（様式 20）成果報告書

平成 27 年度 TSUBAME 産業利用トライアルユース 成果報告書

利用課題名 塗料や塗膜における大規模シミュレーションの検討
英文：Examination of large-scale simulations for paint and coating film
利用課題責任者 岡本 好広
Yoshihiro Okamoto
所属 関西ペイント株式会社 AT 研究所
Affiliation AT Laboratory, Kansai Paint Co., Ltd.
URL http://www.kansai.co.jp/
邦文抄録 水分散系を扱うため、TSUBAME を利用した大規模シミュレーションの実用性を検証した。例として粗視化分子動力学法を用い、樹脂「ポリスチレンスルホン酸」、界面活性剤「ドデシル硫酸ナトリウム（SDS）」と溶媒の系において SDS のミセルの形状とその内部構造に着目したシミュレーションを検討した。その結果、実用的な計算時間において、組成や溶媒の影響によりミセルの形状が異なることやミセルの内部構造が文献を再現した。以上より、シミュレーションの実用性が確認でき、TSUBAME が有効に利用できることがわかった。
英文抄録 Practicability of large-scale simulation was investigated to analyze aqueous dispersion
system. Coarse-grained molecular dynamics simulation was performed by using TSUBAME
supercomputer to analyze micellization behaviors of sodium dodecyl sulfate (SDS) in polystyrene
sulfonate aqueous solution. The predicted micellization behaviors dependent on SDS concentration
and addition of cosolvents were consistent with the experimental conclusion. In summary, thelarge-scale simulation using TSUBAME was practical for our purpose.

Keywords: aqueous dispersion, additive, micelle, coarse-grained molecular dynamics

背景と目的利用したシミュレーションでは、該当する大きさの系が塗料は、貯蔵の安定性、作業性及び様々な塗膜性扱えず、主な組成物のみを用いた系や粒子数が少ない能が求められる。この内、塗膜性能には、耐久性や効限定された系のシミュレーションとなり、凝集や複数の果の発現性があり、例えば基材との付着性向上、色彩組成物からなる構造間の挙動等を必ずしも捉えることの付与や汚れにくい等が挙げられる。特に水系においができない。このため TSUBAME を利用した大規模シて、貯蔵の安定性や種々の塗膜性能を有効に発現さミュレーションを行うこととした。

せるには、塗料や塗膜を構成する各成分が適切に分

本利用課題では、粗視化分子動力学法を用い、シミュ散されていることが重要なポイントとなる。このため各レーションする系の大きさに対する計算ノード数と計算成分の分散状態を把握する解析が不可欠となる。解析

時間について検証し、シミュレーション結果から大規模には、分析手法を用いることが必須となるが、別法としシミュレーションの実用性を検証した。てシミュレーション手法による解析が挙げられる。特に
nm スケールで構築した分子シミュレーションによる解概要

析は、モノマー組成の変更による分散状態の変化や直塗料は、添加剤及び溶媒の量や種類により分散状接的に作用する部位の挙動を把握することができる手態が変化する。その結果、粘度や物性が著しく異なるこ法として重要な位置付けにある。とがある。本シミュレーションは、こうした分散状態の変一方、塗料の組成は樹脂、添加剤、顔料や溶媒等が化を適切に再現できる必要がある。そこで本利用課題各々数種含まれ、かつ添加量に大きな差がある。このでは、溶液の組成や溶媒種により添加剤のミセルの形ため、これらを全て考慮すると扱う系はサブ μm スケー

状 が 変 化 す る 現 象 に 着 目 し 、 S. Nilsson, A. M.

ル以上となり、上記分子シミュレーションを用いると、かBlokhus, A. Saure, Langmuir,なり大きな系が必要となる。しかし、社内の計算資源を(1988) を参照し、考察に対するシミュレーションの再

14, 6082-6085

（様式 20）成果報告書
現性を検討した。この論文では、以下のように考察されている。水中における樹脂「ポリスチレンスルホン酸結果および考察（ PSS ） 」 と 界 面 活 性 剤 「 ド デ シ ル 硫 酸 ナ ト リ ウ ム１）シミュレーションする系の大きさに対する計算ノード（SDS）」の系は、PSS と SDS の濃度が低いと SDS は数と計算時間についての検証

