聚合物化学涉及由通过共价键连接的重复结构单元（单体）组成的大分子。聚合物按来源（天然：蛋白质、纤维素、DNA；合成：聚乙烯、尼龙、聚苯乙烯）、聚合机制（逐步增长与链增长）和热行为（热塑性塑料与热固性塑料）进行分类。从小分子到聚合物的转变极大地改变了材料特性：高分子量赋予机械强度、弹性和可加工性。了解聚合机制可以设计具有精确控制结构、分子量和官能团布局的聚合物。
逐步聚合
逐步聚合涉及单体官能团之间的反应，通过一系列独立的缩合或加成反应产生聚合物。任何两种分子（单体、低聚物、聚合物）都可以发生反应，导致分子量缓慢、逐渐增加。 Carothers 方程“X_n = 1/(1-p)”将数均聚合度 (X_n) 与反应程度 (p) 联系起来。为了实现高分子量，需要非常高的转化率（> 99%），以及两种单体的精确化学计量平衡。常见的逐步增长聚合物包括聚酯（来自二酸和二醇）、聚酰胺（来自二胺和二酸的尼龙）、聚碳酸酯和聚氨酯。由己二胺和己二酸合成尼龙6,6就是一个典型的例子；界面聚合版本展示了两种不混溶溶液界面处的快速反应。
链增长聚合
链增长聚合涉及活性中心（自由基、阴离子、阳离子或金属络合物），每次添加一个单体，每次添加后活性中心都会再生。该过程分为三个阶段：起始（活性物质的产生）、传播（单体的快速添加）和终止（活性中心的破坏）。自由基聚合使用 AIBN（偶氮二异丁腈）或 BPO（过氧化苯甲酰）等引发剂分解形成自由基。阴离子聚合需要亲核引发剂（有机锂）和具有吸电子基团的单体（苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯）。阳离子聚合需要亲电引发剂（具有质子源的路易斯酸）和富电子单体（乙烯基醚、异丁烯）。使用齐格勒-纳塔催化剂 (TiCl4/AlEt3) 或茂金属催化剂进行配位聚合可生产具有受控立构规整度的有规立构聚合物。
活性聚合和共聚
活性聚合是 Michael Szwarc 创造的术语，是指没有不可逆终止或链转移的链增长过程。所有单体消耗后，活性链端仍保持活性，从而可以通过顺序添加不同单体来合成嵌段共聚物。原子转移自由基聚合 (ATRP) 由 Matyjaszewski 开发，利用休眠烷基卤和由铜催化剂介导的活性自由基之间的可逆氧化还原平衡。可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合使用二硫酯链转移剂来建立简并转移平衡。使用格拉布斯催化剂的开环复分解聚合（ROMP）为环状烯烃提供了活性特征。两种或多种单体的共聚产生的材料的性能介于均聚物之间。共聚物组成方程“F1=（r1f12+f1f2）/（r1f12+2f1f2+r2f22）”将瞬时共聚物组成（F1）与单体进料组成（f1，f2）和反应活性比（r1，r2）联系起来。
分子量和分布
分子量是决定聚合物性能的最重要参数。数均分子量（M_n）是算术平均值（总质量/分子数）。重均分子量 (M_w) 赋予较大分子更大的重量。多分散指数 (PDI = M_w/M_n) 描述了分子量分布的宽度。对于逐步增长聚合物，PDI 在高转化率下接近 2.0。活性聚合可以实现 PDI < 1.1，基本上是单分散的。测量技术包括凝胶渗透色谱（GPC，也称为 SEC），它通过流体动力学体积进行分离；膜渗透压测定法（M_n）；光散射（M_w）；基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱 (MALDI-TOF MS)，可解析单个低聚物。
热性能和结构性能
聚合物的热行为由两个关键温度来表征。玻璃化转变温度 (T_g) 标志着随着聚合物链段获得流动性，从硬而脆的玻璃态到软、橡胶态的转变。增加 T_g 的因素包括：刚性主链、庞大的侧基、强分子间力（氢键）和交联。熔化温度(T_m)是晶域熔化的温度；仅在半结晶聚合物中观察到。由于链缠结和缺陷，聚合物的结晶度永远不会完全（通常为 20-80%）。立构性（侧基沿主链的立体化学排列）强烈影响结晶度。全同立构（所有侧基都在同一侧）和间同立构（交替）聚合物倾向于结晶，而无规（无规）聚合物通常是无定形的。聚丙烯就是一个例子：等规聚丙烯是一种有用的半结晶塑料，而无规聚丙烯是一种粘性无定形材料。
先进聚合物系统
现代聚合物化学的范围远远超出了商品塑料的范围。 Heeger、MacDiarmid 和 Shirakawa（2000 年诺贝尔奖获得者）发现的导电聚合物具有共轭主链，可以通过掺杂实现金属导电性。聚苯胺、聚吡咯和 PEDOT:PSS 用于有机电子产品、传感器和抗静电涂料。聚乳酸 (PLA)、聚乙醇酸 (PGA) 和聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 等可生物降解聚合物为塑料废物提供解决方案，在包装、农用薄膜和医疗植入物（缝合线、药物输送库、组织工程支架）中得到应用。刺激响应聚合物（智能聚合物）会根据温度、pH、光或特定生物分子改变特性，从而在药物输送、自修复材料和执行器中得到应用。超分子聚合物通过非共价相互作用（氢键、主客体、金属配体）结合在一起，表现出动态、可逆的特性，能够实现自我修复和刺激响应，代表了聚合物科学的前沿。
