JP4627886B2

JP4627886B2 - 複合強化ゴム材および空気入りタイヤ

Info

Publication number: JP4627886B2
Application number: JP2001002121A
Authority: JP
Inventors: 憲史郎加藤; 好秀河野
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2001-01-10
Filing date: 2001-01-10
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2021-01-10
Also published as: JP2002205511A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ゴムマトリックスをコードで補強した複合強化ゴム材およびこれをべルトに適用した空気入りタイヤに関し、特に、複合強化ゴム材の、コード長手方向における剪断剛性を高めると共に、コードとゴムマトリックスとの剥離を抑制することにより、これを空気入りタイヤのベルトに適用した場合に、空気入りタイヤの周方向の剪断剛性を高めて、空気入りタイヤの耐久性を向上させ、省資源化に寄与する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ゴムホース、コンベヤベルトおよび空気入りタイヤ等のゴム製品は、応力等による耐久性の低下を防止するために、一般には、ゴムマトリックスをコード等で補強した複合体を適用してなる。
例えば、空気入りタイヤは、１対のビード部間に配置されたトロイド状のカーカスのクラウン部の周囲を、補強コードを埋設してなるリボン状のゴム材を、そのコードがタイヤの周方向に沿う配置の下、螺旋状に巻回してベルトを形成し、カーカスを補強している。前記リボン状のゴム材は、１本または複数本のフィラメントからなるコードを、これより弾性率の低いゴム等の高分子材料で個々に被覆したものを並置配列して構成される。
【０００３】
上記の構造のベルトにより、タイヤの転動に伴うショルダー部の迫り出しや歪みの集中を抑制して、ベルト端部における摩耗やセパレーション故障等を回避している。
なかでも、コードを波形またはジグザグ形にくせ付けしたコードをゴムでコーティングしたゴム材を巻回してなるベルト層（特開平０２−２４１８０２号、特開平０２−１４１３０４号、特開平０３−１４３７０４号、特開平０２−１６７７３６号、特開平０３−１５７２０４号等の公報参照）は、偏平のタイヤ（特に偏平比が６０％以下の偏平タイヤ）や、あるいは［使用荷重］対［タイヤ内部の空気体積と空気圧との積］の比が高いタイヤなどベルトに生ずる歪や温度が急激に上昇し易いタイヤにおいて有効な手段である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような波形等にくせ付けしたコードを埋設したリボン状のゴム材を、タイヤの周方向に螺旋巻きして形成したベルト層には、以下のような不都合がある。
すなわち、真直のコードを埋設したゴム材をタイヤの周方向に螺旋巻きした場合に比べて、タイヤ周方向の剛性がやや低下するため、タイヤの踏み込みと蹴り出し時に、ショルダー部（特に低偏平比のタイヤのショルダー部）に逆方向の大きな剪断変形が生じる。このため、ショルダー部と路面との間で滑りが生じ、ショルダー部において早期摩耗が生じ、その結果、タイヤの耐久性が低下する。
上記不都合を解消するためには、コードのコーティングゴムをより高弾性率のものにすることが考えられるが、コードとコーティングゴムとの間には、上記のように剪断変形により大きな応力がかかるため、これを緩和して、界面剥離を抑制することも、タイヤの耐久性を高める上で重要である。
そこで、本発明は、複合強化ゴム材の剪断剛性を高めつつ、コードと被覆ゴムとの間の剥離応力を緩和して、耐久性の向上を図ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の複合強化ゴム材は以下の構成とする。
（１）ゴムマトリックスを少なくとも１本の波形コードで補強した複合強化ゴム材であって、前記ゴムマトリックスが前記波形コードを直接被覆する第１ゴム層と前記第１ゴム層の全周を被覆する第２ゴム層とからなり、前記第２ゴム層が前記第１ゴム層よりも高い剪断弾性率を有することを特徴とする。
なお、「波形コード」とは、ジグザグに折れ曲がった形状をも含む。
