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） 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 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 材料シミュレーションを活用したタイヤ材料の開発 3 材料シミュレーション活用における課題と取り組み 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 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 Contains Confidential and/or Proprietary Information. May Not be Copied or Disseminated Without the Express Written Consent of Sumitomo Rubber Industries, LTD. 2 自動車関連でのCO2削減の為の規制事例 タイヤ関連への提言 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 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） Contains Confidential and/or Proprietary Information. May Not be Copied or Disseminated Without the Express Written Consent of Sumitomo Rubber Industries, LTD. 3 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 ゴムを構成する原材料 ２次元-FEM 燃費 グリップ ・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） （課題） 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 Contains Confidential and/or Proprietary Information. May Not be Copied or Disseminated Without the Express Written Consent of Sumitomo Rubber Industries, LTD. 4 低燃費性 背反関係 安全性 （グリップ） 省資源 （ゴム強度） 先進シミュレーション 先端実験 背反するタイヤ性能を全て向上させる Contains Confidential and/or Proprietary Information. May Not be Copied or Disseminated Without the Express Written Consent of Sumitomo Rubber Industries, LTD. 5 ゴム中のイメージ図 ポリマー フィラー 原材料 架橋剤 ポリマー ゴムの骨格材料 天然ゴム、合成ゴム ⇒ 柔らかく良く伸びる フィラー ゴムの補強材料 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 100nm カップリング剤 ポリマー 架橋剤 ゴムとしての強度を発現させる添加剤 硫黄 結合剤 変性基 シリカ 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 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 Contains Confidential and/or Proprietary Information. May Not be Copied or Disseminated Without the Express Written Consent of Sumitomo Rubber Industries, LTD. 6 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。 Contains Confidential and/or Proprietary Information. May Not be Copied or Disseminated Without the Express Written Consent of Sumitomo Rubber Industries, LTD. 7 現状 SPring-8静的構造測定による物性との相関解析 →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。 将来 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 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 Contains Confidential and/or Proprietary Information. May Not be Copied or Disseminated Without the Express Written Consent of Sumitomo Rubber Industries, LTD. 8 マクロ分散 1s ネットワーク 材料構造の運動速さ 1ms 1µs 界面吸着 マクロ相分離 界面擦れ 界面拘束 ミクロ相分離 1ns 架橋点・不均一性 側鎖運動 ポリマー絡み合い 1ps 主鎖運動 ポリマーセグメント運動 1fs 1nm 10nm 100nm 1µm 10µm 材料構造の大きさ 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 !！ Contains Confidential and/or Proprietary Information. May Not be Copied or Disseminated Without the Express Written Consent of Sumitomo Rubber Industries, LTD. 9 マクロ分散 SPring-8（大強度X線） 1s ネットワーク 界面吸着 材料構造の運動速さ 1ms 1µs マクロ相分離 界面擦れ 界面拘束 J-PARC（大強度中性子） ミクロ相分離 1ns 架橋点・不均一性 側鎖運動 絡み合い 1ps セグメント運動 SACLA（X線自由電子レーザ） 主鎖運動 1fs 1nm 10nm 100nm 1µm 10µm 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！ Contains Confidential and/or Proprietary Information. May Not be Copied or Disseminated Without the Express Written Consent of Sumitomo Rubber Industries, LTD. 10 Contains Confidential and/or Proprietary Information. May Not be Copied or Disseminated Without the Express Written Consent of Sumitomo Rubber Industries, LTD. 11 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） 緩和時間 時間相関関数 Contains Confidential and/or Proprietary Information. May Not be Copied or Disseminated Without the Express Written Consent of Sumitomo Rubber Industries, LTD. 12 緩和時間 緩和時間 散乱ベクトルq 4π = sinθ λ 波長 散乱角 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 Contains Confidential and/or Proprietary Information. May Not be Copied or Disseminated Without the Express Written Consent of Sumitomo Rubber Industries, LTD. 13 グリップ、ゴム強度の向上のために ミリメートル マイクロメートル 高次凝集構造 ナノメートル 2次凝集構造 サブナノメートル 1次凝集構造 カップリング剤 ポリマー 直接観ることが必要なスケール範囲 吸着ゴム 変性基 シリカ 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） Contains Confidential and/or Proprietary Information. May Not be Copied or Disseminated Without the Express Written Consent of Sumitomo Rubber Industries, LTD. 14 マイクロメートル 高次凝集構造 ナノメートル 2次凝集構造 1次凝集構造 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 構造解析 ＋ ダイナミクス （ダイナミクス） 融合 予測 ・新材料設計 ・機能/物性 新素材創出 （2016年以降 商品に採用） Contains Confidential and/or Proprietary Information. May Not be Copied or Disseminated Without the Express Written Consent of Sumitomo Rubber Industries, LTD. 15 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 Contains Confidential and/or Proprietary Information. May Not be Copied or Disseminated Without the Express Written Consent of Sumitomo Rubber Industries, LTD. 16 ご清聴ありがとうございました
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