JP2013257290A - ゴム架橋体の破壊試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実車における耐チッピング性能との相関性が良好なゴム架橋体の破壊試験方法を提供する。
【解決手段】測定用試料１に一対の金属プレート１２Ａ及び１２Ｂを貼着し、ゴム試験片１１の円形状の上面１１Ａ及び下面１１Ｂに対して円柱軸方向（図２のＸ方向）に繰り返し圧縮変形を入力することにより、上面１１Ａ及び下面１１Ｂからゴム試験片１１に動的圧縮変形が印加される。更に、金属プレート１２Ａを介して上面１１Ａを円周方向（図２のＴ方向）に繰り返しねじり変形を入力し、原点ＯＲ（変位０点）を中心にＲＡ点、ＲＢ点に繰り返し変位させることにより、動的ねじり変形が印加される。このようにして動的圧縮変形と動的ねじり変形との複合変形を同時に試料に印加し破壊試験を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、ゴム架橋体の破壊試験方法に関する。

タイヤトレッド部で起こる代表的なクレームにブロック部においてゴム部材がめくれるチッピング現象が挙げられる。この現象は、ゴム肌に見られるクラック現象とは異なり、路面から受ける比較的大きな変形によってゴム架橋体が直接破壊を起こすことで発生すると考えられている。

このような破壊現象を捉える指標として、従来の汎用技術では、一軸引張試験機を使用して試料に一軸引張変形を与えた際の破断伸び、破断応力、破断エネルギーなどが用いられている。

一方、実際のタイヤが引張変形を受けるのは極限られた部分のみであり、多くは圧縮変形とせん断変形を受ける。このため、引張変形のみで評価する汎用手法では、正確な耐チッピング性能を評価できない可能性が高い。実際に、実車の評価における耐チッピング性能の順序と汎用技術で得られる耐チッピング性能の指標の順序が入れ替わるような事例も散見される。

従って、タイヤトレッド部で発生するチッピング現象について、実車における耐チッピング性能との相関性が良好な破壊試験方法を提供することが望まれている。

本発明は、前記課題を解決し、実車における耐チッピング性能との相関性が良好なゴム架橋体の破壊試験方法を提供することを目的とする。

本発明は、動的圧縮変形と動的ねじり変形との複合変形を同時に試料に印加するゴム架橋体の破壊試験方法に関する。

前記動的圧縮変形の最大変位点と前記動的ねじり変形の最大変位点とが同期するように前記複合変形を前記試料に印加することが好ましい。
また、動的ねじり振幅を大きくしながらゴム架橋体を破壊させることが好ましい。
更に、前記試料がタイヤのトレッド用ゴム架橋体であることが好ましい。

本発明によれば、動的圧縮変形と動的ねじり変形との複合変形を同時に試料に印加するゴム架橋体の破壊試験方法であるので、実車における耐チッピング性能との相関性が良好な評価法を提供できる。

円柱状試験片におけるねじり変形を示す模式図の一例である。 測定用試料、並びにそれに加えられる動的圧縮変形及び動的ねじり変形を示す模式図の一例である。

本発明は、動的な圧縮変形とねじり変形との複合変形を同時に試料に印加するゴム架橋体の破壊試験方法である。例えば、タイヤ走行時に実際に路面から入力される変形様式である動的な圧縮変形とせん断変形を同期させながらゴム試料片に入力する破壊試験であることにより、従来の一軸引張試験のみによる評価法に比べて、より使用条件に近い環境下での破壊試験を実施できる。

詳しくは、ゴム試料に対して、周期的に圧力（圧縮荷重）を印加し、動的な圧縮変形を繰り返し与えることで、自動車走行時に車重によりタイヤに繰り返し入力される圧縮変形を与えるとともに、周期的にねじり変形を印加し、動的なねじり変形を繰り返し与えることで、旋回時にタイヤに入力されるねじり変形を与えることができる。このように、実際に路面からタイヤに入力される動的な圧縮変形とねじり変形を同時に印加できる方法であるため、実車における耐チッピング性能との相関性に優れている。

