JP2009144131A - ゴム組成物およびそれを用いたタイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】低歪でのモジュラス増大を抑制しつつ、良好な破壊強度および伸びを維持し、かつ、熱・電気伝導性を向上したゴム組成物を提供する。また、熱伝導性、放熱性および耐久性に優れたタイヤを提供する。
【解決手段】ゴム成分に対し、気相成長炭素繊維と、ゴム用補強材とが配合されてなるゴム組成物である。気相成長炭素繊維の解砕処理前繊維径が０．１μｍより大きく、該気相成長炭素繊維が、解砕処理を施されたものである。ゴム用補強材としては、カーボンブラックまたはシリカを好適に用いることができる。気相成長炭素繊維の配合量は、ゴム成分１００重量部に対し、０．１〜３０重量部の範囲内とすることが好ましい。このゴム組成物を用いたタイヤである。
【選択図】なし

Description

本発明はゴム組成物およびそれを用いたタイヤに関し、詳しくは、気相成長炭素繊維を配合したゴム組成物およびそれを用いたタイヤの改良に関する。

ゴムに導電性や熱伝導性を付与するために、気相成長炭素繊維などを複合化する技術は公知である。特に、気相成長炭素繊維を配合した配合ゴムの熱伝導性は卓越しており、例えば、タイヤトレッド等に用いた場合には、ゴム製品内部の熱を効率良く製品外部に逃がすことが期待され、結果としてタイヤの耐久性向上に繋がると考えられる。このため、気相成長炭素繊維を配合したゴム組成物に係る技術は、これまでに種々提案されてきている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３２７７５３号公報（特許請求の範囲等）

しかしながら、気相成長炭素繊維などのファイバー状ナノカーボンをゴムに混合した場合、加硫物の物性的特徴として以下のような現象が現れ、用途によっては不具合となることがあった。

（１）低歪でのモジュラス（１０〜５０％伸長時のモジュラス（Ｍ１０〜Ｍ５０））が大幅にアップする。したがって、これをタイヤに適用した場合、タイヤとしての剛性が増大しすぎてしまう。
（２）配合量を増すにつれ、破壊強度（Ｔｂ）および伸び（Ｅｂ）が大幅に低下する。したがって、これをタイヤに適用した場合、タイヤとしての破壊強度も低下する。
（３）ゴムの補強材として広く用いられるカーボンブラックやシリカと併用しない場合（例えば、気相成長炭素繊維の単独補強系）には、ゴム組成物としてもタイヤとしても、耐摩耗性が低下する。
（４）ヒステリシスロスが増大し、タイヤに適用した場合には、転がり抵抗の悪化や発熱性の増大（＝耐久性低下）を招く。

特に、産業分野での使用が先行している気相成長炭素繊維をゴムに配合した場合、損失正接（ｔａｎδ）の温度分散挙動において、室温〜１００℃の温度域に、ガラス転移点の主分散とは別にショルダー（ブロードなピーク）が現れる。これはタイヤの場合、当該使用温度において、発熱性が少なからず増すことを意味する。

すなわち、タイヤなどのゴム製品、あるいはその部材に気相成長炭素繊維を用いて、熱伝導性の向上により製品内部に蓄積する熱の放熱性を改良しても、同時に発熱項が増して余計な熱が発生するのでは、トータルとして改良の意味がなくなってしまうことになる。したがって、ゴム組成物の発熱性を悪化させることなく、優れた熱・電気伝導性を実現するための技術が待望されている。

そこで本発明の目的は、上記問題を解消して、低歪でのモジュラス増大を抑制しつつ、低発熱性や良好な破壊強度および伸びを維持し、かつ、熱・電気伝導性を向上したゴム組成物を提供することにあり、また、このゴム組成物を用いることで、熱伝導性、放熱性および耐久性に優れたタイヤを提供することにある。

本発明者らは鋭意検討した結果、ゴム成分に対し、解砕処理を施した気相成長炭素繊維と、汎用のゴム用補強材とを併せて配合することで、上記問題を解消しうることを見出して、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、ゴム成分に対し、気相成長炭素繊維と、ゴム用補強材とが配合されてなるゴム組成物において、前記気相成長炭素繊維の解砕処理前繊維径が０．１μｍより大きく、該気相成長炭素繊維が、解砕処理を施されたものであることを特徴とするものである。

