JP4112802B2 - タイヤトレッド用ゴム組成物 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゴムに配合して耐摩耗性、発熱性及び湿潤路面での制動性あるいはグリップ力（ウエットグリップ）をバランスよく改良することのできるタイヤトレッドなどとして好適なゴム組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゴム補強用のカーボンブラックには、具備特性に応じた多様の品種があり、これらの品種特性がゴムに配合した組成物の諸性能を決定付けるための主要な因子となる。このため、通常ゴムへの配合に当たっては、部材用途に適合する品種特性のカーボンブラックを選定使用する手段が慣用されている。
【０００３】
例えば、タイヤトレッド部のような高度の耐摩耗性が要求されるゴム部材には従来から、ＳＡＦ（Ｎ１１０）、ＩＳＡＦ（Ｎ２２０）などの粒子径が小さく、比表面積が大きい、高ストラクチャーのハード系カーボンブラックが使用されている。しかしながら、これらのカーボンブラックを配合したゴム組成物は高度の補強性、耐摩耗性が付与される反面、発熱特性が増大し、反発弾性が低下する欠点がある。
【０００４】
また、近年、省資源、省エネルギーの社会的要求に対応するため低燃費タイヤの開発要請が強く、低燃費タイヤとして好適な低発熱性で高反発弾性のゴム組成物の開発が盛んに行われている。一般に、ゴム組成物に低発熱性および高反発弾性のゴム特性を付与するためには、ゴム成分に配合するカーボンブラック特性として粒子径が大きく、比表面積の小さいカーボンブラックが有効である。
【０００５】
したがって、低燃費タイヤトレッド用として好適な、高度の耐摩耗性を備えるとともに、発熱特性が低く、反発弾性の高いゴム組成物を得ることは、要求されるカーボンブラック特性が逆方向となり、背反関係にあるため、カーボンブラックの基本特性を単純に組み合わせるのみでは達成困難である。
【０００６】
そこで、従来からゴム補強用のカーボンブラックの基本特性として重視されてきた粒子径、比表面積、ストラクチャーなどの特性要素に加えて、カーボンブラックのコロイダル特性をよりミクロに評価し、特定の選択的特性を備えるカーボンブラックをゴム成分に配合することにより補強性、耐摩耗性、発熱特性、反発弾性などのゴム特性を改善する技術が数多く開発、提案されている（例えば、特開平３−50249 号公報、同３−121165号公報、同４−209640号公報など) 。
【０００７】
一方、自動車の安全走行性の面から、低燃費性能に加えて、湿潤路面における制動性能が重視され、低燃費タイヤトレッド用として好適な、高耐摩耗性、低発熱性、高反発弾性などのゴム特性に加えて、湿潤路面における制動性（ウエットグリップ）に優れたゴム組成物に対する要求が強い。
【０００８】
一般にシリカをカーボンブラックと併用してゴム成分に配合することにより、ウエットグリップを改善できることは知られており、例えば、特開平８−２２５６８４号公報には特定のゴム成分１００重量部に対して、シリカが２５〜９０重量部、カーボンブラックが５〜９０重量部、配合されたゴム組成物が、特開平９−１７６３８４号公報にはゴム成分１００重量部に対して、シリカとカーボンブラックとを合わせて４０〜１００重量部を含み、シリカとカーボンブラックの総量に対するシリカの割合が２０〜８０重量％で、かつシランカップリング剤をシリカ量の５〜２０重量％含んでいるゴム組成物よりなり、カーボンブラックの窒素吸着比表面積(N₂SA)が５０〜１５０m²/g、ＤＢＰ吸油量が１００〜２００cc/100g でありＤＢＰとＮ₂ ＳＡが、ＤＢＰ＞−Ｎ₂ ＳＡ＋２３０の関係を満たす、空気入りタイヤが開示されている。
【０００９】
しかしながら、シリカはシリカ−シリカ間の相互作用が強く、ゴムポリマー中で凝集し易いためゴム成分に均質に分散させることが難しく、耐摩耗性などのゴム特性を低下させる問題がある。
【００１０】
