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2021.09/09 材料の科学と技術(3)

機能は材料の構造因子を媒介変数として発現している、とイメージして現象を眺めるのが材料開発のツボである。これ以上は、弊社に問い合わせていただきたいが、機能から組成を直接想像しようとしたり、その逆に組成と機能を直接結びつけるような体系を創ろうとするのは、怪しい科学の姿勢である。


材料において組成と同様にプロセシングは機能発現に重要な役割をする。プロセシングは重要であるが、何故かアカデミアであまり研究に積極的ではない。


材料科学の視点でプロセシングが重視されない理由として、科学として取扱いが難しいためと思われる。難しいから重視しないというのは、研究者の姿勢としていかがなものかと思うが、機能にとって組成は必要十分条件ではないから機能から組成を決めることはできないが組成が決まれば機能が決まる、という詭弁だけは使わないでいただきたい。


もしそのような詭弁を使っている科学者がいたなら、弊社が教育指導する必要があるかもしれない。弊社が教育指導している材料科学の内容と異なるからである。間違いを標準にされると弊社が困る。


特定の組成でどのようなプロセシングを経過しても特定の構造1種類しか形成しない場合に限り、組成から機能が決まる、と言えるが、それが保証されていない時には、組成が決まったからと言って特定の機能が決まるわけではない。


例えばジルコニアでは、組成が決まっても高靭性という機能が決まるわけではない。それなりのプロセシングを行わない限り、高靭性ジルコニアを製造することはできない。


PPS/6ナイロン/カーボンの組成をバンバリーで混練する場合には、さらに複雑で、バンバリーの操作方法で発現する機能は変化する。すなわち、プロセス機器を決めてもその操作手順が変われば構造が変化して機能が変わるのである。


具体的に説明すると、高性能な混練機を購入しても、そこで発生する剪断流動や伸長流動を理解していなければ、コンパウンドの構造制御などできない。剪断流動や伸長流動を制御しているのは、スクリューセグメントだけではない。


組成を決めて、ハードウェアーを揃えたのにそれでも目的とする機能のコンパウンドができないケースでは、弊社にご相談ください。科学ではアイデアを出せません。技術的手法でアイデアを見つけ、見つかったアイデアに対して科学的研究を行わなければいけません。


高分子材料では設備を購入してもプロセシングのソフトウェアーが無ければ、機能発現が難しいケースが存在する。セラミックスから高分子材料まで研究した経験があるのでそれを当方は、この欄でアドバイスしている。


弊社では技術指導をしているが、材料科学に潜むいくつかのこのような誤解も指摘している。その過程で困るのは、アカデミアで材料科学について詭弁を使われる先生がおられることだ。詭弁だけならよいが、当方の研究論文を勝手に当方の名前を末尾にして論文を書いてしまうような先生もいた。


これを科学者と技術者の人間性の違いと言いたくはないが、当方のFDを壊した人間は、企業の優秀な科学者だった。このような経験から研究分野にも誠実さは重要である、と言いたい。材料技術では誠実に開発を行わない時には、市場の顧客を失い持続的な開発が難しくなる。

カテゴリー : 連載 電気/電子材料 高分子

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2021.09/03 高分子のシミュレーション(1)

高分子材料のシミュレーションの有効性がどの程度あるのか、例えば組成から機能をシミュレートできるのか、という問いに対して、一般の人の期待に応えるのは現在のところ難しい、というのが正直な回答である。


まず、組成から機能を科学的に決められる、という考え方に問題があるにもかかわらず、それがシミュレートできて、特定の組成で少し実験するだけで機能性コンパウンドを実用化できたなら、それは素晴らしいことである。


今の科学でそこまでできるという人は、ほとんど詐欺師と捉えてよいが、ここでは、シミュレーションに費やされた時間について少し書いてみる。


シミュレーションに1年もかけて、そのシミュレーション結果を利用したところ、1か月程度の実験で新しいコンパウンドができました、ならまだ許される。しかし、シミュレーション結果を利用しても材料開発に1年かかったらどうだろうか。


当方は、79年10月1日にゴム会社の研究所へ配属されて、樹脂補強ゴムの開発を担当している。そして当時としては世界初の防振ゴム用の加硫ゴムと樹脂からなるTPEを開発(特開昭56-122846)しているが、そこに要した期間は3か月である。


