JP4607564B2 - ゴム組成物及びそれを用いた空気入りタイヤ - Google Patents

Description

本発明は、ゴム組成物及び該ゴム組成物を用いた空気入りタイヤに関し、特にタイヤのトレッドに適用することで、タイヤの耐摩耗性を向上させ、転がり抵抗を低減することが可能なゴム組成物に関するものである。

一般に、タイヤのトレッドには、高い耐摩耗性が要求されるため、トレッド用のゴム組成物には、補強性の高い充填剤としてカーボンブラックが配合される。また、使用するカーボンブラックの諸物性を選択することで、タイヤの諸性能を調節することができ、例えば、セチルトリメチルアンモニウムブロマイド（ＣＴＡＢ）吸着比表面積の大きいカーボンブラックを適用することで、カーボンブラックとゴム成分との接触面積を増加させることができ、また、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）吸油量が高いカーボンブラックを適用することで、カーボンブラックとゴム成分との相互作用を増加させることができ、その結果として、ゴム組成物の耐摩耗性を向上させることができる。

一方、近年、省エネルギー、省資源の社会的要請の下、自動車の燃料消費を節約するために、タイヤの転がり抵抗を低減することが求められるようになってきた。これに対して、トレッドに適用するゴム組成物の充填剤として、ＣＴＡＢ吸着比表面積の小さいカーボンブラックを適用して、カーボンブラックとゴム成分との接触面積を低減し、ＤＢＰ吸油量が少ないカーボンブラックを適用して、カーボンブラックとゴム成分との相互作用を低下させることで、タイヤの転がり抵抗を低減することができる。

上述のように、トレッド用ゴム組成物に用いるカーボンブラックの性質を制御してタイヤの特性を制御する場合、耐摩耗性の向上と転がり抵抗の低減とは、二律背反の関係にあり、一般に、耐摩耗性を向上させつつ、転がり抵抗を低減することは困難である。

これに対して、特公平６−４１５４０号公報（特許文献１）には、窒素吸着比表面積（Ｎ₂ＳＡ）、ＤＢＰ吸油量及び凝集体空隙容積が特定の範囲にあるカーボンブラックを適用することで、耐摩耗性及び低発熱性に優れたゴム組成物が得られることが開示されている。

また、特開平３−１４９２３６号公報（特許文献２）には、水銀ポロシメーター法による細孔容積と水銀ポロシメーター法における細孔分布の最大ピークを占める細孔の容積とが特定の範囲にあるカーボンブラックを適用することで、補強性及び低発熱性が改善されたゴム組成物が得られることが開示されている。

特公平６−４１５４０号公報 特開平３−１４９２３６号公報

しかしながら、特公平６−４１５４０号公報及び特開平３−１４９２３６号公報に開示の技術をもってしても、耐摩耗性と転がり抵抗とを高度にバランスすることは難しく、依然として改善の余地があった。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題を解決し、タイヤの耐摩耗性を向上させると同時に、タイヤの転がり抵抗を低減することが可能なゴム組成物を提供することにある。また、本発明の他の目的は、かかるゴム組成物を用いた耐摩耗性に優れ、転がり抵抗が低い空気入りタイヤを提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、タイヤのトレッド用ゴム組成物に、細孔容積が大きく、窒素吸着等温線から算出した細孔容積とＣＴＡＢ吸着比表面積とが特定の関係式を満たすカーボンブラックを充填剤として使用することで、タイヤの耐摩耗性を向上させつつ、転がり抵抗を低減できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明のゴム組成物は、ジエン系ゴムを含むゴム成分100質量部に対して、ＣＴＡＢ吸着比表面積が75〜150 m ² /gで、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）吸油量が140〜220 mL/100gで、且つ窒素吸着等温線から算出した細孔容積とセチルトリメチルアンモニウムブロマイド（ＣＴＡＢ）吸着比表面積とが下記式(I)：
Ｙ ＞ 0.0071 × Ｘ ＋ 0.03 ・・・ (I)
［式中、Ｙは窒素吸着等温線から算出した細孔容積（cc/g）であり、ＸはＣＴＡＢ吸着比表面積（m²/g）である］の関係を満たすカーボンブラックを10〜100質量部配合してなることを特徴とする。ここで、カーボンブラックの細孔容積は、乾燥後のカーボンブラックに対し77Ｋで窒素吸着等温線を測定し、該窒素吸着等温線から算出した値であり、また、カーボンブラックのＣＴＡＢ吸着比表面積は、ＩＳＯ６８１０法に準拠して測定された値である。

