JP5997249B2 - タイヤ用ゴム組成物及び空気入りタイヤ - Google Patents

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Description

本発明は、タイヤ用ゴム組成物、及びそれを用いた空気入りタイヤに関する。
近年、自動車用の空気入りタイヤに要求される特性は、低燃費性(転がり抵抗特性)のほか、トレッド部の耐摩耗性やウェットスキッド性能など多岐にわたり、これらの性能を向上するために種々な工夫がなされている。特に最近は低燃費化への要求が強いため、タイヤ用ゴム組成物の補強用充填剤としてシリカが使用される傾向にあるが、シリカは表面に親水性シラノール基が存在し、カーボンブラックに比べゴムとの親和性が低いため、耐摩耗性や力学強度の点で劣る場合が多い。
このような問題を改善するため、シランカップリング剤や補強性の高い微粒子シリカを使用する方法が考えられるが、微粒子シリカは一般にゴム組成物中で分散させることが非常に困難で、良好に分散できずに凝集塊が残り、耐摩耗性や力学強度をそれほど改善できない、又はかえってこれらの特性を悪化させる場合もある。
例えば、特許文献1には、フィラーとして非晶質シリカ球状微粒子を使用し、転がり抵抗、耐摩耗性を悪化させることなく、ウェットスキッド性能を改善したトレッド用ゴム組成物が開示されているが、これらの性能をバランスよく改善する点については、未だ改善の余地がある。
特開2008−31244号公報
本発明は、前記課題を解決し、転がり抵抗、耐摩耗性及びウェットスキッド性能をバランスよく改善できるタイヤ用ゴム組成物、及びこれを用いた空気入りタイヤを提供することを目的とする。
本発明は、下記式(I)で表されるアクリルアミド化合物で変性された変性ジエン系ゴムAと、
Figure 0005997249
(式中、Rは水素又はメチル基を表す。R及びRはアルキル基を表す。nは整数を表す。)
下記式(II)で表されるケイ素若しくはスズ化合物及び下記式(III)で表される変性化合物、又は下記式(III)で表される変性化合物で変性された変性ジエン系ゴムBとを含み、かつ該変性ジエン系ゴムA及びB全体の重量平均分子量が30万〜140万であり、
Figure 0005997249
(式中、Rはアルキル基、アルケニル基、シクロアルケニル基又は芳香族炭化水素基を表す。Mはケイ素又はスズを表す。Xはハロゲンを表す。aは0〜2の整数を表す。bは2〜4の整数を表す。)
Figure 0005997249
(式中、R〜Rは同一若しくは異なって炭素数が1〜8のアルキル基を表す。R〜R12は同一若しくは異なって炭素数が1〜8のアルコキシ基又はアルキル基を表す。p〜rは同一若しくは異なって1〜8の整数を表す。)
更に、CTAB比表面積180m/g以上、BET比表面積185m/g以上のシリカとを含むタイヤ用ゴム組成物に関する。
前記変性ジエン系ゴムA及びBとして、炭化水素溶媒中で、共役ジエンモノマー、又は共役ジエンモノマー及び芳香族ビニルモノマーをアルカリ金属系触媒を用いて重合させることにより得られるアルカリ金属末端を有する活性共役ジエン系重合体に対して、前記アクリルアミド化合物と、前記ケイ素若しくはスズ化合物及び前記変性化合物、又は前記変性化合物とを反応させることにより得られる混合物を好適に使用できる。
前記変性化合物におけるR〜Rはメチル基、エチル基、プロピル基又はブチル基であることが好ましく、R〜R12はメトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基又はブトキシ基であることが好ましく、p〜rは2〜5の整数であることが好ましい。
本発明はまた、前述のゴム組成物を用いて作製したトレッドを有する空気入りタイヤに関する。
本発明によれば、特定のアクリルアミド化合物で末端が変性された変性ジエン系ゴムAと、ケイ素若しくはスズ化合物及び特定の変性化合物、又は該変性化合物で変性された変性ジエン系ゴムBとを含み、かつ該ゴムAとB全体の重量平均分子量が特定範囲のものを使用するとともに、更に特定のCTAB比表面積及びBET比表面積を有する微粒子シリカも使用するタイヤ用ゴム組成物であるので、転がり抵抗、耐摩耗性及びウェットスキッド性能をバランスよく改善できる。
