JP2021066849A - 免震構造体用ゴム組成物および免震構造体 - Google Patents
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Abstract
【課題】高減衰性を発揮しつつ、その温度依存性を維持することが可能な免震構造体の原料となる免震構造体用ゴム組成物、および該免震構造体用ゴム組成物を原料として製造される免震構造体を提供すること。【解決手段】ゴム成分１００質量部に対し、シリカを５０〜９０質量部およびフェノール樹脂を１〜３０質量部含有し、かつ前記シリカの含有量に対する有機シランの含有量が２質量％未満である免震構造体用ゴム組成物および該免震構造体用ゴム組成物を加硫成形してなるゴム層と、鋼板からなる硬質層とを交互に積層した免震構造体。【選択図】 図１
Description
本発明は、免震構造体用ゴム組成物および免震構造体に関する。
建築物の基礎免震、橋梁や高架道路などの構造物の支承には、加硫ゴムからなるゴム層と鋼板からなる硬質層とを交互に積層した免震構造体が用いられている。この免震構造体は、上下方向には高い剛性、せん断方向には低い剛性を有する弾性構造体であり、地震の振動数に対して建築物の固有振動数を低減することにより、振動の入力加速度を減少し、建築物あるいはその中の人、設備などに対する被害を最小限にするものである。
免震構造体の使用環境は多岐に渡るため、高減衰性を発揮しつつ、その温度依存性を維持することは重要である。下記特許文献１には、主鎖にＣ−Ｃ結合を有する基材ゴム１００重量部に対してシリカを３０〜２００重量部添加し、そのシリカに対して以下の式に示すシラン化合物を５〜５０重量％配合し混練したシリカ配合高減衰ゴム組成物が記載されている。
本発明者が鋭意検討したところ、前記特許文献１に記載のシリカ配合高減衰ゴム組成物の加硫ゴムでは、特に減衰性の温度依存性の点で改良の余地があることが判明した。
本発明は、上記実情に鑑みて開発されたものであり、高減衰性を発揮しつつ、その温度依存性を維持することが可能な免震構造体の原料となる免震構造体用ゴム組成物、および該免震構造体用ゴム組成物を原料として製造される免震構造体を提供することを目的とする。
本発明は、ゴム成分１００質量部に対し、シリカを５０〜９０質量部およびフェノール樹脂を１〜３０質量部含有し、かつ前記シリカの含有量に対する有機シランの含有量が２質量％未満である免震構造体用ゴム組成物に関する。かかる免震構造体用ゴム組成物は、高減衰性を発揮しつつ、その温度依存性を維持することが可能な免震構造体の原料となり得る。本発明において、かかる効果を奏する理由は、例えば以下の如く推定可能である。
（１）ゴム成分１００質量部に対し、シリカを５０〜９０質量部配合することにより、免震構造体としたとき、シリカ凝集構造の変化による高減衰性を発現し得る。
（２）シリカの配合量を高めることに伴い、免震構造体用ゴム組成物の加工性悪化が懸念されるが、シランカップリング剤として作用する有機シランを多量に配合すると、シリカの高分散化に伴うエネルギーロスの抑制により、減衰性の悪化が懸念される。
（３）フェノール樹脂を多量に配合すると高減衰性を発現し得るが、ガラス転移点の関係よりシリカに比べて温度の影響を受け易く、温度依存性の悪化が懸念される。
（４）本発明に係る免震構造体用ゴム組成物では、シリカの配合量を５０〜９０質量部に設定し、かつフェノール樹脂および有機シランの含有量を特定の範囲量とする、特にシリカの含有量に対する有機シランの含有量を２質量％未満に設定しつつ、樹脂の中でもフェノール樹脂を選択し、その配合量をゴム成分１００質量部に対し、１〜３０質量部に設定する。
（１）ゴム成分１００質量部に対し、シリカを５０〜９０質量部配合することにより、免震構造体としたとき、シリカ凝集構造の変化による高減衰性を発現し得る。
（２）シリカの配合量を高めることに伴い、免震構造体用ゴム組成物の加工性悪化が懸念されるが、シランカップリング剤として作用する有機シランを多量に配合すると、シリカの高分散化に伴うエネルギーロスの抑制により、減衰性の悪化が懸念される。
