CN102417616A - 子午线轮胎 - Google Patents

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Abstract

提供了一种可以降低滚动阻力的子午线轮胎，其具有的缓冲层胶垫或胎侧壁衬垫所包含的橡胶组合物中，损耗角正切值tanδ下降并且复合弹性模数E*与断裂特性能够以很好的平衡方式得到改进。所述子午线轮胎，其具有的缓冲层胶垫或胎侧壁衬垫所包含的橡胶组合物含有：作为基准的100重量份橡胶组分，20～55重量份的碘吸附量为25～75mg/g并且DBP吸油量为110～150ml/100g的炭黑，以及5～30重量份的BET比表面积为115～200m2/g的二氧化硅。

Description

子午线轮胎
本申请是申请日为2006年3月28日、申请号为200610074112.7、名称为“子午线轮胎”的发明专利申请的分案申请。
背景技术
本发明涉及一种子午线轮胎。
近年来，由于排放二氧化碳造成全球持续变暖，并且关于汽车废气的法规和二氧化碳排放的法规都已经制定。此外，今后，可以预见从石油资源例如汽油和柴油中获得的车用柴油的枯竭。
因此，对汽车例如卡车和客车节油的需求越来越强烈，并且着重于发展具有更小滚动阻力的轮胎(低耗油的轮胎)。
作为一种降低轮胎滚动阻力的方法，提高胎面在轮胎部件中占有的最大重量十分有效，并且传统上通过对胎面的改进可以降低轮胎的滚动阻力。然而，由于胎面是对轮胎耐磨性和抓地抗滑性能影响最大的轮胎部件，降低滚动阻力的同时保持耐磨性和抓地抗滑性能在技术上已经接近极限了。
因此，现在重要的是通过改善除了胎面以外的其他轮胎部件以降低轮胎的滚动阻力。
已知的能够降低滚动阻力并在对其进行改进的同时不影响轮胎耐磨性和抓地抗滑性能的轮胎部件有缓冲层胶垫或胎侧壁衬垫。这里，缓冲层胶垫指的是图1所示的轮胎部件1，并且是一个能极大地影响轮胎耐久度、乘坐性等的轮胎部件。并且，胎侧壁衬垫指的是图2所示的轮胎部件4，能够提高轮胎的刚度，同时松弛切应力以提高胎圈部的耐久度。
而缓冲层胶垫或胎侧壁衬垫的改善方法，例如，通过提高缓冲层胶垫的橡胶组合物或胎侧壁衬垫的橡胶组合物中橡胶组分的比例，以降低增强填充料如炭黑的比例，并且降低橡胶组合物的损耗角正切值tanδ。然而，由于获得的对橡胶组合物的增强效果不足，并且橡胶组合物的复合弹性模数E*下降，缓冲层胶垫或胎侧壁衬垫会容易变形，并且能量损失变大，因此不能获得轮胎滚动阻力的降低。
此外，缓冲层胶垫的橡胶组合物或胎侧壁衬垫的橡胶组合物中加入了大量的硫化剂，降低了橡胶组合物的损耗角正切值tanδ。减小滚动阻力可以采用这种手段而无需减少橡胶组合物中的增强填充料的比例，但增大了行驶造成的热老化导致的橡胶组合物物理性质的改变，并且当橡胶组合物被用于缓冲层胶垫时，其对于轮胎行驶于路缘石上或崎岖路面时对轮胎胎侧壁造成的冲击耐受的特性(断裂特性fracture feature)是不能满足要求的。此外，当橡胶组合物被用于胎侧壁衬垫时，轮胎的负载使轮胎发生变形，因而在胎体帘布层之间产生的剪切变形被作用于轮胎的负载造成的轮胎变形所松弛，从而无法充分获得足够耐受施加于轮胎的负载的断裂特性。
断裂特性的所需程度是依照轮胎种类而不同，用于载重较大的汽车如卡车和客车的子午线轮胎与轻型卡车相比需要较高的断裂特性。