本発明のタイヤ用ゴム組成物では、ゴム成分として後述の変性ジエン系ゴムAとBからなる全体の重量平均分子量が特定範囲のブレンド物、補強用充填剤として後述の特定のCTAB比表面積及びBET比表面積を有する微粒子シリカを組み合わせて使用しているため、転がり抵抗及び耐摩耗性を高次元で両立できるとともに、優れたウェットスキッド性能も得られ、これらの性能バランスを顕著に改善できる。
このような改善効果は、以下の作用機能により発揮されると推察される。
本発明における変性ジエン系ゴムA及びBのブレンド物は、カーボンブラックとシリカの両フィラーに対して強い相互作用があり、かつフィラーとの共有結合を形成しない。また、上記アクリルアミド化合物で末端変性したゴムAによってシリカやカーボンブラックとの相互作用を強化できるが、該ゴムAのみでは低分子成分が多く、フィラー凝集塊の破壊効果が期待できないため、フィラーの分散性を高めることが難しい。これに対し本発明では、更に上記変性化合物で末端変性したゴムBも使用しているので、フィラー、特にシリカとの相互作用を一層強化でき、また、このゴムBの分子は、シリカとの相互作用を有しながら、末端変性基同士が相互作用してポリマーのカップリングが起こり、高分子量化する。そのため、フィラー凝集塊が充分に破壊されるため、ゴムA及びBによるフィラーの分散性向上効果が効率的、かつ相乗的に発揮される。加えて、微粒子シリカは一般に分散が困難で所望の性能改善効果が得られないが、本発明では前記ブレンド物と併用することで、シリカを良好に分散でき、ウェットスキッド性能や耐摩耗性、更には転がり抵抗も高次元で改善できる。以上のような作用効果が発揮されることで、前記性能バランスを効率的かつ相乗的に改善でき、高性能を有するタイヤを提供できると推察される。
本発明のゴム組成物は、変性ジエン系ゴムA及びBを含み、かつ該ゴムA及びB全体の重量平均分子量が特定範囲である。
上記変性ジエン系ゴムAは、下記式(I)で表されるアクリルアミド化合物で変性されたジエン系ゴムである。これは、ポリマーの末端がアクリルアミド化合物で変性されたジエン系ゴムである。
Figure 0005997249
(式中、Rは水素又はメチル基を表す。R及びRはアルキル基を表す。nは整数を表す。)
式(I)において、R及びRは、好ましくは炭素数1〜4のアルキル基である。nは、好ましくは2〜5の整数である。
上記アクリルアミド化合物の具体例としては、N,N−ジメチルアミノメチルアクリルアミド、N,N−エチルメチルアミノメチルアクリルアミド、N,N−ジエチルアミノメチルアクリルアミド、N,N−エチルプロピルアミノメチルアクリルアミド、N,N−ジプロピルアミノメチルアクリルアミド、N,N−ブチルプロピルアミノメチルアクリルアミド、N,N−ジブチルアミノメチルアクリルアミド、N,N−ジメチルアミノエチルアクリルアミド、N,N−エチルメチルアミノエチルアクリルアミド、N,N−ジエチルアミノエチルアクリルアミド、N,N−エチルプロピルアミノエチルアクリルアミド、N,N−ジプロピルアミノエチルアクリルアミド、N,N−ブチルプロピルアミノエチルアクリルアミド、N,N−ジブチルアミノエチルアクリルアミド、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド、N,N−エチルメチルアミノプロピルアクリルアミド、N,N−ジエチルアミノプロピルアクリルアミド、N,N−エチルプロピルアミノプロピルアクリルアミド、N,N−ジプロピルアミノプロピルアクリルアミド、N,N−ブチルプロピルアミノプロピルアクリルアミド、N,N−ジブチルアミノプロピルアクリルアミド、N,N−ジメチルアミノブチルアクリルアミド、N,N−エチルメチルアミノブチルアクリルアミド、N,N−ジエチルアミノブチルアクリルアミド、N,N−エチルプロピルアミノブチルアクリルアミド、N,N−ジプロピルアミノブチルアクリルアミド、N,N−ブチルプロピルアミノブチルアクリルアミド、N,N−ジブチルアミノブチルアクリルアミド;これらのメタクリルアミドなどが挙げられる。なかでも、前記性能バランスを改善できる点から、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミドが好ましい。
