JP2020117664A - タイヤ用ゴム組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】重荷重用空気入りタイヤのトレッド部として用いることを意図したタイヤ用ゴム組成物であって、転がり抵抗が低く、且つ、操縦安定性に優れるタイヤ用ゴム組成物を提供する。【解決手段】天然ゴム５０質量％〜８０質量％と末端変性ブタジエンゴム２０質量％〜５０質量％とを含むゴム成分に対して、窒素吸着比表面積Ｎ2ＳＡが１００ｍ2／ｇ以上であるカーボンブラックを配合し、硬度Ｈｓを６５以上７３以下、４０℃における反発弾性率を５０％以上に設定する。【選択図】なし

Description

本発明は、主として重荷重用空気入りタイヤのトレッド部に用いられるタイヤ用ゴム組成物に関する。

空気入りタイヤにおいては、環境負荷を低減するために走行時の燃費性能を向上することが求められている。そのため、空気入りタイヤの各部を構成するゴム組成物の発熱を抑制することが行われている。近年、燃費性能の更なる改善のために、例えば、重荷重用空気入りタイヤのトレッド部を構成するゴム組成物についても発熱を抑制することが求められている。

ゴム組成物の発熱性の指標としては、一般に動的粘弾性測定による６０℃におけるｔａｎδ（以下、「ｔａｎδ（６０℃）」という。）が用いられ、ゴム組成物のｔａｎδ（６０℃）が小さいほど発熱性が小さくなる。そして、ゴム組成物のｔａｎδ（６０℃）を小さくする方法として、例えばカーボンブラック等の充填材の配合量を少なくしたり、カーボンブラックの粒径を大きくすることが挙げられる。或いは、シリカを配合することも提案されている（例えば特許文献１を参照）。しかしながら、これらの方法では、必ずしもゴム硬度が十分に得られず、タイヤに利用したとき（特に、重荷重用空気入りタイヤのトレッド部に用いたとき）に、操縦安定性への影響が懸念される。そのため、重荷重用空気入りタイヤのトレッド部として用いることを意図したタイヤ用ゴム組成物において、タイヤにしたときの操縦安定性を良好に維持しながら、低転がり性を向上する更なる対策が求められている。

特開２０１５‐０５９１８１号公報

本発明の目的は、重荷重用空気入りタイヤのトレッド部として用いることを意図したタイヤ用ゴム組成物であって、転がり抵抗が低く、且つ、タイヤにしたときの操縦安定性に優れるタイヤ用ゴム組成物を提供することにある。

上記目的を達成する本発明のタイヤ用ゴム組成物は、天然ゴム５０質量％〜８０質量％と末端変性ブタジエンゴム２０質量％〜５０質量％とを含むゴム成分に対して、窒素吸着比表面積Ｎ₂ ＳＡが１００ｍ² ／ｇ以上であるカーボンブラックが配合され、硬度Ｈｓが６５以上７３以下であり、４０℃における反発弾性率が５０％以上であることを特徴とする。

本発明のタイヤ用ゴム組成物は、上述の配合で構成され、特定の硬度および反発弾性率を有するので、転がり抵抗を低減しながら、タイヤにしたときの操縦安定性を向上することができる。特に、特定の粒径のカーボンブラックと末端変性ブタジエンゴムとを組み合わせて用いているので、発熱性を悪化させずに、ゴム硬度を適度に高めることが可能になり、前述の性能をバランスよく改善することができる。

尚、本発明において、「硬度」とは、ＪＩＳ Ｋ６２５３に準拠して、デュロメータのタイプＡにより温度２０℃で測定したゴム組成物の硬度である。「４０℃における反発弾性率」とは、ＪＩＳ Ｋ６２５５に準拠して、温度４０℃の条件で、リュプケ式反発弾性試験装置を用いて測定した値である。「カーボンブラックの窒素吸着比表面積Ｎ₂ ＳＡ」は、ＪＩＳ Ｋ６２１７‐２に準拠して測定するものとする。