（３）フェノール樹脂を多量に配合すると高減衰性を発現し得るが、ガラス転移点の関係よりシリカに比べて温度の影響を受け易く、温度依存性の悪化が懸念される。
（４）本発明に係る免震構造体用ゴム組成物では、シリカの配合量を５０〜９０質量部に設定し、かつフェノール樹脂および有機シランの含有量を特定の範囲量とする、特にシリカの含有量に対する有機シランの含有量を２質量％未満に設定しつつ、樹脂の中でもフェノール樹脂を選択し、その配合量をゴム成分１００質量部に対し、１〜３０質量部に設定する。
上記（１）〜（４）により、本発明に係る免震構造体用ゴム組成物を原料として製造される免震構造体は、高減衰性を発揮しつつ、その温度依存性を維持することが可能となる。
本発明に係る免震構造体は、前記いずれかに記載の免震構造体用ゴム組成物を加硫成形してなるゴム層と、鋼板からなる硬質層とを交互に積層した免震構造体である。かかる免震構造体は、高減衰性を発現しつつ、ゴム層の各部位で減衰性がより安定的に均一化されている。
本発明に係る免震構造体用ゴム組成物は、ゴム成分、シリカおよびフェノール樹脂を含有する。さらに本発明に係る免震構造体用ゴム組成物は、有機シランを含有しても良いが、その配合量には制限がある。この点については後述する。
本発明に係る免震構造体用ゴム組成物は、ゴム成分として、例えばジエン系ゴムを含有することが好ましい。ジエン系ゴムとしては、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）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、およびアクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）などが挙げられる。上記ジエン系ゴムの中でも、天然ゴムおよびイソプレンゴムの少なくとも１種を使用することが好ましい。
本発明に係る免震構造体用ゴム組成物は、ゴム成分１００質量部に対し、シリカを５０〜９０質量部含有する。シリカは、通常のゴム補強に用いられる湿式シリカ、乾式シリカ、ゾル−ゲルシリカ、表面処理シリカなどが用いられる。なかでも、湿式シリカが好ましい。また、これらは単独で使用してもよく、また２種以上を混合して使用してもよい。免震構造体用ゴム組成物中のシリカの配合量は、ゴム成分の全量を１００質量部としたとき、高減衰性を維持するため、シリカ配合量はゴム成分１００質量部に対し、６０質量部以上であることが好ましい。一方、免震構造体用ゴム組成物の加工性の悪化を抑制するため、シリカ配合量はゴム成分１００質量部に対し、８０質量部以下であることがより好ましい。
本発明においては、免震構造体用ゴム組成物中にフェノール樹脂を配合することにより、加工性を改良しつつ、免震構造体の減衰性を向上しつつ、その温度依存性を維持することができる。免震構造体用ゴム組成物中のフェノール樹脂の配合量は、ゴム成分１００質量部に対し、１〜３０質量部であり、５〜２０質量部であることが好ましい。
本発明においては、免震構造体用ゴム組成物中でのシリカの分散性向上のため、有機シランを配合しても良い。有機シランはシランカップリング剤とも言われ、シリカと併用することにより、免震構造体用ゴム組成物の加工性を向上し得るが、一方で免震構造体の減衰性を悪化し得る。このため、免震構造体用ゴム組成物中の有機シランの配合量は、シリカの含有量に対する有機シランの含有量を２質量％未満とする。ただし、免震構造体の高減衰性を発揮しつつ、その温度依存性を維持するために、免震構造体用ゴム組成物中での有機シランの配合量はできるだけ少ないことが好ましい。具体的には、シリカの含有量に対し、有機シランの含有量が１質量％未満であることが好ましく、０．５質量％未満であることがより好ましく、０．１質量％未満であることがさらに好ましく、免震構造体用ゴム組成物中に有機シランを含有しないことが特に好ましい。