上記変性ジエン系ゴムBは、下記式(II)で表されるケイ素若しくはスズ化合物及び下記式(III)で表される変性化合物で変性されたジエン系ゴム、又は下記式(III)で表される変性化合物で変性されたジエン系ゴムである。前者はケイ素若しくはスズ化合物でカップリングされたポリマーの末端が変性化合物で変性されたジエン系ゴムであり、後者はポリマーの末端が変性化合物で変性されたジエン系ゴムである。
Figure 0005997249
(式中、Rはアルキル基、アルケニル基、シクロアルケニル基又は芳香族炭化水素基を表す。Mはケイ素又はスズを表す。Xはハロゲンを表す。aは0〜2の整数を表す。bは2〜4の整数を表す。)
Figure 0005997249
(式中、R〜Rは同一若しくは異なって炭素数が1〜8のアルキル基を表す。R〜R12は同一若しくは異なって炭素数が1〜8のアルコキシ基又はアルキル基を表す。p〜rは同一若しくは異なって1〜8の整数を表す。)
式(II)で表されるケイ素化合物及びスズ化合物は、ジエン系ゴムのカップリング剤として機能する。ケイ素化合物としては、テトラクロロケイ素、テトラブロモケイ素、メチルトリクロロケイ素、ブチルトリクロロケイ素、ジクロロケイ素、ビストリクロロシリルケイ素などが挙げられる。スズ化合物としては、テトラクロロスズ、テトラブロモスズ、メチルトリクロロスズ、ブチルトリクロロスズ、ジクロロスズ、ビストリクロロシリルスズなどが挙げられる。
式(III)において、R〜Rはメチル基、エチル基、プロピル基又はブチル基が好ましく、R〜R12はメトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基又はブトキシ基が好ましく、p〜rは2〜5の整数が好ましい。これにより、前記性能バランスを改善できる。
式(III)で表される変性化合物の具体例としては、1,3,5−トリス(3−トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレート、1,3,5−トリス(3−トリエトキシシリルプロピル)イソシアヌレート、1,3,5−トリス(3−トリプロポキシシリルプロピル)イソシアヌレート、1,3,5−トリス(3−トリブトキシシリルプロピル)イソシアヌレートなどが挙げられる。なかでも、前記性能バランスを改善できる点から、1,3,5−トリス(3−トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレートが好ましい。
上記変性ジエン系ゴムA及びBとしては、例えば、該ゴムA及びBを別途それぞれ調製した後に混合することにより得られる。この場合、変性ジエン系ゴムA、Bはそれぞれ以下の製法などにより調製できる。
変性ジエン系ゴムAは、炭化水素溶媒中で、共役ジエンモノマー、又は共役ジエンモノマー及び芳香族ビニルモノマーをアルカリ金属系触媒を用いて重合させることにより得られるアルカリ金属末端を有する活性共役ジエン系重合体に対して、上記式(I)で表されるアクリルアミド化合物を反応させることにより調製できる。
共役ジエンモノマーとしては、1,3−ブタジエン、イソプレン、1,3−ペンタジエン(ピペリン)、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘキサジエンなどが挙げられる。なかでも、得られる重合体の物性、工業的に実施する上での入手性の観点から、1,3−ブタジエン、イソプレンが好ましい。
芳香族ビニルモノマーとしては、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルナフタレン、ジビニルベンゼン、トリビニルベンゼン、ジビニルナフタレンなどが挙げられる。なかでも、得られる重合体の物性、工業的に実施する上での入手性の観点から、スチレンが好ましい。
