JP5771686B2 - ゴム組成物及びタイヤ - Google Patents

Description

本発明は、ゴム組成物及びタイヤに関し、特に、耐摩耗性、転がり抵抗性、工場作業性、及び耐チッピング性が同時に向上したタイヤトレッドを製造することが可能なタイヤトレッド用ゴム組成物（優れた耐摩耗性及び高い反発弾性を有する低発熱性のタイヤトレッドを製造することが可能なタイヤトレッド用ゴム組成物）及びそれを用いて作製した空気入りタイヤに関する。

タイヤが地面と接するタイヤトレッド（トレッドゴム）には、走行中の摩耗に対する耐性（耐摩耗性）が優れていると共に、走行中のゴムの変形時に発生するヒステリシスロスが低いこと（転がり抵抗性）が要求されているが、これらの性能は二律背反の関係にあることが知られている。

前記タイヤトレッド用ゴム組成物中に配合されるカーボンブラックの物理特性（例えば、比表面積、ストラクチャー、表面性状、など）によって、前記タイヤトレッドの性能は、大きな影響を受ける。
例えば、前記タイヤトレッド用ゴム組成物中に、比表面積の大きな（一次粒径の小さな）カーボンブラックを配合すると、耐摩擦性は向上するものの、転がり抵抗が高くなったり、また、前記タイヤトレッド用ゴム組成物中にカーボンブラックが分散しにくくなって、発熱性が増大したり、前記タイヤトレッド用ゴム組成物の未加硫ゴム粘度が大幅に高くなって、工場作業性が低下したりするという問題がある。
また、前記タイヤトレッド用ゴム組成物中に、高いストラクチャーを有するカーボンブラックを配合すると、耐摩擦性は向上するものの、転がり抵抗が高くなったり、また、前記タイヤトレッド用ゴム組成物の未加硫ゴム粘度が大幅に高くなって、工場作業性が低下したり、前記タイヤトレッド用ゴム組成物を使用したタイヤの耐チッピング性が低下したり、さらに、発熱性が増大したりするという問題がある。

斯かる問題を解決するために、前記タイヤトレッド用ゴム組成物中に、特定の性質を有するカーボンブラックを配合することが検討されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、タイヤトレッドの耐摩耗性、転がり抵抗性、工場作業性、及び耐チッピング性を同時に向上させることができないという問題がある。

特開平５−２３０２９０号公報

本発明は、耐摩耗性、転がり抵抗性、工場作業性、及び耐チッピング性が同時に向上したタイヤトレッドを製造することが可能なタイヤトレッド用ゴム組成物及びそれを用いて作製した空気入りタイヤを提供することを目的とする。

本発明者は、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、ゴム成分１００質量部に対して、カーボンブラックを２０質量部〜１００質量部配合してなり、前記カーボンブラックは、ＣＴＡＢ比表面積が６０ｍ^２／ｇ〜１０５ｍ^２／ｇであり、２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量が７０ｃｍ^３／１００ｇ（７０ｍｌ／１００ｇ）〜１０５ｃｍ^３／１００ｇ（１０５ｍｌ／１００ｇ）であり、Ｎ_２ＳＡ／ＩＡが０．９５以下であり、下記式（１）を満たすゴム組成物を用いることにより、その目的を達成し得ることを見出した。即ち、本発明者は、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、カーボンブラックの比表面積（ＣＴＡＢ）、ストラクチャ（２４Ｍ４ＤＢＰ）が増減すると、比着色力（ＴＩＮＴ）の値も増減するが、これらの比表面積（ＣＴＡＢ）、ストラクチャ（２４Ｍ４ＤＢＰ）、比着色力（ＴＩＮＴ）の値が、所定の関係を示し、かつ、窒素吸着非表面積Ｎ_２ＳＡとヨウ素吸着量ＩＡの比Ｎ_２ＳＡ／ＩＡの値が一定条件を満たすゴム組成物を用いたときに、その目的を達成し得ることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。

