JP2010513099A - タイヤのような不均一なゴム製品の硬化方法の改良 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴム製品の機能をほとんど変化させないか性能を損なわずに、モールド内でのゴム製品の総硬化時間を短縮し、硬化状態を最適化する効率的かつ実用的な不均一ゴム製品の硬化方法。硬化時間を１０％以上短縮でき、タイヤトレッドの硬化に特に有用。
【解決手段】個別に加熱可能な熱伝導ピン要素を用いる。タイヤトレッドの各部分の硬化状態を有限要素解析法または熱電対プローブを用いて求める。硬化を律速する部分を調べて互いに独立して加熱可能な一本または複数本の熱伝導ピン要素をタイヤトレッド用モールドの内側表面に追加し、硬化律速部分に熱を伝達して均一な硬化状態にする。

Description

本発明は、不均一なゴム製品、特にトラックタイヤ等のタイヤの硬化方法に関するものである。

タイヤのようなゴム製品は昔からプレスで加硫または硬化されおり、このプレスには一定時間、タイヤモールドの外部から熱が加えられ、また、内部からは硬化用ブラダー等の装置を用いて熱が加えられる。タイヤプレスは当業界では周知で、一般には成形機構と硬化機構とを有する分割可能な割り型または部分モールド（セグメントモールドパート）とブラダーとが用いられ、ブラダー中に成形、加熱、冷却用の媒体を導入してタイヤを硬化する。この硬化用プレスは一般に機械的タイマーまたはプログラム可能な論理制御装置（ＰＬＣ）で制御され、製品の成形段階、加熱段階を順次実行し、ある種のプレスではプレスから取り出す前に冷却段階を実行する。硬化プロセス中、タイヤの最も不均一な部分が十分に硬化するように設定された時間の間、タイヤには高圧、高温が加えられる。一般に、硬化プロセスはプレス外で最後まで続けられる。

Jain Tong達「タイヤ硬化プロセスの有限要素解析」、強化プラスチックおよび複合材料ジャーナル、第２２巻、２００３年１１月号、９８３〜１００２頁

ゴム化学者が直面する問題は、ゴム製品の各部分が十分に硬化するまでの時間をいかに予測するかである。この時間が分れば、製品をその時間中硬化すればよい。しかし、比較的薄く、全体に均一な幾何形状および／または同じ成分から成るゴム製品の場合には上記問題は比較的簡単な解析で済むが、そうでない場合、例えばタイヤのような複雑な製品、特にトラック用タイヤ、オフロード用タイヤ、農業用タイヤ、航空機用タイヤ、アースムーバー用タイヤ等の大型タイヤの場合には解析がはるかに難しくなる。これらタイヤの硬化状態および程度はタイヤ各部の幾何形状の相違だけでなく、組成や積層構造の違いによって影響を受ける。何百万本のタイヤの硬化に時間基準による制御法が用いられているが、タイヤの組成や幾何形状は多種多量であるために、タイヤのある部分は他の部分よりも硬化され易いため、硬化時間を硬化が最も難しい部分が硬化する時間に設定すると、いくつかの部分の硬化が過剰になり、加硫機での製造時間がロスされ、製造効率が低下する。

本発明は、個別に加熱することができる熱伝導ピン要素（pin heat transfer element）を硬化用モールド内の少なくとも一つの位置に追加した新しいモールドを作るか、従来のモールドを改良することによって、硬化用モールドおよびプレスを用いてタイヤ、タイヤ用トレッド、その他の不均一製品を硬化する改良方法を提供する。

上記の熱伝導ピン要素は特に熱がゴム製品の硬化を律速する部分（cure-limiting parts、以下、硬化律速部分）に位置決めされる。本発明方法を用いることでゴム製品の硬化時間が短縮できるだけでなく、ゴム製品の硬化状態をより均一にすることができる。
熱伝導ピン要素を使用してもゴム製品の機能はほとんど変わらず、また、その性能もほとんど損なわれない。熱伝導ピン要素はその作用が加わった部分、例えばトレッドブロックの表面積に小さな開口部（［図３］のブロック２０の孔５０参照）を残すだけである。一本または複数本の熱伝導ピン要素を使用した場合に生じる表面積の減少率は作用が加わる部分の表面積の約０．１〜１．０％だけである。
モールドおよび硬化装置が全体としてわずかに変わるだけで、ゴム製品の組成は変更や調節する必要がないということは特に注目すべきである。モールド内での総硬化時間が短くなり、硬化状態が良くなり、生産性が向上する。

本発明の一つの具体例のタイヤ、トレッド、その他の不均一製品を硬化するためのモールドの製造または適用方法は、硬化中にゴム製品の少なくとも一部中に貫入するように、個別に加熱可能な少なくとも一本の熱伝導ピン要素をモールドの内側表面に取付ける段階を含む。
本発明の一つの実施例では、ゴム製品がモールド内に配置されたときにゴム製品の硬化中に追加の熱を必要とするゴム製品の部分の中に上記の熱伝導ピン要素が貫入するように、一本または複数本の熱交換ピン要素をモールド表面上の複数の場所に配置決めする。本発明はタイヤモールドで特に有用である。タイヤの硬化律速部分に個別に加熱可能な一本または複数本の熱伝導ピン要素を有するモールド内にタイヤを配置することによって硬化時間が短縮され、タイヤの全ての部分の硬化がより均一になる。

