポリスチレンなどのよく知られた合成プラスチックから、生物学的構造と機能の基礎となるDNAやタンパク質などの天然バイオポリマーまで多岐にわたります。 天然ポリマーと合成ポリマーの両方は、モノマーと呼ばれる多数の小分子の重合によって生成されます。 その結果、小分子化合物に比べて分子量が大きいため、強靭性、高弾性、粘弾性、結晶ではなくアモルファスおよび半結晶構造を形成する傾向など、独特の物理的特性が得られます。

ポリマーは、高分子科学（高分子化学と高分子物理学を含む）、生物物理学、材料科学および工学の分野で研究されています。歴史的に、共有 化学結合による繰り返し単位の連結から生じる生成物は、高分子科学の主な焦点でした。現在、新たな重要な分野として、非共有結合によって形成される超分子ポリマーに焦点が当てられています。ラテックスゴムのポリイソプレンは天然ポリマーの例であり、発泡スチロールのポリスチレンは合成ポリマーの例です。生物学的な文脈では、基本的にすべての生物学的高分子、つまりタンパク質（ポリアミド）、核酸（ポリヌクレオチド）、および多糖類は、純粋にポリマーであるか、大部分がポリマー成分で構成されています。

「ポリマー」という用語は、ギリシャ語の πολύς （polus）  「多くの、多くの」と μέρος （meros） 「部分」に由来しています。この用語は1833年にイェンス・ヤコブ・ベルセリウス によって造られましたが、その定義は現代のIUPACの定義とは異なります。^{[9] [10]共有結合した高分子構造としてのポリマーの現代的な概念は、1920年に}ヘルマン・シュタウディンガーによって提唱され、^[11]彼はその後10年間、この仮説の実験的証拠の発見に費やしました。^[12]

ポリマーには、天然に存在するものと合成または人工的に作られたものの2 種類があります。

麻、シェラック、琥珀、羊毛、絹、天然ゴムなどの天然ポリマー材料は何世紀にもわたって使用されてきました。木材や紙の主成分である セルロースなど、その他のさまざまな天然ポリマーが存在します。

ヘモグリシン（以前はヘモリシンと呼ばれていました）は、隕石で発見された最初のアミノ酸ポリマーである宇宙ポリマーです。^{[13] [14] [15]}

合成ポリマーのリストは、おおよそ世界的な需要の順に、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、合成ゴム、フェノールホルムアルデヒド樹脂（またはベークライト）、ネオプレン、ナイロン、ポリアクリロニトリル、PVB、シリコーンなどを含みます。これらのポリマーは毎年3億3000万トン以上製造されています（2015年）。^[16]

最も一般的には、プラスチックの製造に使用されるポリマーの連続的に結合した骨格は、主に炭素原子で構成されています。簡単な例としては、繰り返し単位またはモノマーがエチレンであるポリエチレン（英国英語では「ポリエチレン」）があります。他にも多くの構造が存在します。たとえば、シリコンなどの元素は、シリーパテや防水配管シーラントなどのシリコーンなどの身近な材料を形成します。酸素は、ポリエチレングリコール、多糖類（グリコシド結合）、DNA（ホスホジエステル結合）などのポリマー骨格にもよく存在します。

重合は、モノマーと呼ばれる多くの小さな分子を共有結合した鎖またはネットワークに結合するプロセスです。重合プロセス中に、各モノマーからいくつかの化学基が失われる場合があります。これは、 PET ポリエステルの重合で発生します。モノマーはテレフタル酸(HOOC—C ₆ H ₄ —COOH) とエチレングリコール(HO—CH ₂ —CH ₂ —OH) ですが、繰り返し単位は —OC—C ₆ H ₄ —COO—CH ₂ —CH ₂ —O— であり、これは 2 つのモノマーが結合して 2 つの水分子が失われたことに相当します。ポリマーに組み込まれる各モノマーの個別の部分は、繰り返し単位またはモノマー残基と呼ばれます。

合成法は、一般的に段階重合と連鎖重合の2つのカテゴリーに分けられます。^{[17]両者の本質的な違いは、連鎖重合では、}ポリスチレンのようにモノマーが1つずつしか鎖に追加されないのに対し、^{[18]段階重合では、}ポリエステルのようにモノマーの鎖が直接互いに結合することがあり、^[19]ます。段階重合は、反応ステップごとに低分子量の副産物が形成される重縮合と重付加に分けられます。

プラズマ重合などの新しい方法は、どちらのカテゴリにもうまく当てはまりません。合成重合反応は、触媒の有無にかかわらず実行できます。バイオポリマー、特にタンパク質の実験室合成は、集中的に研究されている分野です。

バイオポリマーには、多糖類、ポリペプチド、ポリヌクレオチドの 3 つの主なクラスがあります。生体細胞では、これらはDNA ポリメラーゼによって触媒される DNA の形成など、酵素を介したプロセスによって合成されます。タンパク質の合成には、遺伝情報を DNA からRNAに転写し、続いてその情報を翻訳してアミノ酸から特定のタンパク質を合成する、複数の酵素を介したプロセスが含まれます。タンパク質は、適切な構造と機能を提供するために、翻訳後にさらに変更される場合があります。ゴム、スベリン、メラニン、リグニンなどのバイオポリマーもあります。

