JP2004223742A - 繊維含有ゴム状組成物およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】相手部材との間で高い摩擦係数を有し、かつ耐摩耗性にも優れた繊維含有ゴム状組成物を提供する。
【解決手段】母材に短繊維を混合する工程、この混合物を薄板状にする工程、この薄板を蛇腹状に折り曲げて圧縮成形する工程、この成形体を加熱する工程により、短繊維を摩擦面に鉛直な面内に配向させたゴム状組成物を製作する。このゴム状組成物は、相手部材に対して短繊維がひっかき効果を発揮するため、高い摩擦係数を得ることができる。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維を含有するゴム状組成物およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タイヤやベルトなど、相手部材との間の滑りを嫌う部材（摩擦部材）には、従来からゴム成分を主成分とするゴム状組成物が多用されている。このゴム状組成物としては、耐摩耗性の向上等の観点から母材に短繊維を配合した組成物（繊維含有ゴム状組成物）を使用する場合があり、この繊維含有ゴム状組成物の一例が例えば特開２００１−６４４０４号公報等に記載されている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−６４４０４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の繊維含有ゴム状組成物では、母材に短繊維を均一に混合してから所定形状に成形しており、短繊維は母材中に方向性を持たずにランダムに分散している。この場合、特に成形品を薄板状にすると、短繊維はその表面と平行な面内に配向される。従って、これをベルトやタイヤなどの摩擦部材の表層に使用した場合、摩擦面となる表面に短繊維がその長さ方向に露出し、これによって摩擦係数の低下やチッピングによる耐摩耗性の低下等の不具合を招くおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は相手部材との間で高い摩擦係数を有し、さらには耐摩耗性にも優れる繊維含有ゴム状組成物およびその製造方法の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的の達成のため、本発明にかかる繊維含有ゴム状組成物は、相手部材との摩擦面を有するゴム状組成物であって、短繊維を摩擦面に鉛直な面内に配向させたものである。ゴム状組成物の母材としては、天然ゴム、合成ゴム、熱可塑性エストラマーの単独あるいはこれらの混合物を使用することができる。
【０００７】
この繊維含有ゴム状組成物は、摩擦面と鉛直な面内に短繊維が配向されているため、相手部材との摺動に際しては、摩擦面に突き出した短繊維の先端がひっかき効果を発揮し、これにより相手部材との間に高い摩擦係数が確保される。また、チッピングも生じにくくなり、耐摩耗性が大きく改善される。
【０００８】
この繊維含有ゴム状組成物は、▲１▼母材に短繊維を混合する工程、▲２▼この混合物を薄板状にする工程、▲３▼この薄板を蛇腹状に折り曲げて圧縮成形する工程、▲４▼成形体を加熱する工程、を経て製造することができる。
【０００９】
上記▲２▼の工程により、短繊維は薄板の表面と平行な面内に配向される。薄板の厚さが厚すぎると、表面と平行な面内に配向される短繊維の割合、すなわち最終製品で摩擦面と鉛直な面内に配向される短繊維の割合が少なくなるので、摩擦係数や耐摩耗性の低下等を招く。従って、薄板の具体的な厚さは、使用する短繊維の長さに応じてこのような不具合を生じないように定める必要があり、望ましくは短繊維の平均繊維長さ以下の厚さとする。
【００１０】
上記▲３▼の工程により、短繊維は蛇腹の山部と谷部の間の傾斜部に沿って配向される。この蛇腹状薄板を型に入れて圧縮成形することによって、蛇腹の傾斜部同士が密着し、さらに蛇腹の山部や谷部が連続表面を形成する。この時、短繊維は山部や谷部で形成された連続表面に対して鉛直な面内に配向されている。その後、成形品を加熱して（工程▲４▼）密着した傾斜部同士を一体化させれば、上述した繊維含有ゴム状組成物が得られる。ここでの加熱工程には、加熱により傾斜部同士を熱融着させる工程の他、加硫工程等の高分子化合物を架橋させる工程も含まれる。
【００１１】
短繊維としては、相手部材に対して良好なひっかき効果が得られるものであれば使用可能であるが、環境負荷を考えて植物系天然繊維、その中でも特に竹繊維を使用するのが好ましい。
【００１２】
