昭和電工 AIを活用した設計条件の探索、NNモデルを開発

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2021年12月3日

 昭和電工は2日、物質・材料研究機構(NIMS)、東京大学と共同で、2000系アルミニウム合金の設計条件と機械特性の相関を高精度で予測するニューラルネットワーク(NN)モデルを開発したと発表した。このモデルを活用することで、これまで困難であったアルミ合金の高温域での強度保持に最適な組成や熱処理条件の探索を迅速化し、合金の開発に要する時間を2分の1~3分の1程度に短縮することが可能になる。

 アルミニウムは幅広い用途で使用されているが、アルミ単独では強度が低いため、一般には銅やマグネシウムなどの元素を添加したアルミ合金として利用される。アルミ合金は、100℃以上の高温保持時に強度が急激に低下するため、用途に応じて、高温下でも強度を維持できる合金の開発が求められている。しかし、元素の種類や合金自体の製造方法など、合金の特性を左右する因子が多く、要求特性を満たすアルミ合金の組成決定には、開発者の経験や知見、評価や分析を重ねる必要があり、開発に長い時間がかかっていた。こうした課題を解決するため、同社は戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)に参画。NIMS、東京大学とともに、AIの一種であるNNを活用し、材料開発を加速、より広範囲での最適な合金設計条件の探索を可能とするシステムの開発を進めてきた。

 同開発では、2000系アルミ合金を対象とし、日本アルミニウム協会などの公開データベースから収集した同合金の410種類の設計データを用いて、室温から高温にわたる幅広い温度域での強度を高精度で予測するNNモデルを開発。さらに、NNモデルの構造とパラメータを、レプリカ交換モンテカルロ法を用いたベイズ推定により最適化し、強度予測値の正確さについても評価することが可能となった。

 なお、このNNでは、1万個の条件を2秒という速さで計算できるため、多くの設計因子を短時間かつ網羅的に評価できる。さらに、任意の温度において必要な強度値を入力することで、それを満足する合金を得られる確率を最大化する設計条件を提示する、「逆問題解析ツール」の開発にも成功し、200℃の高温下でも高い強度を維持できるアルミ合金の設計が可能となった。

 同社グループでは、長期ビジョンにおいて、基礎研究の柱の一つとしてAI・計算科学に注力。今回の成果をグループのもつ様々な素材開発に応用して開発を加速し、顧客課題を解決するソリューションを提供していくことで社会の発展に貢献していく。

アルミニウム合金の逆設計

理化学研究所 無溶媒で超分子ポリマーの精密重合に成功

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2021年12月2日

 理化学研究所はこのほど、フタロニトリル分子からフタロシアニンの超分子ポリマーを無溶媒条件下で合成することに成功した。超分子ポリマーはモノマーが非共有結合で連結したもので、モノマーにまで切断・再利用できるため、持続可能な社会の実現に向けて有望だ。

 一般に、超分子ポリマーは溶媒中で生成させる。無溶媒条件で生成した超分子ポリマーは、その構造を保ったままで使用できるメリットはあるが、反応が不均一になりやすく、鎖長や異種モノマーの順番をそろえた精密合成は不可能だと考えられてきた。

 今回、アミド含有ジチオアルキル基を2個もつフタロニトリル分子を合成。それをガラス板に挟み、160℃で溶融させると、緑色の繊維状結晶が生成し成長した。紫外可視光吸収測定とマトリックス支援レーザー脱離イオン化質量分析により、フタロニトリル4分子が環化してできたフタロシアニンで構成されていることが分かった。

 偏光顕微鏡観察から高い結晶性をもつこと、粉末X線回折、X線小角散乱、制限視野電子回折による構造解析から、フタロシアニンがアミド同士の水素結合を介して一次元に連結した超分子ポリマーであることが分かった。また、金属塩を共存させると、金属フタロシアニン単独の超分子ポリマーが生成した。

 フタロニトリルの加熱とともに、フタロシアニンの吸収波長700㎚の光吸収が増加。その増加挙動から、フタロシアニンが自己触媒的に生成している可能性が示された。190℃24時間加熱後のフタロシアニン収率は83%で、通常の液相合成の20~25%に比べて極めて高い。これは、ポリマー末端のフタロシアニン上に四つのフタロニトリルが水素結合と双極子相互作用で環状に配列する「自己触媒作用」のためだと考えられる。