本発明のゴム組成物において、前記カーボンブラックは、ＣＴＡＢ吸着比表面積が75〜150 m²/gで且つジブチルフタレート（ＤＢＰ）吸油量が140〜220 mL/100gである。この場合、ゴム組成物の加工性を悪化させることなく、該ゴム組成物を用いたタイヤの耐摩耗性を大幅に向上させることができ、また、タイヤの転がり抵抗の悪化も防止できる。

本発明のゴム組成物においては、前記ゴム成分が前記ジエン系ゴムを10質量％以上含むことが好ましく、また、前記カーボンブラックの配合量が前記ゴム成分100質量部に対して10〜100質量部である。

また、本発明の空気入りタイヤは、上記ゴム組成物をタイヤ部材のいずれかに適用したことを特徴とする。ここで、前記タイヤ部材がトレッドであることが好ましい。

本発明によれば、窒素吸着等温線から算出した細孔容積とＣＴＡＢ吸着比表面積とが特定の関係式を満たすカーボンブラックを充填剤として使用することで、タイヤの耐摩耗性を向上させつつ、転がり抵抗を低減することが可能なゴム組成物を提供することができる。また、かかるゴム組成物を用いた、耐摩耗性に優れ、転がり抵抗が低い空気入りタイヤを提供することができる。

以下に、本発明を詳細に説明する。本発明のゴム組成物は、ジエン系ゴムを含むゴム成分100質量部に対して、ＣＴＡＢ吸着比表面積が75〜150 m ² /gで、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）吸油量が140〜220 mL/100gで、且つ窒素吸着等温線から算出した細孔容積とセチルトリメチルアンモニウムブロマイド（ＣＴＡＢ）吸着比表面積とが絶対値として下記式(I)：
Ｙ ＞ 0.0071 × Ｘ ＋ 0.03 ・・・ (I)
［式中、Ｙは窒素吸着等温線から算出した細孔容積（cc/g）であり、ＸはＣＴＡＢ吸着比表面積（m²/g）である］の関係を満たすカーボンブラックを10〜100質量部配合してなる。

一般に、カーボンブラックの粒径を小さくすることで、カーボンブラックの粒子間の容積が増加して、カーボンブラックとゴム成分との接触面積が増加するため、微粒径のカーボンブラックを適用することで、ゴム組成物の耐摩耗性を向上させることができる。しかしながら、該微粒径のカーボンブラックは、ゴム成分との接触面積が大きいため、該微粒径のカーボンブラックを配合したゴム組成物をタイヤに適用すると、タイヤの転がり抵抗が上昇してしまう。そのため、微粒径のカーボンブラックを用いたのでは、耐摩耗性と転がり抵抗を同時に改善することができない。これに対して、本発明では、同等の粒子径を有するカーボンブラックにおいて、窒素吸着等温線から算出した細孔容積を増加させることで、カーボンブラックの細孔内に拘束されるゴム成分の量を増加させて、耐摩耗性を向上させる。また、驚くべきことに、同等の粒子径を有するカーボンブラックにおいて、窒素吸着等温線から算出した細孔容積を増加させても、タイヤの転がり抵抗を上昇させることがなかった。

なお、従来、カーボンブラックの細孔容積は、水銀圧入法で測定されており、水銀圧入法による測定値はメソ細孔（0.05〜0.002μm）からマクロ細孔（0.05μm以上）の容積であるため、該細孔容積は、カーボンブラックの粒子間の細孔容積を求めたものである。これに対し、本発明では、カーボンブラックの細孔容積を窒素吸着等温線から算出し、その測定値はミクロ細孔（2nm以下）からメソ細孔（0.05〜0.002μm）の容積であるため、窒素吸着等温線から算出した細孔容積は、カーボンブラックの一次粒子自身の細孔容積を求めたものである。上述のように、本発明では、カーボンブラックの細孔内に拘束されるゴム成分の量を増加させて、耐摩耗性を向上させるため、窒素吸着等温線から算出した細孔容積Ｙが式(I)の関係を満たすカーボンブラックを用いる。また、式(I)中のＣＴＡＢ吸着比表面積Ｘは、カーボンブラックの微細孔を含まない外部表面積を測定した値であるため、式(I)の関係を満たすカーボンブラックは、通常のカーボンブラックよりも細孔容積が大きく、細孔内に拘束するゴム成分の量が多く、ゴム組成物の耐摩耗性を向上させる効果が大きい。

