JP2014084410A - ドライマスターバッチ、それを用いたタイヤ用ゴム組成物及びその製造方法 - Google Patents

ドライマスターバッチ、それを用いたタイヤ用ゴム組成物及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】耐摩耗性能を損なうことなく、転がり抵抗性能を改良する。
【解決手段】ジエン系ゴム100質量部と、融点110℃以下のシンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン3〜25質量部とを、機械的剪断力を加えて乾式混合することにより得られたドライマスターバッチである。また、該ドライマスターバッチとシリカを混合してなるタイヤ用ゴム組成物である。また、該ゴム組成物からなるトレッドゴムを備えた空気入りタイヤである。更に、ジエン系ゴム100質量部と、融点110℃以下のシンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン3〜25質量部とを、機械的剪断力を加えて乾式混合することによりドライマスターバッチを得る工程と、得られたドライマスターバッチにシリカを混合する工程と、を含むタイヤ用ゴム組成物の製造方法である。
【選択図】なし

Description

本発明は、ゴム組成物に配合するのに好適なドライマスターバッチに関し、また、該ドライマスターバッチを用いたタイヤ用ゴム組成物及び空気入りタイヤ、並びにタイヤ用ゴム組成物の製造方法に関するものである。
自動車の低燃費化の要求はますます高まっており、タイヤを構成するゴム組成物を発熱しにくくして、転がり抵抗を低減すること、即ち、転がり抵抗性能を改良することが求められている。転がり抵抗を低減する手法としては、充填剤の配合量を減らしたり、ゴム成分として変性ジエン系ゴムを用いたりする手法が挙げられる。しかしながら、これらの手法では補強性や耐摩耗性能が低下するという問題がある。
ところで、タイヤ用ゴム組成物において、ジエン系ゴムに、シリカとともに、シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン(以下、SPBということがある。)を配合することが知られている。
例えば、特許文献1には、ジエン系ゴムに、シリカと、融点120〜180℃のSPBとを配合することにより、耐摩耗性能、耐破壊特性及びウェットスキッド性能を低下させることなく、低転がり抵抗を維持乃至向上せしめて、加工性を向上させることが開示されている。しかしながら、このような高融点のSPBでは、耐摩耗性能を損なうおそれがある。
特許文献2には、ジエン系ゴムに、シリカとともに、融点80〜230℃の高分子化合物を配合すること、また該高分子化合物としてSPBが用いられることが開示されている。しかしながら、ジエン系ゴムとSPBを予め乾式混合してマスターバッチを得る点は開示されておらず、また、作用効果についても、氷雪制動性能とウェットスキッド性能に着目したものであり、耐摩耗性能については言及されていない。
一方、特許文献3には、1,2−シンジオタクチックポリブタジエン結晶を含有するスチレンブタジエンゴム(SPBd結晶を含むSBR)を、カーボンブラックを含むゴム組成物に配合することが開示されている。しかしながら、このSPBd結晶を含むSBRは、スチレンブタジエンゴムの有機溶媒溶液中で1,2−シンジオタクチックポリブタジエン結晶を重合することにより得られるものであり、ジエン系ゴムとSPBを乾式混合してマスターバッチ化する点は開示されていない。また、この文献は、ランフラットタイヤのサイド部補強層における耐久性向上を目的としたものであり、耐摩耗性能については言及されていない。
特開平07−188461号公報 特開2001−233994号公報 特開2009−029898号公報
本発明者は、ジエン系ゴムとSPBを予め乾式混合したドライマスターバッチを、シリカを含むゴム組成物に配合することにより、耐摩耗性能を損なうことなく、転がり抵抗性能が改良されることを見出した。すなわち、本発明は、耐摩耗性能を損なうことなく、転がり抵抗性能を改良することを目的とする。
