天然ゴムのき裂先端の結晶化の挙動を解明――従来より高耐久のゴムの開発に期待 住友ゴム工業

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試験片を軸方向(方位角)に回転させたときのX線回折像の変化

住友ゴム工業は2019年3月12日、ドイツのライプニッツ高分子研究所との共同研究により、世界で初めて天然ゴムのき裂先端の結晶化(天然ゴムを伸ばした時に、伸長方向に分子の並びが揃うこと)の挙動を明らかにしたと発表した。これにより、従来よりも優れた耐摩耗性能を持つゴムや、耐久性がある高性能タイヤの開発が期待されるという。

住友ゴム工業は既に、合成ゴム内部のゴム破壊のもととなる「ボイド」と呼ばれる空隙の発生からき裂発生までのメカニズムを解明している。しかし、今後の環境問題や性能持続の観点から、タイヤの主原料の1つである天然ゴムの破壊現象の解明も、重要なポイントと位置付けている。

天然ゴムは伸ばすと結晶化することが知られており、この結晶化部分は剛性が高くなる。結晶化は、タイヤで一般的に使われている合成ゴムSBRでは発生しないため、天然ゴムのき裂成長や破断に強く影響していると考えられている。

タイヤは接地して回転しているとき、ひずみの拘束を受けた状態(自由に変形できない状態)で周期的な変形を繰り返す。このため、ひずみの拘束下での天然ゴムのき裂先端の変形を観察することが必要だった。

研究グループは、き裂先端の力とひずみの関係を再現しつつ、X線での結晶構造の解析を可能にするため、伸長方向に対して幅方向が十分に広い天然ゴムの平面試験片を使用。伸長方向に対して幅方向が十分に広い天然ゴム平面試験片を用いることで、伸長したときの幅方向への収縮を抑制することができ、ひずみの拘束を受けたき裂先端の挙動が再現できる。 そして、伸縮を繰り返した場合のき裂先端について、X線広角散乱を用いてゴム内部の結晶化挙動を観察した。

その結果、ひずみの拘束がない短冊試験片を伸長した場合は天然ゴム分子のほとんどが伸長方向に揃って結晶化するのに対し、十分に広い天然ゴム平面試験片のき裂先端では、ひずみの拘束のために分子の並びが短冊試験片ほど揃わず、結晶がランダムにいろいろな方向を向いていると判明。加えて、伸縮を繰り返したときの結晶化の状態を観察した結果、伸長時に生じた結晶化は試験片が元に戻る際に融解するが、伸長時よりも元に戻る時の方が結晶化度が高かった。

住友ゴム工業は今回の研究成果を基に、結晶の並び方を制御することで従来よりも破壊されにくいゴムや高い耐摩耗性能を持ったゴムの開発を進めていくという。

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