高分子(ポリマー)とは

高分子(ポリマー)とは

高分子(ポリマー)とは

高分子(ポリマー)とはなんなのか?最近の環境への配慮から高分子への関心が高まってきています。
巷でよく耳にするけど、高分子とは何なのでしょうか。
厳密には違いますが、ポリマー≒高分子として扱います。

定義を分からずしても、多くの人が高分子に詳しいはずです。
ゴム、接着剤、構造材料としてPCシャーシ、自動車や飛行機、至る所で使用されています。

とはいえ最初に、ポリマーと高分子の定義について少し説明します。近年のニュースで扱われる高分子(ポリマー)という用語は有機高分子化合物であるため、特別な言及がない限り有機高分子化合物のことをポリマーと呼びます。

重合体(じゅうごうたい)またはポリマー(英: polymer)とは、複数のモノマー(単量体)が重合する(結合して鎖状や網状になる)ことによってできた化合物のこと。このため、一般的には高分子の有機化合物である。現在では、高分子と同義で用いられることが多くなっている。ポリマー(polymer)の poly- は接頭語で「たくさん」を意味する。2種類以上の単量体からなる重合体のことを特に共重合体と言う。身近なものとしては、繊維に用いられるナイロン、ポリ袋のポリエチレンなどの合成樹脂がある。また、生体内のタンパク質は、アミノ酸の重合体である。

高分子(こうぶんし)または高分子化合物(こうぶんしかごうぶつ)(英: macromolecule、giant molecule)とは、分子量が大きい分子である。国際純正・応用化学連合(IUPAC)の高分子命名法委員会では高分子macromoleculeを「分子量が大きい分子で、分子量が小さい分子から実質的または概念的に得られる単位の多数回の繰り返しで構成した構造」と定義し、ポリマー分子(英: polymer molecule)と同義であるとしている[1]。また、「高分子から成る物質」としてポリマー(重合体、多量体、英: polymer)を定義している[2]。すなわち、高分子は分子であり、ポリマーとは高分子の集合体としての物質を指す[3]。日本の高分子学会もこの定義に従う。
[1] “IUPAC Gold Book, macromolecule (polymer molecule)”. IUPAC. 2017年4月16日閲覧。
[2] “IUPAC Gold Book, polymer”. IUPAC. 2017年4月16日閲覧。
[3] a b “国際純正応用化学連合(IUPAC)高分子命名法委員会による高分子科学の基本的術語の用語集”. 公益社団法人高分子学会. 2017年4月17日閲覧。

引用:wikipedia、「重合体」及び「高分子」

高分子を勉強している人にとってはこの説明で十分わかるかもしれません。この引用において重要なキーワードは、
重合体と分子量です。
これさえわかれば、高分子という言葉の説明はできます。

重合度と分子量

分子とは様々な原子が手をつないだ集団のことです。

分子量は、分子の”相対”質量(原子の質量の総和)です。相対というのは、原子の値について基準を決めた時の値です。現在では炭素を12とした時の、相対原子質量をもとに計算されています。
では、分子量は、図のそれぞれの体重になります。例えば、6人全員同じ体重で、40 kgと設定したとき、上は合計160 kg、下が合計80 kgとなります。
この図で、一人をモノマーと呼びます(二人つらなるとダイマーなどなど呼び方があります)、この手をつないでる人がたくさんいるのが、高分子と呼ばれる集合になります。

上図の人の数を重合度といいます。
今回は重合度4となります。
高分子は右下のようにカッコでくくり、その右下に数字で重合度をかきます。

再度、高分子(ポリマー)とは

wikipediaで説明あったように、高分子とは分子量が大きい分子と説明あります。
有機化合物の分子量が上がるとなぜ高分子というカテゴリーに分けられるのでしょうか。

