JP2008115330A

JP2008115330A - ゴム組成物

Info

Publication number: JP2008115330A
Application number: JP2006301962A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Maeda; 光明前田
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2008-05-22

Abstract

【課題】気相成長炭素繊維を配合したゴム組成物において方向性を解消することで、他の問題を生ずることなく、高熱伝導率等の所望の高性能を備えるゴム組成物を提供する。
【解決手段】ゴム成分と気相成長炭素繊維とを含むシート状のゴム組成物であって、シート加工により得られたゴムシートが、そのシート加工方向に対し４０°〜５０°の角度を持って切断されてなる。気相成長炭素繊維は、ゴム成分１００重量部に対し５〜２０重量部の範囲にて混合することが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明はゴム組成物に関し、詳しくは、加工方法の改良により、性能の方向性を解消したゴム組成物に関する。

ゴム組成物の性能改良に関しては、これまでに種々検討されてきている。例えば、トレッドゴム材料の配合成分として、熱伝導率を向上するために黒鉛を添加することで、弾性率の向上による磨耗性アップ効果が得られることが知られており、その置換量は５ｗｔ％以下とされている。

また、気相成長炭素繊維を含む配合ゴムをゴムセメント仕様にする技術が提案されており、その用途として、タイヤのトレッド部からサイド部、カーカス部およびビード部と、あらゆる部材に適用できるとされている。例えば特許文献１には、ゴム成分と気相法炭素繊維とを含有するゴム組成物を有機溶剤中に溶解、分散させてタイヤ用導電性ゴム糊とし、これをタイヤ表面に塗布して導電性薄膜を形成する技術が開示されている。さらに、気相成長炭素繊維をゴム配合に混合することで、熱伝導性を向上できることについても公知である（例えば、特許文献２等）。
特開２００４−２７７５０４号公報（特許請求の範囲等）特開２００４−１４３１８７号公報（特許請求の範囲等）

一般に、ゴムの補強性はカーボンブラック主体の配合により得られるが、カーボンブラックにはアスペクト比がほとんどない。特に、熱伝導率は、カーボンブラックを１００重量部配合した場合でも気相成長炭素繊維の置換量２重量部程度であり、熱伝導率の良い材料（ケッチェンブラック）を混合しても気相成長炭素繊維と同等のレベルに到達するものではなかった。また、カーボンブラックを増量すると応力アップとなり、疲労性が悪化してしまうという問題もあった。

これに対し、ゴム配合中に気相成長炭素繊維を混合することでカーボンブラックのみの配合では得られない熱伝導率向上効果が得られるが、その一方、気相成長炭素繊維はアスペクト比の関係から方向性を持つため、気相成長炭素繊維を含む配合ゴムシートにおいては、シート加工方向とそれに直交する方向とで熱伝導率についても１：０．６程度の性能差が生ずることとなっていた。また、アスペクト比を持つ材料をゴム中に混合すると方向性が生じて悪化する傾向があり、多量に配合することは問題となる。アスペクト比を持つ材料の最大の欠点は疲労性といわれている。

したがって、ゴム配合中に単に気相成長炭素繊維を混合するのみでは、方向性が生ずるために所望の性能を有するゴム組成物を得ることはできず、これを解消できる技術の実現が求められていた。

そこで本発明の目的は、気相成長炭素繊維を配合したゴム組成物において方向性を解消することで、他の問題を生ずることなく、高熱伝導率等の所望の高性能を備えるゴム組成物を提供することにある。

本発明者は鋭意検討した結果、加工方法の改良により、ゴム組成物中における気相成長炭素繊維の方向性を適切に制御することで、熱伝導率等の諸性能の方向性を解消することが可能となることを見出して、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のゴム組成物は、ゴム成分と気相成長炭素繊維とを含むシート状のゴム組成物であって、シート加工により得られたゴムシートが、そのシート加工方向に対し４０°〜５０°の角度を持って切断されてなることを特徴とするものである。