炭化水素溶媒としては、アルカリ金属系触媒を失活させないものであれば特に限定されず、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、脂環族炭化水素が挙げられる。具体的には、炭素数3〜12個を有するプロパン、n−ブタン、iso−ブタン、n−ペンタン、iso−ペンタン、n−ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレンなどが挙げられる。
アルカリ金属系触媒としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムなどの金属、これらの金属を含有する炭化水素化合物などが挙げられる。好ましいアルカリ金属触媒としては、2〜20個の炭素原子を有するリチウム又はナトリウム化合物が挙げられ、具体的には、エチルリチウム、n−プロピルリチウム、iso−プロピルリチウム、n−ブチルリチウム、sec−ブチルリチウム、t−オクチルリチウム、n−デシルリチウム、フェニルリチウムなどが挙げられる。
重合用モノマーとしては、共役ジエンモノマーのみを用いてもよく、共役ジエンモノマーと芳香族ビニルモノマーを併用してもよい。共役ジエンモノマーと芳香族ビニルモノマーを併用する場合の両者の比率は、共役ジエンモノマー/芳香族ビニルモノマーの質量比で50/50〜90/10が好ましく、更に好ましくは55/45〜85/15である。
重合に際しては、アルカリ金属系触媒、炭化水素溶媒、ランダマイザー、共役ジエン単位のビニル結合含有量調節剤など通常使用されているものを用いることが可能であり、重合体の製造方法は特に限定されない。
共役ジエン部のビニル結合含有量を調節するためには、ルイス塩基性化合物として、各種の化合物を使用できるが、エーテル化合物又は第三級アミンが、工業的実施上の入手容易性の点で好ましい。エーテル化合物としては、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,4−ジオキサンなどの環状エーテル;ジエチルエーテル、ジブチルエーテルなどの脂肪族モノエーテル;エチレングリコールジメチルエーテルなどの脂肪族ジエ−テルが挙げられる。また、第三級アミン化合物としては、トリエチルアミン、トリプロピルアミンなどが挙げられる。
アルカリ金属末端を有する活性共役ジエン系重合体に対して、上記アクリルアミド化合物を添加して変性ジエン系ゴムAを製造する際に使用する量は、アルカリ金属を付加する際に使用するアルカリ金属系触媒1モル当たり、通常0.05〜10モル、好ましくは0.2〜2モルである。
上記アクリルアミド化合物とアルカリ金属末端を有する活性共役ジエン系重合体との反応は、迅速に起きるので、反応温度及び反応時間は広範囲に選択できるが、一般的には、室温〜100℃、数秒〜数時間である。反応は、上記活性共役ジエン系重合体とアクリルアミド化合物とを接触させればよく、例えば、アルカリ金属系触媒を用いて、ジエン系重合体を調製し、該重合体溶液中に該アクリルアミド化合物を所定量添加する方法などが挙げられる。
反応終了後、反応溶媒中から凝固剤の添加又はスチーム凝固など通常の溶液重合によるゴムの製造において使用される凝固方法がそのまま用いられ、凝固温度も何ら制限されない。得られた変性ジエン系ゴムAは、分子末端にアクリルアミド化合物が導入されている。
一方、変性ジエン系ゴムBは、炭化水素溶媒中で、共役ジエンモノマー、又は共役ジエンモノマー及び芳香族ビニルモノマーをアルカリ金属系触媒を用いて重合させることにより得られるアルカリ金属末端を有する活性共役ジエン系重合体に対して、(a)上記式(II)で表されるケイ素若しくはスズ化合物(カップリング剤)、次いで、上記式(III)で表される変性化合物を反応させること、又は、(b)上記式(III)で表される変性化合物を反応させることにより調製できる。
アルカリ金属末端を有する活性共役ジエン系重合体は、変性ジエン系ゴムAの調製と同様に得られる。また、上記(a)において、ケイ素若しくはスズ化合物は、通常、活性共役ジエン系重合体の末端アルカリ金属原子1当量に対してハロゲン原子0.01〜0.4当量の範囲で用いられる。カップリング反応は通常20℃〜100℃の範囲で行われる。更に、上記(a)(b)における変性化合物の反応は、前述のアクリルアミド化合物の反応と同様の方法で実施できる。得られた変性ジエン系ゴムBは、分子末端に変性化合物が導入されている。
