JP2006063270A - ゴム組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性を向上させ、さらに車の低燃費化を実現することが可能なタイヤを製造できるタイヤ用ゴム組成物を提供する。
【解決手段】ゴムおよびカーボンブラックからなるゴム組成物であって、該ゴムが、該カーボンブラック表面のグラファイト端の水酸基または水素原子との吸着エネルギーが０．０４ｅＶ以上である化学構造または官能基を分子内に有するゴムであるゴム組成物。
【選択図】なし

Description

本発明はゴム組成物に関し、とりわけ、耐摩耗性を向上させ、さらに車の低燃費化を実現することが可能なタイヤを製造できるタイヤ用ゴム組成物に関する。

近年、タイヤ業界において、耐摩耗性を向上させることだけでなく、車の低燃費化（低燃費性を向上させること）に寄与できるようなタイヤがとくに要求されている。これらの要求を満足させるために、カーボンブラックなどの補強用充填剤をタイヤ用ゴム組成物に配合することがなされてきた。

特許文献１には、特定のカーボンブラックを用いたゴム組成物が開示されているが、充分に低燃費性および耐摩耗性を向上させたものではなく、それらを充分に向上させたゴム組成物は今まで報告されていないのが現状である。

特開平１１−６０７９９号公報

本発明は、耐摩耗性を向上させ、さらに車の低燃費化を実現することが可能なタイヤを製造できるタイヤ用ゴム組成物を提供することを目的とする。

本発明において、車の低燃費性およびタイヤの耐摩耗性は、タイヤを構成するゴム組成物中の配合物同士の何らかの相互作用が起因し、該相互作用を明らかにできれば車の低燃費性およびタイヤの耐摩耗性をより向上させることができると考えて検討した結果、カーボンブラック表面のグラファイト端の水酸基または水素原子との吸着エネルギーが０．０４ｅＶ以上である化学構造または官能基を分子内に有するゴムを使用すると、車の低燃費性およびタイヤの耐摩耗性が向上することが期待できることがわかり本発明を完成した。

本発明は、ゴムおよびカーボンブラックからなるゴム組成物であって、該ゴムが、該カーボンブラック表面のグラファイト端の水酸基または水素原子との吸着エネルギーが０．０４ｅＶ以上である化学構造または官能基を分子内に有するゴムであるゴム組成物に関する。

前記吸着エネルギーは０．０８ｅＶ以上であることが好ましい。

前記吸着エネルギーは第一原理計算による計算値であることが好ましい。

前記カーボンブラックのｐＨ値は８．５以下であることが好ましい。

本発明によれば、ゴム分子内の化学構造または官能基と、カーボンブラックの水素原子または水酸基との吸着エネルギーが大きい値を示すゴム組成物をタイヤとして用いることにより、車の低燃費性およびタイヤの耐摩耗性を向上させることができる。

本発明のゴム組成物は、ゴムおよびカーボンブラックからなる。

本発明に使用するゴムは、前記カーボンブラック表面のグラファイト端の水酸基または水素原子との吸着エネルギーが０．０４ｅＶ以上である化学構造または官能基を分子内に有するゴムである。

ゴムがグラファイトと相互作用するのは、ゴム中の特定の化学構造または官能基であるので、ゴムそのものの吸着エネルギーを計算するかわりに、簡便にゴム中の化学構造または官能基をモデルとして用いて計算することができる。また、化学構造または官能基そのものの吸着エネルギーを計算するかわりに、例えば、エポキシ基であればエチレンオキサイド、ビニル基であればエチレン、エチル基であればエタン、アリル基であればプロピレン、フェニル基であればベンゼンというように、基の部分に水素原子を負荷した化合物をモデルとして用いて計算することもできる。

さらに、グラファイトについても、グラファイトそのものの吸着エネルギーを計算するかわりに、例えば、ナフタレンを２分子２層に配置したものをモデルとして用いて計算することができる。

