・生活と高分子化合物


(1)繊維とは何か?

「繊維(fiber)」とは、動物の毛・皮革・植物などから得られる、自然に伸びた、または人工的に伸ばされた、細くしなやかで、凝集性のある紐状の素材のことです。主に衣料として用いられる繊維には、「天然繊維(natural fiber)」と「化学繊維(chemical fiber)」があります。

「天然繊維」には、「植物繊維(vegetable fiber)」・「動物繊維(animal fiber)」などがあります。また、「化学繊維」には、「再生繊維(regenerated fiber)」・「半合成繊維(semisynthetic fiber)」・「合成繊維(synthetic fiber)」などがあります。再生繊維は、天然高分子化合物を一度溶媒に溶解して、紡糸により繊維を再生したものです。また、半合成繊維は、天然繊維に置換基を結合させて、繊維状にしたものです。合成繊維は、合成高分子化合物を繊維状にしたものです。次の表.1に、「繊維」の分類とその例を示します。

 

.1  「繊維」の分類とその例

分類

繊維を構成する高分子化合物

天然繊維

植物繊維

木綿、麻

セルロース

動物繊維

羊毛、絹

タンパク質

化学繊維

再生繊維

レーヨン

セルロース

半合成繊維

アセテート

ジアセチルセルロース

合成繊維

ナイロン

ポリアミド

合成繊維

ポリエステル

ポリエチレンテレフタレートなど

合成繊維

アクリル

ポリアクリロニトリル

合成繊維

ビニロン

ポリビニルアルコールを一部アセタール化したもの

 

(2)植物繊維

「植物繊維」は、植物から取れる繊維であり、その主成分は、植物細胞壁の主成分である「セルロース」です。セルロースは、分子中にヒドロキシ基(-OH)を多数持つため、植物繊維は一般的に吸湿性に優れます。そのため、高温多湿の地域では、植物繊維は衣類の材料として好んで使われることが多いです。しかし、逆に動物繊維のような撥水効果はないため、寒冷な地域での風雨に晒されるような防寒着には不適です。また、植物繊維は酸には強いものの、塩基には弱く、点火すると速やかに燃えて、灰が残ります。さらに、シロアリをはじめとする昆虫の食害に遭う場合もあります。

 

(i)木綿

「木綿」は、ワタの種子の表皮細胞が成長して、繊維状になったものです。英語の「コットン」という呼び方も定着しています。その主成分は、ほぼ純粋な「セルロース」です。繊維としては、伸びにくく丈夫であり、吸湿性や保温性があって、肌触りも良いです。この性質のため、現代では、下着などの衣類によく使われますが、縮みやすく皺になりやすいという欠点もあります。

 

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.1  収穫期のワタ

 

(ii)

「麻」は、生育が速い一年草であり、「大麻」あるいは「大麻草」とも呼ばれます。日本においては、第二次世界大戦の終戦前までは、麻は米と並んで作付け量を指定されて、盛んに栽培されていた主要農作物です。4か月で4 mの背丈になるほど成長が早く、茎などから繊維が得られ、実は食用となる他、油も取れるなど、利用価値が非常に高い植物です。大豆に匹敵する高い栄養価を持つ「麻の実」を、食用として料理に使うことは違法ではありません。しかし、国内では許可なく育てることはできないため、食用の種子は、輸入に頼っているのが現状です。

このように、麻の栽培が規制されている理由は、麻の葉や花穂には、「テトラヒドロカンナビノール(THC)」と呼ばれる化学物質が含まれているからです。これを摂取すると、陶酔感や多幸感がもたらされ、食欲や睡眠欲が増進したりするなどの「向精神作用」が現れます (薬物乱用の科学を参照)。日本においても、昔から生産者の間では、収穫期の麻畑では「麻酔い」することが経験的に知られており、この陶酔作用は農家から嫌われていたようです。

 

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.2  麻は、人類が栽培してきた最も古い植物の1つとして、1万年を超える付き合いがある

 