（２）第１ゴム層で個々に被覆された２本以上の前記波形コードが並置配列されて帯状体を形成していることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の空気入りタイヤは以下の構成とする。
（３）１対のビード部間にわたってトロイド状に延びるカーカスを骨格とし、このカーカスの径方向外側に少なくとも１層のベルトを具えてなる空気入りタイヤにおいて、前記ベルトの少なくとも１層に、前記各複合強化ゴム材を、そのコードが前記タイヤの周方向に沿う配置にて適用してなることを特徴とする。
（４）前記複合強化ゴム材を適用したベルト層のうち少なくとも１層は、そのタイヤの幅方向断面における幅がタイヤの断面幅の５５％以上であることを特徴とする。
（５）前記複合強化ゴム材を適用したベルト層は、そのコードのタイヤの赤道に対する傾斜角度が−５〜＋５度の範囲であることを特徴とする。
【０００８】
（６）タイヤの偏平比が７０％以下であることを特徴とする。
なお、上記各構成に対して付加的に、第１ゴム層と第２ゴム層間に緩衝層を介挿してもよい。緩衝層を設けることにより、さらにコード周囲の歪みの勾配が緩やかになり、耐久性が高くなる。
なお、各ゴム層を構成する材料は、好ましくはゴム組成物であるが、広くゴム状弾性体を包含し、必ずしも天然ゴムや合成ゴムの組成物のみに限定するものではなく、ポリエチレン等の弾性ポリマーよりなるものをも包含する。
さらに、本明細書中、コードとは撚っていないものをも包含する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
上記（１）記載の構成を、コードが１本の場合について具体的に例示すると、図１のようになる。すなわち、波形のコード１を第１ゴム層２で被覆し、その全周に、第１ゴム層２より高弾性率の第２ゴム層３を設けてなる。
このような構成によると、コードを直接被覆する第１ゴム層が、第２ゴム層と比べて低弾性率を有するので、コードと第１ゴム層との界面に生じる剥離応力を緩和でき、このゴム材を適用したゴム製品の耐久性を確保できる。また、第１ゴム層の全周に比較的に高弾性率の第２ゴム層を設けているので、ゴムマトリックスの剪断剛性を高めることができる。
【００１０】
上記（２）の構成を、コードが２本の場合について具体的に例示すると、図２のようになる。すなわち、第１ゴム層２で２本のコード１を個々に被覆し、これらを並置配列して帯状体を形成し、該帯状体の全周面に第２ゴム層３を設けてなる。
このような構成によると、上記の作用効果に加えて、１本等、より本数の少ないコードで補強されたゴム材からなる場合に比べて、この複合強化ゴム材を適用する対象が大面積の場合に、作業の効率化を図ることができ、生産性を高めることができる。
また、３０％伸長時の剪断弾性率が、前記第２ゴム層は前記第１ゴム層の３倍以上であるという構成によると、このゴム材をタイヤの特にベルトに適用した場合に、上記剥離耐久性と耐摩耗性との両立がより良好になる。
更に、第２ゴム層が、ゴム組成物単独の場合は、第１ゴム層とゴム組成等を変えることにより、弾性率を上げることになるが、ゴムマトリックス中に粒子状もしくは短繊維状の物質を分散した複合体とする場合には、第１ゴム層と同じゴム組成で高弾性率化を図ることが可能となり、簡便である。もちろん、この分散系の場合においても、両ゴム組成を変えることは差し支えない。短繊維を分散させる場合、コードの方向に一致させて配向させると、さらにコード方向の剛性を高めることができるが、ランダムであってもよい。
なお、分散される粒子状、短繊維状物質としては、ナイロン等を例示できる。
【００１１】
また、波形のコードが有機材料、無機材料または金属材料からなる構成、および波形のコードが１本または複数本のフィラメントからなる構成の場合、このゴム材を適用したゴム製品の要求特性に応じて、補強コードの材料（有機、無機、金属材料）およびコード構成（フィラメントの本数、撚り構造等）を選択することができ、設計の自由度が高い。また、このゴム材がタイヤのベルトに適用された際には、ショルダー部の早期摩耗をより抑制して、耐久性の向上を図ることができる。
なお、コードを形成する有機材料としては、芳香族ポリアミド等を例示できる。金属材料よりなるものとしては、スチールコードが好ましいが、スチールコードも含めて金属材料を用いた場合は、コーティングゴムとの接着性の観点から、メッキされていることが望ましい。
