化学製品・高分子製品の基礎講座
1-5 有機薬品とモノマー
医薬品、化粧品、洗剤、プラスチック製品など、私たちの身の回りにある化学製品の多くは有機化合物です。そのうち分子量が1千以下の有機化合物を有機薬品と呼んでいます。有機薬品は用途によって図のように大きく4つに分類できます。ただし、一つの有機化合物がいくつかの用途に使われる場合もあります。
図1
モノマーとは高分子の原料となる有機薬品のことです。有機薬品の中では量的に最も大きな分野です。有機溶剤、界面活性剤は1-6、1-7で説明します。有機中間体とは目的とする有機薬品をつくる中間段階だけで使われる有機薬品です。 染料中間体、医薬品中間体のように種類は多いものの、個々の中間体の生産量、取引量としては小さな商品がある一方で、もっぱらモノマーの原料として使われる二塩化エチレン、エチルベンゼンのように巨大な生産量の商品もあります。
この節では有機薬品のうち、モノマーに焦点を絞って説明します。モノタロウでモノマーを扱うことはほとんどありません。しかし、モノタロウで扱っている高分子製品を理解するためにはモノマーの知識が必要です。
高分子はモノマーが数百、数千、数万、場合によってはさらに多く結合してできます。その際に一種類だけのモノマーでできる場合もあれば、複数の種類のモノマーでできる場合もあります。2つ以上の結合ができる「手」を持つ有機薬品はモノマーとなる可能性があります。 たとえば次に示すエチルアルコールはヒドロキシ基OHという「手」を一つしか持っていないのでモノマーにはなりません。一方エチレングルコーはOH基を2つ持っているのでモノマーになりえます。ペンタエリトリトールは4つの手を持つモノマーになります。
図2
このようにモノマーの構造を微妙に変えることによって、高分子の構造を変え、ひいては性能を変えることが可能です。塗料用樹脂の原料モノマーであるアクリル酸エステル、ウレタン樹脂の原料モノマーであるポリオールは、この典型的な例です。 モノマーを化学構造によって分類すると次の表のようになります。
表1
構造による分類 | 代表的な製品 | |
二重結合 | オレフィン | エチレン、プロピレン(基礎化学品) |
ジエン | ブタジエン、イソプレン(基礎化学品) | |
ビニル化合物 | 塩化ビニル、スチレン、アクリロニトリル、酢酸ビニル、アクリル酸エチル | |
環状 | エチレンオキサイド、カプロラクタム | |
多官能基 | アジピン酸とジアミン、テレフタル酸とジオール、ジイソシアネートとポリオール | |
その他 | フェノールとホルムアルデヒド、置換クロルシランと水、2,6-キシレノールと酸素 |
二重結合を持つモノマーには、多くのビニル化合物のような有機薬品のほかに、二重結合を1つ持っているオレフィン、2つ持っているジエンのような石油化学基礎製品もあります。二重結合が反応して一重結合になる時に、空いた手が2つ生じるのでモノマーになりえます。 エチレン、プロピレンは、身の回りにありふれたポリエチレン、ポリプロピレンのモノマーです。ブタジエンやイソプレンは合成ゴムをつくるのに不可欠なモノマーです。ビニル化合物には、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン、ABS樹脂、アクリル繊維など、おなじみの高分子の原料となるモノマーがたくさん含まれます。 環状の構造を持つモノマーは環が開くと、空いた手が2つできるのでモノマーになりえます。しかし環状のモノマーの製品はごく少数です。図に示したもの以外にはプロピレンオキサイド、テトラヒドロフラン、エピクロロヒドリン程度しかありません。 官能基を複数持つ有機薬品は、上記のエチレングリコール、ペンタエリトリトールの例のようにモノマーになります。これにはナイロンやPET樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂など重要な高分子のモノマーが多数含まれます。 化学商品とは関係ありませんが、ヒトをはじめとする生物を構成する重要な高分子(タンパク質、セルロース、デンプン、DNAなど)も、この種のモノマー(アミノ酸、ブドウ糖、デオキシリボ核酸など)から成っています。 アミノ酸は分子内にCOOH基とNH2基を、ブドウ糖は分子内に複数のOH基を、デオキシリボ核酸は分子内にリン酸基と糖のOH基という複数の官能基を持っています。表の「その他」は、ひとつの分子内に複数の反応点や官能基を持つ化合物です。 フェノール樹脂、シリコーン、PPE(ポリフェニレンエーテル)など少数の高分子の原料モノマーが該当します。
モノマーは高分子をつくる重要な原料ですが、一方で高分子製品にモノマーが微量でもそのまま残って溶出するようなことは避けなければなりません。特に食品容器に使用されるプラスチックについては食品衛生法によって溶出モノマー量が厳しく規制されています。
『化学製品・高分子製品の基礎講座』の目次
第1章 化学製品を理解するための基本
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1-1化学製品の構成モノタロウで販売している製品を化学の目から理解するための基礎講座です。
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1-2化学物質の名前化学製品の成分、すなわち化学物質の名前はカタカナが並んで訳がわからないと思っておられる方が多いと思います。
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1-3酸とアルカリ酸とアルカリは小学校、中学校、高校の理科で習っており、何を今さらと思われるかもしれません。
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1-4無機薬品の特徴と種類人工のものも含めると元素は110以上知られており、このうち安定に存在できる最大の元素は原子番号82、質量数208の鉛です。
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1-5有機薬品とモノマー医薬品、化粧品、洗剤、プラスチック製品など、私たちの身の回りにある化学製品の多くは有機化合物です。