また、上記変性ジエン系ゴムA及びBとしては、該ゴムA及びBを1バッチで調製して得られる混合物が好ましい。この場合、例えば、上記アルカリ金属末端を有する活性共役ジエン系重合体に対して、上記アクリルアミド化合物と、上記ケイ素若しくはスズ化合物及び上記変性化合物、又は上記変性化合物とを反応させることにより該混合物を調製できる。
具体的には、前述と同様の方法によりアルカリ金属末端を有する活性共役ジエン系重合体を調製し、(c)該重合体溶液中にアクリルアミド化合物を添加した後、必要に応じてケイ素若しくはスズ化合物(カップリング剤)を添加し、次いで変性化合物を添加すること、又は(d)該重合体溶液中に、アクリルアミド化合物、変性化合物、必要に応じてケイ素若しくはスズ化合物を同時に添加すること、などにより上記混合物が得られる。
この場合、アクリルアミド化合物、変性化合物との反応、カップリング反応は前述と同様の方法で実施できる。得られた混合物は、分子末端にアクリルアミド化合物が導入された変性ジエン系ゴムA、分子末端に変性化合物が導入された変性ジエン系ゴムBを含む。
なお、本発明における変性ジエン系ゴムAとBからなる全体の重量平均分子量が特定範囲のブレンド物としては、炭化水素溶媒中で、共役ジエンモノマー、又は共役ジエンモノマー及び芳香族ビニルモノマーをアルカリ金属系触媒を用いて重合させることにより得られるアルカリ金属末端を有する活性共役ジエン系重合体に対して、2種以上の変性剤を反応させることにより得られる混合物を含むものも挙げられる。
つまり、上記においては、上記活性共役ジエン系重合体に対して、特定の変性剤を反応させることにより得られる混合物を説明したが、このような形態に限らず、2種以上の任意の変性剤を反応させて得られる混合物も本発明に含まれる。該混合物は、前述と同様の方法で調製したアルカリ金属末端を有する活性共役ジエン系重合体に、従来公知の2種以上の末端変性剤を1バッチで反応させることなどにより得られる。このような1バッチで調製した混合物の使用によって前記性能バランスの改善効果が得ることができる。
本発明のゴム組成物で使用される変性ジエン系ゴムA及びBは、両ゴム全体の重量平均分子量(該変性ジエン系ゴムA及びBからなる組成物全体で測定した重量平均分子量)が30万以上、好ましくは50万以上、より好ましくは60万以上である。該(Mw)は140万以下、好ましくは120万以下、より好ましくは100万以下である。上記範囲内であると、前記性能バランスを改善できる。
変性ジエン系ゴムA及びBの全体の分子量分布(Mw/Mn)は、4以下が好ましく、3.5以下がより好ましく、3以下が更に好ましい。4を超えると、フィラーの分散性が悪化し、tanδが増大(転がり抵抗特性が悪化)する傾向がある。
なお、本明細書において、上記両ゴム、後述の芳香族ビニル重合体の数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)は、ゲルパーミエーションクロマトグラフ(GPC)(東ソー(株)製GPC−8000シリーズ、検出器:示差屈折計、カラム:東ソー(株)製のTSKGEL SUPERMALTPORE HZ−M)による測定値をもとに標準ポリスチレン換算により求めたものである。
変性ジエン系ゴムA及びBとしては、前記性能バランスを改善できる点から、変性ブタジエンゴム(変性BR)、変性スチレンブタジエンゴム(変性SBR)が好ましく、変性SBRがより好ましい。
変性ジエン系ゴムA及びBが変性SBRの場合、該ゴムA及びBの全体のブタジエン部におけるビニル結合量は、好ましくは20質量%以上、より好ましくは25質量%以上である。20質量%未満の変性ジエン系ゴムは、重合(製造)が困難になる傾向がある。また、該ビニル結合量は、好ましくは60質量%以下、より好ましくは55質量%以下である。60質量%を超えると、フィラーの分散性が悪化する傾向がある。なお、本明細書において、ビニル結合量(1,2−結合ブタジエン単位量)は、赤外吸収スペクトル分析法によって測定できる。
