JP5467738B2 - ゴム組成物およびそれを用いたタイヤ - Google Patents

Description

本発明はゴム組成物およびそれを用いたタイヤに関し、詳しくは、タイヤに使用し、そのタイヤを装着した自動車等の燃費を減少させることが期待できるゴム組成物及びそれを用いたタイヤに関するものである。

環境あるいは安全への関心が高まるにつれ、タイヤに転がり抵抗の低減による低燃費性や、耐摩耗性の向上が強く要請されている。
ところで、タイヤの耐摩耗性を図るため、ジエン系ゴムに対し、ＣＴＡＢ比表面積が１１０〜１７０ｍ^２／ｇ、及び２４Ｍ４ＤＢＰ圧縮吸油量が１００〜１３０ｍｌ／１００ｇ等の特性を持つカーボンブラックを配合したタイヤ用ゴム組成物が提案されている（例えば特許文献１を参照）。また、ＣＴＡＢ比表面積を小さくする、つまり、カーボンブラックの一次粒子を大きくすることで、ゴム中でのカーボンブラックの一次粒子間距離を長くし、ゴム変形による一次粒子同士の擦れ合いを減少し、発熱を抑えて転がり抵抗を低減することも考えられている。
特開平５−２３０２９０号公報

ところで、ＣＴＡＢ比表面積が小さいと、ポリマーとの接触面積が小さくなり、カーボンブラックによる十分な補強が取れず、耐摩耗性を低下させてしまう問題がある。従って、タイヤの高い耐摩耗性と低い転がり抵抗性とを発揮することのできる特性を有したカーボンブラックをゴム組成物に配合することが望まれている。

本発明は、上記課題を解決するために、タイヤのトレッドゴムに使用した場合に、耐摩耗性が高くタイヤのライフが長く、且つ転がり抵抗性が低い、それを装着した自動車の走行中の燃料の消費量を減少させることのできるゴム組成物およびそれを用いたタイヤを提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、カーボンブラックの特性を従来とは異なった視点に立って研究を重ね、ＣＴＡＢ比表面積が同等、即ち一次粒子径が同等であって、水銀ポロシメトリーによる比表面積の水銀圧入測定し、従来小さかった水銀圧入比表面積を従来よりも大きくしたものを用いることにより、ゴムの補強性が高くなることを見出し、本発明を完成するに至った。
水銀はカーボンブラックの細孔のうち、最も小さなミクロ細孔６ｎｍ未満には圧入しない。ゴム成分が容易に吸着可能なメソ細孔以上の比較的大きな細孔に圧入する。これは、カーボンブラック表面のうちのメソ細孔以上の広さを有する部位の比表面積を表し、この値が大きいと、ＣＴＡＢ比表面積が同等であっても、ゴム成分との接触面積を大きくすることが期待でき、一次粒子同士の擦れ合いによる発熱が抑えられつつ、補強性を高めることができる。

即ち、本発明のゴム組成物は、天然ゴム、合成イソプレンゴム、および合成ジエン系ゴムからなる群から選ばれた少なくとも１種からなるゴム成分に、水銀ポロシメトリーにより測定される水銀圧入比表面積Ｘ（ｍ^２／ｇ）とＣＴＡＢ比表面積Ｙ（ｍ^２／ｇ）とがＸ／Ｙ≧０．８４の関係を満たすカーボンブラックを配合する。その配合量はゴム成分１００質量部に対して１０〜１００質量部の範囲が好ましい。
また、カーボンブラックは好ましくは、そのＣＴＢＡ比表面積Ｙ（ｍ^２／ｇ）が８０≦Ｙ≦１６０であり、また、２４Ｍ４ＤＢＰ圧縮吸油量Ｚ（ｍｌ／１００ｇ）が８０＜Ｚ＜１３０である。