再生タイヤ用の硬化トレッドを製造するための従来のフラットトレッドモールドの頂部の部分の図で、この頂部によってトレッドにパターンが刻まれる。参照番号（１０）はトレッドブロック（２０）を形成する「フルデプス（full depth)、全深さ」の溝をトレッドパターンに付与するモールド部分である。 従来法で硬化された再生タイヤ用トレッドの硬化後のトレッドパターンを示す図で、大きな縦方向溝（１０）とトレッドブロック（２０）とを示している。トレッドはその底面からトレッドブロックの頂面まで約２５ｍｍの厚さ（３０）を有し、横方向溝の深さ（４０）は約２２ｍｍである。 熱伝導ピン要素を用いて硬化した再生タイヤ用トレッドの硬化トレッドパターンを示す図で、［図２］の硬化トレッドパターンと［図３］のトレッドパターンとの唯一の相違は「ピンホール」（５０）の存在の有無である。トレッドブロックの頂面からのこのピンホールの深さは約１４ｍｍである。 ［図２］および［図３］に示す硬化トレッドの各トレッド中に挿入した熱電対プローブの種々の位置での時間を関数にした硬化速度を示すグラフ。第１プローブはトレッドブロックの頂面から深さ１ｍｍの所にセットされ、第２プローブは同じトレッドブロックの頂面から深さ８ｍｍの所にセットされ、第３プローブは同じトレッドブロックの頂面から深さ１４ｍｍの所にセットされたものである。深さ１ｍｍ、深さ８ｍｍ、深さ１４ｍｍでの硬化速度を熱伝導ピン要素を用いない従来の硬化法で硬化したトレッド（［図４］の１００、１１０、１２０の位置）および熱伝導ピン要素を用いて硬化したトレッド（［図４］の２００、２１０、２２０の位置）の両方について示している。

［図２］および［図３］に示した硬化トレッドの各トレッドブロックの頂面から深さ１ｍｍ、６ｍｍ、１０ｍｍ、１４ｍｍ、１８ｍｍ、２２ｍｍの深さでの熱電対プローブの所定プレス時間硬化時間（２６分）後の硬化状態（α）を示すグラフで、上記深さでの硬化状態を熱伝導ピン要素を用いない従来の硬化法で硬化したトレッド（図４の３００、３１０、３２０、３３０、３４０、３５０の位置）および熱伝導ピン要素を用いて硬化したトレッド（図５の４００、４１０、４２０、４３０、４４０、４５０の位置で示す）の両方について示している。 ［図２］および［図３］に示した硬化トレッドで［図５］と同じ熱電対プローブのトレッド深さでのα＝０．９の硬化状態に達するまでに必要なプレス内の硬化時間（秒）を示すグラフで、従来の硬化法を用いて硬化したトレッドの各深さでα＝０．９に達する時間は線（５００）で表され、熱伝導ピン要素を用いて硬化したトレッドの各深さでα＝０．９に達する時間は線（５１０）で表される。 典型的なトラックタイヤのショルダーの部分断面図で、タイヤが複雑かつ不均一であることを示している。 従来の時計制御法を用いて硬化してプレスから取出した時の［図７］のトラックタイヤ断面形状のショルダーの温度分布を示す図。 高さが約２２ｍｍの複数の熱伝導ピン要素（１０００）を有するように適合させたトラックタイヤ用モールドセクションを示す図。ショルダーに横方向溝を形成するモールドセクションは高さが約２４ｍｍ（６１０）である。 個別に加熱可能な熱伝導ピン要素の断面形状を示し、熱源としては電気抵抗が示されている。 硬化したトラックタイヤのトレッドブロック（２０）における複数のピンホール（５０）の位置を示す図。 トレッドブロック（２０）におけるピンホール（５０）の深さを示す図。

タイヤ、タイヤ用トレッド、その他の不均一なゴム製品の硬化プロセスでの当業界の課題は、これらゴム製品の不均一な部分に十分な量の熱エネルギーを供給し、ゴム製品の他の部分を過度に硬化させずに、上記部分を実質的に硬化させることができる硬化プロセスを提供し、それを実際の生産現場で時間効率良く使えるようにすることにある。

本発明方法の一つの実施例では、モールド表面から突出させた個別に加熱可能な一本または複数本の熱伝導ピン要素をゴム製品中に挿入してモールド内での硬化時間を短くする。
本発明方法の一つの実施例では、不均一なゴム製品のどの部分が効率的かつ実質的な硬化を行わせるための追加の熱エネルギーを必要とするかを先ず最初に決定する。これは有限要素解析（ＦＥＡ、finite element analysis）で求めるか、熱電対プローブを用いる公知の方法を用いて製品の各帯域の硬化状態を求めることで行うことができる。これらの帯域および組成物の硬化速度が分かれば、より速い硬化時間とより均一な硬化を行なわせるためにより多くの熱を伝熱させる必要のある部分が同定できる。本発明はこの目的を達成するための効率的かつ実際的な手段として熱伝導ピン要素を用いる。本発明方法を用いることでタイヤまたはトレッドの全ての帯域がより均一な硬化状態になり、プレス内での硬化時間が短縮される。すなわち、本発明方法を用いることでプレス内での硬化時間を最大で１０％以上短縮できる。さらに、本発明の改良された硬化方法ではゴム製品の機能は変化せず、性能に実質的な悪影響は生じない。

