JP3634520B2 - 転がり抵抗が小さいタイヤ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低転がり抵抗性、低発熱性、耐摩耗性に優れたタイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車に用いられるタイヤに要求される性能としては、耐摩耗性、低転がり抵抗性、低発熱性、耐ティア性、耐グルーブクラック性、スキッド抵抗性等があり、これら各種性能はバランスよく具備されている必要がある。近年環境問題からタイヤについても、省資源化の要請が強くなり、上記の性能の中でも、エネルギー効率の向上につながる低転がり抵抗性、タイヤ寿命を延ばして材料使用効率の向上につながる耐摩耗性、耐ティア性、低発熱性が特に重要視される。特にトラック、貨物車、バス或いは重い蓄電池を搭載して走行する電気自動車等に用いられる荷重負荷が大きいタイヤにおいては、一般性能を維持しながら、上記の低転がり抵抗性、耐摩耗性、耐ティア性、低発熱性の改良が強く要請されている。ところで、自動車走行中、タイヤの接地部分は回転に追従して円周に沿って連続的に移動し、その間に、接地部分ではトレッドが荷重負荷によって圧縮変形、曲げ変形、剪断変形し、接地から解放された部分は元の形状に回復して、タイヤの各部は変形と回復の繰り返しの仕事をし、トレッドを形成するゴム組成物は応力に対する変形に時間的遅れを示す粘弾性体特性を有するので、繰り返し変形と形状回復の仕事をしている間にヒステリシスロスが生じ、加えられた駆動エネルギーの一部が熱エネルギーに変換される。このヒステリシスロスが、転がり抵抗と呼ばれるタイヤの転がりに伴うエネルギー損失の主たるものであり、転がり抵抗を改善することはトレッドを形成するゴム組成物のヒステリシスロスを少なくすることにほかならない。転がり抵抗を小さくするため、ヒステリシスロスを小さくするゴムポリマーを用い、補強剤として配合するカーボンブラックの粒子径を大きくしたり、或いは配合量を少なくしてヒステリシスロスを小さくしたゴム組成物でトレッドを形成する方法が試みられた。しかし、カーボンブラックの粒子径は補強性に関係し、大きくなれば耐摩耗性、耐ティア性が低下し、またカーボンブラックの配合量が少なくなれば、補強作用が低下して耐摩耗性、耐ティア性が悪くなるので、この方法によって、他の性能を損なわずに転がり抵抗を小さくするには限度がある。そこで、トレッドをキャップ／ベースの２層構造にし、接地する側のキャップを耐摩耗性に優れたゴム組成物で形成し、使用中摩耗されない部分に対応するベースを耐摩耗性が無視された低転がり抵抗性のゴム組成物で形成する方法が一般的に行われている。この方法においても、転がり抵抗はキャップとベースそれぞれのヒステリシスロスの和に関係するので、さらに低転がり抵抗性にするために、ベースにさらにヒステリシスロスを小さくしたゴム組成物を用いて、トレッドをキャップ／ベース構造にした場合、使用末期にティアが発生してタイヤ寿命が短かくなり、キャップ／ベース構造にしても耐摩耗性、耐ティア性を維持しながら、所望するレベルまで転がり抵抗を低下させることができない。上記に鑑み、補強剤としてカーボンブラックとシリカを併用したゴム組成物でベースを形成し、カーカス耐久性（発熱性）、耐ティア性を維持しながら、転がり抵抗を大幅に低下させる方法が提案された（特開平３−７６０２）。カーボンブラックと比較して、シリカは、ゴム組成物の粘度を高くし、加工性を低下させる欠点があるので、シリカが配合されたゴム組成物を実用化するには軟化剤を多く配合して加工性をよくする必要があり、軟化剤を多量配合すれば耐摩耗性が低下するので、シリカを用いれば低転がり抵抗性を有するゴム組成物が得られるにも拘らず、多くの場合、キャップ／ベース構造のベースに用いられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
シリカで補強されたゴム組成物剤の優れた低ヒステリシス性及び耐摩耗性、耐ティア性などの機械的特性を保持しながら、加工性が改良されれば、それを用いることによって、トレッドを１種類のゴム組成物で形成し、複雑な２層構造にすることを必要とせずに、さらに転がり抵抗を小さくすることが可能となる。
【０００４】