本発明においては、末端変性ブタジエンゴムの重量平均分子量（Ｍｗ）および数平均分子量（Ｍｎ）から求められる分子量分布（Ｍｗ／Ｍｎ）が２．０以下であることが好ましい。このように分子量分布を狭くすることで、ゴム物性がより良好になり、転がり抵抗を低減しながら操縦安定性を向上するには有利になる。尚、「重量平均分子量Ｍｗ」と「数平均分子量Ｍｎ」とは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）により標準ポリスチレン換算により測定するものとする。

本発明においては、末端変性ブタジエンゴムの末端の官能基が水酸基、アミノ基、アミド基、アルコキシル基、エポキシ基、シロキサン結合基からなる群から選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。これによりカーボンブラックとの親和性が高まり、カーボンブラックの分散性がより改善されるので、より効果的に、発熱性を低く維持しながらゴム硬度や操縦安定性を高めることができ、これら性能をバランスよく両立するには有利になる。

本発明においては、ゴム成分１００質量部に対して、カーボンブラックが４０質量部以上配合されることが好ましい。このようにカーボンブラックを充分な量配合することで、ゴム物性をより良好にすることができ、転がり抵抗を低減しながら操縦安定性を向上するには有利になる。

上述の本発明のタイヤ用ゴム組成物は、重荷重用空気入りタイヤのトレッド部、特にキャップトレッドおよびアンダートレッドの２層からなるトレッド部のキャップトレッドに用いることが好ましい。本発明のタイヤ用ゴム組成物をキャップトレッドに用いた重荷重用空気入りタイヤは、その優れた物性により、低燃費性や操縦安定性を効果的に高めることができる。

本発明のタイヤ用ゴム組成物において、ゴム成分はジエン系ゴムであり、天然ゴムと末端変性ブタジエンゴムとを必ず含む。

天然ゴムとしては、タイヤ用ゴム組成物に通常用いられるゴムを使用することができる。天然ゴムを配合することで、タイヤ用ゴム組成物として充分なゴム強度を得ることができる。ジエン系ゴム全体を１００質量％としたとき、天然ゴムの配合量は５０質量％〜８０質量％、好ましくは６０質量％〜７０質量％である。天然ゴムの配合量が５０質量％未満であるとゴム強度が低下する。天然ゴムの配合量が８０質量％を超えると低燃費性が悪化する。

末端変性ブタジエンゴムは、分子鎖の片末端または両末端が官能基を有する有機化合物で変性されたブタジエンゴムである。このような末端変性ブタジエンゴムを配合することにより、後述のカーボンブラックとの親和性を高くし分散性を改善するため、発熱性を低く維持しながら、カーボンブラックの作用効果を一層向上して、ゴム硬度を高めることができる。分子鎖の末端を変性する官能基としては、例えばアルコキシシリル基、ヒドロキシル基（水酸基）、アルデヒド基、カルボキシル基、アミノ基、アミド基、イミノ基、アルコキシル基、エポキシ基、アミド基、チオール基、エーテル基、シロキサン結合基を挙げることができる。なかでもヒドロキシル基（水酸基）、アミノ基、アミド基、アルコキシル基、エポキシ基、シロキサン結合基から選ばれる少なくとも一つであるとよい。ここで、シロキサン結合基は、−Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−構造を有する官能基とする。

ゴム成分（ジエン系ゴム）全体を１００質量％としたとき、末端変性ブタジエンゴムの配合量は、２０質量％〜５０質量％、好ましくは３０質量％〜４０質量％である。末端変性ブタジエンゴムの配合量が２０質量％未満であると低燃費性が悪化する。末端変性ブタジエンゴムの配合量が５０質量％を超えると操縦安定性が低下する。