本発明の一つの実施例は、下記（ａ）〜（ｄ）：
（ａ）ゴム製品をモールド内に配置し、
（ｂ）ゴム製品の一つまたは複数の硬化律速部分に、個別に加熱された一本または複数本の熱伝導ピン要素をゴム製品の全厚の約２５％〜約６０％の深さで挿入し、
（ｃ）ゴム製品が規定の硬化状態に達するまでモールドおよび熱伝導ピン要素に熱を加え、
（ｄ）一本または複数本の熱伝導ピン要素をゴム製品から取外し、次にゴム製品をモールドから取り出す、
の段階を含む不均一なゴム製品の硬化方法であって、一本または複数本の熱伝導ピン要素のモールド内面での総断面積は一本または複数本の熱伝導ピン要素が挿入されるゴム製品の一つまたは複数の硬化律速部分の総表面積の約０．１％〜約１．０％である硬化方法にある。この方法はタイヤ用トレッドの硬化に特に適用できる。

本発明の別の実施例は、下記（ａ）〜（ｅ）：
（ａ）タイヤをモールド内に配置し、
（ｂ）一本または複数本の個別に加熱された熱伝導ピン要素を、タイヤトレッドの硬化を律速する一つまたは複数のブロックまたはリブに、ブロックまたはリブのトレッド深さの約５０％〜約１１０％の深さまで挿入し、
（ｃ）タイヤが規定の硬化状態に達するまでモールドと熱伝導ピン要素に熱を加え、
（ｄ）一本または複数本の熱伝導ピン要素をタイヤから取外し、
（ｅ）タイヤをモールドから取り出す、
の段階を含むタイヤの硬化方法に特に適用でき、一本または複数本の熱伝導ピン要素のモールド内面での総断面積は一本または複数本の熱伝導ピン要素が挿入されるタイヤトレッドの一つまたは複数の硬化律速ブロックまたはリブの総表面積の約０．１％〜約１．０％である。

本発明のさらに別の実施例は、タイヤ、タイヤ用トレッド、その他の不均一ゴム製品の硬化用モールドを含み、このモールドの上記熱伝導ピン要素は独立して（個別に）加熱可能（すなわち、モールドを介した熱伝導以外の熱源によって加熱）できる。従って、モールドはゴム製品と接触する少なくとも一つの内側表面を有し、この内側表面はモールドの内側表面から外側へ突出した少なくとも一本の熱伝導ピン要素を有し、この熱伝導ピン要素を介して硬化中に熱がゴム製品へ伝達される。
本発明のさらに別の具体例は、本発明方法によって作られるタイヤまたはタイヤ用トレッドにある。

有限要素解析
本発明の一実施例では、硬化中にタイヤまたはトレッド等の製品の各部に生じる伝熱を従来方法を用いて評価する。伝熱を測定する一つの公知方法はタイヤを製造し、タイヤまたはトレッド中に熱電対をセットし、硬化過程中に温度分布を記録する方法である。温度分布が分かれば反応速度を用いてタイヤ全体の硬化状態を決定することができる。
公知の別の方法は有限要素解析（ＦＥＡ、Finite Element Analysis）を用いる方法で、この方法では外部負荷（すなわち熱負荷）を加える製品をコンピュータでモデル化し、得られた結果を解析する。熱伝導の解析では製品の伝導性または熱力学をモデリングする。これに関しては非特許文献１（Jain Tong達「タイヤ硬化プロセスの有限要素解析」、強化プラスチックおよび複合材料ジャーナル、第２２巻、２００３年１１月号、９８３〜１００２頁）を参照されたい。

硬化状態、α
αはゴム組成物の硬化状態を示す測度値で、下記式で与えられる：
α＝（硬化時間）／ｔ９９
（ここで、ｔ９９は硬化が９９％が完了するまでの時間で、レオメータ曲線で示されるトルクで測定される）
振動レオメータを用いるゴム化合物の硬化時間の測定方法（硬化開始を時間ｔ０とし、硬化の９９％がする完了を時間ｔ９９とする）はＡＳＴＭ Ｄ２０８４およびＩＳＯ ３４１７に記載されている。これらの規格の内容は本明細書の一部を成す。

