ポリマー工学 - 百科事典

ポリマー工学は、一般的にポリマー材料を設計、分析、改良する工学の分野です。ポリマー工学は、石油化学産業、ポリマ化、ポリマーの構造と特性、ポリマーの性質、複合加工と処理、主要なポリマーの説明、構造と性質の関係、および応用をカバーしています。

歴史
「ポリマー」という言葉は、スウェーデンの化学者J.J. Berzeliusによって提案されました。彼は、例えば、ベンゼン（C6H6）をエチン（C2H2）のポリマーと考えました。その後、この定義は微妙に変更されました。

人間がポリマーを使用する歴史は、19世紀半ばに自然ポリマーの化学的改良に入り始めて以来、長いものです。1839年に、チャールズ・ゴッディアーは天然ゴムの硫化研究において重要な進歩を遂げ、天然ゴムを実際の工学材料に変革しました。1870年に、J.W. Hyattはカモメの成分を使ってニトロセルロースをプラスチック化し、ニトロセルロースプラスチックを産業用に使用しました。1907年に、L. Baekelandは最初の熱硬化性フェノール樹脂の合成を報告し、1920年代に産業化され、最初の合成プラスチック製品となりました。1920年に、H. Standingerはポリマーが長鎖分子であり、構造単位を共価結合で結合されていると提案しました。この結論は、現代のポリマー科学の確立に基礎を築きました。その後、Carothersは合成ポリマーを二つの広範なカテゴリーに分けました。すなわち、ポリカondensation反応から得られるポリカondensateと、ポリaddition反応から得られるadditionポリマーです。1950年代に、K. ZieglerとG. Nattaは協調ポリマーシスカタリストを発見し、立体規則的なポリマーの合成の時代を開きました。マクロ分子の概念が確立された後の数十年間で、高分子の合成は急速に発展し、多くの重要なポリマーが次々と産業化されました。

分類
ポリマーを熱可塑性、エラストマー、熱硬化性に分ける基本的な分類は、その応用範囲を定義するのに役立ちます。

= 熱可塑性 =
熱可塑性は、熱で溶かされ、冷やすと硬くなる性質を持つプラスチックです。私たちが日常生活で使用するほとんどのプラスチックはこのカテゴリーに属します。加熱すると柔らかくなり、流動し、冷却すると硬くなります。このプロセスは逆転可能であり、繰り返し可能です。熱可塑性は比較的低い引張モジュール数を持ち、密度が低く、透明性などの性質も持ち合わせており、消費者製品や医療製品に理想的です。これには、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など、広く使用されている材料が含まれます。

= エラストマー =
エラストマーは、外部力を除去後も元の状態に戻せる材料を一般的に指します。一方、弾性を持つ材料は必ずしもエラストマーではありません。エラストマーは弱い応力下でのみ変形し、応力は急速に元の状態と大きさに回復します。エラストマーは非常に低いモジュール数を持ち、引張応力がかかったときに可逆的に伸びる性質を示し、振動吸収や減衰に非常に有価な性質です。これらは熱可塑性（その場合、熱可塑性エラストマーと呼ばれます）または交連型（例えば、タイヤなどの一般的なラバー製品）のどちらでもあります。一般的に使用される典型的なラバーには、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 =
熱硬化性樹脂は、主成分として使用され、製品が形成される際には、さまざまな必要な添加剤と組み合わせた交連固化プロセスで形成されます。製造や成形プロセスの初期段階では液体で、固化後は不溶不融で、溶かすことも溶かすこともできません。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、アクリル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二つの主要な成分を構成します。熱硬化性プラスチックは、ホルムアルデヒド交連型と他の交連型の二つのタイプに分けられます。

熱硬化性には、フェノール樹脂、ポリエステル、エポキシ樹脂が含まれ、これらはガ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に広く使用されます。これらの材料の交連が熱硬化性ポリマーマトリックスを安定化することで、これらの材料の物理的性質は伝統的な工学材料（例えば、鋼）に非常に似ています。しかし、金属と比較して非常に低い密度を持っているため、軽量構造に理想的です。さらに、疲労に少なく影響を受けるため、サービス中に定期的に応力を受けるときに安全上重要な部品に理想的です。

材料
= プラスチック =
プラスチックは、ポリ加成ポリマーシスやポリカondensationでポリマー化されたポリマーコンピュンドです。構成や形状を自由に変更できます。合成樹脂と充填材、プラスチシザー、安定剤、潤滑剤、着色剤、その他の添加剤で構成されています。プラスチックの主要成分は樹脂です。樹脂とは、ポリマーコンピュンドにさまざまな添加剤が加えられていないことを意味します。樹脂という用語は、植物や動物から油が分泌される（例えば、ロシンや樹脂）ことを指して最初に名付けられました。樹脂はプラスチックの総重量の約40％から100％を占めます。プラスチックの基本的な性質は主に樹脂の性質によって決定されますが、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、ポリカーボネート、ポリスチレンなど、添加剤（例えば、ポリカーボネート、ポリスチレンなど）が含まれていないものもあります。