本発明において、前記気相成長炭素繊維は、前記ゴム成分１００重量部に対し５〜２０重量部の範囲で混合することが好ましい。また、本発明のゴム組成物にはさらに、カーボンブラックを、前記ゴム成分１００重量部に対し４０〜７０重量部の範囲で混合することができる。本発明のゴム組成物は、タイヤのトレッドゴムとして好適に用いることができる。

なお、ゴムの補強繊維に角度を持たせる考え方として、カーカスやブレーカー、ビードチェーファーに用いる部材において材料特性に合致した最適な角度を設計することは従来行われているが、補強材を有しないトレッドゴムについては角度設計という考え方は存在しない。また、トレッドゴムには通常カーボンブラック主体の配合系が用いられるが、この場合Ｓ−Ｓ特性にシート加工方向とそれに直交する方向とで応力面での特性にほとんど差はなく、角度を考慮する意味は全くない。生産性から考えるとむしろデメリットであると考えられる。本発明においては、アスペクト比を持つ気相成長炭素繊維を含むゴム組成物において、その熱伝導率向上効果等のメリットを最大限に得るための技術として、ゴム成型時にシート方向に方向性（角度）を持たせることで、熱伝導率等の性能についても１：１として、方向性を解消できることを見出したものである。

本発明によれば、上記構成としたことにより、気相成長炭素繊維を配合したゴム組成物において、従来におけるような他の問題を生ずることなく、高熱伝導率等の所望の高性能を備えるゴム組成物を実現することが可能となった。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
本発明のゴム組成物１０は、ゴム成分と気相成長炭素繊維とを少なくとも含むシート状のゴム組成物であって、シート加工により得られたゴムシート１が、そのシート加工方向Ｘに対し、４０°〜５０°の角度αを持って切断されてなるものである。図１（ａ），（ｂ）にゴムシート１の平面図および断面図を、（ｃ）に、これにより得られる本発明のゴム組成物１０の平面図を、それぞれ示す。また、図中のＸはシート加工方向、Ｙはシート加工方向に直交する方向を示す（以下において同様）。なお、本発明においてシート加工方向とは、ロール加工等によりシーティング（圧延）されたシートにおける加工方向を意味している。

方向性のある材料の場合、配合ゴムシートに方向性（角度）を持たせることにより、全方向のいずれかに最適角度が存在することになる。その特性として熱伝導率、応力、疲労性等、特に応力については、シート加工方向とそれに直交する方向との中間の応力になり、方向性がなくなる。そのような点から角度を設定することは応力にバランスが取れ、疲労性には適した手法と考えられる。特に、熱伝導率は繊維方向に依存しており、シート加工方向に対し、それに直交する方向では、３０〜４０％程度熱伝導率が低下する。したがって、シート加工方向に対し４０°〜５０°の角度で切断して、ゴム組成物に角度をつけることで、シート加工方向に近い性能、例えば、シート加工方向の８０〜９０％の性能を得ることができる。この切断角度は４５°が最適であり、４０°未満かまたは５０°を超えると、変曲点が現れる。また、本発明により、その他の性能として疲労性（伸張疲労性）が向上することも、データとして確認されている。

なお、本来、繊維の方向性を配向度とすることが一般的であるが、気相成長炭素繊維の場合、初期の長さが混合により短繊維化し、かつ、分岐したり曲がったりするため、配向度とすることは困難である。特に、気相成長炭素繊維は細かく短いため、ゴム中での観察は可能であるものの、厚さ方向に向いていると短くなるため意味がない。

本発明のゴム組成物は、ゴムシートを上記所定の方向に切断してなるものであればよく、そのゴム配合としては、ゴム成分に対し気相成長炭素繊維が混合されてなるものであれば、それ以外の配合成分については、所望に応じ適宜決定することができ、特に制限されるものではない。

ゴム成分としては、特に制限されず、天然ゴム（ＮＲ）、汎用合成ゴム、例えば、乳化重合スチレン−ブタジエンゴム、溶液重合スチレン−ブタジエンゴム、高シス−１，４ポリブタジエンゴム、低シス−１，４ポリブタジエンゴム、高シス−１，４ポリイソプレンゴム等、ジエン系特殊ゴム、例えば、ニトリルゴム、水添ニトリルゴム、クロロプレンゴム等、オレフィン系特殊ゴム、例えば、エチレン−プロピレンゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、アクリルゴム、クロロスルホン化ポリエチレン等、その他特殊ゴム、例えば、ヒドリンゴム、フッ素ゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム等のいずれを用いることもできる。コストと性能とのバランスから、好ましくは、天然ゴムまたは汎用合成ゴムを用いる。

