2021 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 | Tohoku University |
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Principal Investigator |
齋藤 真器名 東北大学, 理学研究科, 准教授 (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 / 放射光 |
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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。そして、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弾性のミクロな起源を明らかにすることを目指している。
2021年度は、昨年度に開発され完成した測定系を用いて、タイヤのモデルゴムに対する応用研究を行った。具体的には、ポリブタジエン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。2020年度以前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、今回の実験ではより測定が難しいJohari-Goldstein緩和を調べた。Johari-Goldstein緩和低温の高分子ガラス系で耐衝撃性などの力学特性を支配することが知られる。本研究では、シリカナノ粒子の添加されたゴムで初めてナノ粒子のJohari-Goldstein緩和ダイナミクスへの影響を評価することができた。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、その変化からシリカナノ粒子の添加による微視的な変化、例えば微視的な応力の変化をとらえることができる可能性が拓かれた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
理由
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いる。
また、当初提案したこの手法よりも更に効率の高い干渉計を構築することができたため、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。これによって、広い時間スケールにおいて、試料中の微視的なダイナミクスの情報をもつ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、ゴムとガラス状態の粘弾性など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-Goldstein緩和がともにシリカナノ粒子添加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ており論文として発表した。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。現在はゴムの研究に加え、プラスチックの研究も行なっているところである。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 |
ゴムの微視的なダイナミクスを観測することに成功したため、次に延伸外場中のゴムのα緩和、JG緩和研究に測定系を適用する。タイヤは実際の使用環境下で延伸外場下にあるとみなせるため、そのような状況での分子鎖にかかる応力を評価するため微視的な緩和時間を測定する。
このような微視的な緩和時間はゴムの微視的応力を反映するため測定が必要であったが、測定することは非常に困難であった。測定効率が向上したガンマ線準弾性散乱装置系を用いて、このような緩和時間を測定する。
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、延伸外場下にあるタイヤの粘弾性特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。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍で海外出張が中止となるなど、研究計画が変更になったため次年度使用額が生じた。来年度への繰越金は試料購入物品費に充てる予定である。
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