綿、デンプン、ゴムなどの天然ポリマーは、ポリエチレンやパースペックスなどの合成ポリマーが市場に登場してから何年もの間、よく知られた材料でした。商業的に重要なポリマーの多くは、天然ポリマーの化学修飾によって合成されています。有名な例としては、硝酸とセルロースの反応によるニトロセルロースの生成や、硫黄の存在下で天然ゴムを加熱して加硫ゴムを生成することが挙げられます。ポリマーを修飾する方法には、酸化、架橋、エンドキャップなどがあります。

ポリマー材料の構造は、サブnmの長さスケールからマクロスケールまで、さまざまな長さスケールで記述できます。実際には構造には階層があり、各段階が次の段階の基礎となります。^[20] ポリマーの構造を記述するための出発点は、その構成モノマーの同一性です。次に、ミクロ構造は基本的に、ポリマー内のこれらのモノマーの配置を単一鎖のスケールで記述します。ミクロ構造は、ポリマーが異なる配置の相を形成する可能性、たとえば結晶化、ガラス転移、ミクロ相分離などを決定します。^[21] これらの特徴は、ポリマーの物理的および化学的特性を決定する上で重要な役割を果たします。

ポリマーを構成する繰り返し単位（モノマー残基、別名「マー」）の同一性は、ポリマーの最初で最も重要な属性です。ポリマーの命名法は、一般的にポリマーを構成するモノマー残基の種類に基づいています。1種類の繰り返し単位のみを含むポリマーはホモポリマーと呼ばれ、2種類以上の繰り返し単位を含むポリマーはコポリマーと呼ばれます。^[22]ターポリマーは、3種類の繰り返し単位を含むコポリマーです。^[23]

ポリスチレンはスチレンベースの繰り返し単位のみで構成されており、ホモポリマーに分類されます。ポリエチレンテレフタレートは、2 つの異なるモノマー(エチレングリコールとテレフタル酸)から製造されますが、形成される繰り返し単位が 1 種類だけなので、通常はホモポリマーと見なされます。エチレンビニルアセテートは、複数の種類の繰り返し単位を含み、コポリマーです。一部の生物学的ポリマーは、構造的に関連するさまざまな異なるモノマー残基で構成されています。たとえば、 DNA などのポリヌクレオチドは、4 種類のヌクレオチドサブユニットで構成されています。

イオン化可能なサブユニット（例えば、ペンダントカルボキシル基）を含むポリマーは、イオン化可能なユニットの割合が大きい場合は 高分子電解質、小さい場合はイオノマーと呼ばれます。

ポリマーの微細構造（構成と呼ばれることもある）は、鎖の骨格に沿ったモノマー残基の物理的配置に関係している。^[24]これらは、共有結合を切断しないと変化しないポリマー構造の要素である。モノマーと反応条件に応じて、さまざまなポリマー構造を生成することができる。ポリマーは、それぞれ1つの分岐していない鎖のみを含む線状高分子で構成される場合がある。分岐していないポリエチレンの場合、この鎖は長鎖n-アルカンである。主鎖と側鎖を持つ分岐した高分子もあり、ポリエチレンの場合、側鎖はアルキル基である。特に、分岐していない高分子は固体の半結晶性であり、下の図で赤く強調表示されている結晶鎖セクションである。

分岐ポリマーと非分岐ポリマーは通常熱可塑性ですが、多くのエラストマーは「主鎖」間に広い網目状の架橋結合を持っています。一方、網目状の架橋結合は熱硬化性物質になります。架橋結合と分岐は図中で赤い点で示されています。高度に分岐したポリマーは非晶質で、固体中の分子はランダムに相互作用します。

ポリマーの重要な微細構造的特徴はその構造と形状であり、分岐点が単純な直鎖からの逸脱につながる方法に関係している。^[25]分岐ポリマー分子は、1つ以上の置換基側鎖または分岐を持つ主鎖で構成される。分岐ポリマーの種類には、スターポリマー、コームポリマー、ポリマーブラシ、デンドロン化ポリマー、ラダーポリマー、デンドリマーなどがある。^{[25]位相的に平面的な繰り返し単位で構成される}2次元ポリマー（2DP）も存在する。ポリマーの構造は、溶液粘度、溶融粘度、さまざまな溶媒への溶解度、ガラス転移温度、溶液中の個々のポリマーコイルのサイズなど、多くの物理的特性に影響を及ぼします。さまざまな構造のポリマー材料を合成するために、リビング重合などさまざまな技術を使用することができる。

鎖の長さを表す一般的な方法は重合度であり、鎖に組み込まれたモノマーの数を定量化する。^{[26] [27]}他の分子と同様に、ポリマーのサイズは分子量で表されることもある。合成重合技術_では通常、鎖長の統計分布が得られるため、分子量は加重平均で表される。数平均分子量（Mn）と重量_平均分子量（Mw）が最も一般的に報告されている。^{[28] [29]}_これら2つの値の比（Mw / _Mn）が分散度（Đ）であり、分子量分布の幅を表すために一般的に使用される。^[30]