本発明に係るドライマスターバッチは、ジエン系ゴム100質量部と、融点110℃以下のシンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン3〜25質量部とを、機械的剪断力を加えて乾式混合することにより得られたものである。本発明に係るタイヤ用ゴム組成物は、該ドライマスターバッチとシリカを混合してなるものである。本発明に係る空気入りタイヤは、該ゴム組成物からなるトレッドゴムを備えたものである。本発明に係るタイヤ用ゴム組成物の製造方法は、ジエン系ゴム100質量部と、融点110℃以下のシンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン3〜25質量部とを、機械的剪断力を加えて乾式混合することによりドライマスターバッチを得る工程と、得られたドライマスターバッチにシリカを混合する工程と、を含むものである。
本発明によれば、ジエン系ゴムとシンジオタクチック−1,2−ポリブタジエンを予め乾式混合することにより、シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエンをジエン系ゴム中に均一に分散させることができる。そのため、シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエンと相性のよいシリカの分散性が改善されて、耐摩耗性能を損なうことなく、転がり抵抗性能を改良することができる。
以下、本発明の実施に関連する事項について詳細に説明する。
[ドライマスターバッチ]
実施形態に係るドライマスターバッチは、ジエン系ゴムとシンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン(SPB)とを、機械的剪断力を加えて乾式混合することにより得られたものである。このように予め乾式混合することにより、SPBがジエン系ゴム中に均一に微分散させる。そのため、該ドライマスターバッチをシリカと混合してゴム組成物を調製する際に、高ビニルのミクロ構造を持つSPBと相性のよいシリカが、微分散したSPBにひっぱられるようにしてジエン系ゴム中に分散される。これにより、シリカの分散性が向上するので、SPBを添加することによる優れた転がり抵抗低減効果を維持しつつ、SPBを添加することによる耐摩耗性能の悪化を改善することができる。
ドライマスターバッチを構成するジエン系ゴムとしては、各種ジエン系ゴムを用いることができ、特に限定されない。例えば、天然ゴム(NR)、イソプレンゴム(IR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ブタジエンゴム(BR)、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共重合体ゴム、ブタジエンイソプレン共重合体など、及び、これらをヘテロ原子を含む官能基で変性してなる変性ジエン系ゴムが挙げられる。これらのジエン系ゴムは、それぞれいずれか1種、または2種以上組み合わせて用いることができる。好ましくは、NR、IR、SBR、BR、及びそれらの変性ゴムから選択された少なくとも1種であり、特に好ましくは、NR、SBR、及びそれらの変性ゴムから選択された少なくとも1種である。
従来、シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン結晶を含む高シスポリブタジエンゴム(SPB含有BR)が知られている。SPB含有BRは、一般に、まず1,3−ブタジエンをシス1,4−重合して高シスポリブタジエンゴムとし、次いでその重合系にシンジオタクチック−1,2重合触媒を投入して残余の1,3−ブタジエンを1,2−重合させることにより製造される。そのため、マトリックスとなるジエン系ゴムがBRに限定されてしまうが、本実施形態によれば、乾式混合するものであるため、BR以外のジエン系ゴムと組み合わせることもでき、有利である。
上記変性ジエン系ゴムとしては、変性SBR又は変性BRが好ましく用いられ、特には変性SBRが好適である。その官能基は、分子末端に導入されてもよく、あるいはまた分子鎖中に導入されてもよいが、好ましくは末端に導入されることである。
