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2015年10月29日

新材料開発技術「ADVANCED(アドバンスド) 4D(フォーディー) NANO(ナノ) DESIGN(デザイン)」が完成

 住友ゴム工業(株)は、2011年に完成させた独自の新材料開発技術「4D NANO DESIGN」をさらに進化させる研究を進め、このたび大型放射光施設「SPring-8」1・大強度陽子加速器施設「J-PARC」2・スーパーコンピュータ「京」3を連携活用することで、ゴムを分子レベルで忠実に再現したシミュレーション解析により、タイヤの相反性能である低燃費性能、グリップ性能、耐摩耗性能の大幅な向上が可能となる「ADVANCED 4D NANO DESIGN」を完成させました。この新技術を採用したコンセプトタイヤ「耐摩耗マックストレッドゴム搭載タイヤ」4を「第44回東京モーターショー2015」に参考出品します。
スーパーコンピュータ「京」
スーパーコンピュータ「京」
ゴム破壊の大規模シミュレーション画像
 当社では2011年にゴム材料の構造や性質を予測し、自在にコントロールすることで高性能タイヤに求められる材料を科学的、合理的にナノレベルで高精度に設計することの出来る独自の新材料開発技術「4D NANO DESIGN」を完成させ、高機能タイヤ用材料開発を推進してまいりました。その成果として、タイヤラベリング制度で最高グレード「AAA-a」を実現した低燃費タイヤ「エナセーブ NEXT(ネクスト)」や、氷上ブレーキ性能を11%5向上し、ライフ性能を1.5倍5に高めたスタッドレスタイヤ「WINTER MAXX(ウインターマックス)」など、大幅な性能向上を実現した商品を発売してまいりました。しかしタイヤに求められる性能がますます高度化する中、「4D NANO DESIGN」ではゴム内部をより鮮明に解析することに限界があり、断続的なシミュレーションとなっていたため、相反性能である低燃費性能、グリップ性能、耐摩耗性能を同時に向上させるには、さらなる技術の進化が必要でした。
耐摩耗マックストレッドゴム搭載タイヤロゴ:ADVANCED 4D NANO DESIGN
耐摩耗マックストレッドゴム搭載タイヤ
(コンセプトタイヤ)
 今回完成した「ADVANCED 4D NANO DESIGN」は、低燃費性能、グリップ性能、耐摩耗性能という、相反性能であるタイヤの三大性能を高い次元で両立するために、ナノからミクロンレベルまで、ゴムの内部構造を連続的かつ鮮明に解析し、シミュレーションすることを可能とする技術です(図1・図2)。大型放射光施設「SPring-8」1でゴムの構造解析を行い、世界最高クラスの中性子・素粒子実験ができる大強度陽子加速器施設「J-PARC」2で運動解析を行うことで、ゴムの内部構造と分子の運動を鮮明に観察することが可能となり、これまで見えなかったシリカ界面ポリマーの構造や運動、硫黄架橋の不均一性・硫黄架橋長さ分布、シリカネットワークの運動などを捉えることに成功しました。さらに、スーパーコンピュータ「京」3によって、広い領域を分子レベルでシミュレーションすることにより、ゴム内部のストレスや発熱が発生している箇所を同時に特定することが可能になりました。(図3)
 このシミュレーションで原子、分子の動きを詳細に解析した結果、ゴム内部のストレスや発熱を発生させている原因が、シリカネットワーク運動、架橋構造、シリカ界面ポリマー運動と密接に関係していることが分かりました(図4)。このストレスを発生させる原因を低減することで、相反性能であるタイヤの三大性能を向上することを可能とする技術が「ストレスコントロールテクノロジー」です(図5)。
 例えば、「ストレスコントロールテクノロジー」を適用した事例として、耐摩耗性能に着目して観察した結果、従来のゴムではゴムが変形する際に、局部的ストレスが掛かるとゴム分子に隙間ができ、摩耗の原因となる「ボイド」と呼ばれる空隙(くうげき)(図6の黒色部分)が発生します。これに対して、ストレスコントロールテクノロジーを適用したゴムではボイドの発生原因となるストレスを高次元にコントロールすることで、その発生を抑制し、同時に発熱もコントロールすることが可能になります(図6の右)。
 これにより、低燃費性能、グリップ性能を維持しつつ、耐摩耗性能を飛躍的に向上させるゴムの開発に成功しました。
 この成果を用いたコンセプトタイヤが「耐摩耗マックストレッドゴム搭載タイヤ」です。このコンセプトタイヤのトレッドゴムは、低燃費性能とウエットグリップ性能を維持しながら、耐摩耗性能を200%6に向上させることに成功しています。今後は「ストレスコントロールテクノロジー」の活用によりタイヤの三大性能を高次元でコントロールし、向上させることが可能となります。
 当社では今回完成した「ADVANCED 4D NANO DESIGN」を活用し、材料開発のスピードをさらに上げ、今後も、高性能で経済性と環境性に優れたタイヤをお届けしてまいります。
※1世界最高性能の放射光を生み出すことができる大型放射光施設(兵庫県佐用郡佐用町)
※2最先端研究を行うための陽子加速器群と実験施設群(茨城県那珂郡東海村)
※3世界有数の計算速度を誇る、スーパーコンピュータ(兵庫県神戸市中央区)
※4このタイヤはコンセプトタイヤであり、現在商品化の予定はございません。
(マックス:当社製品搭載のトレッドゴムにおいて、トレッド:タイヤが路面と接触する部分)
※5当社従来品比
※62011年当時の当社製品搭載のトレッドゴムと比較
<協力機関>
大型放射光研究施設SPring-8
大強度陽子加速器施設J-PARC
理化学研究所計算科学研究機構(スーパーコンピュータ「京」)
高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所
フロンティアソフトマター開発専用ビームライン産学連合体
兵庫県立大学産学連携・研究推進機構 放射光ナノテクセンター
株式会社JSOL
<共同研究>
東京大学大学院 新領域創成科学研究科 雨宮 慶幸 教授、篠原 佑也 助教
名古屋大学 ナショナルコンポジットセンター 増渕 雄一 教授
Stony Brook University 古賀 忠典 准教授
<参画・協力プロジェクト>
光・量子融合連携研究開発プログラム
中性子とミュオンの連携による「摩擦」と「潤滑」の本質的理解
量子ビーム連携によるソフトマテリアルのグリーンイノベーション
【図1】
■「4D NANO DESIGN」と「ADVANCED 4D NANO DESIGN」の解析可能範囲
図1:「4D NANO DESIGN」と「ADVANCED 4D NANO DESIGN」の解析可能範囲
【図2】
■「ADVANCED 4D NANO DESIGN」により三大性能を同時に向上
図2:「ADVANCED 4D NANO DESIGN」により三大性能を同時に向上
【図3】
■国内最先端研究施設の連携活用イメージ
図3:国内最先端研究施設の連携活用イメージ
【図4】
■ゴム内部のストレス発生部分を特定
図4:ゴム内部のストレス発生部分を特定
【図5】
■ストレスコントロールテクノロジーの確立
図5:ストレスコントロールテクノロジーの確立
【図6】
■ストレスコントロールテクノロジーによりボイド(空隙・くうげき)の発生を抑制
<ボイドの発生状況:SPring-8 高精細X線CT観察結果>
図6:従来のゴム→図6:ストレスコントロールテクノロジー適用ゴム
 
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