ポリマーの物理的性質^[31]は、ポリマー鎖の長さ（または同等に、分子量）に大きく依存します。^[32]分子量の物理的影響の重要な例の 1 つは、溶融物における粘度（流れに対する抵抗）のスケーリングです。 ^[33]重量平均分子量 ( ) が溶融粘度 ( ) に与える影響は、ポリマーが絡み合いの開始 を超えているか下回っているかによって異なります。絡み合い分子量未満では^{[説明が必要]}、ですが、絡み合い分子量を超えると です。後者の場合、ポリマー鎖長を 10 倍に増やすと、粘度は 1000 倍以上増加します。^{[34] [ページが必要]}さらに、鎖長が長くなると、鎖の可動性が低下し、強度と靭性が増加し、ガラス転移温度 (T _g ) が上昇する傾向があります。^[35]これは、鎖長の増加に伴うファンデルワールス力や絡み合いなどの鎖相互作用の増加の結果です。 ^{[36] [37]}これらの相互作用は、個々の鎖をより強く所定の位置に固定し、より高い応力とより高い温度の両方で変形やマトリックスの破壊に抵抗する傾向があります。 ${\displaystyle M_{w}}$${\displaystyle \eta}$${\displaystyle \eta \sim {M_{w}}^{1}}$${\displaystyle \eta \sim {M_{w}}^{3.4}}$

共重合体は、統計共重合体、交互共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体、または勾配共重合体に分類されます。下の模式図では、ⒶとⒷは2つの繰り返し単位を表しています。

• 交互共重合体は、 2つのモノマー残基が規則的に交互に並んでいる：^[38] （AB）
  _ん一例としては、フリーラジカル連鎖重合によって形成されるスチレンと無水マレイン酸の等モル共重合体が挙げられる。 ^[39]ナイロン66などの段階的重合共重合体も、ジアミン残基と二酸残基の厳密に交互共重合体と考えることができるが、1つのアミンと1つの酸の二量体残基を繰り返し単位として持つホモポリマーとして説明されることが多い。^[40]
• 周期的共重合体は2種類以上のモノマー単位が規則的に配列している。^[41]
• 統計的共重合体は、統計的規則に従って配置されたモノマー残基を有する。特定の種類のモノマー残基が鎖の特定の点に見つかる確率が周囲のモノマー残基の種類に依存しない統計的共重合体は、真にランダムな共重合体と呼ばれることがある。^{[42] [43]例えば、}塩化ビニルと酢酸ビニルの連鎖成長共重合体はランダムである。^[39]
• ブロック共重合体は、異なるモノマー単位の長い配列を有する。^{[39] [40]} 2つの異なる化学種（例：AとB）の2つまたは3つのブロックを含むポリマーは、それぞれジブロック共重合体およびトリブロック共重合体と呼ばれる。それぞれ異なる化学種（例：A、B、およびC）の3つのブロックを含むポリマーは、トリブロックターポリマーと呼ばれる。
• グラフト共重合体またはグラフト共重合体には、主鎖とは異なる組成または構成の繰り返し単位を持つ側鎖または分岐が含まれる。^[40]分岐は、あらかじめ形成された主鎖高分子に付加される。^[39]

共重合体内のモノマーは、様々な方法で骨格に沿って配列される。モノマーの制御された配列を含む共重合体は、配列制御ポリマーと呼ばれる。^{[44]交互、周期的、ブロック共重合体は、}配列制御ポリマーの簡単な例である。

立体規則性は、高分子内の隣接する構造単位のキラル中心の相対的な立体化学を表します。立体規則性には、アイソタクチック(置換基がすべて同じ側にある)、アタクチック(置換基がランダムに配置されている)、シンジオタクチック(置換基が交互に配置されている) の 3 種類があります。

ポリマー形態学は、一般的に、空間におけるポリマー鎖の配置とミクロスケールの秩序を表します。ポリマーのマクロ的な物理的特性は、ポリマー鎖間の相互作用に関連しています。

• 無秩序なポリマー:固体状態では、アタクチックポリマー、高度に分岐したポリマー、ランダムコポリマーは非晶質（すなわちガラス状構造）を形成する。^[45]溶融および溶液状態では、ポリマーは絶えず変化する「統計的クラスター」を形成する傾向がある。自由結合鎖モデルを参照。固体状態では、分子のそれぞれの立体配座は固定されている。鎖状分子のフックと絡み合いにより、鎖間に「機械的結合」が生じる。分子間および分子内の引力は、分子セグメントが互いに十分に近い場所でのみ発生する。分子の不規則な構造により、より狭い配置が妨げられる。