変性ジエン系ゴムの官能基としては、例えば、水酸基(−OH)、アミノ基、カルボキシル基(−COOH)、カルボン酸誘導体基、アルコキシ基、エポキシ基、チオール基(−SH)、及びハロゲンなどが挙げられる。これらはそれぞれ1種のみ導入されてもよく、あるいはまた2種以上組み合わせて導入されてもよい。これらの官能基は、シリカ表面のシラノール基(Si−OH)と相互作用があるものであり、すなわち、シラノール基との間で化学結合し得る反応性又は水素結合などの親和性を持つものであるので、シリカの分散性向上に寄与する。ここで、アミノ基としては、1級アミノ基だけでなく、2級もしくは3級アミノ基でもよい。カルボキシル基としては、例えば、マレイン酸、フタル酸、アクリル酸、メタクリル酸などが挙げられる。カルボン酸誘導体基としては、これらカルボン酸由来のエステル基(カルボン酸エステル基)や、マレイン酸やフタル酸などのジカルボン酸の無水物からなる酸無水物基が挙げられる。カルボン酸エステル基としては、例えば、(メタ)アクリレート基、即ち、アクリレート基(-O-CO-CH=CH2)及び/又はメタクリレート基(-O-CO-C(CH3)=CH2)が好ましい例として挙げられる。アルコキシ基としては、−OR(但しRはアルキル基)として表させるメトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基などが挙げられ、また、例えばトリアルコキシシリル基、アルキルジアルコキシシリル基、ジアルキルアルコキシシリル基などのアルコキシシリル基(シリル基の3つの水素のうち少なくとも1つがアルコキシ基で置換されたもの)として含まれるものであってもよい。ハロゲンとしては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素が挙げられる。これらの官能基の中でも、シリカのシラノール基との相互作用を高める点から、水酸基、カルボキシル基、カルボン酸誘導体基、アルコキシ基などの、酸素原子を含む官能基が好ましい。
このような官能基を有する変性ジエン系ゴム自体は公知であり、その製造方法等は限定されるものではない。例えば、アニオン重合で合成された溶液重合SBRやBRを変性剤で変性することで、上記官能基を導入してもよく、あるいはまた、上記官能基を有する単量体を、ベースポリマーを構成する単量体であるとともに共重合することで分子鎖に導入してもよい。
シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン(SPB)としては、融点が110℃以下のものを用いる。このような融点の低いSPBを用いることにより、耐摩耗性能の悪化を抑えることができる。SPBの融点は、30〜110℃であることが好ましく、より好ましくは、60〜110℃である。ここで、融点は、JIS K7121に準拠して測定されるDSC曲線の融解ピーク温度である。
SPBは、シンジオタクチック−1,2重合触媒を用いて、1,3−ブタジエンを1,2−重合させることにより製造することができ、添加剤や重合条件などにより融点を調節することができる。シンジオタクチック−1,2重合触媒としては、可溶性コバルト、例えば、コバルトオクトエート、コバルト1ーナフテート、コバルトベンゾエート等と、有機アルミニウム化合物、例えば、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリブチルアルミニウム、トリフェニルアルミニウム等と、二硫化炭素からなる触媒系等を挙げることができるが、特に限定するものではない。
ドライマスターバッチ中におけるSPBの含有量は、上記ジエン系ゴム100質量部に対して3〜25質量部である。SPBの含有量が3質量部以上であることにより、十分な耐摩耗性能と、優れた転がり抵抗性能を両立することができる。SPBの含有量が25質量部を超えると、耐摩耗性能を維持することが難しくなる。SPBの含有量は、より好ましくは5〜20質量部である。
上記ジエン系ゴムとSPBとの乾式混合には、バンバリーミキサーやニーダー、ロール等のように機械的剪断力を加えることができる各種混合機(混練機)を用いることができ、ジエン系ゴムにSPBを添加して混練することにより、ドライマスターバッチが得られる。その際、ジエン系ゴムとSPBを、SPBの融点以上の温度で混合することにより、ジエン系ゴム中にSPBを均一に分散(微分散)させることができる。