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1-6有機溶剤の用途と種類有機溶剤の用途を表に整理して示します。まず化学物質を溶解するという、字義通りの用途自体にも様々な使い方がある上に、そのほかにも様々な用途があ
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1-7界面活性剤の用途と種類界面とは物質と物質の境のことです。気体と固体、気体と液体の境は、通常は固体や液体の表面と呼んでいますが、界面のひとつです。
第2章 化学製品の利用に当って留意すべき法規制
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2-1化学製品における事故防止関係の法規制化学製品には、燃えやすかったり、有毒であったりと、知らないで使うと危険な物質が使われていることがあります
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2-2有害化学物質の安全規制火を使うことによって人類は他の動物からの攻撃や寒さを防ぐことができるようになったばかりでなく、食生活はもちろん、道具づくりにおいても大きく進歩しました。
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2-3化学物質の効能と安全の両方を求める規制化学物質の安全規制法の中には、化学物質を使用するからには必要とする性能を確保し、なおかつ安全性を厳しく要求するものがあります。医薬品、農薬、肥料などへの規制です。
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2-4環境保全を目指す法規制環境保全対策には、身近な公害対策、ごみ処理、自然環境保護から、地球規模の環境対策まで様々なものがあります。
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2-5化学製品における表示規制商品の購買者に正しい商品情報、しかも最低限必要不可欠な内容を伝えるために、様々な法律によって表示規制が行われています。
第3章 化学製品の基本
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3-1農薬の特徴と分類様々な化学製品について、その製品を理解するための基本知識を説明します。
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3-2化学肥料の特徴と分類田畑では育てた農作物が持ち出されるため、植物に必要な養分の自然循環ができません。
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3-3洗剤の特徴と分類洗剤は、図のように家庭用、業務用、工業用に分けられます。
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3-4塗料の特徴と分類塗料は、ものの表面を覆うことによって表面を保護し、また美観を与える化学製品です。
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3-5接着剤の特徴と分類接着剤は、ものの表面にくっついて、ものとものとを接合させる化学製品です。
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3-6印刷用化学品の特徴と分類ヨーロッパの歴史において中世から近世への開幕の主役は、羅針盤、火薬、紙と印刷でした。
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3-7染料・顔料の特徴と分類染料も顔料も色を付けるために使われる化学製品です。
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3-8試薬の特徴と分類試薬とは文字どおり「試験研究用薬品」のことです。
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3-9殺菌剤・消毒剤・抗菌剤の特徴と分類人間の目に見えない細菌、カビ、ウイルスなどは、食中毒や伝染病などの原因になる可能性があり、その対策は人類にとって長年の課題でした。
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3-10香料・消臭剤・脱臭剤の特徴と分類空気中を漂ってきた化学物質の分子が鼻の奥の嗅粘膜に溶け込んで嗅細胞が電気信号を発し、これが脳に伝達されて「におい」を感じます。
第4章 高分子製品を理解するための基本
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4-1高分子製品の構成高分子は、包装材料、日用品雑貨、衣料などの身の回り品から器具・機械の部品、土木建築材料、さらには漁船・プレジャーボート、航空機本体や翼のような大型製品にまで広く使われています。
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4-2高分子成形加工法多くの高分子製品は、フィルム・袋、繊維、シート、カップ・トレイなどの容器、管、板、部品などに成形加工されて使われます。
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4-3樹脂添加剤4-1で述べたようにプラスチック製品は、高分子だけから成っている訳ではありません。着色するために着色剤が加えられ、また発泡製品をつくるために発泡剤が加えられることは分かりやすい例です。
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4-4ゴム薬品4-5で説明しますが、ゴムの成形加工製品には加熱すると再度溶融するゴムと、加熱してももはや溶融も軟化もしないゴムがあります。
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4-5熱可塑性高分子、熱硬化性高分子すでに4-2で簡単に説明しましたが、高分子には熱可塑性高分子と熱硬化性高分子があります。