特に、動的圧縮変形と動的ねじり変形を同期させながらゴム試料に入力すること、例えば、動的圧縮変形が最大変位点になる時点（動的圧縮変形の最大ひずみ）において動的ねじり変形が最大変位点（動的ねじり変形の最大ひずみ）になるように同期させて入力することにより、実車との相関性がより高められる。

そして、前記破壊試験方法において、動的ねじり振幅を大きくしながら、動的圧縮変形と動的ねじり変形を同時に入力し、ゴム架橋体（ゴム試料）の破壊時におけるねじり振幅（ねじり変位）を測定することにより、耐チッピング性能を評価できる。

本発明の破壊試験方法は、動的圧縮変形と動的ねじり変形との複合変形を同時に試料（ゴム架橋体）に印加する評価法であるが、動的圧縮変形は、車重による繰り返し変形に対応し、動的ねじり変形は、旋回時に路面から受ける変形に対応している。

ここで、前記破壊試験方法において、動的圧縮変形と動的ねじり変形とを同期させることが好ましい。具体的には、実車条件を再現するために、動的圧縮変形の最大変位点がねじり変形の最大変位点と一致し、動的圧縮変形の最小変位点（無荷重点）が動的ねじり変形の変位０点と一致することが望ましい。

動的圧縮変形、動的ねじり変形ともに上記条件を満たす繰り返し変形であれば、その波形は規定されないが、より実車の力学的な入力に即した正弦波であることが好ましい。

動的圧縮変形の周期は、実車走行時の転動周期に対応し、レースを含む実用レベルで１００Ｈｚ以下が好ましく、より好ましくは通常の使用条件である１２０ｋｍ／ｈ以下に対応する２０Ｈｚ以下である。該周期の下限は特に限定されないが、交差点における徐行運転を考慮すると、好ましくは速度１０ｋｍ／ｈに対応する１Ｈｚ以上、より好ましくは速度２０ｋｍ／ｈに相当する２Ｈｚ以上である。

動的圧縮変形は、車重による変形に対応するものであるため、その振幅は圧力によって規定され、最大振幅において印加される圧力（圧縮荷重）は、１０ＭＰａ以下が好ましく、３ＭＰａ以下がより好ましい。該圧力の下限は、車重の半分相当の圧力の点から、好ましくは５０ｋＰａ以上、より好ましくは１５０ｋＰａ以上、更に好ましくは３００ｋＰａ以上である。圧力を上記範囲内とすることにより、タイヤに使用した際の耐チッピング性能を良好に評価できる。

動的ねじり変形の周期は、動的圧縮変形とねじり変形を同期させるという点から、上記動的圧縮変形の周期によって定めることが望ましい。具体的には、動的ねじり変形の中心位置に変位０の原点を置く場合は動的圧縮変形の半分の周期を、動的ねじり変形の最小変位位置に変位０の原点を置く場合は動的圧縮変形と同じ周期にすることが好ましい。

動的圧縮変形と動的ねじり変形との複合変形を同時に試料に印加する本発明の破壊試験方法では、動的ねじり振幅（動的ねじり変形の振幅）を大きくしながらゴム架橋体を破壊させる手法を使用できる。ゴム試料が破壊するまで動的ねじり変形の振幅を徐々に大きくしながら測定を行い、破壊時のねじり変位（動的ねじり振幅）によって耐チッピング性能の優劣を決定できる。

ここで、動的ねじり振幅とは、試験片の動的圧縮方向に最大荷重を印加した時点における動的圧縮方向の厚み（最大荷重印加時の圧縮変形方向の長さ）に対する動的ねじり変位量であり、例えば、図１に示す円柱状の試験片では、圧縮方向に最大荷重を印加した時点における試験片の圧縮方向の厚み（圧縮方向の長さ）ＡＢに対する、Ｂ点からＣ点に変位させるねじり変形における最外径の移動量ＢＣ、すなわちＢＣ／ＡＢを意味する。

