化学製品・高分子製品の基礎講座
私たちは、あらゆるところで多種多様な「化学製品」に囲まれています。 それらの化学製品、あるいは化学物質について、知っておくべきこととは何か。 本連載では、製品の成分や仕様説明に記載されている化学物質、高分子材料について理解できるよう、 化学製品の基礎知識をご紹介していきます。
第5章 主要な高分子材料の種類と特長

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。材料に力を加えると材料は少し変形し、力を除くと元に戻ります。これが弾性です。弾性を示す範囲は、元の材料の長さに比べて、金属で1~2%、プラスチックで10%程度までですが、ゴムは数100%にもなります。弾性範囲以上の力を加えると、材料は塑性変形から破壊に至ります。

ゴムの弾性は、ゴム分子が直鎖状で長く、しかも柔らかくて丸まっていることに起因します。力を加えると図のように丸まった分子が引き伸ばされます。さらに力を加えると分子同士がずれてしまい、力を除いても元の長さに戻らなくなります。これが塑性変形です。ゴムは分子同士がずれないように、分子同士を少しつなぎます。これを加硫、架橋と呼びます。架橋は4-4ゴム薬品の項で説明した加硫剤、架橋剤で行われます。架橋しすぎると熱硬化性プラスチックと同じようになってしまい、硬いプラスチック状の材料になってしまいます。

プラスチックが広く普及する以前には、天然ゴムに硫黄を大量に加えた硬い成形材料がエボナイトという名前で使われました。

ゴムの弾性

ほとんどのゴムは、プラスチックと同じく有機高分子物質です。陶磁器、金属、木材、皮革、繊維など、人類が古くから使ってきた材料に比べて、ゴムは非常に新しい材料です。コロンブスがアメリカ・西インド諸島への2度目の航海を行った際に、ヨーロッパに持ち帰りました。15世紀末のことです。ところがそれから約250年間は面白い材料というだけでした。19世紀半ばに加硫が発明されて初めて弾性体という役に立つ材料になりました。合成ゴムが発明されたのは1909年です。天然ゴム、合成ゴムを含めてゴムの消費量の8割近くはタイヤとチューブです。ベルト、ホース、防振ゴム、パッキンなどの工業用ゴム製品も自動車に多く使われています。私たちに身近な輪ゴム、ゴム靴、ゴムボール、ゴルフボールなどは、ゴム全体の数%を占めるに過ぎません。ゴムは19世紀末以来、自動車と航空機とともに発展してきた材料と言えましょう。

ゴムの種類と分類を図に示します。ここで示すゴムは、加硫や架橋が必要なゴムに限定しています。加硫・架橋を必要としないゴムは5-14で述べます。

ゴムの種類と分類

天然ゴムはタンポポを含めてさまざまな植物の樹液、乳液から得ることができます。しかし、産業化されているのはパラゴムの木です。天然ゴムはポリイソプレンから成る天然高分子です。20世紀後半に天然ゴムとまったく同じ分子構造、立体構造をもつイソプレンゴムが発明され、工業化されました。しかし、それから50年以上経った現在でも天然ゴムは合成ゴムに駆逐されることなく、世界のゴム消費量の約4割を占めています。天然ゴムは生産地が東南アジア地域に集中する農産品で、市況変動が激しい原料です。それにも関わらず、合成ゴムに押されずに健在である理由は、イソプレンゴムでは到達できないほど分子量が非常に大きいためです。航空機用タイヤや巨大なトラック用タイヤは天然ゴム100%でつくられます。

一方、合成ゴムは、大きくジエン系ゴムと非ジエン系ゴムに分けられます。ジエン系ゴムは、ブタジエン、イソプレン、クロロプレンのように共役二重結合をもつモノマーを使ってつくられます。共役二重結合は、図に示すように二重結合、単結合、二重結合が順番に並んだ結合です。図に示すように共役二重結合をもつモノマーは重合後もポリマーの主鎖(ポリマーの骨格部分)に二重結合が残ります。これを使って硫黄などで加硫することができるのです。半面、加硫後もすべての二重結合が加硫されるわけでなく、多くの二重結合が残るので、太陽光やオゾンによる劣化(ゴムの老化)の原因にもなります。ちなみに、天然ゴムはポリイソプレンなのでジエン系ゴムに属します。

共役ジエンとそのポリマーの分子構造

ジエン系ゴムの中でも、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ブタジエンゴム(BR)、イソプレンゴム(IR)はタイヤに使われるので、生産量が他の合成ゴムに比べて格別に大きく、汎用ゴムと呼ばれます。

スチレンブタジエンゴムは、1930年代にドイツでブナSとして工業化された合成ゴムです。耐油性は天然ゴムに少し劣るものの、多くの性能において天然ゴムに匹敵し、天然ゴムに代替する合成ゴムとして最も大量に生産されています。SBRはスチレンとブタジエンのランダム共重合体で、長らく低温乳化重合によってつくられてきました。1960年代に溶液重合法が開発され、ブタジエン部分の立体構造制御や分子量分布制御なども行いやすくなりました。現在、乳化重合法(E-SBR)、溶液重合法(S-SBR)の両方の製品が販売されています。

ブタジエンゴムはブタジエンを重合したポリマーです。有機リチウム触媒を使うとシス-1,4結合が30%以下となり、5-3スチレン系樹脂の項で説明した耐衝撃性ポリスチレンHIやABS樹脂の原料になります。一方、チーグラーナッタ触媒を使うとシス-1,4結合が95%以上の立体規則性ポリマーとなり、耐摩擦性と低温特性に優れたポリマーとなります。BRは、タイヤに使われるのでSBRに次いで生産量の大きな合成ゴムです。最近はネオジム系触媒を使った超ハイシスBRが生産されるようになり、S-SBRとともに、低燃費タイヤの実現に貢献しています。

イソプレンゴムは、チーグラーナッタ触媒を使い、イソプレンを立体規則性重合させたポリマーです。化学者の長年の夢であった天然ゴムとまったく同じ構造のポリマーを1950年代半ばに実現しました。天然ゴムはイソプレンよりも高分子量ですが、半面加工性がよくないため、通常は素練りによって分子量を低下させる操作が必要です。イソプレンゴムは合成ゴムとして分子量調節されているので、素練りが不要です。

執筆: 日本化学会フェロー 田島 慶三

『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

第2章 化学製品の利用に当って留意すべき法規制

第3章 化学製品の基本

第4章 高分子製品を理解するための基本

第5章 主要な高分子材料の種類と特長

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