HARIMATECHNOLOGY REPORT

制振ダンパー向け高減衰ゴム用添加剤の開発
Development of additives for high damping rubber for damping dampers

土居祥子／樹脂・化成品事業カンパニー営業部第二営業課
Shoko Doi Section 2 Sales Resins & Tall Oil Products Company

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はじめに世界中に大きな衝撃を与えた東日本大震災から10年、れが収束してゆくという現象を利用した技術である。変形で振動を熱に変えるために建物にダメージを与えにくく、また、比較的低コストで制振ダンパーを取り付けることができることが特徴といえる。

大きな被害が発生した熊本地震から5年が経過した。特に

表1 耐震・免震・制振の違い

熊本地震では震度7の地震が2回も発生し、住宅被害件数回目の地震で被害件数が一気に増加した）1)。これは、震度7以上の大規模地震が、連続して発生することが想定さ見直されている。このように近年の大規模な地震災害の経験の影響もあり、我々の地震対策に関する意識はより一層制振・構造強化で揺れに耐える・想定より大きな地震に弱い・建物にダメージ・地震に強い・繰り返し地震に強い・建物にダメージなし ・建物にダメージなし
・高コスト・低コスト

特徴

れていなかったためだといわれており、建物の地震対策も免震・揺れを建物に伝えない
・免震装置で揺れを防ぐ技術

は一部破損から全壊まで合わせると約18万棟にも上る（2耐震・ダンパーで揺れを熱に変換し、揺れを収束高まっている。また、それと同時にさまざまな地震対策も提案されている状況にある。
そこで本稿では、建物を対象とした地震対策を取り上げ、まずはその対策の考え方やいくつかの異なる種類のダンパ

3制振ダンパー3)

ー装置の概要について述べ、その後、それらダンパー装置

制振ダンパーとは揺れを収束させる装置のことで、鋼材の中で制振ダンパーに着目し、そこに使用されるゴムの減ダンパー、粘性ダンパー、オイルダンパー、粘弾性ダンパ衰性向上を目指した開発について報告する。

ーの4種類に大別できる（表2）。どのダンパーも振動エネ
ルギーを熱エネルギーに変えることでエネルギーを吸収し

2
建物の地震対策～「耐震」「免震」「制振」～2)
建物の地震対策には大きく分けて3つの考え方があり、
通常「耐震」、「免震」、「制振」に大別される（表1）。
「耐震」とは、建物の構造を強化することで、建物の崩壊や損傷を【鋼材ダンパー】
金属に力を加えたときの塑性変形でエネルギーを吸収する。
【粘性ダンパー】
粘性液体の中を通過する際の抵抗を利用してエネルギー防ぐ技術のことである。この手法は、比較的簡単に施すこを吸収する。とができるので最も多く取り入れられている。一方で、耐【オイルダンパー】

震は振動エネルギーが直接建物に伝わるため、想定よりも筒部分に開いている穴からオイルが出てくるときの抵抗

大きな地震や繰り返し地震には弱くなってしまうという特（管路絞り抵抗）と、そのオイルの流動抵抗で、エネルギ徴がある。

ーを吸収する。

「免震」は、建物と地面の間に免震装置を設置する構造【粘弾性ダンパー】

設計のことである。建物と地面を切り離すことで地震のエネルギーを直接建物に伝えず、免震装置によって建物の固高減衰ゴムによる変形（せん断抵抗）で、エネルギーを吸収する。

有周期（その建物固有の揺れやすい周期）を伸ばし、揺れ特に粘弾性ダンパーは他のダンパーと比較し、比較的安を防ぐ技術だ。この場合、大きな地震には強いが、コスト価で、風などの極微小な揺れから地震などの大きな揺れまが高く、工事が大規模という欠点がある。

で幅広く対応できること、メンテナンスが不必要なことがこれらに対して、「制振」は、地震の揺れにより建物が12ている。

特徴だ。

変形した際に、制振ダンパーが一緒に変形することで、振制振ダンパーにはさまざまな形状がある。例として、図動エネルギーの一部が熱エネルギーに変換され、結果、揺1に間接接合-間柱型の制振ダンパーを示す。例えば、こHarima Quarterly No.148 2021 AUTUMN

表2 制振ダンパーの分類
鋼材ダンパー

粘性ダンパー

オイルダンパー

粘弾性ダンパー・塑性変形・せん断抵抗・流動抵抗

メリット・安価・メンテナンスフリー

・極微小～大きな揺れまで効果を発揮

・極微小～大きな揺れまで効果を発揮・メンテナンスフリー
・比較的安価デメリット

・耐久性低い・微小な揺れ効果なし

・温度で性能変化
・高価

・温度で性能変化

原理

・管路絞り抵抗・流動抵抗・せん断抵抗・オイル漏れ点検必要
・高価の制振ダンパーは3枚の金属板の間に2枚のゴムが挟まれ位させ、その後強制的に反対方向に変位させる、これを1た形態をしており、外側の金属板は支持部材①に、中央のサイクルとしたときのゴムの変位量に対する応力を測定す