以下に、本発明方法が従来の硬化方法およびモールドとどのように異なるのかを説明する。本発明方法は不均一なゴム製品、例えばタイヤおよびタイヤ用トレッドを対象としている。「不均一」とは（ａ）製品の幾何学的厚さが変化するか、（ｂ）製品の材料組成が変化するか、（ｃ）製品に積層構造が存在するか、および／または、（ｄ）上記の全てを意味する。不均一なゴム製品の例としてはトラックタイヤ、オフロード車両用タイヤ、農業機械用タイヤまたはアースムーバータイヤ等の大型タイヤが挙げられるが、ホース、ベルト、振動マウント、バンパー等の任意の不均一なゴム製品も本発明方法を用いて効率的に硬化できる。

従来のモールドを用いた従来の硬化方法ではゴム製品の全ての部分の加熱速度を解析する。しかし、この加熱速度が分かっても、結局は、総硬化時間はゴム製品の一つまたは複数の「硬化律速」部分を実質的に硬化するのに必要な時間で決まる。「硬化律速（cure-limiting）」とは組成物の伝熱および硬化速度の特性、製品の厚さおよび／または複雑性に起因する硬化に最も長い時間がかかる製品の一つまたは複数の部分を意味する。すなわち、硬化律速部分を硬化する総硬化時間に設定すると硬化時間は長くなり、硬化装置の使用効率が悪くなる。本発明方法は（ａ）プレス内での硬化時間を短くし、（ｂ）製品の機能および相対性能をほとんど変えずにより均一な硬化状態を達成することができる。

本発明方法でも、従来の硬化方法と同様に、公知のＦＥＡ解析、熱電対解析、その他の手段を用いてタイヤ各部分の種々の硬化速度および状態を測定することができる。本発明ではゴム製品の機能をほとんど変えずに、または、その相対性能をほとんど損なわずに、総硬化時間を短縮でき、より均一な硬化状態を得るのに有効な熱伝導ピン要素の長さ、直径および配置を規定できる。

熱伝導ピン要素はモールドと組合せることが可能な任意の熱伝導材料で作ることができ、一般には鋼またはアルミニウムである。一本または複数本のピンは溶接等の公知の方法でモールドに追加するか、モールドにドリルで孔を開け、モールドにピンを貫入し、モールドの表面から突出させるか、新品のモールドの設計時に付けることができる。従って、設備投資をほとんどせずに硬化能力を高めることができる。

熱伝導ピン要素の断面形状は丸、四角、三角、六角形、八角形、長方形または楕円等の任意の断面形状にすることができる。ピンはその公称「ｘ−ｙ」幾何形状（すなわち２次元の「ｘ」および「ｙ」の面におけるピンの形状）で考えることができる。水平「ｘ、ｙ」面内での寸法がほぼ対称な（すなわち「ｘとｙ」の寸法がほぼ等しい）場合、ピンは基本的に丸、四角、六角、八角形等である。ピンが非対称形状（すなわち「ｘとｙ」の寸法が実質的に異なる）場合、ピンは基本的に長方形、楕円形等である。

モールドの内側表面における熱伝導ピン要素の断面積は、作用が加わる部分、例えばタイヤブロックまたはリブの表面積の約０．１〜約１．０％である。従って、一本のピンを使用するとゴム製品の表面には一つの小さな孔しか残らない。複数の熱伝導ピン要素を使用した場合も、全てのピンの合計断面積は依然として、作用が加わった部分、例えばタイヤブロックまたはリブの総表面積の約０．１〜１．０％である。

熱伝導ピン要素の寸法の例としては、ブロック型のトレッドパターンを有するトラックタイヤの場合、トレッドブロック用の典型的な公称表面積は約９００ｍｍ²（約３０ｍｍ×３０ｍｍ）〜約５６２５ｍｍ²（約７５ｍｍ×７５ｍｍ）である。この場合、断面積がトレッドブロックの表面積の約０．１〜約１．０％であるピンはピンの「ｘおよび／またはｙ」方向寸法は約１〜約７ｍｍである。

垂直「ｚ」方向の寸法（すなわち作用が加わる部分への方向）の熱伝導ピン要素の長さは、ゴム製品の全厚の約２５〜約６０％に熱伝導ピン要素が延びるような長さにする。タイヤの場合、ピンの「ｚ」方向寸法はトレッド深さの厚さの約２５〜約１１０％、好ましくはトレッド深さの約５０〜約９０％にわたって延びる。例えば、公称トレッド深さ厚が約２６ｍｍである典型的なトラックタイヤでは、ピンの「ｚ」方向寸法（長さ）は約５〜約２８ｍｍ、好ましくは約１３〜約２４ｍｍである。

基本的に幾何形状が不均一な（組成的に不均一でもよい）タイヤ用トレッドでは、トレッドの全厚の約２５〜約５０％でトレッドブロック中に突出するような「ｚ」方向寸法を有する一本または複数本のピンを用いるのが効率的である。従って、全厚が２８ｍｍの典型的なトレッドキャップでは、ピンの「ｚ」寸法方向（長さ）は約７〜約１４ｍｍである。
熱伝導ピン要素の「ｚ」方向寸法はゴム製品中で「ｘ」および「ｙ」方向寸法に対して直角に延ばすことができる。また、ピンの頂部または底部にテーパを付けたり、キノコ形状のように底部で「ステップダウン」または丸い「ヘッド」を有するように「ｚ」寸法方向形状を変ることもできる。

