JP4933690B2

JP4933690B2 - ビードフィラーゴム組成物及びこれを用いた空気入りタイヤ

Info

Publication number: JP4933690B2
Application number: JP2000270104A
Authority: JP
Inventors: 信彦福原
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2000-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2020-09-06
Also published as: JP2002080641A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、短繊維の配合により異方性を持たせたビードフィラーゴム組成物及びこれを用いた空気入りタイヤに関し、更に詳しくは、操縦安定性を確保しながら乗り心地性能の向上を可能とした空気入りタイヤに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高速道路の発達に伴いタイヤには益々シビアな要請がなされ、操縦安定性と共に乗り心地性能が要求されている。高速走行時の一例としてタイヤのスタンディングウエーブ現象の発生があり、これはタイヤ破壊につながることは知られている。この現象を抑制する手段の一つにビード部の剛性を向上させることが考えられており、ビード部の高弾性化は転がり抵抗の低減にも効果があることから、ビードフィラーゴム組成物としては弾性率の高いものが好ましい。
【０００３】
しかるに、一般に高弾性率のゴム組成物を得る方法としては、カーボンブラックを多量に配合する方法、硫黄を多量に配合する方法、熱硬化性樹脂の添加、短繊維を配合する方法等が提案されており、夫々に特徴はあるがタイヤ成型作業の面及びタイヤの寿命の面から考えて前三者は好ましくない。一方、後者の短繊維をゴムに配合する方法は、一般に短繊維とゴムとの結合が不十分なのでクリープ性が大きくなったり、疲労寿命が低下したりすることが指摘されている。
【０００４】
さて、空気入りラジアルタイヤにおいて、タイヤ性能を向上させるには操縦安定性と同時に乗り心地性能を満足することが必要であるが、ビード部の構造の面から見ると、操縦安定性と乗り心地性能との間には相反する性能である。
【０００５】
一般に、空気入りラジアルタイヤの操縦安定性を向上させる目的でビードフィラーの剛性を高めるが、この剛性が不十分である場合にはスチール補強材等をビードフィラーの周辺に配置しているケースがある。しかるに、ビード部にスチール補強材等を配置した場合には、タイヤ径方向の剛性が高くなり過ぎて乗り心地性能が大幅に低下してしまう。一方、スチール補強材を使用しないと、場合によってはビード部が柔らか過ぎるため操縦安定性が不十分となってしまう。従って、ビードフィラーの周辺にスチール補強材を使用しない場合と同等の操縦安定性を確保し、しかも乗り心地性能の改善と更にはタイヤの軽量化を図ることは困難であった。
【０００６】
このように、タイヤの乗り心地性能の面を考慮すると、ビードフィラーゴム組成物における弾性率を異方性とするのがよく、このため、短繊維をゴムに配合し、これを配向する提案がなされている。
【０００７】
ビードフィラーゴム組成物に短繊維を配合して異方性、即ちタイヤの径方向とそれに直交する方向の弾性率の比を異ならせて操縦安定性と乗り心地性能の両立を目的とする技術は特開平１１ー１２９７１１号公報にて開示されている。かかる提案では、短繊維がポリビニルアルコールのような水溶性繊維と熱可塑性ポリアミドとのブレンドで、これにより広い歪領域において弾性率の増大を図っている。そして、繊維の収束性と分散向上のためと、繊維表面にマトリックスのエラストマー成分をグラフト化させる目的で、フェノール系樹脂またはシランカップリング剤などが配合されている。このように、短繊維とマトリックスのエラストマーとの間には、結びつきを向上させるための処置がなされているが、それでも短繊維の配合により、作業性と疲労性の悪化は避けられない。