これは、指導社員が防振ゴムのシミュレーションをダッシュポットとバネによる粘弾性モデルでシミュレーションを完成していたたおかげで、3か月程度の短期間に実用配合が見つかった事例だが、もし午前中の座学の時間と休日も実験に振り向けられたなら開発期間は1か月まで短縮できたと思う。


しかし、それでも当時の指導社員は、シミュレーションで現象の説明はできるが、配合まで見出すのは困難だ、と言われていた。さらに、ダッシュポットとバネのモデルによる粘弾性論自体が21世紀には無くなっているだろうとも予測されていた。


 

カテゴリー : 一般 連載 電気/電子材料 高分子

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2021.06/14 実験のやり方(2)

前回は、あまりにも簡単な例であるが、ゴム会社の研究所ではこの例のような仕事のやり方をしていると、主任研究員に叱られたものである。

目視や手触り感からアルミフォイルだと分かっていても物質を確認するためのさらなる実験を求められた。例えば初めて使用する試薬について、IRやUVなど一連のデータをとることを習慣づけられた。

品質検査書がついていても分析データを測定するのである。大学でもそこまでやっていなかったので、初めて命じられた時にはびっくりした。しかし、実験が好きだったので丁寧に分析をしていた。

日ごろ仮説に基づく実験を行え、と指導されていたので、「もし品質検査書が正しいならば、IRやUVはこうなるはずだ」と念じながら測定をしていた。

そして頭に描いたIRチャートが得られた時に、仮説が真であることを確認できた、と実感していた。これはこれで新入社員の訓練としてよいだろうが、働き方改革が叫ばれているときには真っ先に合理化対象とされる仕事だろう。

さて、物質Aが電池ボックスの修理に使える導体であるかどうかは、電流と電圧の関係を調べればその関係から明らかになる。例えば「もし物質Aが導体であるならば、オームの法則からV=RIに従う」という仮説を立てて実験を行う。

科学的に実験を行う、ということはこのような丁寧な実験の積み重ねで、一つ一つ真であることを確認しながら進めなければいけない。

カテゴリー : 一般 連載

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2020.08/07 コンセプト(3)

始末書をまとめているときに、ホウ酸エステルを合成し、それをポリウレタンの変性材として使用する実験を行ってみた。

 

ホウ酸エステルを持ち出したのは「温故知新」という行動である。始末書でごたごたしているときに新しいアイデアを考えているゆとりなど無い。

 

当時は高分子技術において難燃化技術の関心が高まっていた時代であり、古代の難燃化技術について書かれたコラム記事が研究室の隅に放置されていた。

 

この状態は誰かがそれをすでに検討してダメだったことを示している。すぐに検討された人に尋ねたら、ホウ素系の化合物には高い難燃効果は無いという実験結果だったらしい。

 

幸運だった。ダメな実験結果から予見される、ダメな実験をやらなくても済んだからである。「温故知新」とは、過去を振り返りそのまま実行することではなく、「新しいコンセプトの下で過去の知見を見直すこと」なのだ。

 

古きをたずねて、古い技術をそのまま見ていても、古いだけである。新しきを知るためには、過去と異なる視点を持たなければならない。過去と異なる視点とは新しいコンセプトで見つめなおすことである。

 

すぐにホウ酸エステルが過去に難燃剤として検討されていないことに気がついた。ホウ酸エステルに着眼したのは、無機アルコキシドからガラスを合成する研究が当時の花形テーマだったからで、当方の独創というよりも、情報として周囲にあふれていたからである。

 

当時の先端の情報をもとに古い現象を見なおした。この段階で、まだ、新しいコンセプトは生まれていない。

 

自己評価するときに、無能かどうかという能力の捉え方の方が努力目標を設定した時に実現可能性が高くなる、と思っている。

 

とかく有能であらんとすると高い目標設定をしがちであるが、無能ではないかと自己を見つめるときに、無能にならないように努力する行動を起こすことができる。

 

ホウ酸エステルについて難燃剤としての検討が過去にされていなかったので、複雑に考えることなく、まずそれを合成することにした。ここで大学4年の時に有機金属合成化学の研究室で学んだ経験が生きた。

 

配位子という視点で、エステル化反応にジエタノールアミンを用いたのである。未経験者ならばホウ酸エステルの合成にグリセリンとかを選んでエステル化の研究として行うかもしれない。

 