麻は、繊維としては強靭で硬いため、衣類や履物の他に、バッグやロープなどにも使われます。麻で作られた衣類は、通気性に優れるので、日本を含め、暑い気候の地域で多く使用されています。木綿や絹などの布と比較して、麻の布には、独特のざらざらとした触感や起伏があるため、その風合いを生かした夏服が人気となっています。

 

(3)動物繊維

「動物繊維」は、動物全般から得られる繊維であり、昆虫であるカイコから得られる「絹」や、哺乳類のヒツジから得られる「羊毛」まで、その種類は様々です。動物繊維の多くは、「タンパク質」が主な材料になるため、燃やすとコゲ臭いです。また、昆虫の中には、乾燥した動物性タンパク質を主食とするものが多く、それらの昆虫による食害を受けやすいという欠点があります。

また、動物繊維は、その長所として、繊維が弾力に富み、空気を多く含んだ布地を作りやすいことがあげられます。これは、肌触りが良いだけでなく、断熱材として機能することから、暑さや寒さから身体を保護するために有効です。防寒着だけでなく、強い直射日光を遮断するためにも、動物繊維は有効です。また、哺乳類の毛は、適度に油分を含むために、撥水性に優れています。

 

(i)羊毛

「羊毛」は「ウール」とも呼ばれ、その主成分は、タンパク質の一種である「ケラチン」です。ケラチンは、硫黄Sを含むα -アミノ酸の「システイン」を含むため、燃やすと特有の刺激臭がします。繊維は、長さ数cmの短繊維で、断面はほぼ円形です。表皮は鱗状で、「クチクラ(キューティクル)」と呼ばれます。羊毛は、根本から先端まで緩やかな波状に折れ曲がっており、糸を紡ぐとき、繊維同士が絡み合いやすいです。また、熱湯や塩基性溶液に晒されたあと、光に当たると、少しずつ黄色に変色する性質があります。

 

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.3  刈り取られた羊毛

 

(ii)

「絹」は、カイコガの繭から取り出される動物繊維です。繭の糸は、長さ1,0001,500 mの長繊維で、「フィブロン」という繊維状タンパク質2本の外側を、「セリシン」というタンパク質が覆っています。セリシンは、糸同士を貼り合わせ、繭の形を保つ働きがあります。得られた繭は、工場で選別され、良質なものだけを湯でよく煮ます。これは、中の蛹がせっかくの繭を破って出てくるのを防ぐためと、糸同士を貼り合わせているセリシンを煮溶かして、繭をほぐれやすくするためです。セリシンを溶かして除くと、フィブロンだけからなる絹繊維が得られます。この絹繊維を何本もより合わせることで、「生糸」が生まれます。生糸をアルカリ性の薬品で処理して、セリシンをさらに除いて精錬すると、光沢や柔軟さに富む「練糸」ができ上がります。

絹繊維の内部には、無数の空間があります。ここに湿気が入り込むために、絹は吸湿性に優れます。また、含まれた空気が熱を遮断するために、保温性にも優れます。内部の空間に染料が入り込むので、美しく染め上げることもできます。また、特有の光沢や、絹鳴りなどの絹糸の特徴は、フィブロンの断面が不規則な三角形をしているために生じます。これが、光を屈折・反射させるために、美しい光沢を示します。「絹鳴り」は、絹の布や糸をすり合わせるときに「キュッキュッ」と音が鳴る現象ですが、凹凸のないナイロン繊維では起こりません。

 

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.4  絹糸は、特有の光沢を持つ

 

ちなみに、カイコは家畜化された昆虫で、野生には生息せず、「野生回帰能力」を完全に失った唯一の家畜化動物として知られます。餌が無くなっても逃げ出さず、人間による管理なしでは、生存することができません。幼虫を野生のクワの木に止まらせても、ほぼ一昼夜のうちに捕食されるか、地面に落ち、全滅してしまうといいます。幼虫は、腹脚の把握力が弱いため、木の幹に自力で付着し続けることができず、風が吹いたりすると、容易に落下してしまうのです。成虫には翅がありますが、飛翔に必要な筋肉が退化していることなどにより、羽ばたくことはできますが、空を飛ぶこともできません。繰り返される品種改良により、現代のカイコは、摂取したタンパク質の67割を絹糸へと変換する、超効率の「製糸マシーン」と化しているのです。