そこで、特開平１０−２５４２８号公報にはカーボンブラックの製造工程において、カーボンブラック反応炉内で、珪酸金属塩とカーボンブラックとを接触させて表面処理されたカーボンブラックをゴム成分に配合してなるゴム組成物が提案されており、これはカーボンブラック表面にシラノール基を導入して表面処理することによりこれらの問題点の解消を図るものである。
【００１１】
また、本出願人は窒素吸着比表面積(N₂SA)が７０〜１６０m²/g、24Ｍ４ＤＢＰ吸油量が５０〜１２０ml/100g の範囲にあり、酸化処理によりヒドロキシル基が２００μeq/g以上、カルボキシル基が２００μeq/g以上、キノン基が１００μeq/g以下の表面官能基を有するカーボンブラック５〜４５重量部、２５０〜４５０℃の温度で加熱処理したシリカ５〜４５重量部、及びシランカップリング剤をシリカの２〜１２重量％、の割合で配合してなるゴム組成物（特開平10−338771号公報）を開発した。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらとは別異の観点からカーボンブラックのコロイダル特性を選択、組合せることにより、配合ゴムにバランス良く耐摩耗性、発熱性及びウエットグリップを付与できることを見出して開発に至ったもので、その目的は特定の選択的特性を備えたカーボンブラックを無機補強材及びシランカップリング剤とともにジエン系ゴム成分に配合することにより、配合ゴムの耐摩耗性、発熱性及びウエットグリップをバランスよく改良したタイヤトレッドなどとして好適なゴム組成物を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明のタイヤトレッド用ゴム組成物は、ジエン系ゴム成分１００重量部に対して、下記 (1) 、 (2) 、 (3) 、 (4) 式の関係を充足するカーボンブラックを２０〜２００重量部、無機補強材を２０〜２００重量部、及び、シランカップリング剤を無機補強材に対して３〜２０重量％、の割合で配合してなり、０℃における損失係数（０℃ tan δ）と６０℃における損失係数（６０℃ tan δ）の比Ｃ〔＝ ( ０℃ tan δ ) ／ ( ６０℃ tan δ ) 〕の値が下記 (5) 式の関係を満たすことを構成上の特徴とする。
１．０≦Ｎ _２ ＳＡ／ＩＡ≦１．２５ … (1) 、 １２５≦ＤＢＰ … (2)
Ｎ _２ ＳＡ＋７×ｄｎ＜２５０ … (3) 、 ５≦Ｔ int −Ｂ … (4)
Ｃ≧（Ｍ 300 ×０．１＋２．３４） … (5)
但し、Ｎ_２ＳＡは窒素吸着比表面積(m^２/g)、ＩＡはよう素吸着量(mg/g)、ＤＢＰはＤＢＰ（フタル酸ジブチル）吸収量(cm^３/g)、ｄｎは電子顕微鏡平均粒子径(nm)、Ｔintは比着色力(％)、Ｂはブラックネス(％)、Ｍ300は３００％伸張時の引張応力(MPa)である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のタイヤトレッド用ゴム組成物に配合するカーボンブラックは、そのコロイダル特性として下記(1)〜(4)式の関係を充足することが必要である。
１．０≦Ｎ_２ＳＡ／ＩＡ≦１．２５ …(1)、 １２５≦ＤＢＰ …(2)
Ｎ_２ＳＡ＋７×ｄｎ＜２５０ …(3)、 ５≦Ｔint−Ｂ …(4)
【００１７】
すなわち、これらの選択的特性を備えていない場合には、配合ゴムに高度の耐摩耗性と低い発熱性とを付与することが困難となる。例えば、Ｎ₂ ＳＡ／ＩＡが１未満の時は充分な低発熱性が得られず、また１．２５より大きい場合はゴム中への分散性が低下し、充分な耐摩耗性が得られず、ＤＢＰが１２５未満では発熱性と耐摩耗性の高度のバランス化が達成されない。
【００１８】
なお、これらのカーボンブラック特性は下記の方法によって測定される。
▲１▼窒素吸着比表面積(N₂SA)；
ＡＳＴＭ Ｄ４８２０−９３に準拠して測定。
▲２▼よう素吸着量(IA)；
ＪＩＳ Ｋ６２１７−９７「ゴム用カーボンブラックの基本性能の試験方法」６．１項による。
▲３▼ＤＢＰ吸収量(DBP) ；
ＪＩＳ Ｋ６２１７−９７「ゴム用カーボンブラックの基本性能の試験方法」９．１．(1) 項による。
▲４▼比着色力(Tint)；
ＪＩＳ Ｋ６２１７−９７「ゴム用カーボンブラックの基本性能の試験方法」１１．６．６．(1) 項に従い、対比試料にＩＲＢ＃３を用いる。