前記吸着エネルギーは、シミュレーション方法および分析方法などにより算出できるが、操作が簡便であることからシミュレーション方法により算出されることが好ましい。

前記吸着エネルギーのシミュレーション方法による算出は、たとえば以下のような方法で行うことができる。
（ａ）前記化学構造または官能基の緩和計算を実施し、最も安定な化学構造を決定する。また、系のエネルギーも計算する。
（ｂ）前記水酸基または水素原子を有するグラファイトの系のエネルギーを計算する。
（ｃ）（ａ）および（ｂ）で決定された化学構造を用いて、両分子の配置距離を変化させて、たとえば第一原理計算により系全体のエネルギーを計算し、そのエネルギーから化学構造または官能基およびグラファイトのエネルギーを差し引いて、吸着エネルギーを算出する。この吸着エネルギーを分子間距離に対してプロットして、三次元スプラインフィッティングを行い、最小値を本発明における吸着エネルギーとする。
（吸着エネルギー）＝（系全体のエネルギー）−
[（グラファイトのエネルギー）＋（化学構造または官能基のエネルギー）]

ここで、（ａ）および（ｂ）における系のエネルギーの算出法としては、非経験的分子軌道計算（ab initio）、半経験的分子軌道計算などがあげられるが、最も精度が高いという理由から、非経験的分子軌道計算が好ましい。

前記吸着エネルギーは０．０４ｅＶ以上、好ましくは０．０８ｅＶ以上、より好ましくは０．１２ｅＶ以上である。吸着エネルギーが０．０４ｅＶ未満では、吸着エネルギーが小さいため、ゴムとカーボンブラックとの物理的相互作用が小さく、カーボンブラックがゴムに充分吸着されないことから、充分な車の低燃費性およびタイヤの耐摩耗性を達成することができない。また、吸着エネルギーは１．０ｅＶ以下であることが好ましく、０．５ｅＶ以下であることがより好ましい。吸着エネルギーが１．０ｅＶをこえると、化学的な結合が生成し、摩擦性能が悪化する傾向がある。

前記吸着エネルギーが０．０４ｅＶ以上を満たす化学構造としては、具体的に電気陰性度の大きな元素（たとえば、Ｆ、Ｏ、Ｎ）を含む構造などがあげられる。また、前記水酸基または水素原子との吸着エネルギー０．０４ｅＶ以上を満たす官能基としては、エポキシ基、酸無水物基、酸ハロゲン化物基、イソシアネート基、オキサゾリン基、アミノ基、ピリジル基、アルキル金属塩があげられる。

前記官能基を分子内に有するゴムとしては、エポキシ化天然ゴムなどがあげられる。エポキシ化天然ゴムとカーボンブラックを配合したタイヤ用ゴム組成物は、イソプレンゴムとカーボンブラックを配合したタイヤ用ゴム組成物より耐摩耗性に優れていることから、吸着エネルギーの大きさがタイヤ用ゴム組成物の性能に起因していることがわかる。

本発明で使用するカーボンブラックのｐＨ値は８．５以下であることが好ましく、８．０以下であることがより好ましい。ｐＨ値が８．５以上では、カーボンブラック表面のグラファイト端の水酸基が減少するため、充分な吸着エネルギーが得られず、カーボンブラックがゴムに充分吸着されないことから、車の低燃費性およびタイヤの耐摩耗性に劣る傾向がある。また、ｐＨ値は２．０以上であることが好ましく、２．５以上であることがより好ましい。ｐＨ値が２．０以下になるとカーボンブラック同士の凝集が著しくなる傾向があり、それにともない耐摩耗性が悪化する傾向がある。なお、カーボンブラックのｐＨ値は、蒸留水に一定量のカーボンブラックを含むスラリー状液体の電気伝導度を測定することにより得られる。

カーボンブラックは、カーボンブラック表面のグラファイト端に水酸基または水素原子を有する。このようなカーボンブラックとしては、具体的にファーネスブラックなどのカーボンや、酸性のカラー用ブラックなどがあげられる。

本発明のゴム組成物は、ゴムおよびカーボンブラック以外に、シリカなどの補強用充填剤、オイルなどの軟化剤、硫黄などの加硫剤、加硫促進剤などの薬品を配合することができる。

