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PMMA をベースとした軽くて頑丈な透明樹脂を開発【住友化学】

2018年6月25日

PMMA をベースとした軽くて頑丈な透明樹脂を開発
~自動車前面窓の耐衝撃性試験をクリア~

ポイント
・ 今回、透明プラスチックのポリメタクリル酸メチル(以下、「PMMA」 )を
  ベースに開発し た軽くて頑丈な透明樹脂(以下、「本樹脂」)は、高透明性でありながら
  高剛性・高タフ ネス(※1)を兼ねそろえており、自動車の前面窓として
  JIS が定める耐衝撃性試験をクリ アした。
・ 本樹脂を自動車のキャビンを構成する
  前面窓やルーフ部材に適用することで、軽量化 による省エネルギー化だけでなく、
  視野確保による安全性の向上や解放感のある空間 の実現といった新たな付加価値も期待できる。
  ルーフ部材に適用した場合、合わせガラ ス重量の 6 割超、鋼板重量の 4 割の軽量化が見込める。
・ ガラスや金属の代替材料として自動車用部材のみならずさまざまな用途への展開が期待でき、
  軽量化などによる省エネルギー化につながる。

住友化学株式会社(以下、「住友化学」)は、このたび、内閣府の総合科学技術・イノベ ーション会議が推進する革新的研究開発プログラム(以下、 「ImPACT」) 「超薄膜化・強靱化 『しなやかなタフポリマー』の実現」(伊藤耕三プログラム・マネージャー、以下「本プロ グラム」)の一環として、ガラスや金属の代替となる高剛性・高タフネス透明樹脂を開発し ました。
 近年、薄くてもたわみが小さく、かつ割れにくい高剛性・高タフネス透明樹脂の開発が さまざまな分野で期待されています。PMMA は代表的な透明樹脂の一つであり、プラスチッ ク材料の中でも最高レベルの透明性、高い耐久性と傷がつきにくい硬さを兼ね備えた樹脂 として知られていますが、その一方で割れやすい性質を持つ材料でもあります。本プログ ラムにおいては、PMMA を出発点として、PMMA の長所を維持しつつ割れにくい性質を付与す ることで、高剛性・高タフネス透明樹脂の実現を目指してきました。
 本プログラムにおいては、共通課題として、分子レベルでの破壊挙動の解明に取り組んで おり、そこで得られた知見を分子・材料設計や高次構造設計に反映して研究開発を進めてきました。その結果、曲げ弾性率が延性破壊(※2)を示す従来の透明材料比で約 1.6 倍、シャル ピー衝撃強度が脆性破壊(※2)を示す従来の透明樹脂比で 10 倍以上という高剛性・高タフネ ス透明樹脂の開発に成功しました。本樹脂は、自動車用安全ガラス試験(JIS R3212)が定め る前面窓用合わせガラスの耐衝撃性試験をクリアしています。自動車のキャビンを構成する 前面窓やルーフ部材に適用した場合には、軽量化による省エネルギー化だけでなく、視野確 保による安全性の向上や解放感のある空間の実現といった新たな付加価値も期待できます。 ルーフ部材に適用した場合、合わせガラス重量の 6 割超、鋼板重量の 4 割の軽量化が見込まれます。
 本研究成果は、住友化学が培ってきた透明樹脂技術を基盤に、東京大学 伊藤耕三教授、大阪大学 原田明特任教授(常勤)、九州大学 高原淳主幹教授、小椎尾謙准教授、名古屋大学 岡 崎進教授、理化学研究所 高田昌樹グループディレクター(東北大学 教授)らの先導的な研 究と連携することによって得られたものです。
今後は、自動車用部材などの大型成形品への展開に向けたスケールアップの検討を進める とともに、本樹脂の特長を生かした幅広い分野への応用・展開に取り組み、軽量化による省 エネルギー化を通じて、持続可能な社会の実現に貢献することを目指します。

本成果は、以下のプログラム・研究開発課題によって得られました。
内閣府 革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)
https://www.jst.go.jp/impact/
プログラム・マネージャー: 伊藤 耕三
研 究 開 発 プ ロ グ ラ ム: 「超薄膜化・強靱化『しなやかなタフポリマー』の 実現」
             https://www.jst.go.jp/impact/program/01.html
研究開発課題: 「高靱性透明樹脂の開発」
研 究 開 発 責 任 者: 永松 龍弘 (住友化学株式会社 石油化学品研究所 所長)
研 究 期 間: 平成 26 年度~平成 30 年度

