シリカはゴム産業でどのように使用されていますか？

現代のゴム配合材におけるカーボンブラックからシリカ（ホワイトカーボンブラック）への移行

シリカは、別名ホワイトカーボンブラックとも呼ばれ、企業が従来のカーボンブラックに代わるより環境に優しい代替材料を求めるようになった1990年代初頭から、ゴム産業において主流の素材となっています。その主な理由は、シリカがタイヤ性能と環境に配慮した生産の両立を可能にするためです。例えば商用トラック用タイヤでは、昨年『Frontiers in Materials』に発表された研究によると、トレッドにシリカを使用した製品は、従来のカーボンブラック製品と比較して転がり抵抗を約20〜30％低減できるといわれています。車両の燃費効率に関する規制の強化や、濡れた路面でのグリップ性能の向上がこの変化を後押ししており、とりわけ環境基準が厳しい欧州市場や北米の一部地域で顕著です。

ゴムマトリックスにおけるシリカの補強機構

シリカは、物質との物理的および化学的な相互作用により、ゴム複合材料の性能を大幅に向上させます。表面積が約150～200平方メートル/グラムの範囲にあることで、シリカはフィラーとポリマーの間に強い結合を形成します。さらに、その表面にあるヒドロキシル基は、シランカップリング剤と組み合わせることで実際に化学結合を形成できます。2024年に発表された最近の研究では、こうした最適化されたナノコンポジットが調査され、興味深い結果が得られました。炭素黒を使用した類似材料と比較して、シリカを充填材として用いた材料は、引き裂き強度が約15%向上していました。その理由は、応力が材料全体により均等に分散されるためです。もう一つの利点は、炭素黒のグラファイト様構造に対して、シリカが非晶質構造を持っていることにあります。この違いにより、繰り返しの伸縮や圧縮サイクルにおいてシリカはエネルギーをより効果的に散逸させるため、タイヤや継続的な動きにさらされるシールなど、動的条件下での性能が向上します。

トラック用タイヤトレッドの性能比較：シリカ対カーボンブラック

シリカはカーボンブラックに比べて5～8%の耐磨耗性で劣るものの、その 実際の高速道路使用条件下で40%長いトレッド寿命 はこの欠点を補って余りある。主に優れた熱管理性能とヒステリシスの低減によるものである。

高性能タイヤおよびエコタイヤにおけるシリカ採用の増加

現在、高級乗用車用タイヤの3分の2以上が、主な補強材としてシリカを採用しています。この変化は、欧州連合（EU）のタイヤラベリング規則や、消費者の燃費性能への関心の高まりによって大きく後押しされています。スペシャリティケミカルズレポート（2023年）の最新データによると、冬季用タイヤにシリカ充填剤を使用した場合、都市部での走行条件下で約7〜9％の燃費改善がメーカーにより観察されています。電気自動車（EV）市場の拡大もこの傾向をさらに加速させています。なぜなら、シリカは内部摩擦を小さくする特性を持っており、バッテリー重量が重いEVでは、少しのエネルギー効率も重要になるためです。

機械的特性のバランスを最適化するためのフィラー配合量の調整

性能の最適点は、シリカの配合量が通常100レーザー当たり60～80部前後になることが多いです。しかしフィラー含量が100 phrを超えると、状況は難しくなり始めます。化合物は著しく硬くなり、通常ショアAスケールで25～30ポイント程度上昇しますが、その代償として柔軟疲労抵抗が非常に大きく低下し、場合によっては40%も減少することがあります。幸いなことに、現代の製造技術はこの分野で進歩を遂げています。多段階混合プロセスなどの技術により、加工温度を150度未満に保ちながらも引張強度を18 MPa以上に維持することが可能になっています。この温度管理は極めて重要であり、生産中にシランが早期に反応してしまうのを防ぎ、ロット全体が台無しになるリスクを回避します。

タイヤ性能の向上：シリカが転がり抵抗とウェットグリップに果たす役割

タイヤ性能の『マジックトライアングル』を理解する

現代のタイヤ設計者は、3つの主要な課題の間で綱渡りしなければなりません。それは、タイヤがどれだけの燃料を消費するか（転がり抵抗）、濡れた路面でのグリップ力（安全性）、そして摩耗するまでの耐久性です。シリカはここでゲームチェンジャーとして注目されています。なぜなら、メーカーがしばしば「マジックトライアングル問題」と呼ぶ課題を克服するのに役立つからです。走行中にタイヤが変形すると、シリカは濡れた路面での滑りを増やすことなく、エネルギー損失を実際に低減します。2024年にTraction Newsが発表した最近の研究でも非常に印象的な結果が示されました。そのテストによると、トレッドにシリカを含むタイヤは、従来のカーボンブラック配合と比べて、転がり抵抗を18～24％も低減できる一方で、ウェットブレーキ性能は同等、あるいは場合によってはさらに向上するというのです。

