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横浜ゴム タイヤの最新技術シリカ配合と基礎知識

横浜ゴムが、メディア向けに最新タイヤに採用されている、技術のプレゼンテーションが行なった。最近のタイヤに欠かせない「シリカ」がテーマで、高性能タイヤから、省燃費タイヤ、スタッドレスタイヤに至るまで、トレッド・ゴムにシリカの混入がアピールされている。このシリカとは何か? なぜ必要なのかについて、横浜ゴムの先行開発本部・材料機能研究室の網野直也室長がプレゼンテーションを行なった。

タイヤゴムの三大特徴

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ゴムとは、つまりゴムの物性とは、柔らかい、大きく変形する、変形しても元に戻るという3要素に集約され、高弾性材料と呼ばれ、その柔らかさは金属の1万倍だ。

ゴムは引っ張られると長く伸び、引張力がなくなると元に戻るのは、ゴムの分子が長いという特長があり、長いゴムの分子はそれぞれが網のように絡まり合い、しかも架橋点と呼ばれる物理的、化学的な結合点を持ち、無数の結合点がずれることがないため、復元性を持っているわけだ。

弾性を高める加硫

ゴムの分子に架橋と呼ぶ結合点を作るために、ゴムを成形した状態で「加硫」が行なわれる。加硫とは、硫黄成分をゴムに混ぜ、加熱して分子間の結合反応を生み出すことで、これにより多数の結合点が生まれ多重結合となり、ゴムの弾性限界が高まる。ちなみにこの手法はアメリカのチャールズ・グッドイヤーによって発明されている。

天然ゴムと合成ゴム

ゴムそのものは、ゴムの木の樹液から作られる天然ゴムと、石油から作られる合成ゴムの2種類あるが、天然ゴムは強度が高く、低発熱な特性を持つため、トラック・バス用のタイヤ、航空機用タイヤに主として使用され、乗用車用タイヤにはタイヤの骨格部の構造用ゴムとして使用されている。

乗用車用タイヤは、トレッド部、サイド部、タイヤ内面などに幅広く合成ゴムが使用される。合成ゴムは、分子構造を調整することで様々な性能を引き出すことができるため、多用されており、トレッド部には加工性がよくグリップ力が得られるSBR合成ゴムが使用されている。

そして、カーボンブラックと呼ばれるカーボン(炭素)の粉体が混入される。カーボンを混入して加硫するとゴムの分子と結合し、多数の大きな架橋点を作るので、ゴムの強度が飛躍的に向上するのだ。またカーボンがゴムと馴染みやすい性質があるためをゴムの加工性も向上させることができる。

このためタイヤや産業用ゴムはカーボンを使用しているため、黒色のゴムとなり、これがタイヤが黒い理由だ。これらが従来のタイヤの基礎知識だ。では、次に最近アピールされている「シリカ」とは何か?

シリカの役割

シリカとは二酸化ケイ素のことで、自然界では地中の石英から産出される。このシリカは、食品添加物や顔料、健康食品、歯磨き粉、乾燥剤、消臭剤、農業肥料、建築用調湿剤、エナメル、シリカセメント、陶磁器など、現代の人の生活に関わる製品に幅広く使用されている材料である。

このシリカがタイヤのゴム材料に混入されるようになったのは1980年代からで、最初にタイヤのゴムにシリカを使用したのはミシュランだ。その後は、レーシングタイヤなどにも使用されるようになっている。

シリカという材料は吸湿性を持つので、タイヤのゴムに混入させると吸水性能が与えられ、少し濡れた路面などでのグリップ力を高める役割を果たす。しかしその一方で、シリカはゴムに混入するとシリカ同士が結合しやすく、ゴムの分子内部に均一に混合することが難しく、さらにゴムの分子とシリカの分子との結合が難しい、という課題があった。

シリカの新たな働きが実現

しかし近年、シランカップ剤と呼ばれる化学溶剤が発明され、シリカのタイヤへの採用が飛躍的に高まることになった。横浜ゴムは2000年代に入って乗用車用タイヤにシリカを使用し始めている。シランカップ剤とは、有機材料と無機材料と結合する特殊な溶剤だ。

ゴムにこのシランカップ剤とシリカ粉末を混入すると、シリカの分子とゴムの分子が結合しカーボンと同様の結合点を作り出すことが判明した。つまりシリカもカーボンと同様に、ゴムの強度を高める役割をもたせることが可能になったわけだ。

さらに、ゴムに混入するカーボンを減らしシリカを増量すると、ゴムのヒステリシスロス、つまりゴムの内部抵抗が減少し、よりタイヤが転がりやすい特性を持つことも明らかになった。タイヤの転がり抵抗を低減するということは、より低燃費のタイヤを作ることが可能になったということだ。

このようにシリカの混入とシランカップ剤を採用してタイヤ用のゴムを作ることで、タイヤの吸湿性(親水性と呼ぶ)と低転がり抵抗というふたつの特性を利用することができるようになった。

とはいえ、加硫の前段階として、ゴムにカーボンブラック、シリカ、シランカップ剤を大型のミキサーで混合するには技術的なノウハウが必要だ。シランカップ剤を有効に機能させるためには、シランカップ剤とゴムの混合時の温度の上昇具合と混合時間を精密にコントロールする必要があるのだ。

その他にシリカをより均一に混合させるためのノウハウも必要で、こうした混合技術は各タイヤメーカーの企業秘密の塊となっている。また、シランカップ剤は高コストなためもあって、シリカやシランカップ剤を使用せず、カーボン混入と合成ゴムのチューニングによりタイヤ性能を確保しているタイヤメーカーもあるという。

シリカ、シランカップ剤の混合のノウハウを獲得するためには、様々な実験の積み重ねや加硫後のシリカの分散状態などを検証する必要がある。そのためには、スーパーコンピューターなどを利用したシミュレーションが駆使されており、現在でも各材料の混合状態は、実験やシミュレーションの蓄積により、改良が続けられている。

なお、シリカを多用したタイヤは電気の導電性が低くなるため、車両で発生した静電気が蓄積されることになる。これは車両のEUCなどの電装系に悪影響を与える恐れがあるため、静電気を路面に逃がすためにトレッド部の中央に細いアース(導電性ゴム)が挿入されている。このアースは目視で見分けることは難しいが、シリカを高配合したタイヤの証ということもできる。<レポート:松本晴比古/Haruhiko Matsumoto>

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