ポリマー材料の歴史をたどる 第13回：ナイロンとポリエステルが織りなす繊維イノベーションの変革

ナイロンを生み出したイノベーションの波は、合成ポリエステルの創出も促しました。1930年代、ウォレス・カロザーズのデュポンチームの重要メンバーであったジュリアン・ヒルが、ナイロンよりも早くポリエステル繊維を初めて合成しました。しかし、ナイロンの優れた特性が明らかになると、ポリエステルの研究は一時中断されました。ナイロンとポリエステルの密接な関係は、それらの化学構造を詳しく見ることで最もよく理解できます。

第一世代のナイロンと初期のポリエステルは、いずれも縮合重合体のファミリーに属します。カロザーズは1926年頃、まだ学界にいた頃からこれらの反応を探求し始めました。デュポンの研究所のリソースを得て、彼は理論を実践へと迅速に移しました。縮合重合体は、両末端に反応性官能基を持つ2つの分子が反応し、水などの小さな分子を放出しながら双方向に鎖を伸ばし、長鎖を形成することで生成されます。

エステルはアルコールとカルボン酸の反応によって生成されます。図1では、エチルアルコールと酢酸が反応して酢酸エチルを形成する様子が示されています。エステル官能基の特徴は、カルボニル基（C=O）と酸素の二重結合です。アミドも同様に形成されますが、アルコールの代わりにアミンが反応します。図2では、プロパン酸と尿素が反応してプロパンアミドを生成します。

典型的なエステルおよびアミド合成では、片方の反応性末端のみが参加するため、反応はそこで終了します。カロザーズは、分子の両末端が反応性基を持つ場合、プロセスが継続し、長鎖高分子、すなわちポリマーが生成されることを発見しました。図3はこの原理をナイロン66に適用した様子を示しています。

アミド結合は、カルボニル基（C=O）とN-H結合で構成され、双極子を形成することで強力な分子間水素結合を促進します。酸素は部分的な負電荷を、窒素に結合した水素は部分的な正電荷を帯びます。隣接するポリマー鎖が整列すると、これらの双極子が引き合い、ナイロンの高い引張強度と260℃（500°F）という融点をもたらします。この水素結合ネットワークこそが、ナイロンの優れた機械的性能の基盤となっています。

対照的に、エステル結合にはN-H成分がないため、同様の強固な水素結合を形成できません。その結果、脂肪族ポリエステルは融点が低く、ナイロン66と同程度の分子量では通常80℃（176°F）程度であり、加水分解を受けやすい性質があります。これらの特性は、デュポンが目指した高性能繊維の目標を満たさなかったため、同社は研究の焦点を完全にナイロンへと移しました。

3年後、イギリスの化学者ジョン・レックス・ウィンフィールドとジェームズ・テナント・ディクソンは、デュポンのデータを再検討し、芳香環を導入することでポリエステルの特性を向上させられることを突き止めました。ベンゼンやキシレンなどの芳香族構造は平面的で剛直であり、ポリマー鎖に組み込まれると熱的・機械的挙動を大幅に向上させます。

1939年、ウィンフィールドとディクソンは、芳香族カルボン酸であるテレフタル酸とエチレングリコールを反応させ、最初の商業的に実用的なポリエステルであるポリエチレンテレフタレート（PET）を生み出しました。彼らはW.K.バートウィッスルとC.G.リッチーとともにPETを特許化し、帝国化学工業（ICI）により1941年にテリレンのブランド名で繊維として上市しました。

このブレイクスルーは、現代的なポリエステル繊維の時代を切り開きました。その続きは次回の記事でお届けします。

著者について
マイケル・セペは、アリゾナ州セドナ在住の独立した材料・加工コンサルタントです。プラスチック業界で45年以上の経験を持ち、北米、欧州、アジアのクライアントに対して材料選定、製造のための設計、プロセス最適化、トラブルシューティング、故障解析について助言を行っています。連絡先：(928) 203‑0408 | mike@thematerialanalyst.com