更に、第１ゴム層および第２ゴム層のうち少なくともいずれか１方の表面が凹凸面である構成の場合、コードをコーティングする際に生じるコード輪郭に起因するゴム層表面の凹凸を修正する必要がなく、作業性が良好である。なお、この凹凸は第１ゴム層にあっても、第２ゴム層にあっても、加硫時の圧力等により隙間なく密着して加硫接着される。
【００１２】
上記（３）記載の構成を、低偏平比で２層のベルトを具えるラジアルタイヤについて具体的に例示すると、図３のようになる。すなわち、１対のビード部１１間にわたって、ラジアル方向に延びる有機繊維コードのプライよりなるトロイド状のカーカス１２を骨格とし、このカーカス１２のクラウン部の径方向外側に２層のベルト１３を具えてなる、前記ベルトの２層に、本発明の上記各構成の複合強化ゴム材を、そのコードが前記タイヤの周方向に螺旋状巻きになる配置にて適用して構成される。なお、ベルトは１層でもよいが、２層以上が剛性の点から好ましい。
このようなタイヤに、上記各複合強化ゴム材を適用すると、上記の作用効果をタイヤにおいて得ることができる。
さらに、一般に、コードを周方向に配設してなるベルトは、交差ベルト、すなわちタイヤ赤道に対して大きな傾斜角度をなす配置のコードが複数のベルト層の積層間で相互に交差するベルトに比べて、ベルトの面に沿う変形に対する剛性、いわゆる面内剪断剛性、特にタイヤ周方向における面内剪断剛性が劣り、コーナリングパワーや車両の操縦安定性が低下するという不都合があるが、上記構成のタイヤはベルトに適用したゴム材の面内剛性が高められているので、このような不都合を解消できる。
上記（４）記載の構成によると、ベルト層の幅がタイヤ断面幅の５５％以上の場合には、ショルダー部の早期摩耗を効果的に抑制することができる。
【００１３】
上記（５）記載の構成によると、赤道に対する傾斜角度を一定範囲内に収めることにより、よりタイヤ周方向の剛性が高まり、耐久性を保証することが可能である。
上記（６）記載の構成によると、本発明の効果が顕著に現れる。偏平比が低いタイヤ程、剪断変形、ショルダー部の早期摩耗等の不都合をより生じ易いからである。
以下に、本発明の複合強化ゴム材をタイヤのベルトに適用した場合の具体例を示す。
（１）具体例１（図４参照）
タイヤ周方向に螺旋巻きして構成された１層の周方向ベルトを示す。波形にくせ付けされた複数（図では６本）のコード１を直接被覆する第１ゴム層２は３０％伸張時の剪断弾性率が１．８ＭＰａであり、これらによりコードリボン４が形成される。第２ゴム層３は３０％伸張時の剪断弾性率が５．９ＭＰａであり、これらによりストリップ５が形成される。剪断弾性率は、いずれも後述する方法により測定された加硫後の値である。
このような構成のベルトは、第２ゴム層により、箱型のモノコック構造となるので、面内剪断剛性をより高められる。
この結果、タイヤ周方向の剛性が高められ、前記路面との滑りが抑制され、ショルダー部の早期摩耗が抑制される。この早期摩耗は、荷重負荷状態での走行において、また、巻回方向が周方向であるベルトにおいて生じ易いので、これらの場合に本発明の効果を顕著に得られる。
また、従来の周方向に巻かれてなるベルト層は、交差積層構造のベルト層に比べて、路面の突起物による強制入力に対する抵抗力が小さく、このため、突起物が鋭利な場合、貫入により、空気圧ロスに至ることもあったが、上記構成によると、第２ゴム層により隙間のない高弾性面が形成されると共に、マルチセルを形成する第２ゴム層による連続的な突起排除作用により、鋭利な突起物の強制的な貫入に抗することが可能となり、タイヤの耐久性をさらに高めることができる。
加えて、子午線方向の面内剪断剛性も高まるので、コーナリングフォースを高く維持して車両の操縦安定性を確保できる。
【００１４】
（２）具体例２（図５参照）
生産効率を高めるために、コードリボン４の２組を１つのストリップ５とし、第１ゴム層２と第２ゴム層３の界面がコード輪郭を反映して波形である他は、具体例１と同様である。
（３）具体例３（図６参照）
第１ゴム層２が剪断弾性率の異なる２種のゴム組成物２−１、２−２（３０％伸張時の剪断弾性率がそれぞれ１．２ＭＰａと２．１ＭＰａ）により構成された他は具体例１と同様である。
（４）具体例４（図７参照）
２層の周方向ベルトにした例を示す。加硫により、隣接するゴム層は一体化される。第１ゴム層２と第２ゴム層３の物性はそれぞれ具体例１と同様である。また、２つの層は、並置配列されるストリップ５の隣接する境界が、上下の層でずれるように巻回されてなる。このようにずらした構成のほうが、剪断剛性の観点からも、突起物の貫入防止の観点からも、有利である。