モールドの内面でより大きな断面積を有する（すなわち各ピンは作用が加わる部分の表面積の約０．５〜約１．０％である）一本または複数本のピンを用いるよりも、モールドの内面でより小さい断面積を有する（すなわち各ピンは作用が加わる部分の表面積の約０．１〜約０．４％である）複数の熱伝導ピン要素を用いるのが好ましいこともある。これは、より大きいピンがブロックの表面に、石や屑がはさまるほど大きい孔を残すという問題がある場合、または、タイヤがブロック設計と反対のリブ設計を有する場合である。複数のピンを用いる場合は、ピンの平均寸法の約７倍の距離でピンを互いに離すのが好ましい。典型的なトラックタイヤトレッドブロックでは、ピン間の距離は約１０ｍｍ以上である。アースムーバータイヤのような極めて大きいタイヤを硬化する場合には、一本または複数本の大きなピンを用いるのが実用的である。

熱伝導ピン要素は個別に独立して加熱可能である。これは、モールドからの伝導を介してピンに伝達される熱に加えて、且つ、この熱から独立してそれ自体の熱を供給できることを意味する。これによって所望の硬化状態が得られるまでのモールド内でのゴム製品の硬化時間が短縮される。ピンの加熱は製品をモールドに挿入する前に、ヒータを用いてピンに熱を対流的に加える公知の方法で行うことができる。一つの実施例ではピンの加熱に電気抵抗を用いる。これは図９（ｂ）に示した。ピンの加熱は製品の硬化中も続けることができる。ピンは硬化用に選択されるモールド温度の約９０％〜約１１０％の温度に加熱される。タイヤおよびトレッドでは、ピンは約１１０〜約１７０℃に加熱される。

本発明方法によって所望の硬化結果を得るための熱伝導ピン要素の「ｘ」、「ｙ」および「ｚ」方向寸法、ピンの形状、数および配置は当業者が柔軟に選択することができるということは容易に理解できよう。

以下、本発明の方法をタイヤおよびトレッドの硬化で使用する場合に関してさらに説明するが、本発明方法は他の不均一なゴム製品でも使用することができるということは理解できよう。

ピンの使用がタイヤに与える影響
既に述べたように、タイヤリブまたはトレッドブロック中に熱伝導ピン要素を突出させるとリブまたはブロックの表面に孔が生じる。熱伝導ピン要素の使用でタイヤの機能および性能に与える影響を最小限にするために、一本または複数本のピンが作用するタイヤリブまたはトレッドブロックの総表面積を、作用が加わるトレッドブロックまたはリブの表面積の約０．１〜約１％、好ましくは約０．１〜約０．５％に減少させる。
さらに、タイヤの所定機能を発揮させるためには一本または複数本の熱伝導ピン要素によって生じる孔によってタイヤトレッドブロックまたはリブの剛性を実質的に変化させてはならない。すなわち、タイヤトレッドの場合、ピンを用いた後のトレッドブロックの剛性はピンを用いなかった場合のトレッドブロックの剛性と同等に維持しなければならない。剛性の変化は熱伝導ピン要素の使用によって生じる作用が加わる部分の容積の減少率に関係している。本発明では、一本または複数本のピンの使用によって、トレッドブロックの計算上の剛性の総低下率が６％以下、好ましくは２％以下となるようにしなければならない。

剛性の低下率は「ピンによって形成される孔の容積」を「ピンの作用が加わった製品の部分の全容積」で割ることによって計算される。
剛性の計算をタイヤトレッドブロックに当てはめる場合には乗数（multiplier）を加える。この乗数の値は深さが１〜５ｍｍの第１増分の場合には「１」とし、深さ５〜１０ｍｍの第２増分の場合には「２」とし、深さ１０〜１５ｍｍの第３増分の場合には「４」とし、深さ１５ｍｍ以上の任意の増分では「８」とする。

複数の増分が含まれる場合（長いピンの場合）には、各増分毎に剛性を計算し、得られた値を合計して剛性の総低下率を出す。例えば、トレッドブロック中に１４ｍｍ突出させた円筒形熱伝導ピン要素を用いた場合、ピンの直径および長さに対応する「円筒形の孔」がブロックに残る。従って、最初の５ｍｍの増分の孔の容積に対して剛性計算をする場合の乗数は「１」である。次の５ｍｍの増分に関しては第２増分の孔の容積に対して別の剛性計算を行い、乗数は「２」である。最後の４ｍｍの増分に関してさらに別の剛性計算を行い、乗数は「４」である。これら３つの計算値を合計してピンによって生じる剛性の総低下率とする。複数のピンを用いる場合は、各ピン毎に剛性計算を行い、最後に計算値を加算して剛性の低下率の合計値を出す。全ての形状の熱伝導ピン要素に対して同じプロセスを用いる。
以下、本発明方法を説明する。

