「私はゴムで、あなたは接着剤です。あなたの言うことはすべて私に跳ね返り、あなたにくっつきます。」おそらく、あなたが賢い少年だったときにこのことわざを覚えているかもしれませんが、これは私たちがゴムとして知っている物質を適切に表現しています。
中央アメリカとメキシコの古代地域であるメソアメリカの人々が、この弾性のある化合物を最初に使用したと考えられています。彼らはゴムを使ってゲーム用のボールを作り、コロンブス、そして後にスペインの征服者たちが彼らのプレーを観戦した。これらの人々にとって、ゴムは「カウチューク」と呼ばれていました。英国の化学者ジョセフ・プリーストリーは、1770年に「ゴム」という用語を思いついた人です。
ゴムはエラストマーと呼ばれる特定の種類のポリマーです。元の長さの少なくとも 2 倍まで引き伸ばして元の形状に戻すことができる大きな分子です。初期のゴムには、特に暑い気候において、多くの接着剤のような性質がありました。低温ではゴムが硬くなり、もろくなります。現代のゴムの製造が可能になったのは、1839 年にチャールズ グッドイヤーが偶然発見した後のことです。
それ以来、ゴムは社会において重要な天然ポリマーとなっています。私たちはゴムの木（天然ラテックス）と油（合成ゴム）からゴムを作ります。当社では多くの製品で両方のタイプのゴムを使用しています。以前のメソアメリカ人（アステカ人やマヤ人）と同様に、今日のスポーツ選手や子供たちはゴムボールで遊んでいます。もちろん、ゴムの最も一般的な用途は自動車のタイヤです。しかし、鉛筆消しゴム、靴、手袋、歯科用ダム、コンドームにもこの普遍的な物質が含まれています。多くの製品では、耐候性または耐衝撃性を目的とした保護コーティングとしてゴムが追加されています。
この記事では、この伸縮性のある物質の化学、どこでどのように製造されるか、そしてチャールズ・グッドイヤーの驚くべき発見とは何なのかを見ていきます。また、さまざまな種類のゴム、それから作られたお気に入りの製品、およびその製造を担う業界についても見ていきます。
次は中米への旅です。
天然ゴムを得るために木を伐採する
マヤやアステカなどのメソアメリカの人々は、最初に中南米で見つかったいくつかの木の 1 つからゴムを採取しました。
- Hevea braziliensis : ブラジル産の最も一般的な商業用ゴムの木
- Hevea guyanensis : 元々はフランス領ギアナで発見されました
- Castilla elastica : メキシコゴムの木またはパナマゴムの木とも呼ばれます
探検家や入植者はヨーロッパに戻る際にこれらの木のサンプルを持ち帰りました。最終的に、これらの木からの種子は、ヨーロッパの植民地主義の時代に他の熱帯気候のゴム農園に運ばれました。
現在、ほとんどの天然ゴムは、東南アジア（タイ、インドネシア、マレーシア）、インド、スリランカ、アフリカに移植されたラテンアメリカ由来の木から採取されています。これらの地域では、次のような他のゴムを生産する木も見つかります。
- Ficus elastica : ジャワ島とマレーシアで見られます。この種は熱帯の観葉植物としてもよく見られます。
- Funtumia elastica : 西アフリカに生育
- コンゴ盆地に位置するランドルフィア・オワリエンシス
これらすべての木の中で、最もゴムを生産する木はH. braziliensisです。
ゴムの木が、ラテックスと呼ばれる樹液を経済的に採取できる状態に成長するまでに約 6 年かかります。タップする方法は次のとおりです。コレクターは薄く斜めに切り込みを入れて樹皮の断片を取り除きます。皮膚の表面の小さな傷から血液が流れ出るのと同じように、乳白色のラテックス液が樹皮から流れ出ます。液体は切り口から流れ落ち、バケツに集められます。約 6 時間後、液体の流れが止まります。その 6 時間の間に、通常、木は 1 ガロンのバケツを満たすことができます。木は、通常は翌日に、別の新鮮なカットで再び叩くことができます。