为了改进用于车辆如卡车和客车的缓冲层胶垫或胎侧壁衬垫的橡胶组合物的断裂特性，已知通过减少橡胶组合物中增强填充料的比例，使用具有较高增强性能和较高邻苯二甲酸二丁酯的吸油量(DBP吸油量)的炭黑(美国材料试验协会ASTM标准(ASTM1765)中的N134等)，可以降低损耗角正切值tanδ，并且复合弹性模数E*与断裂特性能够以很好的平衡方式得到改进。然而，橡胶组合物中用碳黑增强的部分与未用碳黑增强的部分之间会通过增进由炭黑颗粒连结所形成的聚集而容易出现差异扩大的问题，未增强部分易于发生断裂，而使断裂特性下降。并且，在橡胶组合物中炭黑难以充分分散，并且会出现揉合时间及揉合次数增加的问题。
此外，已知可以通过增大DBP吸油量和增大炭黑颗粒(减小碘吸附量)来减小损耗角正切值tanδ。然而，也会产生导致断裂特性下降的问题。
因此，通过只使用炭黑作为增强填充料，难以使缓冲层胶垫或胎侧壁衬垫的橡胶组合物的损耗角正切值tanδ降低，以及难以使复合弹性模数E*与断裂特性能够以很好的平衡方式得到改进。
作为增强填充料另外还有二氧化硅，通过加入二氧化硅，能够获得使橡胶组合物被充分增强并且橡胶组合物的损耗角正切值tanδ也被降低的效果。然而，难题在于无法获得缓冲层胶垫或胎侧壁衬垫的橡胶组合物所必需的损耗弹性模数*，除非加入相当大量的单一二氧化硅，并且将tanδ调整到目标值。
因此，将二氧化硅和炭黑组合使用作为增强填充料。
例如，日本未审查专利公报第2004-161862号中公开了炭黑和二氧化硅一起使用的缓冲层胶垫的橡胶组合物，但炭黑是与ASTM标准代码中的N330类相同或与小的代码号中的相同。即使组合使用了二氧化硅，也无法获得充分的效果。
因此，只通过炭黑和二氧化硅的出色的增强效果，目前尚未获得可以使损耗角正切值tanδ下降，并且复合弹性模数E*与断裂特性能够以很好的平衡方式得到改进的橡胶组合物。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以降低滚动阻力的子午线轮胎，其具有的缓冲层胶垫或胎侧壁衬垫所包含的橡胶组合物中，损耗角正切值tanδ下降，并且复合弹性模数E*与断裂特性能够以很好的平衡方式得到改进。
本发明涉及一种子午线轮胎，其具有的缓冲层胶垫或胎侧壁衬垫所包含的橡胶组合物含有：作为基准的100重量份的橡胶组分，20～55重量份的碘吸附量为25～75mg/g并且邻苯二甲酸二丁酯吸收值为110～150ml/100g的炭黑，以及5～30重量份的BET比表面积为115～200m2/g的二氧化硅。
上述子午线轮胎优选具有的缓冲层胶垫所包含的橡胶组合物中，炭黑的含量为20～40重量份，并且在测试温度为70℃、初始应变为10％、动态应变为±2％、以及频率为10Hz的条件下，测得复合弹性模数E*为3～5.5MPa，以及损耗角正切值tanδ小于0.05。
上述子午线轮胎优选具有的胎侧壁衬垫所包含的橡胶组合物中，炭黑的碘吸附量为40～74mg/g，其含量为30～40重量份，以及二氧化硅的含量为10～30重量份，并且在测试温度为70℃、初始应变为10％、动态应变为±2％、以及频率为10Hz的条件下，在上述橡胶组合物中测得复合弹性模数E*为4MPa或更大，以及损耗角正切值tanδ小于0.06。
上述子午线轮胎优选安装在重负载汽车上(客车或卡车)。
附图说明
图1是具有缓冲层胶垫的子午线轮胎胎面部的局部剖面图，数字1、2和3分别指的是缓冲层胶垫、缓冲层和壳(case)；以及
图2是具有胎侧壁衬垫的子午线轮胎胎圈部的局部剖面图，数字4、5、6、7、8、9、10和11分别指的是胎侧壁衬垫、胎圈包布、胎侧壁、胎体、增强填充料、衬里、胎圈三角胶芯和胎圈芯。
具体实施方式