【０００８】
又、特開平８ー４８１０８号公報では、従来の繊維では分子鎖が高度に配向して配向方向への破断伸びが比較的小さいのに対して、特殊な分子構造を有する繊維を配合してなる提案されている。即ち、分子内部に無秩序な冗長構造を持っていて配向方向の破断伸びが比較的大きい部分配向繊維でゴムを補強するものであり、この繊維で補強したゴムでは外部力によるエラストマー・マトリックスの変形に繊維が追従して変形可能なため、界面破壊が回避でき耐亀裂成長性が向上するもので、更に、ケブラーパルプのようなフィブリル化された短繊維を配合することで亀裂経路を蛇行させることにより更に耐亀裂成長性を向上させることができる。しかしながら、かかる提案にあっても作業性の低下が指摘され、特にロール熱入れ性が低下し、労力とコストが増大してしまう。そして、ビードフィラーの場合は配合短繊維量が大きくなると高い負荷条件において耐疲労性が極端に低下する傾向があり、ケブラーパルプや部分配向繊維のような緩和効果を施しても短繊維の多量配合では疲労性の低下をまるがれない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ビードフィラーゴム組成物を改良して、耐久性とタイヤ製造時の作業性を向上させると同時に、タイヤの操縦安定性と乗り心地性を両立した空気入りタイヤを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の課題を解決するためになされたものであって、第１発明は、原料ゴム１００重量部に対して、芳香族ポリアミド短繊維を１〜６重量部とマレイン酸変性液状ポリブタジエンを０．２〜２重量部配合し、更にハードカーボン３０〜７０重量部とソフトカーボン１０〜５０重量部のカーボンブレンド系を配合したビードフィラー用ゴム組成物にかかるものである。
【００１１】
そして、第２発明は、ビードコアの外周側にビードフィラーを配置した空気入りタイヤにおいて、前記ビードフィラーを構成するゴム中にの芳香族ポリアミド短繊維をタイヤ径方向に直角方向に配向させ、タイヤ周方向の弾性率ａと径方向の弾性率ｂの比ａ／ｂが、４＞ａ／ｂ＞１．５とした空気入りタイヤであって、具体的には、ビードコアの外周側に前記第１発明にて提供したビードフィラーゴム組成物を配置したものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
ここで第１発明に基づいて更に説明すると、ビードフィラーゴムに短繊維を配合し、これを押出し成形して押出し方向に繊維を配向させ、これによってビードフィラーのタイヤ周方向の弾性率ａと径方向の弾性率ｂの比が、ａ／ｂ＞１．５の異方性を持つ材料を得ることを一つの目的としている。この弾性率の異方性により、タイヤの操縦安定性と乗り心地性の両立を図ったものであり、更に短繊維を配合することによりビードフィラー全体の弾性率を上昇させて、タイヤの軽量化及び低転がり性を図っている。
【００１３】
その際、マレイン酸変性液状ポリブタジエン（ＰＢＤＭＡ）を配合するが、これは分子中の無水マレイン酸部位が短繊維のアミド基と反応して結合を形成する一方、ポリブタジエン部位はエラストマーとの絡み合いを形成することで短繊維とエラストマーとの結びつきを強化する機能を発揮させるものである。尚、ここで用いられるエラストマーは、ビードフィラー組成物を構成するポリマー（例えば天然ゴム）と同一であることが望ましい。
【００１４】
