JP2014149200A - 破壊エネルギー予測方法及びゴム組成物 - Google Patents

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Abstract

【課題】ゴム材料の破壊エネルギー、特にゴム材料の表面状態の破壊エネルギーを予測できる破壊エネルギー予測方法、及び耐クラック性能に優れたゴム組成物を提供する。
【解決手段】ゴム材料の炭素−炭素二重結合含有量を調べることにより、破壊エネルギーを予測する破壊エネルギー予測方法に関する。加硫条件の違いや新品・劣化品の違いにかかわらず、C=C結合量(C=C結合量の存在割合)と破壊エネルギーとに相関係数r=0.79の相関関係が存在することが判る。C=C結合量(原材料ポリマー中のC=C結合量に対するそれを用いたゴム材料中のC=C結合量の存在割合(%))と破壊エネルギーとの相関線を用いることにより、特段引張試験を実施しなくても、NEXAFS法などでゴム材料のC=C結合量を求めるという簡便な手法により、破壊エネルギーを予測することが可能となる。
【選択図】図2

Description

本発明は、ゴム材料の破壊エネルギーを予測する破壊エネルギー予測方法、及び耐クラック性能に優れたゴム組成物に関する。
ゴム製品の初期性能や経年変化時の性能を調べることを目的として、JIS−K6251「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム−引張特性の求め方」に準拠し、引張試験機を用いてダンベル状に切り抜いた試験片が切断するまでの破断伸び(%)及び引張強度(MPa)を測定し、それらの値から破壊エネルギー(応力と伸びの曲線の面積)を算出する方法が広く使用されている。
引張試験で正確な試験結果を得るためには、一般に、横35〜120mm、縦6〜25mm、厚み2mmの大きさで、クラック等のひび割れが存在しない試験片の作製が必要となる。そのため、製品から板状の試験片を切り出し、ダンベル状に切り抜くことが必要で非常に手間がかかる。また、この方法で初期性能を調べることは可能であるが、劣化試料は、多くの場合にひび割れが発生しているため、評価可能な試験片の採取が難しく、引張試験を実施できないのが実情である。このように、JIS−K6251に準拠して破壊エネルギーを求めることには、種々の問題がある。
一方、一般に大きな破壊エネルギーは、良好な耐劣化性能、特に耐クラック性能の確保に重要と考えられることから、従来から破壊エネルギーの値を参考に耐クラック性能に優れたゴム組成物の開発が進められている。ただ、破壊エネルギーは重要な特性値であるものの、配合量や加硫条件の違いによって異なる値になるため、耐クラック性能の評価には、JIS−K6257「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム−熱老化特性の求め方」に準拠して老化させたゴム材料の破壊エネルギーを求めることがより重要であると考えられる。
しかしながら、前述のように、劣化試料から評価可能な試験片を採取することは難しく、引張試験を実施できないため、破壊エネルギーを指標として耐クラック性能に優れたゴム組成物を開発することも難しい。
本発明は、前記課題を解決し、ゴム材料の破壊エネルギー、特にゴム材料の表面状態の破壊エネルギーを予測できる破壊エネルギー予測方法、及び耐クラック性能に優れたゴム組成物を提供することを目的とする。
本発明は、ゴム材料の炭素−炭素二重結合含有量を調べることにより、破壊エネルギーを予測する破壊エネルギー予測方法に関する。
前記破壊エネルギー予測方法において、前記炭素−炭素二重結合含有量を、前記ゴム材料に高輝度X線を照射し、X線のエネルギーを変えながらX線吸収量を測定することにより求めることが好ましい。
前記破壊エネルギー予測方法において、前記ゴム材料がタイヤ用ゴム組成物であることが好ましい。
本発明はまた、ゴム材料の炭素−炭素二重結合含有量が40%以上であるゴム組成物に関する。ここで、前記ゴム組成物は、前記破壊エネルギーが3000MJ/m以上であることが好ましい。
本発明によれば、ゴム材料の炭素−炭素二重結合含有量を調べることにより、破壊エネルギーを予測する破壊エネルギー予測方法であるので、ゴム材料の破壊エネルギー、特にゴム材料の表面状態の破壊エネルギーを詳細に予測できる。従って、新品、劣化品問わず、破壊エネルギーの予測が可能である。また、ゴム材料の炭素−炭素二重結合含有量が所定以上であるゴム組成物であれば、優れた耐クラック性能を確保できる。