= 繊維 =
繊維は、一連または不連続の一本の繊維です。動物や植物繊維は、組織を維持するために重要な役割を果たします。繊維は広く使用されており、良質な糸、端糸、麻ロープに織られます。紙や布の製造時に織られる繊維層や、他の材料と組み合わせて複合材料を作るためにも使用されます。したがって、天然または合成繊維の繊維状材料に関わらず、現代の生活では繊維の使用は至る所に存在します。多くのハイテク製品があります。

= ラバー =
ラバーは非常に弾性のあるポリマー材料であり、可逆的な形状を持ちます。室温では弾性があり、小さな外部力で変形します。外部力を除去すると、元の状態に戻ります。ラバーは完全に非晶質のポリマーであり、ガラス転移温度が低く、分子量が非常に大きい（数万以上）です。非常に弾性のあるポリマーコンピュンドは、天然ゴムと合成ゴムに分類できます。天然ゴムの加工では、植物からゴム樹脂や草樹脂を抽出します；合成ゴムはさまざまなモノマーでポリマーシスします。ラバーは弾性、絶縁、防水、防塵材料として使用できます。

機械
= ポリエチレン =
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）、線形低密度ポリエチレン（LLDPE）に分類できます。その中で、HDPEは熱的、電気的、機械的な性質が優れており、LDPEとLLDPEは柔軟性、衝撃特性、フィルム形成特性が優れています。LDPEとLLDPEは主にプラスチック袋、包装用フィルム、ボトル、パイプ、容器に使用され、HDPEは多様な分野で広く使用されており、溶剤に対する耐性が優れています。

= ポリプロピレン =
ポリプロピレンは、優れた化学的耐性と溶接性により、さまざまな応用に広く使用されています。商品プラスチックの中で最も低い密度を持ちます。包装、消費者製品、自動化、医療応用などに広く使用されます。ポリプロピレンシートは、高引張強度、高温耐性、腐食耐性などの特性により、酸や化学物質のタンク、シート、パイプ、リターン可能な輸送包装（RTP）など、産業分野で広く使用されます。

= 复合材料 =
複合材料の典型的な用途は、航空宇宙や自動車のための単体構造、釣り竿や自転車などのより平凡な製品です。ステルス爆撃機は最初の全複合材料航空機であり、エアバスやボーイング787などの多くの旅客機も、船体に複合材料を増加させる傾向があります。複合材料の非常に異なる物理的性質は、設計者に対して部品の形状を形作る際に非常に大きな自由度を提供し、そのため複合製品は従来の製品と異なる外観を持つことが多いです。一方で、駆動軸、ヘリコプターのローター刃、プロペラなどの製品は、そのようなコンポーネントの基本的な機能的要因により、金属の前駆体と同様に見えます。

= 生物医学的応用 =
バイオデグレードブルポリマーは、多くの生物医学および薬学応用のための広く使用される材料であり、これらのポリマーは制御された薬物投与デバイスのための非常に有望な材料と考えられています。バイオデグレードブルポリマーは、創傷管理、整形外科器具、歯科応用、組織工学にも大きな可能性を提供します。非バイオデグレードブルポリマーとは異なり、これらは体から除かれる第二段階が必要ではありません。バイオデグレードブルポリマーは、その役割を果たした後、分解し、体に吸収されます。1960年代以降、グリコール酸やラクチン酸から作られたポリマーは、医療産業で多様な用途を見出しました。ポリラクタート（PLA）は、速やかかつ調節可能な劣化率のため、薬物投与システムに人気があります。

= ミームブレンテクノロジー =
ミームブレンテクノロジーは、数十年にわたって液体とガスシステムの分離に成功してきました。ポリマーミームブレンは、製造コストが低く、表面を容易に変更できるため、さまざまな分離プロセスに適しています。ポリマーは、生物活性化合物の分離、燃料電池用プロトン交換ミームブレン、二酸化炭素捕集プロセス用ミームブレンなど、多くの分野で使用されています。

関連する主要分野
石油 / 化学 / 矿物 / 地質
原材料と加工
新エネルギー
自動車と部品
他の産業
電気技術 / 半導体 / 集積回路
機械 / 装備 / 重工業
医療機器 / 機器

参考文献
Lewis, Peter Rhys, and Gagg, C, Forensic Polymer Engineering: Why polymer products fail in service, Woodhead/CRC Press (2010).
Asua, José María. Polymer Reaction Engineering, Blackwell Publishing (2007).