一番は、その熱に対する性質が変わることです(特に融点)。

まず簡単のために、炭素と水素からなる飽和炭化水素(二重結合をもたず、炭素Cと水素Hからなる分子のことです。)から説明します。炭素数からメタンから始まるCnH2n+2で表される分子です。炭素数が4のブタンまで気体、炭素数が5(ペンタン)から18(オクタデカン)までは液体、それ以上の炭素数になると固体の状態をとります。

オクタデカンを超えると沸騰する前に分解がおこり、沸点の測定ができません(例えば、分解してエタン9個できる、二酸化炭素が18個できる、という意味です。オクタデカンの気体ができないのです。)。それでも、融点は上昇し続けます。しかし、炭素数が700を超えて分子量1万近くなると、融点もほぼ一定になります。このあたりから、鎖長依存性(融点、沸点などの分子の長さに由来する特徴)がなくなり、フィルム成形(分子同士の絡まりあい)がでる1万くらいを基準としています。

炭化水素はC-Hのみで構成されているため、比較的軽い高分子化合物です。
これが炭化水素以外で構成すると、分子量が2万以上(あくまで例で正確な値ではありません)でないと、長さに由来する高分子の特性がでなかったりします。

炭素数 状態 応用
1-4 単純ガス 調理用のガスボンベ
5-11 単純液体 ガソリン
9-16 中粘度液体 ケロシン
16-25 高粘度液体 油、グリース
25-50 結晶固体 パラフィン、蝋燭
50-1000 半結晶固体 牛乳パックの接着剤、コーティング
1000-5000 熱可塑性樹脂(プラスチック) ポリエチレンボトル、コンテナー
3-6 x 105 繊維 手術用手袋、防弾チョッキ

高分子の種類

さて、高分子の種類は原料による分類、生成した高分子の形による分類方法があります。
以下、例を表します。

高分子にも大きく分けて3種類に分けることができます。

  • 天然高分子・・・セルロース、シルクなどタンパク質
  • 合成高分子・・・ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル
  • 半合成高分子・・・再生高分子、セルロイド

高分子の形についても、それぞれ呼び名があります。

  • 線状高分子
  • 星型高分子
  • くし形高分子
  • ブラシ状高分子

商業的な高分子

高分子の歴史について、軽く説明していきます。
高分子の歴史は浅いんです。それまで、高分子はなんなのか?という議論がずっとなされていました。
コロイドのような集合体ではないのか?
長い鎖を持った分子なのではないか?

そのため、昔の高分子に係る論文を読むと、コロイドの専門誌に投稿していたりする。

しかし、合成高分子という新たな材料が100年くらいの歴史しかないというだけで、セルロースや絹糸(けんし)は太古から使用されています。

種類 発明者
1909 Poly(phenol–co–formaldehyde) General Bakelite Corporation
1927 Poly(vinyl chloride) B.F. Goodrich
1929 Poly(styrene–stat–butadiene) I.G. Farben
1930 Polystyrene I.G. Farben/Dow
1936 Poly(methyl methacrylate) Rohm and Haas
1936 Nylon 66 (Polyamide 66) DuPont
1936 Neoprene (chloroprene) DuPont
1939 Polyethylene ICI
1943 Poly(dimethylsiloxane) Dow Corning
1954 Poly(ethylene terephthalate) ICI
1960 Poly(p-phenylene terephthalamide) DuPont
1982 Polyetherimide GEC

高分子材料(=樹脂)には熱をかけるとトロントロンになるものと硬くなるものがあります。
前者を熱可塑性樹脂=プラスチック、後者を熱硬化樹脂=レジン、とよびます。

汎用プラスチック

ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、アクリル樹脂
(五大汎用樹脂:生産量の半分以上)

エンジニアリングプラスチック(100℃以上で使用)

ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール

スーパーエンジニアリングプラスチック(150℃以上で使用)

ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド

熱硬化性樹脂(重合と同時に架橋)

フェノール樹脂、エポキシ樹脂

参考文献
基礎高分子科学、高分子学会著、東京化学同人、2006
INTRODUCTION TO PHYSICAL POLYMER SCIENCE 4th edition, L.H. Sperling, Wiley interscience, 2006  

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