また、気相成長炭素繊維は、通常のカーボンファイバー（ＣＦ）（平均直径５μｍ以上、長さ１００μｍ程度）の１０^-2〜１０^-1倍程度のオーダーの微細な繊維状構造体である。本発明においては、いかなる気相成長炭素繊維を用いてもよいが、好適には繊維径０．０４〜０．４μｍ、より好適には０．０７〜０．３μｍ、特には０．０５〜０．３μｍのものを用いる。また、その繊維長についても特に制限されず、好適には平均繊維長０．５〜５０μｍ、より好適には１〜５０μｍ、特には１．５〜２５μｍの範囲のものを用いることができる。さらに、比表面積としては、５〜５０ｍ²／ｇ、特には８〜３０ｍ²／ｇの範囲内であることが好ましい。かかる気相成長炭素繊維は市場で容易に入手可能であり、例えば、昭和電工（株）製の気相法炭素繊維ＶＧＣＦ（登録商標）を用いることができる。

また、気相成長炭素繊維として、平均アスペクト比が１０未満であるものを用いることも好ましく、これにより得られる配合ゴムにおいて、熱伝導性や電気伝導性の向上効果を損なうことなく、力学特性が向上する。このような低アスペクト比の気相成長炭素繊維は、例えば、通常の方法で製造された長い気相成長炭素繊維を、短く粉砕することにより得ることができる。具体的には、ボールミル混合機や乳鉢を用いて機械的に粉砕する方法や、水系または有機溶媒中に分散させて超音波をかけて粉砕する方法などがあり、これらをふるい分けすることで、平均アスペクト比１０未満の気相成長炭素繊維を得ることができる。

さらに、気相成長炭素繊維は、酸化処理して用いてもよい。この酸化処理の方法としては、硝酸、硫酸、過塩素酸またはこれらの酸の混合物で処理する化学的処理や、コロナ放電処理、プラズマ処理、オゾン処理等の物理的処理などが挙げられる。さらに、酸化処理に加えて、カップリング剤で処理した気相成長炭素繊維を用いることもでき、かかるカップリング剤としては、チタネート系、アルミニウム系、シラン系のカップリング剤を挙げることができ、これらカップリング剤を溶剤に溶解して、気相成長炭素繊維に含浸する等の方法で処理することができる。

気相成長炭素繊維の配合量は、ゴム成分１００重量部に対し、好適には５〜２０重量部である。気相成長炭素繊維の配合量が少なすぎると所望の高熱伝導率が得られず、一方、多すぎると凝集による分散性悪化の問題を生ずる。

ゴムシートのゴム配合中には、上記気相成長炭素繊維に加えて、カーボンブラックを配合することができる。カーボンブラックとしては、ＨＡＦ級のものなど公知のものを使用することができ、その配合量としては、ゴム成分１００重量部に対し４０〜７０重量部の範囲内とすることができる。また、その他、ゴム業界で一般に使用されている添加剤、例えば、加硫剤、加硫促進剤、補強材、老化防止剤、軟化剤等を適宜配合することができ、これら配合剤としては、市販品を好適に使用することができる。

本発明のゴム組成物は、ゴム成分に対し気相成長炭素繊維と、所望に応じその他の配合成分とを混合、混練りして得られた配合ゴムを、所望の厚さにシート加工してゴムシートを得、これを上記所定の角度に切断することにより得ることができる。本発明のゴム組成物は、例えば、タイヤのトレッドゴムとして好適に用いることができる。

以下、本発明を、実施例を用いてより具体的に説明する。
下記の表１に示すゴム配合にて、以下の加工工程に従い、それぞれ厚さ２ｍｍのゴムシート１を作製した。使用したロールの構成を以下に示す。

