EVタイヤ性能を革新するSinopecのNd40ゴム
電気自動車（EV）の急速な普及は、自動車部品、特にタイヤに対してこれまでにない要求をもたらしている。車両重量の増加、瞬時のトルク伝達、エネルギー効率と安全性への業界の強い重視により、タイヤメーカーはこれらの進化する要件を満たす先進的なゴムコンパウンドの開発においてますますプレッシャーにさらされている。高性能タイヤ材料における最新のブレークスルーの一つとして、Sinopec Yanshan Petrochemicalが開発した希土類シス-1,4-ポリブタジエンゴム、特にNd40グレードが、EVタイヤの性能向上において大きな優位性を持つことを示す新たな研究が注目を集めている。
この研究は、2024年7月号の『Petrochemical Technology』誌に掲載され、Sinopec Chemical Commercial Holding Co., Ltd. North China Branchのシニアエコノミストであるロン・ガン氏によって実施された。研究では、Nd40が国産のニッケル系代替材料を凌駕するだけでなく、主要な輸入希土類ゴムをも重要な性能指標で上回るという包括的な証拠が提示されている。この進展は、中国のゴム・タイヤ産業にとって画期的な瞬間を示しており、世界的な基準と競争可能な国内開発のハイテク材料への移行の兆しとなっている。
世界中の政府がカーボンニュートラルと持続可能な輸送を推進する中、EVは未来のモビリティの中心的な柱として浮上している。中国では、戦略的な政策支援とEVインフラへの積極的な投資により普及率が加速し、同国は世界最大のEV市場となった。しかし、この成長は新たな工学的課題ももたらす。内燃機関車両とは異なり、EVはその増加した車両重量（しばしば同等のガソリンモデルより10～30％重い）と高いトルク出力により、タイヤに独特の負荷をかける。これにより、トレッド摩耗の加速、制動効率の低下、転がり抵抗の増大につながり、これらの要因は航続距離、安全性、そして総合的な運転体験に直接影響を与える。
これらの課題に対処するため、タイヤエンジニアはゴム配合の最適化にますます注力している。タイヤコンパウンドにおける基盤ポリマーの選択、特にトレッドとサイドウォールでは、転がり抵抗、湿潤時のグリップ、耐久性、発熱性を決定する上で決定的な役割を果たす。広く使用されているBR9000のような従来のニッケル触媒シス-1,4-ポリブタジエンゴム（BR）は、長い間タイヤ製造の主力であった。しかし、その比較的広い分子量分布と低いシス-1,4含有量は、高いヒステリシス損失、増加した発熱、そして最適ではない転がり抵抗をもたらし、これらの欠点はEV用途で増幅される。
そこで登場するのが、希土類触媒ポリブタジエンゴム、別名ネオジム系（Nd）ゴムである。この先進材料は、希土類触媒を用いて合成され、通常96％程度であるニッケル系システムに比べ、97％を超える高い次数のシス-1,4構造規則性を可能にする。この高い立体規則性は、分子鎖の配向の改善、内部摩擦の低減、および機械的特性の向上につながる。その結果、転がり抵抗が低く、耐摩耗性に優れ、動的性能が卓越したゴムコンパウンドが得られ、これらは現代のEVタイヤの必要性に完璧に合致する特性である。
中国の合成ゴムセクターにおける主要なプレーヤーであるSinopec Yanshan Petrochemicalは、希土類ポリブタジエンゴムの開発と商業化の最前線に立ってきた。同社のNd40およびNd60グレードは、国内のポリマー技術における重要な進歩を代表する。ロン・ガン氏の研究は、トレッドとサイドウォールの両方のコンパウンドにおけるNd40の性能を体系的に評価し、輸入希土類ゴム（ドイツLANXESS社のA1）および国産ニッケル系BR9000と直接比較している。
トレッドコンパウンドの配合では、Nd40は優れた物理的・機械的特性を示した。溶液重合スチレン・ブタジエンゴム（SSBR）、シリカ、カーボンブラックと混合した場合、Nd40ベースのコンパウンドは23.4 MPaの引張強度を示し、これはBR9000ベースのコンパウンドより35.3％高く、Nd60および輸入品A1の両方よりも顕著に高かった。破断時の伸びは526％に達し、他の材料を大幅に上回った。これらの改善は、Nd40の高いシス-1,4含有量（98.09％）と好ましい分子量分布（PDI 2.48）に起因し、これらはひずみ誘起結晶化を促進し、全体的な耐久性を向上させる。
