プラスチックの仕組み

プラスチックの歴史

プラスチックが発明されるまで、成形できる物質は粘土（陶器）とガラスだけでした。保管には固まった粘土やガラスが使われていましたが、重くてもろかったです。木のゴムやゴムなどの一部の天然物質は粘着性があり、カビが生えやすいものもありました。ゴムは加熱すると元の形に戻る能力が失われ、粘着性になるため、保管にはあまり役に立ちませんでした。

1839 年、チャールズ グッドイヤーは、加熱してから冷却すると硫黄が生ゴムと反応するプロセスを偶然発見しました。ゴムは冷却すると弾力性を増し、伸びることはできましたが、元の形状に戻りました。加熱しても弾力性は保たれていました。現在では、硫黄が隣接するゴムポリマーストランド間に化学結合を形成していることがわかっています。この結合によりポリマーストランドが架橋され、伸ばされたときにポリマーストランドが「スナップバック」することが可能になります。チャールズ・グッドイヤーは、現在では加硫として知られている、ゴムの耐久性を高めるプロセスを発見しました。

1846年、スイスの化学者チャールズ・シェーンバインは、硝酸と硫酸の混合物を綿にこぼした際に、偶然別のポリマーを発見しました。硫黄の触媒作用により綿のセルロース繊維の水酸基が硝酸基に変換される化学反応が起こりました。得られたポリマーであるニトロセルロースは無煙炎を発火させることができ、軍で火薬の代わりに使用されました。 1870 年、化学者のジョン ハイアットはニトロセルロースと樟脳を反応させて、写真フィルム、ビリヤード ボール、歯科用プレート、ピンポン球に使用されるプラスチック ポリマーであるセルロイドを作りました。

1909 年、レオ ベークランドという名前の化学者が、フェノールとホルムアルデヒドの混合物から最初の真の合成ポリマーであるベークライトを合成しました。これらのモノマー間の縮合反応により、ホルムアルデヒドがフェノール環を結合して硬い三次元ポリマーを形成します。そのため、ベークライトは高温で成形し、ハンドル、電話、自動車部品、家具、さらには宝石類に使用できる硬質プラスチックに固めることができます。ベークライトは硬く、熱や電気に強く、冷めても溶けたり焦げたりしません。ベークライトの発明により、フェノール樹脂として知られる同様の特性を持つプラスチック全体が誕生しました。

1930年代、デュポン社の化学者ウォレス・カラザースは、アジピン酸と特定の種類のジアミノヘキサンモノマーの縮合から作られ、絹のような強い繊維に引き伸ばすことができるプラスチックポリマーを発明しました。このプラスチックはナイロンとして知られるようになりました。ナイロンは軽くて丈夫で耐久性があり、さまざまな種類の衣類、カバー（テント）、カバン、バッグ、ロープの基礎となりました。

これらの初期のポリマーの使用は第二次世界大戦後広く普及し、今日まで続いています。これらは、ダクロン、発泡スチロール、ポリスチレン、ポリエチレン、ビニールなど、他の多くのプラスチックの作成につながります。

次の 2 つのセクションでは、プラスチックの化学について学びます。

プラスチックの化学

すべてのプラスチックはポリマーですが、すべてのポリマーがプラスチックであるわけではありません。よく知られた非プラスチックポリマーには、デンプン (糖のポリマー)、タンパク質 (アミノ酸のポリマー)、DNA (ヌクレオチドのポリマー – DNA の仕組みを参照) などがあります。以下の簡略図は、モノマーとポリマーの関係を示しています。同一のモノマーが互いに結合して、直鎖または分岐鎖のホモポリマーを形成することがあります。異なるモノマーが結合してコポリマーを形成する場合があり、コポリマーは分岐または直鎖の場合もあります。

