ในเคมีพอลิเมอร์การพอลิเมอไรเซชัน ( ภาษาอังกฤษแบบอเมริกัน ) หรือพอลิเมอไรเซชัน ( ภาษาอังกฤษแบบอังกฤษ ) คือกระบวนการที่โมเลกุลของโมโนเมอร์ ทำปฏิกิริยา กันในปฏิกิริยาเคมีเพื่อสร้าง สายโซ่ พอลิเมอร์หรือโครงข่ายสามมิติ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}มีการพอลิเมอไรเซชันหลายรูปแบบ^{[ 4 ]}และมีระบบที่แตกต่างกันในการจัดหมวดหมู่

ในสารประกอบทางเคมีการเกิดพอลิเมอไรเซชันสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านกลไกปฏิกิริยาที่หลากหลายซึ่งมีความซับซ้อนแตกต่างกันไปตามหมู่ฟังก์ชันที่มีอยู่ในสารตั้งต้น^{[ 3 ]}และผลกระทบเชิงสเตอริก โดยธรรมชาติ ในการเกิดพอลิเมอไรเซชันที่ตรงไปตรงมามากขึ้นอัลคีนจะสร้างพอลิเมอร์ผ่านปฏิกิริยาอนุมูลอิสระ ที่ค่อนข้างง่าย ในทางตรงกันข้าม ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการแทนที่ที่หมู่คาร์บอนิลต้องใช้การสังเคราะห์ที่ซับซ้อนกว่าเนื่องจากวิธีการที่สารตั้งต้นเกิดพอลิเมอไรเซชัน^{[ 3 ]}

เนื่องจากแอลคีนสามารถเกิดพอลิเมอไรเซชันได้ในปฏิกิริยาอนุมูลอิสระที่ค่อนข้างตรงไปตรงมา จึงก่อให้เกิดสารประกอบที่มีประโยชน์ เช่นโพลีเอทิลีนและโพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC) ^{[ 3 ]}ซึ่งผลิตได้ในปริมาณมากในแต่ละปี^{[ 3 ]}เนื่องจากมีประโยชน์ในกระบวนการผลิตผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ เช่น ท่อ ฉนวน และบรรจุภัณฑ์ โดยทั่วไป พอลิเมอร์เช่น PVC จะถูกเรียกว่า " โฮโมพอลิเมอร์ " เนื่องจากประกอบด้วยสายโซ่ยาวหรือโครงสร้างที่ซ้ำกันของหน่วยโมโนเมอร์เดียวกัน ในขณะที่พอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยหน่วยโมโนเมอร์มากกว่าหนึ่งหน่วยจะถูกเรียกว่าโคพอลิเมอร์ (หรือโคพอลิเมอร์) ^{[ 5 ]}

หน่วยโมโนเมอร์อื่นๆ เช่นฟอร์มาลดีไฮด์ไฮเดรตหรืออัลดีไฮด์ธรรมดา สามารถเกิดพอลิเมอไรเซชันได้เองที่อุณหภูมิต่ำมาก (ประมาณ −80 °C) เพื่อสร้างไตรเมอร์ [ ^{3 ] โมเลกุล}ที่ประกอบด้วยหน่วยโมโนเมอร์ 3 หน่วย ซึ่งสามารถเกิดไซคลิเซชันเพื่อสร้างโครงสร้างวงแหวนไซคลิก หรือเกิดปฏิกิริยาเพิ่มเติมเพื่อสร้างเตตระเมอร์ [ ^{3 ] หรือ}สารประกอบที่มีหน่วยโมโนเมอร์ 4 หน่วย พอลิเมอร์ขนาดเล็กดังกล่าวเรียกว่าโอลิโกเมอร์ [ ^{3 ] โดย}ทั่วไป เนื่องจากฟอร์มาลดีไฮด์เป็นอิเล็กโทรไฟล์ที่มีปฏิกิริยาสูงเป็นพิเศษ จึงทำให้เกิด การเติม แบบนิวคลีโอฟิลิกของ สารตัวกลาง เฮมิอะซีทัลซึ่งโดยทั่วไปแล้วเป็นสารประกอบ "ขั้นกลาง" ที่มีอายุสั้นและค่อนข้างไม่เสถียร ซึ่งทำปฏิกิริยากับโมเลกุลที่ไม่มีขั้วอื่นๆ ที่มีอยู่เพื่อสร้างสารประกอบพอลิเมอร์ที่เสถียรมากขึ้น

กระบวนการพอลิเมอไรเซชันที่ไม่ได้รับการควบคุมอย่างเพียงพอและดำเนินไปอย่างรวดเร็วอาจเป็นอันตรายอย่างยิ่ง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการเร่งปฏิกิริยาด้วยตนเอง (autoacceleration ) และสามารถก่อให้เกิดไฟไหม้และการระเบิดได้