有機金属化学を1年間学んだ経験があり、当時の研究室の諸先輩の顔を思い出し、無能と笑われないために、迷わずジエタノールアミンとホウ酸の組み合わせを実験している。

 

そして合成された化合物とリン酸エステルとを組み合わせて加熱する実験を行い、ボロンホスフェートを簡単に合成できることを見出している。

 

この実験結果は、ホウ酸エステルとリン酸エステルをポリウレタンに添加しておけば、燃焼時の熱で容易に反応してボロンホスフェートができることを示している。

 

あとはボロンホスフェートの難燃効果を調べれば、新しい難燃化システムの完成である。

 

たった2日間の実験で、「燃焼時の熱でガラスを生成し、高分子を難燃化する」というコンセプトが生まれた。

 

新しいコンセプトは、温故知新と学生時代に厳しいがレベルの高い研究室で学んだ知的財産と、実験という体力勝負をいとわない愚直さで生み出された。

 

学会で発表した時の懇親会で多くの先生が褒めてくださったが、能力というよりも始末書騒動から始まった業務に対する姿勢の変化が大きいと思った。

 

新しい発明を行うには、コンセプトが重要となるが、汗を流すことをいとわない心がけで、コンセプトを見出したならば、すぐにそれを具体化する行動を起こす必要がある。

 

カテゴリー : 一般 連載 電気/電子材料 高分子

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2020.02/01 高分子の熱重量分析(3)

TGAで得られたデータには、測定雰囲気等のある測定条件における熱分解速度に関する情報が含まれている。

 

これは等速昇温データでも恒温測定データでも同様であるが、恒温測定データでより精度が高いことをすでに説明した。

 

40年以上前には、Doyl-小沢法とかFreeman-Carol法とかTGAを用いた反応速度論解析法がいろいろな高分子で検証されたが、最近このような方法による実験データを見かけない。

 

いずれの方法も解析に用いた仮説に対応した値が得られたので訳が分からなくなった可能性が高い。

 

このような科学の発展過程を見ると、科学のかかえる問題点を知ることになる。イムレラカトシュが言っていたように肯定証明でいつでも永遠の真理を見出せるとは限らないのだ。

 

そもそも高分子の熱分解機構は、高分子の高次構造の影響を受ける。例えばフェノール樹脂とポリエチルシリケートとの相溶化された前駆体炭化物と相溶化していない前駆体炭化物では、SiC化の反応機構が異なり、その結果が恒温測定データに現れる。

 

すなわち、相溶化された前駆体炭化物ではSiOガス生成がなく、核生成の誘導期間を恒温測定データの曲線に観察できるが、相溶化されていない前駆体炭化物から得られたデータでは、いきなりSiOガス揮発による重量減少曲線となる。

 

これは高次構造のわずかな差でSiC化の反応機構が異なるからで、高分解能の電子顕微鏡観察をしない限り、このわずかな高次構造の違いを観察できない。

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40年以上前にはこのような高分解能な電子顕微鏡が無かったから、科学的に無駄な研究が多数なされた、といえるが、そのような時代を経験しても、科学100%のパラダイムによる開発の効率の悪さに気がつかない。

カテゴリー : 連載 高分子

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2020.01/31 花王のパソコン革命(3)

花王では、8ビットのPC8001で事務管理をやっている、と本に書かれていた。ゴム会社では、事務の一部はIBMの大型コンピューターで管理されており、各部門にその端末が一台置かれていた。実態は、花王よりも進んでいたのである。

 

大型コンピューターの端末の価格は、当時300万円前後と言われていた。PC8001は、すでに12万円程度になっていた。但しこの価格はCRTその他が付属していない仕様の価格である。

 

もしデータベースプログラムが稼働し、そのメンテナンスができるようにするには、本体以外にCRTやフロッピーディスク、プリンターなどが必要で、NEC製で揃えても50万円以上となった。

 

ただし、このセットでもIBM大型コンピューターの端末同様に漢字表示できないので、これを漢字表示可能にするには、インターフェースボックスと漢字ボードが必要となる。

 

それならば、ソード社の100万円前後で売られていたシステムが有利であり、漢字表示できて、8ビットCPUが二つ付いており、PC8001よりも速く動作した。

 

さらにOSやワープロなどのソフトもついていたので、当時のコンピューターシステムでは、最も安価だった。PC8001で同様の仕様まで揃えると100万円を越えた。

 