ポリマーの化学的特性は以下によって決まります。

多くのプラスチックに含まれるモノマーには、エチレン、プロピレン、スチレン、フェノール、ホルムアルデヒド、エチレングリコール、塩化ビニル、アセトニトリルなどの有機化合物が含まれます (さまざまなプラスチックについて説明するときに、これらの多くについても検討します)。非常に多くの異なるモノマーがあり、それらをさまざまな方法で組み合わせることができるため、さまざまな種類のプラスチックを製造できます。

縮合および付加反応

モノマーが結合してプラスチックのポリマーを形成する方法はいくつかあります。 1 つの方法は、縮合反応と呼ばれる一種の化学反応です。縮合反応では、2 つの分子が結合して、より小さい分子 (通常は水、アルコール、または酸) が失われます。縮合反応を理解するために、別の仮説上のポリマー反応を見てみましょう。

モノマー 1 と 2 は両方とも、水素 (H) とヒドロキシル基 (OH) を結合しています。それらが適切な触媒（化学反応を使い果たさずに加速させる原子または分子）と一緒になると、一方のモノマーは水素を失い、もう一方はヒドロキシル基を失います。水素とヒドロキシル基が結合して水 (H2O) が形成され、残りの電子がモノマー間に共有化学結合を形成します。得られる化合物は、コポリマー 1 および 2 の基本サブユニットです。この反応は、コポリマー 1 および 2 の長い鎖が得られるまで何度も繰り返されます。

モノマーが結合してポリマーを形成するもう 1 つの方法は、付加反応によるものです。付加反応では、モノマー内の二重結合の電子を再配置して他の分子と単結合を形成します。 2 人の人 (それぞれモノマー) が近くに立っていて、各人が腕を組んでいる (二重結合) と想像してください。次に、腕を広げて手を握ります（単結合）。 2 人はポリマーを作成し、このプロセスを繰り返すことができます。

さまざまなポリマー鎖は、異なるポリマー鎖上のモノマー間に強いまたは弱い結合を形成することによって相互作用し、架橋することができます。ポリマー鎖間のこの相互作用は、特定のプラスチックの特性 (柔らかい/硬い、伸縮性/硬い、透明/不透明、化学的に不活性) に寄与します。

ここで、さまざまな種類のプラスチックについて学びましょう。

プラスチックの種類

プラスチックは 2 つの主要なカテゴリに分類できます。

1.熱硬化性または熱硬化性プラスチック。これらのプラスチックは冷却して硬化すると形状を保持し、元の形状に戻ることはできません。硬くて耐久性があります。熱硬化性樹脂は、自動車部品、航空機部品、タイヤなどに使用できます。例には、ポリウレタン、ポリエステル、エポキシ樹脂、およびフェノール樹脂が含まれる。

2.熱可塑性プラスチック。熱硬化性樹脂よりも剛性が低いため、熱可塑性プラスチックは加熱すると柔らかくなり、元の形状に戻ります。これらは、フィルム、繊維、および包装に簡単に成形および押出成形されます。例としては、ポリエチレン (PE)、ポリプロピレン (PP)、ポリ塩化ビニル (PVC) などが挙げられます。

一般的なプラスチックをいくつか見てみましょう。

ポリエチレン テレフタレート (PET または PETE):ジョン レックス ウィンフィールドは 1941 年にエチレン グリコールとテレフタル酸を縮合させて新しいポリマーを発明しました。凝縮液はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴまたはＰＥＴＥ）であった。 PET は、繊維 (ダクロンなど) やフィルム (マイラーなど) に延伸できる熱可塑性プラスチックです。ジップロック食品保存袋の主なプラスチックです。

ポリスチレン (発泡スチロール):ポリスチレンはスチレン分子によって形成されます。分子の CH2 部分と CH 部分の間の二重結合が再配置されて、隣接するスチレン分子との結合を形成し、それによってポリスチレンが生成されます。家具、キャビネット (コンピューター モニターやテレビ用)、ガラス、食器などに使用できる硬質耐衝撃性プラスチックを形成できます。ポリスチレンを加熱し、混合物に空気を吹き込むと、発泡スチロールが形成されます。発泡スチロールは軽量で成形可能であり、優れた断熱材です。

