高分子化学

高分子化学は、化学物質の構造、化学合成、ポリマーおよび高分子の化学的および物理的特性に焦点を当てた化学のサブ分野です。高分子化学で使用される原理と方法は、有機化学、分析化学、物理化学などの他の化学サブ分野の広範囲にも適用できます。完全に無機の金属やセラミックからDNAやその他の生体分子まで、多くの材料がポリマー構造を持っています。ただし、高分子化学は通常、合成および有機組成物に関連しています。合成ポリマーは、プラスチックやゴムなど、日常的に使用される商用材料や製品に遍在しており、複合材料の主要成分です。高分子化学は、高分子科学やナノテクノロジーのより広い分野に含めることもできます。どちらも、高分子物理学と高分子工学を包含すると言えます。^{[1] [2] [3] [4]}

1777 年のアンリ・ブラコノの研究と 1846 年のクリスティアン・シェーンバインの研究により、ニトロセルロースが発見されました。ニトロセルロースを樟脳で処理するとセルロイドが生成されます。エーテルまたはアセトンに溶解するとコロジオンになり、南北戦争以来、創傷被覆材として使用されています。セルロースアセテートは 1865 年に初めて製造されました。1834 年から 1844 年にかけて、ゴム (ポリイソプレン)の特性は硫黄で加熱すると大幅に改善されることがわかり、加硫プロセスが確立されました。

1884年、イレール・ド・シャルドネは、絹の代替品として再生セルロース、すなわちビスコースレーヨンをベースにした最初の人工繊維工場を立ち上げたが、これは非常に燃えやすかった。^[5] 1907年、レオ・ベークランドは、生物の産物とは無関係に作られた最初のポリマー、ベークライトと呼ばれる熱硬化性フェノールホルムアルデヒド樹脂を発明した。同じ頃、ヘルマン・ロイクスは、アミノ酸N-カルボキシ無水物と求核剤との反応によるその高分子量生成物の合成を報告したが、これらをポリマーと呼ぶことはしなかった。これは、彼の直属の上司であるエミール・フィッシャーが、6,000ダルトンを超える共有結合分子の可能性を否定する強い見解を唱えたためと思われる。^[6]セロファンは、1908年にビスコースレーヨンのシートを酸で処理したジョック・ブランデンベルガーによって発明された。^[7]

• 高分子化学の第一人者
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  ヘルマン・シュタウディンガー、高分子化学の父
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  ナイロンの発明者、ウォレス・カロザース。
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  ステファニー・クレック、ケブラーの発明者。

化学者ヘルマン・シュタウディンガーは、ポリマーは共有結合でつながった長い原子の鎖で構成され、これを高分子と呼んだと初めて提唱した。彼の研究はポリマーの化学的理解を広げ、その後高分子化学の分野が拡大し、ネオプレン、ナイロン、ポリエステルなどの高分子材料が発明された。シュタウディンガー以前は、ポリマーは分子量がはっきりしない小さな分子(コロイド) の集まりで、未知の力でつながれていると考えられていた。シュタウディンガーは1953 年にノーベル化学賞を受賞した。ウォレス・カロザースは1931 年にネオプレンと呼ばれる最初の合成ゴムと最初のポリエステルを発明し、さらに1935 年には真の絹の代替品であるナイロンを発明した。ポール・フローリーは1950 年代の溶液中のポリマーのランダムコイル構成に関する研究により、1974 年にノーベル化学賞を受賞した。ステファニー・クオレックは、 1966年に特許を取得した アラミド、またはケブラーという芳香族ナイロンを開発しました。カール・ツィーグラーとジュリオ・ナッタは、アルケンの重合触媒の発見によりノーベル賞を受賞しました。 アラン・J・ヒーガー、アラン・マクダーミド、白川英樹は、ポリアセチレンと関連導電性ポリマーの開発により、2000年のノーベル化学賞を受賞しました。 ^[8]ポリアセチレン自体は実用化されませんでしたが、有機発光ダイオード（OLED）は導電性ポリマーの1つの用途として登場しました。^[9]

高分子化学の教育および研究プログラムは 1940 年代に導入されました。1940 年にドイツのフライブルクにシュタウディンガーの指揮のもと高分子化学研究所が設立されました。アメリカでは、1941 年にブルックリン工科大学(現在のニューヨーク大学工科大学) にハーマン マークによって高分子研究所 (PRI) が設立されました。

ポリマーは、モノマーの重合によって形成される高分子化合物です。 ポリマーは重合プロセスによって合成され、モノマーの添加剤によって変更することができます。 モノマーの添加剤は、ポリマーの機械的特性、加工性、耐久性などを変更します。 ポリマーの繰り返し構造単位が由来する単純な反応性分子は、モノマーと呼ばれます。ポリマーは、重合度、モル質量分布、立体規則性、共重合体分布、分岐度、末端基、架橋、結晶度、ガラス転移温度や融点などの熱特性など、さまざまな方法で説明できます。溶液中のポリマーは、溶解度、粘度、ゲル化に関して特別な特性を持っています。 ポリマー化学の定量的側面の例として、数平均分子量と重量平均分子量に特に注意が払われます。 ${\displaystyle M_{n}}$${\displaystyle M_{w}}$

${\displaystyle M_{n}={\frac {\sum M_{i}N_{i}}{\sum N_{i}}},\quad M_{w}={\frac {\sum M_{i}^{2}N_{i}}{\sum M_{i}N_{i}}},\quad }$

ポリマーの形成と特性は、Scheutjens-Fleer理論、Flory-Huggins溶液理論、Cossee-Arlman機構、ポリマー場理論、Hoffman核形成理論、Flory-Stockmayer理論など、多くの理論によって合理化されてきました。

ポリマー熱力学の研究は、ポリスチレン（発泡スチロール）やポリカーボネートなどのさまざまなポリマーベースの材料の材料特性を改善するのに役立ちます。一般的な改善には、強化、耐衝​​撃性の向上、生分解性の向上、材料の溶解性の変更などがあります。^[10]

ポリマーが長くなり、分子量が増加すると、粘度が増加する傾向があります。したがって、測定されたポリマーの粘度は、ポリマーの平均長さ、反応の進行、およびポリマーがどのように分岐するかについての貴重な情報を提供します。^[11]

ポリマーはさまざまな方法で分類できます。厳密に言えば、ポリマーはほとんどの固体物質を構成します。鉱物 (つまり、地球の地殻の大部分) は主にポリマーであり、金属は 3 次元ポリマーであり、生物 (生きているものも死んでいるものも) は主にポリマーと水で構成されています。多くの場合、ポリマーは起源によって分類されます。

• バイオポリマー
• 合成ポリマー
• 無機ポリマー

バイオポリマーは、生物の有機物の大部分を構成する構造的かつ機能的な材料です。バイオポリマーの主要クラスの 1 つは、アミノ酸から得られるタンパク質です。セルロース、キチン、デンプンなどの多糖類は、糖から得られるバイオポリマーです。ポリ核酸DNAとRNA は、遺伝情報を運ぶペンダントヌクレオチドを持つリン酸化糖から得られます。

合成ポリマーは、プラスチック、合成繊維、塗料、建築材料、家具、機械部品、接着剤などに見られる構造材料です。合成ポリマーは、熱可塑性ポリマーと熱硬化性プラスチックに分けられます。熱可塑性ポリマーには、ポリエチレン、テフロン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリウレタン、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ナイロン、レーヨンなどがあります。熱硬化性プラスチックには、加硫 ゴム、ベークライト、ケブラー、ポリエポキシドなどがあります。ほぼすべての合成ポリマーは石油化学製品から得られます。

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