本发明的子午线轮胎具有包含橡胶组合物的缓冲层胶垫和胎侧壁衬垫。
这里，如图1所示，缓冲层胶垫1指的是位于缓冲层2边缘部分和壳3之间的一层。
此外，如图2所示，胎侧壁衬垫4指的是位于胎圈三角胶芯10上部的一层。
用于制备本发明的子午线轮胎所具有的缓冲层胶垫和胎侧壁衬垫的橡胶组合物包含橡胶组分、特定的炭黑和二氧化硅。
而橡胶组分，可以使用通常使用的二烯橡胶例如天然橡胶、丁苯橡胶和丁二烯橡胶；或丁基橡胶类例如丁基橡胶和氯化丁基橡胶。其中，因为具有轮胎所需要的高强度和低发热性，优选使用二烯橡胶，并且进一步优选使用天然橡胶。
炭黑的碘吸附量至少为25mg/g。当碘吸附量小于25mg/g时，无法显示出所需的断裂特性，并且橡胶组合物的tanδ增大。并且，炭黑的碘吸附量至多为75mg/g。当碘吸附量超过75mg/g时，橡胶组合物的tanδ变大，并且无法获得希望的低燃料费用。当由该橡胶组合物制备缓冲层胶垫时，炭黑的碘吸附量的下限优选为25mg/g，并且其上限优选为60mg/g。此外，当由该橡胶组合物制备胎侧壁衬垫时，炭黑的碘吸附量的下限优选为40mg/g，并且其上限优选为74mg/g。
炭黑的邻苯二甲酸二丁酯吸油量(DBP吸油量)至少为110ml/100g。当DBP吸油量小于110ml/100g时，橡胶组合物的tanδ变大，并且无法获得希望的低燃料费用。并且，炭黑的DBP吸油量至多为150ml/100g。当DBP吸油量超过150ml/100g时，无法获得希望的断裂特性。当由该橡胶组合物制备缓冲层胶垫时，炭黑的DBP吸油量的下限优选为110ml/100g，并且其上限优选为135ml/100g。此外，当由该橡胶组合物制备胎侧壁衬垫时，炭黑的DBP吸油量的下限优选为120ml/100g，并且其上限优选为150ml/100g。
以100重量份的橡胶组分为基准，炭黑的含量至少为20重量份。当含量小于20重量份时，炭黑的增强效果不足，并且无法获得所希望的断裂特性。以100重量份的橡胶组分为基准，炭黑的含量至多为55重量份。当含量超过55重量份时，橡胶组合物的tanδ变大，并且无法获得所希望的低燃料费用。当由该橡胶组合物制备缓冲层胶垫时，炭黑含量的下限优选为20重量份，并且其上限优选为40重量份。此外，当由该橡胶组合物制备胎侧壁衬垫时，炭黑含量的下限优选为30重量份，并且其上限优选为40重量份。
二氧化硅的BET比表面积至少为115m2/g。当BET比表面积小于115m2/g时，二氧化硅的增强效果不足，并且无法获得所希望的断裂特性。并且，二氧化硅的BET比表面积至多为200m2/g。当BET比表面积超过200m2/g时，橡胶组合物的tanδ变大，并且无法获得所希望的低燃料费用。当由该橡胶组合物制备缓冲层胶垫时，二氧化硅的BET比表面积的下限优选为140m2/g，并且其上限优选为200m2/g。此外，当由该橡胶组合物制备胎侧壁衬垫时，二氧化硅的BET比表面积的下限优选为115m2/g，并且其上限优选为180m2/g。
以100重量份的橡胶组分为基准，二氧化硅的含量至少为5重量份。当含量小于5重量份时，二氧化硅的增强效果不足，并且无法获得所希望的断裂特性。以100重量份的橡胶组分为基准，二氧化硅的含量至多为30重量份。当含量超过30重量份时，橡胶组合物的tanδ变大，并且无法获得所希望的低燃料费用。当由该橡胶组合物制备缓冲层胶垫时，二氧化硅含量的下限优选为5重量份，并且其上限优选为25重量份。此外，当由该橡胶组合物制备胎侧壁衬垫时，二氧化硅含量的下限优选为10重量份，并且其上限优选为30重量份。
