東京大学ら、高分子塗膜の強さを決める架橋構造の役割を解明

ニュース紹介

「高分子塗膜の強さを決める架橋構造の役割を解明 ―分子シミュレーションによる塗膜の変形メカニズムの解析―」

東京大学大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻の佐藤龍平 助教、澁田靖 教授と、日本ペイント株式会社・日本ペイントコーポレートソリューションズ株式会社の研究グループは、高分子鎖を複数の粒子で表す粗視化分子動力学シミュレーションにより、塗膜の強さを決める架橋構造の役割を解析しました。架橋数が増えると高分子鎖の移動や配向変化が制限され、大きな変形への抵抗が増加することが分かりました。

また、変形挙動は架橋の局所的な構造よりも、形成された架橋の総数に強く依存することが示されました。成果は2026年10月26日に国際学術誌「Macromolecular Theory and Simulations」に掲載されました。

出典：東京大学大学院工学系研究科 2026年11月2日 プレスリリース／掲載誌：Macromolecular Theory and Simulations／DOI：10.1002/mats.70064
https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2026-11-02-001

FrontJournalの解説

水性塗料の設計に必要な架橋の理解

今回の研究は、塗膜の強さを左右する「架橋構造」（高分子鎖どうしを橋のようにつなぐ結合）の役割を、分子のレベルで解析したものです。発表資料によると、有機溶剤の使用量を減らせる水性塗料の開発が進んでいます。

塗膜の強さを制御する方法の一つが架橋構造の導入です。ただし架橋剤の種類や量と塗膜の強さの関係は複雑で、材料設計の指針が求められていました。

①架橋数を変えた仮想の塗膜で引張試験

「東京大学」の佐藤龍平助教・澁田靖教授と「日本ペイント」の研究グループは、架橋数や結合構造を変えた仮想の塗膜モデルを作りました。各モデルで引張変形のシミュレーションを行い、応力と高分子ネットワーク構造の関係を調べています。

解析には「パーシステントホモロジー」（データの形のつながりを数学的に調べる手法）を用い、架橋ネットワークの構造と変形を可視化しました。

②変形を左右するのは架橋の総数

架橋数が増えると大きな変形への抵抗が増す一方で、変形初期の弾性領域では応力の変化は限定的でした。変形挙動は架橋の局所的な構造よりも、架橋の総数に強く依存しています。

この結果から、多官能架橋剤を用いれば少ない架橋剤でも補強効果が得られる可能性が示されました。研究は東京大学と日本ペイントホールディングスの社会連携講座「革新的コーティング技術の創生」の共同研究として行われています。

FrontJournalからのひとこと

塗膜の強さを、架橋剤の種類ではなく架橋の総数で説明できるという結果は、配合を考える際の分かりやすい目安になります。実際の水性塗料の反応や塗膜の不均一性を取り入れた次の解析に注目しています。

FrontJournal編集部