化学製品・高分子製品の基礎講座
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ります。
表1
溶剤 | 製品構成成分 | 化粧品、香料、塗料、接着剤 |
噴霧剤 | スプレー殺虫剤、スプレー塗料、ヘアスプレー | |
製造工程で使用 | 反応溶媒、抽出溶剤、蒸留用溶剤、加工用溶剤 | |
洗浄剤 | ドライクリーニング、金属脱脂、 LSI製造工程の洗浄溶剤 | |
可塑剤 | 軟質塩化ビニル用 | |
熱媒、冷媒 | 熱交換媒体 | |
電解液 | リチウムイオン2次電池など |
最も身近な用途としては、化学製品の構成成分があります。化粧品には水のほかエチルアルコール(化粧水)、アセトン(マニキュア)などの溶剤がよく使われます。香料はほんの少量使えば良いので、多くの場合、香料をエチルアルコールに溶解した形で製品化されています。 化粧品や香料のように、身体に入る可能性のある用途では、溶剤の安全性が重要なので、エチルアルコール、中でも発酵法のエチルアルコールがよく使われます。接着剤や塗料も、使用時に溶剤の匂いがすることに気が付くことがあると思います。 このほかの身近な溶剤の用途としては、スプレー製品に溶剤が使われていることに気が付くと思います。
化学工場では、反応工程において反応物を溶剤に溶かして反応させることがよく行われます。そのほかに天然物から香料や医薬品成分などを抽出し、また抽出蒸留、共沸蒸留などの蒸留操作においても適切な溶剤は不可欠です。 アクリル繊維は、ポリアクリロニトリルを溶剤に溶解した後、溶剤を除去しながら紡糸して製造されます。ポリアクリロニトリルが開発された当初は適切な有機溶剤がなく、濃硝酸を使用するなど苛酷な条件で紡糸されましたが、ポリアクリロニトリルを溶解する溶剤が開発されてアクリル繊維は普及しました。 このように高分子の成形加工に不可欠な溶剤もあります。
化学工場以外では、溶剤は洗浄剤としてよく使われます。機械工場での切削などの金属加工時には、冷却・潤滑用に多量の油が使われるので、次の工程に送る前には、この油を除去する洗浄操作(脱脂)が欠かせません。 このほか半導体集積回路の製造工程では、感光性樹脂であるレジストの塗布、回路パターンの感光、不要樹脂の除去という作業を何回も繰り返すので洗浄が欠かせません。
溶剤には、以上のような溶解するという用途のほかにも様々な用途があります。可塑剤は高分子の性質を変える溶剤です。塩化ビニル樹脂は、下水道パイプに見られるように本来は非常に硬い樹脂です。塩化ビニル樹脂に同量程度の可塑剤を加えると、農業用ハウスフィルム、食品用ラップフィルム、 合成レザーのカバン・靴などに見られるような柔らかい製品になります。可塑剤は高分子を溶解している高沸点の溶剤と考えることもできます。しかし、すべての高分子に適当な可塑剤があるわけではありません。可塑剤は塩化ビニル樹脂、セルロースエステル、ゴムなどだけに使われますが、特に塩化ビニル樹脂には大量に使われています。 軟質の塩化ビニル樹脂を使っている際に他のプラスチック製品と張り付いてしまったり、 炎天下で長時間使っているうちに軟らかだった製品がパリパリの状態になったりすることがあります。可塑剤の移染・色移りや揮発という問題です。 また、軟質塩ビ製品に粘着テープなどの粘着剤が触れると可塑剤が移染して粘着力が著しく低下することがあります。このような点は軟質塩ビ製品を使う際に注意しなければなりません。
熱媒、冷媒は、装置を加熱・冷却したい時に外部の熱源との間で熱を移動させるために使われる流体です。熱媒、冷媒はほとんど知られない用途ですが、1968年に起こったカネミ油症事件は、過熱しすぎて分解した熱媒が加熱管から食用油に漏れ出して汚染したことが原因でした。
電池は電極と電解液から構成されます。電解液は電極間でイオンを移動させる道となる重要な役割を果たしています。マンガン乾電池をはじめとして昔からの多くの電池は水溶液を電解液に使ってきました。充放電を繰り返す2次電池では約1.2V以上にすると電解液が分解されてしまいます。 1.2V以上の電圧を出す電池を構成するには、その電圧で分解しない電解液が必要です。その際に使われるのが有機溶剤です。リチウムイオン2次電池の電解液には、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどが使われています。欠点は可燃性なので異常過熱状態になった際に火災の危険があることです。
次に有機溶剤の種類と溶剤選択の目安を述べます。溶剤には表のように大きく分けて2種類があります。非極性溶剤と極性溶剤です。分子内で電子の偏りがある溶剤が極性溶剤です。なお、有機溶剤ではありませんが、水はかなり強い極性溶剤です。
表2
非極性 | 非芳香族炭化水素 | ヘキサン、シクロヘキサン、石油エーテル、流動パラフィン |
芳香族炭化水素 | ベンゼン、トルエン、キシレン | |
極性 | アルコール | メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、グリセリン |
ケトン | アセトン、MEK、MIBK | |
エーテル | ジエチルエーテル、THF | |
エステル | 酢酸エチル、酢酸ブチル | |
塩素系 | 塩化メチレン、トリクロロエチレン、パークロロエチレン、クロルベンゼン | |
強い極性 | MF、DMSO、エチレンカーボネート、N-メチルピロリドン |
溶かしたい物質(低分子、高分子)にも極性の強いものと極性の弱いものがあります。一般に非極性の物質は非極性の溶剤に溶解しやすく、極性の物質は極性の溶剤に溶解しやすいので、これが溶剤選択の目安になります。「水と油」が混じり合わないものの例になる通りです。石油系潤滑油や油脂のような大きなアルキル基を持つ物質は、 水のような極性溶剤には溶けず、ヘキサンのような非極性の溶剤にはよく溶けます。しかし、ヘキサンは可燃性が高いので、ドライクリーニングや脱脂では可燃性の低い塩素系溶剤が使われています。この場合、極性の強い官能基を持っていても、分子の対称性などによって極性がそれほど大きくない溶剤もあるので、上記の目安を一律に適用することはできません。
高分子を溶解する溶剤を探すことが必要になることがあります。その際には上記目安が参考になります。たとえばポリエチレンや天然ゴムを溶解する溶剤を選ぶならば非極性の溶剤となります。もう少し理論的に選択したい場合には溶解パラメータ(SP値)があります。 SP値の近い溶剤と高分子は良く溶け合うという経験則があるので、SP値は溶剤選択の目安になります。
『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。