JP5367582B2 - 補強用コードおよびそれを用いたゴム製品 - Google Patents

Description

本発明は、特にゴム製品を補強するための補強用コードと、それを用いたゴム製品とに関する。

ゴムベルト等のゴム製品を補強するための補強材として、ガラス繊維等の補強用繊維を用いて形成された補強用コードが提案されてきた。ゴムベルト等のゴム製品は、屈曲応力を繰り返し受けるため、屈曲疲労によって性能が低下しやすい。このため、このようなゴム製品に用いられる補強用コードには、高い耐屈曲疲労性が求められる。また、自動車の内燃機関のカムシャフト駆動などに用いられるタイミングベルトでは、適切なタイミングを維持するために高い寸法安定性が要求される。したがって、このようなゴム製品に用いられる補強用コードには、高い引張強度と引張弾性が求められる。

そこで、高い耐屈曲疲労性と、良好な引張特性（高い引張強度と高い引張弾性）との両方を備えた補強用コードを実現するために、芯材（内層）と側材（外層）の２層構造を有するゴム補強用コードが提案されている。

例えば、国際公開第２００７／０６３６８６号（文献１）には、芯材および側材にガラス繊維を用い、芯材と側材の下撚り数の関係と、側材における下撚り方向と上撚り方向との関係（側材をラング撚りとすること）とを限定することによって、高い耐屈曲疲労性と良好な引張特性とを実現できる補強用コードが開示されている。

特許第３８６４８２０号公報（文献２）には、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維等の高い弾性率を有する高弾性繊維ストランドを芯材とし、当該高弾性繊維ストランドよりも弾性率が低いガラス繊維ストランド等を側材として用いるハイブリッドコードが開示されている。また、特許第３８４６２３６号公報（文献３）には、ガラス繊維ストランドを芯材とし、アラミド繊維ストランドを側材として用いたハイブリッドコードが開示されている。また、国際公開第０４／０９０２２４号（文献４）には、炭素繊維ストランドを芯材とし、ガラス繊維ストランドを側材として用いたハイブリッドコードが開示されている。これらのハイブリッドコードでは、芯材や側材の下撚り数や上撚り数を所定の範囲内で適宜調整することが可能である。

特開２００４−０１１０７６号公報（文献５）には、芯材にＰＢＯ繊維、ガラス繊維または炭素繊維等を用い、側材にガラス繊維やＰＢＯ繊維を用いた補強用コードが開示されている。この補強用コードでは、側材の下撚りと上撚りを同じ方向とし、芯材と側材の下撚り方向を互いに逆にしている。この構成によって、高い耐屈曲疲労性と良好な引張特性とが得られている。

しかし、上記文献１〜５に開示された補強用コードでは、高い耐屈曲疲労性と良好な引張特性との両立が未だ不十分であり、さらなる改良が求められている。上記文献１〜５には、補強用コードの芯材や側材における好ましい下撚り数や上撚り数の範囲等は規定されているものの、より高い耐屈曲疲労性と良好な引張特性との両方を実現するための下撚り数と上撚り数の具体的な関係や、撚り方向等が開示されていない。したがって、上記文献１〜５に開示された補強用コードにおいて、単に撚り数を上げると、耐屈曲疲労性は向上するものの引張弾性と引張強度が低下し、単に撚り数を下げると、引張弾性と引張強度は向上するものの耐屈曲疲労性が低下するという問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、高い耐屈曲疲労性と良好な引張特性（高い引張弾性および高い引張強度）とを両立させることができる補強用コードを提供することにある。さらに、本発明は、そのような補強用コードを用いたゴム製品を提供することも目的とする。

本発明の補強用コードは、芯繊維と、前記芯繊維の周囲に配置された複数本のストランドとを含むゴム補強用コードである。前記芯繊維は、少なくとも１００ＧＰａの引張弾性率を有する１本または複数本の高弾性繊維からなる。前記ストランドは、複数本のガラス繊維が下撚りされることによって形成されている。前記複数本のストランドが上撚りされて前記芯繊維の周囲に配置されており、前記複数本のストランドにおける上撚り方向と下撚り方向とが逆であり、前記複数本のストランドにおける上撚り数が１．０〜３．０回／２５ｍｍであって、且つ、前記複数本のストランドにおける上撚り数に対する下撚り数の比（下撚り数／上撚り数）が１．５〜２．５の範囲内である。

本発明の補強用コードでは、芯繊維の周囲に配置される側材としてのストランド（以下、「周辺部ストランド」という場合がある。）において、上撚り方向と下撚り方向とが逆となるモロ撚りが用いられている。本発明では、このような撚り方法が用いられた補強用コードにおいて、周辺部ストランドにおける上撚り数に対する下撚り数の比（下撚り数／上撚り数）を１．５〜２．５の範囲内とすることにより、引張弾性や引張強度を低下させることなく、耐屈曲疲労性を向上させることが可能である。