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4-6高分子材料に期待される特性第4章の冒頭で述べたように合成高分子が現在のように幅広く使われるようになったのは20世紀後半からです。人類は文明の始まる以前から天然高分子を大量に使ってきました。
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4-7強度金属、セメント、ガラス、セラミックス、木材、高分子製品など様々な材料の力学的性質を比較する場合、強度(つよさ)は最も基本となる指標です。
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4-8耐熱性、耐寒性4-2で説明しましたように高分子は、その熱挙動や分子構造から熱硬化性高分子と熱可塑性高分子に分類できます。
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4-9透明性物質に光が入った時に可視光すべてを吸収して熱に変換する場合には透明になりません。金属が不透明なのはこれに該当します。
第5章 主要な高分子材料の種類と特長
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5-1ポリエチレンポリエチレンは、世界においても、日本においても、最も生産量・消費量の多い高分子材料です。
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5-2ポリプロピレンポリプロピレンPPは、プロピレンCH2=CH-CH3というガス状炭化水素を重合した高分子です。
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5-3スチレン系樹脂スチレン系樹脂はスチレンC6H5-CH=CH2を主成分とするプラスチックです。主要なスチレン系樹脂にはポリスチレン、AS樹脂(SAN)、ABS樹脂があります。
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5-4ポリ塩化ビニルポリ塩化ビニルは塩化ビニルを主成分とするプラスチックです。塩化ビニル単独のポリマーが圧倒的に多くを占めますが、加工性や性能などを改善することを目的に酢酸ビニルやアクリロニトリルと共重合させたコポリマーも少量つくられています。
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5-5PET繊維・樹脂(A-PETも)ポリ塩化ビニルは塩化ビニルを主成分とするプラスチックです。塩化ビニル単独のポリマーが圧倒的に多くを占めますが、加工性や性能などを改善することを目的に酢酸ビニルやアクリロニトリルと共重合させたコポリマーも少量つくられています。
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5-6ナイロン繊維・樹脂ナイロンは1939年に最初の合成繊維としてアメリカのデュポン社によって工業化され、大成功を収めたので、合成繊維の王座をすでにポリエステル繊維に奪われたとは言え、現在でも合成繊維の代名詞になるほど有名です。
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5-7エンジニアリングプラスチック5-1から5-4で説明した汎用プラスチック(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)は耐熱性がおおむね100℃以下であるのに対して、耐熱性が100℃以上で、しかも強度が高い熱可塑性プラスチックをエンジニアリングプラスチックと言います。
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5-8ポリウレタンポリウレタンはウレタン結合-NHCOO-をもつ高分子です。ウレタン結合はイソシアネート(-NCO)という非常に反応性の高い化合物群とアルコール(-OH)の反応によって生成します。
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5-9エポキシ樹脂エポキシ樹脂は、図に示すように高分子の両末端にエポキシ基をもつプレポリマーと硬化剤(ポリアミン、酸無水物、ポリアミドなど)を反応させて生成する網目状の分子構造をもつ熱硬化性高分子です。
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5-10アクリル樹脂(PMMA,アクリル繊維、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステル)アクリル樹脂と呼ばれる高分子は、図に示す広義のアクリル系ポリマー全体を指すこともありますし、ポリアクリル酸エステルだけ、あるいはメタクリル樹脂だけを指すこともあります。
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5-11フッ素樹脂、ケイ素樹脂(含むシリコーンオイル)フッ素樹脂、ケイ素樹脂はともに1940年代前半に米国で工業化された古い高分子材料です。
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5-12汎用合成ゴムゴムはエラストマー(弾性体)とも呼ばれ、常温で著しく大きな弾性をもつ物質の総称です。
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5-13特殊合成ゴム特殊ゴムは、すべての非ジエン系ゴムとジエン系ゴムのうちブチルゴム(IIR)、ニトリルゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)が該当します。
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5-14その他の高分子材料(熱可塑性ゴム、スーパーエンプラ、機能性高分子)高分子材料には、今まで紹介した高分子以外にも多数あります。その中で、大くくりして重要なものを最後に3つ紹介します。