【００１５】
（５）具体例５（図８参照）
コードリボン４の２組を１つのストリップ５とし、第１ゴム層２と第２ゴム層３の界面および第２ゴム層３の表面がコード１の輪郭を反映して波形である他は、具体例４と同様である。
（６）具体例６（図９参照）
コードリボン４が部分的に重なった例を示す。第１ゴム層２、第２ゴム層３の物性、およびコード構造は具体例１と同様である。
【００１６】
さらに、本発明のゴム材の製造方としては、特に限られるものではなく、例えば、先ず、コード列を第１ゴム層用シートで上下から挟み込む（圧延）方法や、高温・高圧下で直接コード周りを第１ゴム層用ゴム組成物で被覆する（インシュレーション）方法等により、コードを第１ゴム層で被覆し、次に、第１ゴム層の周囲に第２ゴム層用シートの圧延を行うことにより製造できる。
【００１７】
【実施例】
以下に実施例に基づいて説明する。
トラック・バスの用途に供されるタイヤ（タイヤサイズ：３１５／６０Ｒ２２．５）のベルトに本発明のゴム材を適用した例を示す。
本発明のゴム材を補強するコードとして、構成１×３＋９、フィラメント径０．２３ｍｍより成るスチールコードにブラスメッキを施し、これを波形（波高さ／波長＝０．１２）にくせ付けしたもの（実施例１、２、比較例１）または真直のもの（比較例２、３）を使用した。
（１）実施例１
前記具体例４の構成のベルトを有するタイヤを作製した。
（２）実施例２
前記具体例５の構成のベルトを有するタイヤを作製した。
比較のために、比較例１、２および３を共に示す。
（３）比較例１
これは、図１０に示すように、コード２１およびこれを直接被覆するゴム層２２とからなるリボン状ゴム材２３をタイヤ周方向に螺旋巻きして２層のベルトを構成する。タイヤは上記と同様である。この図は未加硫状態のベルトを示しており、図１１は加硫され、隣接するゴム材２３間、およびコード２１とゴム材２３間が、充分に接着された状態を示す。なお、ゴム層２２の３０％伸張時の剪断弾性率は１．８ＭＰａである。
（４）比較例２
これは真直コードを埋設した４層よりなる交差ベルトを、上記と同様のタイヤに適用した。タイヤ赤道に対する傾斜角度は、タイヤ半径方向の内側の層から順に、それぞれ＋５０°、＋１８°、−１８°、−１８°である。なお、赤道を挟んで右周りを＋、左周りを−とする。このタイヤは、下記の方法で比較した場合の、タイヤの半径方向の成長量が、比較例１のタイヤの約１．７倍であり、いわゆるタガ締め効果が劣る。前記比較は、最大付加能力に対応する空気圧（ＪＡＴＭＡＹＥＡＲＢＯＯＫ２０００）を負荷した場合の、赤道上の点とタイヤ幅方向接地端との中点位置におけるタイヤ径に基づいて行った。
（５）比較例３（図１２参照）
２層の周方向ベルトにし、第１ゴム層２（３０％伸張時の剪断弾性率１．０ＭＰａ）と第２ゴム層３（球形状のポリエチレン化合物を分散、３０％伸張時の剪断弾性率２０．２ＭＰａ）の間でタイヤ半径方向の上下両側に緩衝層６（３０％伸張時の剪断弾性率４．５ＭＰａ）を設け、さらにコード１が直線状の例を示す。
この構成のベルトを有するタイヤを作製した。なお、タイヤは上記と同様である。
【００１８】
タイヤ特性の測定法は、以下の通りである。
（１）ベルト耐久性
標準荷重の１．２倍の荷重条件下でドラム上を30,000ｋｍ走行させて行った。評価法は、タイヤの幅断面内に見たベルト層に沿って発生した最大セパレーション長さを測定した。なお、タイヤ内のバラツキを考慮するため、タイヤを周方向に１２分割して実施した。従来例の値を１００として指数表示した。数値は大きい方がベルト耐久性が高く、良好であることを示す。
（２）ショルダー部摩耗量
同様に、標準荷重の１．２倍の荷重条件下でドラム上を30,000ｋｍ走行させて行った。評価法は、走行前の状態を基準としたトレッドゴムの最大摩耗厚さを指標とした。同様に従来例の値を１００として指数表示した。数値は小さい方がショルダー部摩耗量が少なく、良好であることを示す。
【００１９】
【表１】

なお、これら（比較例２を除く）のベルト層の厚さおよびコード密度、並びに巻回方向（周方向）は同一である。
【００２０】
この結果から、比較例２の交差ベルトを除いて、ベルト耐久性には各例とも大きな差はないが、ショルダー部摩耗量に関しては実施例品は大変優れていることがわかる。これは、剪断剛性が高められたことにより、ショルダー部における接地面に対する滑りが抑制されたためと考えられる。
【００２１】