金属板は支持部材②に固定されている。地震が発生したとると、楕円形になる。これをヒステリシスループという。

きは、建物が揺れ、架構が変形してしまうが、支持部材①

このヒステリシスループの面積がゴムの変形運動中に失わに固定された金属板と支持部材②に固定された金属板間でれたエネルギー、つまり熱エネルギー（エネルギー吸収）変位が生じ、ゴムが変形することで揺れが収束する。

を示しており、この面積が大きいほど、減衰性が良好であるといえる。この面積から、減衰性の指標である等価粘性外側の金属板減衰定数（Heq）を求めることができる。

制振ダンパー
断面中央のゴム

制振ダンパー（間接接合-間柱型）

変形量

中央の金属板

通常時

熱

熱

熱

地震発生時
架構

発熱

揺れ

支持部材①外側の金属板

ゴム

金属板

発熱

制振ダンパー

発熱

変形量小図2 減衰イメージ図

支持部材②

制振ダンパー
断面ゴム

中央の金属板外側の金属板

変形①

変形②

ゴムの変形

図1 制振ダンパー例

4
減衰性

ヒステリシスループ

図2は3枚の金属板に2枚のゴムが挟まれた制振ダンパー（ループ面積＝熱エネルギー）
応力

断面図を用いて、ゴムによって揺れが収束する様子のイメ

変形①ージ図を描いたもの。ゴムが変形すると、ゴム内部で熱が発生することで、ゴムの変形量が小さくなる。それが繰り変形②返されることで、さらにゴムの変形量が小さくなり、最終的に揺れが収束する。このように揺れが次第に収束するこ

変位量とを「減衰」といい、揺れを減衰させるゴムを減衰ゴム、

図3 ゴムの変形とヒステリシスループ

揺れを早く収束させる性能のことを「減衰性」という。振動エネルギーによってゴムが変形し、ゴム内で発熱（＝熱エネルギーに変換）することで減衰しているため、発熱が大きいほど、減衰性が高いとみなせる。
この減衰性は、一般的にヒステリシスループで表すことができる（図3） 。外側の金属板を強制的に一方向に変4)5
制振ダンパー向け高減衰ゴム用添加剤の開発
5-1

課題と開発コンセプト

高減衰ゴム組成物は、ゴム、フィラー（カーボンブラッ
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HARIMATECHNOLOGY REPORTク、シリカ）、樹脂をメイン配合にしていることが多い。

5-2-2

ロジンの変性 5)

一般的にゴムにフィラーや樹脂を配合することで、高減衰ロジンは樹脂酸の混合物であるが、主成分であるアビエ

ゴム組成物は変形時のヒステリシスループが大きくなり、チン酸の特徴として、ヒドロフェナントレン骨格と称され振動エネルギーを効率よく熱エネルギーに変換し、速やかる疎水性の高いバルキーな環構造を持つ。また、親水性でに減衰する（減衰性良好）といわれている。そのため、減化学活性なカルボキシル基を持ち、さらには、化学活性な衰性を高めるには、フィラーや樹脂を増量させることが好共役二重結合を持つことで、反応性に富む（図4）。

適と考えられる。
しかし、多量のフィラーを配合したゴム組成物は、混練時の粘度が上昇して、加工性が低下するという課題があっバルキーな構造(疎水性が高い)共役二重結合た。また、多量の樹脂を配合したゴム組成物は、粘着性が（化学活性が高い）高くなって、ゴム混練時の機械からの排出性が悪くなり、カルボキシル基加工性が低下するという課題もあった。そこで、良好な加（親水性、化学活性が高い）工性でかつ多量に添加しなくても減衰性が向上する制振ダ

図4 ロジンの化学構造

ンパーを対象とした高減衰ゴム用添加剤の開発を行った。

ロジンを化学修飾するには、共役二重結合にマレイン酸
5-2

開発品のベース樹脂やフマル酸をディールスアルダー付加（図5）、多価アルコ

まず、開発品のベース樹脂として、ロジンを選定した。

ールによるカルボキシル基のエステル化（図6）、強酸触

ロジンは昔から粘着付与樹脂に使用され、ゴム組成物によ媒を用いたロジンの二量化などの方法が挙げられる。また、く配合されている。

共役二重結合は熱安定性や酸化安定性が不安定であるが、水素化や不均化によって、安定化することも可能だ（図7）。

5-2-1

ロジンの種類

5)

ロジンはマツ科植物に多量に含まれる松やにの不揮発性マレイン化成分であり、樹脂酸と呼ばれる炭素数20の三環式ジテル＋ペノイド異性体を主成分としている。また、ロジンは製法により、トールロジン、ガムロジン、ウッドロジンに分類される。

