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）

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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

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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

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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

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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）

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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）

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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

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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

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新ポリマー、新結合剤を開発し、 シリカの分散改良により、 タイヤの低燃費化に寄与。

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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。

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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 !！

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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！

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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

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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

4π

λ = sinθ

波長 散乱角

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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）

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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

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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

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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

富士通株式会社

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ご清聴ありがとうございました