炭素−炭素二重結合含有量とクラック評点との相関図の一例。 ゴム材料(新品、劣化品)の炭素−炭素二重結合含有量と破壊エネルギーとの関係図の一例。
本発明の破壊エネルギー予測方法は、ゴム材料の炭素−炭素二重結合含有量を調べることにより、破壊エネルギーを予測する方法である。
図1は、高輝度X線を用いて着目している特定元素の吸収端付近のX線吸収スペクトルを測定するNEXAFS(Near Edge X−ray Absorption Fine Structure:吸収端近傍X線吸収微細構造)法から求められるタイヤ表面の炭素−炭素二重結合含有量(C=C結合量)と、タイヤサイドウォールのクラック評点との相関を示すものである。図1から、クラック評点とC=C結合量とに、相関係数r=0.88の相関関係が存在することが判る。この点によれば、ポリマーのC=C結合が切断されるとクラックが発生すると考えられることから、クラックが発生すると破壊エネルギーも低下すると予想され、ポリマーのC=C結合量と破壊エネルギーに相関があるのではないか、という仮説に至る。
そこで、NEXAFS法により測定されるポリマーのC=C結合量と破壊エネルギーとの関係を調べた。図2は、加硫条件の異なるゴム材料(新品)及びJIS−K6257記載の促進老化試験で老化させたゴム材料(劣化品)のC=C結合量と、破壊エネルギーとの関係を示したものである。なお、図2では、原材料ポリマー(供試ゴム材料に原材料として配合される天然ゴム、ブタジエンゴムなどのポリマー)のみをNEXAFS法に供して得られる該原材料ポリマー中のC=C結合量(基準:100%)に対する各ゴム材料中のC=C結合量の存在割合(%)と、破壊エネルギーとの関係が示されている。図2から、加硫条件の違いや新品・劣化品の違いにかかわらず、C=C結合量(C=C結合量の存在割合)と破壊エネルギーとに相関係数r=0.79の相関関係が存在することが判る。従って、同一配合のゴム材料の場合、加硫条件や劣化度合にかかわらず、破壊エネルギーを予測できる。
以上により、本発明では、C=C結合量(原材料ポリマー中のC=C結合量に対するそれを用いたゴム材料中のC=C結合量の存在割合(%))と破壊エネルギーとの相関線を用いることにより、特段引張試験を実施しなくても、NEXAFS法などでゴム材料のC=C結合量を求めるという簡便な手法により、破壊エネルギーを予測することが可能となる。
本発明の方法に供するゴム材料としては特に限定されず、従来公知のゴム組成物を使用でき、例えば、ゴム成分などを含むゴム組成物などが挙げられる。
ゴム成分としては、天然ゴム(NR)、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)、ブチルゴム(IIR)、ハロゲン化ブチルゴム(X−IIR)、スチレンイソプレンブタジエンゴム(SIBR)などのジエン系ゴムなどが挙げられる。また、ゴム成分は、水酸基、アミノ基などの変性基を1つ以上含むものでもよい。
更にゴム成分としては、前記ゴム成分と1種類以上の樹脂とが複合された複合材料も使用できる。上記樹脂としては特に限定されず、例えば、ゴム工業分野で汎用されているものが挙げられ、例えば、C5系脂肪族石油樹脂、シクロペンタジエン系石油樹脂などの石油樹脂が挙げられる。
ゴム材料には、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、酸化亜鉛、ステアリン酸、オイル、ワックス、老化防止剤、加硫剤、加硫促進剤、架橋剤など、従来公知のゴム分野の配合物を適宜配合してもよい。このようなゴム材料(ゴム組成物)は、公知の混練方法などを用いて製造できる。このようなゴム材料としては、例えば、タイヤ用ゴム材料(タイヤ用ゴム組成物)などが挙げられる。
本発明では、ゴム材料の炭素−炭素二重結合含有量(C=C結合量)を調べることを実施する。ここで、C=C結合量を調べる方法としては、NEXAFS法(吸収端近傍X線吸収微細構造)、赤外分光法(FT−IR)、磁気共鳴法(NMR)、X線光電子分光法(XPS)などが挙げられる。なかでも、表面で生じる劣化によって切断されたC=C結合量を測定できる点、測定に使用する高輝度X線のスポットサイズが非常に小さいため、ごく小さい試料でも測定が可能である点、試料作成に手間がかからないため、人的削減効果が大きい点から、NEXAFS法を好適に使用できる。