การเติบโตแบบขั้นบันไดและการเติบโตแบบลูกโซ่เป็นกลไกหลักของการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน แบบขั้นบันไดมักจะทำได้ง่ายกว่า แต่ต้องควบคุมอัตราส่วนของสารตั้งต้นอย่างแม่นยำ ส่วนแบบลูกโซ่ให้ผลลัพธ์ที่น่าเชื่อถือกว่าในการสร้างพอลิเมอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง แต่ใช้ได้กับโมโนเมอร์บางชนิดเท่านั้น

ในการพอลิเมอไรเซชันแบบขั้น (หรือแบบขั้น) คู่ของสารตั้งต้นที่มีความยาวใดๆ ก็ได้จะรวมกันในแต่ละขั้นเพื่อสร้างโมเลกุลพอลิเมอร์ที่ยาวขึ้นมวลโมลาร์เฉลี่ยจะเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ โซ่ยาวจะเกิดขึ้นเฉพาะในช่วงท้ายของปฏิกิริยาเท่านั้น^{[ 6 ] [ 7 ]}

พอลิเมอร์แบบขั้นบันไดเกิดจากการทำปฏิกิริยาแบบอิสระระหว่างหมู่ฟังก์ชันของหน่วยโมโนเมอร์ ซึ่งมักประกอบด้วยอะตอมต่างชนิดเช่น ไนโตรเจนหรือออกซิเจน พอลิเมอร์แบบขั้นบันไดส่วนใหญ่จัดอยู่ในกลุ่มพอลิเมอร์แบบควบแน่น ด้วย เนื่องจากโมเลกุลขนาดเล็ก เช่น น้ำ จะสูญเสียไปเมื่อสายโซ่พอลิเมอร์ยาวขึ้น ตัวอย่างเช่น สายโซ่ โพลีเอสเตอร์เติบโตจากการทำปฏิกิริยาระหว่าง หมู่ แอลกอฮอล์และกรดคาร์บอกซิลิกเพื่อสร้างพันธะเอสเทอร์โดยมีการสูญเสียน้ำ อย่างไรก็ตาม มีข้อยกเว้น ตัวอย่างเช่นโพลียูรีเทนเป็นพอลิเมอร์แบบขั้นบันไดที่เกิดจาก โมโนเมอร์แบบสองฟังก์ชัน ไอโซไซยาเนตและแอลกอฮอล์โดยไม่มีการสูญเสียน้ำหรือโมเลกุลระเหยอื่นๆ และจัดอยู่ในกลุ่มพอลิเมอร์แบบเติมมากกว่าพอลิเมอ ร์แบบควบแน่น

พอลิเมอร์แบบขั้นบันไดจะเพิ่มน้ำหนักโมเลกุลช้ามากที่อัตราการแปลงต่ำ และจะถึงน้ำหนักโมเลกุลที่ค่อนข้างสูงเฉพาะที่อัตราการแปลงสูงมาก (เช่น >95%) การพอลิเมอไรเซชันในสถานะของแข็งเพื่อให้ได้พอลิเอไมด์ (เช่น ไนลอน) เป็นตัวอย่างหนึ่งของการพอลิเมอไรเซชันแบบขั้นบันได^{[ 8 ]}

ในการพอลิเมอไรเซชันแบบการเติบโตของสายโซ่ (หรือแบบลูกโซ่) ขั้นตอนปฏิกิริยาการต่อสายโซ่เพียงอย่างเดียวคือการเติมโมโนเมอร์ลงในสายโซ่ที่กำลังเติบโตโดยมีศูนย์กลางที่ออกฤทธิ์ เช่นอนุมูลอิสระแคตไอออนหรือแอนไอออนเมื่อการเติบโตของสายโซ่เริ่มต้นขึ้นโดยการก่อตัวของศูนย์กลางที่ออกฤทธิ์ การแพร่กระจายของสายโซ่มักจะรวดเร็วโดยการเติมลำดับของโมโนเมอร์ สายโซ่ยาวจะเกิดขึ้นตั้งแต่เริ่มต้นปฏิกิริยา^{[ 6 ] [ 7 ]}

พอลิเมอไรเซชันแบบการเติบโตของสายโซ่ (หรือพอลิเมอไรเซชันแบบเติม) เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อโมโนเมอร์ไม่อิ่มตัวเข้าด้วยกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งโมโนเมอร์ที่มีพันธะคู่ คาร์บอน-คาร์บอน พันธะไพจะหายไปโดยการสร้างพันธะซิกมาใหม่ พอลิเมอไรเซชันแบบการเติบโตของสายโซ่เกี่ยวข้องกับการผลิตพอลิเมอร์ เช่นโพลีเอทิลีน โพลีโพ รพิลี นโพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC) และอะคริเลตในกรณีเหล่านี้ อัลคีน RCH=CH₂ _{จะ ถูกแปลงเป็นอัลเคน ที่}มีน้ำหนักโมเลกุลสูง (-RCHCH₂- ₎ n ₍ R = H, CH₃ , Cl , _{CO₂CH₃ )}