本発明において、前記ゴム用補強材は、好適にはカーボンブラックまたはシリカである。また、前記気相成長炭素繊維の配合量は、好適には、前記ゴム成分１００重量部に対し、０．１〜３０重量部の範囲内であり、前記ゴム用補強材の配合量は、好適には、前記ゴム成分１００重量部に対し、２０〜８０重量部の範囲内である。

また、本発明のタイヤは、上記本発明のゴム組成物を用いたことを特徴とするものである。本発明のタイヤにおいて、前記ゴム組成物は、好適にはトレッドゴムに用いることができる。

本発明によれば、上記構成としたことにより、低歪でのモジュラス増大を一定範囲内に抑制しつつ、かつ、良好な破壊物性（力学特性）および低発熱特性を基本的に維持しつつ、熱・電気伝導性を大幅に改良したゴム組成物を実現することが可能となった。したがって、このゴム組成物を用いた本発明のタイヤにおいては、剛性を大きく変化させることなく、また、タイヤとして良好な耐摩耗性や破壊特性、発熱特性を維持しつつ、熱・電気伝導性、放熱性および耐久性を大幅に改良することができる。

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は、ゴム成分に対し、気相成長炭素繊維と、ゴム用補強材とが配合されてなるものである。

本発明においては、かかる気相成長炭素繊維として、解砕処理を施されたものを用いた点が重要である。すなわち、熱・電気伝導性向上のための素材として、解砕処理を施した気相成長炭素繊維を用い、これと、汎用のゴム用補強材とを併用したことで、従来のような、低歪モジュラスの増大や破壊物性ないし発熱特性の悪化などの問題を生ずることなく、熱・電気伝導性を大幅に改良したゴム組成物を得ることが可能となったものである。

本発明において、解砕処理前の気相成長炭素繊維としては、繊維径が０．１μｍより大きいものであり、好適には繊維径０．５μｍ以下であり、より好適には０．４μｍ以下、特には０．３μｍ以下のものを用いる。解砕処理前の気相成長炭素繊維の繊維径が０．１μｍ以下であると、十分な解砕処理ができなくなる。但し、０．５μｍを超えると破壊強度や伸び特性を良好に保持できなくなるので、好ましくない。また、その繊維長については特に制限されず、好適には平均繊維長０．５〜５０μｍ、より好適には１〜４０μｍ、特には１．５〜３０μｍの範囲のものを用いることができる。解砕処理前の気相成長炭素繊維の繊維長がかかる好適範囲内であると、効率よく解砕処理ができ、好ましい。

また、気相成長炭素繊維は、解砕処理後さらに酸化処理したものを用いてもよい。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。

上記気相成長炭素繊維に対する解砕処理の手法としては、特に制限されないが、例えば、ジェットミル、高速回転粉砕機、撹拌ミル（ビーズミル等）、微粉砕機等を用いた手法が好適に用いられる。また、バインダー等の不純物を添加することなく圧縮成型して、不活性ガス雰囲気下で１０００℃以上の温度で熱処理し、かさ密度が０．０４〜０．１ｇ／ｃｍ^３になるように解砕する手法も挙げられる。

本発明のゴム組成物において、解砕処理された気相成長炭素繊維の配合量としては、ゴム成分１００重量部に対し、好適には０．１〜３０重量部、より好適には１〜２５重量部の範囲内とする。この配合量が少なすぎると熱伝導性改良の効果が十分ではなく、多すぎると発熱性の悪化や力学特性の低下を招き、いずれも好ましくない。

また、本発明のゴム組成物において、ゴム用補強材としては、好適には、カーボンブラックまたはシリカを用いる。このうち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る。

本発明のゴム組成物におけるゴム用補強材の配合量としては、好適には、ゴム成分１００重量部に対し、２０〜８０重量部の範囲内とする。この配合量が少なすぎると耐摩耗性などの力学特性が十分ではなく、多すぎると加工性、発熱性等の悪化を招き、いずれも好ましくない。

本発明のゴム組成物には、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、老化防止剤、プロセスオイル、補強材、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。

