耐熱性は、高分子の大きな特徴の一つです。
プラスチックにも、電子レンジに入れていいものとそうでないものがあります。
高分子の耐熱性は、しっかり理解しておきましょう。
物理的耐熱性
耐熱性と高分子
耐熱性とは、加熱による物性の変化が起こらないことです。
ガラス転位温度がその指標となります。
プラスチックなどの高分子は、もともと耐熱性が低いものであり、用途が限られていました。
そこから用途拡大のため、耐熱性の向上が図られてきました。
耐熱性が高まることによって、高分子が発展したと言っても過言ではありません。
物理的な変性
高分子の熱による変性には、2種類あります。
物理的な変性と化学的な変性です。
物理的な変性とは、分子構造の変化を伴わない変性のことです。
すなわち、高分子の集合状態の変化に伴う変性のことを言います。
分子運動と耐熱性
耐熱性で重要となってくるのは、ミクロブラウン運動とマクロブラウン運動です。
ミクロブラウン運動とマクロブラウン運動については、こちらの記事で説明しています。
ミクロブラウン運動のときは、固体状態を保っているので、材料として使用することができます。
それに対し、マクロブラウン運動のときは、材料として使用できないどころか、形状さえ保てなくなります。
分子構造とガラス転位点
分子構造とガラス転位点には、以下のような関係があります。
- 高分子主鎖にベンゼンなどの芳香環がついていると、分子が剛直になり、屈曲性が低くなる。すなわち、マクロブラウン運動を起こしづらくなるので、ガラス転位点は高くなる。
- 主鎖がジグザグ構造になっており、屈曲性が高い。すなわち、マクロブラウン運動を起こしやすいので、ガラス転位点は低くなる。
- 側鎖置換基が大きいと、ガラス転位点は高い。側鎖置換基が小さい、あるいは無いと、ガラス転位点は低い。
化学的耐熱性
物理的な変性が可逆変化なのに対し、化学的な変性は不可逆変化です。
したがって、化学的な変性は、絶対に防がなければいけません。
化学的な変性を防ぐためには、高分子鎖をつくる化学結合の結合エネルギーを高める必要があります。
そのためには、以下の方法が有効です。
- 主鎖にケイ素などの無機元素を導入する
- 分子骨格を剛直にする
有機化合物においては、特に後者の方法が採られます。
その場合、具体的には以下のような方法を用います。
- 主鎖に芳香環を導入する
- 梯子構造を導入する
- 高分子の結晶性を高める
難燃性
高分子の用途の一つに、合成繊維があります。
合成繊維は、衣服やカーテンなど、非常に多く使われています。
これらは、燃えてしまうと、命にかかわります。
そこで、高分子には難燃性が求められます。
高分子の燃焼
高分子は、加熱されることで分解し、一部が揮発します。
その揮発した成分に引火すると、本格的な火災に発展するのです。
ですから、高分子を難燃性にするためには、化学結合を強める必要があります。
高分子の種類と燃焼性
燃焼に必要なのは、酸素です。
したがって、高分子中の酸素濃度が高いほど、燃焼性が高いということになります。
逆に、酸素濃度が低ければ、難燃性を示します。
特に、ハロゲンなどの反応しづらい元素が含まれていると、燃えづらいです。
以下に、高分子の種類とその燃焼性を示します。
- 難燃性
- テフロン
- ポリ塩化ビニル
- フェノール樹脂
- 自己消火性
- ナイロン66
- ポリカーボネート
- ポリビニルアルコール
- 延焼性
- セルロース
- ポリエチレン
- ポリオキシメチレン
最後に
高分子において、耐熱性はとても重要な性質です。
色々な種類のプラスチックの耐熱性を調べてみてください。
