重合体
今日、合成ポリマーは生活のほとんど全ての分野で使用されている。これらがなければ、現代社会はまったく違ったものになっただろう。ポリマーが広く利用されているのは、低密度、低コスト、優れた断熱性/電気絶縁性、高い耐腐食性、製造エネルギーの低さ、最終製品への加工の容易さといった、独特な特性に関係している。特定の用途に応じて、複合材料(英語版)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したり強化することができる。ポリマーの使用により、エネルギーの節約(自動車や航空機の軽量化、建物の断熱化)、食品や飲料水の保護(包装)、土地の節約と肥料の使用削減(合成繊維)、他の材料の保護(コーティング)、人命の保護と救助(衛生、医療用途)を可能にする。代表的な用途の一部を次にあげる。
衣料品、スポーツウェア、アクセサリー:ポリエステルやポリ塩化ビニルの衣料品、スパンデックス、スポーツシューズ、ウェットスーツ、サッカーボールやビリヤードボール、スキーやスノーボード、ラケット、パラシュート、帆、テントやシェルター。
電子および光技術:有機電界効果トランジスタ(OFET)、有機発光ダイオード(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。
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くなる。この効果は、通常、混合の原動力が相互作用エネルギーよりもむしろエントロピーであるという事実から生じる。言い換えれば、混和性の物質が溶液を形成するのは通常、互いの相互作用が自己相互作用よりも有利であるためではなく、各成分が利用できる体積の増加に伴うエントロピーの増加、すなわち自由エネルギーの増加のためである。このエントロピーの増加は、混合される粒子数(またはモル数)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体積(比容)が大きいため、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に含まれる分子の数よりもはるかに少なくなる。一方、混合のエネルギーは、高分子混合物と小分子混合物では体積あたりで同等である。このため、ポリマー溶液の混合自由エネルギーは増大し、それにより溶媒和が不利になる傾向がある。その結果、ポリマーの濃縮溶液は小分子溶液よりも遙かに希少にある。
結晶性(crystalline)という用語は、ポリマーに適用される場合、やや曖昧である。場合によっては、結晶性という用語は従来の結晶学と同じ使われ方をする。たとえば、X線結晶構造解析用に調製されたサンプルのような結晶性タンパク質やポリヌクレオチドの構造は、セル寸法が数百オングストローム以上の1つまたは複数のポリマー分子から構成される従来の単位セルの観点で定義されることがある。合成ポリマーは、(高分子ではなく)原子長スケールの三次元秩序を持つ領域を含む場合、大まかに結晶性と表現することができ、これらの領域は通常、隣接する鎖の分子内折りたたみや積み重なりから生じる。合成ポリマーは、結晶性領域と非晶質領域の両方から構成されることがある。その場合、結晶化度(degree of crystallinity)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。ポリマーの結晶性は結晶化度によって特徴付けられ、その範囲は、完全に非結晶性のポリマーを示す0から、理論的に完全に結晶性のポリマーを示す1まである。微結晶領域を持つポリマーは一般に、完全な非晶質ポリマーよりも強靭で(壊れることなく、より多く曲げることができる)、衝撃にも強くなる。結晶化度が0または1に近いポリマーは透明になる傾向があり、結晶化度が中間のポリマーは結晶領域またはガラス領域による光散乱のために不透明になる傾向がある。多くのポリマーでは、結晶化度は透明度の低下とも関連している。
重合とは、モノマーと呼ばれる小分子を多数結合させ、共有結合でつながった鎖やネットワークを形成するプロセスである。重合のプロセスの際、各々のモノマーから一部の化学基が失われることがある。たとえば、PETポリエステルの重合時にこれが見られる。そのモノマーはテレフタル酸(HOOC - C6H4 - COOH)とエチレングリコール(HO - CH2 - CH2 - OH)であるが、反復単位は - OC - C6H4 - COO - CH2 - CH2 - O - であり、2つの水分子を失った2つのモノマーの組み合わせに相当する。ポリマーに組み込まれる各モノマーの個別の断片は反復単位(英語版)またはモノマー残基と呼ばれている。
合成法は一般に、段階成長重合(step-growth polymerization、逐次重合とも)と連鎖重合(chain polymerization)の2つに分けられる。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一度に1つずつしか鎖に付加されないのに対し、段階成長重合では、ポリエステルのようにモノマーの連鎖どうしが直接結合できることである。段階成長重合は、それぞれの反応段階ごとに低モル質量の副生成物が生成する縮合重合と重付加に分けられる。
プラズマ重合法(英語版)のような新しい方法は、どちらのカテゴリーにも属しない。合成重合反応は、触媒の有無にかかわらず行うことができる。生体ポリマー、特にタンパク質の実験室合成は、熱心に研究されている分野である。