• 周期構造、低分岐、立体規則性（例えばアタクチックではない）を持つ線状ポリマーは、固体状態で半結晶構造をとる。 ^[45]単純なポリマー（ポリエチレンなど）では、鎖は結晶中にジグザグ構造で存在する。いくつかのジグザグ構造が結晶子またはラメラと呼ばれる密な鎖パックを形成する。ラメラはポリマーの長さよりもはるかに薄い（多くの場合約10 nm）。^[46]これらは、1つまたは複数の分子鎖が多かれ少なかれ規則的に折り畳まれることによって形成される。ラメラ間には非晶質構造が存在する。個々の分子はラメラ間の絡み合いを引き起こす可能性があり、2つ（またはそれ以上）のラメラ（タイ分子と呼ばれる鎖）の形成に関与することもある。いくつかのラメラは、直径が0.05〜1 mmの範囲であることが多い球晶と呼ばれる上部構造を形成する。 ^[46]

繰り返し単位の（機能的）残基の種類と配置は、二次原子価結合の結晶度と強度に影響を及ぼし、または決定します。アイソタクチックポリプロピレンでは、分子がらせんを形成します。ジグザグ構造と同様に、このようならせんにより、高密度の鎖パッキングが可能になります。特に強い分子間相互作用は、p-アラミドの場合のように、繰り返し単位の残基が水素結合の形成を可能にする場合に発生します。強い分子内結合の形成により、明確な回路トポロジーを持つ単一の線状鎖の多様な折り畳み状態が生成される場合があります。結晶度と上部構造は常にその形成条件に依存します。ポリマーの結晶化も参照してください。アモルファス構造と比較して、半結晶構造では、ポリマーの剛性、密度、融点、耐性が向上します。

• 架橋ポリマー:網目の広い架橋ポリマーはエラストマーであり、溶融できません (熱可塑性プラスチックとは異なります)。架橋ポリマーを加熱すると分解するだけです。一方、熱可塑性エラストマーは可逆的に「物理的に架橋」されており、溶融できます。ポリマーのハードセグメントが結晶化する傾向があり、ソフトセグメントが非晶質構造であるブロックコポリマーは、熱可塑性エラストマーの一種です。ハードセグメントにより、網目の広い物理的架橋が保証されます。

ポリマーに適用される場合、結晶性という用語はいくぶん曖昧な用法となる。場合によっては、結晶性という用語は、従来の結晶学で使用される用法と同じ用法が用いられる。例えば、X線結晶学用に調製されたサンプルなどの結晶性タンパク質またはポリヌクレオチドの構造は、数百オングストローム以上のセル寸法を持つ1つ以上のポリマー分子で構成される従来の単位セルで定義される場合がある。合成ポリマーは、通常分子内折り畳みまたは隣接鎖の積み重ねから生じる、原子（高分子ではなく）長さスケールでの3次元秩序の領域を含む場合、大まかに結晶性であると説明される場合がある。合成ポリマーは、結晶性領域と非晶質領域の両方で構成される場合があり、結晶度の程度は、結晶性物質の重量分率または体積分率で表すことができる。完全に結晶性の合成ポリマーはほとんどない。^[47]ポリマーの結晶性は、結晶度の程度によって特徴付けられ、完全に非結晶性のポリマーの場合は0、理論上は完全に結晶性のポリマーの場合は1である。微結晶領域を持つポリマーは、一般的に完全に非晶質のポリマーよりも強靭（折れることなく曲げることができる）で、耐衝撃性に優れています。^[48]結晶度が0または1に近いポリマーは透明になる傾向がありますが、結晶度が中程度のポリマーは、結晶またはガラス領域による光の散乱により不透明になる傾向があります。多くのポリマーでは、結晶度は透明性の低下と関連している可能性もあります。

ポリマー分子が占める空間は、一般的に回転半径で表されます。回転半径は、鎖の質量中心から鎖自体までの平均距離です。あるいは、浸透体積で表すこともできます。浸透体積はポリマー鎖が張る体積で、回転半径の3乗に比例します。^[49] 溶融非晶質状態のポリマーの最も単純な理論モデルは、理想鎖です。

ポリマーの特性はその構造に依存し、物理的基礎に応じてクラスに分類されます。多くの物理的および化学的特性は、ポリマーが連続したマクロ材料としてどのように動作するかを説明します。これらは、熱力学に従ってバルク特性または強度特性として分類されます。

ポリマーのバルク特性は、最終用途で最も関心の高い特性です。これらは、ポリマーがマクロスケールで実際にどのように動作するかを決定する特性です。

材料の引張強度は、材料が破損するまでにどれだけの伸長応力に耐えられるかを定量化します。[ 50 ^{] [51]}これは、ポリマーの物理的強度や耐久性に依存する用途では非常に重要です。たとえば、引張強度の高い輪ゴムは、切れるまでに大きな重量を保持できます。一般に、引張強度はポリマー鎖の長さとポリマー鎖の 架橋とともに増加します。

ヤング率はポリマーの弾性を定量化します。小さなひずみに対する応力とひずみの変化率の比率として定義されます。引張強度と同様に、ゴムバンドなどポリマーの物理的特性が関係するポリマー用途では、ヤング率は大きく関係します。弾性率は温度に大きく依存します。粘弾性は複雑な時間依存の弾性応答を表し、荷重が除去されると応力-ひずみ曲線にヒステリシスが現れます。動的機械分析(DMA) では、荷重を振動させ、結果として生じるひずみを時間の関数として測定することで、この複雑な弾性率を測定します。