 

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.5  カイコは、家畜化された昆虫で、野生には生息しない

 

(4)化学繊維

「化学繊維」は、化学的プロセスにより製造される繊維の総称で、「人造繊維」とも呼ばれます。化学繊維が広く普及するようになったのは、アメリカのデュポン社のウォーレス・カロザースによって開発されたナイロンからです。これは、絹への憧れから絹糸の代用を目指して作られ、スットキングにおける需要を完全に塗り替えました。これを機に、高分子有機化合物における合成繊維は、様々なものが作られるようになったのです(合成高分子化合物を参照)

 

(i)レーヨン

植物のセルロースを化学的に取り出し、繊維にしたものを「レーヨン」といいます。レーヨンは、絹に似せて作られた再生繊維であり、昔は「人造絹糸」あるいは「人絹」とも呼ばれていました。レーヨンの原料には、主に木材パルプが用いられます。それまでは、有効活用が難しかったために破棄していた木材パルプを、化学的に処理して繊維にしようと試みた訳です。まず、セルロースを濃い水酸化ナトリウムNaOH水溶液に浸して、アルカリセルロースとし、これを二硫化炭素CS2と反応させます。その後、薄い水酸化ナトリウムNaOH水溶液に溶かすと、赤橙色コロイド溶液のビスコースが得られます。ビスコースを細孔から希硫酸H2SO4中に押し出し、セルロースを再生させると、「ビスコースレーヨン」が得られます。また、これを薄膜状に再生させると「セロハン」が得られ、テープや包装材料などに利用されます。

 

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.6  ビスコースレーヨン」の製法

 

 「銅アンモニレーヨン」と呼ばれるレーヨンもあります。これは、「キュプラ」あるいは「銅シルク」とも呼ばれ、一般的なビスコースレーヨンに比べて、耐久性や耐摩耗性などに優れます。銅アンモニアレーヨンの生産には、銅アンモニア溶液(シュバイツァー溶液)を用います。この溶液は、水酸化銅(II) Cu(OH)2に濃アンモニア水を加え、水酸化ナトリウムNaOHを加えることで作られます。この溶液では、テトラアンミン銅(II)イオン[Cu(NH3)4]2+ が生じており、セルロースを溶解させることができます。このセルロースを溶解させた銅アンモニア溶液を、細孔から希硫酸H2SO4中に押し出すことでセルロースが再生し、銅アンモニアレーヨンが得られます。

 

(ii)アセテート

半合成繊維の主なものに、「アセテート(アセテート繊維)」があります。これは、木材パルプを原料にして、置換基としてアセチル基を結合させた繊維です。セルロースに無水酢酸(CH3CO)2Oと少量の濃硫酸H2SO4を作用させると、セルロースのヒドロキシ基がアセチル化されて、トリアセチルセルロースが生成します。

 

[C6H7O2(OH)3]n + 3n(CH3CO)2O  [C6H7O2(OCOCH3)3]n + 3nCH3COOH

 

トリアセチルセルロースは、溶媒に溶けにくいのですが、エステル結合の一部を穏やかに加水分解して、ジアセチルセルロース[C6H7O2(OH)(OCOCH3)2]nにすると、アセトンに溶けるようになります。このアセトン溶液を細孔から噴射して、熱風を用いて乾燥させることで、アセテートが得られます。アセテートは、より合わせて糸にすることで、適度な吸湿性と美しい光沢を持つようになります。また、軟らかい素材感が得られることから、衣類の素材としてもしばしば利用されます。

 

