ゴム状態

ゴム状態（ゴムじょうたい、英: rubber）とは固体がゴム弾性（エントロピー弾性）を持っている状態である。物理学的には、弾性限界が高く、弾性率が低い状態と言える。

粘弾性を持ち、一定の範囲において外力を与えると変形するが、高い内部応力によって形状を復元される状態を指す。

この状態では広い応力範囲でフックの法則に従う。ミクロ的には、多数の架橋点の間が柔軟なひも状の分子で結合された網目構造の場合に、ある温度範囲でゴム状態となる。ゴム状態となる物質には、天然ゴムや合成ゴムなどの網目状高分子、プラスチックなどの鎖状の合成高分子、硫黄などがある。

ゴム弾性体は次のような特徴を持つ^[1][2]。

• 常温での弾性率（ヤング率）は約1～10 MPaで金属やガラスの1万分の1～10万分の1程度である。
• わずかな応力で元の長さの数倍も伸びて破断することがなく、しかも外力を除くとほとんど瞬間的にもとに戻る。
• 一定長さでの応力は、すなわち弾性率は絶対温度に比例する（メイヤー－フェリーの実験）。
• 一定張力下では温度の上昇により長さが縮み，また断熱的に伸ばすと発熱する（Gough–Joule effect）。

ゴム状態となる網目構造は長い鎖状高分子が架橋したものだが、架橋点には鎖状高分子同士が共有結合した化学架橋と、それ以外の物理架橋がある。物理架橋には、分子鎖の絡み合いによる架橋と、分子鎖の一部の結晶化などにより生成した微少な固体相（結晶相、非晶相）による架橋がある。共有結合で架橋したゴムは、化学変化しない限りはどんな高温でも流動化しない。だが、絡み合い架橋によるゴムは温度が上がると架橋点で分子鎖がすべるようになり流動性が出る。結晶化による架橋点は結晶の融点以上になれば消失する。イオン結合や水素結合による架橋も温度が上がれば固定されずに流動化する。

ゴム材料の特性改善のために微少な固体材料を混合することがあり、この固体材料をフィラーと呼ぶ。多数の分子鎖がフィラーに結合して一種の架橋点となることでゴムの特性に影響することが多い。

分子鎖の絡み合いによる架橋からなるゴムは、高温から低温になるに従い、液体＞ゴム状態＞ガラス状態、という変化をする。高温では架橋点で分子鎖がすべるようになり通常の低分子液体と同様に分子同士の位置が自由に変化でき流動性がある。だが、絡み合い架橋点では鎖状分子の長軸に対して横方向への運動が妨げられ、長軸に沿った運動（レプテーション）のみが許されるために、低分子液体とは異なる挙動も示す。低温側のガラス転移点以下では鎖状部分の運動も非常に遅くなり、全ての部分がその位置で熱振動を行うだけのガラス状態となる。

ゴム状態の固体を架橋点の間の鎖状分子ユニットと親和性のある溶媒と接触させると、溶媒を吸収して体積が増す膨潤現象を起こす。溶媒を含んだゴム状態はゲル状態のひとつである。

ゴム弾性を説明するための理論として、以下のものなどがある^[3]。

• ボルツマンの重畳原理^[4][5][6]
• Kuhnの統計力学^[7][8][9]
• Mooney-Rivlinのひずみエネルギー関数^[10][11][12]
• Treloarの逆ランジュバン関数^[13][14][15]

1. ^ 長倉三郎、他 編『岩波理化学辞典』（5版）岩波書店、1998年2月。 
2. ^ 『物理学辞典-改訂版』培風館、1992年5月。 
3. ^ 日本ゴム協会 編『ゴム技術入門』丸善、2004年、26-33頁。ISBN 4-621-07393-1。 
4. ^ Boltzmann, L.: Pogg. Ann., Physik, 7, 624 (1876)
5. ^ Ferry, J. D.: Viscoelastic Properties of Polymers, 3rd. Ed., (John Wiley & Sons Inc., New York, 1980) p.17
6. ^ 日本ゴム協会 編『ゴム工業便覧』（4版）、1993年、52頁。 
7. ^ Kuhn, W.: Kolloid-Z. 68, 2 (1934), 76, 258 (1936); Guth, E., Mark, H.: Mh. Chem. 65, 93 (1934)
8. ^ Flory, P. J.: Principles of Polymer Chemistry (Cornell University Press, Ithaca, NY., 1953)
9. ^ 日本ゴム協会 編『ゴム工業便覧』（4版）、1993年、14頁。 
10. ^ Mooney, M.: J. Appl. Phys., 11, 582 (1940); Rivlin, R. S.: J. Appl. Phys., 18 444 (1947)
11. ^ Rivlin, R. S.: Rheology, ed. by Eirich, 1, chap. 10 (Academic Press, New York, 1956)
12. ^ 日本ゴム協会 編『ゴム工業便覧』（4版）、1993年、11頁。 
13. ^ Treloar, L. R. G.: Trans. Faraday Soc., 42, 77 (1946)
14. ^ Treloar, L. R. G.: Die Physik der Hochpolymeren, ed. by Stuart, H. A., (Spring-Verlag, Berlin, 1956) p. 305
15. ^ 村上謙吉『レオロジー基礎論』産業図書、1991年、40頁。 

• 弾性
• ガラス転移点
• ゴム
• レプテーション

表 話 編 歴 物質の状態
物質の状態	固体 液体 気体 プラズマ
低温	ボース＝アインシュタイン凝縮 フェルミ凝縮 量子ホール リュードベリー状態（英語版） ストレンジ物質 超流動 超固体
高エネルギー	フェルミ縮退 クォーク物質（英語版） クォークグルーオンプラズマ 超臨界流体
その他	コロイド 結晶 液晶 アモルファス ガラス ゴム状態 準結晶 柔粘性結晶 磁気秩序 反強磁性 フェリ磁性 強磁性 String-net liquid 超ガラス
転移	沸点 臨界線（英語版） 臨界点 凝縮 凝華 蒸発 フラッシュ蒸発（英語版） λ点 融点 復氷 飽和流体（英語版） 昇華 三重点 三重臨界点 液相線と固相線
量	融解熱（英語版） 昇華熱 蒸発熱 潜熱 潜在内部エネルギー（英語版） トルートン比（英語版） 揮発性（英語版）
概念	バイノーダル（英語版） 圧縮流体（英語版） 冷却曲線 状態方程式 長距離秩序 スピノーダル（英語版） 超伝導 過冷却 過熱蒸気 過熱 熱誘電体効果（英語版）