レボピマール酸【トールロジン】
トールロジンは、木材チップに化学薬品を加え、高温、高圧力下で分解するクラフトパルプ製造時に副生する粗ト無水マレイン酸

マレオピマール酸

フマル化ール油を精留し、トール脂肪酸を除去することで得られる。
当社では国内唯一のトールロジンメーカーとしてトールロ＋ジンを生産している。
【ガムロジン】
ガムロジンは、松の幹に傷をつけ、そこから滲み出る樹液(生松やに)を濾過した後、水蒸気蒸留を行い、低沸点成分(テレピン油)を除去することで得られる。

レボピマール酸

フマル酸

フマロピマール酸

アクリル酸

アクリロピマール酸

アクリル化【ウッドロジン】＋ウッドロジンは、松の切株のチップから樹脂成分を溶剤にて抽出し、水蒸気蒸留にて抽出物から溶媒と低沸点成分(テレピン油)を除去することで得られる。
これら3種のロジンは樹脂酸組成が違うため、酸価や軟

レボピマール酸

図５ ディールスアルダー付加反応

化点が若干異なる（表3）。ロジンの種類の特徴を理解したうえで選定することが重要だ。

エステル化

表3 各ロジンの恒数

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ロジン種

トールロジン

ガムロジン

ウッドロジン酸価（mgKOH/g）

165-175

160-170

160-170

軟化点（℃）

70-75

70-80

70-80

色調

N-X

N-X

D-X

Harima Quarterly No.148 2021 AUTUMN＋ R’-OH
ロジン＋ HO2

ロジンエステル
図6 エステル化反応

不均化

デヒドロアビエチン酸

ジヒドロアビエチン酸

テトラヒドロアビエチン酸

ジヒドロアビエチン酸

二量化

アビエチン酸

水素化（水添）

図7 安定化反応

これらの反応は単独で行うことは少なく、実際には要求と推察している。

性能が満たせる種々の反応を組み合わせる。これらの反応を複合的に行い、以降のゴム評価で構造を変えた添加剤を種々検討した結果、減衰性が向上する添加剤が開発できた。
5-3

開発品の発熱評価

6
まとめ
ロジンをベース樹脂として、減衰性が向上する添加剤を開発品を用いて、作製したゴム組成物に振動を与えたと開発した。これにより、フィラーや樹脂を増量することなきの発熱性を測定した。減衰性が良好なゴム組成物は、振く、良好な減衰性を有する高減衰ゴムの製造が可能となっ動エネルギーをより多くの熱エネルギーに変換するため、た。また、従来品と比較し、約42%も減衰性が向上する発熱量が多いと考えた。

制振ダンパー用高減衰ゴムの開発に繋がった6)。大型ビル
用制振ダンパーへの搭載や、より手軽に設置できる住宅用【評価方法】

制振ダンパーで実用化を目指す。

ゴム、フィラー、開発品をメイン配合としたゴム組成物をつくり、長方形のゴム組成物シートを作製した。このシートに引張歪を加えることで振動を与え、サーモグラフィーでゴム組成物シート表面の温度上昇度を測定した。開発
品未添加では、開発品の代わりに加工助剤を添加した。
【評価結果】

7
おわりに今回、開発した制振ダンパー向け高減衰ゴム用添加剤は、ロジンを使用することで性能が向上した。今後も「自然の開発品は、開発品未添加と比較し、温度上昇度が高く、恵みをくらしに活かす」というハリマ化成グループの企業

ゴム全体の色の変化があったことから、優れた発熱性を有理念のもと、さらに高まってくると予測される振動対策のする結果となった（図8）。開発品はロジンをベース樹脂需要や高減衰化の要望に対して、社会に貢献できるものづとしているため、ゴムやフィラーとの相互作用が向上したくりに努めていきたい。

開発品
未添加（Ref）

開発品
添加

35℃

約6℃

約15℃

20℃

サーモグラフィー

温度上昇度（ΔT）

図8 発熱性評価結果＜引用文献＞
1）平成28年版 消防白書 「熊本地震の被害と対応」 （総務省消防庁ホームページ）
2）日本経済新聞記事 「耐震、免震、制震の違いは 2011年8月11日」（日本経済新聞社）
3）笠井和彦 「コンクリート工学 No5 2003」 （公益社団法人 日本コンクリート工学会）
4）制振工学ハンドブック編集委員会 「制振工学ハンドブック 2008」 （コロナ社）
5）阿部洋樹、御厨昭平 「HARIMA Quarterly No.139 2019」（2019 ハリマ化成株式会社）
6）ハリマ化成グループ株式会社 広報グループ 「ニュースリリース2020年12月8日」（ハリマ化成グループ株式会社ホームページ）

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