加硫によるゴムの加硫——タイヤを道路に送り出した偶然の発見

換気の良い場所またはドラフトチャンバー内で作業してください。ケミカル飛沫防止ゴーグル、ニトリル手袋、実験用白衣を着用してください。テレピン油の蒸気は引火性があり、高濃度ではめまいを引き起こす可能性があります。後の加熱工程では、硫酸製造で発生するのと同じ刺激性ガスである二酸化硫黄がわずかに発生します。作業スペースに裸火がないことを確認してください。加硫工程には、電気オーブンまたはホットプレートを使用し、テレピン油やゴムの近くでは決して裸火を使用しないでください。

重いはさみを使って、天然ゴムシート20 gを一辺約5 mmの正方形の小片に切ります。小片が小さいほど、テレビン油に早く溶けます。天然ゴム（シス-1,4-ポリイソプレン）は長鎖ポリマーで、各分子には数千個のイソプレン単位（C₅H₈）が端と端でつながっています。鎖同士は架橋していないため、ゴムは溶解できます。溶媒分子が鎖の間に入り込み、それらを引き離すのです。

ゴムの小片をガラス瓶に入れ、テレピン油（テレピン精油）100 mlを加えます。瓶を密封し、時々振りながら12〜24時間放置します。ゴムはゆっくりと膨潤し、やがて濃厚で粘性の高い溶液、すなわちゴムセメントのようなものになって溶解します。テレピン油はテルペン系の溶剤で、ポリイソプレン鎖の間に浸透してそれらを引き離します。グッドイヤー自身も、加硫法を発見する前にはテレピン油やナフサを使ってゴムを扱っていました。

硫黄華（flowers of sulfur、細かく粉砕された単体硫黄、S₈）を2 g量る。これはゴムに対して重量比で約10%の硫黄に相当し、硬すぎず弾力のあるゴムを生み出す中程度の加硫度である。硫黄が少ない（1～3%）場合はより柔らかく弾性の高いゴムになり、硫黄が多い（25～30%）場合はエボナイトになる。エボナイトは硬く剛性のある材料で、最初の市販の熱硬化性プラスチックである。硫黄を粉砕して、均一に分散させる。

溶解したゴムに硫黄粉末を加え、5分間しっかりと攪拌してください。硫黄は粘性のある溶液全体に均一に分散させる必要があり、琥珀色のゴムセメントの中に微細な黄色い粒子が浮遊している状態が目視できるはずです。溶液が濃すぎる場合は、混合を良くするためにテレビン油を少量加えてください。この緻密な分散は非常に重要です。加硫の際、硫黄がポリマー鎖の近くにあって初めて架橋を形成できるからです。工業プロセスでは、硫黄は加熱した二本ロールミルで固形ゴムに混合されます。

ゴム-硫黄溶液を浅い金属またはガラス製の型に注ぎます。小さなベーキングパンやシャーレが適しています。厚さ3～5 mmになるように均一に広げます。層が薄いほどテレピン油が早く蒸発し、加硫がより均一になります。より厚い製品が必要な場合は、後で薄い層を複数重ねることもできます。

モールドを換気の良い場所に12～24時間置き、テレピン油を完全に蒸発させます。溶剤が抜けるにつれ、ゴムは硫黄粒子を内部に閉じ込めた、柔軟で粘着性のあるシートへと固化します。分散した硫黄により、膜がわずかに黄色く見えることがあります。乾燥を早めるために加熱しないでください。テレピンの蒸気と熱は火災の危険があります。加硫の前にテレピン油を完全に除去しなければなりません。ゴム中に残留した溶剤は気泡を生じさせ、最終製品の強度を低下させます。

乾燥させたゴム－硫黄シート（まだ型に入ったまま）を、140～160 °C に予熱した電気オーブンに入れます。これが決定的な工程であり、グッドイヤーが偶然発見した工程です。この温度では、S₈ 硫黄環が開裂し、硫黄原子がポリイソプレン鎖の二重結合を攻撃して、隣接する鎖の間に共有結合性の硫黄架橋（-C-Sₓ-C-）を形成します。各架橋は二本の高分子鎖を恒久的に結合し、もはや融解も溶解もしない三次元網目構造を築きます。45～60 分間加熱します。かすかな二酸化硫黄の臭いは、反応が進行していることを示します。

型をオーブンから取り出し、室温まで冷ます。ゴムは型からきれいに剥がれるはずです。色は元の琥珀色から茶色または濃い黄褐色へと濃くなっています。これは硫黄架橋が吸収スペクトルを変化させるためです。表面は硬く乾いており、ベタつかないはずです。表面のタック（粘着性）が消えることは、加硫が成功したことの特徴です。表面がまだベタつく場合は、加硫が不完全だったということなので、オーブンに戻してさらに30分間加熱してください。

加硫ゴムを引き伸ばしてみてください。大きく伸び、離すと元の形に素早く戻るはずです。この弾性の回復性こそが加硫ゴムを特徴づける性質であり、グッドイヤーの発見が産業を一変させた理由です。加硫していない天然ゴムの一片と比べてみましょう。未加硫のものは伸ばした後も変形したまま戻りません（永久変形）が、加硫ゴムは元に戻ります。耐熱性の試験：一片を温かい表面に（触れさせずに）近づけて保持してみてください。加硫ゴムは硬さを保ちますが、未加硫のゴムは柔らかくべたついてしまいます。耐溶剤性の試験：小片をテレピン油に入れてみてください。加硫ゴムはわずかに膨潤しますが溶解はしません。架橋によって分子鎖が互いに分離できないためです。

加硫ゴムは現在、何年もその特性を保持する安定で耐久性のある材料です。直射日光やオゾン源から離して保管してください（電動モーターはオゾンを発生させ、ゴムを劣化させます）。グッドイヤーが1844年に取得した、ゴムに硫黄を混ぜて加熱するというこの単純な工程の特許は、現代のゴム産業の幕開けとなり、タイヤ、ホース、ガスケット、シール、靴底、その他何千もの製品を可能にしました。今日の世界のゴム産業は年間3,000万トン以上を消費しており、タイヤ、シール、ベルトのあらゆるゴム製品は、グッドイヤーが台所のコンロで発見したのと同じ基本的な反応によって加硫されています。