発明者らは、トレッドを１層構造にした優れた低転がり抵抗性、耐摩耗性、低発熱性、耐ティア性を有するタイヤの提供を目的にして、シリカが配合されたゴム組成物の機械的特性を低下させることなく加工性を改良する方法を探求し、本発明を成したのである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、天然ゴムを主ゴム成分にしたゴム成分に補強剤としてカーボンブラック及びシリカが配合されたゴム組成物でトレッドがなるタイヤにおいて、少なくとも天然ゴムが７０重量％占めるゴム成分１００重量部に対し、カーボンブラック及びシリカのそれぞれが下記の（１）式及び（２）式の関係を満足する量（重量部）、軟化剤が０〜５重量部、少なくとも１５ｍ^２／ｇの窒素吸着比表面積を有する表面処理された炭酸カルシウムが下記の（３）式の関係を満足する量（重量部）配合されたゴム組成物でトレッドを形成した転がり抵抗の小さいタイヤである。
（１） ３５≦（カーボンブラック量）＋０．７５×（シリカ量）≦５０
（２） ０．２≦０．７５×（シリカ量）／（カーボンブラック量）≦１．０
（３） ０．０５≦（炭酸カルシウム量）／（シリカ量）≦０．４０
【０００６】
トレッドを形成する上記ゴム組成物に配合されるカーボンブラックとしては窒素吸着比表面積が６０〜１５０ｍ^２／ｇのもの、シリカとしては窒素吸着比表面積が１５０〜２５０のｍ^２／ｇ（以下、窒素吸着比表面積をＮ_２ ＳＡと言う）のものが好適である。Ｎ_２ ＳＡが６０ｍ^２／ｇより小さいカーボンブラックは補強性が小さく、１５０ｍ^２／ｇより大きいカーボンブラックはゴム組成物のヒステリシスロスを大きくする。Ｎ_２ ＳＡが１５０ｍ^２／ｇより小さいシリカは補強性が小さく、２５０ｍ^２／ｇより大きいシリカはゴム組成物の粘度を高め、加工性を低下させる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のタイヤのトレッドは、ヒステリシスロスが小さく、引き裂き抵抗などの機械的強度が大きい天然ゴムを７０重量％以上含有するゴム成分に、補強剤としてシリカとカーボンブラックを配合したゴム組成物で形成される。ゴム組成物に配合されるカーボンブラックとシリカの量（重量部）は、ゴム成分１００重量部に対し、下記に示す関係式を満足する量（重量部）にされ、常法に従ってシリカの０．０５〜０．１５倍量のシランカップリング剤が添加される。
式（１）
３５≦（カーボンブラック量）＋０．７５×（シリカ量）≦５０
式（２）
０．２≦０．７５×（シリカ量）／（カーボンブラック量）≦１．０
式（１）で計算した量が３５より少ない場合は、補強が不十分で耐摩耗性、耐ティア性などの機械的特性が悪くなり、５０より多くなれば、転がり抵抗及び発熱性が大きくなる。式（２）で計算した値が０．２より小さい場合、または１．０より大きい場合には、カーボンブラックとシリカの配合量のバランスが崩れ、耐摩耗性、低発熱性、耐ティア性を向上させると同時に、またはこれらの特性を維持しながら転がり抵抗を小さくすることができない。
【０００８】
本発明に用いるＮ_２ ＳＡが１５０ｍ^２／ｇ以上であるシリカは、吸着力が大きいので、シリカ粒子が相互に吸着して凝集体を形成し、形成された凝集体は破壊されにくい。シリカがゴムに混合されるとき、凝集体の多くは破壊してシリカの１次粒子になってゴム中に分散することなく、凝集体の状態で分散する。一般的に、Ｎ_２ ＳＡが大きく、凝集体になった補強剤を配合したゴム組成物において、同じ組成であっても、凝集体が破壊されて１次粒子の状態になってゴム中に分散する比率が多くなれば、組成物のヒステリシスロスが低下し、耐摩耗性、耐ティア性などの機械的特性が好くなることは公知である。一般に、補強剤の凝集体が破壊され、低次の粒子の状態になってゴム中に分散することが、補強剤の分散がよいと言われる。Ｎ_２ ＳＡが大きいシリカをゴム成分に混合するとき、脂肪酸、樹脂酸、リグニン、界面活性剤などで表面処理した炭酸カルシウム（以下、炭酸カルシウムを炭カルと略称する）を添加すれば、先ずマトリックスゴムに炭カルが分散して混合中の混練ゴムの弾性率が大きくなって、シリカ凝集体を破壊して１次粒子をゴムに擦り込む作用をするために混合機から伝達された剪断力のシリカへの効きをよくし、その結果シリカの分散がよくなって、低ヒステリシスロス性、機械的特性がよくなる。シリカで補強されたゴム組成物は、カーボンブラック（以下、カーボンブラックをカーボンと略称する）のみで補強されたゴム組成物に比して、転がり抵抗性、耐摩耗性などの特性はよいが、反面、粘度が高く、ドライタッチになって滑性が悪く、押出しなどの加工性が劣る難点を有する。