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ポリマーと弾性

ポリマー分子は、数千個の化学的な繰り返し単位（モノマー）が共有結合で結合したものである。 結合したユニットの集合体はしばしば「鎖」と呼ばれ、化学結合が行われている原子は鎖の「バックボーン」を構成していると言われています。 ほとんどの場合、ポリマーは炭素骨格で構成されている。つまり、炭素（C）原子が単結合（C-C）または二重結合（C=C）で結合した鎖である。 理論的には、炭素鎖は非常に柔軟である。炭素-炭素単結合の周りで回転することで、分子はさまざまな形をとることができるからだ。 しかし、実際には、多くのポリマーはかなり硬く、柔軟性に欠ける。 例えば、ポリスチレン（PS）やポリメチルメタクリレート（PMMA）の分子は、比較的大きな単位で構成されているため、室温では激しいクラウディングによって自由な動きが妨げられてしまう。 実際、PSやPMMAの分子は室温では全く動かず、分子のランダムな配列である「アモルファス」が凍結したガラス状態にあると言われる。 この温度は、ポリジメチルシロキサン（シリコーンゴム）のように非常に柔軟な分子の場合は-125℃程度、硬くて大きな分子の場合は非常に高い温度になります。

他のポリマーの中には、分子同士が非常によく結合して、結晶のように規則正しく並んでいるものがある。

他のポリマーの中には、分子がうまく組み合わさって、秩序立った結晶配列になりやすいものがあります。例えば、高密度ポリエチレンは、ポリマーを構成するエチレン単位の長い配列が約130℃以下の温度で自発的に結晶化するため、常温ではポリエチレンは部分的に結晶性のプラスチック固体となります。

このように、すべてのポリマーが伸展性や高い弾性を持つために必要な内部の柔軟性を持っているわけではありません。 このような特性を持つためには、ポリマーはそのモノマーサブユニットのランダムな動きに対する内部の障害が少なく（言い換えれば、ガラス状であってはならない）、自発的に結晶化してはいけません（少なくとも常温では）。 また、伸びた状態から解放されたときに、炭素-炭素結合の周りを回転することで繰り返し単位がランダムに運動し、自然に無秩序な状態に戻ることができなければならない。 これが可能なポリマーをエラストマーと呼ぶ。

一般的なエラストマーとしては、シス-ポリイソプレン（天然ゴム、NR）、シス-ポリブタジエン（ブタジエンゴム、BR）、スチレン-ブタジエンゴム（SBR）、エチレン-プロピレンモノマー（EPM）の4種類があります。 SBRは、スチレンとブタジエンという2種類のモノマーユニットが分子鎖上にランダムに配置された混合ポリマー（共重合体）である。 EPMも2種類のモノマー（エチレンとプロピレン）がランダムに配列されている。 SBRやEPMでは、モノマーユニットが分子鎖に沿って不規則に配置されているため、緊密なパッキングや結晶性が阻害されている。 一方、通常のポリマーであるNRとBRは、結晶融解温度がそれぞれ約25℃と約5℃と低いため、結晶化が阻害される。 また、これらのポリマーのガラス転移温度は室温よりもかなり低いため、いずれも柔らかく、高い柔軟性と弾性を持っている。 主な市販のエラストマーを表に示しますが、その中には重要な特性や用途も示されています。