好ましくは、SPBの融点以上の温度域で30秒以上混合した後に、混合機から排出することである。その際、PID制御により融点以上の一定温度に保持しながら混合することが好ましい。このようなゴムの混練は通常は発熱を伴うので、バンバリーミキサーのような密閉式混合機の場合、何ら制御を行わないと混合物の温度は急激に上昇する。そのため、混合物の温度が融点以上の一定温度に保持されるように混合条件等を調整することが好ましい。具体的には、バンバリーミキサー等の、撹拌ロータと、加熱冷却媒体が流れるジャケットと、加圧ラムと、混合物の温度を検知する温度センサとを備えた混合装置を用いて、撹拌ロータの回転速度、加熱冷却媒体の温度、及びラム圧のうちの1つ以上の制御することにより、混合物の温度を所定範囲内に保持することができる。好ましくは、ロータの回転数を制御する制御部を備えることであり、ロータの回転数をPID制御により自動制御することにより、混合物の温度調節がより容易かつ確実となる。
[ゴム組成物]
本実施形態に係るゴム組成物は、上記ドライマスターバッチとシリカを配合してしなるものである。該ゴム組成物において、ジエン系ゴムとしては、ドライマスターバッチ由来のジエン系ゴム単独でもよく、あるいはまた、ドライマスターバッチ由来のジエン系ゴムと他のジエン系ゴムとを組み合わせてもよい。その場合、ドライマスターバッチ由来のジエン系ゴムの比率は、ゴム組成物中のジエン系ゴム100質量部中、50〜100質量部であることが好ましく、より好ましくは70〜100質量部である。シリカをジエン系ゴム全体に均一に分散させるためには、ドライマスターバッチ由来のジエン系ゴム単独であることが好ましい。なお、該他のジエン系ゴムとしては、ドライマスターバッチを構成するジエン系ゴムとして前述したものと同様のものを用いることができる。
上記シリカとしては、特に限定されず、例えば、湿式シリカ(含水ケイ酸),乾式シリカ(無水ケイ酸),ケイ酸カルシウム,ケイ酸アルミニウム等が挙げられるが、中でも湿式シリカが好ましい。シリカのコロイダル特性は特に限定しないが、BET法による窒素吸着比表面積(BET)120〜250m/gであるものが好ましく用いられ、より好ましくは150〜230m/gである。なお、シリカのBETはISO 5794に記載のBET法に準拠し測定される。
シリカの配合量は、特に限定されないが、ゴム組成物に含まれるジエン系ゴム100質量部に対して20〜150質量部であることが好ましく、より好ましくは30〜120質量部であり、更に好ましくは40〜100質量部である。
実施形態に係るゴム組成物において、フィラーとしては、上記シリカ単独でもよく、シリカと他のフィラーとのブレンドでもよい。他のフィラーとしては、カーボンブラックが好ましいが、クレー、タルク、マイカなどの無機フィラーを用いることもできる。カーボンブラックを含む他のフィラーの配合量は、フィラー全体に占める比率が50質量%以下であることが好ましく、特に限定するものではないが、ジエン系ゴム成分100質量部に対して、20質量部以下であることが好ましく、より好ましくはタイヤへの色付け等のためにカーボンブラックを2〜10質量部配合することである。
実施形態に係るゴム組成物には、シリカの分散性を向上するために、シランカップリング剤を配合することができる。シランカップリング剤の配合量は、特に限定されないが、シリカ100質量部に対して2〜25質量部であることが好ましい。シランカップリング剤としては、特に限定されず、例えば、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ジスルフィド、ビス(2−トリエトキシシリルエチル)テトラスルフィド、ビス(4−トリエキトシシリルブチル)ジスルフィド、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、ビス(2−トリメトキシシリルエチル)ジスルフィドなどのスルフィドシランカップリング剤; 3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルジメチルメトキシシラン、メルカプトエチルトリエトキシシランなどのメルカプトシランカップリング剤; 3−オクタノイルチオ−1−プロピルトリエトキシシラン、3−プロピオニルチオプロピルトリメトキシシランなどの保護化メルカプトシランカップリング剤などが挙げられる。これらはそれぞれ単独で又は2種以上を組合せて用いることができる。