竹繊維は、竹類、あるいは笹類から化学的もしくは物理的処理により分離された直径０．０５〜０．５ｍｍ、長さ１〜５０ｍｍ程度のものである。竹は、維管束とその周りを木質が取り囲む形で構成され、さらに維管束は、維管束鞘と呼ばれる直径１５〜３０μｍ（円形に近似させた時の直径）の単繊維の集合体と複数の導管とで構成される。これら維管束もしくは維管束鞘が上記竹繊維として使用される。これらの繊維束は、単繊維同士が互いに強固に接着された状態にあるため、これを摩擦面から僅かに突出させた場合、凹凸のある鋼材料に対しても良好な引っかき効果が得られる。従って、短繊維として竹繊維を使用し、これを摩擦面と鉛直な面内に配向することにより、凹凸のある鋼材料に対して高い摩擦係数を得ることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、短繊維として竹繊維を使用した場合を例に挙げて説明する。
【００１４】
本発明にかかるゴム状樹脂組成物は、短繊維しての竹繊維と母材との複合材料である。竹繊維は、例えば以下の工程で分離することができる。
【００１５】
先ず、真竹、孟宗竹等の竹類の稈や笹類の幹（以下では、これらを「竹」と総称する）を採取し、日陰で十分乾燥させる。この際、採取する竹としては、生育後１〜２年以内の若竹が好ましい。乾燥した竹を幅２〜１０ｃｍの短冊に割り揃えた後、金槌等の打撃手段、カッター等による切断手段、あるいは適宜の擦耗手段を単独でまたは組み合わせて解繊する。解繊した竹繊維をふるい工程にかけ、直径０．０５〜０．５ｍｍ、長さ１〜５０ｍｍの竹繊維を得る。
【００１６】
この他、採取した竹を水蒸気を用いて爆砕すれば、低コストかつ能率的に竹繊維を分離することができ、工業的量産にも対応可能となる。この場合、爆砕後の竹細柵は、▲１▼手もみする、▲２▼温度２０〜１００℃、圧力１〜１５ＭＰａの高圧水を噴霧する、▲３▼微小な研磨材を含んだ温度２０〜５０℃、圧力０．２〜０．９９ＭＰａの高圧水を噴霧する、▲４▼圧力０．１〜０．３ＭＰａの空気を含む高圧ガスを噴霧する、▲５▼上下摺動面の周速の異なるローラあるいはベルト間に挿入する、▲６▼公知の解繊機を使用する、等の何れかの手段を単独で、または組み合わせて使用することにより、繊維部分と木質部分とに分離される。その後、繊維部分をふるい工程にかけることによって上記竹繊維が得られる。このように爆砕法を採用する場合、事前に採取した竹を乾燥する必要はない。
【００１７】
分離された竹繊維は、カレンダーロール等（または同等の混練機）を用いて母材ポリマーおよび必要な添加剤と共に混練される。母材ポリマーとしては、天然ゴムの他、クロロプレンゴム等の合成ゴム（天然ゴムとの混合物も含む）、あるいはゴム状弾性を有する熱可塑性エラストマー等が使用可能であり、この実施形態では熱可塑性エラストマーを使用する場合を例示する。熱可塑性エラストマーとしては、ポリエステル系、ナイロン系、ウレタン系、オレフィン系等が最終製品の用途・機能に応じて選択使用される。
【００１８】
次いで、混練物はロール成形等の手段によって、図１に示す薄板状に成形され、これによって短繊維１は、図示のように薄板２の表面２ａとほぼ平行な面内に配向される。薄板２の厚さが大きいと、上記表面２ａに対して傾斜しあるいは直交する竹繊維１の割合が多くなるので、薄板２の厚さは０．２〜１０ｍｍ程度とするのが好ましい。
【００１９】
次いで、図２に示すように、薄板２は蛇腹折りされる（蛇腹折り後の薄板を符号４で表す）。この蛇腹折りは、例えば図示のように、Ｖ溝とＶ突起をもった一対のロール３ａ，３ｂによって行うことができる。この段階で、短繊維１は、蛇腹状薄板４の山部４ａと谷部４ｂの間の傾斜部４ｃの傾斜方向に沿って配向され、山部４ａあるい谷部４ｂに跨った短繊維１は、その頂部で破断し、あるいは頂部形状に沿って折れ曲がる。
【００２０】
次いで蛇腹状薄板４は、図３に示すように適当な長さに切断した上で成形型５の内部に収容される。収容後、プランジャ５で蛇腹状薄板４をその伸縮方向に押圧し、圧縮成形する。この圧縮成形により、蛇腹状薄板４の隣接する傾斜部４ｃ同士が密着し、さらに薄板４の山部４ａや４ｂが連続して平面（成形体８の表面８ａ、８ｂ：図４参照）が形成される。この成形体８の表面８ａ、８ｂに鉛直な面８ｃでは、図示のように竹繊維１が当該面８ｃ内に配向されている（面８ｃ内での短繊維１の向きはランダムである）。
【００２１】
その後、成形体８を適当な形状に裁断し、これをホットプレス等の手段で加熱して成形することにより、傾斜部４ｃ同士が融着・一体化した所定形状のゴム状組成物が得られる。この際、成形体８の表面８ａ、８ｂが摩擦面となるように裁断および加熱成形する必要がある。さらに必要に応じて摩擦面を研摩することで、摩擦面に多数の竹繊維１が僅かに突出したタイヤ、伝動ベルト等の摩擦部材を得ることができる。この他、図３に示すように型５内に蛇腹状薄板４を収容し、プランジャ６で圧縮した状態で型を加熱しても同様に摩擦部材を得ることができる。