また、本発明のタイヤは、上記ゴム組成物をトレッドに使用したことを特徴とするものである。

従来のカーボンブラックは一次粒子を凝集させて、ストラクチャを形成させているが、そのストラクチャにはポリマーが入り込めない細かな孔が多く生じる。本発明のゴム組成物は、従来のカーボンブラックとは異なる製造により、ポリマーの侵入不能な細孔を少なくした構造のカーボンブラックを用いている。即ち、従来のカーボンブラックの水銀圧入比表面積ＸとＣＴＡＢ比表面積Ｙとの比Ｘ／Ｙの関係が０．８４満たないものに代えて、Ｘ／Ｙの関係が０．８４以上を満たすカーボンブラック、ポリマー吸着に有効な細孔を有するカーボンブラックを配合する。これにより、トレッドゴムに使用したタイヤの転がり抵抗性が悪化することなく、耐摩耗性を著しく高めることができ、そのタイヤを装着した自動車の走行中の燃料の消費量を減少させることができる。また、カーボンブラックは好ましくは、そのＣＴＢＡ比表面積Ｙ（ｍ^２／ｇ）が８０≦Ｙ≦１６０であり、また、２４Ｍ４ＤＢＰ圧縮吸油量Ｚ（ｍｌ／１００ｇ）が８０＜Ｚ＜１３０である。ＣＴＡＢ比表面積が８０ｍ^２／ｇ未満では耐摩耗性が低下し、１６０ｍ^２／ｇを超えるとカーボンブラックのゴム成分への分散性が低下して加工性が悪くなり、また、かかるゴム組成物をトレッドゴムとした場合のタイヤの低転がり抵抗性が悪化する。また、２４Ｍ４ＤＢＰ圧縮吸油量Ｚが８０ｍｌ／１００ｇ以下では耐摩耗性が低下し、１３０ｍｌ／１００ｇ以上ではゴム組成物の未加硫度が著しく上昇して加工性が悪化する。

以下に本発明の好適実施形態を詳細に説明する。
本発明のゴム組成物のゴム成分は、天然ゴム、合成イソプレンゴムおよび合成ジエン系ゴムからなる群から選ばれた少なくとも１種のゴムである。ジエン系の合成ゴムとしては、例えば、スチレン−ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）、ポリブタジエン（ＢＲ）、ポリイソプレン（ＩＲ）、ブタジエン−イソプレン共重合体、ブタジエン−スチレン−イソプレン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、クロロプレンゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム等が挙げられる。これらのゴムおよび天然ゴムは、単独で用いても、あるいは２種以上を混合して用いてもよい。

また、本発明に使用するカーボンブラックの特性は水銀ポロシメトリーにより測定される水銀圧入比表面積Ｘ（ｍ^２／ｇ）とＣＴＡＢ比表面積Ｙ（ｍ^２／ｇ）とがＸ／Ｙ≧０．８４の関係を満たす。
また、好ましくは、ＣＴＢＡ比表面積Ｙ（ｍ^２／ｇ）が８０≦Ｙ≦１６０であり、また、２４Ｍ４ＤＢＰ圧縮吸油量Ｚ（ｍｌ／１００ｇ）が８０＜Ｚ＜１３０である。
水銀圧入比表面積Ｘは、ＱＵＡＮＴＡＣＨＲＯＭＥ社製（販売元：ユアサアイオニクス株式会社）水銀ポロシメーター２０００型を用いて測定した。本装置では、Washburnの関係式に接触角θ＝１４０゜で、水銀の表面張力σ＝４８０ｄｙｎｅ／ｃｍを採用している。３００００蒸気圧（ＰＳＩＡ）まで加圧するので、細孔測定範囲は細孔径が約６ｎｍ以上である。
ＣＴＡＢ比表面積Ｙはセチルトリメチルアンモニウムブロマイド吸着比表面積の略記であり、上記値はＩＳＡＳＴＭ Ｄ３７６５−８０に準拠して測定した値である。また、２４Ｍ４ＤＢＰ圧縮吸油量Ｚはジブチルフタレート吸油量の略記であり、ＡＳＴＭ Ｄ３４９３−８５ａに準拠して測定した値である。