ポリ塩化ビニル (PVC): PVC は、塩化ビニル (CH2=CH-Cl) が重合するときに形成される熱可塑性プラスチックです。製造時には脆いため、製造業者は可塑剤液を加えて柔らかく成形しやすくします。 PVC は耐久性があり、腐食せず、金属パイプよりも安価であるため、パイプや配管によく使用されます。ただし、長期間使用すると、可塑剤が浸出して脆くなり、壊れやすくなる場合があります。

ポリテトラフルオロエチレン (テフロン):テフロンは 1938 年にデュポン社によって製造されました。テトラフルオロエチレン分子 (CF2=CF2) の重合によって生成されます。このポリマーは安定性、耐熱性、強度が高く、多くの化学物質に対して耐性があり、表面はほぼ摩擦がありません。テフロンは、配管テープ、調理器具、チューブ、防水コーティング、フィルム、ベアリングに使用されています。

ポリ塩化ビニリデン (サラン):ダウは、塩化ビニリデン分子 (CH2=CCl2) の重合によって合成されるサラン樹脂を製造しています。このポリマーは食品の臭いを通さないフィルムやラップに引き込むことができます。サランラップは食品の包装によく使われるプラスチックです。

ポリエチレン、LDPE、HDPE:プラスチックで最も一般的なポリマーはポリエチレンで、エチレンモノマー (CH2=CH2) から作られます。最初のポリエチレンは 1934 年に作られました。現在、私たちはこれを低密度ポリエチレン (LDPE) と呼んでいます。これは、このポリエチレンがアルコールと水の混合物に浮くためです。 LDPE では、ポリマーストランドが絡み合ってゆるく組織されているため、柔らかく柔軟性があります。当初は電線の絶縁に使用されていましたが、現在ではフィルム、ラップ、ボトル、使い捨て手袋、ゴミ袋などに使用されています。

1950 年代に、カール チーグラーはさまざまな金属の存在下でエチレンを重合しました。得られたポリエチレンポリマーは、ほとんどが線状ポリマーで構成されていた。この線状の形状により、より緊密で密度が高く、より組織化された構造が生成され、現在では高密度ポリエチレン (HDPE) と呼ばれています。 HDPE は、LDPE よりも融点が高い硬いプラスチックであり、アルコールと水の混合物に沈みます。 HDPE はフラフープに初めて導入されましたが、現在では主にコンテナに使用されています。

ポリプロピレン (PP): 1953 年、カール ジーグラーとジュリオ ナッタは独立してプロピレン モノマー (CH2=CHCH3) からポリプロピレンを製造し、1963 年にノーベル化学賞を受賞しました。ポリプロピレンのさまざまな形態は、融点と硬度が異なります。ポリプロピレンは、車のトリム、バッテリーケース、ボトル、チューブ、フィラメント、バッグなどに使用されています。

さまざまな種類のプラスチックについて説明しましたが、次にプラスチックがどのように作られるかを見てみましょう。

プラスチックを作る

プラスチックを製造するには、化学者や化学技術者は工業規模で次のことを行う必要があります。

まず、モノマーを構成するさまざまな原料から始めなければなりません。たとえば、エチレンとプロピレンは原油から得られ、原油にはモノマーを構成する炭化水素が含まれています。炭化水素原料は、石油や天然ガスの精製に使用される「分解プロセス」から得られます ( 「石油精製のしくみ」を参照)。分解によりさまざまな炭化水素が得られると、それらは化学的に処理されて、プラスチックに使用される炭化水素モノマーやその他の炭素モノマー (スチレン、塩化ビニル、アクリロニトリルなど) が製造されます。

次に、モノマーは大規模な重合プラントで重合反応を実行します。この反応によりポリマー樹脂が生成され、これが収集されてさらに処理されます。加工には、可塑剤、染料、難燃剤の添加が含まれる場合があります。最終的なポリマー樹脂は通常、ペレットまたはビーズの形になります。