拡散率などの輸送特性は、分子がポリマーマトリックス内をどれだけ速く移動するかを表します。これらは、フィルムや膜用のポリマーの多くの用途で非常に重要です。

個々の高分子の動きは、レプテーションと呼ばれるプロセスによって発生します。レプテーションでは、各鎖分子が隣接する鎖との絡み合いによって仮想チューブ内を移動するように制約されます。レプテーション理論は、ポリマー分子のダイナミクスと粘弾性を説明することができます。^[52]

ポリマーは、化学構造によって半結晶性または非晶質になります。半結晶性ポリマーは結晶化および融解転移を起こすことができますが、非晶質ポリマーは起こしません。ポリマーの場合、結晶化および融解は、水やその他の分子流体の場合のように固体から液体への相転移を意味するものではありません。代わりに、結晶化および融解は、2 つの固体状態 (つまり、半結晶性と非晶質) 間の相転移を指します。結晶化は、ガラス転移温度 ( T _g ) より高く、融点 ( T _m ) より低い温度で起こります。

すべてのポリマー（非晶質または半結晶質）はガラス転移を経る。ガラス転移温度（T _{g ）はポリマー}の製造、加工、使用にとって重要な物理的パラメータである。T _g未満では分子運動が凍結し、ポリマーは脆くガラス状になる。T _{gを超えると分子運動が活性化し、ポリマーはゴム状で粘性がある。ガラス転移温度は、ポリマーの分岐度や架橋度を変えたり、}可塑剤を添加することで制御できる。^[53]

結晶化と融解は一次相転移であるが、ガラス転移は一次相転移ではない。^[54]ガラス転移は二次相転移の特徴（図に示すように熱容量の不連続性など）を共有しているが、一般的には平衡状態間の熱力学的転移とは見なされていない。

一般に、ポリマー混合物は、小分子材料の混合物よりもはるかに混和性が低い。この効果は、混合の原動力が通常エントロピーであり、相互作用エネルギーではないという事実から生じる。言い換えれば、混和性材料が通常溶液を形成するのは、相互の相互作用が自己相互作用よりも有利であるからではなく、各成分に利用可能な体積の増加に伴うエントロピーの増加、したがって自由エネルギーの増加による。このエントロピーの増加は、混合される粒子（またはモル）の数に比例する。ポリマー分子は小分子よりもはるかに大きく、したがって一般に比容積がはるかに高いため、ポリマー混合物に含まれる分子の数は、同じ体積の小分子混合物の数よりもはるかに少ない。一方、混合のエネルギーは、ポリマー混合物と小分子混合物の体積当たりで同程度である。これにより、ポリマー溶液の混合の自由エネルギーが増加する傾向があり、それによって溶媒和が不利になり、したがってポリマーの濃縮溶液の利用可能性は小分子の濃縮溶液の利用可能性よりもはるかに低くなる。

さらに、ポリマー溶液および混合物の相挙動は、小分子混合物の相挙動よりも複雑です。ほとんどの小分子溶液は、冷却により相分離が起こる上限臨界溶解温度相転移 (UCST) のみを示しますが、ポリマー混合物は、加熱により相分離が起こる下限臨界溶解温度相転移 (LCST) を示すのが一般的です。

希薄溶液では、ポリマーの特性は溶媒とポリマーの相互作用によって特徴付けられます。良溶媒では、ポリマーは膨張して大きな体積を占めます。このシナリオでは、溶媒とモノマーサブユニット間の分子間力が分子内相互作用よりも優勢になります。不良溶媒または貧溶媒では、分子内力が優勢になり、鎖が収縮します。シータ溶媒、つまり第 2 ビリアル係数の値が 0 になるポリマー溶液の状態では、分子間のポリマーと溶媒の反発力が分子内のモノマーとモノマーの引力と正確に釣り合います。シータ条件 (フローリー条件とも呼ばれる) では、ポリマーは理想的なランダムコイルのように動作します。状態間の遷移は、コイル - グロビュール遷移として知られています。

可塑剤を加えるとT _{g が}低下し、ポリマーの柔軟性が増す傾向がある。可塑剤を添加すると、ガラス転移温度T _gの冷却速度への依存性も変化する。^[55]可塑剤の分子が水素結合形成を引き起こすと、鎖の可動性がさらに変化する可能性がある。可塑剤は一般にポリマーと化学的に類似した小さな分子であり、ポリマー鎖の間に隙間を作って可動性を高め、鎖間相互作用を少なくする。可塑剤の作用の良い例は、ポリ塩化ビニルまたはPVCに関連している。uPVC、つまり可塑化されていないポリ塩化ビニルは、パイプなどに使用されている。パイプには可塑剤は含まれていない。それは、強度と耐熱性を維持する必要があるためである。可塑化されたPVCは、柔軟性を持たせるために衣類に使用されている。可塑剤は、ポリマーをより柔軟にするために、いくつかのタイプのラップフィルムにも入れられている。