メソアメリカ人は集めたゴムラテックスを乾燥させてボールや靴のようなものを作りました。彼らは足をラテックスに浸し、乾燥させました。数回浸して乾燥させた後、足から靴を剥がすことができました。次に、新しいゴム靴を燻して硬化させました。メソアメリカ人はまた、布地をラテックスでコーティングし、乾燥させることで防水加工を施しました。このプロセスは 1800 年代頃までゴム製品の製造に使用されていました。
コロンブスは新世界への 2 回目の航海から戻るときにゴム ボールを持ち帰り、1700 年代初頭にはゴムのサンプルと樹木がヨーロッパに持ち帰られました。当時、ゴムはまだ目新しいものでした。メソアメリカの方法で作られたゴムは鉛筆の消しゴムに似ていました。柔らかくてしなやかでした。 1770 年、化学者のジョセフ プリーストリーは鉛の跡を消すためにゴムを初めて使用しました。彼は「ゴム」という言葉を作りました。その理由は、鉛の跡をその材料にこすると取り除くことができたからです。
布地の防水や手作り靴の製造には便利でしたが、ゴムには問題もありました。シンプルなゴム製鉛筆消しゴムを使用すると、これらの問題を自分で確認できます。その消しゴムを高熱の下に数分間置きます。何が見えますか？消しゴムは非常に柔らかくなり、ベタベタするはずです。次に、その逆を行います。消しゴムを氷の上または冷凍庫に数分間置きます。何が見えますか？消しゴムは硬くなり、もろくなるはずです。初期のゴムでも同じことが起こりました。当時、暑い日や寒い日にゴム靴を履いて歩き回るのがどのようなものか想像してみてください。靴はうまく履けないでしょう。同様に、特に暖かい日には、座っているときにゴム引きの衣服が椅子に張り付く可能性があります。
ゴムが本質的に伸縮性を持つ理由を理解するには、読み続けてください。
ゴムの化学
なぜゴムはこれほど伸縮性があるのでしょうか？プラスチックと同様に、ゴムはポリマーであり、モノマーと呼ばれる繰り返し単位の鎖です。ゴムのモノマーは、2 つの炭素-炭素二重結合を持つイソプレンと呼ばれる炭素化合物です。ゴムの木から染み出るラテックス液にはイソプレン分子が多く含まれています。ラテックスが乾燥すると、イソプレン分子が集まり、1 つのイソプレン分子が隣接する分子の炭素-炭素二重結合を攻撃します。二重結合の 1 つが切断され、電子が再配置されて 2 つのイソプレン分子間に結合が形成されます。
このプロセスは、多くのイソプレン分子が鎖のようにつながった長い鎖ができるまで続きます。この長いストランドはポリイソプレンポリマーと呼ばれます。各ポリイソプレン分子には数千のイソプレン モノマーが含まれています。乾燥が続くと、2 つの棒磁石の反対極間の引力と同様に、ポリイソプレンのストランドが静電結合を形成して互いにくっつきます。これらのストランド間の引力によりゴム繊維が保持され、伸びたり回復したりすることができます。
ただし、温度変化は、ラテックスゴム内のポリイソプレンストランド間の静電相互作用に影響を与える可能性があります。高温になると相互作用が減少し、ゴムの流動性が高まります（粘着性が高くなります）。温度が低いと相互作用が増加し、ゴムがより固体になります（硬く、脆くなります）。
1800 年代初頭、数人の科学者や発明家がゴムの耐久性を高めることに取り組みました。有名な発明家の一人であるチャールズ・グッドイヤーは、ゴムをさまざまな乾燥粉末と混合することでゴムの粘着性を軽減できると推論しました。彼はタルカムや他の粉末をゴムと組み合わせて実験しました。 1838 年、グッドイヤーは、ゴムシートを硫黄とテレビン油の溶液で処理し、天日で乾燥させるという進歩を遂げたナサニエル ヘイワードに会いました。ヘイワードの天日乾燥ゴムはより硬く、より耐久性があったため、彼はソラリゼーションと呼んだこのプロセスの特許を取得しました。
グッドイヤーはソラリゼーションの特許権を購入し、硫黄化合物の実験を開始しました。発明者は試行錯誤の結果、ラテックスゴムに硫黄と酸化鉛を混合した。伝説によると、混合物の一部が熱いストーブの上に落ち、得られたゴムは硬く、柔軟性があり、耐久性がありました。グッドイヤーの偶然のプロセスは、最終的には加硫加工として知られるようになりました。彼はまた、硫黄の量を変えるとゴムの特性が変わることも発見しました。硫黄の使用量が多ければ多いほど、ゴムは硬くなりました。では、ゴムを加硫するとどうなるでしょうか?