以上の調査結果を一覧表にして上司に説明したら、一言「君たち花王のパソコン革命という本を読んだかね。PC8001一台でOA化ができたと書いてある。」となった。

 

CRTやフロッピーディスクの必要性を説明しても理解してもらえなかったばかりではなく、研究所に設置された大型コンピューターの端末よりPC8001が優れていることを知らないのか、と言い出した。

カテゴリー : 一般 連載

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2020.01/15 まちがいだらけのプログラミング教育(4)

プログラミング教育をする、ということは技術者教育をするという意味に近い。プログラミング教育の内容に、現象から機能を取り出す能力の育成科目を加えると技術者教育となる。

 

戦後の義務教育で技術者教育の重要性が叫ばれながらも、それは科学教育よりも一段低い位置づけで捉えられていた。

 

だから戦後の科学教育で育った人材、すなわち団塊の世代が企業の中核になると日本企業は科学一色に染められていった。

 

ゴム会社は、当方が入社したときに高卒社員が重用されていた会社で、技術系役員にも高卒役員がおり、タイヤ研究開発はKKDが主流だった。ただし、研究所は高学歴部隊で大学と変わらない雰囲気の職場だった。

 

だから、当時の大企業特有の科学命一色ではなく、技術と言うものを学ぶことが可能な土壌があった。当方は、大学と同様のパラダイムの職場に配属されたが、それと大きく異なるタイヤ開発の職場に興味があり、同期はじめ多くの方と交流した。

 

タイヤ開発はプログラミング同様にオブジェクト指向であり、機能をどのように実装するのか試行錯誤で業務が進行していた(注)。

 

研究所は手続き型言語同様にシーケンシャルにかつ論理的に業務が進められ、バグると永遠に終わりのない研究開発が行われているような状態だった。電気粘性流体はそのような状態で5年ほど続いていたテーマだ。

 

(注)思い付きや、ゆきあたりばったり、と揶揄された開発行為の中にも参考とすべき行為があった。人間はサルよりも賢いのである。人間の科学的ではない行為をよく観察すると、皆ばらばらであるが、その中にもパターンが存在する場合がある。例えば、PPAPの如く非論理的な組み合わせを躊躇なく実行するパターンと屁理屈でも意味ある組み合わせだけを追求するパターンは、非科学的でありながら、全く異なるパターンであることを認めることができる。前者では偶然による新発見を期待でき、後者ではパラダイムの間違いを気づかせてくれる。マイコンの黎明期に多くのコンピューター関連大衆紙が発行された。それらの書籍には日曜プログラマーの投稿による様々なプログラムが掲載されていた。それぞれのコードを読み解くと、明らかにプログラマーの癖というものが存在した。科学では、論理に基づくパターンしか生まれないが、コンピューターのプログラムにはプログラマーの癖によりさまざまなパターンが生まれることになる。プログラマーの癖は、科学的な論理に基づく場合もあれば、経験知に基づく場合がある。さらには、何ら説明のつかない癖もあり、他人のプログラムが読みにくい原因になっていた。オブジェクト指向になってもオブジェクトの設計方針にはやはりプログラマーの癖が現れる。ボーランド社のC++とマイクロソフト社のC++では、クラスの設計方針が異なっていたが、ボーランド社のクラスの方が使いやすかった。

カテゴリー : 一般 連載

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2019.10/13 材料技術(8)

ゴム会社では、ゴム材料の配合設計技術や混練技術以外に、高分子の難燃化技術、電気粘性流体、Liイオン二次電池、切削工具、高純度SiCの合成技術、焼結技術、樹脂発泡体技術などを12年間に経験している。

 

この中で、ゴム材料の担当期間は3ケ月と短いが、最も高いスキルを得ることができたのではないかと思っている。

 

それは、写真会社を早期退職する5年前に中間転写ベルト用コンパウンド工場を基盤技術0の会社において立ち上げることができた実績から証明されている。

 

その工場はカオス混合技術の実用化を基礎研究無しで、20年以上前の形式知と経験知だけで成功している。材料技術では、このようなことが可能である。

 

電気電子回路技術などのシステム思考が要求されるような技術開発ではこのようなことは難しい。

 

セラミックスから高分子材料まで扱ってみるとわかるのだが、形式知として体系化されている領域が偏っている。開発業務における実務の世界で接する材料というのは、まず非平衡状態であることが問題だ。

