JP2015152362A - インサートゴムの耐久強度評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インサートゴムの優劣を促進することで精密かつ短時間で判断する手法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、インサート用ゴム材料の耐久強度を評価する促進疲労の評価方法であって、圧縮応力を正弦波で入力することによって動的変形させることを特徴とする評価方法に関する。
【選択図】なし

Description

本発明は、特にランフラットタイヤのサイドウォール補強層として使用されるインサートゴムの耐久強度を評価するための促進疲労の評価方法に関する。

たとえば乗用車用ランフラットタイヤのゴム部材であるインサートゴム材料は、ゴム材料のみで全車重を支える必要があり、非常に高い疲労破壊特性が求められる（特許文献１）。インサートゴムはタイヤパンク時に車重相当の繰り返し圧縮応力を受け続けるため、インサートゴムがこの動的圧縮変形に対する疲労破壊を起こしてしまうと、車重を支えることができなくなってしまい、タイヤは寿命を迎える。したがって、ランフラットタイヤの寿命を予測するためには、インサートゴムの疲労破壊試験を行うことが肝要であるが、一般的な変位を正弦波で与える圧縮疲労破壊試験では、インサートゴムの疲労破壊には非常に長い時間がかかり、かつ、実際のランフラットタイヤの内部で起こる比較的大規模なインサートゴムの破壊を再現することができていないのが現状である。これは、主としてランフラット走行時のインサートゴムの温度が１５０℃以上に達するのに対して、慣用法の疲労破壊試験では１００℃にすら到達しないことが原因の一つとして上げられる。

ランフラット走行時の寿命を延ばすためには、ゴムの繰り返し変形の発熱を減らすことが有効であると考えられ、これまで、フレクソメータによる動的圧縮変形下において、試料の最終到達温度が低いゴムが寿命の長いゴム材料であるとされてきた。しかし、近年の低燃費化の開発において、ゴムの発熱量自体は大きく変わらないものの、ランフラット走行の寿命が異なる材料が開発されてきており、より精密にインサートゴムの優劣を判断する手法の開発が急務となっている。

特開２０１２−１２１４１３号公報

本発明は、インサートゴムの優劣を促進することで精密かつ短時間で判断する手法を提供することを目的とする。

本発明者がインサート用ゴム材料の耐久強度を評価する促進疲労の評価方法について検討したところ、従来の変位正弦波を試料に与えるのではなく、圧縮応力正弦波を試料に付与し続けることでより実車条件に近い状態を再現すると共に、圧縮応力振幅を適正な値にすることで、実際のランフラット走行時の温度に速やかに到達することを見出した。

すなわち、本発明は、インサート用ゴム材料の耐久強度を評価する促進疲労の評価方法であって、圧縮応力を正弦波で入力することによって動的変形させることを特徴とする評価方法に関する。

圧縮応力の最大値は、車重の１倍以上かつ４倍以下であることが好ましい。

本発明により、従来法では困難であったインサート部材のゴム材料としての疲労強度を少量かつ短時間で評価できるようになり、開発サイクルを上げられるだけでなく、タイヤ試作前の材料スクリーニング手法として用いることで、大幅な開発コストの削減が可能となる。

本発明のインサート用ゴム材料の耐久強度を評価する促進疲労の評価方法は、圧縮応力を正弦波で入力することによって動的変形させることを特徴とする。

実際のランフラット走行時には、インサートゴム材料には、車重による繰り返し変形がかかっており、変形を制御しているのは変位ではなく圧縮力である。したがって、従来の圧縮疲労試験とは異なり、本試験では入力刺激として応力を用いて行う。圧縮応力の最大値は、車重の１倍以上かつ４倍以下である。

有限要素法（ＦＥＭ）計算より求められたインサートゴム材料にかかる最大応力は約１．２ＭＰａであり、この値が試験における圧縮荷重振幅の最小値として規定される。より好ましくは、繰り返し変形による発熱でゴム試料が１３０℃以上に到達可能な２ＭＰａ以上である。

一方で、圧縮荷重振幅の最大値はゴム試料が動的変形ではなく、静的変形による圧縮破壊を起こす応力で規定され、一般的には１ＧＰａ以下である。より好ましくは、繰り返し変形による発熱でゴム試料が２００℃以下にしか到達しない５ＭＰａ以下である。

圧縮疲労試験の方法は特に問わないが、一般的に金属（ステンレスや鉄、黄銅、銅製など）板二枚の間に円柱もしくは多角柱に成形したゴム試料片を挟み、ゴムに与える応力が正弦波を描くように力検出のフィードバックを受けながら、一方の金属板を変位させるか両方の金属板を同期させて変位させる手法がとられる。