ポリマー鎖間の引力は、ポリマーの特性を決定する上で大きな役割を果たします。ポリマー鎖は非常に長いため、分子ごとにこのような鎖間相互作用が多くあり、従来の分子間の引力と比較して、これらの相互作用がポリマーの特性に与える影響が増幅されます。ポリマー上の異なる側鎖基は、ポリマー自身の鎖間でイオン結合または水素結合を促します。これらの力が強くなると、通常、引張強度と結晶融点が高くなります。

ポリマーの分子間力は、モノマー単位の双極子の影響を受けることがあります。アミドまたはカルボニル基を含むポリマーは、隣接する鎖間で水素結合を形成できます。つまり、一方の鎖の NH 基の部分的に正に帯電した水素原子は、もう一方の鎖の C=O 基の部分的に負に帯電した酸素原子に強く引き付けられます。たとえば、これらの強力な水素結合により、ウレタンまたは尿素結合を含むポリマーの引張強度と融点が高くなります。ポリエステルは、 C=O 基の酸素原子と HC 基の水素原子の間に双極子 - 双極子結合があります。双極子結合は水素結合ほど強力ではないため、ポリエステルの融点と強度はケブラー(トワロン) よりも低くなりますが、ポリエステルの方が柔軟性があります。ポリエチレンなどの非極性単位を持つポリマーは、弱いファンデルワールス力によってのみ相互作用します。その結果、通常、他のポリマーよりも融点が低くなります。

塗料や接着剤などの市販製品のように、ポリマーが液体に分散または溶解している場合、その化学的性質と分子相互作用が溶液の流れ方に影響を与え、ポリマーが自己組織化して複雑な構造を形成することもあります。ポリマーがコーティングとして塗布される場合、化学的性質はコーティングの接着性や、耐水性をもたらす超疎水性ポリマーコーティングなどの外部材料との相互作用に影響を与えます。全体として、ポリマーの化学的性質は、新しいポリマー材料製品を設計するための重要な要素です。

PMMAやHEMA:MMAなどのポリマーは、固体色素レーザー（固体色素ドープポリマーレーザーとも呼ばれる）のゲイン媒体のマトリックスとして使用されます。これらのポリマーは表面品質が高く、透明度も高いため、レーザー特性はポリマーマトリックスにドープするレーザー色素によって左右されます。有機レーザーのクラスにも属するこれらのタイプのレーザーは、分光法や分析アプリケーションに役立つ非常に狭い線幅を生み出すことで知られています。 ^[56]レーザーアプリケーションで使用されるポリマーの重要な光学パラメータは、温度による屈折率の変化であり、dn/dTとしても知られています。ここで言及したポリマーの場合、297 ≤ T ≤ 337 Kの範囲で、 K ⁻¹単位では（dn/dT）〜−1.4 × 10 ^−4です。^[57]

ポリエチレンなどの従来のポリマーのほとんどは電気絶縁体ですが、 π共役結合を含むポリマーの開発により、ポリチオフェンなどのポリマーベースの半導体が豊富に開発され、有機エレクトロニクスの分野で多くの用途につながっています。

今日、合成ポリマーはほぼすべての分野で使用されています。合成ポリマーがなければ、現代社会は大きく異なるものになるでしょう。ポリマーの使用が広がっているのは、低密度、低コスト、優れた熱/電気絶縁性、高い耐腐食性、低エネルギー消費のポリマー製造、最終製品への容易な加工など、ポリマーのユニークな特性によるものです。特定の用途では、複合材料のように他の材料と組み合わせることで、ポリマーの特性を調整または強化できます。合成ポリマーを使用すると、エネルギーを節約したり (自動車や飛行機の軽量化、建物の断熱化)、食品や飲料水を保護したり (包装)、土地を節約して肥料の使用を減らしたり (合成繊維)、他の材料を保護したり (コーティング)、人命を守ったり救ったりすることができます。以下に、代表的な用途のリストを示しますが、これらに限定されるわけではありません。

• 衣類、スポーツウェア、アクセサリー：ポリエステルおよびPVC 衣類、スパンデックス、スポーツシューズ、ウェットスーツ、フットボールおよびビリヤードボール、スキーおよびスノーボード、ラケット、パラシュート、帆、テントおよびシェルター。
• 電子および光子技術：有機電界効果トランジスタ（OFET）、発光ダイオード（OLED）、太陽電池、テレビ部品、コンパクトディスク（CD）、フォトレジスト、ホログラフィー。
• 包装および容器：フィルム、ボトル、食品包装、樽。
• 断熱材：電気・熱絶縁材、スプレーフォーム。
• 建設および構造用途:ガーデン家具、PVC窓、床材、シーリング、パイプ。
• 塗料、接着剤、潤滑剤：ワニス、接着剤、分散剤、落書き防止コーティング、防汚コーティング、非粘着表面、潤滑剤。
• 自動車部品：タイヤ​​、バンパー、フロントガラス、ワイパー、燃料タンク、車のシート。
• 家庭用品：バケツ、台所用品、おもちゃ（例：組み立てセット、ルービックキューブ）。
• 医療用途:血液バッグ、注射器、ゴム手袋、手術用縫合糸、コンタクトレンズ、人工関節、制御された薬物送達および放出、細胞増殖用マトリックス。
• 個人衛生およびヘルスケア：高吸収性ポリマーを使用したおむつ、歯ブラシ、化粧品、シャンプー、コンドーム。
• セキュリティ:個人用保護具、防弾チョッキ、宇宙服、ロープ。
• 分離技術：合成膜、燃料電池膜、ろ過、イオン交換樹脂。
• お金:ポリマー紙幣と決済カード。
• 3Dプリント。