動的ねじり振幅を徐々に大きくしながら複合変形を繰り返し印加する際、１つの動的ねじり振幅における動的変形の継続時間を、動的変形が安定する１０秒以上、好ましくは充分に安定する３０秒以上に、またゴム試験片が硬化するような通常の疲労破壊を起こさない１時間以内、好ましくは総測定時間を考慮して１０分以内、より好ましくは５分以内になるように調整する。つまり、動的ねじり振幅を徐々に大きくしながら複合変形を上記範囲の時間印加し、破壊時の動的ねじり振幅を測定することで耐チッピング性能を評価できる。

測定温度は、使用環境に則するという理由から、好ましくは−２０〜８０℃、より好ましくは０〜６０℃である。

試験に適用する試料（ゴム試験片）の大きさは特に規定されないが、トレッドのブロック相当の大きさであることが好ましい。また、形状は、動的圧縮変形と動的ねじり変形からなる複合変形を印加できるものであれば特に限定されないが、円筒状（円柱状）であることが望ましい。このため、試料は、直径５〜２０ｍｍ程度の円筒状で、その高さは５〜２０ｍｍ程度が好ましい。

試料（ゴム試験片）としては、ゴム成分、カーボンブラックやシリカなどの充填剤、硫黄などの加硫剤、加硫促進剤などを用いて作製される加硫ゴム（ゴム架橋体）が挙げられる。なかでも、チッピング現象を良好に評価できるという点から、トレッド部、特にそのブロック部に使用される加硫ゴムが好ましい。

試料のゴム成分としては特に限定されず、天然ゴム（ＮＲ）、エポキシ化天然ゴム（ＥＮＲ）等の改質天然ゴム、イソプレンゴム（ＩＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、スチレン−イソプレン−ブタジエン共重合ゴム（ＳＩＢＲ）などのジエン系ゴムが挙げられる。

カーボンブラックやシリカとしては特に限定されず、ファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック、グラファイトなど；乾式法や湿式法などにより調製されたシリカ粒子が挙げられる。また、シリカを使用する場合、更にシランカップリング剤を添加することが好ましい。

試料において、各ゴム成分、カーボンブラック、シリカなどの充填剤、シランカップリング剤の含有量は、適用部材などに応じて適宜設定すれば良い。例えば、試料において、ゴム成分１００質量％中のＮＲの含有量を５〜５０質量％、ＳＢＲの含有量を４０〜９５質量％、ＢＲの含有量を０〜３０質量％などに調整すれば良い。また、ゴム成分１００質量部に対するカーボンブラックの含有量を２０〜１２０質量部、シリカの含有量を５〜１５０質量部などに調整すれば良い。

なお、試料には、前記成分の他、プロセスオイル、老化防止剤など、種々の添加剤を配合してもよい。

本発明の破壊試験方法を実施可能な測定装置としては、試験片に対して、動的圧縮変形及び動的ねじり変形を同時に印加し続けることが可能な装置であれば特に限定されず、例えば、特開２００６−１７７７３４号公報に記載の粘弾性測定装置等を使用できる。

本発明の破壊試験方法は、具体的には、二枚の平行に置かれた金属プレート間に円柱又は直方体形状の試料を接着剤にて固定したものを測定用試料として使用し、金属プレートを測定治具に固定した後、金属プレート間に圧縮とねじりの周期的な変形を同時に与え、試料が破壊するまでねじり変形の振幅を大きくしながら測定することで、評価試験を実施できる。

動的圧縮変形及び動的ねじり変形の複合変形について図面を用い、更に具体的に説明する。
図２は、測定用試料１の一例を示す模式図である。測定用試料１は、円柱形状のゴム試験片１１及び一対の金属プレート１２Ａ及び１２Ｂからなる。一対の金属プレート１２Ａ及び１２Ｂは、それぞれゴム試験片１１の円形状の上面１１Ａ及び下面１１Ｂに貼着されている。