変性ジエン系ゴムA及びBが変性SBRの場合、該ゴムA及びBの全体のスチレン含有量は、好ましくは10質量%以上、より好ましくは15質量%以上、更に好ましくは25質量%以上である。10質量%未満であると、ウェットスキッド性能が悪化する傾向がある。また、該スチレン含有量は、好ましくは50質量%以下、より好ましくは45質量%以下である。50質量%を超えると、耐摩耗性が悪化する傾向がある。なお、本明細書において、スチレン含有量は、H−NMR測定によって算出される。
本発明のゴム組成物において、変性ジエン系ゴムA及びBの配合比(A/B(質量比))は、好ましくは5/95〜95/5、より好ましくは10/90〜90/10、更に好ましくは20/80〜80/20である。下限未満であると転がり抵抗特性が低下し、上限を超えると耐摩耗性が低下し、前記性能バランスが悪化する傾向がある。
また、ゴム組成物において、ゴム成分100質量%中の変性ジエン系ゴムA及びBの合計含有量は、好ましくは2質量%以上、より好ましくは5質量%以上、更に好ましくは10質量%以上である。2質量%未満であると、転がり抵抗特性及び耐摩耗性を充分改善できないおそれがある。該合計含有量の上限は特に限定されず、100質量%でもよいが、好ましくは90質量%以下、より好ましくは80質量%以下である。
本発明で使用できる他のゴム成分としては、例えば、天然ゴム(NR)、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリロニトリルブタジエンゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、ブチルゴム(IIR)、ハロゲン化ブチルゴム(X−IIR)、スチレン−イソプレン−ブタジエン共重合ゴム(SIBR)などのジエン系ゴムを使用することができる。なかでも、相溶性が高く、前記性能バランスに優れる点から、SBR、BRを使用することが好ましい。
SBRとしては、乳化重合スチレンブタジエンゴム(E−SBR)、溶液重合スチレンブタジエンゴム(S−SBR)など、タイヤ工業において一般的なものを使用できる。BRとしては、高シス含有量のBR、シンジオタクチックポリブタジエン結晶を含有するBRなどを使用できる。
SBR(非変性)を配合する場合、該SBRの含有量は、好ましくは20質量%以上、より好ましくは40質量%以上、更に好ましくは50質量%以上である。20質量%未満であると、加工性が悪化する傾向がある。該含有量は、好ましくは90質量%以下、より好ましくは80質量%以下、更に好ましくは70質量%以下である。90質量%を超えると、シリカが分散しにくくなり、ウェットスキッド性能と耐摩耗性のバランスが悪くなる傾向がある。
なお、SBR(非変性)の好適なスチレン量は、変性ジエン系ゴムA及びBが変性SBRの場合と同様である。
本発明で変性SBRや非変性SBRを使用する場合、ゴム成分100質量%中の全SBRの合計含有量は、好ましくは75質量%以上、より好ましくは85質量%以上、更に好ましくは95質量%以上、最も好ましくは100質量%である。75質量%未満であると、耐摩耗性が低下する傾向がある。
BR(非変性)を配合する場合、該BRの含有量は、好ましくは5質量%以上、より好ましくは10質量%以上である。5質量%未満であると、耐摩耗性が悪化する傾向がある。該含有量は、好ましくは40質量%以下、より好ましくは30質量%以下である。40質量%を超えると、ウェットスキッド性能が低下する傾向がある。
本発明では、CTAB比表面積が180m/g以上、BET比表面積が185m/g以上のシリカ(以下、「微粒子シリカ」ともいう)が使用される。このような微粒子シリカをゴム中に良好に分散させることによって、優れた耐摩耗性、ウェットスキッド性能が得られ、また、転がり抵抗を低くできる。
