ポリマーエンジニアリング

ポリマー工学は、一般的にポリマー材料を設計、分析、および変更する工学分野です。ポリマー工学は、石油化学産業の側面、ポリマーの重合、ポリマーの構造と特性、ポリマーの特性、ポリマーの配合と処理、主要なポリマーの説明、構造特性の関係と用途をカバーしています。

「ポリマー」という言葉は、スウェーデンの化学者JJベルセリウスによって導入されました。彼は、例えばベンゼン（C ₆ H _{6 ）はエチン（C 2} H ₂ ）のポリマーであるとみなしました。その後、この定義は微妙に修正されました。^[1]

ポリマーの人類による利用の歴史は、天然ポリマーの化学修飾に入った19世紀半ばから長い。1839年、チャールズ・グッドイヤーはゴムの加硫研究において重要な進歩を見出し、天然ゴムを実用的な工学材料に変えた。^[2] 1870年、JWハイアットは樟脳を使ってニトロセルロースを可塑化し、ニトロセルロースプラスチックを工業化した。1907年、L・ベークランドは最初の熱硬化性フェノール樹脂の合成を報告し、1920年代に工業化され、最初の合成プラスチック製品となった。^[3] 1920年、H・スタンディンガーはポリマーは共通の共有結合を介して構造単位でつながれた長鎖分子であると提唱した。^[4]この結論は、現代のポリマー科学確立の基礎を築いた。その後、カロザースは合成ポリマーを、重縮合反応によって得られる重縮合物と重付加反応によって得られる付加ポリマーの2つの大まかなカテゴリーに分類した。 1950年代にK.ツィーグラーとG.ナッタが配位重合触媒を発見し、立体規則性ポリマーの合成時代を切り開きました。高分子の概念が確立されてから数十年の間に、高分子の合成は急速な発展を遂げ、多くの重要なポリマーが次々と工業化されました。

ポリマーを熱可塑性プラスチック、エラストマー、熱硬化性プラスチックに基本的に分類すると、その応用分野を定義するのに役立ちます。

熱可塑性プラスチックとは、熱で軟化し、冷やすと硬くなる性質を持つプラスチックのことです。私たちが日常生活で使用しているプラ​​スチックのほとんどがこの範疇に入ります。熱を加えると柔らかくなり、流動性も得られ、冷やすと硬くなります。このプロセスは可逆的で、繰り返すことができます。熱可塑性プラスチックは引張弾性率が比較的低いですが、密度が低く、透明性などの特性があるため、消費者向け製品や医療製品に最適です。ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、アセタール樹脂、ポリカーボネート、PETが含まれ、いずれも広く使用されている材料です。^[5]

エラストマーとは、一般に外力を取り除いた後に元の状態に戻ることができる材料を指しますが、弾性を持つ材料が必ずしもエラストマーであるとは限りません。エラストマーは弱い応力を受けたときにのみ変形し、応力はすぐに元の状態とサイズに近いポリマー材料に回復します。エラストマーは、弾性係数が非常に低く、ひずみを与えると可逆的な伸びを示すポリマーであり、振動の吸収と減衰に重要な特性です。エラストマーは熱可塑性（この場合は熱可塑性エラストマーと呼ばれます）であるか、タイヤなどのほとんどの従来のゴム製品のように架橋されています。従来使用されている一般的なゴムには、天然ゴム、ニトリルゴム、ポリクロロプレン、ポリブタジエン、スチレンブタジエン、フッ素ゴムなどがあります。

熱硬化性樹脂を主成分とし、各種の必要な添加剤との組み合わせで架橋硬化させることにより、製品となるプラスチックが作られます。製造や成形の初期段階では液体ですが、硬化後は不溶性・不融性となり、再び溶融・軟化することはできません。一般的な熱硬化性プラスチックには、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、アミノ樹脂、不飽和ポリエステル、アルキド樹脂などがあります。熱硬化性プラスチックと熱可塑性プラスチックは、合成プラスチックの2大成分を構成しています。熱硬化性プラスチックは、ホルムアルデヒド架橋型とその他架橋型の2種類に分けられます。

熱硬化性樹脂には、フェノール樹脂、ポリエステル、エポキシ樹脂が含まれ、これらはすべて、グラスファイバーやアラミドなどの硬い繊維で強化された複合材料で広く使用されています。これらの材料の熱硬化性ポリマーマトリックスは架橋によって安定化されるため、鋼鉄などの従来のエンジニアリング材料に近い物理的特性を備えています。ただし、金属に比べて密度が非常に低いため、軽量構造に最適です。さらに、疲労も少ないため、使用中に定期的にストレスがかかる安全上重要な部品に最適です。