しかし、上記の表面処理をした炭カルをシリカの０．０５〜０．４０倍量添加すれば、ゴム組成物の滑性がよくなって加工性が改良され、押出し工程などで成形された半製品の寸法精度が高くなる。炭カルの添加量がシリカの０．０５倍より少ない場合は、炭カルの添加効果が発揮されず、０．４０倍より多くなれば、耐摩耗性が低下する。Ｎ_２ ＳＡが１５ｍ^２／ｇより小さい大粒径の炭カルが用いられた場合、ゴム組成物の加工性は改良されるが、夾雑物としての作用も生じ、耐ティア性、耐摩耗性などの機械的特性が低下する。脂肪酸、樹脂酸、リグニン、界面活性剤などで表面処理が施されていない炭カルが用いられた場合、加工性が改良されない。
【０００９】
通常加工性を改良するために配合するプロセイオイル、可塑剤、レジンなどの軟化剤は、用いない方が好ましいが、用いるとしても配合量はゴム成分１００重量部に対し５重量部以下にされる。５重量部より多くなれば、耐摩耗性、耐ティア性が低下する。
【００１０】
本発明のタイヤのトレッドを形成するゴム組成物は、前記したカーボン、シリカ、炭カル、シランカップリング剤に加えて、トレッド用ゴム組成物に一般に配合される各種添加剤を任意に配合することができ、その配合量も一般的な量とすることができる。任意に配合する添加剤としては、例えば硫黄、加硫促進剤、亜鉛華、ステアリン酸、ワックス、老化防止剤などを挙げることができる。また、トレッドをキャップ／ベース構造にして、タイヤ使用中に摩耗し、トレッドの実質部分であるキャップを上記のゴム組成物で形成することもできる。
【００１１】
【実施例】
表１に示すゴム成分に、表１記載の括弧内に示すＮ_２ ＳＡを持つカーボン、シリカ及び炭カルとシランカッブリング剤とオイルを表１に示す比率（重量部、以下重量分を単に部と言う）で配合し、さらに老化防止剤（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）１部、ワックス１部及びステアリン酸２部をバンバリーミキサーを用いて混合し、一旦冷却した後、加硫促進剤ＣＢＳ１部と硫黄１．７部を追加混合して混合ゴムを得た。得られた混合ゴムからサンプリングして、ムーニー粘度測定、発熱試験、摩耗試験を下記に示す試験条件で行い、結果を表１に示した。次いで、８０℃の温水を循環させた１０インチ押出し機を用いて、残余の各混合ゴム約２００ｋｇをトレッドストリップに押出し成形し、押出されたトレッドストリップの状態を観察して、下記に記載する基準に従って加工性の評価を行い、結果を表１に示した。
【００１２】
さらに、実施例の各配合及び比較例の１、２、３、８、１１、１２について、上記のトレッドストリップを用いてサイズ１１Ｒ２２．５のタイヤを試作し、下記に示す方法で転がり抵抗、発熱性、耐摩耗性、耐ティア性の評価を行い、結果を表１に示した。
【００１３】
ムーニー粘度測定：
ＪＩＳ Ｋ６３００に準拠して測定し、結果を下記式で計算した指数で示した。
（各配合のムーニー粘度）×１００／（比較例１のムーニー粘度）
発熱試験：
ＪＩＳ Ｋ６２６５に準拠して温度上昇を測定し、結果を下記式で計算した指数で示した。値が小さいほど好ましい。
（各配合の上昇温度）×１００／（比較例１の上昇温度）
摩耗試験：
ＪＩＳ Ｋ６２６４に準拠してランボーン摩耗試験を行い、結果を下記式で計算した指数で示した。値が大きいほど好ましい。
（比較例１の摩耗量）×１００／（各配合の摩耗量）
加工性評価
押出された延べ長さ約４０ｍのトレッドストリップの外観検査と１０か所でストリップ幅の測定を行い、下記の基準に従って良好（○）、可（△）、不可（×）の判定をした。
○：耳切れの発生がなく、形状が安定し、ストリップ幅のばらつき幅が５％未満のもの、
△：耳切れが発生するも許容範囲内にあり、ストリップ幅のばらつき幅が５％未満のもの
×：許容できない耳切れの発生、またはストリップ幅のばらつき幅が５％以上のもの
転がり抵抗：
米国自動車技術者会規格ＳＡＥ Ｊ１２７０に準じて行ない、結果を下記式で計算した指数で示した。値が小さいほど好ましい。
（各試作タイヤの転がり抵抗）×１００／（比較例１の転がり抵抗）
発熱性：
米国自動車安全基準 ＦＭＶＳＳ１１９に規定する高速耐久試験条件でドラム走行した直後、ベルト上でトレッド厚みが最大になるベルト端位置にサーミスタを挿入して温度を測定し、結果を下記式で計算した指数で示した。値が小さいほど好ましい。
（各試作タイヤ温度）×１００／（比較例１の温度）
