再生繊維と半合成繊維の違いは?製法も合わせて解説【高校化学】

再生繊維と半合成繊維の違いは?製法も合わせて解説【高校化学】

再生繊維と半合成繊維、
違いを明確に説明できますか?

高校化学では最終盤に習う内容で、
答えられない人が多いのではないでしょうか。

実はこれらの違いは、
「セルロースをそのまま利用する」か、
「セルロースを化学反応させて利用する」か、
だけです。

ここでは、これらの違いに加え、
再生繊維と半合成繊維の製法も解説します。

この記事を最後まで読むことで、
再生繊維と半合成繊維を100%復習でき、
テストでも必ず得点できるようになります。

ぜひ読み飛ばさずに読んでみてください。

再生繊維と半合成繊維の違いは?

再生繊維と半合成繊維の違いを理解するためには、
「セルロース」の構造を復習する必要があります。

β-グルコースが重合したセルロースは、
分子内水素結合によってシート状になっているのでしたね。

よってセルロースは非常に頑丈で、
植物の細胞壁などに使われています。

そんなセルロースを繊維として用いるためには、
一度強烈な力でシート状構造を壊し、
それを繊維状に加工し直す必要があります。

天然のセルロースを一旦酸などに溶かし、
それを繊維状のセルロースに再生させたものが「再生繊維」です。

つまり再生繊維は立体構造が違うだけで、
セルロース自体の化学式は変わりません。

一方で、
天然のセルロースの一部を化学反応させてしまい、
繊維状に加工したものを「半合成繊維」と言います。

元は天然のセルロースだけど、
ちょっとだけ人工的に操作しているから、
「半分合成した繊維」ということで半合成繊維と呼ぶのです。

以上から、
・再生繊維=繊維状のセルロース
・半合成繊維=セルロースではない
(セルロースを化学反応させたもの)
という違いがあります。

違いがわかったところで、
それぞれの製法を確認していきましょう。

再生繊維、レーヨンの製法

セルロースを再生してできる繊維が、
レーヨン」です。

名前は違えど、
レーヨン=繊維状セルロース
と思ってもらって構いません。

レーヨンは、一度酸などにセルロースを溶かし、
それを再生させることで作ります。

この時の溶かし方によって、
①銅アンモニアレーヨン
②ビスコースレーヨン

などの種類があります。

どちらも同じレーヨンですが、
製法が違うだけで名前が変わるのですね。

それではそれぞれの方法を確認してみましょう。

立体構造のセルロースを溶かし、光線(ray)の構造に加工して絹(cotton)のような性質を得ることから、「レーヨン(rayon)」と呼ばれます。

①銅アンモニアレーヨン

レーヨンは、
・セルロースの-OHと中和反応を起こす
・弱酸遊離反応でセルロースに戻す

という流れで作ります。

溶かして戻しているだけなんですね。

ただし-OHは単なるヒドロキシ基で、
その電離度は水よりも小さいから、
特別な薬品を使う必要があります。

そこで特別な薬品として、
Cu2SO4とNH3aqを混ぜた「シュバイツァー試薬」を使うのが、
銅アンモニアレーヨン」です。

全く覚える必要はありませんが、
一応このときの反応式も書いておきます。

シュバイツァー試薬の主成分は[Cu(NH3)4](OH)2で、
錯イオンが-Oにくっつく形で反応します。

\begin{align*}
\mathrm{ 2(C_{6}H_{10}O_{5})_{n} + n[Cu(NH_{3})_{4}](OH)_{2} }\\
→\mathrm{ \{(C_{6}H_{9}O_{5})_{2}[Cu(NH_{3})_{4}]\}_{n} + 2nH_{2}O }
\end{align*}

このようにして溶かしたものに、
希硫酸をいれて弱酸遊離反応を起こしながら、
糸状にすると銅アンモニアレーヨンが得られます。

\begin{align*}
\mathrm{ \{(C_{6}H_{9}O_{5})_{2}[Cu(NH_{3})_{4}]\}_{n} + 3nH_{2}SO_{4} } \\
→\mathrm{ 2(C_{6}H_{10}O_{5})_{n} + nCuSO_{4} + 2n(NH_{4})2SO_{4} }
\end{align*}

②ビスコースレーヨン

基本は銅アンモニアレーヨンと同じで、
セルロースの溶かし方が違うのが、
ビスコースレーヨン」です。

セルロースに濃NaOHaq+二硫化炭素CS2を加えると、
ビスコース」という物質になって溶けます。

具体的な構造式は省略しますが、
-OH基にCS2がくっついたような構造になっています。

ビスコースに希硫酸を加えながら、
糸状にするとビスコースレーヨンが得られます。

繰り返しになりますが、
①と②の違いは溶かし方であることに注意しましょう。

半合成繊維、アセテートの製法

セルロースの-OH基に化学反応を起こし、
立体構造を壊した上で繊維状に加工するのが半合成繊維でした。

半合成繊維のうち、
-OH基をアセチル化するものを「アセテート」といいます。

まずは材料のセルロースに、
無水酢酸を加えることでトリアセチルセルロースを作ります。

これをアセトンに溶かすのですが、
このままでは溶かすことができません。

そこで一部の-OCOCH3を加水分解して、
ジアセチルセルロースにすることで、
アセトンに溶かすことができます。

これを温かい空気中に噴出させて、
糸状に加工した後にアセトンを蒸発させると、
アセテート」が得られます。

再生繊維とは違い、
いくつかの-OH基が-OCOCH3に変化していることに注意しましょう。

ジアセチルセルロースからできたアセテートは、
適度に-OH基を含むことによって、
適度な吸湿性を持っています。

アセトンに溶けないトリアセチルセルロースは、「ジクロロメタン」になら溶かすことができます。このようにしてできたアセテートは「トリアセテート」と呼ばれます(先ほど紹介したのがジアセテート)。
トリアセテートは耐熱性に優れる一方、-OH基がなくなることで吸湿性が悪くなります。

まとめ

再生繊維と半合成繊維の違いはわかりましたか?

違いをもう一度まとめると、
・再生繊維=繊維状のセルロース
・半合成繊維=セルロースではない
(セルロースを化学反応させたもの)
でしたね。

また、再生繊維であるレーヨンは、
セルロースの溶かし方によって種類が変わるのでした。

この分野は勉強時間もなかなか取れず、
曖昧になっていることが多いですが、
一度まとめて見ておけばかなり身につきます。

まだ不安がある場合は、
この機会に復習しきってしまいましょう。

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