圧縮振幅をかける際には、一般的な伸長振幅をかける際と異なり、予備圧縮を試料に印加する必要がある。一般的な圧縮疲労破壊ではこの予備圧縮を歪で与えるが、本発明では、圧縮応力振幅の最大値を与える。この予備圧縮の与ることで、接地時に圧縮力を受けるが、それ以外の時は力を受けていない状況を再現する。

これらの条件を満たすことで、ラボレベルの試験片で、実写試験とほぼ同等の変形および温度を再現することが可能となり、実際のランフラット走行時におけるゴム材料としての強度をより精密に評価できる。さらに実車における温度域を出ない程度に以上の変形を与えることで、ゴム材料の疲労を加速することができ、促進試験としての機能をも付与することができる。

本発明によって評価可能なゴム材料としては シリカを配合したゴム材料が挙げられ、具体的には以下のようなゴム材料を用いることができる。

ゴム成分としては、例えば天然ゴム（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）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、イソブチレン−ｐ−メチルスチレン共重合体の臭素化物、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）、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＭ）、エチレン−プロピレン−ジエン共重合ゴム（ＥＰＤＭ）、スチレン−イソプレンゴム、スチレン−イソプレン−ブタジエンゴム共重合ゴム（ＳＩＢＲ）、イソプレン−ブタジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン（ＣＳＭ）、アクリルゴム（ＡＣＭ、ＡＮＭ）、エピクロルヒドリンゴム（ＣＯ、ＥＣＯ、ＧＥＣＯ）、多硫化ゴム（Ｔ）、シリコーンゴム（Ｑ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ウレタンゴム（Ｕ）などを用いることができる。

ジエン系ゴムとしては、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）などが挙げられる。これらジエン系ゴムは単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。

本発明で評価するゴム組成物には、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、グラファイトなどのカーボンブラックや、乾式法や湿式法等により調製されたシリカ粒子を配合してもよい。

上記カーボンブラックの中でも、ファーネスブラックが好ましく、その具体例としては、ＳＡＦ−ＨＳ、ＳＡＦ、ＩＳＡＦ、ＩＳＡＦ−ＨＳ、ＩＳＡＦ−ＬＳ、ＩＩＳＡＦ−ＨＳ、ＨＡＦ、ＨＡＦ−ＨＳ、ＨＡＦ−ＬＳ、ＦＥＦ、ＧＰＦ、ＳＲＦなどが挙げられる。

これらのカーボンブラックは、それぞれ単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。ゴム成分１００質量部に対するカーボンブラックの配合量は、通常１５０質量部以下であり、カーボンブラックとシリカの合計で１０〜１５０質量部が好ましい。１０質量部未満では充分な補強性が得られない傾向があり、１５０質量部を超えると発熱が増大して転がり抵抗が悪化したり、加工性が悪化し、かえって耐摩耗性能は低下したりする傾向にある。かかる配合量は２０〜１２０質量部がより好ましく、３０〜１００質量部が更に好ましく、４０〜７０質量部が最も好ましい。

本発明において用いられるシリカとしては、従来ゴム補強用として慣用されているもの、たとえば乾式法シリカ、湿式法シリカなどのなかから適宜選択して用いることができが、中でも湿式法シリカが好ましい。湿式法シリカの好適例としては、デグッサ製ウルトラジルＶＮ３、東ソー・シリカ（株）製ニップシールＡＱなどがあげられる。

シリカの配合量は、ゴム成分１００質量部に対して、好ましくは５質量部以上、より好ましくは１０質量部以上、更に好ましくは２０質量部以上、特に好ましくは３０質量部以上、最も好ましくは４５質量部以上である。５質量部未満であると、シリカを用いることによる転がり抵抗低減効果やウエットグリップ向上効果を得にくくなる。またシリカの配合量は、好ましくは１５０質量部以下、より好ましくは１００質量部以下、更に好ましくは８０質量部以下である。１５０質量部を超えると、シリカが多すぎて加工することが難しくなる。

シリカとともに、公知のシランカップリング剤を使用することができる。シランカップリング剤としては、従来から用いられている一般的なものを使用することが出来る。カップリング剤配合量は、シリカ１００質量部に対して０．５〜２０質量部が好ましく、１．５〜１５質量部がより好ましく、２．５〜１０質量部が更に好ましい。シランカップリング剤の配合量が０．５質量部未満では、シランカップリング剤を入れてシリカの分散を改善する効果が充分に得られず、耐摩耗性や破壊エネルギーが低下する傾向があり、２０質量部をこえると、コストが上がる割に効果が得られず、更には、補強性、耐摩耗性がかえって低下する場合がある。

