ゴムが電気絶縁体として機能する仕組み

Kanyakumari, Tamil Nadu

我々が普段使っている材料の多くは電子導体であり、導電時の電荷キャリアは、電子ということになります。

これらの材料の導電性は、印加された電位の影響下で、マトリックス内の自由電子が誘導されて動くことに起因しています。

なぜあるものは良導体で、あるものは半導体、あるものは絶縁体なのか、多くの物質の電気的挙動は、現在では「バンド理論」に基づいてよく説明されています。

この理論では、分子が強い共有結合 (シグマ) だけ、または弱い (パイ) 結合が重なっていない分子は、ほとんどの電子が低いエネルギーのいわゆる「価電子帯」にあり、次に高いエネルギーの「伝導帯」にある電子は残っておらず、そうした物質は電気絶縁体として機能するだろうと述べている。

ゴム、プラスチック、ガラス、乾燥木材、油などは、この点では絶縁体です。

ゴムにはさらに、機械的柔軟性があり、手袋やバッグなど、電気絶縁体の必要な形に絞り込むことができるという利点があります。

天然および日常的な合成ゴムは、本質的に、原料であるイソプレンのポリマーであり、それは化学的に2-メチル-1，3-ブタジエン、（CH{-2}=（CH{-3}）CH-CH=CH{-2}の構造を持っている）である。 イソプレンのように、分子内に単結合と二重結合が交互に存在することを「共役」と呼ぶ。

1,3,5,… 位置または 2,4,6,… 位置に pi 結合を持っている共役分子は、「共役」と呼ばれる。

このように、π結合が重なっている（交互に並んでいる）イソプレンは、そのままでは導電性に優れていることになります。 しかし、ゴムにすると、イソプレン分子のπ結合の半分が分子間（重合）の強いシグマ結合に仕立てられ、機械的には柔軟だが電気的には硬い鎖に編まれる。

このように、ゴムではπ結合は1,3,5,…や2,4,6,…という位置ではなく、2,6,10,…や1,5,9…という位置にあるのである。 このように、重なり合うπ結合がシグマ結合や重ならないπ結合に変換されることで、価電子帯と伝導帯の間に大きなエネルギーギャップが生じ、価電子帯の結合電子がすべて一杯になり、伝導帯に自由電子が存在しなくなるのである。

このようなゴムの対極に（通常の）電位をかけると、価電子帯の電子はほとんど伝導帯に上がらないので、ゴム母材に電荷が流れないのである。 これがゴムの電気絶縁体としての役割である。

National Institute of Technology Warangal化学部門

Warangal, Andhra Pradesh