実施形態に係るゴム組成物には、上記の各成分の他に、プロセスオイルなどのオイル、亜鉛華、ステアリン酸、老化防止剤、加硫剤、加硫促進剤など、ゴム組成物において一般に使用される各種添加剤を配合することができる。加硫剤としては、硫黄、硫黄含有化合物等が挙げられ、特に限定するものではないが、その配合量は上記ジエン系ゴム100質量部に対して0.1〜10質量部であることが好ましく、より好ましくは0.5〜5質量部である。また、加硫促進剤の配合量としては、上記ジエン系ゴム100質量部に対して0.1〜7質量部であることが好ましく、より好ましくは0.5〜5質量部である。
実施形態に係るゴム組成物は、通常に用いられるバンバリーミキサーやニーダー、ロール等の混合機を用いて、常法に従い、機械的剪断力を加えて乾式混合することにより作製することができる。詳細には、上記ドライマスターバッチ(任意に他のジエン系ゴムを添加してもよい。)に、シリカを加えるとともに、加硫剤及び加硫促進剤を除く他の添加剤を添加混合する混合工程と、次いで、得られた混合物に、加硫剤及び加硫促進剤を添加混合する最終混合工程とを含み、これによりゴム組成物を調製することができる。
以上よりなる本実施形態に係るゴム組成物は、空気入りタイヤのゴム部分を形成するゴム組成物に用いることが好ましく、常法に従い、例えば140〜180℃で加硫成形することにより、各種空気入りタイヤのゴム部分(トレッドゴムやサイドウォールゴムなど)を構成することができる。特には、空気入りタイヤのトレッドゴムに用いることが好ましく、低燃費性能と耐摩耗性能に優れたタイヤを製造することができる。
以下、本発明の実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
バンバリーミキサーを使用し、下記表1に示す配合(質量部)に従い、ゴム組成物を調製した。詳細には、実施例1〜7及び比較例2,4,6〜8では、まず、第1ステップでドライマスターバッチを作製した。その際、実施例1〜7及び比較例6〜8では、ジエン系ゴムとSPBを乾式混合しながら、混合物の温度がSPBの融点に達してから30秒間混合した後に排出した。また、実施例7では、温度センサにより検知した混合物の温度に基づいて、撹拌ロータの回転数を自動制御するPID制御により、混合物の温度をSPBの融点である105℃に保持しながら30秒間混合し、その後、排出した。比較例2,4では、SPBを添加していないので、混合物の温度が100℃に達した段階で排出した。各排出温度は表1に示す通りである。次いで、第2ステップにおいて、ドライマスターバッチに、シリカを添加するとともに、硫黄と加硫促進剤を除く成分を添加して乾式混合した(排出温度は160℃)。そして、得られた混合物に、第3ステップ(最終混合段階)で硫黄と加硫促進剤を添加混合して(排出温度=90℃)、ゴム組成物を調製した。
比較例1,3,5では、第1ステップは行わず(従ってドライマスターバッチは作製せずに)、第2ステップで、ジエン系ゴムに対し、硫黄と加硫促進剤を除く成分を添加混合し(排出温度は160℃)、次いで、得られた混合物に、第3ステップ(最終混合段階)で硫黄と加硫促進剤を添加混合して(排出温度=90℃)、ゴム組成物を調製した。
表1中の各成分の詳細は以下の通りである。
・SBR:水酸基末端変性溶液重合スチレンブタジエンゴム、日本ゼオン株式会社製「Nipol NS616」
・NR:天然ゴム(RSS#3)
・SPB−1:融点=105℃のシンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、JSR株式会社製「RB830」
・SPB−2:融点=95℃のシンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、JSR株式会社製「RB820」
・SPB−3:融点=126℃のシンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、JSR株式会社製「RB840」
・カーボンブラック:東海カーボン株式会社製「シーストKH」
・シリカ:東ソー・シリカ株式会社製「ニップシールAQ」(BET比表面積=205m/g)
・オイル:JOMOサンエナジー(株)製「プロセスNC140」
・シランカップリング剤:スルフィドシランカップリング剤、エボニック・デグサ社製「Si69」