这样，本发明中需要炭黑具有DBP吸油量的特定范围为110～150ml/100g，炭黑颗粒之间连结增进到一定的程度，并且此外，二氧化硅具有115～200m2/g的BET比表面积，并且其颗粒精细到一定程度。此外，通过组合使用炭黑和二氧化硅，颗粒比炭黑更精细的二氧化硅会进入由炭黑颗粒连结形成的炭黑聚集体的间隙，因此炭黑被增强，其结果是子午线轮胎的断裂特性得到保持。
在橡胶组合物中，除了上述橡胶组分、炭黑和二氧化硅以外，还能够加入通常在轮胎工业中使用的氧化锌、硬脂酸、抗氧化剂、硫和硫化促进剂。
虽然在橡胶工业中硫化时通常所用的硫可用作发明的橡胶组合物中的硫，但是优选使用不溶性硫。这里，不溶性硫指的是通过加热天然硫S8、猝冷并聚合获得的Sx(x＝100,000～300,000)。通过使用不溶性硫能够防止在使用硫作为橡胶硫化剂时通常会产生的硫霜(blooming)。
以100重量份的橡胶组分为基准，硫的含量(除了油以外的纯硫的含量)优选为1.5～2.9重量份。当硫的含量小于1.5重量份时，橡胶组合物的tanδ变大，并且无法获得所希望的低燃料费用。并且，当硫的含量超过2.9重量份时，橡胶组合物的热老化性能变差，并且不易获得所希望的断裂特性。
当由该橡胶组合物制备缓冲层胶垫时，在测试温度为70℃、初始应变为10％、动态应变为±2％、以及频率为10Hz的条件下测得的复合弹性模数E*优选至少为3MPa，并且进一步优选至少为3.5MPa。当复合弹性模数E*小于3MPa时，硬度不足，因此缓冲层胶垫的变形变大，其结果是不易获得低燃料费用。并且，橡胶组合物的复合弹性模数E*优选至多为5.5MPa，以及进一步优选至多为4.5MPa。而当复合弹性模数E*超过5.5MPa时，缓冲层胶垫变硬，并且所希望的断裂特性不易获得。
此外，当由该橡胶组合物制备胎侧壁衬垫时，在测试温度为70℃、初始应变为10％、动态应变为±2％、以及频率为10Hz的条件下测得的复合弹性模数E*优选至少为4MPa，并且进一步优选至少为4.5MPa。当复合弹性模数E*小于4MPa时，硬度不足，因此胎侧壁衬垫的变形变大，其结果是不易获得低燃料费用。并且，橡胶组合物的复合弹性模数E*优选至多为6.0MPa，以及进一步优选至多为5.5MPa。而当复合弹性模数E*超过6.0MPa时，胎侧壁衬垫变硬，并且所希望的断裂特性不易获得。
当由该橡胶组合物制备缓冲层胶垫时，在测试温度为70℃、初始应变为10％、动态应变为±2％、以及频率为10Hz的条件下测得的所述橡胶组合物的损耗角正切值tanδ优选小于0.05，并且进一步优选小于0.045。当损耗角正切值tanδ超过0.05MPa时，不易获得所希望的低燃料费用。
此外，当由该橡胶组合物制备胎侧壁衬垫时，在测试温度为70℃、初始应变为10％、动态应变为±2％、以及频率为10Hz的条件下测得的损耗角正切值tanδ优选至多为0.06，并且进一步优选至多为0.055。当损耗角正切值tanδ超过0.06MPa时，不易获得所希望的低燃料费用。
本发明的子午线轮胎的制备是通过在未硫化的阶段将橡胶组合物模塑为缓冲层胶垫的形状或胎侧壁衬垫的形状，并且通过在硫化温度为140～160℃、硫化时间为30～50分钟的条件下将与其他轮胎部件层压制得的未硫化轮胎进行硫化而制得的。
本发明的子午线轮胎优选安装在重负载交通工具上。重负载交通工具的例子包括轻型卡车、重型卡车、客车、飞机等。其中，从易于显示低燃料费用考虑，重负载交通工具优选主要以高速行驶的重型卡车。
实施例
