ゴム工業におけるハイテク技術の応用

人類は科學技術上の発見、創造、発展の徳に満ちた20世紀を過ごした後、新しい千年に入り始めた。専門家は予見する。21世紀、物質科學と生命科學の突破、生物技術、情報通信技術、新材料技術の広範な応用を代表として、科學技術は人類社會の変革と発展の主導的な力になるだろう。ハイテク分野は広く、主に情報通信、生物、新材料、先進製造、航空宇宙、エネルギー、海洋、環境保護などがあり、各分野の間で相互に交差し、融合と集積が日々普遍化しており、この融合と集積は新たな技術革命と産業革命を育んでいる。

ハイテク技術の発展はまた各種伝統工業の発展を力強く促進し、世界のゴム工業も例外ではなく、現在ゴム工業と関係があるハイテク技術分野は主に、情報通信技術、生物技術、新材料技術と光機電気一體化技術の四つの種類がある。ゴム工業の新型原材料、新製品、新設備、新技術などの進歩はすべてハイテク技術の応用に恩恵を受け、ハイテク技術を利用して伝統的なゴム工業を改造し、生産技術をハイテク技術に発展させ、我が國を世界ゴム工業強國に建設するための必ず通らなければならない道である。

一、新材料技術の応用

新材料技術は「ハイテクの基礎」と呼ばれ、各工業化國家は新材料技術の発展を特殊な戦略的位置に置いている。新材料の種類は高性能構造材料、電子情報材料、醫療用生物材料とナノ材料があり、ゴム工業と密接な新材料は主に高性能構造とナノ材料である。

高性能構造材料とは、高強度、高靭性、耐高溫、耐摩耗、耐腐食などの特殊性能の材料を指す。また、熱可塑性樹脂系複合材料、金屬系複合材料、セラミック系複合材料、セラミック系複合材料などのマトリックス材料（樹脂、金屬、セラミックなど）と補強剤（繊維狀、ウィスカー狀、顆粒狀など）とを複合した複合材料をも含む。

ナノ材料は一般的に粒徑が1?100 nm間の粒子を指し、典型的なミクロ系でも典型的なマクロ系でもなく、典型的なメソスコピック系である。研究によると、材料のサイズが100ナノメートル未満の場合、表面効果、量子サイズ効果、體積効果、量子トンネル効果などが発生するため、材料に伝統的な固體が持たない化學性能、機械性能、電気性能、磁気性能と光學性能などの特異な性能を表現させ、それによって國內外の高度な重視を引き起こし、ナノテクノロジーは21世紀に技術革命を起こすだろう。

ゴム工業の原材料には、本體材料、骨格材料、助剤材料の3つの種類があり、これら3つの材料がゴム製品の特性と機能を決定していると言える。ゴム工業の発展は基本的にこの3大材料の発展にかかっており、今後はゴム工業用主體材料と骨格材料が高性能構造材料へ、ゴム助剤がナノ材料へと発展すると予測されている。

1、本體材料

ゴム製品は天然ゴムを主體材料として発展し始め、今日になって、いわゆるゴム製品の主體材料はすでに重大な変化が発生して、現在ゴム工業で使用されている主體材料は天然ゴム、合成ゴムのほか、熱可塑性エラストマーと液體ゴムがある。ここ數十年來、ホスト材料の最大の変化は、熱可塑性エラストマーが大きく発展したことにほかならない。

熱可塑性エラストマー（TPE）はゴムとプラスチックの間に介在する高分子材料であり、それはゴムの物理機械性能とプラスチックの技術加工性能を兼ね備えると同時に、返送材と廃棄製品は再利用することができ、ゴムとプラスチックとは異なる全く新しい高分子材料である。熱可塑性エラストマーは以上の優位性を持っているため、1950年代に市場に投入されて以來、急速な発展を遂げ、その生産量は60年代の年平均成長率層は16%に達し、90年代に入って7%に安定し、1998年には114萬トン、2000年には170萬トンに達し、2010年には250萬トン以上に達する見込みである。今から熱可塑性エラストマーは安定した発展時期に入ったと言える。熱可塑性エラストマーの急速な発展と対照的に、ゴムとプラスチックの発展は停滯しており、現在のゴムとプラスチックの年間成長率はわずか1%と2.4%であり、これは熱可塑性エラストマーの発展潛在力を十分に説明している。現在、熱可塑性エラストマーはすでに10數品種に発展し、一部の天然ゴムと合成ゴムの代わりに、自動車部品（管、帯、マット、板など）、建設業、靴製造、醫療製品、密封製品、包裝製品、電線ケーブル、日常生活製品、接著剤及び高分子材料の改質など、タイヤ以外の各種ゴム製品に広く応用されている。そのうち、自動車用熱可塑性エラストマーは頭でっかちで、3分の1を占め、次いで建設業、醫療用、日用生活製品である。しかし、熱可塑性エラストマーの最大の欠點は耐熱性や動的疲労性などが劣り、その応用範囲の拡大に影響を與え、特にこれまでタイヤへの応用が成功しなかったことは大きな遺憾である。それでも、熱可塑性エラストマーはゴムに近い性能と便利な加工特徴と回収の優位性で、材料分野で大きな成功を収め、その市場は著実に発展するだろう。それと同時に、ここで出會ったゴム界の専門家はその耐溫性、耐動的疲労性などの比較的悪い點に対して大量の開発作業を展開し、そして喜ばしい進展があって、例えば：動的加硫とメタロセン觸媒技術の応用は、熱可塑性エラストマーを高性能な方向に大きく前進させた。近い將來、ゴムに完全に置換できる高性能の熱可塑性エラストマーが必ず出現すると信じて、その時、ゴム工業用主體材料、生産技術などは根本的に変化し、同時に廃棄ゴムの回収利用を徹底的に解決し、環境保護の大きな難題を保護することができる。