(5)衣料

「繊維」は、細長い鎖状高分子であり、一般的には液体にしてから、小さな細孔より押し出して、延ばしながら固めて作ります。これを「紡糸」といいますが、この過程で、分子が平行に並んだ密な部分と、分子が乱れている疎の部分が交互にできます。密な部分が多い繊維は、力学的に強く、融点が高く、薬品に強くなります。一方で、疎な部分が多い繊維は、伸びやすく、吸湿しやすく、染まりやすくなります。この繊維をより合わせて「糸」にし、その糸を織ったり編んだりして作るのが「布」です。

「布」は、繊維の種類や、布の構造を変えることにより、色々な性能が得られます。例えば、フィット性の良い布を作るには、よく伸び縮みする繊維を使い、編構造にすれば良いです。また、汗をよく吸う布を作るには、濡れやすい親水性の繊維を使い、布の隙間を増やせば良いです。ただし、親水性の繊維は、水を取り込みやすいので、どうしても乾きが遅くなってしまいます。そのため、濡れにくい疎水性の繊維を使い、糸や布の構造を工夫して大量の隙間を作ると、「よく汗を吸ってすぐ乾く」優れた布を作ることができます。次の表.2に、主な繊維の種類と特徴を示します。

 

.2  主な繊維の性質と特徴

繊維の分類

名称

特徴

主な用途

天然繊維

木綿

吸湿性に優れ、中空構造のため保温性がある

繊維がよじれているため、軟らかく弾力性がある

皺になりやすいが、肌触りが良い

下着、タオル、洋服

吸湿性と放湿性に優れ、肌にまとわり付きにくい

繊維が太く強靭で、洗濯に強い

皺になりやすいが、はりと光沢がある

夏物衣料

羊毛

表皮のクチクラが水をはじく

隙間から空気や水蒸気を通すので、保温性や吸湿性に優れる

皺になりにくく、伸縮性が良い

冬物衣料、セーター

熱を伝えにくく、保温性に優れる

特有の光沢がある

しなやかで肌触りが良い

和服、ネクタイ

再生繊維

レーヨン

絹に似た肌触りで、光沢がある

吸湿性と放湿性に優れる

濡れると強度が低下し、洗濯で縮みやすい

高級洋服の裏地、下着

半合成繊維

アセテート

吸湿性と耐熱性に優れ、光沢がある

伸びやすく、引っ掛けると破れやすい

アセトンに溶ける

衣類、タバコのフィルター

合成繊維

ナイロン

絹に似た肌触りで、光沢がある

引っ張り強度、耐摩耗性、耐久性に優れる

吸湿性に劣る

衣類、傘地、ストッキング、釣糸、ラケットガット、歯ブラシ

PET

皺になりにくく、型崩れしにくい

汚れると落ちにくい

吸湿性に劣る

Yシャツ、Tシャツ、水着

アクリル繊維

羊毛に似た肌触りで、保温性に優れる

皺になりにくく、軽い

吸湿性に劣る

毛布、セーター、靴下

ビニロン

木綿に似た風合いで、吸湿性に優れる

化学変化や熱に強く、耐摩耗性に優れる

染色しにくく、ごわごわする

ロープ、作業着、漁網、軍手

 

(6)高分子化合物の利用

高分子化合物は、構造材料として用いられるだけでなく、種々の官能基を付け加えることにより、特別な機能を持った「機能性高分子」としても利用されています。

 

(i)イオン交換樹脂

 溶液中にあるイオンを、別の種類のイオンと取り換える働きを持つ樹脂を、「イオン交換樹脂(ion-exchange resin)」といいます。最も一般的なイオン交換樹脂の構造は、スチレンやp-ジビニルベンゼンの共重合からなる母体を持つものであり、そのベンゼン環の水素原子を、酸性や塩基性の基で置換した構造をしています。

イオン交換樹脂の分子中に、スルホ基(-SO3H)などの酸性基を多く含むものは、これらの基の電離により、水素イオンH+ を生じます。この樹脂に電解質水溶液を通すと、酸性基の水素イオンH+ と、電解質の陽イオンが交換されます。このような樹脂を、「陽イオン交換樹脂(cation-exchenge resin)」といいます。