本発明においては、有機シランとして当業者に公知のシランカップリング剤を使用することが可能であり、例えばビス−（３−（トリエトキシシリル）プロピル）テトラスルフィドなどのスルフィド系、３−メルカプトプロピルトリメトキシシランなどのメルカプト系、３−アミノプロピルトリメトキシシランなどのアミノ系、ビニルトリエトキシシランなどのビニル系などのシランカップリング剤を使用することができる。これらは単独で使用してもよく、また２種以上を混合して使用してもよい。
本発明に係る免震構造体用ゴム組成物は、上記ゴム成分、シリカ、フェノール樹脂、および最小限の有機シランと共に、硫黄、加硫促進剤、カーボンブラック、酸化亜鉛、ステアリン酸、加硫促進助剤、加硫遅延剤、老化防止剤、ワックスやオイルなどの軟化剤、加工助剤などの通常ゴム工業で使用される配合剤を、本発明の効果を損なわない範囲において適宜配合し用いることができる。
カーボンブラックとしては、例えばＳＡＦ、ＩＳＡＦ、ＨＡＦ、ＦＥＦ、ＧＰＦなどが用いられる。カーボンブラックは、加硫後のゴムの硬度、補強性、低発熱性などのゴム特性を調整し得る範囲で使用することができる。
硫黄は通常のゴム用硫黄であればよく、例えば粉末硫黄、沈降硫黄、不溶性硫黄、高分散性硫黄などを用いることができる。
加硫促進剤としては、ゴム加硫用として通常用いられる、スルフェンアミド系加硫促進剤、チウラム系加硫促進剤、チアゾール系加硫促進剤、チオウレア系加硫促進剤、グアニジン系加硫促進剤、ジチオカルバミン酸塩系加硫促進剤などの加硫促進剤を単独、または適宜混合して使用しても良い。
老化防止剤としては、ゴム用として通常用いられる、芳香族アミン系老化防止剤、アミン−ケトン系老化防止剤、モノフェノール系老化防止剤、ビスフェノール系老化防止剤、ポリフェノール系老化防止剤、ジチオカルバミン酸塩系老化防止剤、チオウレア系老化防止剤などの老化防止剤を単独、または適宜混合して使用しても良い。
本発明に係る免震構造体用ゴム組成物は、上記ゴム成分、シリカ、フェノール樹脂、および最小限の有機シランと共に、硫黄、加硫促進剤、カーボンブラック、酸化亜鉛、ステアリン酸、加硫促進助剤、加硫遅延剤、老化防止剤、ワックスやオイルなどの軟化剤、加工助剤などの通常ゴム工業で使用される配合剤などを、バンバリーミキサー、ニーダー、ロールなどの通常のゴム工業において使用される混練機を用いて混練りすることにより得られる。
また、上記各成分の配合方法は特に限定されず、硫黄および加硫促進剤などの加硫系成分以外の配合成分を予め混練してマスターバッチとし、残りの成分を添加してさらに混練する方法、各成分を任意の順序で添加し混練する方法、全成分を同時に添加して混練する方法などのいずれでもよい。
本発明に係る免震構造体は、ロールやローラヘッド付押出機などを用いて、混練りすることにより得られた未加硫の免震構造体用ゴム組成物をシート状に成形し、ついで円板状に打ち抜いた後、鋼板（硬質層）と未加硫のシート状のゴム層（免震構造体用ゴム組成物）とを交互に積層し、必要に応じて加圧しつつ、所定の温度で加硫成形することにより製造することができる。
なお、硬質層とゴム層とを積層する前に、加硫接着剤を塗工することが好ましい。加硫接着剤は、鋼板とゴムとの接着性に優れたものを適宜選択すれば良い。
本発明に係る免震構造体は、減衰性に優れ、かつその温度依存性に優れる。このため、使用環境を問わず、様々な分野で好適に使用可能である。
以下に、この発明の実施例を記載してより具体的に説明する。
（ゴム組成物の調製）
ゴム成分１００質量部に対して、表１の配合処方に従い、実施例１〜５、比較例１〜５のゴム組成物を配合し、通常のバンバリーミキサーを用いて混練し、ゴム組成物を調整した。表１に記載の各配合剤を以下に示す。
ゴム成分１００質量部に対して、表１の配合処方に従い、実施例１〜５、比較例１〜５のゴム組成物を配合し、通常のバンバリーミキサーを用いて混練し、ゴム組成物を調整した。表１に記載の各配合剤を以下に示す。