液體ゴムもゴムに代わる非常に発展性のある主體材料であり、液體ゴムはゴム工業を革新する最も根本的な方法であり、それは複雑な固相加工を簡単な液相加工に変更し、膨大な技術加工設備を切り落とし、加工技術を大幅に簡略化し、材料の混合、成形、加硫を一體化させた。液體ゴムの中で注目されているのはポリウレタンゴムで、生産量はすでに100萬トン以上に達しており、最初は主に靴作りと微孔弾性材料に用いられていたが、その後徐々にテープ、ゴムチューブ、ゴムロールなどの製品に用いられ、近年では自転車用タイヤ、中実タイヤ、工業用タイヤ、農業用タイヤなどの低速タイヤの生産に大量に用いられている。これらの製品は耐久性があり、色が鮮やかで、ユーザーに人気があります。しかし高速タイヤ用は開発中である。

2、骨格材料

ゴム骨格材料は主に鋼線、ナイロン、ポリエステル、高強力レーヨンと各種短繊維があり、タイヤなどのゴム製品の性能の要求に応じて、骨格材料の性能に対する要求もますます高くなっている。高強力、高弾性率への発展は今後のゴム骨格材料の方向である。タイヤに応用されているアラミド繊維は、鋼線の強度と繊維の柔軟性を兼ね備えた有望な骨格材料である。近年、西歐では全芳香輪を骨組み材料としたラジアルタイヤが販売されており、タイヤ重量が約30%減少し、タイヤの走行性能、特に転がり抵抗が大幅に低下し、エンジニアリングタイヤに使用することでタイヤの耐穿刺耐切斷性能を大幅に向上させることができるとともに、アラミドは歯形ベルトと輸送ベルトにも応用を開始し、ベルト強度と使用壽命を向上させた。アラミドは將來性の高い骨格材料になるだろう。

米國聯信公司はPEN（ポリパラフタレンジカルボキシレート繊維、ポリエステル系繊維に屬する）を開発し、普通のポリエステル繊維と比べて、強度が20?25%向上し、弾性率が130%高く、屈曲疲労後のコードの強力保持率が5?10%向上し、ガラス転移溫度及び溶融溫度が高く、耐熱性が良い。

英國SHEII社が開発したPOK繊維（ポリメチルケトン繊維）は、強度指數が200（レーヨン100、ポリエステル60、PEN 100、アラミド300）、弾性率指數が250（レーヨン00、ポリエステル60、PEN 100、アラミド300）であり、しかも優れた耐熱性、収縮率が低く、浸漬処理が不要である超高強度、超高弾性率繊維である。POK繊維は21世紀に最も有望なタイヤコードになる可能性が報告されている。

また、イタリアのマルチ耐久會社、ベルギーのベカルト社はワイヤ/繊維複合コードを開発している。

3、ゴム助剤

ゴム助剤は加硫助剤、防護助剤、補強充填剤、接著助剤、技術操作助剤と特殊助剤の6種類を含み、ゴム製品の3元材料の1つであり、ゴム製品における消費量はゴムの約50%を占め、2000年に我が國はゴム助剤の約100萬トンを消費した。ゴム助剤の大部分は粉體狀であり、例えばカーボンブラック、ホワイトカーボンブラック、等補強充填剤、促進剤、老化防止剤等である。粉體狀物質として、現在の重要な発展傾向はナノ材料への発展である。

実際、ナノ材料とゴム工業の関係は非常に密接であり、大部分の粉狀ゴム助剤の粒子徑はナノ材料の範囲にあるか、ナノ材料の範囲に近い、例えばカーボンブラック11?500 nm、ホワイトカーボンブラック11?110 nmである。ゴム製品の生産にナノ材料を使用し、20世紀初頭からカーボンブラックを使用して補強することに始まり、40年代にはナノホワイトカーボンブラックを使用してゴムを補強し、タイヤを製造することに成功した。現在、世界的に有名なタイヤ工場ではカーボンブラックに代わってグリーンタイヤや省エネタイヤを製造するようになり、5－10%のカーボンブラックに取って代わったと言われている。

ナノ炭酸カルシウムは1980年代から発展し始めたもので、工業化を実現する數少ないナノ材料の一つである。その粒子は細く（1－100 nm）、比表面積が大きく、白色度が高く、表面は活性化処理され、膠材の結合が容易で、それをゴム製品の中に充填し、製品の表面を滑らかにすることができ、耐張力が高く、耐引裂、耐屈曲、耐亀裂、製品の性能は普通の炭酸カルシウムより大幅に向上するだけでなく、増容してコストを下げることができる。粒徑が20 nm未満の炭酸カルシウムは、白炭黒に匹敵する補強作用を有する。日本では1950年代からゴム工業にナノ炭酸カルシウム品種の白艶華などを応用しており、不通のゴム製品によってはカーボンブラックやホワイトカーボンブラックの一部と大部分を代替することができる。

ナノ酸化亜鉛はゴム製品の機械的性質を高めるだけでなく、その使用量は通常の酸化亜鉛より30?50%節約される。

また、ナノクレイ、ナノ三酸化アルミニウム、ナノ二酸化チタンなどのゴム工業への応用も進展している。ナノ材料の一連の特異性能は多種多様なゴム製品に大いに役立つため、伝統的なゴム工業におけるナノ材料の応用を強力に推進する意義は大きい。

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