シリカがヒステリシスおよびトラクション特性をどのように制御するか

シリカの多孔質な性質により、カーボンブラックと比較してポリマーと充填材の間の結合がより強化され、材料が繰り返し変形しても発生する熱が少なくなります。このサイクル中の発熱量の低減は、自動車の燃料経済性の向上につながります。テストでは、発熱量を約12%削減することで、普通の乗用車の燃費が5～7%向上することが示されています。興味深いことに、シリカは化学的にもその働きを持っています。その極性表面特性により、湿った路面でのタイヤと道路とのグリップが実際に向上します。実験室での試験では、制御された条件下でウェットトラクションが最大30%も改善されるという非常に印象的な結果が得られています。

シリカ充填トレッドによる乗用車の燃費効率の向上

Fleet Equipment Magazineの2024年分析で実証されているように、シリカ強化タイヤを使用することで自動車メーカーは平均して100kmあたり0.3～0.5リットルの燃料節約を報告しています。これは一般的なセダン1台あたり年間120～200kgのCO₂削減に換算されます。EUの排出基準によりタイヤ効率ラベリングが義務付けられていることを背景として、欧州の自動車業界では前年比27%の採用増加が見られています。

シリカとカーボンブラック：表面化学および性能上のトレードオフにおける主な違い

持続可能なモビリティのためのフィラー技術における分岐する道筋

持続可能なモビリティのトレンドにより、シリカはタイヤ製造におけるカーボンブラックに対する主要材料としての地位を大幅に強化しました。カーボンブラックは依然として重負荷用途で広く使用されていますが、現在の状況を見てみましょう。スミサーズ社の昨年の調査によると、シリカは乗用車用タイヤの配合材の約70%を占めています。その理由は何か？ シリカは業界で「マジックトライアングル問題」と呼ばれる複雑なトレードオフを実際に解決できるからです。また、燃費性能向上を求める規制の強化も、この変化を後押ししています。試験結果では、従来のカーボンブラックを使用したタイヤと直接比較して、シリカを使用したタイヤは転がり抵抗を約30%低減できることが示されています。

表面化学およびポリマー相互作用：シリカの結合が異なる理由

シリカの表面には水酸基が存在し、これが水素結合を通じて実際にゴム分子と結合する。これは、非極性の黒鉛層を持つカーボンブラックでは起こらない現象である。この極性の違いにより、シリカとゴムの界面ではより強い結合が生じる。しかし、注意点もある。シリカ粒子が凝集しないようにするために、TESPT（ビス-(トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド）などのシランカップリング剤が必要となる。2022年に『Rubber Chemistry and Technology』に発表された研究によると、TESPTとともにシリカを使用することで、従来のカーボンブラック配合と比較して約40％多くの架橋構造が形成されることが分かっている。これにより、引裂き強度が向上し、跳ね返り特性も全体的に改善される。それでもなお、カーボンブラックは製造時の取り扱いが容易で、自然に電気を導くため、静電気の蓄積が問題となる産業用途や特殊車両部品などにおいて依然として人気が高い。

耐摩耗性と加工性のトレードオフ

シリカの採用にはいくつかの実用上の妥協点が伴う：

• 耐磨性 ：トラック用タイヤにおいて、シリカを使用したものはカーボンブラック製品に比べてトレッド摩耗率が15%高くなる（Fleet Equipment, 2023）。ただし乗用車用タイヤでは差は無視できる程度である
• 加工上の課題 ：シリカ化合物は有効なシラン化を確保するため、混合時間を30%長くし、厳格な水分管理（湿度0.5%未満）を必要とするため、トン当たり18米ドルのエネルギーコスト増加につながる（Polymer Engineering & Science, 2022）
• 分散の複雑さ ：分散が不十分な場合、均一に混合されたバッチと比較して引張強度が最大25%低下する可能性がある

最近のコンパウンド技術の進展により、商用トラック用タイヤでは、シラン改質シリカシステムによってこれらの欠点の最大80%を軽減できることが示されており、今後フィラー性能が収束していく可能性を示唆している。

シリカ-シランカップリング機構およびシラン化技術の進展

シリカとゴム間の親和性の低さを克服する

シリカの極性を持つ水酸基は、非極性のゴムマトリックスを自然に反発するため、界面接着が弱くなる。処理されていないシリカ充填ゴムは、カーボンブラックを充填した同等のものと比べて引張強度が38%低下する（ScienceDirect, 2020）。シランカップリング剤は分子橋として働き、互いに適合しない界面を、耐久性があり共有結合したネットワークへと変換する。