加硫剤としては、硫黄、硫黄含有化合物等が挙げられ、その配合量は、ゴム成分１００重量部に対し硫黄分として０．１〜１０重量部が好ましく、より好ましくは１〜５重量部である。また、加硫促進剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、２−メルカプトベンゾチアゾール（Ｍ）、ジベンゾチアジルジサルファイド（ＤＭ）、Ｎ−シクロヘキシル−２−ベンゾチアジル・スルフェンアミド（ＣＺ）等のチアゾール系や、ジフェニルグアジニン（ＤＰＧ）等のグアジニン系の加硫促進剤が挙げられ、その使用量は一般に、ゴム成分１００重量部に対し０．１〜７重量部が好ましく、より好ましくは１〜５重量部である。

さらに、プロセスオイルとしては、例えば、パラフィン系、ナフテン系、芳香族系等が挙げられ、引張強度、耐摩耗性の向上を重視する用途には芳香族系が、ヒステリシスロス、低温特性の向上を重視する用途にはナフテン系またはパラフィン系が用いられる。その使用量は、ゴム成分１００重量部に対し０〜１００重量部が好ましく、１００重量部を超えると加硫ゴムの引張強度や低発熱性が悪化する傾向がある。

本発明のゴム組成物は、ゴム成分と、気相成長炭素繊維およびその他の配合成分とを混合、混練りすることにより得ることができる。混合方法としては、通常のゴムの混合に使用される公知の手法を用いることができ、特に制限はない。また、本発明のゴム組成物は加硫して使用することが好ましく、架橋方法としては、硫黄、過酸化物、金属酸化物等を添加して加熱により架橋させる方法や、光重合開始剤を添加して光照射により架橋させる方法、電子線や放射線を照射して架橋させる方法等が挙げられる。

本発明のゴム組成物は、例えば、電気電子部品、タイヤの各種部材、ゴムベルト、その他各種製品に幅広く使用することが可能である。

また、本発明のタイヤは、上記本発明のゴム組成物を用いたものであればよく、これにより、タイヤの剛性の大きな変化を伴わずに、良好な耐摩耗性や破壊特性、発熱特性を維持しつつ、熱・電気伝導性を向上したタイヤを得ることができる。かかるゴム組成物を適用可能なタイヤの部材としては、例えば、トレッドゴム、サイドゴム、ビードフィラー等が挙げられ、好適には、トレッドゴムに適用することにより、上記のメリットを十分に発揮させることができる。本発明のタイヤにおいては、上記ゴム組成物を部材に用いたものであれば、具体的な構造や他部材の材質等については特に制限はなく、常法に従い公知の構造にて構成することができる。また、本発明のタイヤに充填する気体としては、通常のまたは酸素分圧を調整した空気の他、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを用いることが可能である。

以下、本発明を、実施例を用いてより詳細に説明する。
下記の表１，２中に示す各配合にて、実施例および比較例のゴム組成物をそれぞれ調製した。まず、ラボプラストミル（東洋精機（株）製）を用いて、天然ゴム（ＮＲ）を７０℃にて５０ｒｐｍで３分間素練りした後、下記表１，２に示す加硫促進剤および硫黄を除く各添加剤を投入して、７０℃にて３０ｒｐｍで更に混合した（ノンプロ配合）。次いで、得られた混合物を取り出して、冷却、秤量した後、残りの加硫促進剤および硫黄を投入し、プラベンダーを用いて、５０℃にて３０ｒｐｍで再度混合した（プロ配合）。

混練りした混合物を、高温プレスを用いて１５０℃×１５分にて加硫して、１ｍｍ厚の加硫ゴムシートを作製した。得られた加硫ゴムシートにつき、下記に従い、力学挙動（引っ張り試験）および熱伝導率の評価を行った。これらの結果を、下記の表２中に併せて示す。

＜Ｓ−Ｓ引っ張り試験＞
インストロン−１１２５を用いて、温度：２０〜２４℃、引っ張り速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ、形状：Ｄｉｎ３号、歪読み取り：自動計測の条件で、各加硫ゴムシートの５０％および３００％伸長時の引張り応力（５０％モジュラス（Ｍ５０），３００％モジュラス（Ｍ３００））、破断強度（Ｔｂ）および破断伸び（Ｅｂ）を測定した。