 

未だに非平衡状態を完璧に扱える形式知は存在しない。ゆえに時として形式知で理解できない現象に接する場合がある。

 

そのような現象に接した瞬間が材料技術では重要で、形式知で扱えるようにモデル化するのか、形式知で扱えない現象として素直に受け入れることができるのか判断しなければいけない。ただし、後者ができるためには経験知が体系的に整理されている必要がある。

カテゴリー : 一般 連載 電気/電子材料 高分子

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2019.10/09 材料技術(6)

材料について研究するときに問題となるのは、物性のばらつきである。しかし、研究論文の大半はこの扱いに関して無頓着である。

 

科学では真理が解明されればよいので、導かれる真理に影響しなければばらつきを無視しても構わない、とまでいう研究者もいるほどだ。

 

しかし、技術ではこのばらつきは重要で、ばらつきが大きく、機能に影響が出るようであれば、その材料は使い物にならない。

 

複写機用の機能部品である中間転写ベルト開発を担当した時にびっくりした。半年後にその部品を搭載する機種が製品化されるというのに、押出成形の歩留まりが10%にまで達していないのだ。

 

歩留まりが悪い原因は、ベルトの周方向の電気抵抗の偏差が10%以上である点だ。そして歩留まりの改善が後回しにされてきた理由は、機能設計は難しいが歩留まりは生産技術の問題、という開発者の認識にあった。

 

材料技術において物性ばらつきは、機能の一つである。すなわち科学では新素材が数mgでもできれば論文を書くことができるが、技術ではそれを繰り返し再現性と経済性が成立した状態で市場に出さなければいけない。

 

すなわち、開発段階で物性ばらつきやコストの問題を解決しておかない限り、それが完成された材料にならないのだ。STAGE-GATE法で運営されていても、各GATEにおける判断基準が間違っていたら、開発の成功確率は上がらない。

カテゴリー : 連載 高分子

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2019.10/06 材料技術(5)

ゴム会社の主要事業部門では、トヨタ同様に日常の活動にカイゼンが求められていたが、研究所の風土は異なり、当方の日ごろの改善提案活動が浮いた行動に見える様な運営だった。

 

ホウ酸エステル変性ポリウレタンフォームの技術やフェノール樹脂天井材の技術から生み出された高純度SiCの事業はその部門で運営されていたが、職場では異質な仕事と周囲から見られていた。

 

高純度SiCの事業テーマを研究開発テーマとしてスタート後5年経過して開始された住友金属工業との高純度SiCのJVを抱えながら、電気粘性流体のテーマを新たに担当することになった

 

このテーマに関する下記の主要技術を一人で提案できるほど貢献できたのは、それまでに担当したテーマで材料技術基盤が当方のスキルとして完成していたからである。

 

この電気粘性流体の仕事を担当するや否や、そのテーマに関するいくつかの改善技術について企画を提案している。

 

テーマそのものが先端であり、ゴム会社がその先頭を走っていると説明を受けていたので現場を見ただけでまとめた、まさに「カイゼン」企画である。

 

世界の先頭を走っている状態を材料技術者の立場で実用化の視点から眺めたときに、現場で行われていたのは極めて奇妙な研究が多かったからである(「添加剤がまったく入っていないゴム開発」という当方に課せられたテーマはその一例である)。

 

科学の研究として推進されていた状態を見て、新たに企画提案したテーマから以下の発明が生み出されている。いずれも科学的ではなく材料技術で生み出した成果である(この時の企画立案に研究開発必勝法が使われている)。

 

下記発明が他のメンバーにより推進されるようになって実用化が加速し、当方が転職後電気粘性流体は上市された。

 

<高純度SiCの事業化を一人で推進しながら出した成果事例>

1.電気粘性流体の増粘防止耐久性向上技術(特開平3-124794、特開平3-157498)

2.ホスファゼンを用いた電気粘性流体、あるいは難燃製油(特開平3-139597、特開平3-139599、特開平4-202295、特開平4-202296、特開平4-198189、特開平4-198190)

3.電気粘性流体用特殊粉体(特開平3-181597、特開平3-252498、特開平4-227796(傾斜機能粉体)、特開平4-227996、特開平4-227997(微粒子分散型微粒子)、特開平4-348192、特開平5-810、特開平6-279018)

 

カテゴリー : 一般 連載 電気/電子材料 高分子

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