ポリイソプレン ストランドを硫黄および酸化鉛とともに加熱すると、硫黄原子がポリイソプレン ストランドの二重結合を攻撃し、炭素原子に結合します。硫黄原子はまた、相互に結合 (ジスルフィド結合) を形成し、隣接するポリイソプレン ストランドを架橋してゴム内に網目構造を形成します。
この架橋によりポリイソプレンが強化され、より硬く、柔軟性があり、耐久性が高まります。グッドイヤーが発見したように、硫黄の使用量が増えるほど、より多くの架橋が形成され、ゴムが硬くなります。グッドイヤーの加硫プロセスでは、最良の結果を達成するために、高圧蒸気中でラテックスゴム、硫黄、酸化鉛を最長 6 時間混合する必要がありました。
チャールズ・グッドイヤーはゴムに夢中でした。彼は債務者の刑務所に収監されている間にそれを実験したこともあった。 1839 年に加硫を発明した後、衣服に使用できる加硫ゴムのシートの製造を開始しました。グッドイヤーは投資家を魅了することを期待して製品をヨーロッパに送りました。英国の発明家でありゴムのパイオニアであるトーマス・ハンコックが誘惑されました。彼はグッドイヤーの加硫プロセスを解明し、グッドイヤーよりも先に英国特許を急いで申請した。結局、他の多くの企業がグッドイヤーの特許を侵害し、彼は財産の多くを訴訟やゴムの実験に費やした。彼は 1860 年に貧しいまま亡くなりました。グッドイヤー タイヤ アンド ラバー カンパニーが彼の名誉を讃えて名付けられたことを知れば、きっと喜ぶでしょう。
ワンランク上の大自然：合成ゴム
ゴム産業は自動車の発明によって本格的に活況を呈し始めました。これらすべてのタイヤは、加硫ゴムの巨大な市場を生み出し、そして今でも生み出しています。 20 世紀初頭、ほとんどのタイヤは木から採取した加硫ラテックスゴムから作られていました。米国は自動車の主要生産国であり、アジア全域の英国のプランテーションによって管理されていた世界のゴムの大消費国であった。
科学者たちがゴムを人工的に作ることができるかどうかを尋ねるのは時間の問題でした。 1860 年の時点で、彼らはすでにゴムの化学とその加硫プロセスを解明していました。化学者らがゴムを加熱して分解したところ、ゴムからイソプレン、油、タールが生成されることが判明した。彼らは石油からイソプレンを作り、その後イソプレンを人工的に組み合わせてゴムを作ることができた。鉛筆の消しゴムや自動車のタイヤも石油製品から作れるようでした。
おそらく、これらの合成ゴムのいくつかについて聞いたことがあるでしょう。たとえば、ネオプレンは柔らかく泡状の断熱ゴムで、ウェット スーツによく使用されます。スキューバ ダイバーやサーファーは、1930 年にクロロプレンのポリマーをポリクロロプレンに変換したデュポンの化学者ウォレス カロザースに、海の冒険中に体を温めてくれたことに感謝しています。ちなみに、カロザースは後にナイロンと呼ばれる別の人気のあるポリマーを発明しました。
皆さんも聞いたことがあるであろう別の合成ゴム、それがシリコーンです。 1945 年、ダウコーニングの化学者は、炭素ベースのポリマーの代わりにシリコーンベースのポリマーに依存する合成ゴムを開発しました。彼らは、医療機器業界でよく使用され、乳房インプラントの形で体内に設置される可能性がある、軽くて柔軟で化学的に不活性な素材を作成しました。