カーボンブラックとして、製造方法によりチャンネルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラックなどがある。上記カーボンブラックの配合量は、ゴム成分１００重量部に対し、１０〜１００質量部が好ましく、特に好ましくは２０〜８０重量部である。含有量が当該範囲内にあることにより、耐摩耗性が十分な値を示し、所望の性能を十分に得ることができる。

本発明において、カーボンブラックは、細孔のうち、最も小さなミクロ細孔６ｎｍ未満には圧入しない。このため、カーボンブラックはその細孔半径が５０Å未満のものが少ないゴム成分が容易に吸着可能なメソ細孔以上の比較的大きな細孔を有するものである。従って、本発明のカーボンブラックの水銀圧入比表面積Ｘは出来る限り、ＣＴＡＢ比表面性Ｙに近づくことが好ましく、Ｘ／Ｙは上述したように、少なくとも０．８４以上であり、好ましくは、０．８５以上である。
この場合、天然ゴムやジエン系合成ゴムとの混練り初期のなじみがよく、ＣＴＡＢ比表面積が同等であっても、ゴム成分との接触面積を大きくすることができ、一次粒子同士の擦れ合いによる発熱が抑えられ、ゴムの補強性が高まる。

その他に、好ましい粉体物性として、以下のような値を挙げることができる。ただし、本発明はそれらの数値範囲に制限されないことはいうまでもない。
ＣＴＡＢ比表面積Ｙ（ｍ^２／ｇ）が８０≦Ｙ≦１６０であることが好ましく、９０≦Ｙ≦１５０であることが更に好ましい。この範囲では、ゴム成分への分散性が良く加工性が良好であり、タイヤとしての耐摩耗性、低転がり抵抗性が十分に達成できる。ＣＴＡＢ比表面積が８０ｍ^２／ｇ未満では耐摩耗性が低下し、１６０ｍ^２／ｇを超えるとカーボンブラックのゴム成分への分散性が低下して加工性が悪くなり、また、かかるゴム組成物をトレッドゴムとした場合のタイヤの低転がり抵抗性が悪化する。
また、２４Ｍ４ＤＢＰ圧縮吸油量Ｚ（ｍｌ／１００ｇ）が８０＜Ｚ＜１３０であることが好ましく、９０≦Ｚ≦１２０であることが更に好ましい。この範囲では、が８０ｍｌ／１００ｇ以下では耐摩耗性が低下し、１３０ｍｌ／１００ｇ以上ではゴム組成物の未加硫粘度が著しく上昇して加工性が悪化する。

なお、本発明のゴム組成物には、上記カーボンブラック以外に工業上で通常使用される配合剤、例えば補強性充填剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫促進助剤、軟化剤、老化防止剤等を適宜配合することができ、該ゴム組成物はバンバリーミキサー、インターミキサー等の密閉混練機やロール等の混練機を用いて混練することにより得られる。

また、本発明のタイヤは、上記本発明のゴム組成物をトレッドに使用したことを特徴とするものである。トレッド以外の材質およびタイヤ構造は、特に制限されるものではなく、適宜選定することができる。本発明のタイヤにおいては、空気に限らず、窒素、その他の不活性ガスを充填させることができる。

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なんら限定されるものではない。
後述の表３及び表４に示す実施例及び比較例における試験ゴム組成物は下記の表１に示す配合をベースとして混練し、作製した。
また、各実施例のカーボンブラックについては、以下の表２の条件での製造方法により得たカーボンブラック又は市販のカーボンブラックを使用した。