本発明で使用する末端変性ブタジエンゴムは、ビニル含有量が好ましくは０．１質量％〜２０質量％である。末端変性ブタジエンゴムのビニル含有量が０．１質量％未満であると、カーボンブラックとの親和性が不足し発熱を充分に低減することが難しくなる。末端変性ブタジエンゴムのビニル含有量が２０質量％を超えると、ゴム組成物のガラス転移温度Ｔｇが上昇し、転がり抵抗および耐摩耗性を十分に改良することができない。尚、末端変性ブタジエンゴムのビニル単位含有量は赤外分光分析（ハンプトン法）により測定するものとする。末端変性ブタジエンゴムにおけるビニル単位含有量の増減は、触媒等、通常の方法で適宜調製することができる。

本発明で使用する末端変性ブタジエンゴムのガラス転移温度Ｔｇは好ましくは−８５℃以下であるとよい。このようにガラス転移温度Ｔｇを設定することで、発熱性を効果的に低減することができる。ガラス転移温度Ｔｇが−８５℃を超えると発熱性を低減する効果が充分に得られなくなる。尚、天然ゴムのガラス転移温度Ｔｇは特に限定されないが、例えば−７０℃〜−８０℃に設定することができる。

末端変性ブタジエンゴムの重量平均分子量（Ｍｗ）および数平均分子量（Ｍｎ）から求められる分子量分布（Ｍｗ／Ｍｎ）は、好ましくは２．０以下、より好ましくは１．１〜１．６である。このように、末端変性ブタジエンゴムとして分子量分布が狭いものを用いることで、ゴム物性がより良好になり、転がり抵抗を低減しながら、タイヤにしたときの操縦安定性を効果的に向上することができる。末端変性ブタジエンゴムの分子量分布（Ｍｗ／Ｍｎ）が２．０を超えるとヒステリシスロスが大きくなってゴムの発熱性が大きくなると共に、耐コンプレッションセット性が低下する。

本発明のタイヤ用ゴム組成物は、天然ゴム、末端変性ブタジエンゴム以外の他のジエン系ゴムを含有してもよい。但し、好ましくは、本発明のタイヤ用ゴム組成物は天然ゴムと末端変性ブタジエンゴムのみで構成されるとよく、天然ゴムおよび末端変性ブタジエンゴムの合計がゴム成分１００質量％であるとよい。他のジエン系ゴムとしては、例えば、末端変性していないブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、イソプレンゴム、アクリロニトリル‐ブタジエンゴム等が挙げられる。これらジエン系ゴムは、単独又は任意のブレンドとして使用することができる。

本発明のタイヤ用ゴム組成物は、充填剤としてカーボンブラックが必ず配合される。カーボンブラックを配合することでゴム組成物の強度を高めることができる。特に、本発明で使用するカーボンブラックは、窒素吸着比表面積Ｎ₂ ＳＡが１００ｍ² ／ｇ以上、好ましくは１１０ｍ² ／ｇ〜１５０ｍ² ／ｇである。このように特定の粒径のカーボンブラックを上述の末端変性ブタジエンゴムと組み合わせて配合することで、発熱性を低く維持しながら、ゴム硬度を効果的に高めることができる。

カーボンブラックの配合量は、上述のゴム成分１００質量部に対して、好ましくは４０質量部以上である。カーボンブラックの配合量が４０質量部未満であると硬度を十分に確保することが難しく、タイヤにしたときの操縦安定性が低下する虞がある。

本発明のゴム組成物は、カーボンブラック以外の他の無機充填剤を配合することができる。他の無機充填剤としては、例えばシリカ、クレー、タルク、炭酸カルシウム、マイカ、水酸化アルミニウム等を例示することができる。但し、得られるゴム組成物の耐摩耗性の観点からは、シリカを配合しないことが好ましい。即ち、無機充填剤としてカーボンブラックのみを配合して、他の無機充填剤（特に、シリカ）を配合しないことで、耐摩耗性をより向上することができる。