 これはリビング重合であり、フタロシアニンと金属フタロシアニンの順番や長さを精密に制御したブロックコポリマーを合成することも可能だ。通常の化学合成では反応を均一にするために大量の溶媒が使われるが、この反応系に溶媒を用いると、これらの特性は発現しない。

 今回の結果は、ポリマーの精密合成に対する先入観を一掃し、持続可能な社会の実現に向けた理想的なポリマー製造プロセスの姿を示すもので、大きなインパクトを与えるものだとしている。

SABIC 世界初のバイオベース高性能非晶性ポリマー

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2021年12月2日

 SABICはこのほど、ポリエーテルイミド(PEI)樹脂「ULTEM(ウルテム)」と同様の高性能・加工性をもち持続可能性目標の達成に貢献するバイオベース樹脂を発表した。再生可能原料により認証取得した、業界初の高性能非晶性ポリマーだ。マスバランス手法により、樹脂100kgあたり25.5kgの化石ベース原材料を、木材産業で出る粗トール油などの廃棄物や残渣から得られるバイオベース原材料に置き換えている。

 バイオマス認証制度として広く認知されるISCC+(国際持続可能性カーボン プラス)認証を取得。ISO準拠のライフサイクル分析の内部評価では、CO2削減量は化石ベースの現行グレードと比べて最大10%まで削減できる。「ウルテム」同様に機能し、UL94やREACH規制、RoHS指令、また世界的な飲料水基準「連邦航空規則」やFDA食品接触基準に準拠するなど、各種業界の規制要件を満たしている。

 長期間の高耐熱性、耐薬品性、優れた機械的・構造的特性、寸法・加水分解安定性、優れた加工性や難燃性といった性能特性を維持し、従来の「ウルテム」に対するドロップイン(直接置き換え可能)材料として、製品設計や製造プロセスの調整は不要だ。同等性能の化石ベース材料と同様の高信頼性と機械的特性をもつため、PSUやPESU、PPSUなどのスルホンポリマーの代替材料にもなるとしている。

 消費者向けエレクトロニクス(ウェアラブルやモバイル・デバイス)、自動車(コネクター、センサー、バルブなどのエンジン回り用途)、航空宇宙(パネルやトリムを含む内部装置)、医療(手術デバイスや滅菌トレイ)、電気/電子機器(5Gネットワーク・インフラストラクチャ)など、高温環境での寸法安定性や厳しい機械的特性が求められる過酷用途において、顧客の持続可能性への取り組みを支援する。循環型経済に取り組む同社の材料ソリューションの成果の1つだとしている。

東レ MIの活用により短期間でCFRPを開発

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2021年12月2日

難燃性と力学特性を両立、航空機の軽量化に貢献

 東レは30日、マテリアルズ・インフォマティクス(MI)技術を活用し、優れた難燃性と力学特性をもつ次世代の航空機用途向け炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を短期間で開発したと発表した。今後実証を進め、航空機用途をはじめ、自動車、一般産業用途向けCFRPへの幅広い展開を図り、CFRPの需要拡大を推進していく。

 CFRPは、高い比強度や比弾性率、優れた疲労特性や耐環境特性に基づく高い信頼性をもつことから、航空宇宙分野で用途が拡大している。一方で、CFRPは金属に対して、靭性や耐衝撃性、また難燃性や導電性など力学特性以外の機能面で不利な項目がある。これをカバーするため、付加的な材料や工程が必要となるケースがあり、特に防火性の観点からCFRPの難燃性向上が望まれていた。

 しかし、難燃性と力学特性という異なる性質の双方を設計し最適化する過程では、膨大な実験データが必要となる。従来、CFRP設計段階では、各特性の評価で30~60日、特性の組み合わせ評価で60~120日かかるなど2~3年の期間が必要となることから、開発期間の抜本的な短縮が大きな課題となっていた。

 こうした中、東レは、従来進めてきたデータとデジタル技術を活用して競争力を強化するDXの一環として、新たにMI技術をCFRP設計へ導入。要求される特性から材料設計を絞り込む逆問題解析手法に、東北大学との共同研究で導入した自己組織化マップ(SOM)をツールとして用いた。