球状ミセルを形成し相溶するが、濃度が高いと SDS は系の大きさと計算ノード数を変えて、それぞれの計棒状ミセルを形成し PSS リッチドメインと SDS リッチドメ算に要した時間を比較した。計算手法は粗視化分子動インの二相に分離する。さらに、疎水性共溶媒としてオ力学法を用い、系の大きさは６７万粒子系と１３５万粒クタンを添加すると SDS の棒状ミセルへの成長を抑制子系で行った。なお、両粒子系とも同じ PSS と溶媒のし、オクタノールは、SDS の棒状ミセルへの成長を促進

組成比を用いた。また、計算に要した時間は、300 万スする。また、疎水性共溶媒の挙動に関し、オクタノールテップに掛かる時間とした。結果を図２に示す。

は、水酸基がミセル表面に配向することで SDS のhead 部間の静電反発を低減し成長を促進させるのに対し、オクタンは極性部が無くミセル内部に取り込まれると記載されている。

Polystyrene sulfonate

Octane６７万粒子系のシミュレーション
Sodium dodecyl sulfonate

Octanol

図１． シミュレーションに用いた分子の構造シミュレーションは、フリーウェアである Molecular
dynamics simulator LAMMPS1)の粗視化分子動力学法を用いた。なお、モデリングと解析には、材料物性解析ソフトウェア J-OCTA2)を用いた。
モデル化は、次のように行った。PSS は一量体を一つの粒子、SDS は C8H17 と C4H8SO4Na をそれぞれ一つの粒子、溶媒（オクタン、オクタノール、水）は一分子１３５万粒子系のシミュレーションを一つの粒子とした。各ポテンシャルは、分子軌道法や全原子モデルの分子動力学法から得た。また、系のサ

図２． 計算ノード数と 300 万ステップに要した時間

イズは、予備検討で挙動が適切に扱えた大きさとした。
以上のシミュレーション条件を用い、１）シミュレーションする系の大きさに対する計算ノード数と計算時間についての検証と２）シミュレーションの再現性を検討することで、大規模シミュレーションの実用性を検証した。

いずれの粒子系においても、並列化効率は、６４計算ノードまで維持されていた。
これらから、系の大きさと計算ノード数に応じた計算時間を把握した。例えば、４日以内にシミュレーションを（様式 20）成果報告書終えるには、６７万粒子系で１６ノード以上、１３５万系で３２ノード以上必要となる。さらに大きな系の検討を考慮すると実用的には、３２ノード以上必要と考えられる。

２）シミュレーションの再現性検討
次のシミュレーションにより再現性を検証した。

表１． シミュレーションを行った組成と文献の結果
abcdComposition [ weigth percent ]Results of literatureWaterPSSSDS Octanol Octane Shape of SDS micelles
82144spherical
76186rodlike
821440.18rodlike
761860.24
spherical

PSS、SDS と水の系について検討した。文献によると SDS のミセルは a の組成で球状ミセル、b の組成で棒状ミセルとなる。シミュレーション結果も、図３で示す
ように a において球状ミセル、b において棒状ミセルを形成し文献を再現した。
図４．シミュレーション結果２（上：全体、下：ミセルのスナップショット）

まとめ、今後の課題大規模シミュレーションを行うことで、シミュレーションする系の大きさに対する計算ノード数と計算時間を把握した。また、シミュレーション結果は、組成や溶媒の影響によりミセルの形状が異なることやミセルの内部構造について文献を再現した。
以上より、シミュレーションの実用性を確認できた。こ図３． シミュレーション結果１（スナップショット）のことから TSUBAME が有効に利用できることがわかった。今後、得られた知見を生かし、顔料や複数の添次に溶媒添加の効果を検討した。オクタノールの効果加剤を扱うことでより複雑な系を検討し、シミュレーショとして、a の組成にオクタノールを加えた c を、オクタンン条件や手法の改良を検討したい。の効果として b の組成にオクタン加えた d をシミュレートした。その結果、a は球状ミセルであったが、オクタノー

1) http://lammps.sandia.gov/

ルを添加した c では棒状ミセルの形成が見られた（図４2) http://cae.jsol.co.jp/product/material/jocta/の c）。一方、b は棒状ミセルの形成が見られたが、オクタンを添加した d では球状ミセルとなった（図４の d）。また、ミセルの構造に着目すると c の結果はオクタノールがミセル表面に存在するのに対し、d ではオクタンがミセル内部にいることが分かる。これらミセルの内部構造においても、文献を再現した（図４）。