プロセスオイルとしては、合成油や、パラフィン系プロセスオイル、ナフテン系プロセスオイル、芳香族系プロセスオイルなどの鉱物油などが用いられる。

植物油脂としてはひまし油、綿実油、あまに油、なたね油、大豆油、パーム油、やし油、落花生油、ロジン、パインオイル、パインタール、トール油、コーン油、こめ油、べに花油、ごま油、オリーブ油、ひまわり油、パーム核油、椿油、ホホバ油、マカデミアナッツ油、サフラワー油、桐油などがある。

老化防止剤としては、耐熱性老化防止剤、耐候性老化防止剤等でゴム組成物に通常使用されるものであれば特に限定されないが、例えば、ナフチルアミン系（フェニル−α−ナフチルアミン等）、ジフェニルアミン系（オクチル化ジフェニルアミン、４，４’−ビス（α，α’−ジメチルベンジル）ジフェニルアミン等）、ｐ−フェニレンジアミン系（Ｎ−イソプロピル−Ｎ’−フェニル−ｐ−フェニレンジアミン、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、Ｎ，Ｎ’−ジ−２−ナフチル−ｐ−フェニレンジアミン等）等のアミン系老化防止剤；２，２，４−トリメチル−１，２−ジヒドロキノリンの重合物等のキノリン系老化防止剤；モノフェノール系（２，６−ジ−ｔ−ブチル−４−メチルフェノール、スチレン化フェノール等）、ビス、トリス、ポリフェノール系（テトラキス−［メチレン−３−（３’，５’−ジ−ｔ−ブチル−４’−ヒドロキシフェニル）プロピオネート］メタン等）等のフェノール系老化防止剤が挙げられる。

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。

＜ゴム架橋体試験片の作製＞
住友化学株式会社製スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）「ＳＢＲ１５０２」（スチレン含量１５％、ビニル含量５７％を含むコポリマー）をゴム成分として使用した。このゴム成分に下記の配合で加硫剤を配合し、バンバリーミキサーで混合後、１７０℃で２０分間プレス成形して、直径２５ｍｍ、高さ３５ｍｍの円筒状のゴム架橋体を得た。

ゴム組成物の配合
ＩＲ：日本ゼオン（株）製のＩＲ２２００ ３０質量部
ＢＲ：日本ゼオン（株）製のＢＲ１２５０ ７０質量部
カーボンブラック：Ｎ５５０ ５０質量部
老化防止剤：大内新興化学工業（株）製の「ノクラック６Ｃ」 ２．５質量部
ステアリン酸：日油（株）製の「ステアリン酸椿」 ２．５質量部
酸化亜鉛：三井金属工業（株）製の「酸化亜鉛２種」 ５質量部
硫黄：日本乾溜（株）製の「セイミ硫黄」 ７質量部
粘着剤：田岡化学工業（株）製のタッキロールＶ−２００ ５質量部
加硫促進剤：大内新興化学工業（株）製の「ノクセラーＮＳ」 ２質量部

実施例（圧力一定）
上記ゴム架橋体の高さの半分の位置に断面の中心に至るまでの直径１ｍｍの穴を開けたのち熱電対を差し込み、ゴム架橋体内部の温度を測定できるようにした。この試験片を圧縮試験機（ＧＡＢＯ）にセットし、２．５ＭＰａで１０分間保持することで予備圧縮変形をあたえた後、圧縮荷重：２．５ＭＰａ（ＦＥＭの最大圧縮応力の２倍）、周波数：２０Ｈｚ（時速１２０ｋｍ相当）の条件で繰り返し圧縮変形を行った。評価結果を表１に示す。

比較例（変位一定）
同試料、同試験機を用い、２．５ＭＰａで１０分間保持することで予備圧縮変形をあたえた後、圧縮変位３ｍｍ（ＦＥＭの最大ひずみの２倍）、周波数２０Ｈｚ（時速１２０ｋｍ相当）の条件で繰り返し圧縮変形を行った。評価結果を表１に示す。なお、表中に記載した促進倍率は、以下の式により計算した。
（促進倍率）＝（実車の破壊までの時間）／（ラボ試験の破壊までの時間）

参考例（実車試験）
同配合のゴムをインサートゴムとしてランフラットタイヤを作製し、その後、タイヤ内部空気圧０の条件で８０ｋｍ／時でランフラット走行を行った。評価結果を表１に示す。

表の結果から明らかなように、圧力一定で圧縮応力を正弦波で入力する実施例では、ゴム片中の温度が実車での温度と同程度の温度となり、破壊までの時間が１５分の１となって、１５倍疲労が促進されていることがわかる。

Claims (2)

1. インサート用ゴム材料の耐久強度を評価する促進疲労の評価方法であって、
   圧縮応力を正弦波で入力することによって動的変形させることを特徴とする評価方法。
2. 圧縮応力の最大値は、車重の１倍以上かつ４倍以下である請求項１記載の評価方法。