equally important is the compound’s dynamic mechanical behavior. In tire performance evaluation, the loss factor (tanδ) at 0°C is a key indicator of wet grip, while tanδ at 60°C correlates with rolling resistance. A high tanδ at 0°C ensures better traction on wet surfaces, critical for safety, while a low tanδ at 60°C indicates reduced energy loss and improved fuel (or energy) efficiency. The study found that the Nd40-based tread compound achieved the lowest tanδ at 60°C among all tested materials, translating to a 14.7% reduction in rolling resistance compared to BR9000. At 0°C, its tanδ was slightly lower than that of A1 but still within a range that ensures strong wet grip performance. This balance between low rolling resistance and adequate wet traction makes Nd40 particularly well-suited for EV tires, where energy conservation and safety must be optimized simultaneously.
耐摩耗性も、車両重量とトルクの増加によるEVタイヤの重要な要素として、アクロン磨耗試験を通じて評価された。Nd40コンパウンドは優れた耐摩耗性を示し、磨耗量は0.129 cm³で、BR9000（0.135 cm³）よりも良く、A1（0.104 cm³）とも競合できる結果であった。A1が最高の耐摩耗性を示したが、Nd40の全体的な耐久性は、その優れた引張強度と低い転がり抵抗を考慮すると、依然として非常に良好である。
サイドウォールへの応用に移ると、Nd40の性能利点はさらに顕著になる。サイドウォールは継続的な屈曲にさらされ、タイヤの寿命を通じて発熱、ひび割れ、疲労に耐えなければならない。研究では、サイドウォールコンパウンドは天然ゴム（SMR20）と各種ポリブタジエンゴムを50/50で混合して調製された。Nd40ベースのコンパウンドは、BR9000と比較して高い硬度、引張強度（19.8 MPa）、および引裂強度（81 kN/m）を示した。さらに重要なのは、圧縮試験中の発熱が大幅に低く、Nd40で48.1°C、BR9000で56.5°Cであり、発熱の14.9％低減を意味する。
低発熱性はEVタイヤにとって極めて重要である。過度の発熱は老化を促進し、構造的完全性を低下させ、故障のリスクを高める可能性がある。Nd40の改善された熱性能は、その高い分子規則性と鎖の柔軟性に関連しており、動的変形中の内部摩擦とヒステリシスを低減する。さらに、このコンパウンドは優れた耐屈曲亀裂性を示し、すべての試験片が51万回のサイクルに耐え、亀裂の発生は見られなかった。これは、反復応力下でのその耐久性の証である。
サイドウォールコンパウンドの動的機械分析は、Nd40の優位性をさらに裏付けた。60°Cでは、Nd40のtanδ値はすべてのテスト材料中で最低であり、サイドウォールからの転がり抵抗への寄与が最低であることを示している。これは重要な利点である。サイドウォールの屈曲は、タイヤの全エネルギー損失のかなりの部分を占めるためである。BR9000と比較して、Nd40コンパウンドは転がり抵抗を15.5％低減し、Nd60はさらに大きな21.3％の低減を達成した。これらの発見は、希土類ポリブタジエンがトレッド性能を改善するだけでなく、タイヤ構造全体の効率を向上させることを示唆している。