タイヤ再生用トレッドの硬化
タイヤの再生（リキャップ）用トレッドの硬化で熱伝導ピン要素を使用した実施例を説明する。
［図１］は予備硬化済みのタイヤトレッド用のトレッドパターンが刻まれている従来のフラットモールドセグメントを示している。［図２］は［図１］のモールドセグメントと従来の成形プロセスとを用いて作られたトレッドパターンを示している。［図３］は［図１］のモールドに熱伝導ピン要素を追加した時に得られるトレッドパターンを示している。ピンの相対位置を定義するために、先ず最初にトレッドパターンのｘ−ｙ面内での最小硬化状態位置を定義する。次に、この位置をｚ方向（すなわちトレッドブロックの厚さ方向）の硬化状態の比較のための基準として用いる。本発明方法は均一組成のトレッドまたは不均一トレッド、例えば第２トレッド層上に第１トレッド層を有するトレッドで用いることができる。

商業的に使用されている予備硬化再生トレッド用プラテン式プレスでは頂部および底部のプラテンを循環加熱オイルシステムで加熱する。プラテン内部のオイル管はエネルギーが均一に分布するように設計されている。正しい熱交換システムと油温度調節装置とを用いることによってプラテンの温度は目標範囲±３℃以内に制御できる。
本実施例で評価したトレッドパターンは［図２］に示してある。このトレッドパターンはショルダーブロックが大きいためプレス内での必要硬化時間はプラテン式プレスでの従来の硬化条件下で２５分である。

トレッドの全てのセクションでの硬化状態を定量化するためにトレッド中にプローブを配置した。第１プローブはトレッドの頂面より約１ｍｍ下に配置した。第２プローブはトレッドの頂面より約８ｍｍ下に配置し、第３プローブはトレッドの頂面より約１４ｍｍ下のトレッドの中心近くに配置した。３つのポイントでの温度プロフィル（分布）を作った（［図４］参照）。冷却後のトレッドの全セクションでの硬化状態はα＝０．９にしなければならない。
この硬化プロセスには、ゴムは熱伝導が極めて悪い材料であり、大抵の場合、硬化状態は不均一になり、多くの場合、それは避けられない、という固有の問題がある。この実施例で従来の硬化方法を用いた場合、トレッドブロックの表面（１ｍｍの所）では約８００秒（１００）で十分な硬化状態が得られるが、ブロックの中心（１４ｍｍの所）ではプレス内の硬化時間が約１８００秒必要である（１２０）。

選択したトレッドブロック内に直径２ｍｍの鋼の熱伝導ピン要素のセット（組合せ）を追加することでモールドを変更した。鋼のピンを用いる利点は既存モールドの変更で済む点にある。モールドはフラットなアルミニウムセグメントで作られるので、モールドの裏面からトレッド成形表面に向かう精密な孔を位置決めし、ドリルで孔を開け、その孔の中にピンを配置し、その位置を固定する。
［図３］は上記トレッド設計のために開発されたピンパターンを示し、５本のピンからなるパターンが大きいショルダーブロックにトレッドブロックの表面に対して直角に突出するようにモールド中に位置決めされている。各ピンはトレッドブロック中に約１４ｍｍの深さ（トレッドの全厚の５０％）で突出させた。

［図４］はトレッド内での熱電対プローブの各種位置に対する硬化を時間の関数で示したものである。第１プローブはトレッドブロックの頂面から深さ約１ｍｍの所にセットし、第２プローブは同じトレッドブロックの頂面から深さ８ｍｍの所にセットし、第３プローブは同じトレッドブロックの頂面から深さ１４ｍｍの所にセットした。［図４］は深さ１ｍｍ、深さ８ｍｍ、深さ１４ｍｍでの従来の硬化方法を用いてピン無しで硬化したトレッド（１００）（１１０）（１２０）と本発明の方法を用いてピンを付けて硬化したトレッド（２００）（２１０）（２２０）での硬化速度を示している。底部および頂部のプラテンに次いでブロック内部のトレッドゴムの硬化が速く、中央近くのゴムの硬化が最も遅いことは明らかである。
標準的なモールドで硬化したトレッドとピンを用いたモールドで硬化したトレッドでの１４ｍｍの中央位置での硬化速度（１２０）と（２２０）を比較すると、ピンを追加することによってトレッドを硬化するためのプレス内時間が約３分短縮され、硬化時間が１２％短縮されたことがわかる。熱伝導ピン要素を個別に加熱するときは、モールド内のトレッド硬化時間がさらに短縮される。

［図５］は硬化終了時のトレッドブロック厚さ方向の硬化状態を示している。曲線が平らであればある程、硬化状態はトレッドブロックを通じてより均一である。この図は熱伝導ピン要素を追加することによってトレッドブロックを通じて硬化の均一性が大きく良くなるということを証明している（４００、４１０、４２０、４３０、４４０、４５０と３００、３１０、３２０、３３０、３４０、３５０とを比較）。

［図６］もトレッドブロック内の種々の深さにおける規定硬化状態α＝０．９０に達するのに必要な時間を示している。熱伝導ピン要素の追加によって、α＝０．９０になるまでの総硬化時間が約３分短縮されたことがわかる（１０ｍｍ位置での５１０対５００を参照）。熱伝導ピン要素を個別に加熱するときは、α＝０．９０になるまでのトレッドの総硬化時間がさらに短縮される。
作用が加わるトレッドブロックの公称表面積は約６０７５ｍｍ²である。従って、直径が２ｍｍの５本のピンの使用で生じるトレッドブロックの表面積の減少率は約０．２％であり、１４ｍｍ長さの５本のピンの使用で生じるトレッドブロックの計算上の剛性の低下率は２％以下である。