すなわち、本発明のゴム組成物は、天然ゴム、ポリイソプレンゴム、ポリブタジエンゴム、スチレン・ブタジエン共重合体ゴム、及びアクリロニトリルブタジエンゴムからなる群から選択される少なくとも１種のジエン系ゴムを含むゴム成分１００質量部に対して、カーボンブラックを２０質量部〜１００質量部配合してなり、前記カーボンブラックは、ＣＴＡＢ比表面積が６０ｍ^２／ｇ〜１０５ｍ^２／ｇであり、２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量が７０ｃｍ^３／１００ｇ〜１０５ｃｍ^３／１００ｇであり、Ｎ_２ＳＡ／ＩＡが０．９５以下であり、下記式（１）を満たすことを特徴とする。
ＴＩＮＴ（％）＋０．４×２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量（ｃｍ^３／１００ｇ）−０．５×ＣＴＡＢ比表面積（ｍ^２／ｇ）＞１０６ ・・・（１）

前記カーボンブラックは、ＣＴＡＢ比表面積が９０ｍ^２／ｇ〜１０５ｍ^２／ｇであることが望ましい。

前記カーボンブラックは、２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量が８５ｃｍ^３／１００ｇ〜１０５ｃｍ^３／１００ｇであることが望ましい。

本発明のタイヤは、本発明のゴム組成物を用いて作製したタイヤトレッドを有することを特徴とする。

本発明によれば、耐摩耗性、転がり抵抗性、工場作業性、及び耐チッピング性が同時に向上したタイヤトレッドを製造することが可能なタイヤトレッド用ゴム組成物及びそれを用いて作製した空気入りタイヤを提供することができる。

カーボンブラックの製造装置の断面図である。

以下、本発明について、具体的に説明する。
（ゴム組成物）
本発明のゴム組成物は、少なくとも、ゴム成分、カーボンブラックを含有してなり、さらに必要に応じて、亜鉛華、ステアリン酸、架橋剤、架橋促進剤、等のその他の成分を含有してなる。

＜ゴム成分＞
前記ゴム成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、天然ゴム（ＮＲ）、ポリイソプレンゴム（ＩＲ）、ポリブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレン・ブタジエン共重合体ゴム（ＳＢＲ）、アクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、等のジエン系ゴム、などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

＜カーボンブラック＞
前記カーボンブラックのＣＴＡＢ比表面積としては、６０ｍ^２／ｇ〜１０５ｍ^２／ｇである限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、９０ｍ^２／ｇ〜１０５ｍ^２／ｇであることが好ましい。
前記ＣＴＡＢ比表面積が、６０ｍ^２／ｇ未満であると、耐摩耗性が低下し、１０５ｍ^２／ｇを超えると、転がり抵抗性及び工場作業性が得られない。一方、前記好ましい範囲であると、耐摩耗性と転がり抵抗性と工場作業性のバランスの点で有利である。
前記ＣＴＡＢ比表面積は、例えば、ＩＳＯ６８１０法に準拠して測定することができる。
なお、前記カーボンブラックのＣＴＡＢ比表面積が小さいことは、前記カーボンブラックの一次粒径が大きいことを意味する。

前記カーボンブラックの２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量としては、７０ｃｍ^３／１００ｇ〜１０５ｃｍ^３／１００ｇである限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、８５ｃｍ^３／１００ｇ〜１０５ｃｍ^３／１００ｇであることが好ましい。
前記２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量が、７０ｃｍ^３／１００ｇ未満であると、耐摩耗性が低下し、１０５ｍ^３／１００ｇを超えると、転がり抵抗性及び工場作業性が得られない。一方、前記好ましい範囲であると、耐摩耗性と転がり抵抗性と工場作業性のバランスの点で有利である。
前記２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量は、例えば、ＩＳＯ６８９４法に準拠して測定することができる。
なお、前記カーボンブラックの２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量が小さいことは、前記カーボンブラックが低ストラクチャー化されていることを意味する。