NEXAFS法は、X線エネルギーで走査するため光源には連続X線発生装置が必要であり、詳細な化学状態を解析するには高いS/N比及びS/B比のX線吸収スペクトルを測定する必要がある。そのため、シンクロトロンから放射されるX線は、少なくとも1010(photons/s/mrad/mm/0.1%bw)以上の輝度を有し、且つ連続X線源であるため、NEXAFS測定には最適である。尚、bwはシンクロトロンから放射されるX線のband widthを示す。
上記高輝度X線の輝度(photons/s/mrad/mm/0.1%bw)は、好ましくは1010以上、より好ましくは1012以上であり、上限は特に限定されない。また、上記高輝度X線の光子数(photons/s)は、好ましくは10以上、より好ましくは10以上であり、上限は特に限定されない。更に、上記高輝度X線を用いて走査するエネルギー範囲は、好ましくは4000eV以下、より好ましくは1500eV以下、更に好ましくは1000eV以下であり、下限は特に限定されない。
NEXAFSの測定方法には、透過法、蛍光法、電子収量法の3つの方法が代表的に用いられ、例えば、特開2012−141278号公報記載の方法を適用できる。本発明の実施例では、電子収量法を用いて実施したが、これに限定されるものではなく、様々な検出方法を用いてもよく、組み合わせて同時計測してもよい。
上記の電子収量法を用いてゴム材料のX線吸収スペクトル測定を行い解析することで、ゴム材料のC=C結合量(原材料ポリマーのC=C結合量(基準:100%)に対する、該原材料ポリマーを配合したゴム材料のC=C結合量の存在割合(%))を測定できる。具体的には、炭素K殻吸収端近傍のスペクトルなどを測定することで、C=C結合量が調べられる。
以下、炭素K殻吸収端近傍のスペクトルを用いた解析法を具体的に説明する。
各ゴム材料(各試料)のC=C結合量を求める方法として、例えば、上記高輝度X線のエネルギーを260〜400eVの範囲において炭素原子のK殻吸収端の必要な範囲を走査することによって得られるX線吸収スペクトルに基づいて下記(式1)により規格化定数α及びβを算出し、該規格化定数α及びβを用いて補正された炭素原子のK殻吸収端のX線吸収スペクトルを波形分離し、得られた285eV付近のπ遷移に帰属されるピーク面積を用いて下記(式2)により、各ゴム材料のC=C結合量を求める方法が挙げられる。
(式1)
[未加硫ポリマーにおける測定範囲のX線吸収スペクトルの全面積]×α=1
[各ゴム材料における測定範囲のX線吸収スペクトルの全面積]×β=1
(式2)
[(各ゴム材料のπのピーク面積)×β]/[(未加硫ポリマーのπのピーク面積)×α]×100=各ゴム材料のC=C結合量(%)
285eV付近のπ遷移のピークがC=C結合に対応するため、上記の方法により、各ゴム材料のC=C結合量(%)が得られる。
ここで、上記C=C結合量を求める方法において、上記高輝度X線のエネルギーを260〜350eVの範囲にすることが好ましい。なお、上記C=C結合量を求める方法では、上記(式1)の操作を行う前に、吸収端前のスロープから評価してバックグランドを引くことが行われる。
上記C=C結合量を求める方法において、上記(式1)におけるX線吸収スペクトルの全面積は、測定範囲内のスペクトルを積分したものであり、測定条件等によってエネルギー範囲は変えることができる。
上記C=C結合量を求める方法では、光源からの試料の距離などの微妙な変化がX線吸収スペクトルの大きさに影響を与えるため、NEXAFS法は絶対値測定が困難で、炭素原子のK殻吸収端のNEXAFS測定結果を試料間で単純に比較できない。そこで、先ず、上記(式1)を用いて規格化して各試料間のπのピークを直接比較できるようにし、次いで、規格化したスペクトルから各試料のC=C結合量を上記(式2)を用いて決定する。なお、具体的な解析は、特開2012−141278号公報記載の方法で実施できる。
上記各ゴム材料のC=C結合量を求める方法では、上記(式2)においてピーク面積に代えてピーク強度を用いても同様にC=C結合量を求めることができる。
