ゴム
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ゴム、あるいはガム (gum) とは、元来は植物体を傷つけるなどして得られる無定形かつ軟質の高分子物質を指す。だが現在では、後述の天然ゴムや合成ゴムのような有機高分子を主成分とする一連の弾性材料すなわち弾性ゴムを指すことが多い。これらの材料はある温度範囲で、ゴム弾性を持つゴム状態となる。漢字では「護謨」と書き、この字はゴム関連の会社名などに使われることが多い。エラストマー (elastic polymer) の一種であり、エラストマーはゴムと熱可塑性エラストマーの二つに分けられる。
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[編集] 由来
古代や中世においては、今日の英語でgum、フランス語でgomme、ドイツ語でGummiなどと一群の欧州言語で表記される物質は、アルコールには不溶だが、水を含ませると著しく膨潤してゲル状になり、種類によってはさらに水を加えると粘質のコロイド溶液となる植物由来の物質を指しており、主として多糖類から構成されている。逆に、水には不溶だがアルコールには溶ける植物由来の無定形の樹脂はレジン(rejin)と呼ばれる。こうしたゴムの代表がアラビアゴムであり、また似たものにトラガカントゴムやグアーガムがある。近代の発酵工業によって新たに登場した類似物質として、キサンタンガムが知られる。これらは食品の粘度を調整したり（増粘多糖類）、接着剤、あるいは水彩絵具の基質として用いられてきた。これらは弾性ゴムが一般的となってからは水溶性ゴムと呼ばれている。
16世紀になってヨーロッパ人が中南米の文化や自然産物と接触するようになってから、彼らが古くから知っていたゴム（ガム）に似ているが、それらにはない新しい性質を持った植物由来の物質がヨーロッパ社会に知られるようになり、また導入され、古くから知られていたゴム（ガム）と同じ範疇の物質としてゴム（ガム）と呼ばれた。これらは植物体に含まれる乳液（ラテックス）を採取し、凝固させることによって得られるものであった。その中のひとつはチクルの幹から得られ、人間の体温程度の温度で軟化するもので、噛む嗜好品として用いられていた。このゴム（ガム）に関しては、チューインガムを参照されたい。
もうひとつ、パラゴムノキの幹から採取されるラテックスを凝固させたものは著しい弾性を持ち、後世ヨーロッパで産業用の新素材として近代工業に欠かせない素材として受容され、発展することとなった。そのため、パラゴムノキ以外の植物からの同様の性質のゴムが探索され、また同様の性質を持つ高分子化合物の化学合成も模索されることとなった。この一群のゴムを弾性ゴムと呼び、イギリスの科学者ジョゼフ・プリーストリーが鉛筆の字をこすって (rub) 消すのに適することを報告したこと（消しゴムの発祥）から、英語ではこするものを意味するラバー (rubber) とも呼ばれることとなった。
さらに天然のゴム類似物質としてガタパーチャ（グッタペルカ）がある。
以下、弾性ゴムについて詳述する。
[編集] 特徴
ゴムは次のような特徴をもつ。
- 通常の固体ではその弾性率は1から100GPaであるが、ゴムは1から10MPaと非常に低い弾性率を示す。
- このため、弱い力でもよく伸び、5から10倍にまで変形する。しかし外力を除くとただちに元の大きさまで戻る。伸びきった状態では非常に大きな応力を示す。
- 弾性率は絶対温度に比例する。
- 急激（断熱的）に伸長すると温度が上昇し、その逆に圧縮すると温度が降下する（Gough-Joule効果）。
- 変形に際し、体積変化がきわめて少ない。すなわちポアソン比が0.5に近い。
このような状態を「ゴム状態」という。
[編集] ゴム弾性の構造
分子間を共有結合で結合し、三次元網目構造 (network structure) を形成する高分子は、ガラス転移温度 Tg 以上では「ゴム弾性」という特殊な性質を示す（上記参照）。これはゴムの弾性が他の固体とは異なる機構で実現しているからである（他の固体ではエネルギー弾性という）。
ゴムの弾性は、本来規則構造を持たない分子の配列が、外部からの力により規則性になり、これが元の不規則な配列に戻ろうとするときの力によるもので、熱力学的には応力によるエントロピーの低下（ギブス自由エネルギーの増加）が元に戻ろうとする力による弾性であるから、これをエントロピー弾性と呼ぶ。
[編集] 弾性ゴムの種類