前記カーボンブラックのＮ_２ＳＡ／ＩＡとしては、０．９５以下である限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０．８８〜０．９５であることが好ましい。
前記Ｎ_２ＳＡ／ＩＡが、０．８８未満であると、耐摩耗性が低下することがあり、０．９５を超えると、耐チッピング性が得られない。前記好ましい範囲であると、耐摩耗性と耐チッピング性の両立の点で有利である。
窒素吸着比表面積（Ｎ_２ＳＡ）は、例えば、ＩＳＯ４６５２−１に準拠して単点法にて測定することができ、ヨウ素吸着量ＩＡは、ＩＳＯ１３０４法に準拠して測定を行うことができ、その比Ｎ_２ＳＡ／ＩＡを算出することができる。
なお、前記カーボンブラックのＮ_２ＳＡ／ＩＡが小さいことは、前記カーボンブラックの表面官能基数が少ないことを意味する。

前記カーボンブラックのＴＩＮＴ（比着色力）、２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量、及びＣＴＡＢ比表面積としては、下記式（１）を満たす限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
ＴＩＮＴ（％）＋０．４×２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量（ｃｍ^３／１００ｇ）−０．５×ＣＴＡＢ比表面積（ｍ^２／ｇ）＞１０６・・・（１）
前記ＴＩＮＴ、２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量、及びＣＴＡＢ比表面積が、上記式（１）を満たさないと、耐摩耗性が得られない。
前記ＴＩＮＴ（比着色力）は、例えば、ＩＳＯ５４３５法に準拠して測定することができる。

前記カーボンブラックの配合量としては、前記ゴム組成物におけるゴム成分１００質量部に対して２０質量部〜１００質量部である限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、３０質量部〜７０質量部が好ましい。
前記カーボンブラックの配合量が、２０質量部未満であると、耐摩耗性が低下し、１００質量部を超えると、転がり抵抗性が得られない。一方、前記好ましい範囲であると、耐摩耗性と転がり抵抗性の両立の点で有利である。

−カーボンブラックの製造方法−
本発明で用いられるカーボンブラックは、上記の性状を有するものであれば、どのような製造方法により製造されたものかについての制限はない。カーボンブラックの製造方法としては、ファーネス法、チャンネル法、サーマル法、アセチレン法などが一般に知られているが、ファーネス法が最も一般的である。
本発明で用いられるカーボンブラックは、例えば、燃料と空気などの酸素含有ガスとを燃焼させて燃焼ガスを生成する第一領域（燃焼領域）、該領域より絞られ、カーボンブラックの原料を供給しカーボンブラックを生成する第二領域（テーパー領域）、該チョーク領域より拡大された第三領域（反応領域）を有する円筒状の製造装置を使用したファーネス法により製造することができる。

当該製造装置の好ましい一態様について、図１を用いて説明する。図１に示される製造装置は、第一領域１（燃焼領域）、第二領域２（テーパー領域）及び第三領域３（反応領域）を有し、第二領域２と第三領域３との接続部にチョーク部４を有するものである。

第二領域２は、第一領域１で生成した燃焼ガスに、カーボンブラックの原料となる炭化水素などを供給し、該原料を主に熱分解させることによりカーボンブラックを生成させる領域である。第二領域２の形状は、第一領域１との接続部より徐々に細くなり、狭小円筒部５でチョーク部４と接続する。
第二領域２には、カーボンブラックの原料となる炭化水素などを製造装置内に供給する原料導入口７が設けられている。原料導入口７は、第二領域２内に原料をできるだけ均一に供給するために、例えば図１に示される原料導入口７−１〜７−３のように複数列設けることができ、原料導入口７−１〜７−３の各々は複数の導入口から構成することができる。

第二領域２と第三領域３との接続部に設けられるチョーク部４は、得られるカーボンブラックの粒子径の調整を行う部分である。チョーク部４の長さは、所望するカーボンブラックの粒子径により適宜選定すればよいが、本発明においては２００〜６００ｍｍ程度が好ましく、より好ましくは３００〜５００ｍｍ程度である。

また、第三領域３は、チョーク部４を通過したカーボンブラックを伴った燃焼ガスを１０００℃以下程度に冷却し、カーボンブラックの粒子を得る領域であり、チョーク部４よりも大きい直径を有する拡大円筒部６からなるものである。燃焼ガスの冷却は、反応停止流体導入口８より水などの供給により行われる。反応停止流体導入口８は、例えば図１に示される反応停止流体導入口８−１〜８−５のように複数列設けることができる。