（ロールの構成）
仕様：３インチ（２本ロール）試験ロール（３インチはロールの外径寸法）
ロール幅：２５０ｍｍ（３インチロール外径を確保している範囲）
回転数：可変（通常１２ｒｐｍ／Ｍａｘ２０ｒｐｍ）
熱源：電熱仕様（ゴム７０℃／Ｍａｘ２００℃）

（加工工程）
（１）混合
ラボプラストミル（東洋精機製）を用いて、１ノンプロ混合（ゴム＋カーボンブラック＋気相成長炭素繊維＋ステアリン酸＋老化防止剤）を５分間、２プロ混合（ノンプロゴム＋加硫促進剤＋加硫剤）を１分間、それぞれ行った。
（２）ロール加工（シーティング：圧延→シート化）
熱入れ：１分・１ｍｍ：１分・０．５ｍｍ：１分・０．１ｍｍ：２分
（３）成型
厚さ２ｍｍでシーティング後、冷却し、４５°の型紙をのせて、図１に示すようにシート加工方向Ｘに対し４５°の角度αをもって裁断した。比較例については、図２に示すように、そのシート加工方向Ｘに成型した。
（４）加硫（１５０℃×１５分）
２ｍｍ厚×１００ｍｍ×１５０ｍｍのモールドにシート化したゴムをのせてプレスで加硫した。プレス形状は３００ｍｍ×３００ｍｍの１段プレスであった。
（５）室温冷却
２４時間室温にて放置した。
（６）熱源
電熱プレス３００℃を用いた。

得られた各ゴム組成物につき、シート加工方向およびこれに直交する方向の熱伝導率を、京都電子（株）製の迅速熱伝導率計ＱＴＭ−５００を用いて測定した。その結果を、比較例のシート加工方向の熱伝導率を１００とした指数にて、下記の表１中に示す。

＊１）昭和電工（株）製気相法炭素繊維ＶＧＣＦ（登録商標）
＊２）Ｎ−シクロヘキシル−２−ベンゾチアジル・スルフェンアミド
＊３）硫黄

気相成長炭素繊維の繊維長さは数μｍであるため、繊維方向は配合ゴム内であらゆる方向に向いている。したがって配向方向を何度と規定することは困難であるため、気相成長炭素繊維配合系の方向性を規定する条件として、シート加工方向とこれに直交する方向とで生ずるＳ−Ｓ挙動の異方性を用い、この異方性がなくなる角度であるシート加工方向に対して４５°の角度αで成型を行った場合に、気相成長炭素繊維配合系の方向性がほとんどなくなって、カーボンブラック配合系のような方向性を有しない特性を出すことができると考えられる。結果として、上記表１中に示すように、気相成長炭素繊維を含有し、シート加工方向に対し４５°の角度を持って切断されてなる実施例のゴム組成物においては、シート加工方向に沿って成型された比較例のゴム組成物に比し、シート加工方向とそれに直交する方向とで方向性を生ずることなく、略同等の良好な熱伝導性が得られていることが確認された。

（ａ），（ｂ）は、ゴムシートを示す平面図および断面図であり、（ｃ）は、本発明のゴム組成物の一例を示す平面図である。（ａ），（ｂ）は、ゴムシートを示す平面図および断面図であり、（ｃ）は、比較例のゴム組成物の一例を示す平面図である。

符号の説明

１ゴムシート
１０ゴム組成物

Claims

ゴム成分と気相成長炭素繊維とを含むシート状のゴム組成物であって、シート加工により得られたゴムシートが、そのシート加工方向に対し４０°〜５０°の角度を持って切断されてなることを特徴とするゴム組成物。
前記気相成長炭素繊維が、前記ゴム成分１００重量部に対し５〜２０重量部混合されてなる請求項１記載のゴム組成物。
さらに、カーボンブラックが、前記ゴム成分１００重量部に対し４０〜７０重量部混合されてなる請求項１または２記載のゴム組成物。
タイヤのトレッドゴムとして用いられる請求項１〜３のうちいずれか一項記載のゴム組成物。