混合時のシラニル化反応の化学

シラニル化プロセスは、コンパウンディング中に3段階で進行する。

1. エトキシ基の加水分解（Si-OC₂H₅ → Si-OH）
2. シラノールとシリカ表面間の水素結合
3. ゴム鎖との硫黄を介した架橋
   ビス-(トリエトキシシリルプロピル)テトラサルファイド（TESPT）は依然として主流のカップリング剤であり、その硫黄基は145°Cで分解してポリサルフィド結合を形成する。この反応は、 60–70%現代のトレッドコンパウンドにおける架橋の合計の割合に寄与する。

ビス-(トリエトキシシリルプロピル)テトラサルファイド（TESPT）の架橋密度への影響

環境にやさしく、より迅速に作用するシランカップリング剤の開発

TESPDやNXTのような最新世代のメルカプト系シランは、TESPTを使用する場合に比べて、加工温度を約15度、場合によっては20度ほど低下させることができます。最近では、より多機能化した新材料も登場しています。これらの材料はカップリング剤としての働きに加え、同時に抗酸化剤としても機能するため、工場での製品製造時に揮発性有機化合物（VOC）の排出量を約40％削減できます（2023年の『Polym. J.』誌の最近の研究がこれを裏付けています）。また、もう一つ注目に値する利点として、あらかじめ加水分解された液状タイプにより、製造現場で使用される大型連続式コンパウンダー内で、すべての材料を90秒以内に混合できるようになります。このようなスピードの向上により、生産規模を拡大しようとする企業は、予算を大幅に増やさずに運用を容易にスケールアップできるようになります。

シリカ充填ゴム化合物の処理上の課題と工業的考慮事項

混合時の高粘度および水分感受性

シリカ充填化合物は 30～50%高い粘度 をカーボンブラック配合に比べて示す（Frontiers in Materials, 2025）。これにより加工が複雑になる。シリカの吸湿性は、製造環境における厳格な湿度管理を必要とする。適切な温度プロファイル管理により、シランの早期反応を最小限に抑えつつ完全な分散を確保でき、実際の工業試験では廃棄率を最大18%削減できることが示されている。

フィラーとゴムの相互作用および分散問題

良好な補強を得るには、シリカを材料全体に均等に分散させることが非常に重要ですが、シリカは非極性のゴム材料との界面で相互作用が悪いため、これが困難です。しかし、この問題を回避する方法もあります。一部のメーカーは、あらかじめ処理されたシリカマスターバッチを使用したり、混合方法を調整したりすることで、フィラーが凝集するのではなく、実際にゴムとより良く結合するようにしています。このような凝集体が形成されると、最終製品に弱点が生じます。研究によると、シリカ粒子の表面を修飾することで、通常のシリカよりもはるかに良い分散性が得られます。ある研究では、従来の方法と比較して、トラック用タイヤのサイドウォールにおけるシリカの分散性が約25～30%向上したことが示されています。

処理時のエネルギー消費増加と高性能化のバランス

ローリング抵抗およびウェットグリップにおいて22～35%の性能向上を実現する一方で、シリカ配合材は 混合エネルギーを15～20%多く必要とする (Frontiers in Materials, 2025)。この課題に対処するため、メーカーは以下を採用しています：

• ターゲット型せん断ゾーンによる多段階混合
• 低温シラン化のための反応性押出
• リアルタイム粘弾性モニタリングシステム

これらの革新により、短期的な生産コストと長期的な性能向上の両立が可能となり、乗用車用および商用タイヤの両セグメントでシリカが実用的な選択肢となっています。

よくある質問

ゴム配合材においてカーボンブラックからシリカへ移行している主な理由は何ですか？

この移行は、シリカがタイヤ性能を向上させ、転がり抵抗の低減や燃費効率の改善といった環境に優しい利点を提供できる能力によって推進されています。

シリカはゴム複合材料をどのように改善しますか？

シリカはゴムマトリックスと物理的および化学的に相互作用し、より強固なフィラー-ポリマー結合を形成するとともに、優れた応力分散とエネルギー散逸を提供します。

カーボンブラックに代えてシリカを使用することによるトレードオフは何ですか？

シリカは、カーボンブラックと比較してわずかに摩耗抵抗が低下し、処理の複雑さやコストが増加する可能性があるが、長期的な性能面での利点を提供する。

シリカベースのタイヤ技術においてどのような進展が見られているか？

進展には、環境に優しいシランカップリング剤、分散性の向上技術、およびタイヤ性能をさらに高めるための最適化されたフィラー配合が含まれる。

なぜシリカは高性能タイヤやグリーンタイヤで好まれるのか？

シリカは燃費効率の向上、より優れたウェットグリップ性能、およびトレッド寿命の延長を実現するため、高性能かつ環境に配慮したタイヤ設計で広く採用されている。