พอลิ เมอไรเซชันแบบการเติบโตของสายโซ่รูปแบบอื่นๆ ได้แก่พอลิเมอไรเซชันแบบเติมประจุบวกและ พอลิเมอไรเซชันแบบเติมประจุลบ กรณีพิเศษของพอลิเมอไรเซชันแบบการเติบโตของสายโซ่ นำไปสู่ พอ ลิเมอไรเซชันแบบมีชีวิต พอลิเมอไร เซชัน แบบซีเกลอร์-แนตตา ช่วยให้สามารถควบคุม การแตกแขนงของพอลิเมอร์ได้ อย่างมาก

มีการใช้วิธีการที่หลากหลายเพื่อควบคุมอัตราการเริ่มต้น การแพร่กระจาย และการสิ้นสุดระหว่างการพอลิเมอไรเซชันแบบลูกโซ่ ปัญหาที่เกี่ยวข้องคือการควบคุมอุณหภูมิหรือที่เรียกว่าการจัดการความร้อน ระหว่างปฏิกิริยาเหล่านี้ ซึ่งมักจะคายความร้อนสูง ตัวอย่างเช่น สำหรับการพอลิเมอไรเซชันของเอทิลีน จะมีการปล่อยพลังงาน 93.6 กิโลจูลต่อโมลของโมโนเมอร์^{[ 8 ]}

วิธีการที่ใช้ในการสังเคราะห์พอลิเมอร์นั้นเป็นเทคโนโลยีที่มีการพัฒนาอย่างมาก วิธีการต่างๆ ได้แก่ การ สังเคราะห์พอลิเมอร์แบบอิมัลชัน การสังเคราะห์พอลิเมอร์แบบสารละลาย การสังเคราะห์ พอลิเมอร์แบบแขวนลอยและการสังเคราะห์พอลิเมอร์แบบตกตะกอนแม้ว่าการกระจายตัว ของพอลิเมอร์ และน้ำหนักโมเลกุลอาจดีขึ้น แต่วิธีการเหล่านี้อาจทำให้เกิดข้อกำหนดเพิ่มเติมในการประมวลผลเพื่อแยกผลิตภัณฑ์ออกจากตัวทำละลาย

ปฏิกิริยา โฟโตพอลิเมอไร เซชัน ส่วนใหญ่เป็นพอลิเมอไรเซชันแบบการเติบโตของสายโซ่ซึ่งเริ่มต้นโดยการดูดซับแสงที่มองเห็นได้^{[ 9 ]}หรือแสงอัลตราไวโอเลต โฟโตพอลิเมอไรเซชันยังสามารถเป็นพอลิเมอไรเซชันแบบการเติบโตทีละขั้นได้อีกด้วย^{[ 10 ]}แสงอาจถูกดูดซับโดยตรงโดยโมโนเมอร์ที่ทำปฏิกิริยา ( โฟโตพอลิเมอไรเซชัน โดยตรง ) หรือโดยสารไวแสงซึ่งดูดซับแสงแล้วถ่ายโอนพลังงานไปยังโมโนเมอร์ โดยทั่วไป ขั้นตอนการเริ่มต้นเท่านั้นที่แตกต่างจากพอลิเมอไรเซชันด้วยความร้อนแบบปกติของโมโนเมอร์เดียวกัน ขั้นตอนการแพร่กระจาย การยุติ และการถ่ายโอนสายโซ่ในภายหลังจะไม่เปลี่ยนแปลง^{[ 6 ]} ในโฟโตพอลิเมอไรเซชันแบบการเติบโตทีละขั้น การดูดซับแสงจะกระตุ้นปฏิกิริยาการเติม (หรือการควบแน่น) ระหว่างโคโมโนเมอร์สองตัวที่ไม่ทำปฏิกิริยาหากไม่มีแสง วงจรการแพร่กระจายจะไม่เริ่มต้นขึ้นเนื่องจากแต่ละขั้นตอนการเติบโตต้องอาศัยความช่วยเหลือจากแสง^{[ 11 ]}

การพอลิเมอไรเซชันด้วยแสงสามารถใช้เป็นกระบวนการถ่ายภาพหรือการพิมพ์ได้ เนื่องจากพอลิเมอไรเซชันเกิดขึ้นเฉพาะในบริเวณที่ได้รับแสงเท่านั้น โมโนเมอร์ที่ไม่ทำปฏิกิริยาสามารถถูกกำจัดออกจากบริเวณที่ไม่ได้รับแสง ทำให้เกิดภาพพอลิเมอร์นูน^{[ 6 ]}การพิมพ์ 3 มิติหลายรูปแบบ —รวมถึง สเตอริโอลิโทกราฟีแบบชั้นต่อชั้นและการพอลิเมอไรเซชันด้วยแสงแบบดูดซับโฟตอนสองตัว —ใช้การพอลิเม อไรเซชันด้วยแสง ^{[ 12 ]}

การพอลิเมอไรเซชันแบบมัลติโฟตอนโดยใช้พัลส์เดี่ยวยังได้รับการสาธิตสำหรับการสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนโดยใช้อุปกรณ์ไมโครมิเรอร์แบบดิจิทัลอีก ด้วย ^{[ 13 ]}