最後に、ポリマー樹脂は最終プラスチック製品に加工されます。一般に、それらは加熱され、成形され、放冷されます。この段階には、製品の種類に応じていくつかのプロセスが含まれます。

押出:ペレット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、空気または水で冷却されます。この方法はプラスチックフィルムの製造に使用されます。

射出成形:樹脂ペレットはチャンバー内で加熱および機械的に混合され、高圧下で冷却された金型に押し込まれます。このプロセスは、バターやヨーグルトの容器などの容器に使用されます。 (射出成形に関する素晴らしいレッスンがあります。)

ブロー成形:この技術は、押出成形または射出成形と組み合わせて使用​​されます。樹脂ペレットは加熱され、歯磨き粉のような液体チューブに圧縮されます。樹脂は冷却された金型に入り、圧縮空気が樹脂チューブに吹き込まれます。空気により樹脂が金型の壁に向かって膨張します。このプロセスはペットボトルの製造に使用されます。

回転成形：三次元回転可能な金型内で樹脂ペレットを加熱、冷却します。回転により、プラスチックが金型の壁に沿って均一に分布します。この技術は、大型の中空プラスチック製品 (おもちゃ、家具、スポーツ用品、浄化槽、ゴミ箱、カヤック) の製造に使用されます。

次のページでは、プラスチックの新しいイノベーションとそのリサイクル方法について学びます。

バイオポリマーとリサイクル

先に述べたように、プラスチック以外にもポリマーがあります。デンプン、セルロース、大豆タンパク質、植物油、トリグリセリド、細菌性ポリエステルなどの天然ポリマーを作物や細菌から抽出できます。さらに、植物や微生物は乳酸のような物質を生成し、それを重合させてバイオプラスチック(ポリ乳酸など) を作ることができます。バイオプラスチックを生産するには 2 つの戦略があります。

発酵:細菌または他の微生物がバイオリアクター (発酵タンク) 内でバイオポリマーを大量生産します。バイオポリマー (乳酸、ポリエステル) はバイオリアクターから抽出され、化学的に処理されてプラスチックになります。

バイオリアクターとしての遺伝子工学植物:バイオテクノロジー者は細菌の遺伝子を植物に導入します。これらの遺伝子は、細菌性プラスチックを作る酵素をコードしています。植物が成長して収穫され、植物材料からプラスチックが抽出されます。

1997 年、カーギル ダウはトウモロコシから透明なプラスチック (ポリ乳酸) を製造しました。ポリ乳酸繊維は、スポーツ アパレル、室内装飾用生地、バイオプラスチック ラップに織り込まれていました。

バイオプラスチックには、再生不可能な資源 (石油、天然ガス) ではなく、再生可能な資源 (細菌、植物) から生産されるという利点があります。さらに、バイオプラスチックは生分解性であり、環境中で分解される可能性があります (埋め立て地の仕組みを参照)。バイオプラスチックは潜在的に重要な産業です。現在の技術では、バイオプラスチックの製造コストはより高くなる可能性がありますが、バイオテクノロジーは急速に進歩しており、将来的には製造がより経済的になる可能性があります。

プラスチックのリサイクル

石油ベースのプラスチックは劣化しませんが、多くの種類 (PP、LDPE、HDPE、PET、PVC など) はリサイクルできます。それぞれのタイプにはコードと識別番号がありますが、一部のプラスチックは経済的にリサイクルが不可能です。したがって、どの種類のプラスチックが受け入れられるかについて、リサイクル業者または自治体に確認することが重要です。

プラスチックは収集されると次のステップを経ます。

プラスチックの発見は、さまざまな用途に使用できる、軽量、強度、柔軟性に優れた多種多様な製品を導入し、私たちの社会に革命をもたらしました。プラスチックには廃棄処理の問題がありますが、リサイクルはいつでも可能です。さらに、バイオポリマーに関する新たな研究により、生分解性で環境に優しい再生可能資源から新しいバイオプラスチック製品が生み出される可能性があります。

プラスチックについて詳しく知りたい場合は、以下のリンクをご覧ください。