本発明のゴム製品は、上記の本発明の補強用コードを含むゴム製品であって、前記補強用コードがゴム組成物に埋め込まれている。本発明のゴム製品としては、例えば、歯付きベルトや平ベルトが挙げられる。

本発明のゴム製品によれば、耐屈曲疲労性と引張特性とが高い次元で要求される場合であっても、その要求を満足し得る。

本発明の補強用コードの一例を模式的に示す断面図である。 本発明のゴム製品の一例を示す分解斜視図である。 屈曲試験の方法を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

＜補強用コード＞
本発明の補強用コードは、芯繊維と、この芯繊維の周囲に配置された複数本のストランド（周辺部ストランド）とを含む。芯繊維は、少なくとも１００ＧＰａの引張弾性率を有する１本または複数本の高弾性繊維からなる。周辺部ストランドは、複数本のガラス繊維が下撚りされることによって形成されており、複数本の周辺部ストランドが上撚りされて芯繊維の周囲に配置されている。

本発明の補強用コードでは、複数本の周辺部ストランドにおいて、上撚り方向と下撚り方向とが互いに逆である。すなわち、周辺部ストランドは、モロ撚りとなるように撚られている。さらに、複数本の周辺部ストランドにおける上撚り数は１．０〜３．０回／２５ｍｍであって、且つ、複数本の周辺部ストランドにおける撚り比（下撚り数／上撚り数）は１．５〜２．５の範囲内である。周辺部ストランドをモロ撚りとすることにより、良好な引張特性を得ることが可能となる。また、周辺部ストランドにおける撚り比を１．５〜２．５の範囲とすることにより、引張特性を良好に保ちつつ、補強用コード内部のせん断応力を抑制して良好な耐屈曲疲労性を実現できる。また、周辺部ストランドにおける上撚り数を１．０〜３．０回／２５ｍｍとすることにより、十分な耐屈曲疲労性および引張特性（特に引張弾性）を維持できる。すなわち、周辺部ストランドをこのような撚り比、撚り数および撚り方向とすることによって、高い耐屈曲疲労性と良好な引張特性とを共に備えた補強用コードを得ることができる。

芯繊維として用いる高弾性繊維は、少なくとも１００ＧＰａの引張弾性率を有している必要があり、好ましくは１５０〜３００ＧＰａの引張弾性率を有することである。例えば、炭素繊維およびＰＢＯ繊維等を、本発明の補強用コードにおける高弾性繊維として使用できる。また、芯繊維は、１本の高弾性繊維から形成されていてもよいし、複数本（例えば２〜１２本）の高弾性繊維から形成されていてもよい。また、芯繊維は、高弾性繊維が下撚りされることによって形成されていてもよいし、下撚りされていなくてもよい（無撚りの高弾性繊維から形成されていてもよい）。高弾性繊維が下撚りされることによって芯繊維が形成されている場合は、高弾性特性を維持するために、芯繊維の下撚り数は例えば０．１〜３．０回／２５ｍｍが好ましい。

周辺部ストランドには、後に加えられる上撚り方向と反対方向に下撚りされたガラス繊維が用いられる。本発明において用いられるガラス繊維は、特には限定されないが、例えばＥガラスや高強度ガラスが使用できる。芯繊維の周囲に配置される周辺部ストランドの本数は、特には限定されないが、例えば５本〜２４本、好ましくは８〜１５本等とできる。

例えば、芯繊維が１本の高弾性繊維からなり、芯繊維の周囲に８〜１５本の周辺部ストランドが配置されている補強用コードが好ましい。周辺部ストランドの本数をこのような範囲にすることによって、より高い引張弾性を備えた補強用コードを実現できるからである。

本発明の補強用コードでは、芯繊維および周辺部ストランドの表面に被覆膜がさらに設けられていてもよい。このような被覆膜は、芯繊維および周辺部ストランド同士の接着や、芯繊維および周辺部ストランドの保護に有効である。被覆膜としては、補強用コードに一般的に用いられる被覆膜を適用できる。この被覆膜は、例えば、ゴムラテックスを主成分として含む処理液を芯繊維および周辺部ストランドに塗布して乾燥させることによって形成できる。より具体的には、たとえば、Ｈ−ＮＢＲ（水素化ニトリルゴムラテックス）などのゴムラテックス剤、ビスマレイミド、カーボンブラックおよびレゾルシン・ホルムアルデヒド縮合物などを含む処理液を芯繊維や周辺部ストランドに塗布して乾燥させることによって形成できる。ここで、ゴムラテックスを主成分として含む処理液とは、含まれる成分中で最も多い成分がゴムラテックスである処理液のことであり、例えばゴムラテックスを３０重量％以上、好ましくは５０重量％以上、さらに好ましくは６０重量％以上含む処理液のことである。

