本題の「どのような化学反応でポリマーができるのか」に入る前に、まずポリマーの基本を理解しましょう。
高分子とは
高分子とは、共有結合で結ばれた1種類以上の原子または原子群の非常に長い列として配列された分子からなる物質です。
高分子は、その分子量の大きさから高分子とみなされる。
ポリマーを形成するために互いに結合する原子または分子のグループは、モノマーとして知られている。
したがって、モノマーはポリマーの構成要素です。
ポリマーに見られる主な結合は共有結合です。
さらに、ファンデルワールス結合が存在する場合もあります。
共有結合はファンデルワールス結合よりも強い。
このように、ポリマーの解重合は非常に難しく、高度な技術を必要とする場合がある。
高分子の分類
高分子はさまざまに分類される。
ポリマーを構成するモノマーの種類から、1種類のモノマーのみが重合してできるホモポリマーと、2種類以上のモノマーが重合してできるコポリマーがあります。
高分子は、その性質から天然高分子と合成高分子に分類される。
天然高分子の代表例は、ヘベア・ブラジリエンシスという樹木から得られる天然ゴムラテックスです。
合成高分子は、制御された条件下で人工的に作られた高分子です。
合成高分子の例としては、プラスチック、ネオプレンゴム、シリコーンゴム、イソプレンゴムなどがあります。
高分子は、その構造から、線状高分子、環状高分子、分岐高分子、ネットワーク高分子の4種類に分類されます。
ポリマーの最も一般的な分類は、化学的・物理的特性によるものです。
この分類では、高分子は熱可塑性樹脂、エラストマー、熱硬化性樹脂に分類される。
熱可塑性樹脂は、直鎖状または分岐状のポリマーで構成された高分子で、熱を加えると軟化する。
熱を加えると柔らかくなり、様々な成形技術によって任意の形状に成形することができる。
エラストマーは弾性を持つポリマーで、加えた応力を解放すると元の寸法に素早く復元することができる。
熱硬化性樹脂は、高度に架橋されたポリマーのネットワークで構成される硬質ポリマーです。
このポリマーは一度成形すると再成形ができず、熱を加えると劣化する。
生分解性高分子とは？
重合とは
重合とは、化学反応によってモノマー分子をつなぎ合わせ、長い鎖を形成することである。
ホモポリマーはホモ重合により、コポリマーはコポリマー重合により形成される。
例えば、エチレンモノマーがホモポリマー化するとポリエチレンになり、エチレンとプロピレンモノマーがコポリマー化するとポリ（プロピレン/エチレン）［PP/PE］コポリマーになる。
高分子はどのような化学反応で作られるのか？
重合には、モノマーが他のモノマー分子と結合できることが基本的な条件となる。
ポリマー産業では、ポリマーを形成するためにさまざまな種類の化学反応が行われている。
これらの反応は、ステップ重合と連鎖重合と呼ばれる2つの基本的なカテゴリーに分類することができる。
ステップ重合
ステップ重合は成長反応の一つです。
任意の2つの分子種の間で起こる段階的な反応によって高分子鎖が成長するのが段階重合です。
ステップ重合では、各モノマー分子が二量体、三量体へと変化し、重合体高分子になるまで、反応を通じて重合度が徐々に増加する。
段階重合には、重縮合と重付加の2種類の反応があります。
重縮合反応は、重付加反応よりもはるかに一般的な反応です。
は、ステップ重合の一般的な表現です。
(白の一点鎖はモノマー、黒の鎖はオリゴマーとポリマーを表す）。
鎖状重合
連鎖重合では、反応性の末端基と結合したモノマーのみで重合反応が起こり、通常、反応を開始させるための開始剤が必要である。
連鎖重合に用いられるモノマーは、通常、二重結合、三重結合、芳香環を含む。
これらの反応は、アニオン機構、カチオン機構、フリーラジカル機構、配位機構を利用して行うことができる。
メカニズムの種類は、使用するモノマーと開始剤の化学的性質に基づいて決定される。
最も一般的な機構はフリーラジカル重合で、モノマーは炭素-炭素二重結合を含むものや、エチレン、ブタジエン、スチレン、アクリロニトリル、塩化ビニルなどのビニルモノマーです。
フリーラジカル重合の開始剤は、重合反応を開始させるために、熱分解、酸化還元反応等の種々の化学反応によりラジカルを発生させることができる。
このような開始剤の一般的な例としては、ヒドロペルオキシド、過炭酸塩、パーオキシエステル、アゾ化合物、無機水溶性過硫酸塩、過酸化水素などが挙げられる。
ポリカプロラクトンへの開環による鎖伸長重合の一例
Robert J. Young and Peter A. Lovell, Introduction to polymers (2011), 3rd Edition, CRC Press, USA.
Bruce, R. G., Dalton, W.K., Neely, J.E. and Kibbe, R.R., Modern Materials and manufacturing process (2004), 3rd Edition, Repro India Ltd, India.を参照。
“Step-growth polymerization” By Chem538grp5w09 – Own work (Public Domain) via Commons Wikimedia
“Polycaprolactone Synthesis” By V8rik at English Wikipedia (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
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