【００２２】
母材ポリマーとして、天然ゴムや合成ゴムを使用する場合も、ホットプレス等の加熱工程に代えて加硫工程を設けることにより、同様の手順でゴム状組成物を得ることができる。もちろん図３に示す型成形時に加硫してゴム状組成物を得ることも可能である。
【００２３】
以上の工程で得られたゴム状組成物は、摩擦面に鉛直な面内に竹繊維１が配向されているため、相手部材との間に摩擦が生じた際、摩擦面に僅かに突き出した多くの竹繊維１の先端がひっかき効果を発揮し、これにより相手部材との間に高い摩擦係数を確保することができる。従って、このゴム状組成物で例えばタイヤ（少なくともトレッド）を製作した場合、突き出した竹繊維があたかもスパイクタイヤのスパイクのように雪面や氷面に食い込むため、グリップ力（見かけの摩擦力）を向上させることができる。一例としてクロロプレンゴム（ＣＲ）に竹繊維を５重量％混入させたゴム状組成物では、−２℃の氷との摩擦において見かけの摩擦係数がＣＲ単体に比べて５倍に増すことが判明した。タイヤの他、伝動ベルトの少なくともプーリとの接触面を上記ゴム状組成物で製作した場合も、プーリに対する滑りを減じて伝動効率の向上を図ることができる。
【００２４】
竹繊維が相手部材に食い込まない場合（竹繊維が摩擦面に突出していない場合も含む）でも、ゴム状組成物と相手部材との接触圧力の一部または大部分がゴム状組成物の表面近くの竹繊維で支持されるため、同様に摩擦係数を変化させることができる。
【００２５】
また、竹繊維１が母材ポリマーの摩減防止材として機能するため、ゴム状組成物の耐摩耗性を向上させることもできる。本発明者が試験したところ、例えば上記ゴム状組成物（ＣＲ＋竹繊維）では、鋼材（Ｓ５５Ｃ、焼入れ焼戻し材、表面粗さ６．３Ｒａ）と摺動させた時の摩耗量が約５０％減じられることが判明した。その他、竹繊維による母材ポリマーの補強硬化により、面外方向の剛性や固さを向上させることもでき、例えば上記ゴム状組成物ではゴム硬度が３倍程度になることも確認された。
【００２６】
さらに竹繊維は天然の竹から取り出されるが、竹は竹林から豊富に採取することができ、また約３０日で成長をし終えるほど成長力に富むことから、低コストの再生可能資源といえる。同時に、天然資源であるから、製造時や廃棄時に環境に与える負荷も小さい。以上から、本発明によれば、低環境負荷型の複合材料を提供し、竹の有効利用を通じて環境保全を図ることができる。
【００２７】
母材エラストマーに対する竹繊維の混入割合には最適範囲が存在すると考えられる。本発明者が試験したところ、母材エラストマーに対する竹繊維の混入割合が１重量％未満では竹繊維が少なすぎるために上記各種効果を充分に得ることができず、３０重量％を超えると、製品の強度低下が著しくなることが判明した。従って、母材に対する竹繊維の混入割合は１〜３０重量％の間に設定するのが好ましい。例えば上記ゴム状組成物の鋼材（Ｓ５５Ｃ、焼入れ焼戻し材、表面粗さ１．６Ｒａ）に対する見かけの摩擦係数は、竹繊維の重量含有率を０〜３０％の間で変化させた時、０．９〜０．０８の間で変化することが明らかになった。
【００２８】
なお、以上の説明では、ゴム状組成物で製作する摩擦部材としてタイヤとベルトを例示しているが、本発明はこれに限らず、相手部材との間の滑りを嫌う摩擦部材一般に広く適用することが可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、高い摩擦係数を有し、かつ高い耐摩耗性を有するゴム状組成物を提供することができ、タイヤ、ベルト等の相手部材との滑りを嫌う用途に適したゴム状組成物が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】母材ポリマーと竹繊維との混合物からなる薄板の斜視図である。
【図２】薄板の蛇腹折り工程を示す側面図である。
【図３】蛇腹折り薄板の圧縮成形工程を示す斜視図（一部断面図）である。
【図４】成形型から取り出した成形体の斜視図である。
【符号の説明】
１ 竹繊維
２ 薄板
３ａ ローラ
３ｂ ローラ
４ 蛇腹折りした薄板
５ 型
６ プランジャ
８ 成形体

Claims (3)

1. 母材に短繊維を混合する工程と、
   この混合物を薄板状にする工程と、
   この薄板を蛇腹状に折り曲げて圧縮成形する工程と、
   成形体を加熱する工程とを
   含むことを特徴とする繊維含有ゴム状組成物の製造方法。
2. 相手部材との摩擦面を有するゴム状組成物であって、短繊維を摩擦面に鉛直な面内に配向させたことを特徴とする繊維含有ゴム状組成物。
3. 短繊維として竹繊維を使用する請求項２記載の繊維含有ゴム状組成物。

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