本発明のゴム組成物は、通常の方法により作製される。すなわち、前記薬品をバンバリーミキサーまたはオープンロールにより混練し、得られた混練物を加硫することによりゴム組成物を作製する。

本発明のゴム組成物はタイヤに用いることができる。とくに、優れた車の低燃費性およびタイヤの耐摩耗性を発揮することができることから、タイヤ部材のなかでもトレッドとして用いることが好ましい。

実施例にもとづいて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。

実施例１〜２および比較例１〜８
＜化学構造または官能基のモデル（パーツ）の作成、およびそれらのエネルギーの算出＞
非経験的分子軌道計算プログラムＧＡＭＥＳＳ（General Atomic and Molecular Structure System）を用いて、官能基であるエチレンオキサイド、およびエチレン、エタン、プロピレンおよびベンゼンの化学構造の最適化を行なうことで、それぞれの安定な分子構造を決定した。なお、以降の計算は、最適化した安定な分子構造を用いて行なった。また、各パーツのエネルギーについても第一原理電子状態プログラム（ＡＢＩＮＩＴ ｖ４．１）を用いて算出した。

＜グラファイト構造の作成、およびそれらのエネルギーの算出＞
水酸基を有する２層構造のグラファイト（グラファイト１）および水素原子を有する２層構造のグラファイト（グラファイト２）の構造はグラファイトの格子定数を２．４５６Åにし、層間距離を３．３４８Åに固定した。そして、系エネルギーについても第一原理電子状態プログラム（ＡＢＩＮＩＴ ｖ４．１）を用いて算出した。

＜グラファイト壁へのパーツの配置＞
結晶モデリングツールであるＸｔａｌＥｄｉｔを用いて、グラファイト壁に各パーツを配置した。このとき、平面的なパーツ（Ｃ₆Ｈ₆、ＣＨ₂ＣＨ₂）については、パーツ平面が画面上で水平となるように、立体的なパーツ（ＣＨ₃ＣＨ₃、ＣＨ（ＣＨ₃）ＣＨ₂、ＣＨ₂ＯＣＨ₂）については、各パーツごとに基準となる面を決め、その面が画面上で水平となるように配置した。また、グラファイト１については酸素原子の真上に、グラファイト２については水素原子の真上に、各パーツの重心がくるようにした。

＜グラファイトとパーツとの全エネルギーの算出＞
グラファイトとパーツ間との距離を変化させ、第一原理電子状態プログラム（ＡＢＩＮＩＴ ｖ４．１）を用いて「グラファイトとパーツとの系全体のエネルギー」を算出した。ここで、グラファイトとパーツとの距離は、パーツの重心とグラファイトの平面との距離とした。

＜吸着エネルギーの算出＞
以下の式により、吸着エネルギーを算出した。
（吸着エネルギー）＝（グラファイトとパーツとの系全体のエネルギー）−
[（グラファイトのエネルギー）＋（パーツのエネルギー）]
グラファイトとパーツ間との距離を変化させて得られた吸着エネルギーの結果について、三次元スプラインフィッティングを行ない、吸着エネルギーが最小（絶対値が最大）となる点を求めた。

＜計算結果＞
得られた吸着エネルギーを表１に示す。

表１の実施例１および２に示すように、パーツがエチレンオキサイドの場合、グラファイトの水酸基または水素原子との吸着エネルギーが大きな値を示すことがわかる。エポキシ基を分子内に含むゴムはカーボンブラックとの相互作用が強いため、得られたゴム組成物をタイヤに用いたとき、優れた低燃費性および耐摩耗性を発現することが期待できる。

Claims (4)

1. ゴムおよびカーボンブラックからなるゴム組成物であって、
   該ゴムが、該カーボンブラック表面のグラファイト端の水酸基または水素原子との吸着エネルギーが０．０４ｅＶ以上である化学構造または官能基を分子内に有するゴムであるゴム組成物。
2. 吸着エネルギーが０．０８ｅＶ以上である請求項１記載のゴム組成物。
3. 吸着エネルギーが第一原理計算による計算値である請求項１または２記載のゴム組成物。
4. 前記カーボンブラックのｐＨ値が８．５以下である請求項１、２または３記載のゴム組成物。