プラスチックは、重付加重合および重縮合によって重合される高分子化合物である。組成や形状を自由に変更することができる。合成樹脂と充填剤、可塑剤、安定剤、潤滑剤、着色剤、その他の添加剤から構成される。^[6]プラスチックの主成分は樹脂である。樹脂とは、高分子化合物に各種添加剤が添加されていないことを意味する。樹脂という用語は、もともとロジンやシェラックなどの植物や動物の油の分泌物にちなんで名付けられた。樹脂はプラスチックの総重量の約40％～100％を占める。プラスチックの基本的な特性は主に樹脂の性質によって決まりますが、添加剤も重要な役割を果たします。一部のプラスチックは基本的に合成樹脂でできており、プレキシガラス、ポリスチレンなどの添加剤の有無にかかわらず作られています。^[7]

繊維とは、1つの物質の連続または不連続の糸を指します。動物や植物の繊維は、組織の維持に重要な役割を果たしています。繊維は広く使用されており、良質の糸、糸端、麻縄に織り込むことができます。また、紙や手触りを作るときに繊維層に織り込むこともできます。また、他の材料と一緒に複合材料を作るためにもよく使用されます。したがって、天然繊維であれ合成繊維であれ、糸状材料です。現代の生活では、繊維の応用はいたるところにあり、ハイテク製品がたくさんあります。^[8]

ゴムは、高弾性ポリマー材料と可逆的な形状を指します。室温で弾性があり、小さな外力で変形できます。外力を取り除いた後、元の状態に戻ることができます。ゴムは、ガラス転移温度が低く、分子量が大きく、数十万を超えることが多い、完全に非晶質のポリマーです。高弾性ポリマー化合物は、天然ゴムと合成ゴムに分類できます。天然ゴム加工は、植物からゴムと草ゴムを抽出します。合成ゴムは、さまざまなモノマーによって重合されます。ゴムは、弾性、絶縁性、不透水性、空気抵抗性材料として使用できます。

一般的に使用されるポリエチレンは、低密度ポリエチレン（LDPE）、高密度ポリエチレン（HDPE）、直鎖状低密度ポリエチレン（LLDPE）に分類できます。これらのうち、HDPEは熱的、電気的、機械的特性に優れており、LDPEとLLDPEは柔軟性、衝撃特性、フィルム形成特性に優れています。LDPEとLLDPEは主にビニール袋、ラップ、ボトル、パイプ、容器に使用されます。HDPEはさまざまな溶剤に耐性があるため、フィルム、パイプライン、日用品などさまざまな分野で広く使用されています。^[9]

ポリプロピレンは、耐薬品性と溶接性に優れているため、さまざまな用途に広く使用されています。ポリプロピレンは、汎用プラスチックの中で最も密度が低く、包装用途、消費財、自動用途、医療用途でよく使用されています。ポリプロピレンシートは、高い引張強度、耐高温性、耐腐食性などの特性があるため、酸や化学薬品のタンク、シート、パイプ、リターナブル輸送包装（RTP）などの製造に産業分野で広く使用されています。^[10]

複合材料の一般的な用途は、航空宇宙や自動車のモノコック構造のほか、釣竿や自転車などのより日常的な製品である。ステルス爆撃機は最初の全複合材航空機であったが、エアバスやボーイング787などの多くの旅客機では、疎水性メラミンフォームなどの複合材料を胴体にますます多く使用しています。^[11]複合材料の物理的特性がかなり異なるため、設計者は部品を成形する際にはるかに大きな自由度を得ることができ、そのため複合材料製品は従来の製品とは見た目が異なる場合があります。一方、ドライブシャフト、ヘリコプターのローターブレード、プロペラなどの一部の製品は、そのような部品の基本的な機能的ニーズにより、金属前駆体と同じように見えます。

生分解性ポリマーは、多くの生物医学および製薬用途で広く使用されている材料です。これらのポリマーは、制御された薬物送達デバイスに非常に有望であると考えられています。生分解性ポリマーは、創傷管理、整形外科用デバイス、歯科用途、組織工学にも大きな可能性を秘めています。生分解性ポリマーは、非生分解性ポリマーとは異なり、体内から除去するという2番目の手順を必要としません。生分解性ポリマーは、目的を果たした後に分解され、体に吸収されます。1960年以来、グリコール酸と乳酸から作られたポリマーは、医療業界でさまざまな用途に使用されています。ポリ乳酸（PLA）は、分解速度が速く調整可能であるため、薬物送達システムに人気があります。^[12]

膜技術は長年にわたり液体およびガスシステムの分離に効果的に使用されており、ポリマー膜は製造コストが低く、表面の改質が容易で、さまざまな分離プロセスに適しているため、最も一般的に使用されています。ポリマーは、生物活性化合物の分離、燃料電池のプロトン交換膜、二酸化炭素回収プロセスの 膜コントラクターへの応用など、多くの分野で役立っています。

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• カテゴリー:ポリマー科学者およびエンジニア

• Lewis, Peter Rhys、および Gagg, C、「法医学ポリマー工学：ポリマー製品が使用中に故障する理由」、Woodhead/CRC Press (2010)。