・ステアリン酸:花王株式会社製「ルナックS−20」
・亜鉛華:三井金属鉱業株式会社製「亜鉛華1種」
・老化防止剤:住友化学工業株式会社製「アンチゲン6C」
・ワックス:大内新興化学工業株式会社製「サンノックN」
・加硫促進剤:住友化学工業株式会社製「ソクシノールCZ」
・硫黄:鶴見化学工業株式会社製「粉末硫黄」
各ゴム組成物について、150℃で30分間加硫した所定形状の試験片を用いて耐摩耗性能を測定評価した。また、各ゴム組成物をトレッドゴムに用いて、常法に従い、215/45ZR17の空気入りラジアルタイヤを製造し、転がり抵抗性能を測定評価した。各評価方法は以下の通りである。
・耐摩耗性能:JIS K6264に準拠し、岩本製作所(株)製のランボーン摩耗試験機を用いて、荷重40N、スリップ率30%の条件で摩耗減量を測定し、摩耗減量の逆数について比較例1の値を100とした指数で示した。指数が大きいほど、摩耗減量が少なく、耐摩耗性能に優れる。
・転がり抵抗性能:空気圧230kPa、荷重4.4kNとして、転がり抵抗測定用の1軸ドラム試験機にて、室温を23℃に設定し、80km/hで走行させたときの転がり抵抗を測定した。結果は、転がり抵抗の逆数について比較例1の値を100とした指数で示した。指数が大きいほど、転がり抵抗が小さく、従って低燃費性能に優れることを示す。
Figure 2014084410
結果は、表1に示す通りであり、コントロールである比較例1に対し、単にジエン系ゴムをマスターバッチ化した比較例2では、耐摩耗性能と転がり抵抗性能の改善効果は得られなかった。比較例3,5では、比較例1に対してSPBをマスターバッチ化せずに添加しており、この場合、転がり抵抗性能の改善効果は得られたものの、耐摩耗性能が悪化した。比較例4では、ジエン系ゴムのみをマスターバッチ化し、これに第2ステップでSPBを添加しており、この場合、比較例3と同様、転がり抵抗性能の改善効果は得られたものの、耐摩耗性能が悪化した。
これに対し、ジエン系ゴムとSPBを予め乾式混合してマスターバッチ化し、これに第2ステップでシリカを含む添加剤を混合した実施例1〜6であると、転がり抵抗の低減効果に優れるとともに、比較例3〜5で見られたような耐摩耗性能の悪化もなく、耐摩耗性能が改善されていた。また、乾式混合時にPID制御した実施例7では、実施例1に比べて、第1ステップでの温度上昇が抑えられて天然ゴムの熱劣化が抑制されたためか、耐摩耗性能及び転がり抵抗性能の更なる改善効果が得られた。
なお、比較例6では、SPBをジエン系ゴムとともにマスターバッチ化したものの、SPBの配合量が少なすぎて、改良効果が得られなかった。また、比較例7では、SPBの配合量が多すぎて、耐摩耗性能が悪化した。比較例8では、高融点のSPBをジエン系ゴムとともにマスターバッチ化したため、耐摩耗性能に劣っていた。

Claims (5)

  1. ジエン系ゴム100質量部と、融点110℃以下のシンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン3〜25質量部とを、機械的剪断力を加えて乾式混合することにより得られたドライマスターバッチ。
  2. 請求項1記載のドライマスターバッチとシリカを混合してなるタイヤ用ゴム組成物。
  3. 請求項2記載のゴム組成物からなるトレッドゴムを備えた空気入りタイヤ。
  4. ジエン系ゴム100質量部と、融点110℃以下のシンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン3〜25質量部とを、機械的剪断力を加えて乾式混合することによりドライマスターバッチを得る工程と、
    得られたドライマスターバッチにシリカを混合する工程と、
    を含むタイヤ用ゴム組成物の製造方法。
  5. 前記ジエン系ゴムと前記シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエンを、前記シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエンの融点以上の温度で混合することを特徴とする請求項4記載のタイヤ用ゴム組成物の製造方法。
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