しかるに、短繊維を配合することによりロール熱入れ性等の作業性の悪化と加硫ゴムにした時の疲労特性の悪化は避けられない。特に剛直な芳香族ポリアミド短繊維の場合は、この配合量を６重量部以下に抑える措置を講じて許容できる作業性が得られるものである。これにより繊維配向方向の弾性率ａと直交方向の弾性率ｂの比は１．５＜ａ／ｂ＜４程度の範囲になる。
【００１５】
本発明のカーボンブレンド系の配合は全体的な弾性率の向上を狙ったものである。この際、カーボンブラック系としてソフトカーボンとハードカーボンのブレンド系を配合するのは、これにより全体のカーボン充填量と補強性のバランスを上げてビードフィラーの弾性率を挙げることを目的としている。ここで、ハードカーボンブラックとしては、平均粒子径４０μｍ以下、好ましくは２０〜３０μｍ程度のカーボンブラックを用いることができ、例えば、ＳＡＦ、ＩＳＡＦ、ＨＡＦ等を挙げることができる。又、ソフトカーボンブラックとしては、好ましくは平均粒子径４０μｍ以上、好ましくは５０〜１００μｍ程度のカーボンブラックを用いることができ、例えば、ＦＥＦ、ＧＰＦ、ＳＲＦ、ＨＰＦ、ＡＰＦ等を挙げることができる。尚、ハードカーボンブラックとしては要素吸着量（ＩＡ）が６０〜１７０ｍｇ／ｇ程度が好ましく、７０〜１１０ｍｇ／ｇであればより好ましい。一方、ソフトカーボンブラックはＩＡが１０〜６０ｍｇ／ｇ、好ましくは２０〜５０ｍｇ／ｇ程度のものが更によい。上記のＩＡはＡＳＴＭ・Ｄー１５１０ー９５、ＤＢＰはＡＳＴＭ・Ｄー２４１４ー９７に従って夫々測定される値である。
【００１６】
タイヤの操縦安定性と乗り心地性の両立を図る場合、前記したように周方向と径方向の弾性率比の大きい方が条件的に望ましいが、乗り心地性に対するビードフィラーの寄与が通常のタイヤ構造においてはサイドウォールに比して小さいので、作業性や疲労性の悪化を招いてまで短繊維配合を増やして弾性率を上昇させることは得策ではない。このような理由から、短繊維の配合量には上限があり、これに伴って全体的な弾性率の上昇も抑えられることとなる。それを補うために、本発明ではハードカーボンをメインとしたカーボン系にソフトカーボンを更に充填することにより補強と充填効果のバランスを取ったもので、特に低歪領域の弾性率を向上させることができ、それにより操縦安定性の向上に寄与することができることとなったものである。またこのカーボンブレンド系の利点としてカーボンブラック配合量の割りにムーニー粘度等が低く抑えられ、又破断伸びの低下も抑えられる等、作業性及び耐疲労性の面で優れている。
【００１７】
カーボンブラックの数値限定に関しては、ソフトカーボンの数値限定１０〜５０重量部であり、１０重量部未満であるとカーボンブレンドとしての効果がないことであり、又、５０重量部を越えるとハードカーボンと合わせたカーボン全体の配合量が大き過ぎて作業性や疲労性の低下をもたらす問題が生じる。ハードカーボンの数値限定は３０〜７０重量部であり、３０重量部未満であると十分な補強効果が得られず、又、７０重量部を越えた場合には、全体的な配合量が大き過ぎるからである。
【００１８】
もう一つの弾性率の上昇法としてはフェノール系の熱可塑性樹脂を配合する方法があり、３〜２０部程度配合することが望ましい。
【００１９】
第２発明にあっては、上記した弾性率が異方性に富むビードフィラーゴム組成物を採用した空気入りタイヤであって、これによってビードフィラーのタイヤ周方向の弾性率ａと径方向の弾性率ｂの比が、（４＞）ａ／ｂ＞１．５の異方性を持つ空気入りタイヤが得られたものであり、かかるビードフィラーを採用したビード部の弾性率の異方性により、タイヤの操縦安定性と乗り心地性の両立をもたらしたものであり、更にビードフィラー全体の弾性率を上昇させて、軽量化及び低転がり性をも達成できたものである。
【００２０】