 

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.7  陽イオン交換樹脂」の仕組み

 

また、イオン交換樹脂の分子中に、アルキルアンモニウム基(-NR3+)の水酸化物などの塩基性基を多く含むものは、これに電解質水溶液を通すと、塩基性基の水酸化物イオンOH- と、電解質の陰イオンが交換されます。このような樹脂を、「陰イオン交換樹脂(anion-exchange resin)といいます。

 

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.8  陰イオン交換樹脂」の仕組み

 

イオン交換樹脂は、カラムに詰めて、その中に処理液を流す形で使用されます。塩の水溶液を、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂の両方に通すと、塩の陽イオンや陰イオンは、それぞれイオン交換樹脂により捕えられ、水素イオンH+ と水酸化物イオンOH- に交換されます。生じた水素イオンH+ と水酸化物イオンOH- は、両方の樹脂を通ると水H2Oになるので、純水を得ることができます。イオン交換樹脂で、陽イオンや陰イオンを除いた水を、「イオン交換水(ion-exchanged water)」といいます。イオン交換水は、化学実験や研究所、工場などで使われています。陽イオン交換樹脂や陰イオン交換樹脂は、使用後、それぞれに希塩酸HClや薄い水酸化ナトリウムNaOH水溶液で処理することで、元のイオン交換樹脂に再生されます。

 

(ii)導電性高分子

「導電性」は、自由電子を持つ金属固有の性質であり、自由電子を持たない有機材料である高分子は、導電性をほとんど示さないとかつては考えられていました。しかし、1970年代に当時東京工業大学の助手をしていた白川英樹らが、良質な「ポリアセチレンフィルム」を合成し、これが大きなブレイクスルーとなりました。そこから、「導電性高分子(conductive polymer)」に関する研究が、飛躍的に発展していったのです。

実は、ポリアセチレン自体は、白川が発見したものではなく、すでに1955年には合成が報告されていました。しかし、当時のポリアセチレンは、不溶・不融の粉末状の物質であり、化学者たちの興味を引くには至っていませんでした。ポリアセチレンフィルムの合成は、まさにセレンディピティでした。1967年の秋、韓国原子力研究所から来ていた留学生から、「ポリアセチレンの合成をしてみたい」という申し出がありました。ポリアセチレンは、触媒を溶かした液にアセチレンC2H2を吹き込み、溶液の中で重合させて合成します。白川は、報告されていた方法を紙に書いて渡し、実験を行わせてみました。ところが、でき上がったものは、予期された粉末状の物質ではなく、ラップのようにしなやかで薄膜状の物質でした。原因は、留学生が文献の「m」の文字に気付かず、触媒の濃度を1,000倍にしてしまったことでした。このため、普通は溶液の中でゆっくり進む反応が、溶液の表面で一気に起こり、薄い膜ができ上がったのです。

 

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.9  筑波大学名誉教授である白川英樹は、「ポリアセチレンフィルム」を偶然に発見した

 

粉末状と異なり、フィルム状の高分子なら、様々な物性が測定しやすくなります。しかも、このポリアセチレンフィルムは、金属のような光沢を持っていたので、もしかしたら、金属に近い性質があるのかもしれません。そして、白川らは、ペンシルべニア大学との共同研究の中で、ポリアセチレンフィルムにヨウ素I2などのハロゲンを数%添加することによって、電気伝導度が飛躍的に向上することを見出しました。このように、物性を変化させるために少量の不純物を添加することを、「ドーピング(doping)」といいます。発見時には、「流れる電流は微量だ」と予測して、微量な電流が計測できる非常に高価な電流計を購入して使っていたのですが、予想以上の電流が流れてしまったために、爆発音とともに白煙を上げて、大切な電流計が壊れてしまったといいます。白川の共同研究者の第一声は、実験をしていた助手に対して、「何て事をしてくれたんだ!!」という、電流計が壊れたことに対する罵声だったといいます。

