成果報告書詳細
管理番号20120000000875
タイトル平成21年度~平成23年度成果報告書 ナノテク・先端部材実用化研究開発/三次元ナノ階層構造制御による超低燃費タイヤ用ゴム材料の研究開発
公開日2012/7/10
報告書年度2009 - 2011
委託先名株式会社ブリヂストン JSR株式会社
プロジェクト番号P05023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約自動車業界では、近年の急激な環境変化に伴い、地球環境、資源、安全などの社会的問題を解決するための技術開発が積極的に進められている。このような状況の中で2008年に開催された洞爺湖G8サミットにおいて、交通部門のエネルギー効率化を達成するための筆頭技術として、低燃費タイヤ開発推進が勧告された。このような背景のなかで、本事業では、転がり抵抗係数(RRC)値のトップランナーであるブリヂストン低燃費タイヤB381(RRC=6.2/1000)対比、転がり抵抗20%低減、耐摩耗性25%改良できる低燃費タイヤの実用化に向け、プロセス・設計基盤技術による『三次元ナノ階層構造』の制御技術検討とその性能評価を行うこととした。最終目標は、B381のゴム対比、エネルギーロスを40%低減しながら、耐摩耗を25%改良できるトレッドゴム材料を開発することとした。この数値目標の達成には、これまでに無い全く新しい観点からの“充填系ゴム”材料の開発が必要であることから、ゴム材料を3つの空間スケール(10 nm:架橋網目空間、100 nm:フィラーネットワーク空間、1?10 μm:ポリマーブレンド領域)に分類し、各配合材料の空間最適配置を実現する『三次元ナノ階層構造』制御技術の開発を行った。具体的な研究開発項目として(1)変性技術を核としたナノ構造制御基盤技術開発、(2)『三次元ナノ階層構造』設計基盤技術開発、の二つに重点を置き、これらを精力的に進めることとした。また、各部材の空間配置を決定する際に、計算科学を活用することで、目標とするナノスケール領域における構造設計を実施した。この設計指針は、次の3つのSTEPを経て実現をした。STEP1では、ポリマープレンド技術により、B381のトレッドゴム対比、摩耗を60ポイント改善、STEP2で特殊混練技術によりフィラーの配置を最適化することで、エネルギーロスを、50ポイント改善、STEP3で加硫条件による網目構造の最適化で、エネルギーロスをさらに10ポイント改善し目標を達成した。これらの設計・制御技術を支える統合評価・支援技術として、電子線トモグラフィー(3D-TEM)技術ならびに原子間力顕微鏡(AFM)技術による三次元ナノ階層構造の空間・物性配置の定量化法の開発、また、これら実験手法とナノスケール有限要素法物性予測技術の融合による新しいボトムアップ型のゴム材料設計技術開発を確立した。本事業で開発した統合評価・支援技術開発は、あらゆるゴム関連商品の開発に応用可能であり、タイヤ以外のゴム製品(免震ゴム、ベルト、防振ゴム等)の国際競争力の向上に貢献することも期待できる。
英文要約Tire manufacturers are working on the development of new tire technologies to meet the three major requirements such as “environment”, “resources” and “safety”. International energy agency, IEA, has released a message for G8 summit 2008 in Japan that the development utilization of the fuel efficient tire is the best solution to reduce CO2 emission from transportation sector. The reduction of tire rolling resistance is one of the effective methods to improve the fuel efficiency of the vehicle.
This work is aiming at reducing rolling resistance and solving the trading-off between rolling resistance and wear performance. The target was set in the tire performance of 20% reduction in rolling resistance and 25% improvement in wear performance comparing with Bridgestone fuel efficient tire B381. To achieve this from tread compound design, it corresponds to 40% reduction of energy loss and 25% improvement of compound wear performance to those of B381 tread compound. For this work we proposed new design and control methods of three-dimensional nano-scale hierarchical architecture, which divided into three different scale ranges, 10 nm with crosslinks, 100 nm with filler dispersion and 1000 nm with polymer blend. The computational science and imaging technics were used to design and control the nano architecture, which belongs to each scale range. The target has been achieved with three steps of nano hierarchical architecture control. The step 1 improved 60 points in wear with polymer blend design, and the step 2 reduced 50 points with filler dispersion and the step 3 reduced additional 10 points in energy loss with crosslink design. The transmission electron microtomography (3D-TEM) and the atomic force microscopy were used to derive the 3D image of actual nano-hierarchical architecture and the distribution of mechanical properties in nano-scale respectively. These imaging technics were combined with the finite element analysis to simulate the mechanical behaviors in nano-scale.
The methods developed in this work can be applied to a very wide range of materials developments for rubber products such as seismic isolation bearings, belts and anti-vibration parts. These technologies can be also expected to contribute the enhancement of international competitiveness for Japanese rubber industry.
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