本発明のタイヤ用ゴム組成物には、上記以外の他の配合剤を添加することができる。他の配合剤としては、加硫又は架橋剤、加硫促進剤、老化防止剤、液状ポリマー、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂など、一般的に空気入りタイヤに使用される各種配合剤を例示することができる。これら配合剤の配合量は本発明の目的に反しない限り、従来の一般的な配合量にすることができる。また混練機としは、通常のゴム用混練機械、例えば、バンバリーミキサー、ニーダー、ロール等を使用することができる。

このような配合からなる本発明のタイヤ用ゴム組成物の硬度Ｈｓは６５以上７３以下、好ましくは６７〜７１である。また、本発明のタイヤ用ゴム組成物の４０℃における反発弾性率は好ましくは５０％以上、好ましくは５２％以上である。本発明のゴム組成物はこのような物性を有するため、転がり抵抗を低減しながら、タイヤにしたときの操縦安定性を向上することができる。硬度Ｈｓが６５未満であると、タイヤにしたときの操縦安定性が悪化する。硬度Ｈｓが７３を超えると、転がり抵抗が悪化する。反発弾性率が５０％未満であると、発熱が悪化し転がり抵抗を十分に低減することができない。

本発明のタイヤ用ゴム組成物は、上述の配合や物性により、転がり抵抗を低減しながら、タイヤにしたときの操縦安定性を向上することができる。具体的には、ゴム成分として天然ゴムに加えて末端変性ブタジエンゴムを併用し、且つ、末端変性ブタジエンゴムと特定の粒径のカーボンブラックとを組み合わせて用いており、更に、ゴム組成物の硬度と反発弾性率を上記のように特定の範囲に設定しているので、上述の性能をバランスよく改善することができる。そのため、本発明のタイヤ用ゴム組成物は、重荷重用空気入りタイヤのトレッド部、特に、トレッド踏面に露出するキャップトレッドと、このキャップトレッドの内側に埋設されたアンダートレッドとの２層で構成されたトレッド部のキャップトレッドに好適に用いることができる。本発明のタイヤ用ゴム組成物をトレッド部（キャップトレッド）に用いた重荷重用空気入りタイヤは、その優れた物性により、操縦安定性を良好に発揮しながら、低燃費性能を改善することができる。

以下、実施例によって本発明を更に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

表１に示す配合からなる１２種類のゴム組成物（標準例１、比較例１〜６、実施例１〜５）を、それぞれ加硫促進剤および硫黄を除く配合成分を秤量し、１．８Ｌの密閉式バンバリーミキサーで５分間混練し、温度１５０℃でマスターバッチを放出し室温冷却した。その後、このマスターバッチを１．８Ｌの密閉式バンバリーミキサーに供し、加硫促進剤及び硫黄を加え２分間混合してゴム組成物を調製した。得られたゴム組成物を所定の金型中で２０分間プレス加硫して加硫ゴム試験片を作製した。

表１におけるゴム硬度は、この加硫ゴム試験片を用いて、ＪＩＳ Ｋ６２５３に準拠して、デュロメータのタイプＡにより温度２０℃で測定した。また、表１における反発弾性率は、この加硫ゴム試験片を用いて、ＪＩＳ Ｋ６２５５に準拠して、温度４０℃の条件で、リュプケ式反発弾性試験装置を用いて測定した。

得られたタイヤ用ゴム組成物について、下記に示す方法により、低燃費性能および操縦安定性の評価を行った。

低燃費性能
各加硫ゴム試験片の反発弾性率を、ＪＩＳ Ｋ６２５５に準拠して、温度４０℃の条件で、リュプケ式反発弾性試験装置を用いて測定した。評価結果は、標準例１の値を１００とする指数で示した。この指数値が大きいほど低燃費性能に優れることを意味する。