上記各加硫ゴムの剪断弾性率の測定法は以下の通りである。
島津製作所製オートグラフ（ＡＧ−５ｋＮＩ）を使用し、引っ張り速度６〜１２ｍｍ／ｍｉｎ、初期荷重１０Ｎとした。
図１３に示すように、１対のブロンズ製治具３１間に試験片３２（ゴム組成物：厚さ７ｍｍ×幅１０ｍｍ×長さ４０ｍｍ）を挟み、この状態で加硫（１４５℃×３３分）する。ゴム組成物に配合されている硫黄を介して、ブロンズとゴム組成物とは化学結合するため、完全に接着できる。治具３１の接合面に軽くサンドペーパーをかけておき、接合をより強固なものとした。
加硫後、図１４に示すように、引っ張り試験機の１対のチャック部３３に治具３１をそれぞれ固定し、矢印の方向（タイヤの周方向と同じ）に荷重Ｐを負荷し、その時の試験片の変位Δを測定し、下記の式より剪断弾性率を算出した。
Ｇ＝Ｐｔ／ＡΔ
（式中、Ａは試験片の断面積（２８０ｍｍ²）を表し、Δは引っ張りによる試験片の変位量（ｍｍ）を示し、Ｐは荷重（Ｎ）を表し、ｔは試験片幅（１０ｍｍ）を表す。）
なお、Δ＝ｔ（１０ｍｍ）のときのＰより、Ｇを算出した。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の複合強化ゴム材によると、ゴムマトリックスの第１ゴム層を比較的低剪断弾性率し、第２ゴム層を比較的高弾性率として、コードとゴムの剥離を回避しつつ、部材としての剛性を高め、製品の耐久性を高めることを可能にした。
さらに、本発明のタイヤによると、上記効果に加えて、タイヤのショルダー部における路面との滑りを抑制して、この部分の早期摩耗を回避して、タイヤの耐久性を高めることができる。
また、路面からの突起物の貫入をも回避して、タイヤの耐久性を一段と高めることを可能にした。
本発明は、高速にて使用される乗用車用空気入りタイヤもしくは重荷重にて使用される産業用あるいは商用車両に装着される空気入りタイヤに好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１記載のゴム材構成の一例を示す断面図である。
【図２】請求項２記載のゴム材構成の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の空気入りタイヤの断面図である。
【図４】具体例１のベルト構造を示す断面図である。
【図５】具体例２のベルト構造を示す断面図である。
【図６】具体例３のベルト構造を示す断面図である。
【図７】具体例４のベルト構造を示す断面図である。
【図８】具体例５のベルト構造を示す断面図である。
【図９】具体例６のベルト構造を示す断面図である。
【図１０】従来例のベルト構造（未加硫時）を示す断面図である。
【図１１】従来例のベルト層構造（加硫時）を示す断面図である。
【図１２】比較例３のベルト構造を示す断面図である。
【図１３】剪断弾性率測定用の治具と試験片を示す図である。
【図１４】剪断弾性率測定の原理を示す図である。
【符合の説明】
１コード
２第１ゴム層
３第２ゴム層
４コードリボン
５ストリップ
６緩衝層
１３ベルト

Claims

ゴムマトリックスを少なくとも１本の波形コードで補強した複合強化ゴム材であって、前記ゴムマトリックスが前記波形コードを直接被覆する第１ゴム層と前記第１ゴム層の全周を被覆する第２ゴム層とからなり、前記第２ゴム層が前記第１ゴム層よりも高い剪断弾性率を有することを特徴とする複合強化ゴム材。
前記第１ゴム層で個々に被覆された２本以上の前記波形コードが並置配列されて帯状体を形成していることを特徴とする請求項１記載の複合強化ゴム材。
１対のビード部間にわたってトロイド状に延びるカーカスを骨格とし、このカーカスの径方向外側に少なくとも１層のベルトを具えてなる空気入りタイヤにおいて、前記ベルトの少なくとも１層に、請求項１または２に記載の複合強化ゴム材を、そのコードが前記タイヤの周方向に沿う配置にて適用してなることを特徴とする空気入りタイヤ。
前記複合強化ゴム材を適用したベルト層のうち少なくとも１層は、そのタイヤの幅方向断面における幅がタイヤの断面幅の５５％以上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。
前記複合強化ゴム材を適用したベルト層は、そのコードのタイヤの赤道に対する傾斜角度が−５〜＋５度の範囲であることを特徴とする請求項３または４に記載の空気入りタイヤ。
タイヤの偏平比が７０％以下であることを特徴とする請求項３〜５のうちいずれか１項に記載の空気入りタイヤ。