そして、得られた各ゴム材料のC=C結合量(%)と、所定の試験片の採取が可能な各ゴム材料を引張試験に供して算出された破壊エネルギーの実測値とから、図2のような相関図を作製することで、該相関図をもとに引張試験が不可能なゴム材料であっても破壊エネルギーを予測することが可能となる。
本発明のゴム組成物は、ゴム材料の炭素−炭素二重結合含有量が40%以上のものである。すなわち、原材料ポリマーのC=C結合量(基準:100%)に対する、該原材料ポリマーを配合したゴム材料のC=C結合量の存在割合(%)が40%以上のゴム組成物である。
前記予測方法は、クラックなどのひび割れのある試料でも破壊エネルギーを予測できるため、耐クラック性能に優れたゴム組成物を作製するための指標とできる。従って、前記予測方法で破壊エネルギーを予測し、ゴム材料の炭素−炭素二重結合含有量が所定以上のゴム組成物は、C=C結合量が多いことに起因して、優れた耐クラック性能を有している。
具体的には、図1のクラック評点とC=C結合量の相関図において、クラック評点1〜2の製品はクレームになることが少ないが、評点3になるとクレームになることが多い。そのため、新品時の平均C=C結合量の70%からクレームになる手前と考えられる評点2.5付近に相当する30%を差し引いた40%分は、少なくとも新品時に必要なC=C結合量であると考えられる。従って、原材料のC=C結合量比40%以上のゴム組成物であれば、耐クラック性能が良好なゴム組成物を提供することが可能である。
上記ゴム組成物は、破壊エネルギーが3000MJ/m以上であることが好ましい。このような破壊エネルギーは、例えば、前記ゴム材料のC=C結合量を前述の相関線に適用することで求められる。
具体的には、図2のゴム材料(新品、劣化品)のC=C結合量と破壊エネルギーの相関線において、新品時のC=C結合量が40%以上であれば耐クラック性能に優れたゴム組成物となるため、該相関線から破壊エネルギーが3000MJ/m以上であれば、良好な耐クラック性能を付与できることが判る。
従って、JIS−K6257「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム−熱老化特性の求め方」に準拠して老化させたゴム材料の破壊エネルギーを求めることなく、新品の破壊エネルギーを測定することで耐クラック性能に優れたゴム組成物を作製できる。また、C=C結合量を測定することでも耐クラック性能に優れたゴム組成物を作製できる。
本発明のゴム組成物は、一般的な方法で製造される。すなわち、バンバリーミキサーやニーダー、オープンロールなどで前記各成分を混練りし、その後加硫する方法等により製造できる。該ゴム組成物は、タイヤの各部材に使用でき、なかでも、トレッド、サイドウォールなどに好適に使用できる。
また、上記ゴム組成物を用いて通常の方法で作製した空気入りタイヤも提供できる。空気入りタイヤは、前記成分を配合したゴム組成物を、未加硫の段階でサイドウォール、トレッドなどの各タイヤ部材の形状にあわせて押出し加工し、他のタイヤ部材とともに、タイヤ成型機上にて通常の方法で成形することにより、未加硫タイヤを形成し、該未加硫タイヤを加硫機中で加熱加圧することにより製造できる。
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。
<ゴム架橋体1、2の作製>
以下の配合内容に従い、硫黄及び加硫促進剤以外の材料を充填率が58%になるように(株)神戸製鋼所製の1.7Lバンバリーミキサーに充填し、80rpmで140℃に到達するまで混練した(工程1)。工程1で得られた混練物に、硫黄及び加硫促進剤を以下の配合にて添加、混練し、更に以下の条件で加硫することでゴム架橋体1、2を作製した(工程2)。
(配合)
天然ゴム50質量部、ブタジエンゴム50質量部、カーボンブラック60質量部、オイル5質量部、老化防止剤4質量部、ワックス2.5質量部、酸化亜鉛3質量部、ステアリン酸2質量部、粉末硫黄1.2質量部、及び加硫促進剤1質量部
なお、使用材料は以下のとおりである。
天然ゴム:TSR20
ブタジエンゴム:宇部興産(株)製BR150B
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N351
オイル:(株)ジャパンエナジー製のプロセスX−140
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