トラックタイヤでのピンの使用
典型的な空気トラックタイヤ（［図７］にこの種のタイヤのショルダー部分を示す）用のトレッドブロック内にピンを配置したときに硬化時間の短縮が達成できる。トレッドブロック深さは２８ｍｍで、横方向溝の深さは２４ｍｍである。このタイヤの硬化はショルダー部分の硬化時間で制限される。例えば、０．９の硬化状態を得るまでにかかるビード部の典型的な時間は３９分であり、サイドウォール部は２２分であるが、従来の方法を用いたタイヤの硬化時間は５６分である。従って、ビード部の追加の加熱時間は１７分、サイドウォール部分の追加の加熱時間は３４分である。

［図８］は従来法で硬化した［図７］のタイヤのショルダー部分に生じる熱「分布」を示す。プレス硬化終了後のトレッドショルダーブロックの中心温度は１５℃で、これはトレッドブロックの表面温度よりも低いことがわかる。

［図９ａ］はタイヤのトレッドブロックに熱を伝えるのに使用する熱伝導ピン要素で変更したモールドの実施例を示し、［図９ｂ］は個別に加熱可能な熱伝導ピン要素で変更したモールドの実施例を示している。

種々の形状、直径および長さの熱伝導ピン要素および複数のピンを用いることで熱エネルギーをトラックタイヤの硬化律速帯域へ伝達でき、総硬化時間を短縮でき、しかも、トレッドブロックの剛性は実質的に変わらない。トラックタイヤ用の熱伝導ピン要素（図１０参照）は約１４〜約２９ｍｍ（トレッド深さの５０〜約１１０％）の種々の長さ、および、約２〜約４ｍｍの種々の直径を有することができる。

個別に加熱可能な熱伝導ピン要素を用いてタイヤの硬化時間を短縮することができる。長いピン、直径の大きいピンの使用および／または複数のピンの使用によっても硬化時間を短縮することができる。
タイヤにおけるトレッドブロックの公称表面積は約４２００ｍｍ²である。従って、ピンによって生じるトレッドブロックの表面積における計算上の減少率は約０．１〜約０．７％であり、ピンによって生じるトレッドブロックの計算上の剛性の低下率は約０．３〜約５．５％である。計算値は［表１］にまとめてある。

本発明の目的はタイヤの性能または機能を実質的に変えずにプレス内での硬化時間を短縮することにあるので、表面積の減少率が１％以下で、計算剛性の低下率が６％以下に維持される熱伝導ピン要素を選択する。

熱伝導ピン要素の加熱
本発明の一実施例の方法では、モールド内へ伝導によって供給される熱に加えて、追加の熱を製品に与える個別に加熱可能な熱伝導ピン要素を用いる。
タイヤをモールドから取り出すときに、モールドの加熱を停止し、モールドをしばらく開けたままにしておく。モールドが冷め、モールド内に熱伝導ピン要素があれば、ピンが冷める。モールド内に別のタイヤを配置し、モールドを閉じ、モールドの加熱を開始し、モールドを介した熱の伝導によって熱伝導ピン要素が加熱される。
しかし、硬化時間をさらに短縮する場合には熱伝導ピン要素を電気抵抗のような個別の熱源を用いて個別に加熱する。ピンはゴム製品の硬化で選択されるモールド温度の約９０％〜約１１０％の温度に個別に加熱する。タイヤまたはトレッドの場合は、この温度は約１１０〜約１７０℃である。

Claims (27)

