輪ゴムってどういう化学構造をしているの？

質問

生活していてふと感じたのですが、輪ゴムってなぜ伸びたし縮んだりするのでしょう？ゴムはどういう化学構造をしているのですか？ゴムが伸びているときは、ゴムを形成している分子間の結合が伸びているためでしょうか？
　また、ゴムでなにかを束ねておいて、数ヶ月してそのゴムをとると、ゴムはとても切れやすくなりますよね。それはなぜなんでしょう（化学構造的はどう変化するのですか？）素朴な疑問なんですが、知っている方いたら教えて下さい。

回答No.3

psa29

輪ゴムがすご～く伸びるのは、いくつかの条件を満足しているからです。その条件とは
１．高分子であること：氷のように低分子からなる固体は、一般的に脆く、大変形できない。衣服、髪の毛、皮膚などに柔軟性があり、しかも強靱なのは、それらが全て高分子化合物だからです。
高分子化合物は、分子が絡み合っているので、大きな変形でも強さを発揮できるのです。

２．ガラス転移温度が低い：輪ゴムも液体窒素などに漬けて、凍らすとカチカチになって、あんなに伸びることは出来なくなります。ゴム状物質を冷却し、ガラス状態に凍ってしまう温度がガラス転移点です。
天然ゴムのガラス転移点は室温よりも、ずっと低いので、室温では柔らかく伸びることが出来ます。

３．結晶性が低い；身の回りのプラスチックで、ポリエチレンやポリプロピレンというものをご存じですか？
これらのガラス転移温度も室温より低いのですが、結晶性高分子なので、結晶が動きをじゃまして、ゴムのようにはなりません。ガラス転移温度は、非結晶部分が凍る温度なのです。
ちなみに、ポリプロピレンとポリエチレンを共重合する（混ぜてから重合する。一つの分子に両方の成分が入る。）と規則性が失われ、結晶化が低下します。
それが、エチレン-プロピレンゴムで天然ゴムのように主鎖に２重結合を含まなくても、立派なゴムとなります。

４．適度に架橋（加硫）されていること；架橋というのは分かりますか？分子の一部分を化学反応にてつなげて、高分子の編み目を作っているのです。
絡み合いの部分の一部を化学反応ではずれないようにしたというイメージでもそんなに間違いではないと思います。
分子の絡み合いだけでは、あれだけ大変形させたときには、ほぐれてしまう場合があるので、それを防止しています。

ゴムが大変形するときに分子間の結合距離が伸びているのではなく、糸まり状の形状をしていた分子が、外力によって直線に近い形に変化していると考えるべきです。
なぜ、外力によって分子の形が変わるのか？
それは、室温では分子の周りがルーズで沢山の空間がありためです。冷却すると体積は収縮し、満員電車内のように分子が移動する空隙（自由体積）がなくなり、動けなくなるのです。その動けなくなる温度が先ほどのガラス転移点であり、一般にどの高分子もガラス転移温度では自由体積分率が2.5％になるといわれています。
天然ゴムのガラス転移温度が低いのは、分子が柔軟で周りに沢山の自由体積を持っているからです。
なぜ柔軟なのか？それは皆さんが説明されている分子内に2重結合を持っていると言うことも1つの要因でしょう。しかし、2重結合を持たないゴムもたくさんあります。

長時間放置すると強度が低下する原因の１つとして、これも皆さんが説明されている劣化が考えられます。
天然ゴムは分子内に２重結合を持っているので、酸素による劣化もあると思いますが、空気中にごく微量に存在するオゾンによる劣化の影響も大きいと思います。
オゾンが２重結合に攻撃し、オゾニドを経由して分子切断が起こります。
酸素は２重結合の切断というよりも、アリル位の水素引き抜き反応が優先されるのでないかと思います。

蛇足ですが、mojittoさんがお示しのＨＰ中に天然ゴムのシス比率が高く、合成ゴムのそれは、比較すると低いから物性的に天然ゴムがよいという記述を私は信じていません。
天然ゴムの方がある意味良い物性を示すのは確かだと思います。
しかし、その理由として一般的に言われているのは、天然ゴムに含まれているタンパク質の影響であったり、分子中に存在するステアリン酸部分の影響だと理解しています。
（タンパク質もステアリン酸の部分も分子構造的には不純物扱いでしょうから、一般の本で天然ゴムの分子構造を調べても、ポリイソプレンのことしか書かれていないのではと思います。）
天然ゴムの結晶化度は、通常ほぼ0％ですが、伸ばしたときには、一部結晶化します。（戻すと又崩れる）
なぜそうなるのか？
ステアリン酸の部分から結晶化が始まるので伸ばしたときの強度が合成ゴムよりも高いのだと思っています。
（蛇足でした。ごめんなさい。）

回答No.2

mojitto

天然ゴムはシス結合を含んでいます。これによって分子鎖は曲がり、まるでバネのような分子鎖を形成します。
これによって引っ張っても切れずによく伸びるわけなんですね。
しかし劣化してしまうと、シス結合を形成している二重結合が酸化してしまったり、耐久性を高めるために加えた硫黄が酸化して、切れやすくなってしまいます。

ちなみに下のサイトでもうちょいわかりやすく説明しているので参考にしてみてください

参考URL：

http://www1.accsnet.ne.jp/~kentaro/yuuki/polymer/polymer.html

回答No.1

AUGQX-MAN

分かりやすく説明しますと
ゴムは一本が長い分子鎖同士が絡まって出来たものです。引っ張ると曲がりくねって絡まった分子鎖が真っ直ぐになるので、伸びます。
ゴムは古くなると、空気中の酸素などで分子鎖のつなぎ目が切れますので、伸縮性が無くなってきれてしまうのです。