＜カーボンブラックの製造方法＞
カーボンブラック製造装置はほぼ円筒状の炉からなる。炉の上流端部には燃料導入口及び空気導入口が設けられる。炉の上流部には、燃料ガスと空気ガス（酸素含有ガス）とが混合して高温の燃焼ガス流を発生する燃焼ガス発生室が形成される。燃焼ガス発生室は、長さが１０００ｍｍで内径が５９５ｍｍφである。燃焼ガス発生室の下流には、内径が徐々に小さく形成された中間移行室（原料導入室を含む。）が設けられる。中間移行室の長さは１７００ｍｍであり、その最下流の最狭隘部の径は７０〜３００ｍｍである。また、中間移行室の最下流の最狭隘部から上流に向けて１００ｍｍ及び２００ｍｍの位置の側壁に原料導入ノズルの設置孔（導入位置）が形成される。設置孔は炉の周壁に８個形成され、各孔には実施条件に応じて原料ノズルが設置される。また、原料ノズルが設置される位置の炉の断面の内径形状は、円形又はほぼ楕円形であり、楕円形の場合は最長径（最長距離）／最短径（最短距離）が製造条件となる。
中間移行室の下流にはカーボンブラック生成室が設けられ、生成室には反応停止の冷却媒体導入口が、上記最狭隘部から２０００ｍｍ、及び３０００ｍｍの位置に設けられる。この導入口に冷却媒体導入手段を設けることにより、急冷位置が決定される。
カーボンブラック製造装置を使用して、原料に重量油を使用し、燃料にＡ重油を使用して、以下の表２の条件で、カーボンブラックａ〜ｊを製造した。

＜市販のカーボンブラック＞
＊カーボンブラックＮ３３０（Ｃａｂｏｔ社製 ＶＵＬＣＡＮ３）
＊カーボンブラックＮ２３４（Ｃａｂｏｔ社製 ＶＵＬＣＡＮ７Ｈ）
＊カーボンブラックＮ１３４（Ｃａｂｏｔ社製 ＶＵＬＣＡＮ１０Ｈ）

また、得られた各種ゴム組成物をトレッドゴムとして用い、常法に従い、サイズ１１Ｒ２２．５のトラック用タイヤを作製し、下記方法で当該タイヤの転がり抵抗性及び耐摩耗性の評価をした。
（１）転がり抵抗性
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、比較例３のタイヤの転がり抵抗値を１００として指数表示した。指数が小さいほど、転がり抵抗が小さく、良好であることを示す。
（２）耐摩耗性
上記タイヤを車両に装着し、４万キロ走行時点でのタイヤの溝の減量を測定し、比較例３の溝減量の逆数を１００として指数表示した。指数が大きいほど、耐摩耗性に優れていることを示す。
以上の結果を表３及び表４に併せて示す。

上記表３及び表４から、参考例１は比較例４に対して、低転がり抵抗性（８７）を維持しながら耐摩耗性（９１）が改善されている。参考例２は耐摩耗性を維持しながら転がり抵抗性が向上している。実施例１−３は、転がり抵抗性が若干劣るが耐摩耗性が顕著に向上している。

本発明のゴム組成物は、ゴム成分に特定のカーボンブラックを配合したものであり、かかるゴム組成物をタイヤのトレッドに利用したとき、耐摩耗性が高くタイヤのライフが長く、且つ転がり抵抗性が低い、それを装着した自動車の走行中の燃料の消費量を減少させることのできる産業上の利用可能性のあるものである。

Claims (3)

1. 天然ゴム、合成イソプレンゴム、および合成ジエン系ゴムからなる群から選ばれた少なくとも１種からなるゴム成分に、
   水銀ポロシメトリーにより測定される水銀圧入比表面積Ｘ（ｍ^２／ｇ）とＣＴＡＢ比表面積Ｙ（ｍ^２／ｇ）とがＸ／Ｙ≧０．８４の関係を満たし、そのＣＴＡＢ比表面積Ｙ（ｍ ^２ ／ｇ）が８０≦Ｙ≦１６０であり、また、２４Ｍ４ＤＢＰ圧縮吸油量Ｚ（ｍｌ／１００ｇ）が８０＜Ｚ≦１０８である、カーボンブラックを配合することを特徴とするゴム組成物。
2. 前記カーボンブラックをゴム成分１００質量部に対して１０〜１００質量部の範囲で配合したものである請求項１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トレッドに使用したことを特徴とするタイヤ。