分子動力学シミュレーションにより、リサイクル可能なタイヤ材料の開発と最適化が加速される

要約

• ゴム配合系について、ガラス転移温度（_Tg）、密度、自由体積、拡散係数といった主要な熱物理的および構造的特性を正確に予測した
• トランスポリオクテナマーゴム（TOR）と、さまざまな架橋剤および基材ポリマーとの混和性を検討した
• 大環状高分子鎖が構造的および熱物理的特性に及ぼす影響について理解を深めた
• 高性能ゴム配合の合理的な設計を迅速化し、再生ゴムの加工性に影響を与える主要因に関する知見を提供した

課題

トランス-ポリオクテナマーゴム（TOR）は、商品名「VESTENAMER®」として知られ、タイヤゴムの加工性やリサイクル性を向上させるためのタイヤ添加剤として広く使用されています。異なるゴムを効率的に共加硫させ、特性の向上を図るためには、架橋剤や基材ポリマーなど、ゴム配合のさまざまな成分とTORとの相互作用を理解することが不可欠です。 しかし、これらの配合の実験的評価には、多大な時間とリソースを要します。

アプローチ

分子モデリングは、新しいタイヤ配合に関する長期にわたる実験や長い開発サイクルに代わる、経済的な手段となります。エボニック（Evonik）とSchrödinger の科学者たちは共同で、TORとさまざまな架橋剤やポリマーとの混和性をデジタルで評価するとともに、大環状ポリマー鎖がTORの特性に与える影響について調査を行いました。 GPU加速分子動力学（MD）エンジンを活用することで、科学者たちは、例えば50nsの拡散計算をわずか数時間で完了するなど、高速なシミュレーションを実行することができました。すべてのモデルおよびシミュレーションは、以下の手順に従い、Schrödinger Materials Science SuiteおよびMD用のDesmond を使用して実施されました。

結果

この計算手法により、さまざまなポリマー／架橋剤の相容性に関する新たな知見が得られ、右側に要約されているように、TOR系の構造的および熱物理的特性について正確な評価が可能となった。本研究は、デジタル分子シミュレーションが、実験環境では容易に得られない、あるいは経済的に実施が困難な独自の知見をもたらし得ることを示す一例となっている。

本研究で提示したシミュレーション手法およびワークフローは、他のポリマー／架橋剤系を研究するために容易に拡張することができる。

概要

• SBR、NR、およびTORにおける架橋剤の混和性の順序は、TBzTD > SA > CBS > S8であり、これはS8がこれら3つのポリマーすべてにおいて混和性が限定的である可能性を示唆している。このことは、混合エネルギーの計算によっても実証されている。
• TORでは、SBRやNRと比較して架橋剤の拡散がより活発であるため、より良好な架橋が可能となる。
• SBR、NR、およびTORは、互いに混和しない可能性が高い。これら3つのポリマーの混合物は、おそらく3phase 系を形成することになるだろう。これは実験的研究の結果とも一致している。
• 相互作用エネルギーおよび密度の解析により、すべての混合物において、架橋剤濃度が低い場合、理想的な混合状態にあることが示された。
• TORマクロサイクルは、粘度やその他の機械的特性に影響を与える可能性があり、TORのガラス転移温度の低下に寄与する可能性がある。