本発明において用いられる芳香族ポリアミド繊維は脂肪族ジアミンと芳香族ジカルボン酸との重縮合体であり、その平均長さは１０ｍｍ以下である。
【００２１】
エラストマー成分（ビードフィラーの原料ゴム）としては、加硫可能なゴム成分であり、例えば、天然ゴム、ポリイソプレン、ポリブタジエン、スチレンーブタジエンゴム、ブチルゴム等の単独又は併用が挙げられる。
【００２２】
ビードフィラーゴム組成物中には通常の配合剤、例えば、硫黄にて代表される加硫剤、熱硬化性樹脂、ホワイトカーボン、活性化炭カル、リグニン等の補強剤、クレー、亜鉛華等の充填剤、その他、加硫促進剤、老化防止剤、プロセスオイル、シランカップリング剤等の結合剤等、各種配合剤が任意に選択されて配合される。エラストマーの製法にあって、溶融、混練りは樹脂やゴムの混練りに通常用いられてるバンバリーミキサー、ニーダー、ニーダーエキストルーダー、オープンロール、一軸混練り機、二軸混練り機等が挙げられる。
【００２３】
又、上記ビードフィラー組成物を用いてのタイヤ製造は、例えば、押出し機、カレンダー等により混練りして押出すことによってシート状のビードフィラー部材を作成し、これを成型ドラム上で他の部材と貼り合わせてグリーンタイヤを作成し、これをタイヤモールドに収め、内側から圧力を加えながら加硫する方法等により行うことができる。
【００２４】
【実施例】
以下に第１発明で言及したビードフィラーゴム組成物の実施例と比較例をもって更に説明する。表１はビードフィラーゴム組成物の組成及びこの加硫ゴム組成物の加硫物性を示す。
【００２５】
表１中の１）〜４）は以下の通りである。
１）：ハードカーボンブラックとしては、例えば、旭カーボン（株）の旭＃５５（ＩＡ＝７０、ＤＢＰ＝１００）を用いることができる。
２）：ソフトカーボンブラックとしては、例えば、旭カーボン（株）の旭＃７０（ＩＡ＝３０、ＤＢＰ＝８０）を用いることができる。
３）：フェノール樹脂としては、例えば、住友ベークライト（株）のスミライトレジンＰＲ５０２５３を用いることができる。
４）：フェノール樹脂硬化剤としては、例えば、大内新興化学工業（株）のノクセラーＨを用いることができる。
【００２６】
混練り条件はツーステージ練りであり、ノンプロ（第１ステージ）練り条件はローター回転数７０ｒｐｍ／ｍｉｎ、温度８０〜１７０℃、練り時間４ｍｉｎであり、プロ（第２ステージ）練り条件は夫々５０ｒｐｍ／ｍｉｎ、７０〜１１０℃、１ｍｉｎである。尚、加硫条件は、加硫温度１６０℃、加硫圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ² 、加硫時間は１５ｍｉｎである。
【００２７】
耐疲労性試験には油圧式の疲労試験、例えば島津製作所（株）のサーボパルサーＥＨＦーＥシリーズを用いて実施した。試験片としては幅６．０ｍｍ、長さ７０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍの短冊状試験片の中央に長さ５ｍｍ程度の初亀裂を入れたものを用い、試験片の引張り方向に最大応力１．０〜３．０Ｍｐａ程度、最小応力０．１Ｍｐａ、周波数５Ｈｚの時間に対し正弦関数をなす一定の繰り返し応力を負荷し、各々の最大応力に対して試験片が破断するまでの回数を調べた。
【００２８】
実施例１と２は、芳香族ポリアミド短繊維を所定量配合したビードフィラーゴム組成物で、比較例２の短繊維を配合していないものに比べ、短繊維配向方向の弾性率が大きく上昇し、配向方向と垂直方向の弾性率比（異方性）が２以上になるが、その時の破壊物性や耐疲労性の低下は実用範囲内で収まっている。それに対し、比較例１は実施例２と同部数の短繊維を配合しているものの、マレイン酸変性液状ポリブタジエンを配合していないので、短繊維とエラストマー間の結びつきが弱く、弾性率と耐疲労性が低下している。又、比較例３は短繊維を所定以上に多く配合した事例で、この場合は破壊物性や耐疲労性の低下が多くなり過ぎる。比較例４はカーボンブレンド系の代わりにハードカーボンのみを配合した例であり、カーボンブラックブレンド系に比べ弾性率で２０％程度劣る。