ここで、燃料や空気などの酸素含有ガスの供給量や、原料の供給量、及びこれらの供給方法には特に制限はないが、チョーク部４の直径と第三領域３の直径との比（第三領域３の直径／チョーク部４の直径）は、１．８以上が好ましく、２以上がより好ましく、２．２以上がさらに好ましい。チョーク部４の直径と第三領域３の直径との比の上限値には特に制限はないが、製造装置の大きさを考慮すると、４以下程度、好ましくは３．５以下とすればよい。なお、上記のカーボンブラックの製造方法は、好ましい態様の一例を記載したものであり、本発明のカーボンブラックを得るにあたり、これに制限されるものではない。

＜架橋剤＞
前記架橋剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、硫黄、硫化硫黄、などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
また、前記架橋剤としての硫黄の配合量を多くすることにより、摩耗性は保持したままで弾性を高めることができる。

＜架橋促進剤＞
前記架橋促進剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、Ｎ，Ｎ’−ジシクロヘキシル−２−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド、ジフェニルグアニジン、ジベンゾチアジルジスルフィド、Ｎ−ｔ−ブチル−２−ベンゾチアジルスルフェンアミド（Ｎ−ｔ−ブチル−２−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド）、ヘキサメチレンテトラミン、Ｎ，Ｎ’−ジフェニルチオ尿素、トリメチルチオ尿素、Ｎ，Ｎ’−ジエチルチオ尿素、１，３−ジフェニルグアニジン、２−メルカプトベンゾチアゾール、Ｎ−シクロヘキシル−２−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド、などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
前記架橋促進剤の配合量を多くすることにより、架橋により編み目密度を増やすことによって弾性を高めることもできる。

（タイヤ）
本発明のタイヤとしては、本発明のゴム組成物を用いて作製したタイヤトレッドを有するものである限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、空気入りタイヤが好ましい。
前記タイヤを製造する方法としては、慣用の方法を用いることができる。例えば、タイヤ成形用ドラム上に未加硫ゴムからなるカーカス層、ベルト層、トレッド層等の通常のタイヤ製造に用いられる部材を順次貼り重ね、ドラムを抜き去ってグリーンタイヤとする。次いで、このグリーンタイヤを常法に従って加熱加硫することにより、所望の空気入りタイヤを製造することができる。

以下、本発明について、実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜３及び比較例１〜１０）
（ゴム組成物の調製）
下記表１に示す配合でバンバリーミキサーを用いて混練して、ゴム組成物を調製した。なお、カーボンブラックの各特性値は、下記の方法で測定した。また、カーボンブラックは、オイルファーネス式の製造方法で、旭カーボン社製の炉を用いて表２に示す条件で製造した。
なお、当該炉は、燃料と空気とを燃焼させる第一領域１（直径：７００ｍｍ，長さ：１０００ｍｍ）、原料油を供給しカーボンブラックを生成する第二領域２（上流端直径：７００ｍｍ，下流端直径：２３０ｍｍ，長さ：１２００ｍｍ）、チョーク部４（直径：２３０ｍｍ，長さ：４００ｍｍ）、及び第三領域（直径：５７６ｍｍ，長さ：５０００ｍｍ，反応領域直径比／チョーク領域直径：２．５）を有する円筒状の製造装置である。
また、比較例６では、カーボンブラックとして、ＡＳＴＭ Ｎ３３０のものを用い、比較例７では、カーボンブラックとして、ＡＳＴＭ Ｎ３３９を用いた。

＜ＣＴＡＢ比表面積の測定＞
前記ＣＴＡＢ比表面積をＩＳＯ６８１０法に準拠して測定した。

＜２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量の測定＞
前記２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量をＩＳＯ６８９４法に準拠して測定した。

＜Ｎ_２ＳＡ／ＩＡの算出＞
前記窒素吸着比表面積（Ｎ_２ＳＡ）をＩＳＯ４６５２−１に準拠して単点法にて測定し、前記ヨウ素吸着量ＩＡをＩＳＯ１３０４法に準拠して測定し、その比Ｎ_２ＳＡ／ＩＡを算出した。