上記カーボンブラックは、ＣＴＡＢ吸着比表面積が75〜150 m²/gであり、80〜140 m²/gであることが好ましい。ＣＴＡＢ吸着比表面積が75 m²/g未満のカーボンブラックを用いると、ゴム組成物の耐摩耗性が大幅に悪化し、一方、ＣＴＡＢ吸着比表面積が150 m²/gを超えるカーボンブラックを配合したゴム組成物をタイヤに用いると、タイヤの転がり抵抗が大幅に悪化する上、カーボンブラックの粒径が小さ過ぎるため、カーボンブラックのゴム成分への分散性が低下し、耐摩耗性を十分に向上させることができない。ここで、ＣＴＡＢ吸着比表面積が80〜140 m²/gのカーボンブラックを用いることで、転がり抵抗の悪化を防止しつつ、耐摩耗性を大幅に向上させることができる。

また、上記カーボンブラックは、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）吸油量が140〜220 mL/100gであり、145〜200 mL/100gであることが好ましく、150〜195 mL/100gであることがより一層好ましい。ＤＢＰ吸油量が140 mL/100g未満のカーボンブラックを用いると、ゴム組成物の耐摩耗性が悪化し、一方、ＤＢＰ吸油量が220 mL/100gを超えるカーボンブラックを用いると、ゴム組成物の加工性が悪化する。

上記カーボンブラックの配合量は、後述するゴム成分100質量部に対して10〜100質量部の範囲である。上記カーボンブラックの配合量がゴム成分100質量部に対して10質量部未満では、ゴム組成物の耐摩耗性が低下することがあり、100質量部を超えると、ゴム組成物の低発熱性が低下して、該ゴム組成物を用いたタイヤの転がり抵抗が上昇し、低燃費性が悪化することがある。

上記諸物性を有するカーボンブラックは、例えば、カーボンブラック製造炉における空気導入条件、原料油導入条件、並びに反応停止のために導入する水の導入位置、導入量及びその後の温度等を調整することで製造できる。

本発明のゴム組成物のゴム成分は、少なくともジエン系ゴムを含むことを要し、該ジエン系ゴムを10質量％以上含むことが好ましい。ここで、ジエン系ゴムとしては、天然ゴム（ＮＲ）の他、ポリイソプレンゴム（ＩＲ）、スチレン・ブタジエン共重合体ゴム（ＳＢＲ）、ポリブタジエンゴム（ＢＲ）等のジエン系合成ゴムが挙げられる。なお、これらゴム成分は、１種単独で用いてもよいし、２種以上のブレンドとして用いてもよい。

本発明のゴム組成物には、上記カーボンブラックの他に、老化防止剤、加硫剤、加硫促進剤、酸化亜鉛、ステアリン酸等のゴム業界で通常使用される配合剤を、本発明の目的を害しない範囲内で適宜選択して配合することができる。これら配合剤としては、市販品を好適に使用することができる。また、上記ゴム組成物は、ゴム成分に対し、カーボンブラックと、適宜選択した各種配合剤とを配合して、混練り、熱入れ、押出等することにより製造することができる。

本発明の空気入りタイヤは、上記ゴム組成物をタイヤ部材のいずれかに適用したことを特徴とする。ここで、本発明のタイヤにおいては、上記ゴム組成物をトレッドに用いることが特に好ましく、上記ゴム組成物をトレッドに用いたタイヤは、耐摩耗性に優れる上、転がり抵抗が低く、低燃費性に優れる。なお、本発明のタイヤに充填する気体としては、通常の或いは酸素分圧を変えた空気、又は窒素等の不活性ガスが挙げられる。