図２に示す測定用試料１を上述の装置にセットし、本発明の破壊試験方法を行うことが可能である。具体的には、図２に示すように、一対の金属プレート１２Ａ及び１２Ｂを介し、ゴム試験片１１の円形状の上面１１Ａ及び下面１１Ｂに対して円柱軸方向（図２のＸ方向）に繰り返し圧縮変形を入力することにより、上面１１Ａ及び下面１１Ｂからゴム試験片１１に動的圧縮変形が印加される。更に、金属プレート１２Ａを介して上面１１Ａを円周方向（図２のＴ方向）に繰り返しねじり変形を入力し、原点Ｏ_Ｒ（変位０点）を中心にＲ_Ａ点、Ｒ_Ｂ点に繰り返し変位させることにより、動的ねじり変形が印加される。

動的圧縮変形が車重による変形に、動的ねじり変形が旋回時に路面から受ける変形にそれぞれ対応しているので、動的圧縮変形の最大変位点、すなわち最も圧縮されて一対の金属プレート１２Ａ及び１２Ｂの距離が最小になる時点と、動的ねじり変形の最大変位点、すなわち最もねじられて動的ねじれひずみ角αが最大になる時点とが一致するように同期させることで、実車におけるタイヤの変形を良好に再現できる。

そして、動的ねじり振幅を徐々に大きくしながら、動的圧縮変形、動的ねじり変形をゴム試験片１１に入力し続け、ゴム試験片１１の破壊時における動的ねじり振幅（ねじり変位）を測定することにより、ゴム試験片１１と同一の組成の試料をタイヤのトレッドなどに使用した際の耐チッピング性能を予測できる。なお、「破壊」とは、「亀裂が生じること(外観上)」、「応力の低下(物性)」であり、本試験では、動的ねじりを印加した際の応力が低下する時点を「破壊」と判定する。

図２に示す測定用試料において、金属プレート１２Ａ及び１２Ｂの材質は特に規定されず、例えば、ステンレスや鉄、真鍮などが挙げられる。ゴム試験片１１と金属プレート１２Ａ及び１２Ｂとの接着は、例えば、金属−ゴム間を接着可能な一般的な接着剤（エポキシ系の接着剤、ウレタン系の接着剤、加硫接着剤等）を用いて実施でき、加硫後の試料を接着する手法や加硫と同時に金属プレートとゴム試料片を接着する手法などが挙げられる。いずれの手法であれ、試料が破壊するまでに金属プレート−ゴム間の剥離が生じなければよく、これにより、測定したゴム試料をタイヤに使用した際の耐チッピング性能を良好に評価できる。

本発明により、これまでの一軸引張試験では耐チッピング性能の判別が困難であるが、市場性能と差が見られる配合について、市場性能の序列どおりに比較ができるようになる。従って、市場性能の序列を相対的に判別できるため、トレッド部（トレッド用ゴム架橋体）の配合開発において極めて重要な知見を提供できる。

実施例に基づいて、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。

以下、実施例及び比較例で使用した各種薬品について、まとめて説明する。
天然ゴム（ＮＲ）：ＴＳＲ２０
スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）：ＪＳＲ（株）製のＳＢＲ１５０２（結合スチレン量：２３．５質量％）
ブタジエンゴム（ＢＲ）：宇部興産（株）製のＢＲ７００
カーボンブラック：キャボットジャパン（株）製のショウブラックＮ３３０（Ｎ_２ＳＡ：７９ｍ^２／ｇ）
シリカ：日本シリカ（株）製のニプシルＶＮ３
オイル：（株）ジャパンエナジー製のプロセスＸ−１４０
フェニレンジアミン系老化防止剤：大内新興化学工業（株）製のノクラック６Ｃ（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）
ワックス：日本精蝋（株）製のオゾエース０３５５
酸化亜鉛：東邦亜鉛（株）製の銀嶺Ｒ
ステアリン酸：日油（株）製の椿
硫黄：鶴見化学工業（株）製の５％オイル処理粉末硫黄（オイル分５質量％含む可溶性硫黄）
加硫促進剤：大内新興化学工業（株）製のノクセラーＮＳ（Ｎ−ｔｅｒｔ−ブチル−２−ベンゾチアジルスルフェンアミド）