＜熱伝導率の測定＞
京都電子工業（株）製の迅速熱伝導率計（型式：ＱＴＭ−５００）を用いて、温度：２０℃〜２２℃、時間：１分間、電流値：２Ａの条件で、各加硫ゴムシートの熱伝導率（λ）（Ｗ／ｍＫ）を測定した。

また、上記ゴム組成物をタイヤのトレッドゴムに適用して、常法に従い重荷重用スチールラジアルタイヤ（タイヤサイズ１８００Ｒ２５）を製造した。得られた各供試タイヤにつきドラム試験を行って、タイヤのトレッド内部中央部分の温度を測定した。その結果を、比較例１のタイヤを基準とした温度差にて示した。数値は、負の値が大きいほど放熱効果が大きく、良好であることを示す。この結果を、下記の表２中に併せて示す。

＊１）Ｎ−（１，３−ジメチルブチル）−Ｎ’−フェニル−Ｐ−フェニレンジアミン
＊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

＊１）昭和電工（株）製，気相法炭素繊維ＶＧＣＦ−Ｒ（登録商標、繊維径０．１５μｍ）
＊２）昭和電工（株）製，気相法炭素繊維ＶＧＣＦ−Ｈ（登録商標、解砕処理を施された気相成長炭素繊維、解砕処理前繊維径０．１５μｍ）

＜粘弾性測定＞
また、レオログラフ（（株）東洋精機製、型式：ＲＧＳ−ＬＩＲ）を用いて、測定温度範囲：−２０〜１５０℃、周波数：５２Ｈｚ、歪量：２％、昇温速度：３℃／ｍｉｎ、サノプル形状：４ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍ（幅×長さ×厚み）の条件でせん断変形を与えることにより、比較例４を除く各加硫ゴムシートの粘弾性（ｔａｎδの温度分散）を評価した結果を図１に示す。

上記表１の結果から明らかなように、解砕処理を施した気相成長炭素繊維と汎用のゴム用補強材であるカーボンブラックとを所定量で併用することにより、バランスのとれた放熱性・高熱伝導性を有するゴム組成物が得られることがわかる。また、図１の結果から、解砕処理を施した気相成長炭素繊維とカーボンブラックとを組み合わせた実施例１，２のゴムシートでは、解砕処理を施さない気相成長炭素繊維とカーボンブラックとを組み合わせた比較例２，３のゴムシートの場合に現れている、温度５０℃付近におけるｔａｎδのピークが消失していることが確かめられた。

さらに、比較例３においては、組成物の熱伝導性値を見ても明らかなように熱伝導性に優れたゴム組成物を用いているにもかかわらず、タイヤ内部温度の改善が見られていないが、これは、組成物のｔａｎδが高く、放熱性の向上分を、発熱により生じた熱が相殺しているためであると考えられる。一方、実施例１，２においては、組成物の発熱性にはほとんど変化がなく、熱伝導性（放熱性）の向上分がそのままタイヤ温度の低下に反映されたものであると解釈される。したがって、解砕処理を施した気相成長炭素繊維とカーボンブラックとを併用したゴム組成物を用いたタイヤにおいては、内部に発生する熱の効率的な発散が促され、耐久性を良好に向上できることが確かめられた。

実施例における各加硫ゴムシートの粘弾性評価結果（ｔａｎδの温度分散）を示すグラフである。

Claims (6)

1. ゴム成分に対し、気相成長炭素繊維と、ゴム用補強材とが配合されてなるゴム組成物において、前記気相成長炭素繊維の解砕処理前繊維径が０．１μｍより大きく、該気相成長炭素繊維が、解砕処理を施されたものであることを特徴とするゴム組成物。
2. 前記ゴム用補強材が、カーボンブラックまたはシリカである請求項１記載のゴム組成物。
3. 前記気相成長炭素繊維の配合量が、前記ゴム成分１００重量部に対し、０．１〜３０重量部の範囲内である請求項１または２記載のゴム組成物。
4. 前記ゴム用補強材の配合量が、前記ゴム成分１００重量部に対し、２０〜８０重量部の範囲内である請求項１〜３のうちいずれか一項記載のゴム組成物。
5. 請求項１〜４のうちいずれか一項記載のゴム組成物を用いたことを特徴とするタイヤ。
6. 前記ゴム組成物をトレッドゴムに用いた請求項５記載のタイヤ。

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