三次元ナノ構造の制御利用へ 超低燃費タイヤの開発

耐摩耗を25%改良できる新材料の開発

NEDOプロジェクトでは、転がり抵抗係数(Rolling Resistance Coefficient：RRC=転がり抵抗力/荷重)値の2009年当時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)対比で、エネルギーロスとなる転がり抵抗をトレッドゴムで40%低減、耐摩耗性能を25%向上できる低燃費タイヤの開発を最終目標としました。

高い壁でしたが、この目標を達成するためにブリヂストンとJSRは、ゴム材料を３つのナノ階層構造に分類し(図2)、それぞれの空間スケールで各配合材料の最適配置を実現する「三次元ナノ階層構造制御技術」の開発を目指しました。

図2　ナノ階層構造ごと(左：1000nmの階層、中：100nmの階層、右：10nmの階層)に異なる研究アプローチを実施(資料提供：ブリヂストン)

設計指針における３つのSTEP

開発は、3段階のナノ階層構造（1000nm／100nm／10nm）に分けて制御することから始めました（図2）。1000nmの階層では、まずポリマーブレンド技術により、B381のトレッドゴム対比で、耐摩耗性を60ポイント改善します。次に100nmの階層では、充てん剤の分散状態を従来よりもさらに最適に制御してエネルギーロスの30ポイント低減につなげました。最後に10nmの階層では、反応条件の最適化による網目構造の均一化で、エネルギーロスをさらに10ポイント改善することができました（図3）。

図3　耐摩耗性を向上させてからエネルギーロスを改善(資料提供：ブリヂストン)

これらの設計・制御技術を支える統合評価、支援技術として開発したのが、原子間力顕微鏡(AFM)と電子線トモグラフィー(3DTEM)による三次元ナノ階層構造の空間・物性配置の定量化法でした(写真１)。
「構造を見ること自体も難しいのですが、二次元では構造を決定することができず、三次元の観察手法が必要でした。そのため3DTEMを使った構造解析法を開発しました。これは10nm～100nm領域のナノ構造を見るのに有効です。今回のプロジェクトに応用して適用する技術に仕上げていきました」(清水さん)

写真1　(左)今回の開発に貢献した原子間力顕微鏡(AFM)　(右)AFMの計測に使用するサンプルとホルダ

「ナノプロ・テック™」の活用例の一つに、充てん剤をゴムの中で適切に分散配置する技術があります。充てん剤はただ混ぜるだけだと一部が固まってしまい、その状態でゴムが伸縮すると発熱してしまいます。その発熱を抑えるために、きれいに分散することが重要となります。その技術はプロジェクトメンバーであるJSRが開発して、分散性を自在にコントロールすることによって、発熱を抑えることができました。
「充てん剤の分散性制御は末端変性ポリマーが役割を担っていました。その分散状態を解析するために、SPring-8で小角散乱実験を行ってポリマー構造と分散性の関係を明らかにして、最適な構造を見出しました」とJSRの機能高分子研究所の曽根さんは言います。ゴム分子をシリカと結合しやすい性質に変化させるなど、分子レベルで構造を制御することで、シリカをゴムの中で適切に分散配置します。こうすることでシリカの特性を最大限に引き出し、タイヤ性能を向上させることが可能になったのです。

2009年度から始動したプロジェクトに大打撃を与えたのが2011年の東日本大震災でした。国立研究開発法人産業技術総合研究所の被害も大きく、東北大学に設置していたAFMも、全部壊れてしまいました。
「計算機だけは何とか動くという状況でした。東海村の研究用の原子炉で実験を予定していましたがキャンセルとなり、兵庫県にある大型放射光施設SPring-8で実験を再開しました。その後、震災から再スタートを切る際の資金もNEDOから出していただき、東北大や産業技術総合研究所の遅れをキャッチアップすることができました」(清水さん)

その後、チームはナノスケール有限要素法を用いた力学物性予測による、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ました。タイヤ以外のゴム製品(免震ゴム、ベルト、防振ゴム等)など、あらゆるゴム関連商品の開発にも応用可能で、国際競争力の強化に貢献しています。
「当初は『見る』『解く』技術の文化が少なかったのですが、NEDOプロジェクトを通じて多くのデータを蓄積することができました。一方、目標達成のミッションもあり、開発とAFMや3DTEMの紐づけがチャレンジングでした。電子顕微鏡のデータは写真で撮れますが、それらをどう定量的に評価するかなど課題は多くありましたね」(芥川さん)

最適化末端変性ポリマーによるブレンド形態を制御し、耐摩耗性能の向上と同時に、充てん剤の配置最適化も実現しました。さらに、反応条件の最適化による架橋網目分布の均一化を行いました。

ナノスケール領域における構造設計を実施

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行いました。そこで使われたのがNEDOプロジェクト「高機能材料設計プラットフォームの開発」(1992〜2001年度)で開発されたソフトウェアOCTA(高分子合成シミュレーション)でした。
「計算科学を利用して、ナノの世界のシミュレーションをすることで開発の方向性を決めました。シミュレーションの数が膨大になるため、最初に極端なポイントを四つくらい決めて、それらに近い最適値を求めていきました。実際に想定されるシミュレーション数は無限にあったと言ってもよいかもしれません」(芥川さん)

OCTAは、ナノからマクロまで色々なスケールのシミュレーション結果を統合的に扱えることで、高分子材料の分子レベルの設計と機能との関係を予測可能にします。自動車メーカーやタイヤメーカーで新たな素材開発に積極的に活用されています。0.1nmレベルの分子の挙動からmmオーダーの弾性等の刺激応答性までを再現するシミュレーションを統合するプラットフォームの開発により、分子構造の変化がマクロレベルの物性に与える影響を予測するなど、従来は繰り返し実験に頼っていた材料開発が大幅に効率化しました。
「高分子の分子構造などは限定しました。分散性を制御するのが役目なので、分散性が高いものを選びました。役割としては分子構造を変えたゴムをJSRが作る。ブリヂストンは構造設計を行い実現化するという流れです」(芥川さん)

OCTAは分子の挙動を視覚的にわかりやすく再現できることから、化学品メーカーなどでは教育ツールとしても利用されるなど、国内企業の競争力強化にも寄与しています。つまり「超低燃費タイヤ用ゴム」という世界に先駆けた研究開発には、別のNEDOプロジェクトの成果も活用されていました。

こうして、低いエネルギーロスと高い耐摩耗性能という、相反する特性を同時に備えたタイヤ用ゴム材料の開発に成功しました。その結果、ついに従来のトップレベルの低燃費タイヤ用ゴム対比でさらに「エネルギーロス40％低減・耐摩耗性25％向上」という快挙を成し遂げたのです。
「世界初だと思いますし、特許も取得しました。材料的なアプローチや階層構造など、他のメーカーには真似できないような技術開発を進めてきました」(芥川さん)

今回の技術開発を通じて得られた研究成果(評価･解析･予測法)は、ブリヂストンの材料技術「ナノプロ･テック™」と融合させることで、既存の低燃費タイヤの“転がり抵抗”をさらに低減させる「新しいタイヤ」の開発のきっかけにもなりました。