【００１９】
▲５▼電子顕微鏡平均粒子径(dn)；
カーボンブラック試料を超音波洗浄機により周波数２８kHz で３０秒間クロロホルムに分散させたのち、分散試料をカーボン支持膜に固定する（例えば「粉体物性図説」( 粉体工学研究会他編) p68(c)" 水面膜法" に記載されている）。これを電子顕微鏡で直接倍率 20000倍、総合倍率8000〜100000倍に撮影し、得られた写真からランダムに1000個のカーボンブラック粒子の直径を計測し、3nm ごとに区分して作成したヒストグラムから算術平均粒子直径を求める。
【００２０】
▲６▼ブラックネス (B)；
粒度１４９μm 以下の乾燥カーボンブラック試料０．５００g を採取し、ガラス板上でアマニ油を滴下しながら充分に練り合わせたのち、フーバーマラーに移し、フーバーマラー上で１５ポンドの荷重で２５回転の練りを５回繰り返し行ってペーストを調製する。このペーストの少量をガラス板上に載せ、ドクターブレードを用いて薄膜を形成させる。予め基準試料ＩＲＢ＃２について同様に形成した薄膜上にデンシクロン反射計（Sargent Welch Scientific社製）のヘッドを置いて５０％に設定し、ヘッドを少なくとも３ヶ所移動させたときのメーター値が４９．５〜５０．５％になることを確認する。次いで、カーボンブラック試料の薄膜上にヘッドを置いて５ヶ所の値を読み取り、その平均値をＴとして、下記式によりブラックネス（Ｂ）の値を算出する。
Ｂ（％）＝（５０／Ｔ）×１００
【００２１】
これらの選択的特性を備えたカーボンブラックを、無機補強材及びシランカップリング剤とともにジエン系ゴム成分に配合することにより、配合ゴムの耐摩耗性、発熱性及びウエットグリップがバランスよく改良され、タイヤトレッドとして好適なゴム組成物が得られる。
【００２２】
すなわち、本発明のゴム組成物は、ジエン系ゴム成分１００重量部に対して、上記の選択的特性を備えたカーボンブラックを２０〜２００重量部、無機補強材を２０〜２００重量部、及びシランカップリング剤を無機補強材に対して３〜２０重量％、の割合で配合してなることを特徴とする。
【００２３】
ゴム成分としては、例えば、天然ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ポリブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブチルゴム、クロロプレンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体ゴムなどのジエン系ゴムが用いられる。これらのゴム成分１００重量部に対して、カーボンブラックを２０〜２００重量部の割合で配合する。カーボンブラックの配合割合が２０重量部未満では充分な補強効果が得られず、耐摩耗性が低位となる。しかし、２００重量部を越えるとゴム成分への配合混練時に粘度が上昇して均一なゴム組成物を調製することが難しく、また発熱性が増大することになる。
【００２４】
本発明のゴム組成物には、カーボンブラックとともに無機補強材が、ゴム成分１００重量部に対して２０〜２００重量部の割合で配合される。カーボンブラックと併用する無機補強材には、例えば、乾式法シリカ、湿式法シリカ（含水ケイ酸、沈降シリカ）、水酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、クレー、水酸化マグネシウム、タルク、マイカおよびこれらとカーボンブラックの複合物などが、１種類もしくは２種類以上を組み合わせて用いることができるが、好ましくは湿式法シリカが使用される。無機補強材、例えばシリカの配合量が２０重量部未満では、湿潤路面における制動性の改良が不充分となり、一方２００重量部を越えるとゴム成分中への分散が極端に悪くなり、更に耐摩耗性の低下や発熱性の増大が生じるためである。
【００２５】