また、補強用コードの表面を被覆するゴム層がさらに設けられていてもよい。このようなゴム層は、たとえば、補強用コードが埋め込まれるマトリクスゴム（ゴム組成物）との接着性を高めるのに有効である。ゴム層の形成には、たとえば、クロロスルホン化ポリエチレン、イソシアネート、カーボンブラック、Ｐ−ニトロソベンゼン、キシレンおよびトルエンなどを含む処理液を好適に用いることができる。このような処理液を補強用コードの表面に塗布して乾燥させることによって、ゴム層を作製できる。

本発明の補強用コードの一例を図１に示す。この補強用コード１０は、芯繊維１１と、芯繊維１１の周囲に配置された複数本の周辺部ストランド１２とを含む。さらに、コード１０の表面は、ゴム層１３（図を見やすくするためにハッチングを省略する）で被覆されている。芯繊維１１の表面には被覆膜１１ａが設けられており、各周辺部ストランド１２の表面には被覆膜１２ａが設けられている。芯繊維１１、周辺部ストランド１２、被覆膜１１ａ，１２ａ、ゴム層１３の材料等の詳細は、上述したとおりである。

本発明のゴム補強用コードは、一般的な方法で製造できる。周辺部ストランドは、ガラス繊維を用いて一般的に用いられている公知の方法で形成できる。撚りを加える方法、および接着剤や収束剤の塗布および乾燥の方法も、一般的に用いられている公知の方法を適用できる。

＜ゴム製品＞
本発明の補強用コードは、様々なゴム製品に適用できる。本発明の補強用コードは、たとえば、歯付ベルト、平ベルトなどに特に好ましく適用できる。本発明のゴム補強用コードは、ゴム製品のゴム組成物（マトリクスゴム）に埋め込まれてゴム製品を補強する。

本発明のゴム製品の一例である歯付きベルトを図２に示す。この歯付きベルト２０は、本体２１と、本体２１に埋め込まれた複数の補強用コード２２とを備える。本体２１は、ゴム組成物によって形成されている、補強用コード２２は、本発明の補強用コードである。補強用コード２２は、歯付きベルト２０の移動方向に並行に配置される。補強用コード２２を除く部分は、公知の部材を適用できる。

以下、本発明について、実施例を用いてさらに詳細に説明する。

（実施例１〜５、比較例１〜７）
実施例１〜５および比較例１〜７では、芯繊維（コア）の高弾性繊維として、引張弾性率が２３０ＧＰａの炭素繊維を用いた。また、周辺部ストランド（スキン）のガラス繊維としては、繊維径７μｍの高強度ガラス繊維を用いた。実施例１〜５および比較例１〜７の補強用コードの具体的な構成は、表１に示すとおりである。

まず、炭素繊維およびガラス繊維に、表５に示す一次処理液を塗布し、１５０℃に設定された乾燥炉で１分間乾燥させた。このようにして、被覆膜が形成された炭素繊維とガラス繊維を作製した。このように作製された炭素繊維およびガラス繊維を用いて、表１に示すような撚り数等の条件を満たす補強用コードを作製した。このときの上撚り数は、全て１．７回／２５ｍｍとした。

次に、補強用コードの表面にゴム層を作製した。具体的には、補強用コードに表６に示す二次処理液を塗布し、１５０℃に設定された乾燥炉で２分間乾燥させて、ゴム層を作製した。

（実施例６〜１０、比較例８〜１４）
実施例６〜１０および比較例８〜１４として、表２に示すような撚り数等の条件を満たす補強用コードを作製した。上撚り数を２．０とした以外は、実施例１〜５、比較例１〜７の補強用コードと同様の方法で作製した。

（実施例１１、比較例１５、１６）
実施例１１および比較例１５、１６として、表３に示すような撚り数等の条件を満たす補強用コードを作製した。芯繊維に下撚りを施した以外は、実施例１〜５、比較例１〜７の補強用コードと同様の方法で作製した。

（実施例１２、比較例１７、１８）
実施例１２および比較例１７、１８として、表４に示すような撚り数等の条件を満たす補強用コードを作製した。芯繊維に引張弾性率が２７０ＧＰａのＰＢＯ繊維を用いた以外は、実施例１〜５、比較例１〜７の補強用コードと同様の方法で作製した。