ポリマー物質の命名には複数の慣習があります。消費者製品に見られるような一般的に使用されるポリマーの多くは、共通名または慣用名で呼ばれています。慣用名は、標準化された命名慣習ではなく、歴史的な前例や一般的な使用法に基づいて割り当てられます。アメリカ化学会（ACS）^[58]とIUPAC ^[59]の両方が標準化された命名規則を提案しており、ACSとIUPACの規則は似ていますが、同一ではありません。^[60]さまざまな命名規則の違いの例を次の表に示します。

どちらの標準化された慣例でも、ポリマーの名前は、繰り返しサブユニットの正確な性質ではなく、合成されたモノマーを反映することを目的としています (ソースベースの命名法)。たとえば、単純なアルケンであるエテンから合成されたポリマーはポリエテンと呼ばれ、重合プロセス中に二重結合が除去されても、接尾辞 -eneが保持されます。

→

しかし、IUPAC構造に基づく命名法は、好ましい構成繰り返し単位の命名に基づいています。^[61]

IUPACは新しいポリマー名の略語に関するガイドラインも発行している。^{[62] 138の一般的なポリマー略語も}ISO 1043-1規格で標準化されている。 ^[63]

ポリマーの特性評価には、化学組成、分子量分布、物理的特性を決定するためのさまざまな手法が含まれます。一般的な手法には次のものがあります。

• サイズ排除クロマトグラフィー（ゲル浸透クロマトグラフィーとも呼ばれる）は、静的光散乱と組み合わせて、数平均分子量、重量平均分子量、および分散度を決定するために使用できます。
• 静的光散乱や小角中性子散乱などの散乱技術は、溶液中または溶融物中の高分子の寸法（回転半径）を決定するために使用されます。これらの技術は、ミクロ相分離ブロックポリマー、ポリマーミセル、およびその他の材料の 3 次元構造を特徴付けるためにも使用されます。
• 広角 X 線散乱(広角 X 線回折とも呼ばれる) は、ポリマーの結晶構造 (またはその欠如) を決定するために使用されます。
• フーリエ変換赤外分光法、ラマン分光法、核磁気共鳴分光法などの分光法技術を使用して化学組成を決定することができます。
• 示差走査熱量測定法は、ガラス転移温度、結晶化温度、融点などのポリマーの熱特性を評価するために使用されます。ガラス転移温度は、動的機械分析によっても測定できます。
• 熱重量測定はポリマーの熱安定性を評価するのに有用な技術です。
• レオロジーは、流動および変形挙動を特徴付けるために使用されます。レオロジーは、粘度、弾性率、およびその他のレオロジー特性を決定するために使用できます。レオロジーは、分子構造 (分子量、分子量分布、分岐) を決定し、ポリマーの処理方法を理解するためにもよく使用されます。

ポリマーの劣化とは、熱、光、特定の化学物質、酸素、酵素の存在など、1 つ以上の環境要因の影響下でのポリマーまたはポリマーベースの製品の特性 (引張強度、色、形状、分子量)の変化です。この特性の変化は、多くの場合、ポリマー骨格の結合破壊 (鎖切断)の結果であり、鎖の末端または鎖内のランダムな位置で発生することがあります。

このような変化は望ましくないことが多いが、生分解やリサイクルなど、環境汚染を防ぐことを目的とした場合もある。分解は生物医学の分野でも役立つ可能性がある。例えば、ポリ乳酸とポリグリコール酸の共重合体は、傷口に塗布するとゆっくりと分解する加水分解性縫合糸に使用されている。

ポリマーの劣化に対する感受性は、その構造によって異なります。エポキシや芳香族官能基を含む鎖は特に紫外線による劣化の影響を受けやすく、ポリエステルは加水分解による劣化の影響を受けやすいです。不飽和骨格を含むポリマーはオゾン分解により劣化します。炭素ベースのポリマーは、ポリジメチルシロキサンなどの無機ポリマーよりも熱による劣化の影響を受けやすいため、ほとんどの高温用途には適していません。^[要出典]

ポリエチレンの分解はランダム切断、つまりポリマーの原子を結合している結合のランダムな切断によって起こります。450 °C 以上に加熱すると、ポリエチレンは分解して炭化水素の混合物になります。鎖末端切断の場合、モノマーが放出され、このプロセスは解離または脱重合と呼ばれます。どのメカニズムが支配的になるかは、ポリマーの種類と温度によって異なります。一般に、繰り返し単位に置換基がないか、小さな置換基が 1 つだけあるポリマーは、ランダム鎖切断によって分解します。