更に、無機補強材のゴム中への分散性およびゴムへの補強性を向上させるために、シランカップリング剤がシリカなどの無機補強材に対して３〜２０重量％の割合で配合される。シランカップリング剤の配合割合が３重量％を下回るとカップリング効果が小さいためにゴム補強効果が低く、また２０重量％を越える配合割合ではゴム中への分散性およびゴムへの補強性の効果が頭打ちとなりコスト高となるためである。なお、シランカップリング剤には特に制限はなく、例えばスルフィド化合物、メルカプトシラン化合物、ビニルシラン化合物、アミノシラン化合物、グリシドキシシラン化合物などが用いられる。
【００２６】
一般に、ウエットグリップは低温域における損失係数(tanδ) と密接な関係にあることが知られており、低温域の tanδの値が大きいほどウエットグリップの性能向上には有利である。そこで、本発明のゴム組成物においては、０℃における損失係数(0℃ tanδ) と６０℃における損失係数 (60℃ tanδ) との比Ｃを定義し、Ｃ〔＝(0℃ tanδ) ／ (60℃ tanδ) 〕の値が、３００％伸張時の引張応力Ｍ300 と、Ｃ≧（Ｍ300 ×０．１＋２．３４）の関係を満足させることにより高位の耐摩耗性を維持しつつ、ウエットグリップの向上、発熱性のより一層の低減化を図ることが可能となる。
【００２７】
本発明のゴム組成物は、上記のカーボンブラック、無機補強材、及びシランカップリング剤に、常用される加硫剤、加硫促進剤、老化防止剤、加硫助剤、軟化剤、可塑剤などの必要成分とともにゴム成分中に混練、配合することにより得られる。
【００２８】
なお、本発明のカーボンブラックは、炉頭部に接線方向の空気供給口と炉軸方向に装着された燃焼バーナおよび原料油噴射ノズルを有する燃焼室と、該燃焼室と同軸的に連設された狭径反応室、引き続く反応停止用の冷却水噴霧ノズルを備えた広径反応室とから構成した構造のオイルファーネス炉を用い、燃焼条件、原料油の供給量、炉内滞留時間などの各発生条件を適宜に制御することによって製造される。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。
【００３０】
実施例１〜４、比較例１〜５
(1)カーボンブラックの製造
炉頭部に接線方向空気供給口と炉軸方向に装着された燃焼バーナおよび原料油噴射ノズルを備える燃焼室（内径400mm 、長さ500mm ）を設け、該燃焼室と同軸的に連結する狭径反応室（内径180mm 、長さ1500mm）及びこれに引き続く反応停止用の冷却水噴霧ノズルを備えた広径反応室（内径300mm ）とから構成されたオイルファーネス炉を用い、発生条件を変えて特性の異なるカーボンブラックを製造した。得られたカーボンブラックの特性を表１に、また参考例として市販品を表２に示した。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【表２】

【００３３】
(2)ゴム組成物の作製
表１、２のカーボンブラックを、表３に示す配合割合でゴム成分に配合し、配合物を１６０℃の温度で加硫して、ゴム組成物を作製した。
【００３４】
【表３】

注） *2 日本シリカ工業（株）製 Nipsil AQ
*3 デグサ社製 Si-69
*4 無水ケイ酸に対する重量％
【００３５】
(3)ゴム特性試験
作製した各ゴム組成物について、下記の方法により損失係数(tanδ) 、ランボーン摩耗量及び引張応力を測定し、得られた結果を表４（実施例）、表５（比較例）、表６（参考例）に示した。
【００３６】
▲１▼損失係数(tanδ) ：
ヴィスコ・エラスティック・スペクトロメータ〔（株）岩本製作所製〕を用いて、下記の条件で測定した。なお、０℃の tanδは大きいほど湿潤路面における制動性（ウエットグリップ）に優れ、６０℃の tanδは小さいほど発熱性が低いことを示している。
試験片；厚さ２mm、長さ３５mm、幅５mm
周波数；５０Ｈｚ
動的歪率；１．２％
測定温度；０℃、及び、６０℃
【００３７】
▲２▼摩耗量：
ランボーン摩耗試験機（機械式スリップ機構）を用いて、下記の条件で測定した。なお、摩耗量が少ないほど耐摩耗性に優れていることを示している。
試験片；厚さ１０mm、外径４４mm
エメリーホイール；ＧＣタイプ、粒度 #８０、硬度Ｈ
添加カーボランダム粉；粒度 #８０、添加量 ９g/min.