以上のようにして得られた実施例１〜１２および比較例１〜１８の補強用コードについて、耐屈曲性評価と引張特性評価を行った。

まず、耐屈曲性の評価に用いる平ベルト（試験片）を作製した。表７に示す組成を有するマトリクスゴムに、補強用コード１本を埋設して、長さ２９５ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ３ｍｍの平ベルトを作製した。次に、作製した平ベルトの耐屈曲性を評価した。具体的には、平ベルトを図３に示す屈曲試験装置にかけ、ベルト表面に亀裂が発見されるまでの屈曲回数をカウントし、この回数を屈曲寿命とした。屈曲試験装置３０は、１個の平プーリ３１と、モータ（図示せず）と、４個のガイドプーリ３２とを備える。まず、作製された補強用コード３３を、５個のプーリに架けた。そして、補強用コード３３の一端３３ａにおもりをつけて、補強用コード３３に１０Ｎの初期張力を与えた。その状態で、補強用コード３３の他端３３ｂを図３の矢印の方向に往復運動させて、補強用コード３３を繰り返し屈曲させた。なお、屈曲試験は、プーリ半径：５ｍｍ、張力：１０Ｎ、周波数：１０Ｈｚの条件で行った。

引張特性の評価は、コード引張用のエアチャックを用いて、引張速度５０ｍ／ｍｉｎ、標点間距離５００ｍｍの条件で実施した。そして、破断時の強度である引張強度と０．８％伸び時の荷重により評価を行った。

以上の結果によれば、撚り比が１．５〜２．５を満たしている実施例１〜１２の補強用コードは、撚り比が１．５〜２．５を満たしていない比較例（比較例１〜５、８〜１２、１５および１７）の補強用コードと比較すると、これらの比較例の補強用コードと同程度の引張特性を維持しつつ、より高い耐屈曲疲労性を実現できることが確認された。また、撚り比が１．５〜２．５を満たしているものの、周辺部ストランドがモロ撚りではない比較例（比較例６、７、１３、１４、１６および１８）の補強用コードは、引張特性が実施例の補強用コードよりも悪く、耐屈曲疲労性も不十分であった。すなわち、実施例の補強用コードは、引張強度等の引張特性を良好に保ちつつ、その屈曲寿命を比較例の補強用コードよりも延ばすことができることが確認された。

以上の結果から、周辺部ストランドをモロ撚りに限定し、且つ、撚り比を１．５〜２．５の範囲に限定することで、屈曲時に補強用コードに発生するせん断応力を抑えることができ、被覆膜のき裂発生を遅らせることができると考えられる。

本発明の補強用コードは、高い耐屈曲疲労性と良好な引張特性とを実現できるので、様々なゴム製品の補強に適用可能である。例えば、耐屈曲疲労性および引張特性が高い次元で要求されるゴム製品の補強用コードとしても好適に利用できる。また、本発明のゴム製品は、高負荷に耐え得ることができるので、様々な用途に適用可能である。

Claims (10)

1. 芯繊維と、前記芯繊維の周囲に配置された複数本のストランドとを含むゴム補強用コードであって、
   前記芯繊維は、少なくとも１００ＧＰａの引張弾性率を有する１本または複数本の高弾性繊維からなり、
   前記ストランドは、複数本のガラス繊維が下撚りされることによって形成されており、前記複数本のストランドが上撚りされて前記芯繊維の周囲に配置されており、
   前記複数本のストランドにおける上撚り方向と下撚り方向とが逆であり、
   前記複数本のストランドにおける上撚り数が１．０〜３．０回／２５ｍｍであって、且つ、前記複数本のストランドにおける上撚り数に対する下撚り数の比（下撚り数／上撚り数）が１．５〜２．５の範囲内である、補強用コード。
2. 前記芯繊維は、１本の前記高弾性繊維からなり、
   前記芯繊維の周囲に、８〜１５本の前記ストランドが配置されている、請求項１に記載の補強用コード。
3. 前記芯繊維は下撚りされていない、請求項１に記載の補強用コード。
4. 前記芯繊維は、前記高弾性繊維が下撚りされることによって形成されており、
   前記芯繊維の下撚り数が０．１〜３．０回／２５ｍｍである、請求項１に記載の補強用コード。
5. 前記高弾性繊維が炭素繊維である、請求項１に記載の補強用コード。
6. 前記高弾性繊維がポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維である、請求項１に記載の補強用コード。
7. 前記芯繊維および前記ストランドの表面に設けられた被覆膜をさらに含み、
   前記被覆膜が、ゴムラテックスを主成分として含む処理液を前記芯繊維および前記ストランドに塗布して乾燥させることによって形成されている、請求項１に記載の補強用コード。
8. 表面を被覆するゴム層をさらに含む、請求項１に記載の補強用コード。
9. 請求項１に記載の補強用コードを含むゴム製品であって、
   前記補強用コードがゴム組成物に埋め込まれているゴム製品。
10. 前記ゴム製品が歯付きベルトまたは平ベルトである、請求項９に記載のゴム製品。

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