 CFRPを構成する多種のエポキシ樹脂とフィラーの組み合わせデータベース(DB)を構築し、SOMにより似た特性をもつグループを作り可視化することで、複数の材料群から目的とする特性を達成するための適切な組み合わせ(ターゲットエリア)を抽出。これにより、少ない実験回数で難燃性と力学特性を両立するCFRPのためのマトリックス樹脂の設計に成功し、短期間で材料を開発する技術を確立した。この技術を用いたCFRP中間基材であるプリプレグの開発ではDBの構築に1年、モデル樹脂設計および評価に1~2ヵ月程度しかかからず、開発期間を大幅に短縮している。

 また、同開発品は、圧縮強度や耐熱性などの力学特性を航空機向けの現行材と同等に維持しつつ、航空機材料の難燃性の指標の1つである燃焼時の発熱量(Heat Release Rate)を現行材対比で35%低減した。難燃性付与材が省略できることに加え、薄板での機体構造CFRP化が可能となり、軽量化が求められる次世代航空機において、アルミ板からの代替が進むことが期待される。

 同社は今後、同様の逆問題解析手法を熱伝導性、電気伝導性などに展開し、高機能プリプレグの設計を進める計画で、多様化する航空機部材をはじめとする自動車、一般産業用途などのニーズに応えていく。

 なお、今回の成果の一部は、内閣府総合科学技術・イノベーション会議(CSTI)の戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)「統合型材料開発システムによるマテリアル革命」(管理法人:科学技術振興機構)により得られている。

ランクセス 天然資源由来の熱可塑性プラ複合素材を開発

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2021年12月1日

 ランクセスはこのほど、天然資源のみで作られた熱可塑性プラスチック複合素材を開発した。連続繊維強化熱可塑性プラスチック複合素材「テペックス」シリーズの新製品で、化石資源に頼らない生産プロセスにより、バイオベースの再生可能な原材料を使用している。バイオ由来のポリ乳酸を母材とし、天然の亜麻繊維の生地を組み合わせた複合素材で、大規模生産に適した品質レベルでの生産が可能だ。

 亜麻繊維の密度はガラス繊維に比べて大幅に低いため、この複合素材はガラス繊維品に比べて格段に軽量化される。「テペックス」の優れた機械的性能は主に特定方向に配列した連続繊維に基づくが、亜麻繊維を連続繊維強化生地の形で使用することでその特長を発揮し、剛性対重量比は同量のガラス繊維強化素材に匹敵する。

 想定荷重に合わせて複合素材コンポーネントを設計することで、高い強度と剛性が確実に得られる。透明なポリ乳酸と亜麻生地の組み合わせによる天然カーボンファイバーのような茶色の外観は、複合素材全体が天然由来であることを強調し、スポーツ用品などで視覚的な魅力を高める。

 そのほかにも、自動車の内装部品や電子機器の筐体部品などへの応用が考えられる。また、これはクローズドループの素材サイクルの一部であるため、純粋な熱可塑性システムとして完全にリサイクルすることができる。裁断屑や生産廃棄物を再造粒し、単独または非強化あるいは短繊維強化コンパウンドと混合して、簡単に射出・押出成形ができる。

 同社は今後の「テペックス」について、ポリアミド11などの他のバイオベース熱可塑性プラスチックや、他の天然繊維や再生繊維の使用を計画している。

積水化成品工業 リサイクル原料の発泡PS製ボードを開発

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2021年12月1日

 積水化成品工業はこのほど、リサイクル原料を100%使用した「エスレンウッドパネル」(発泡ポリスチレン製ボード)を開発し、「PRCパネル」として販売を開始した。

リサイクル原料100%の「エスレンウッドパネル」

 同製品は、発泡ポリスチレンシートの板状成形品。主に商品PR用のPOP広告の芯材用途など、屋内のサインディスプレイ制作に幅広く使われている。

 これまでリサイクル原料50%配合の同製品を提供していたが、環境保全に配慮した製品を求める市場ニーズを踏まえ、リサイクル原料100%「PRCパネル」を新たに開発した。特長として、①リサイクル原料100%使用で環境負荷が小さい、②従来品と比べ生産時のCO2排出量を約70%削減、③従来品と同等の品質を保持、などがある。

