耐摩耗性能向上につながる、ゴムの破壊に関する研究成果を発表

2019/1/9 14:00

2019年1月9日

住友ゴム工業株式会社

　住友ゴム工業(株)(社長:池田育嗣)は、ライプニッツ高分子研究所(ドイツ･ドレスデン)※との共同研究により、今まで解明されていなかったゴム内部の｢ボイド｣と呼ばれる空隙(ゴム破壊の元)の発生からき裂発生までのメカニズムを解明し、その研究成果を発表しました。この研究成果により、従来と比べて優れた耐摩耗性能を持つゴムの開発が期待され、「より性能が持続する」高性能タイヤの開発につなげてまいります。

※1948年に紡績工場の繊維研究所として設立。ドイツ最大のポリマー研究施設のひとつであり、世界の主要な研究グループと共同研究を行っています。

　自動車産業を取り巻く環境が大きく変化するなか、当社は「さらに高い安全性能」「さらに高い環境性能」を実現するためのタイヤ技術開発コンセプト「Smart Tyre Concept」を掲げています。今回の研究成果は｢Smart Tyre Concept｣の方向性の一つである「性能持続技術」につながるものです。

　タイヤの摩耗現象の一因であるゴムの破壊は、ゴム内部の分子切断やボイド形成によるき裂の成長によるものと考えられていましたが、明確には解明できていませんでした。そのような中で、合成ゴムのボイドの発生観察に取り組みました。2015年、当社は新材料開発技術「ADVANCED ４D NANO DESIGN」を活用してボイドの発生を構造シミュレーションで解明し、その発生を抑える技術を確立しました。今回の研究成果は、実際の合成ゴムを用いた2種類の実験からゴム内部の力学的挙動を観察したことによるもので、ゴムの粘弾性をコントロールすることで耐久性の高い材料の開発につなげることが可能となります。

１．薄い円板状ゴム試験体の、コンピュータ断層撮影(CT)による力・変形量・体積変化解析

■実験方法

　円板状の金属プレートと接着させた同形状の合成ゴム試験体を、金属プレート接触面の垂直方向に引っ張ることで、ゴム試験体を変形させた際の力と体積変化の関係を観察しました。また、ゴム試験体のCTにより、ゴム内部のボイドの成長を観察しました。

力と体積変化の解析

■結果

　円板状の金属プレートに接着された同形状の合成ゴム試験体は、金属プレート方向に引っ張るとゴムの性質により幅方向(半径方向)に収縮しようとしますが、金属プレートに接着されているため、金属と接している部分のゴムが剥がれない限り、幅方向に縮むことができません。結果、ゴム自体が膨張することとなり、CTでゴム内部を観察した結果、ボイドの発生が確認できました。

さらに、合成ゴムの中でも充填剤ありの場合はシリカやカーボンブラックの凝集物間からゴムの破壊が発生し、充填剤なしの場合はゴム分子の滑りによるボイド形成からゴムの破壊が発生するといった、ボイド発生の経緯が異なることも明らかになりました。

　≪合成ゴムの伸長応力ひずみ(変形量)曲線≫

　充填剤ありの合成ゴムと充填剤なしの合成ゴムについて、伸長応力および見かけの体積ひずみとひずみの関係を調べたところ、いずれの合成ゴムもひずみの増加に応じて見かけの体積ひずみが増加していることがわかります。ここから、ひずみの拘束によってゴム内部でボイドが発生していることがわかります。

合成ゴムの伸長応力ひずみ(変形量)曲線

　≪充填剤あり(シリカ･カーボンブラック)の合成ゴムのボイド観察≫

　充填剤ありの合成ゴムの場合、凝集物間にボイドが発生し、そのボイドがつながり合うことでき裂が発生。充填剤の補強効果によりボイド直径は小さくなる。

充填剤あり(シリカ･カーボンブラック)の合成ゴムのボイド観察

　≪充填剤なしの合成ゴムのボイド観察≫

　充填剤なしの合成ゴムの場合、ゴム分子の滑りによりボイドが発生し、多くのボイドがつながることによりき裂が発生。

充填剤なしの合成ゴムのボイド観察

２．X線小角散乱による合成ゴムの破断特性の解明

■実験方法

　切り込みの入った平面な合成ゴム試験体を平面方向に引っ張った場合の切り込み部分について、X線小角散乱を用いてゴム内部のボイドの成長を観察しました。

■結果

　平面な合成ゴム試験体の切り込み部分について、X線小角散乱によりゴム内部密度を測定した結果、切り込み先端部分は他の部分よりゴム密度が低い(ゴム内部でボイドが多く発生している)ことがわかりました。これにより、平面なゴム試験体を平面方向に引っ張った場合、切り込み先端部分にボイドが存在すること、およびゴムの破断にはボイドが関与することが解明されました。