（ａ）ゴム成分（ＩＲ）（商品名「ＩＲ２２００Ｌ」、日本ゼオン社製）
（ｂ）シリカ（商品名「Ｎｉｐｓｉｌ ＡＱ」、東ソー・シリカ社製）
（ｃ）有機シラン（シランカップリング剤）（商品名「Ｓｉ６９」、エボニックデグサ社製）
（ｄ）カーボンブラック（商品名「シースト９」、東海カーボン社製）
（ｅ）フェノール樹脂（商品名「スミライトレジンＰＲ−１２６８６」、住友ベークライト社製）
（ｆ）ロジン樹脂（商品名「ハリエスターＳ」、ハリマ化成社製）
（ｇ）オイル（商品名「プロセスＸ−１４０」、ＪＸ日鉱日石エネルギー社製）
（ｈ）酸化亜鉛（商品名「亜鉛華３号」、三井金属鉱業社製）
（ｉ）脂肪酸（商品名「工業用ステアリン酸」、花王社製）
（ｊ）老化防止剤（商品名「ノクラック６Ｃ」、大内振興化学社製）
（ｋ）硫黄（粉末硫黄）（商品名「５％オイル処理硫黄」、細井化学工業社製）
（ｌ）加硫促進剤（商品名「ノクセラーＮＳ−Ｐ」、大内新興化学工業社製）
（ｍ）リターダー（Ｎ−シクロヘキシルチオフタルイミド）（商品名「リターダーＣＴＰ」、大内新興化学工業社製）
（ｂ）シリカ（商品名「Ｎｉｐｓｉｌ ＡＱ」、東ソー・シリカ社製）
（ｃ）有機シラン（シランカップリング剤）（商品名「Ｓｉ６９」、エボニックデグサ社製）
（ｄ）カーボンブラック（商品名「シースト９」、東海カーボン社製）
（ｅ）フェノール樹脂（商品名「スミライトレジンＰＲ−１２６８６」、住友ベークライト社製）
（ｆ）ロジン樹脂（商品名「ハリエスターＳ」、ハリマ化成社製）
（ｇ）オイル（商品名「プロセスＸ−１４０」、ＪＸ日鉱日石エネルギー社製）
（ｈ）酸化亜鉛（商品名「亜鉛華３号」、三井金属鉱業社製）
（ｉ）脂肪酸（商品名「工業用ステアリン酸」、花王社製）
（ｊ）老化防止剤（商品名「ノクラック６Ｃ」、大内振興化学社製）
（ｋ）硫黄（粉末硫黄）（商品名「５％オイル処理硫黄」、細井化学工業社製）
（ｌ）加硫促進剤（商品名「ノクセラーＮＳ−Ｐ」、大内新興化学工業社製）
（ｍ）リターダー（Ｎ−シクロヘキシルチオフタルイミド）（商品名「リターダーＣＴＰ」、大内新興化学工業社製）
（加工性評価（ムーニー粘度））
ＪＩＳ−Ｋ ６３００−１に基づき、配合後の未加硫ゴム組成物のムーニー粘度（ＭＬ１＋４（１００℃））を測定した。さらに、混練後の未加硫ゴム組成物の纏まり性で加工性を評価した。「〇」は纏まり性良好で加工性に優れる、「△」は纏まり性がやや劣るため加工性にもやや劣る、「×」は纏まり性が悪く、加工性も悪い、ことをそれぞれ意味する。結果を表１に示す。
ＪＩＳ−Ｋ ６３００−１に基づき、配合後の未加硫ゴム組成物のムーニー粘度（ＭＬ１＋４（１００℃））を測定した。さらに、混練後の未加硫ゴム組成物の纏まり性で加工性を評価した。「〇」は纏まり性良好で加工性に優れる、「△」は纏まり性がやや劣るため加工性にもやや劣る、「×」は纏まり性が悪く、加工性も悪い、ことをそれぞれ意味する。結果を表１に示す。
（加硫ゴムの減衰性および減衰性の温度依存性）
ゴムシートから２５ｍｍ×２５ｍｍの形状に成形したゴムシートを作製し、これを２５ｍｍ×１２０ｍｍ×厚さ３ｍｍの、接着剤を塗布した２枚の鉄板で、断面クランク状となるように挟み、これを加硫接着させて試験片とした。これを１軸せん断試験機に設置し、せん断変形を生じさせる繰り返し載荷を試料厚みに対して±２００％の条件で４回行い、引き続き±１５０％の条件で４回行い、１５０％条件の３波目の履歴特性を測定した。測定は２０℃で行った。
履歴特性の測定により得られた履歴ループを図１に示す。この履歴ループは下記水平特性値を規定している。
Ｗ（Ｎ・ｍｍ）：ひずみエネルギー（図１の斜線部で示される１つの三角形の面積。）
ΔＷ（Ｎ・ｍｍ）：吸収エネルギーの合計（図１の履歴ループで囲まれた面積。）
Ｋｅｑ（Ｎ／ｍｍ）：等価剛性（変位最大点における履歴ループの傾き。）
前記水平特性値から、減衰性能を示すＨｅｑは下記式（１）で計算される数値であり、この数値が大きいほど、減衰性能が高い。
Ｈｅｑ＝（１／４π）・（ΔＷ／Ｗ） （１）