【００２９】
図１は第１発明のビードフィラーゴム組成物を用いたタイヤ（第２発明）の子午線半断面図である。符号１はビード部、２はカーカス層、３はビードコア、４はビードコア３の外周側に配置されたビードフィラー、５はトレッド部、６はベルト層である。かかるタイヤの製造は、ベルト層６として３枚のスチールコード層と、カーカス層２として１枚のＰＥＴ繊維からなるプライ層を備えており、カーカスプライの折り返しはビードフィラー４の外周側先端より更に３０ｍｍ程度外周側の位置まで達している。
【００３０】
作成したタイヤは、サイズ２１５／４５ＺＲ１７であり、ビードコアの外周側にビードフィラーを配置し、そのビードフィラーに部材として前述のゴム組成物の実施例１〜２と比較例１〜３を用いたものである。短繊維入りのビードフィラー部材を用いたタイヤを作成する場合、短繊維の配向方向すなわちビードフィラー部材の押出し方向がタイヤの周方向と一致するようにし、タイヤ周方向と径方向にビードフィラー部材の弾性率比が２以上になるようにした。
【００３１】
作成したタイヤに関して、実車タイヤ性能評価試験を実施した。かかる評価試験はテストコースにて作成したタイヤを装着した車を走行させ、乗り心地性、ドライ操縦安定性をテストドライバーにより評価した。評価試験の結果は表２の通りである。
【００３２】
【発明の効果】
短繊維とカーボンブレンドを配合することでビードフィラーゴム組成物の高弾性率化が実現でき、これを用いたタイヤにあっては、操縦安定性と転がり抵抗が向上し、周方向弾性率を径方向弾性率に比べて大きくすることで乗り心地性の悪化を低減することができたものであり、更に、特に大きな負荷がかかるような疲労（縁石への衝突や悪路走行）に対しての耐久性の悪化を抑えたタイヤが得られることとなった。
【００３３】
【表１】

【００３４】
【表２】

【図面の簡単な説明】
【図１】図１は第２発明のタイヤの子午線半断面図である。
【符号の説明】
１‥ビード部、
２‥カーカス層、
３‥ビードコア、
４‥ビードコアの外周側に配置されたビードフィラー、
５‥トレッド部、
６‥ベルト層。

Claims

原料ゴム１００重量部に対して、芳香族ポリアミド繊維を１〜６重量部とマレイン酸変性液状ポリブタジエンを０．２〜２重量部配合し、更にハードカーボン３０〜７０重量部とソフトカーボン１０〜５０重量部のカーボンブレンド系を配合したビードフィラーゴム組成物。
芳香族ポリアミド繊維の平均長さが１０ｍｍ以下である請求項１記載のビードフィラーゴム組成物。
芳香族ポリアミド繊維がケブラー繊維である請求項２記載のビードフィラーゴム組成物。
ビードフィラーゴム組成物がタイヤの周方向に向けて押出し成形され、タイヤ周方向の弾性率ａと径方向の弾性率ｂの比（ａ／ｂ）が１．５以上である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のビードフィラーゴム組成物。
タイヤ周方向の弾性率ａと径方向の弾性率ｂの比（ａ／ｂ）が、４＞ａ／ｂ＞１．５である請求項４に記載のビードフィラーゴム組成物。
ビードコアの外周側にビードフィラーを配置した空気入りタイヤにおいて、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のビードフィラーゴム組成物中の芳香族ポリアミド短繊維をタイヤ径方向に直角方向に配向させ、タイヤ周方向の弾性率ａと径方向の弾性率ｂの比ａ／ｂが、４＞ａ／ｂ＞１．５とした空気入りタイヤ。
ビードコアの外周側に請求項１乃至６のいずれかに記載のビードフィラーゴム組成物を配置した請求項６に記載の空気入りタイヤ。