以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。

＜カーボンブラックの製造例＞
表１に示す条件でカーボンブラックをそれぞれ製造した。

上記カーボンブラックを用い、バンバリーミキサーで混練して、表２に示す配合処方のゴム組成物を調製した。また、各ゴム組成物に使用したカーボンブラックのＣＴＡＢ吸着比表面積、ＤＢＰ吸油量及び細孔容積を下記の方法で測定した。結果を表１及び表３に示す。

（１）ＣＴＡＢ吸着比表面積
ＩＳＯ６８１０法に準拠して、各カーボンブラックの単位質量当りの比表面積（m²/g）を測定した。

（２）ＤＢＰ吸油量
ＩＳＯ４６５６−１法に準拠して、各カーボンブラックの100g当りのジブチルフタレート（ＤＢＰ）吸収量（mL）を測定した。

（３）細孔容積
200mgのカーボンブラックを2時間真空乾燥後、77Ｋ（-196℃）の下（Ｎ₂相対圧＝0.995）で窒素吸着等温線を測定し、該窒素吸着等温線から細孔容積を算出した。

*1 詳細を表３に示す。
*2 Ｎ-ｔ-ブチル-２-ベンゾチアゾリルスルフェンアミド.

次に、得られたゴム組成物をトレッドに用いて、サイズ１１Ｒ２２.５のトラック用タイヤを試作し、下記の方法で該タイヤの耐摩耗性及び転がり抵抗を評価した。結果を表３に示す。

（４）タイヤの耐摩耗性
上記トラック用タイヤを車両に装着し、4万km走行した時点でのタイヤの溝の減量を測定し、従来例のタイヤの溝減量の逆数を100として指数表示した。指数値が大きい程、耐摩耗性に優れることを示す。

（５）タイヤの転がり抵抗
上記トラック用タイヤをドラム上でフリー回転させ、転がり抵抗を測定した。また、得られた転がり抵抗値を、次式：
転がり抵抗指数＝対象タイヤの転がり抵抗／従来例タイヤの転がり抵抗×100
に従って指数表示した。指数値が小さい程、転がり抵抗が小さく、良好であることを示す。

比較例２で用いたカーボンブラックは、実施例２で用いたカーボンブラックとＣＴＡＢ吸着比表面積及びＤＢＰ吸油量がほぼ同等であるが、上記式(I)の関係式を満たさないため、比較例２のタイヤは、実施例２のタイヤに比べ、耐摩耗性が悪化していた。

また、比較例３で用いたカーボンブラックは、実施例３で用いたカーボンブラックとＣＴＡＢ吸着比表面積がほぼ同等であるが、ＤＢＰ吸油量が小さ過ぎる上、上記式(I)の関係式を満たさないため、比較例３のタイヤは、実施例３のタイヤに比べ、耐摩耗性が大幅に悪化していた。

なお、比較例１で用いたカーボンブラックは、実施例１で用いたカーボンブラックとＤＢＰ吸油量がほぼ同等であるものの、ＣＴＡＢ吸着比表面積が小さ過ぎるため、比較例１のタイヤは、実施例１のタイヤに比べ、耐摩耗性が悪化していた。

Claims (4)

1. ジエン系ゴムを含むゴム成分100質量部に対して、
   ＣＴＡＢ吸着比表面積が75〜150 m ² /gで、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）吸油量が140〜220 mL/100gで、且つ窒素吸着等温線から算出した細孔容積とセチルトリメチルアンモニウムブロマイド（ＣＴＡＢ）吸着比表面積とが下記式(I)：
   Ｙ ＞ 0.0071 × Ｘ ＋ 0.03 ・・・ (I)
   ［式中、Ｙは窒素吸着等温線から算出した細孔容積（cc/g）であり、ＸはＣＴＡＢ吸着比表面積（m²/g）である］の関係を満たすカーボンブラックを10〜100質量部配合してなるゴム組成物。
2. 前記ゴム成分が前記ジエン系ゴムを10質量％以上含むことを特徴とする請求項１に記載のゴム組成物。
3. 請求項１又は２に記載のゴム組成物をタイヤ部材のいずれかに適用した空気入りタイヤ。
4. 前記タイヤ部材がトレッドであることを特徴とする請求項３に記載の空気入りタイヤ。