得られた履歴ループから、図１に示すような水平特性値ΔＷ、Ｗが得られ、それをもとに数式（１）により高減衰ゴムの等価粘性減衰定数（Ｈｅｑ）を求めた。
また、減衰性の温度依存性に関しては、−１０℃にて１時間以上状態調整したのち測定を行った。前記の２０℃でのＨｅｑの値（Ｈｅｑ２０℃）を１とした場合の、−１０℃でのＨｅｑの値（Ｈｅｑ−１０℃）との比である（Ｈｅｑ−１０℃）／（Ｈｅｑ２０℃）を、等価粘性減衰定数の温度依存性の指標として表した。（Ｈｅｑ−１０℃）／（Ｈｅｑ２０℃）が１に近いほど、加硫ゴムの減衰性の温度依存性に優れることを意味する。
ゴムシートから２５ｍｍ×２５ｍｍの形状に成形したゴムシートを作製し、これを２５ｍｍ×１２０ｍｍ×厚さ３ｍｍの、接着剤を塗布した２枚の鉄板で、断面クランク状となるように挟み、これを加硫接着させて試験片とした。これを１軸せん断試験機に設置し、せん断変形を生じさせる繰り返し載荷を試料厚みに対して±２００％の条件で４回行い、引き続き±１５０％の条件で４回行い、１５０％条件の３波目の履歴特性を測定した。測定は２０℃で行った。
履歴特性の測定により得られた履歴ループを図１に示す。この履歴ループは下記水平特性値を規定している。
Ｗ（Ｎ・ｍｍ）：ひずみエネルギー（図１の斜線部で示される１つの三角形の面積。）
ΔＷ（Ｎ・ｍｍ）：吸収エネルギーの合計（図１の履歴ループで囲まれた面積。）
Ｋｅｑ（Ｎ／ｍｍ）：等価剛性（変位最大点における履歴ループの傾き。）
前記水平特性値から、減衰性能を示すＨｅｑは下記式（１）で計算される数値であり、この数値が大きいほど、減衰性能が高い。
Ｈｅｑ＝（１／４π）・（ΔＷ／Ｗ） （１）
得られた履歴ループから、図１に示すような水平特性値ΔＷ、Ｗが得られ、それをもとに数式（１）により高減衰ゴムの等価粘性減衰定数（Ｈｅｑ）を求めた。
また、減衰性の温度依存性に関しては、−１０℃にて１時間以上状態調整したのち測定を行った。前記の２０℃でのＨｅｑの値（Ｈｅｑ２０℃）を１とした場合の、−１０℃でのＨｅｑの値（Ｈｅｑ−１０℃）との比である（Ｈｅｑ−１０℃）／（Ｈｅｑ２０℃）を、等価粘性減衰定数の温度依存性の指標として表した。（Ｈｅｑ−１０℃）／（Ｈｅｑ２０℃）が１に近いほど、加硫ゴムの減衰性の温度依存性に優れることを意味する。
減衰性については、実施例２〜５および比較例１〜５の結果に関し、実施例１の測定結果を１００として指数評価を行い、実施例１と比較して変化が５％以内である場合は「〇」、変化が５〜１０％である場合は「△」、変化が１０％である場合を「×」で示す。実施例１と比較して、変化が小さいほど減衰性に優れることを意味する。また、減衰性の温度依存性についても、実施例２〜５および比較例１〜４の結果に関し、実施例１の測定結果を１００として指数評価を行い、実施例１と比較して変化が５％以内である場合は「〇」、変化が５〜１０％である場合は「△」、変化が１０％である場合を「×」で示す。実施例１と比較して、変化が小さいほど減衰性に優れることを意味する。結果を表１に示す。
表１の結果から、実施例１〜５に係るゴム組成物は加工性に優れ、かつその加硫ゴムは減衰特性およびその温度依存性に優れることがわかる。
Claims (2)
- ゴム成分１００質量部に対し、シリカを５０〜９０質量部およびフェノール樹脂を１〜３０質量部含有し、かつ前記シリカの含有量に対する有機シランの含有量が２質量％未満である免震構造体用ゴム組成物。
- 請求項１に記載の免震構造体用ゴム組成物を加硫成形してなるゴム層と、鋼板からなる硬質層とを交互に積層した免震構造体。
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| JP2009235336A (ja) * | 2008-03-28 | 2009-10-15 | Tokai Rubber Ind Ltd | 高減衰ゴム組成物およびそれを用いてなる制震ダンパー |
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