BB-WAVE.com『仕事に使えるARCHIVES』 PowerPoint 用テンプレート　其の五

タイヤ用ゴム材料の

大規模分子動力学シミュレーション

住友ゴム工業株式会社

材料開発本部

研究開発本部

内藤 正登

第１回 「京」と大型実験施設との連携利用シンポジウム

２０１４年９月２日

東京・秋葉原UDX（NEXT-1）

1

タイヤを取り巻く社会動向とタイヤに求められる性能

2

3

材料シミュレーションを活用したタイヤ材料の開発

材料シミュレーション活用における課題と取り組み

4

シミュレーションによる更なる高機能材料開発に向けて

大型実験施設を用いた構造ダイナミクスの計測

京コンピュータを用いた大規模分子動力学シミュレーション

タイヤで自動車燃費を５％削減

・ ３％ ： タイヤの転がり抵抗

・ ２％ ： 空気圧管理

IEA（国際エネルギー機関）

（08年7月洞爺湖サミットにて提言）

タイヤ関連への提言

自動車関連でのCO2削減の為の規制事例

自動車の燃費への

タイヤ転がり抵抗の寄与

約20％

資源枯渇への対応

省資源化（原材料の高強度化）

低燃費・高グリップ・省資源

に対応できる

高機能ゴム材料

開発が必要

ゴム内部のナノの領域を可視化する

材料シミュレーション

の開発

・高分子ポリマー

・補強フィラー（カーボン・シリカ）

・架橋剤（硫黄）

・結合剤

（ポリマー変性基、カップリング剤）

ゴムを構成する原材料

分子レベルで検討できる

ナノレベルのシミュレーション

が必要

グリップ

燃費

２次元-FEM

（課題）

安全性

（グリップ）

低燃費性

省資源

（ゴム強度）

背反するタイヤ性能を全て向上させる

背反関係

先進シミュレーション

先端実験

原材料

ポリマー

ゴムの骨格材料

フィラー

ゴムの補強材料

架橋剤

ゴムとしての強度を発現させる添加剤

ゴム中のイメージ図

天然ゴム、合成ゴム ⇒ 柔らかく良く伸びる

カーボン、シリカ

⇒

①強く

→摩耗性能を上げる

②エネルギーロスを生じる

→燃費やグリップに影響する

硫黄

ポリマー

フィラー

架橋剤

ナノレベルで非常に複雑な構造を形成し、機能を発現している

結合剤

原材料の性能を引き出す添加剤

ポリマー変性基、カップリング剤

ポリマー

シリカ

カップリング剤

変性基

100nm

新ポリマー、新結合剤を開発し、

シリカの分散改良により、

SPring-8静的構造測定による物性との相関解析

実験：ダイナミクス計測が難しい

⇒

J-PARC/SPring-8 ダイナミクス計測

によるシミュレーション検証

コンピュータ：空間、時間スケールの制約

⇒

京コンピュータ 大規模シミュレーション

「京」と大型実験施設の相補利用による大規模高精度シミュレーション

将来

現状

材料の機能理解には構造研究に加え

ダイナミクス研究が重要

→材料開発に寄与してきたが、技術飽和により

新材料開発が難しくなってきた。

材料構造の大きさ

材料構造の運動速さ

側鎖運動

界面拘束

界面擦れ

界面吸着

ネットワーク

主鎖運動

ポリマーセグメント運動

ポリマー絡み合い

架橋点・不均一性

ミクロ相分離

マクロ相分離

マクロ分散

1µm

10µm

100nm

10nm

1nm

1s

1ms

1µs

1ns

1ps

1fs

構造が同じ大きさでも異なる速度で動く

部分があり

それをコントロールできれば先進的な材料創出が可能 !！

側鎖運動

界面拘束

界面擦れ

界面吸着

ネットワーク

絡み合い

架橋点・不均一性

ミクロ相分離

マクロ相分離

マクロ分散

主鎖運動

セグメント運動

SPring-8（大強度X線）

1µm

10µm

100nm

10nm

1nm

1s

1ms

1µs

1ns

1ps

1fs

材料

構造

の運動

速さ

J-PARC（大強度中性子）

SACLA（X線自由電子レーザ）

材料構造の大きさ

時空間階層構造の研究⇒材料開発への応用が可能に！

コヒーレント（位相が揃った）X線の応用・・・SPring-8のコヒーレンスを活用する新しい技術

（日本で世界に先駆けて実施）

時間相関関数

緩和時間

緩和時間

緩和時間

シリカ界面とポリマーの結合によってダイナミクスが大きく変わる

シリカとポリマーの結合によってミクロ粘弾性が変わる

散乱ベクトルq

4

π

λ

= sin

θ

波長

散乱角

ミリメートル

マイクロメートル

ナノメートル

サブナノメートル

カップリング剤

変性基

吸着ゴム

ポリマー

シリカ

1次凝集構造

2次凝集構造

高次凝集構造

グリップ、ゴム強度の向上のために

直接観ることが必要なスケール範囲

ミリメートル

マイクロメートル

ナノメートル

サブナノメートル

カップリング剤

変性基

ポリマー

シリカ

1次凝集構造

2次凝集構造

高次凝集構造

フィラーネットワーク、ポリマー、薬品すべてを分子レベルで丸ごとシミュレーション

SPring-8で得られたフィラーの不均質構造・偏りの大きさ

シミュレーションモデル

（従来モデル）

構造解析

＋

（ダイナミクス）

融合

マイクロメートル

ナノメートル

サブナノメートル

カップリング剤

変性基

ポリマー

シリカ

1次凝集構造

2次凝集構造

高次凝集構造

新素材創出

（2016年以降 商品に採用）

ダイナミクス

予測

・新材料設計

・機能/物性

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

Tadanori Koga Associate Professor, Stony Brook University

京都大学化学研究所 増渕雄一准教授

株式会社JSOL