本发明将基于实施例进行详细介绍，但本发明不只限于此。
实施例中使用的各种化学品如下所述。
NR：RSS#3
碳N134：SHOBLACK N134(碘吸附量为142mg/g，并且DBP吸油量为127ml/100g)，SHOWACABOT K.K.制造
碳N220：SHOBLACK N220(碘吸附量为121mg/g，并且DBP吸油量为114ml/100g)，SHOWACABOT K.K.制造
碳N351：SHOBLACK N351(碘吸附量为70mg/g，并且DBP吸油量为120ml/100g)，SHOWACABOT K.K.制造
碳N550：SHOBLACK N550(碘吸附量为43mg/g，并且DBP吸油量为121ml/100g)，SHOWACABOT K.K.制造
碳A：炭黑试制产品(碘吸附量为75mg/g，并且DBP吸油量为120ml/100g)
碳B：炭黑试制产品(碘吸附量为39mg/g，并且DBP吸油量为120ml/100g)
碳C：炭黑试制产品(碘吸附量为70mg/g，并且DBP吸油量为109ml/100g)
碳D：炭黑试制产品(碘吸附量为60mg/g，并且DBP吸油量为151ml/100g)
二氧化硅VN3：ULTRASIL VN3，Degussa制造(BET比表面积：175m2/g)
二氧化硅115Gr：Z115Gr，Rhodia公司制造(BET比表面积：112m2/g)
二氧化硅A：二氧化硅试制产品(BET比表面积：119m2/g)
二氧化硅B：二氧化硅试制产品(BET比表面积：205m2/g)
60％不溶性硫：SEIMI SULFUR(纯硫含量为60％，油含量为40％)，购自Nippon Kanryu工业株式会社制造
氧化锌：氧化锌No.1，三井金属矿业株式会社制造
硫化促进剂NS：NOCCELER NS，OUCHI SHINKO化学工业株式会社制造
硬脂酸：硬脂酸，NOF公司制造
抗氧化剂：RD，Seiko化学株式会社制造
硅烷偶联剂：Si266，Degussa公司制造
硫化促进剂NS：NOCCELER NS，OUCHI SHINKO化学工业株式会社制造
实施例1～20和对照例1～24
(测试用轮胎的制备)
将表1～4中所述加入量的炭黑和二氧化硅、二氧化硅加入量的8％的硅烷偶联剂、3重量份的氧化锌、1.5重量份的硬脂酸和1.5重量份的抗氧化剂加入到100重量份的天然橡胶中，并且将它们揉合大约2分钟直到温度达150℃为止。然后向其中加入表1～4中所述加入量的60％不溶性硫和硫化促进剂NS(不溶性硫指的是纯硫的含量)，并且将它们揉合大约2分钟直到温度达100℃为止，并且分别挤压制得未硫化橡胶片。
顺便提及，由于对照例2和15的揉合困难，他们的揉合次数需要比除了对照例2、4、15和17以及实施例以外的对照例的总揉合次数多两倍。
此外，由于对照例4和17的揉合容易，他们的揉合次数需要比除了对照例2、4、15和17以及实施例以外的对照例的总揉合次数少一倍。
将实施例1～9和对照例1～13的未硫化橡胶片模塑为缓冲层胶垫，并且将其与其他轮胎部件层压，以制得未硫化轮胎，并在150℃下将其硫化45分钟制得实施例1～9和对照例1～13的测试用轮胎(轮胎尺寸：11R22.5，14PR，刻有四季花纹的子午线轮胎)。
此外，将实施例10～20和对照例14～24的未硫化橡胶片模塑为胎侧壁衬垫，并且将其与其他轮胎部件层压，以制得未硫化轮胎，并在150℃下将其硫化45分钟制得实施例10～20和对照例14～24的测试用轮胎(轮胎尺寸：11R22.5，14PR，刻有四季花纹的子午线轮胎)。