操縦安定性
得られたゴム組成物をキャップトレッドに使用した試験タイヤ（タイヤサイズ２７５／８０Ｒ２２．５）を作製し、標準リム（リムサイズ２２．５×８．２５）に組み付けて、空気圧を９００ｋＰａとし、試験車両（２ｔトラック）に装着し、舗装路面からなるテストコースにて、定積（２ｔ）における操縦安定性についてテストドライバーによる官能評価を行った。評価結果は、標準例１を１００とする指数値にて示した。この指数値が大きいほど操縦安定性が優れていることを意味する。

表１において使用した原材料の種類を下記に示す。
・ＮＲ：天然ゴム、ＴＳＲ２０（ガラス転移温度Ｔｇ＝−６５℃）
・ＳＢＲ：スチレンブタジエンゴム、日本ゼオン社製 Ｎｉｐｏｌ １５０２（ガラス転移温度Ｔｇ＝−６０℃）
・変性Ｓ‐ＳＢＲ：末端変性溶液重合スチレンブタジエンゴム、日本ゼオン社製 Ｎｉｐｏｌ ＮＳ６１２（非油展品、ガラス転移温度Ｔｇ＝−６０℃）
・ＢＲ：ブタジエンゴム、日本ゼオン社製 Ｎｉｐｏｌ ＢＲ１２２０（ガラス転移温度Ｔｇ＝−１０５℃）
・変性ＢＲ１：末端変性ブタジエンゴム、ＪＳＲ社製 ＢＲ５４（ガラス転移温度Ｔｇ：−１０７℃、官能基：シラノール基、分子量分布Ｍｗ／Ｍｎ＝２．５）
・変性ＢＲ２：下記の方法で合成した末端変性ブタジエンゴム（ガラス転移温度Ｔｇ：−９３℃、官能基：ポリオルガノシロキサン基、分子量分布は下記を参照）
・変性ＢＲ３：末端変性ブタジエンゴム、日本ゼオン社製 Ｎｉｐｏｌ ＢＲ１２５０Ｈ（ガラス転移温度Ｔｇ：−９６℃、官能基：Ｎ−メチルピロリドン基、分子量分布Ｍｗ／Ｍｎ＝１．１）
・ＣＢ１：カーボンブラック、東海カーボン社製 ニテロン＃３００（窒素吸着比表面積Ｎ₂ ＳＡ：１２０ｍ² ／ｇ）
・ＣＢ２：カーボンブラック、東海カーボン社製 シースト３（窒素吸着比表面積Ｎ₂ ＳＡ：８０ｍ² ／ｇ）
・酸化亜鉛：正同化学工業社製 酸化亜鉛３種
・老化防止剤：フレキシス社製 サントフレックス ６ＰＰＤ
・ワックス：日本精鑞社製ＯＺＯＡＣＥ‐００１５Ａ
・硫黄：四国化成工業社製 ミュークロンＯＴ‐２０
・加硫促進剤：大内新興化学工業社製 ノクセラーＮＺ

変性ＢＲ２の合成方法
攪拌機付きオートクレーブに、窒素雰囲気下、シクロヘキサン５６７０ｇ、１，３‐ブタジエン７００ｇおよび、テトラメチルエチレンジアミン０．１７ｍｍｏｌを仕込んだ後、シクロヘキサンと１，３‐ブタジエンとに含まれる重合を阻害する不純物の中和に必要な量のｎ‐ブチルリチウムを添加し、更に、重合反応に用いる分のｎ−ブチルリチウムを８．３３ｍｍｏｌ加えて、５０℃で重合を開始した。重合を開始してから２０分経過後に、１，３‐ブタジエン３００ｇを３０分間かけて連続的に添加した。重合反応中の最高温度は８０℃であった。連続添加終了後、更に１５分間重合反応を継続し、重合転化率が９５％から１００％の範囲になったことを確認してから、少量の重合溶液をサンプリングした。サンプリングした少量の重合溶液は、過剰のメタノールを添加して反応停止した後、風乾して、重合体を取得し、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）分析の試料とした。その試料を用いて、重合体（活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖に該当）のピークトップ分子量および分子量分布を測定したところ、それぞれ、「２３万」および「１．０４」であった。