＜ＴＩＮＴ（比着色力）の測定＞
前記ＴＩＮＴ（比着色力）をＩＳＯ５４３５法に準拠して測定した。

（タイヤの作製及び評価）
前記作製したゴム組成物をタイヤトレッドに用いて、１５０℃で４５分間加硫して、１１Ｒ２２．５のトラック用タイヤを作製し、下記の方法で当該タイヤの耐摩耗性、転がり抵抗性、工場作業性、及び耐チッピング性を評価した。結果を表３Ａ〜３Ｃに示す。

＜耐摩耗性指数の測定＞
上記トラック用タイヤを車両に装着し、４万キロ走行した地点でのタイヤの溝の減量を測定し、比較例６のタイヤの溝減量の逆数を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。

＜転がり抵抗性指数の測定＞
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６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。

＜工場作業性指数（ＭＬ_１＋４）の測定＞
未加硫ゴム組成物サンプルを１３０℃の条件でムーニー粘度（ＭＬ_１＋４）を、ＪＩＳ Ｋ６３００に準じて測定し、比較例６の値を１００として指数表示した。数値が小さいほど、良好であることを示す。

＜耐チッピング性指数（引張試験破断時伸び）の測定＞
ＪＩＳ Ｋ６２５１−１９９３に準拠して、加硫ゴム組成物サンプル（加硫時間：１４５℃、３０分間）の引っ張り試験を行い、２３℃で測定した時の破断時の伸び（Ｅｂ）を求め、比較例６の値を１００として指数表示した。数値が大きいほど、良好であることを示す。

表２Ａ〜２Ｃより、ゴム成分１００質量部に対して、カーボンブラックを２０質量部〜１００質量部配合してなり、前記カーボンブラックは、ＣＴＡＢ比表面積が６０ｍ^２／ｇ〜１０５ｍ^２／ｇであり、２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量が７０ｃｍ^３／１００ｇ〜１０５ｃｍ^３／１００ｇであり、Ｎ_２ＳＡ／ＩＡが０．９５以下であり、下記式（１）を満たすゴム組成物を用いることにより、耐摩耗性、転がり抵抗性、工場作業性、及び耐チッピング性が同時に向上したタイヤトレッドを作製することができることが分かる。

１．第一領域（燃焼領域）
２．第二領域（テーパー領域）
３．第三領域（反応領域）
４．チョーク部
５．狭小円筒部
６．拡大円筒部
７．原料導入口
７−１〜３．原料導入口
８．反応停止流体導入口
８−１〜５．反応停止流体導入口

Claims (4)

1. 天然ゴム、ポリイソプレンゴム、ポリブタジエンゴム、スチレン・ブタジエン共重合体ゴム、及びアクリロニトリルブタジエンゴムからなる群から選択される少なくとも１種のジエン系ゴムを含むゴム成分１００質量部に対して、カーボンブラックを２０質量部〜１００質量部配合してなり、
   前記カーボンブラックは、ＣＴＡＢ比表面積が６０ｍ^２／ｇ〜１０５ｍ^２／ｇであり、２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量が７０ｃｍ^３／１００ｇ〜１０５ｃｍ^３／１００ｇであり、Ｎ_２ＳＡ／ＩＡが０．９５以下であり、下記式（１）を満たすことを特徴とするゴム組成物。
   ＴＩＮＴ（％）＋０．４×２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量（ｃｍ^３／１００ｇ）−０．５×ＣＴＡＢ比表面積（ｍ^２／ｇ）＞１０６・・・（１）
2. 前記カーボンブラックは、ＣＴＡＢ比表面積が９０ｍ^２／ｇ〜１０５ｍ^２／ｇであることを特徴とする請求項１に記載のゴム組成物。
3. 前記カーボンブラックは、２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量が８５ｃｍ^３／１００ｇ〜１０５ｃｍ^３／１００ｇであることを特徴とする請求項１に記載のゴム組成物。
4. 請求項１に記載のゴム組成物を用いて作製したタイヤトレッドを有することを特徴とするタイヤ。

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