使用制得的测试用轮胎进行下列测试。
(复合弹性模数E*和损耗角正切值tanδ的测定)
分别从实施例1～9和对照例1～13的测试轮胎的缓冲层胶垫和实施例10～20和对照例14～24的测试轮胎的胎侧壁衬垫上切割宽度为4mm、厚度为1.8～2.2mm以及长度为30mm的测试片。并且，在测试温度为70℃、初始应变为10％、动态应变为±2％、以及频率为10Hz的条件下，使用IWAMOTO SEISAKUSYO KABUSHIKIGKAISYA生产的粘弹性分光计，对测试片进行复合弹性模数E*和损耗角正切值tanδ的测定。
(热老化后的断裂特性)
分别从实施例1～9和对照例1～13的测试轮胎的缓冲层胶垫和实施例10～20和对照例14～24的测试轮胎的胎侧壁衬垫上切割厚度为1.8～2.2mm的橡胶片，并且使用变温烤箱(gear oven)热老化测试仪(Toyo Seiki Seisakusho株式会社制造)将其在100℃下热老化72小时。在热老化后的橡胶片上切割Dumbbell No.3测试片。根据JIS K6251进行拉伸测试，以分别测定断裂拉伸强度TB(MPa)和断裂伸长EB(％)。并且对通过下列公式由测得的断裂拉伸强度TB(MPa)和断裂伸长EB(％)计算得出的值进行评价。
(热老化后的断裂特性)＝(断裂拉伸强度TB)×(断裂伸长)×0.5
(滚动阻力系数)
在80km/hr、负载为24.5kN的条件下对各个轮胎进行滚筒运转(drum running)，并且测定耐负荷性。并且以对照例1的耐负荷性测试值为100作基准，将表1和2中的耐负荷性测试值分别以系数的方式显示。此外，以对照例14的耐负荷性测试值为100作基准，将表3和4中的耐负荷性测试值分别以系数的方式显示(滚动阻力系数)。系数越小，滚动阻力越小，轮胎越好。
测试结果如表1～4所示。
根据本发明，通过分别包含特定量的特定的炭黑和二氧化硅，能够提供一种可以降低滚动阻力的子午线轮胎，其具有的缓冲层胶垫或胎侧壁衬垫所包含的橡胶组合物中，损耗角正切值tanδ下降并且复合弹性模数E*与断裂特性(特别是热老化后的断裂特性)能够以很好的平衡方式得到改进。
Figure BSA00000586479800091
Figure BSA00000586479800111
Figure BSA00000586479800121

Claims (3)

1.一种子午线轮胎，其具有的胎侧壁衬垫所包含的橡胶组合物含有：作为基准的100重量份橡胶组分，30～40重量份的碘吸附量为40～74mg/g并且邻苯二甲酸二丁酯吸油量为110～150ml/100g的炭黑，以及10～30重量份的BET比表面积为115～200m2/g的二氧化硅，并且
所述橡胶组合物在测试温度为70℃、初始应变为10％、动态应变为±2％、以及频率为10Hz的条件下，测得复合弹性模数E*至少为4MPa，并且损耗角正切值tanδ小于0.06。
2.如权利要求1所述的子午线轮胎，其特征在于，其具有缓冲层胶垫，所述缓冲层胶垫所包含的橡胶组合物含有：作为基准的100重量份橡胶组分，20～55重量份的碘吸附量为25～75mg/g并且邻苯二甲酸二丁酯吸油量为110～150ml/100g的炭黑，以及5～30重量份的BET比表面积为115～200m2/g的二氧化硅。
3.如权利要求1或2所述的子午线轮胎，其特征在于，其安装在重负载汽车上。
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