ゴムは伸縮性に優れた高分子材料であり、ゴムノキの樹液（ラテックス）によって作られる天然ゴムと、人工的に合成される合成ゴムが存在する。天然ゴムがクリストファー・コロンブスによって西欧に伝えられ、グッドイヤーやダンロップなどの研究開発がゴム工業を発展させた。
[編集] 天然ゴム
天然ゴム (NR) はゴムノキの樹液に含まれるcis-ポリイソプレン [(C5H8)n] を主成分とする物質であり、生体内での付加重合で生成したものである。樹液中では水溶液に有機成分が分散したラテックスとして存在し、これを集めて精製し凝固乾燥させたものを生ゴムという。生ゴムも弾性材料として消しゴムなどに使われるが、硫黄による加硫により架橋させると広い温度範囲で軟化しにくい弾性材料となる。この加硫法による弾性改良はチャールズ・グッドイヤーにより1839年に発見された。硫黄の他に炭素粉末を加えて加硫すると特性が非常に改善され、その含有量によって硬さが変化する。多くの硬質ゴム製品はこの炭素のために黒色をしている。
なおイソプレンを化学的に重合させたポリイソプレンは合成ゴムの一種であるが、天然ゴムのポリイソプレンとはいくらかの構造的違いがある。まず合成ポリイソプレンでは現在のところ100%シス体を得ることはできず、少量のトランス体が含まれている。また天然ゴムはポリイソプレンの他に微量のタンパク質や脂肪酸を含むが、合成ポリイソプレンにはそのような不純物はない。
天然ゴムは殆どシス型のポリイソプレンから出来ているが、その一方トランス型のポリイソプレンから出来ているものをガタパーチャ乃至はグッタペルカと言う。ガタパーチャは東南アジアに野生するアカテツ科の常緑高木グッタペルカノキ (Palaquium gutta) などのラテックスから作られる天然樹脂の一つであり、天然ゴム、ガタパーチャ双方ともポリイソプレンから出来ているが、天然ゴムは弾性を示し、グッタペルカは弾性を示さない。この弾性の違いは幾何異性体の性質によるものである。即ち、シス型のポリイソプレンは分子鎖が折れ曲がった構造をとって不規則な形を取りやすく、分子鎖と分子差の間に多くの隙間を生じ分子間力が比較的小さくなる為、分子同士の結晶化が起こらず軟らかな性質を持つようになるが、それに対してトランス型のポリイソプレンは分子鎖が直線構造をとりやすく、分子鎖と分子鎖の距離が近くなる為、分子間力が強く作用し分子間で微結晶化を引き起こし、硬い樹脂上の物質となる。
但し、シス型であることは弾性の獲得の十分条件ではない。ポリイソプレンにおいては側鎖であるメチル基の影響もあり弾性を持つのはシス型であるが、例えばクロロプレンゴムはトランス型であるが弾性を有する。
天然ゴムに含まれる微量のタンパク質や脂肪酸はポリイソプレン鎖の末端に結合していると考えられている。このタンパク質はアレルゲンとなることがある。(外部リンクの長岡技術科学大学化学系の天然ゴム研究を参照)。
日本では天然ゴムをマレーシア、インドネシア、タイなどから輸入している。
[編集] 合成ゴム
合成ゴムには、ポリブタジエン系、ブタジエン・アクリロニトリル系、クロロプレン系などがある。いずれも付加重合または共重合によって得られる。
- アクリルゴム（ACM）
- アクリロニトリルブタジエンゴム（ニトリルゴム、NBR）
- イソプレンゴム（IR）
- ウレタンゴム（U）
- エチレンプロピレンゴム（EPM,EPDM）
- エピクロルヒドリンゴム（CO,ECO）
- クロロプレンゴム（CR）
- シリコーンゴム（Q）
- スチレンブタジエンゴム（SBR）
- ブタジエンゴム（BR）
- フッ素ゴム（FKM）
- ポリイソブチレン（ブチルゴム IIR）
[編集] 加工
ゴムは 素練り → 混練り → 成形 → 加硫 などの加工工程を経て製造される。
素練りは天然ゴムの分子を分断し加工しやすくする工程である。天然ゴムをミキサーに投入し練るが、このときしゃく解剤という分子を分断させる効果をもつ薬品を添加することもある。
混練りは素練りしたゴムにカーボンブラック、加硫剤（硫黄等の架橋物質）、加硫促進剤ほかの薬品を混入しゴム製品を製造できるゴムにする。
加硫という言葉は主にゴム業界の用語で正確には硫黄による架橋反応を起こさせることである。硫黄が熱によりゴムの分子の「橋渡し」がおこなわれ、弾性のある強力なゴムへと変わる。
[編集] 関連項目
[編集] 参考文献
- 荒木孝二・明石満・高原淳・工藤一秋著 『有機機能材料』 東京化学同人 2006年 ISBN 4807906100
[編集] 外部リンク
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