エメリーホイール面と試験片の相対スリップ率；２４％、６０％
試験片回転数；５３５rpm
試験荷重；４kg
【００３８】
▲３▼引張応力：
（株）東洋精機製作所製（ストログラフＡＲ）を用い、試験片；ＪＩＳ３号、引張速度５００±２５mm／分の条件で測定した。
【００３９】
【表４】

【００４０】
【表５】

【００４１】
【表６】

【００４２】
表１〜６より、本発明の選択的特性要件の全てを満たす実施例１〜４のカーボンブラックを無機補強材及びシランカップリング剤とともにジエン系ゴム成分に配合したゴム組成物は、少なくともいずれか１つの特性要件が外れたカーボンブラックを配合した比較例１〜５、及び、参考例１〜３のゴム組成物に比べて、０℃のtanδが大きく、また６０℃のtanδが小さく、Ｃ値が相対的に低位にあり、更にＣ値≧Ｍ300×０．１＋２．３４の関係にあって、ウエットグリップが向上していることが認められ、発熱性も改善されていることが判る。また、ランボーン摩耗量も少なく、耐摩耗性が高位にあることも判る。
【００４３】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、特定の選択的特性を備えたカーボンブラックをシリカなどの無機補強材及びシランカップリング剤と併用してジエン系ゴム成分に配合することにより、耐摩耗性、発熱性、ウエットグリップをバランス良く改良することができ、安全性に優れた省燃費タイヤトレッドなどとして好適なゴム組成物を提供することが可能となる。

Claims (1)

1. ジエン系ゴム成分１００重量部に対して、下記 (1) 、 (2) 、 (3) 、 (4) 式の関係を充足するカーボンブラックを２０〜２００重量部、無機補強材を２０〜２００重量部、及び、シランカップリング剤を無機補強材に対して３〜２０重量％、の割合で配合してなり、０℃における損失係数（０℃ tan δ）と６０℃における損失係数（６０℃ tan δ）の比Ｃ〔＝ ( ０℃ tan δ ) ／ ( ６０℃ tan δ ) 〕の値が下記 (5) 式の関係を満たすことを特徴とするタイヤトレッド用ゴム組成物。
   １．０≦Ｎ _２ ＳＡ／ＩＡ≦１．２５ … (1) 、 １２５≦ＤＢＰ … (2)
   Ｎ _２ ＳＡ＋７×ｄｎ＜２５０ … (3) 、 ５≦Ｔ int −Ｂ … (4)
   Ｃ≧（Ｍ 300 ×０．１＋２．３４） … (5)
   但し、Ｎ_２ＳＡは窒素吸着比表面積(m^２/g)、ＩＡはよう素吸着量(mg/g)、ＤＢＰはＤＢＰ（フタル酸ジブチル）吸収量(cm^３/g)、ｄｎは電子顕微鏡平均粒子径(nm)、Ｔintは比着色力(％)、Ｂはブラックネス(％)、Ｍ300は３００％伸張時の引張応力(MPa)である。