現在では、ドーピングの技術の向上により、金属に匹敵する導電性を有するプラスチックが開発され、ATMなどの透明タッチパネルや、電解コンデンサや電子機器のバックアップ用電池、携帯電話やノート型パソコンに使用されているリチウムイオン電池の電極などに応用されています。導電性高分子は、共役した二重結合を多数持っており、これが導電性を示すと考えられています。π電子が次々と隣の炭素原子に移動することで、電気伝導性を示すようになるのです。白川は、「導電性高分子の発見と発展」の業績により、2000年のノーベル化学賞を受賞しました。

 

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.10  導電性高分子」であるポリアセチレン

 

(iii)生分解性高分子

植物の葉や動物の死体が、自然界でやがて消滅してしまうのは、「微生物」の働きによるものです。この現象を、私たちは「腐る」と称しています。しかし、実際には、微生物がこれらのものを栄養として摂取して、分解している生命の営みです。生体内や自然環境中で微生物により分解され、最終的に水H2Oと二酸化炭素CO2に完全に分解される高分子化合物を、「生分解性高分子(biodegradable)」といいます。

生分解性の合成高分子化合物には、「ポリ乳酸」や「ポリグリコール酸」などがあります。生分解性高分子には、デンプンを原料とするものが多いです。ポリ乳酸で作られた手術糸は、体内で一定期間が経過すると、分解・吸収され、抜糸の必要がありません。生分解性高分子は、包装やBB弾といった、使い捨てにされることを前提にして作られたものに適しています。

 

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.11  生分解性高分子」からできたBB

 

(iv)イオン交換膜

「イオン交換膜(ion-exchange membrane)」は、イオン交換樹脂を膜状にしたもので、異符号のイオンの通過を阻止し、同符号のイオンのみを通過させる性質を持ちます。イオン交換膜には、陽イオンだけを通過させる「陽イオン交換膜」と、陰イオンだけを通過させる「陰イオン交換膜」があります。異符号のイオンが通過できない理由は、膜に固定されているイオン基との、クーロン力による反発があるためです。イオン交換膜は、イオン交換樹脂と違ってイオンの交換が目的ではないため、イオン交換樹脂のように再生処理を必要とせず、長時間連続使用できる性質を持ちます。

用途が似ている「半透膜」との違いは、イオン交換膜はイオンを通過させますが、水分子はほとんど通過させない点にあります。一方で、半透膜は、一定の大きさ以下の分子またはイオンのみを通過させる膜なので、ほとんどの半透膜は、水分子が通過できるように作られています。

 

(v)吸水性高分子

短時間で、自重の数百倍から数千倍までの水H2Oを吸水・保持して膨らむ高分子化合物を、「吸水性高分子(water-absorbing polymer)」といいます。その構造は、「ポリアクリル酸ナトリウム」のような水溶性の高分子化合物を、適当な箇所で互いに結合させ、三次元網目構造としたものです。ポリアクリル酸ナトリウムを顆粒状にしたものが、紙おむつや生理用品などに多く使用されています。また、ポリアクリル酸ナトリウムのジェルは熱を遮断するので、火だるまのスタントなどにも使われています。

 

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.12  吸水性高分子」であるポリアクリル酸ナトリウム

 

 一方で、納豆のネバネバの主成分は、最低でも5,000個以上のグルタミン酸がペプチド結合した「ポリグルタミン酸」です。この納豆のポリグルタミン酸に放射線(コバルト60, γ)を照射すると、「納豆樹脂」と称されるものができます。納豆樹脂は、1 gでなんと自重の約5,000倍に相当する5 Lもの水H2Oを蓄えることができるといいます。このような納豆樹脂の性質は、例えば、乾燥地帯の給水にも適するのではないかと考えられています。


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・参考文献

1) 齊藤烈/藤嶋昭/山本隆一/19名「化学基礎」啓林館(2012年発行)

2) 芝原寛泰/後藤景子 共著「身の回りから見た化学の基礎」化学同人(2010年発行)

3) 船山信次「こわくない有機化合物超入門」技術評論社(2014年発行)