 同社グループは、環境と共生するモノづくりを原点とし「環境リーディングカンパニー」を目指し、従来から注力している3R活動(リデュース、リユース、リサイクル)に加え、2R(リプレイス、リクリエイト)を含んだ「SKG‐5R」を推進。「PRCパネル」は、リサイクルに向けた開発の1つであり、限りある資源を有効活用するだけでなく、生産時のCO2削減も行っている一例だ。同社は、今回の開発にとどまらず、事業を通じて持続可能な社会の実現に貢献していく。

三井化学 ヨウ素系抗菌・防カビ剤に抗ウイルス効果確認

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2021年12月1日

抗ウイルス効果を確認した「ヨートル」シリーズ。写真左が「ヨートルDP95」(粉状)、右がシクロデキストリンでカプセル化し水溶性を付与した「ヨートルDP-CD」(水溶液)

 三井化学はこのほど、ジヨードメチル‐p‐トリルスルホン(DMTS)を活性成分とするヨウ素系抗菌・防カビ剤「ヨートル」シリーズの抗ウイルス効果を確認したと発表した。

 日本食品分析センターで行ったウイルス感染試験により、「ヨートルDP95」と開発品「ヨートルDP‐CD」にインフルエンザウイルスを不活化する効果があることを確認。「DP95」を添加することで、試験開始2時間後にウイルス数が99%減少した。

 一方「DP‐CD」では、10分後にウイルス数が99.99%減少。同社では同効果について、「「DP‐CD」の水溶性が寄与している」と推察している。さらに「DP‐CD」では、新型コロナウイルス(SARS‐CoV‐2)を不活化する効果も確認。試験開始直後と比べて2時間後にウイルス数が99%減少しており、即効性はないものの、一定時間抗ウイルス効果の維持が期待される。

 三井化学が1985年から製造販売を開始した「DP95」は、幅広い種類のカビに対する高い生育阻害能を示し、木材防腐、塗料、皮革、壁紙などに採用されている。SIAA(抗菌製品技術協議会)の防カビ剤ポジティブリストに登録されており、その活性成分であるDMTSはFDA(米国食品医薬品局)のポジティブリストに掲載されている。

 また「DP‐CD」は、シクロケムバイオ社(兵庫県神戸市)と共同開発。三井化学の「DP95」とシクロケムバイオ社のシクロデキストリン技術を融合し、環状オリゴ糖であるシクロデキストリンでカプセル化することで水溶性を付与、さらに抗菌性向上に成功した抗菌・防カビ剤の水溶液。「DP95」の用途に加えて水系塗料、水系接着剤、金属・レンズ加工液など水を主剤とする用途への適用範囲を広げた。現在粉体タイプの「DP95」の開発も進めている。

 

マイクロ波化学 中分子化合物、固相合成装置の販売開始

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2021年12月1日

 マイクロ波化学はこのほど、ペプチド・核酸医薬などの合成を用途としたマイクロ波固相合成装置「PharmaWave‐1」(容量3ℓ、最低0.3ℓ)の販売を開始すると発表した。

固相合成装置

 ペプチド・核酸医薬などの中分子化合物は、従来の低分子医薬と抗体医薬の特徴を併せもち、従来では狙えなかった標的にもアプローチできる次世代医薬として関心が高い。同時に、薬価低減や薬効の追求のために、製造の高効率化、高純度化が求められている。

 医薬分野ではマイクロ波は身近な存在であり、創薬研究を目的とした実験室での化合物合成に広く用いられ、実際に、マイクロ波による合成効率向上や時間短縮について、数多くの報告がなされている。ただ、工業的にマイクロ波が利用された例はなかった。

 同社は、当該分野でのマイクロ波技術の普及を目指し、2017年にはペプチドリームとペプチド量産設備に関する共同開発を開始し、2019年にはペプチスターへGMP(医薬品、医薬部外品の製造管理および品質管理の基準)に準拠した仕様の固相合成装置を納入してきた。今年に入り核酸医薬研究の先駆者である大阪大学の小比賀教授を技術アドバイザーに迎え、また、これら医薬品の精製に使われる凍結乾燥機も開発するなど、展開を加速している。

 今回、マイクロ波固相合成装置の提供により、従来は実験室での利用に限られていたマイクロ波による医薬合成が、そのまま工業スケールでも活用可能になり、高効率・高純度な医薬品製造の実現に貢献することが期待される。同社は今回の販売を機に、マイクロ波を使った高効率・高純度・環境にやさしいものづくりを医薬分野に広めていく。