プラスチックの種類を識別するために プラスチック工業会が開発した樹脂識別コードを使用すると、リサイクル目的でのポリマー廃棄物の分別が容易になります。

安全上重要なポリマー部品の故障は、ポリマー燃料ラインの亀裂や劣化による火災など、重大な事故を引き起こす可能性があります。アセタール樹脂の配管ジョイントとポリブチレンパイプの塩素誘発亀裂は、特に1990年代の米国で住宅に多くの深刻な浸水を引き起こしました。水道水に含まれる微量の塩素が配管内のポリマーを侵食し、部品の押し出し成形や射出成形が不十分な場合は、問題がより早く発生します。アセタールジョイントの侵食は成形不良が原因で発生し、応力が集中する継手のねじ山に沿って亀裂が生じました。

ポリマーの酸化は医療機器の事故を引き起こした。最も古くから知られている故障モードの1つは、オゾンガスが天然ゴムやニトリルゴムなどの影響を受けやすいエラストマーを攻撃したときに鎖切断によって起こるオゾン亀裂である。これらのエラストマーは繰り返し単位に二重結合を持っており、オゾン分解中に切断される。燃料ラインの亀裂はチューブの穴を貫通し、燃料漏れを引き起こす可能性がある。エンジンルームで亀裂が発生すると、電気火花がガソリンに引火し、深刻な火災を引き起こす可能性がある。医療用途では、ポリマーの劣化により、埋め込み型デバイスの物理的および化学的特性が変化する可能性がある。^[64]

ナイロン66は酸加水分解の影響を受けやすく、ある事故では燃料ラインの破損によりディーゼル燃料が道路に流出しました。ディーゼル燃料が道路に漏れると、堆積物の滑りやすさによりブラックアイスのような状態になり、後続車に事故を引き起こす可能性があります。さらに、ディーゼル燃料が複合材料からアスファルテンを溶解する結果、アスファルトコンクリート路面が損傷し、アスファルト表面と道路の構造的完全性が劣化します。

ポリマーは人類の初期の時代から、生活必需品の重要な構成要素でした。ウール（ケラチン）、綿と麻の繊維（セルロース）を衣服に、紙の葦（セルロース）を紙に使用したことは、古代社会がポリマーを含む原材料を利用して工芸品を作った方法のほんの一例です。ゴムの木のラテックス樹液（天然ゴム）は、オルメカ、マヤ、アステカがボール、防水布、容器を作る材料として使い始めてからずっと後の16世紀に南米からヨーロッパに到達しました。 ^[65]

ポリマーの化学的操作は 19 世紀にまで遡りますが、当時はこれらの種の性質は理解されていませんでした。ポリマーの挙動は、トーマス グラハムが提唱した理論に従って最初に合理化されました。この理論では、ポリマーは未知の力によって結合された小さな分子のコロイド凝集体であると考えられていました。

理論的知識の欠如にもかかわらず、革新的で入手しやすく安価な材料を提供するポリマーの可能性はすぐに理解されました。ブラコノ、パークス、ルーダースドルフ、ヘイワード、その他多くの人々による天然ポリマーの改質に関する研究は、この分野で多くの重要な進歩をもたらしました。^{[66]彼らの貢献により、}セルロイド、ガラリス、パーケシン、レーヨン、加硫ゴム、そして後にベークライトなどの材料が発見されました。これらの材料はすべてすぐに工業製造プロセスに取り入れられ、衣類の部品（布地、ボタンなど）、食器、装飾品 として家庭に届きました。

1920年、ヘルマン・シュタウディンガーは彼の代表作「重合について」^[67]を発表し、その中で彼はポリマーは実際には共有結合でつながれた長い原子鎖であると提唱した。彼の研究は長い間議論されたが、最終的には科学界に受け入れられた。この研究により、シュタウディンガーは1953年にノーベル賞を受賞した。^[68]

1930年代以降、ポリマーは黄金時代を迎え、新しいタイプのポリマーが発見され、天然由来の材料に代わって急速に商業的に利用されるようになりました。この発展は、強力な経済推進力を持つ産業部門によって推進され、より安価な原材料からのモノマーの革新的な合成、より効率的な重合プロセス、ポリマーの特性評価のための改良された技術、ポリマーの高度な理論的理解に貢献した幅広い学術コミュニティによって支えられました。^[66]

1953年以来、生体高分子の研究を除く高分子科学の分野で6つのノーベル賞が授与されている。これは、高分子科学が現代の科学技術に与えた影響をさらに証明している。トッド卿は1980年に「重合の発展は、おそらく化学が成し遂げた最大の成果であり、日常生活に最も大きな影響を与えたと私は思う」と要約した。^[70]

• Cowie, JMG (John McKenzie Grant) (1991)。『ポリマー：現代材料の化学と物理学』グラスゴー：Blackie。ISBN 978-0-412-03121-2。
• ホール、クリストファー (1989)。ポリマー材料(PDF) (第 2 版)。ロンドン、ニューヨーク: マクミラン。ISBN 978-0-333-46379-6。
• ルディン、アルフレッド（1982）。ポリマー科学と工学の要素。アカデミックプレス。ISBN 978-0-12-601680-2。
• ライト、デビッド C. (2001)。プラスチックの環境応力亀裂。RAPRA。ISBN 978-1-85957-064-7。

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• ポリマー略語集