本研究開発課題では、透明樹脂の高剛性・高靱性の実現に取り組んでいます。

■伊藤耕三プログラム・マネージャーのコメント■
本研究チームでは、「透明樹脂強靭化プロジェクト」において、代表的 な透明樹脂である PMMA を対象に、高透明性を維持したまま、従来トレ ードオフの関係にあった高剛性と高タフネスを高水準で両立させると いう非常に難しい課題に取り組んでいます。今回、住友化学が有する各 種材料技術と、アカデミアによる破壊に関する分析・解析技術やシミュ レーション技術との連携により、分子レベルでの高次構造制御に成功し た結果、高透明性と高剛性を保ったまま、従来の 10 倍以上の耐衝撃性 を実現したものです。これは、タフポリマー化のための新たな材料設計 指針を示唆するとともに、自動車の前面窓やルーフを樹脂製に変える可 能性を示す画期的な成果と言えます。今後は、スケールアップ技術を構 築して、自動車用部材への適用を具現化するとともに、それ以外の幅広 い用途にも展開されることを期待しています。

<研究の背景と経緯>
近年、自動車の軽量化による省エネルギー化を目指して、金属やガラス製部材から樹脂へ の置き換え研究が進められています。例えば、前面窓やルーフ部材といった自動車のキャビ ンを構成する部材を透明樹脂に置き換えることができれば、軽量化による省エネルギー化だ けでなく、視野確保による安全性の向上や解放感のある空間の実現といった新たな付加価値 も期待できます(図 1) 。 しかし、従来の透明樹脂は、金属やガラスと比べるとたわみやすく、部材の設計強度を維 持するためには部材自体を厚くする必要がありました。そのため、本来の目的である軽量化 効果が大幅に低下し、意匠性も損なわれるといった課題がありました。

PMMA は、プラスチック材料の中で最高レベルの透明性、高い耐久性と傷がつきにくい硬さ を兼ね備えた樹脂です。本プログラムでは、この PMMA を技術の出発点として、産学の密接な 連携の下、たわみが小さく、かつ割れにくい革新的な高剛性・高タフネス透明樹脂の開発に 着手しました(図 2) 。

<研究の内容>
一般的に樹脂材料の破壊挙動として、樹脂材料を引っ張った際に、ほとんど伸びることな く途中で突然割れてしまう脆性破壊、および樹脂が伸びきってから切れてしまう延性破壊が 知られています。脆性破壊を示す代表的な透明樹脂として PMMA、延性破壊を示す代表的な透 明樹脂としてはポリカーボネートが知られています。PMMA は剛性が高くたわみにくい反面、 割れやすいという性質を有していますが、ポリカーボネートは割れにくい反面、剛性が低く たわみやすいという性質を有しています。そのため、PMMA をベースに高剛性・高タフネス樹 脂を開発するためには、PMMA のたわみにくい性質を維持しながら、延性破壊を示す樹脂材料 の割れにくい性質を付与する必要がありました(図 2)。

本プログラムにおいては、ガラス状ポリマーの脆性-延性転移(※3)挙動に着目し、破壊挙 動の分子レベルでの本質理解を深めるとともに、PMMA の高剛性・高タフネス化技術の確立に 取り組んできました。

具体的には、以下のサイクルを回すことで、脆性破壊および延性破壊のそれぞれの機構を ミクロな視点で解析し、そこで得られた知見を分子・材料設計や高次構造設計に反映して開 発を進めてきました。 ① 大規模放射光設備などを活用した破壊過程の観察・解析により、破壊機構を解明し、 脆性・延性挙動を支配する分子構造や分子レベルでの高次構造の指針を得る。 ② 本プログラムの共通課題として進められている理論物理・計算機による破壊シミュレ ーションを活用し、最適な分子構造や分子レベルでの高次構造の指針を得る。 ③ ①②で得られた指針に従い、分子・材料設計や成形加工プロセスによる分子レベルで の高次構造制御を行い、設計指針の検証を行うとともに、検証結果を機構解明やシミ ュレーション構築にフィードバックする。

その結果、曲げ弾性率については延性破壊を示す従来の透明材料に対して約 1.6 倍、シャ ルピー衝撃強度については脆性破壊を示す従来の透明樹脂に対して 10 倍以上の革新的な高 剛性・高タフネス透明樹脂の開発に成功しました。本樹脂を自動車のルーフ部材に適用した 場合、合わせガラス重量の 6 割超、鋼板重量の 4 割の軽量化が期待できます(図 3) 。また、 本樹脂は、自動車用安全ガラス試験(JIS R3212)に準拠する前面窓用合わせガラスの耐衝撃 性試験をクリアしています(図 4) 。 本研究開発は、住友化学が培ってきた透明樹脂技術を基盤としつつ、東京大学 伊藤耕三教 授、大阪大学 原田明特任教授(常勤)、九州大学 高原淳主幹教授、小椎尾謙准教授、名古屋 大学 岡崎進教授、理化学研究所 高田昌樹グループディレクター(東北大学 教授)らの先導 的な研究との連携の下で進められ、その結果、ブレークスルーを実現したものです。

<今後の展開>
今後は、自動車用部材などの大型成形品の作製に向けスケールアップ検討を進めるととも に、本樹脂の特長を生かした幅広い分野への応用・展開を進めます。そして、自動車の軽量 化などによる省エネルギー化の実現を通じて、持続可能な開発目標(SDGs)の達成に貢献する ことを目指します。





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