NEDO 次世代航空機関連の研究開発、GI基金事業で

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2021年11月30日

 新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)はこのほど、「2050年カーボンニュートラル(CN)」の実現を目指し、次世代航空機の開発として、水素航空機向けコア技術や航空機主要構造部品の飛躍的軽量化に関する4テーマの研究開発事業に着手すると発表した。なお、同事業は総額2兆円のグリーンイノベーション(GI)基金事業の一環で実施する。

 航空機産業は現在、コロナ禍による航空需要の落ち込みにより、世界的に大打撃を受けている。しかし、IATA(国際航空運送協会)は、今後の航空需要について2024年には2019年と同水準まで回復し、その後新興国などの経済成長を背景に年3%程度の持続的な成長を遂げると見込む。

 また、ICAO(国際民間航空機関)において「燃料効率の毎年2%改善」、「2020年以降CO2総排出量を増加させない」というグローバル目標が掲げられるなど急速に脱炭素化の要求が高まりつつあり、欧米OEMメーカーを中心に機体・エンジンの軽量化・効率化や電動航空機に関する技術開発が実施されている。さらに、エアバス社が2035年に水素燃料および燃料電池を活用した「CN航空機」を市場投入すると発表したことを受けて、水素航空機の開発競争も激化している。

 このような背景の下、NEDOは経済産業省が策定した次世代航空機の開発に関する研究開発・社会実装計画に基づき、今回「次世代航空機の開発プロジェクト」として計4テーマを採択。

 GI基金事業の一環として、水素航空機向けコア技術開発では、①水素航空機向けエンジン燃焼器・システム技術開発、②液化水素燃料貯蔵タンク開発、③水素航空機機体構造検討、および④航空機主要構造部品の福財津形状・飛躍的軽量開発に取り組む。プロジェクトを通じて、CNを目指す動きを国内航空機産業の競争力を飛躍的に強化する機会として捉え、水素や素材など国内の要素技術の強みを最大限活用することで機体・エンジンの国際共同開発参画比率(現状約2~3割)向上を目指す。また、航空分野の脱炭素化に貢献する。

旭化成 本社をグリーン化、集合住宅の太陽光発電を活用

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2021年11月30日

集合住宅の太陽光発電設備で創出した環境価値を有効活用

 旭化成および旭化成ホームズは29日、両社が本社を置く東京ミッドタウン日比谷と神保町三井ビルディングにおいて、旭化成ホームズの集合住宅「ヘーベルメゾン」に設置した太陽光発電設備で創出する環境価値を活用し「非FIT非化石証書付電力」を調達することで、本社使用電力のグリーン化を推進すると発表した。今回の取り組みは、両ビルディングを賃貸している三井不動産、電力を供給する東京電力エナジーパートナー(東電EP)との協業によるもので、2022年4月から開始する予定だ。

 三井不動産と東電EPは「使用電力のグリーン化に関する包括協定」を昨年12月に締結し、オフィスビルなどのテナント向けに「グリーン電力提供サービス」を構築しており、テナントはグリーン電力の調達が可能となった。

 今回の概要として、旭化成ホームズが、集合住宅「ヘーベルメゾン」の屋根をオーナーから賃借して太陽光発電設備を設置。そこで発電された電力を東電EPが買い取り、その電力に含まれる環境価値を使用した「非FIT非化石証書付電力」として三井不動産を介して、旭化成および旭化成ホームズの本社に供給される。

 昨年8月には、「ヘーベルメゾン」の太陽光発電の電力を東電EPが買い取り、環境価値を非FIT非化石証書として使用することで、旭化成の川崎製造所に実質再生可能エネルギー由来の電力として供給する取り組みを開始。この非FIT非化石証書を同一企業グループ内で有効活用するスキームとして国内初となった。

 今回、グループ内活用をさらに拡大するにあたり、本社での活用を志向する旭化成および旭化成ホームズと、オフィスビルでの使用電力のグリーン化を推進する三井不動産と東電EPの意向が合致した。なお、旭化成ホームズは同社が参加する、2025年度の「RE100」達成に向けて、「ヘーベルメゾン」の太陽光発電電力の活用に加え、戸建住宅「ヘーベルハウス」も併せて太陽光発電設備の設置などを推進していく。今後も四社は、地球環境を重視し、再エネの拡大・活用を検討し、持続可能な社会の実現に貢献していく。