粉末硫黄(5%オイル含有):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CZ(N−シクロヘキシル−2−ベンゾチアジルスルフェンアミド)
(加硫条件)
ゴム架橋体1:170℃、10分間
ゴム架橋体2:180℃、8分間
<劣化ゴム架橋体3、4の作製>
前記で得られたゴム架橋体1、2を、それぞれJIS−K6257記載の促進老化試験で老化させることにより、劣化ゴム架橋体3、4を作製した。
<新品タイヤ及び中古タイヤ1、2>
ゴム架橋体1と配合が同一で、経過年が下記のタイヤを使用した。
新品タイヤ:新品
中古タイヤ1:製造から3.5年経過
中古タイヤ2:製造から5.0年経過
(試験片の作製)
前記で得られたゴム架橋体1、2、劣化ゴム架橋体3、4、新品タイヤ、及び中古タイヤ1、2を、それぞれダンベル状3号で打ち抜き、各試験片を作製した。得られた試験片を以下の評価に供し、結果を表1に示した。なお、破壊エネルギーの予測値は、ゴム架橋体1、2及び劣化ゴム架橋体3、4のC=C結合量(%)と、破壊エネルギーの算出値(実測値)をもとにして作製した相関線から予測した値である。
1.破壊エネルギーの測定
JIS−K6251「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム−引張特性の求め方」に従って、各試験片の引張強度と破断伸びを測定した。更に、引張強度×破断伸び/2により破壊エネルギーを算出した。
2.C=C結合量の測定
NEXAFSを使用して、各試験片について、以下のC=C結合量分析の実施によりC=C結合量(%)を測定した。なお、NEXAFSの使用装置、測定条件は以下のとおりで、測定に際し、試験片をミクロトームで100μm以下の厚みになるように加工し、その後、真空デシケータに保存した。
(使用装置、測定条件)
NEXAFS:佐賀県立九州シンクロトロン光研究センターのBL12ビームライン付属のNEXAFS測定装置
輝度:5×1012photons/s/mrad/mm/0.1%bw
光子数:2×10photons/s
測定した光子エネルギー領域:275eV〜320eV
(C=C結合量分析)
高輝度X線のエネルギーを260〜400eVの範囲で走査し、炭素原子のK殻吸収端のX線吸収スペクトルを得た。このスペクトルにおいて必要な範囲である260〜350eVの範囲をもとに(式1)から規格化定数α、βを算出し、この定数を用いてスペクトルを規格化(補正)した。規格化後のスペクトルを波形分離し、285eV付近のπ遷移に帰属されるピーク面積をもとに(式2)からC=C結合量(%)を求めた。
なお、C=C結合量分析において、未加硫ポリマー試料は、以下のように作製した。
天然ゴム0.5gとブタジエンゴム0.5gをトルエン30mlに溶解させた後、メタノール300mlで再沈殿を行い、ポリマー中の余分な薬品等を除去した。その後、トルエン30mlに再度溶解させ、シリコンウェハ上にスピンコートし、薄膜を作製した。
Figure 2014149200
中古タイヤ1、2はクラックが多いため、引張試験を実施できず、実測値から破壊エネルギーを算出できなかったが、ゴム架橋体1、2及び劣化ゴム架橋体3、4から作製した相関線を用いることで、他の試験片と同様、予測値の算出が可能となった。
また、C=C結合量が40%以下のゴム架橋体2(新品)に比べて、この劣化品の劣化ゴム架橋体4のC=C結合量は21.1%まで低下し、クレーム評点も1から4に悪化していた。この結果から、ゴム架橋体2はクレームレベルのゴム材料であることが判明した。

Claims (5)

  1. ゴム材料の炭素−炭素二重結合含有量を調べることにより、破壊エネルギーを予測する破壊エネルギー予測方法。
  2. 前記炭素−炭素二重結合含有量を、前記ゴム材料に高輝度X線を照射し、X線のエネルギーを変えながらX線吸収量を測定することにより求める請求項1記載の破壊エネルギー予測方法。
  3. 前記ゴム材料がタイヤ用ゴム組成物である請求項1又は2記載の破壊エネルギー予測方法。
  4. ゴム材料の炭素−炭素二重結合含有量が40%以上であるゴム組成物。
  5. 前記破壊エネルギーが3000MJ/m以上である請求項4記載のゴム組成物。
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