ラテックスは最後に説明する合成ゴムです。ラテックスとはゴムの木の樹液を指すことを覚えているでしょう。これは、少なくとも最初は樹液の自然な乳白色を保つ、より薄くて強力な合成ゴムの名前でもあります。 1921 年、化学者のピーター・シドロウィッツは、ラテックスに多硫化物を添加し、従来の加硫よりも低い温度で長時間加熱することでラテックスを加硫できることを発見しました。さらに、このタイプの加硫は低温で行われるため、ラテックスに染料を加えて色を作り出すことができます。これは、ラテックス手袋、歯科用ダム、コンドームなどに使用されるタイプのラテックスです。
次に、ラテックス手袋などでどれだけの利益が得られるかを学びましょう。
HIV やその他の血液由来の病原体の出現以来、医療従事者によるラテックス手袋の使用が増加しています。しかし、米国の医療従事者の約 17% はラテックスアレルギーに苦しんでいます 。人は、ラテックス自体、コーンスターチ、またはラテックスゴムに添加されるその他の化学物質に敏感になることがあります。ラテックス手袋の代替品としては、ビニール手袋（プラスチックの一種）があります。
ゴムを加工して利益を得る
世の中ではどれくらいのゴムが跳ねているのでしょうか？国際ゴム研究グループによると、2007 年には 970 万トンの天然ゴムが生産され、そのほとんどがアジア産でした。天然ゴム市場は 1 トンあたり約 2,321 ドルで、2007 年の天然ゴム市場には約 225 億ドルが関与していました 。しかし、天然ゴムがホースや輪ゴム、小さな黄色いアヒルなどに加工される前に、加工する必要があります。
天然ゴムの加工は次の手順で構成されます。
- 企業はまずラテックス液を入手します。これは、ゴムの木から樹液を採取し、ラテックスを濾過し、輸出または加工用にドラム缶に詰めることを意味します。
- 彼らはラテックスゴムの燻製シートを作ります。酸を加えてラテックスを凝集させ、凝集した液体をミルでシート状に圧延して水を除去し、乾燥させ、燻製してシートを輸出します。
- ラテックスは化学処理され、低温で加熱されて予備加硫されます。予備加硫ラテックスは輸送が容易で、後で穏やかに加熱することで通常のゴムに変換できます。
合成ゴムの場合、利益とプロセスのイメージは少し異なります。 2007 年には、ヨーロッパとアジアは約 13.6 でした 。価格はトン当たり約 2,012 ドルで、2007 年の合成ゴム市場では 262 億ドルが生産される予定でした。
合成ゴムポリマーは石油ベースの化学薬品から作られ、輸送のために塊にして乾燥させられます。製造工場に入ると、合成ゴムポリマーが混合され、成分が追加され、ゴムがシートに丸められます。シートは、その後の成形や加工のためにストリップに切断できます。基本的な処理手法は 3 つあります。
- 押出: ゴムポリマーは長いチャンバー内で加熱および機械的に混合され、小さな開口部から押し出され、加硫または硬化されます。この方法は、圧縮成形用の大きなストランドを作成するために使用されます。
- 射出成形: ゴムストリップはチャンバー内で加熱および機械的に混合され、高圧下で金型に押し込まれます。ゴムは金型内で蒸気加硫され、その後冷却されます。冷却したら、ゴム製品を金型から離型します。
- 圧縮成形: ゴムストリップを金型の周りで圧力をかけて圧縮し、加硫して金型に成形します。冷却された製品は、その後金型から取り出されます。
リデュース、再利用、リサイクルについて考えるとき、ゴムは最初に思い浮かぶものではないかもしれませんが、一部の製品はリサイクルできます。たとえば、タイヤを細断し、嫌気性環境で加熱 (熱分解) することでゴムを分解し、ベンゼンなどの油副産物として油を再生することができます。他のリサイクル方法では、細断されたゴムを圧縮成形してさまざまな製品を作ることができます。
まだゴム室から出ないでください。次にゴムバンドを発射できるほど多くのリンクがあります。