1. タイヤをモールド内に配置し、独立して加熱された一本または複数本の熱伝導ピン要素を上記タイヤ中に挿入する段階を含むタイヤの硬化方法。
2. 下記（ａ）〜（ｅ）：
   （ａ）タイヤをモールド内に配置し、
   （ｂ）硬化を律速する一つまたは複数のタイヤトレッドのブロックまたはリブに、一本または複数本の個別に加熱された熱伝導ピン要素を、上記ブロックまたはリブのトレッド深さの約５０％〜約１１０％の深さで、タイヤ中に挿入し、
   （ｃ）タイヤが所定硬化状態に達するまでモールドおよび熱伝導ピン要素に熱を加え、
   （ｄ）一本または複数本の熱伝導ピン要素をタイヤから取り外し、
   （ｅ）タイヤをモールドから取り出す、
   段階を含むタイヤの硬化方法であって、モールド内側表面での上記の一本または複数本の熱伝導ピン要素の総断面積が、上記熱伝導ピン要素が挿入された上記硬化律速タイヤトレッドブロックまたはリブの総表面積の約０．１％〜約１．０％であることを特徴とするタイヤの硬化方法。
3. タイヤがトラックタイヤ、農業用タイヤ、オフロード用タイヤ、アースムーバー用タイヤおよび航空機用タイヤから成る群の中から選択される請求項１に記載の方法。
4. タイヤがトラックタイヤである請求項１に記載の方法。
5. 一本または複数本の熱伝導ピン要素によって生じるタイヤトレッドブロックまたはリブの計算上の剛性の低下率が約６％以下である請求項２に記載の方法。
6. 一本または複数本の熱伝導ピン要素によって生じるトレッドブロックまたはリブの計算上の剛性の低下率が２％以下である請求項２に記載の方法。
7. 一本または複数本の熱伝導ピン要素によって生じるトレッドブロックまたはリブの表面積の減少率が１％以下である請求項２に記載の方法。
8. 一本または複数本の熱伝導ピン要素によって生じるトレッドブロックまたはリブの表面積の減少率が０．５％以下である請求項２に記載の方法。
9. 一本または複数本の個別に加熱可能な熱伝導ピン要素が、直径が約１〜約７ｍｍで、長さがトレッド深さの約５０〜約９０％の深さでトレッドブロックまたはリブの硬化律速部分に突出するような長さの円筒形ピンであり、熱伝導ピン要素が約１３０〜約１７０℃の温度に個別に加熱される請求項２に記載の方法。
10. 一本または複数本の熱伝導ピン要素がモールド温度の約９０％〜約１１０％の温度に個別に加熱される請求項１に記載の方法。
11. 一本または複数本の熱伝導ピン要素の加熱をタイヤの硬化時間の少なくとも一時期、続ける請求項１に記載の方法。
12. 熱伝導ピン要素が約１３０〜約１７０℃の温度に加熱される請求項１に記載の方法。
13. 製品をモールド内に配置し、一本または複数本の個別に加熱された熱伝導ピン要素を製品に挿入する段階を含む、不均一ゴム製品の硬化方法。
14. 下記（ａ）〜（ｅ）：
    （ａ）ゴム製品をモールド内に配置し、
    （ｂ）一本または複数本の個別に加熱された熱伝導ピン要素を、ゴム製品の硬化律速部分にゴム製品の全厚の約２５％〜約６０％の深さで挿入し、
    （ｃ）ゴム製品が規定の硬化状態に達するまでモールドと熱伝導ピン要素に熱を加え、
    （ｄ）一本または複数本の熱伝導ピン要素をゴム製品から取り外し、
    （ｅ）ゴム製品をモールドから取り出し、
    の段階を含む不均一ゴム製品の硬化方法であって、上記の一本または複数本の熱伝導ピン要素のモールド内面における総断面積が一本または複数本の熱伝導ピン要素が挿入されたゴム製品の一つまたは複数の硬化律速部分の総表面積の約０．１％〜約１．０％であることを特徴とする不均一ゴム製品の硬化方法。
15. 熱伝導ピン要素がゴム製品の硬化で選択されるモールド温度の約９０％〜約１１０％の温度に個別に加熱される請求項１３に記載の方法。
16. ゴム製品がタイヤ用トレッドである請求項１３に記載の方法。
17. 一本または複数本の熱伝導ピン要素が作用する製品の部分の計算上の剛性の低下率が約６％以下である請求項１４に記載の方法。
18. 一本または複数本の熱伝導ピン要素が作用する製品の部分の計算上の剛性の低下率が２％以下である請求項１４に記載の方法。
19. 一本または複数本の熱伝導ピン要素が作用する製品の部分の表面積の減少率が１％以下である請求項１４に記載の方法。
20. 一本または複数本の熱伝導ピン要素が作用する部分の表面積の減少率が０．５％以下である請求項１４に記載の方法。
21. 一本または複数本の熱伝導ピン要素が、直径が約１〜約７ｍｍで、長さがゴム製品の硬化律速部分にこの部分の厚さの約２５〜約５０％で貫入するような長さの円筒形ピンであり、熱伝導ピン要素が約１３０〜約１７０℃の温度に加熱される請求項１４に記載の方法。
22. 一本または複数本の熱伝導ピン要素が、モールド以外の熱源によって約１３０〜約１７０℃の温度に個別に加熱される請求項１３に記載の方法。
23. 一本または複数本の個別に加熱可能な熱伝導ピン要素を有するモールド。
24. モールドがタイヤまたはタイヤトレッド用である請求項２１に記載のモールド。
25. 請求項２の方法によって製造される、一つまたは複数のトレッドブロックまたはリブが一つまたは複数の孔を有し、一つまたは複数の孔の総断面積が孔を有する一つまたは複数のトレッドブロックまたはリブの総表面積の約０．１〜１．０％である、トレッドブロック、トレッドリブまたはこれらの組合せを有するトレッドを有するタイヤ。
26. 請求項１４の方法によって製造される、一つまたは複数のトレッドブロックまたはリブが一つまたは複数の孔を有し、一つまたは複数の孔の総断面積が孔を有する一つまたは複数のトレッドブロックまたはリブの総表面積の約０．１〜１．０％である、トレッドブロック、トレッドリブまたはこれらの組合せを有するトレッドを有するタイヤ。
27. 請求項２６のトレッドを有するタイヤ。

Images