耐摩耗性：
トラック１台毎に２種類の試作タイヤを後輪に装着して１０万ｋｍ走行した後、溝深さを測定し、走行前の溝深さとの差から摩耗量を算出し、結果を下記式で計算した指数で示した。値が大きいほど好ましい。
（比較例１の摩耗量）×１００／（各試作タイヤの摩耗量）
耐ティア性：
試作タイヤをトラックの後輪に装着し、溝が摩耗して約１．６ｍｍ深さになるまで走行した後、トレッドをベルトから剥離し、剥離したトレッドの裏面に散在する傷の個々の長さを測定して合計し、結果を下記式で計算した指数で示した。値が大きいほど好ましい。
（比較例１の傷長さ）×１００／（各試作タイヤの傷長さ）
【００１４】
【表１】

【００１５】
実施例の各タイヤは、シリカとカーボンで補強されているが、表面処理された炭カルが添加されていないゴム組成物でトレッドを形成した比較例１、或いはトレッドをシリカが配合されていないゴム組成物で形成した比較例１２と比較して、転がり抵抗、発熱性、耐摩耗性、耐ティア性のいずれにおいても優れている。
【００１６】
比較例２は、（カーボンブラック量）＋０．７５×（シリカ量）を５０より大きくすれば、転がり抵抗が大きくなり、加工性が悪くなることを示し、比較例３は、（カーボンブラック量）＋０．７５×（シリカ量）を３５より小さくすれば、加工性は改良されるが、耐摩耗性の改良効果が低下することを示す。比較例４は、シリカの配合割合を多くして、０．７５×（シリカ量）／（カーボンブラック量）の比を１．０より大きくすれば、発熱は小さくなるが、耐摩耗性が低下し、加工性が悪くなることを示し、比較例５は、シリカの配合割合を少なくして比を０．２より小さくすれば、耐摩耗性及び加工性は改良されるが、発熱の改良効果が現れないことを示す。比較例６は、実施例と対比することによって、（炭酸カルシウム量）／（シリカ量）が０．４０より大きくなれば、耐摩耗性が低下することを明らかにし、比較例７は、（炭酸カルシウム量）／（シリカ量）が０．０５より小さくなれば、炭カルの効果が発現されず、加工性、耐摩耗性が改良されないことを示す。比較例８は、Ｎ_２ ＳＡが１５ｍ^２／ｇより小さい炭カルを使用した場合、発熱は低くなるが、耐摩耗性が改良されないことを示す。比較例９は、表面処理が施されていない炭カルを使用しても、加工性と耐摩耗性が改良されないことを示す。比較例１０は、補強剤として使用したシリカのＮ_２ ＳＡが１５０ｍ^２／ｇより小さい場合、耐摩耗性が低下することを示す。比較例１１は、軟化剤の配合量以外は同じである実施例３と対比することにより、軟化剤の配合量が５部より多くなれば、耐摩耗性が低下することを明らかにする。補強剤としてカーボンのみを４０部配合した比較例１２とカーボン４０部の内の２０部をシリカで置換して、表面処理した炭カルを添加した実施例２の比較から、補強剤としてカーボンとシリカを用い、表面処理した炭カルを添加することにより、転がり抵抗を小さくし、発熱を低くし、耐摩耗性及び耐ティア性を大きくすることができることが判る。
【００１７】
【発明の効果】
上記で詳細に説明したように、補強剤としてシリカとカーボンを用い、表面処理された炭カルを添加したゴム組成物でトレッドを形成することにより、トレッドをキャップ／ベース構造にすることなく、転がり抵抗性、耐摩耗性、低発熱性及び耐ティア性を同時に改良することができる。

Claims (2)

1. 天然ゴムを主ゴム成分にしたゴム成分に補強剤としてカーボンブラック及びシリカが配合されたゴム組成物でトレッドがなるタイヤにおいて、少なくとも天然ゴムが７０重量％占めるゴム成分１００重量部に対し、カーボンブラック及びシリカのそれぞれが下記の（１）式及び（２）式の関係を満足する量（重量部）、軟化剤が０〜５重量部、少なくとも１５ｍ^２／ｇの窒素吸着比表面積を有する表面処理された炭酸カルシウムが下記の（３）式の関係を満足する量（重量部）配合されたゴム組成物でトレッドがなることを特徴にする転がり抵抗の小さいタイヤ。
   （１） ３５≦（カーボンブラック量）＋０．７５×（シリカ量）≦５０
   （２） ０．２≦０．７５×（シリカ量）／（カーボンブラック量）≦１．０
   （３） ０．０５≦（炭酸カルシウム量）／（シリカ量）≦０．４０
2. トレッドを形成する上記ゴム組成物に配合されたカーボンブラックの窒素吸着比表面積が６０〜１５０ｍ^２／ｇ、シリカの窒素吸着比表面積が１５０〜２５０のｍ^２／ｇである請求項１記載の転がり抵抗の小さいタイヤ。