前述の少量の重合溶液をサンプリングした直後、重合溶液に、１，６‐ビス（トリクロロシリル）ヘキサン０．２８８ｍｍｏｌ（重合に使用したｎ‐ブチルリチウムの０．０３４５倍モルに相当）を４０重量％シクロヘキサン溶液の状態で添加し、３０分間反応させた。更に、その後、ポリオルガノシロキサンＡ０．０３８２ｍｍｏｌ（重合に使用したｎ‐ブチルリチウムの０．００４５９倍モルに相当）を２０重量％キシレン溶液の状態で添加し、３０分間反応させた。その後、重合停止剤として、使用したｎ‐ブチルリチウムの２倍モルに相当する量のメタノールを添加した。これにより、変性ブタジエンゴムを含有する溶液を得た。この溶液に、ゴム成分１００部あたり、老化防止剤として２，４‐ビス（ｎ‐オクチルチオメチル）‐６‐メチルフェノール０．２部を添加した後、スチームストリッピングにより溶媒を除去し、６０℃で２４時間真空乾燥して、固形状の変性ブタジエンゴム（変性ＢＲ２）を得た。この変性ブタジエンゴム（変性ＢＲ２）について、重量平均分子量、分子量分布、カップリング率、ビニル結合含有量、および、ムーニー粘度を測定したところ、それぞれ、「５１万」、「１．４６」、「２８％」、「１１質量％」および「４６」であった。

表１から明らかなように、実施例１〜５の空気入りタイヤは、標準例１に対して低燃費性能および操縦安定性をバランスよく向上した。

一方、比較例１のゴム組成物は、末端変性ブタジエンゴムの代わりにスチレンブタジエンゴムを含むため、低燃費性能が悪化した。比較例２のゴム組成物は、末端変性ブタジエンゴムの代わりに末端変性溶液重合スチレンブタジエンゴムを含むため、低燃費性能が悪化した。比較例３のゴム組成物は、末端変性ブタジエンゴムの配合量が少ないため、低燃費性能が悪化した。比較例４のゴム組成物は、末端変性ブタジエンゴムの配合量が多すぎるため、操縦安定性が悪化した。比較例５のゴム組成物は、反発弾性率が低すぎるため、低燃費性能が悪化した。比較例６のゴム組成物は、カーボンブラックの窒素吸着比表面積が小さいため、操縦安定性が悪化した。

Claims (5)

1. 天然ゴム５０質量％〜８０質量％と末端変性ブタジエンゴム２０質量％〜５０質量％とを含むゴム成分に対して、窒素吸着比表面積Ｎ₂ ＳＡが１００ｍ² ／ｇ以上であるカーボンブラックが配合され、硬度Ｈｓが６５以上７３以下であり、４０℃における反発弾性率が５０％以上であることを特徴とするタイヤ用ゴム組成物。
2. 前記末端変性ブタジエンゴムの重量平均分子量（Ｍｗ）および数平均分子量（Ｍｎ）から求められる分子量分布（Ｍｗ／Ｍｎ）が２．０以下であることを特徴とする請求項１に記載のタイヤ用ゴム組成物。
3. 前記末端変性ブタジエンゴムの末端の官能基が水酸基、アミノ基、アミド基、アルコキシル基、エポキシ基、シロキサン結合基からなる群から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１または２に記載のタイヤ用ゴム組成物。
4. 前記ゴム成分１００質量部に対して、前記カーボンブラックが４０質量部以上配合されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のタイヤ用ゴム組成物。
5. 請求項１〜４に記載のタイヤ用ゴム組成物を、キャップトレッドおよびアンダートレッドの２層からなるトレッド部の前記キャップトレッドに用いたことを特徴とする重荷重用空気入りタイヤ。