（加硫ゴム組成物、試験用タイヤの調製）
表１に示す配合処方にしたがい、工程１の材料を充填率が５８％になるように（株）神戸製鋼製の１．７Ｌバンバリーに充填し、８０ｒｐｍで１４０℃に到達するまで混練した。工程１で得られた混練物に、工程２に示す硫黄および加硫促進剤を表１に示す量配合し、１６０℃で２０分間加硫することにより、直径１０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円柱状の加硫ゴム組成物（ゴム試験片）を得た。
また、同配合をトレッドとした試験用タイヤも製造した。

配合Ａ、Ｂの各ゴム試験片、各試験用タイヤについて下記の評価を行った。結果を表２に示す。

（実施例１：破壊試験）
＜測定用試料の作製＞
得られた各ゴム試験片の上面及び下面のそれぞれに、金属プレート（ＳＵＳ３０４製、４０×４０（ｍｍ））を接着剤（Ｈｅｎｋｅｌ社製、ロックタイト４０７）を用いて接着し、図２に示す測定用試験片を作製した。
＜破壊試験＞
得られた測定用試料の金属プレートを測定治具に固定した後、金属プレート間に圧縮とねじりの周期的な変形を同期させながら入力し、ゴム試験片が破壊するまで動的ねじり変形の振幅を大きくしながら、破壊時の動的ねじり振幅（ねじり変位）を測定し、結果を表２に示した。測定装置、測定条件は、以下のとおりである。
測定装置：株式会社ヨシミズ製の大変形粘弾性試験装置（ゴム疲労試験機）
ひずみの入力：圧縮＋ねじりモード
動的圧縮変形の圧縮荷重：１００Ｎ
動的圧縮変形の周期：２０Ｈｚ（正弦波）
動的ねじり変形の動的ねじれひずみ角：±５〜±９０度
動的ねじり変形の周期：１０Ｈｚ（正弦波）
測定温度：４０℃
なお、試験は、動的圧縮変形の最大変位点とねじり変形の最大変位点を一致させ、動的圧縮変形の最小変位点（無荷重点）と動的ねじり変形の変位０点を一致させて行った。また、動的ねじり変形の周期は、動的ねじり変形の中心位置に変位０の原点を置いた値である。

（比較例１：実車試験）
作製した試験用タイヤについて、市場において６ヶ月間走行した後のチッピング発生状況を確認し、結果を表２に示した。

（比較例２：一軸引張試験）
実施例と同じ組成のゴム試料を厚さ２ｍｍのスラブ状に同条件で加硫した後、ＪＩＳ３号ダンベル形状に打ち抜いた。東洋精機（株）製ストログラフＡＲ−Ｔを用いて室温において毎分５００ｍｍの速度で一軸引張試験を行い、破断時のひずみと応力を測定し、結果を表２に合わせて示した。

実車試験の結果、配合Ａではチッピングの発生が確認され、配合Ｂでは発生が確認できなかった。一方、実施例の破壊試験では、配合Ａが動的ねじり振幅２６７％の時、配合Ｂが３０３％の時にそれぞれ破壊し、実車でチッピングが発生した配合Ａの方が未発生の配合Ｂよりも早期に破断する結果が得られた。配合ＡとＢの一軸引張試験では、破断ひずみは同等、破断応力は配合Ａの方が高いという結果が得られた。以上の結果から、一軸引張試験に比べて、本発明の破壊試験の方が実車の耐チッピング性能を良好に評価できることが明らかとなった。

１ 測定用試料
１１ ゴム試験片
１１Ａ ゴム試験片の上面
１１Ｂ ゴム試験片の下面
１２Ａ、１２Ｂ 金属プレート

Claims (4)

1. 動的圧縮変形と動的ねじり変形との複合変形を同時に試料に印加するゴム架橋体の破壊試験方法。
2. 動的圧縮変形の最大変位点と動的ねじり変形の最大変位点とが同期するように複合変形を試料に印加する請求項１記載のゴム架橋体の破壊試験方法。
3. 動的ねじり振幅を大きくしながらゴム架橋体を破壊させる請求項１又は２記載のゴム架橋体の破壊試験方法。
4. 試料がタイヤのトレッド用ゴム架橋体である請求項１〜３のいずれかに記載のゴム架橋体の破壊試験方法。

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