この研究で最も説得力のある側面の一つは、実際のEVタイヤの試作へのNd40の成功した応用である。2つの乗用車タイヤモデル（205/55R16 91Vと235/45ZR18 98W）が、トレッドとサイドウォールの両方のコンパウンドにNd40を使用して製造された。これらのタイヤは、寸法精度、高速性能、強度、転がり抵抗、湿潤グリップを含む国家規格に従い、厳格な試験を受けた。
205/55R16 91Vタイヤは卓越した性能を示した。その外形寸法は公称値にほぼ一致し、製造の一貫性を確認した。高速試験では、240 km/hの要求をはるかに上回る260 km/hまでの速度を維持し、国家規格を超過した。タイヤの強度は472 Jで測定され、295 Jの最低要求を大幅に上回った。最も注目すべきは、その転がり抵抗係数が6.5 kg/t未満で測定され、EUタイヤラベリング制度の下で「A」グレードを獲得した。この最高階級の評価は、卓越したエネルギー効率を反映し、EVの航続距離延伸に直接寄与する。騒音レベルは71 dBで記録され、標準要件を満たした。
より高性能なEV向けに設計された235/45ZR18 98Wタイヤも強力な性能を示した。欧州のTÜV Rheinland Groupによる独立した試験では、湿潤グリップ指数が1.415と確認され、「B」レベルに分類された。これは湿潤路面での非常に良好な牽引力を示す。その転がり抵抗係数は8.147 kg/tで、「C」カテゴリーに位置づけられた。小型タイヤほど効率的ではないが、この性能は依然として国内EVメーカーの期待を満たし、グリップとエネルギー消費の間のバランスのとれた妥協点を提供する。騒音レベルは72 dBとわずかに高く、これはより広く、性能志向のタイヤでは典型的である。
これらの実世界の結果は実験室での発見を検証し、Nd40が単なる理論上の改善ではなく、次世代EVタイヤの商業的に実行可能な解決策であることを実証している。この材料は、タイヤメーカーが国際的な性能ベンチマークを満たすか超える製品を、国内生産の高品質な原材料に依存しながら生産することを可能にする。
より広い産業の観点から、Nd40の成功は、中国が先進材料における自立を達成する努力における重要なマイルストーンを表している。歴史的に、高性能合成ゴムは欧米や日本のメーカーが支配してきた。Sinopecによる競争力のある希土類ポリブタジエンゴムの開発は、輸入への依存を減らし、自動車セクターの国内サプライチェーンを強化する。
さらに、環境への影響も注目に値する。低い転がり抵抗は、エネルギー消費の削減に直接つながり、EVにとっては一回の充電での走行距離の延伸と、車両のライフサイクルを通じた全体的な炭素排出量の低下を意味する。これは世界的な持続可能性目標に合致し、電動輸送というより広範な使命を支持する。
ロン・ガン氏の研究はまた、材料サプライヤー、タイヤメーカー、自動車メーカー間の協力の重要性を強調している。EVプラットフォームが静粛性、延伸された航続距離、強化された安全性への要求の高まりとともに進化し続ける中で、先進的なゴムコンパウンドの役割はますます大きくなるだけである。Nd40のような材料は、耐久性や効率を損なうことなく性能の限界を押し広げることを可能にし、革新の基盤を提供する。
今後を見据えると、分子量分布の微調整、機能性ポリマーの組み込み、または他の持続可能な材料との混合など、希土類ゴム配合のさらなる最適化により、さらに大きな性能向上が期待できる。さらに、Nd40の応用を乗用車タイヤを超えて商用車、オフロードEV、または特殊用途に拡大することで、その影響力を広げることができる。
結論として、『Petrochemical Technology』誌に発表されたこの研究は、SinopecのNd40希土類ポリブタジエンゴムがEVタイヤ産業にとって game-changer であるという説得力のある証拠を提供している。その優れた機械的特性、低い転がり抵抗、卓越した湿潤グリップ、および outstanding な耐久性は、現代の電気自動車に理想的な選択肢である。自動車業界が電動化へ移行する中で、材料革新はバッテリーやモーター技術と同様に重要である。Nd40により、中国はこの先進材料開発の重要な分野をリードする能力を示した。
ロン・ガン Sinopec Chemical Commercial Holding Co., Ltd. North China Branch 『Petrochemical Technology』 DOI: 10.3969/j.issn.1000-8144.2024.07.013