2020 Fiscal Year Research-status Report
高機能性タイヤ開発のための高感度原子ダイナミクス測定法の開発
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19K20600
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
齋藤 真器名 京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (80717702)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ゴム / 原子・分子ダイナミクス / メスバウアー / 核共鳴散乱 / 準弾性散乱測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、原子・分子スケールの構造のナノ～マイクロ秒の緩和時間を測定可能なガンマ線準弾性散乱法に対し、さらに高精度な手法である逆位相法を開発することで、ダイナミクス測定の効率を飛躍的に向上することである。この新手法を用いてタイヤのモデル系であるナノ粒子添加ポリブタジエンゴム中の高分子とナノ粒子の運動という異なった空間的な階層の運動の時定数を高精度に決定し、タイヤのグリップ特性に直結するゴム粘性のミクロな起源を明らかにすることを目指している。
今年度はより多色のガンマ線を用いた新しいガンマ線準弾性散乱法を開発した。これまでの手法に対し、さらに多くの異なる波長を持つ単色なガンマ線を準弾性散乱測定に用いることで、測定効率が向上するとともに、中間散乱関数と呼ばれる微視的ダイナミクスの詳細を反映する量を精度よく決定できることを明らかにした。
この装置開発と並行して、タイヤゴム中にシリカナノ粒子が添加された場合に高分子の運動にどのような影響を与えるか研究を行った。そのため、融点近傍からガラス転移温度以下までの広い温度領域において、シリカナノ粒子を添加したポリブタジエンゴム中の高分子ダイナミクスを調べた。これまでの研究では融点近傍での比較的高温側の拡散過程を調べたのに対し、今回の実験ではガラス転移付近において支配的となるJohari-Goldsteinβ緩和という低温の高分子系で力学特性を支配することが知られる緩和ダイナミクスへの影響も調べることができた。その結果、シリカナノ粒子の添加によりJohari-Goldsteinβ緩和ダイナミクスの時間スケールが有意に遅くなっていることをはじめて微視的に示すことができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
申請書で提案していた逆位相法をもちいた干渉計はすでに実証することができており、現在論文執筆に向けまとめているところである。本年度は、この手法よりも更に効率の高い干渉計を考案・実証することで、当初の見込みよりも高い効率で原子・分子のダイナミクス測定を行う事ができるようになっている。さらに、広い時間スケールにおいて、中間散乱関数を得ることができるようになった。このような進展から、装置型の開発に関して当初の計画以上に進展していると考えられる。
また、高分子系の物性研究に関しては、ゴムとプラスチックの物性を支配している２つの重要な緩和過程である拡散緩和とJohari-Goldsteinβ緩和の２つの緩和が、それぞれシリカナノ粒子の影響を受けて遅くなっていることを見出すことができた。この結果は、ゴムの物性研究のみならず、プラスチックの耐衝撃性などの力学特性発現のメカニズムの理解に向けて重要な結果であることが分かってきた。
これらの成果により物性研究に関しても順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
コロナウイルスの影響により、次年度以降も研究活動への多大な影響が懸念されるところである。放射光施設が運転され続けるならば、新手法を用いてタイヤのゴム材料のモデル系を様々な条件下で系統的に測定する予定である。たとえば、微視的な拡散ダイナミクスとJohari-goldsteinβ緩和ダイナミクスに関しては、シリカの粒子のサイズ、密度、温度、運動量移行依存性をそれぞれ測定することで、シリカナノ粒子の高分子鎖ダイナミクスへの影響を具体的に明らかにする。加えて、動的粘弾性測定装置によりゴムの破壊現象に関係のある力学緩和時間を決定する。それらミクロとマクロの物理量の対応関係を調べることで、タイヤの粘性や摩耗特性を支配する微視的な起源の理解と材料開発への指針を明らかにすることを目指す。
加えて、本年度に得られたポリブタジエンのガラス転移温度以下における微視的なダイナミクス測定の結果を国際学会で発表して議論を行うとともに、論文化を行う。また、昨年度に開発した逆位相法の実証実験に関する論文投稿を行う予定である。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍などに伴う国外、国内出張が大幅にキャンセルとなったことで、旅費の使用額が大幅に減ったことなどが理由となり、次年度使用額が生じた。
来年度使用額は、来年度のSPring-8実験のビームタイム使用量や旅費などに当てたいと考えている。
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