微粒子シリカのCTAB(セチルトリメチルアンモニウムブロミド)比表面積は、好ましくは190m/g以上、より好ましくは195m/g以上、更に好ましくは197m/g以上である。CTAB比表面積が180m/g未満であると、機械的強度、耐摩耗性の充分な向上が得られにくくなる傾向がある。該CTAB比表面積は、好ましくは600m/g以下、より好ましくは300m/g以下、更に好ましくは250m/g以下である。CTAB比表面積が600m/gを超えると、分散性に劣り、凝集してしまうため、物性が低下する傾向がある。
なお、CTAB比表面積は、ASTM D3765−92に準拠して測定される。
微粒子シリカのBET比表面積は、好ましくは190m/g以上、より好ましくは195m/g以上、更に好ましくは210m/g以上である。BET比表面積が185m/g未満であると、機械的強度、耐摩耗性の充分な向上が得られにくくなる。該BET比表面積は、好ましくは600m/g以下、より好ましくは300m/g以下、更に好ましくは260m/g以下である。BET比表面積が600m/gを超えると、分散性に劣り、凝集してしまうため、物性が低下する傾向がある。
なお、シリカのBET比表面積は、ASTM D3037−81に準じて測定される。
微粒子シリカのアグリゲートサイズは、30nm以上、好ましくは35nm以上、より好ましくは40nm以上、更に好ましくは45nm以上、特に好ましくは50nm以上、最も好ましくは55nm以上、より最も好ましくは60nm以上である。また、該アグリゲートサイズは、好ましくは100nm以下、より好ましくは80nm以下、更に好ましくは70nm以下、特に好ましくは65nm以下である。このようなアグリゲートサイズを有することにより、良好な分散性を有しながら、優れた補強性、耐摩耗性を与えることができる。
なお、微粒子シリカのアグリゲートサイズは、特開2011−140613号公報に記載の方法により測定できる。
微粒子シリカの平均一次粒子径は、好ましくは25nm以下、より好ましくは22nm以下、更に好ましくは17nm以下、特に好ましくは14nm以下である。該平均一次粒子径の下限は特に限定されないが、好ましくは3nm以上、より好ましくは5nm以上、更に好ましくは7nm以上である。このような小さい平均一次粒子径を有しているものの、上記のアグリゲートサイズを有するカーボンブラックのような構造により、シリカの分散性をより改善でき、補強性、耐摩耗性を更に改善できる。
なお、微粒子シリカの平均一次粒子径は、透過型又は走査型電子顕微鏡により観察し、視野内に観察されたシリカの一次粒子を400個以上測定し、その平均により求めることができる。
微粒子シリカのD50は、好ましくは7.0μm以下、より好ましくは5.5μm以下、更に好ましくは4.5μm以下である。7.0μmを超えると、シリカの分散性がかえって悪くなっていることを示す。該微粒子シリカのD50は、好ましくは2.0μm以上、より好ましくは2.5μm以上、更に好ましくは3.0μm以上である。2.0μm未満であると、アグリゲートサイズも小さくなり、微粒子シリカとしては充分な分散性を得にくくなる傾向がある。
ここで、D50は、微粒子シリカの中央直径であって粒子の50質量%がその中央直径よりも小さい。
また、微粒子シリカは、粒子径が18μmより大きいものの割合が6質量%以下が好ましく、4質量%以下がより好ましく、1.5質量%以下が更に好ましい。これにより、シリカの良好な分散性が得られ、所望の性能が得られる。
なお、微粒子シリカのD50、所定の粒子径を有するシリカの割合は、特開2011−140613号公報に記載の方法により測定できる。
微粒子シリカの細孔容積の細孔分布幅Wは、好ましくは0.7以上、より好ましくは1.0以上、更に好ましくは1.3以上、特に好ましくは1.5以上である。また、該細孔分布幅Wは、好ましくは5.0以下、より好ましくは4.0以下、更に好ましくは3.0以下、特に好ましくは2.0以下である。このようなブロードなポーラスの分布により、シリカの分散性を改善でき、所望の性能が得られる。
なお、シリカの細孔容積の細孔分布幅Wは、特開2011−140613号公報に記載の方法により測定できる。
微粒子シリカの細孔分布曲線中の細孔容量のピーク値Ysを与える直径Xs(nm)は、好ましくは10nm以上、より好ましくは15nm以上、更に好ましくは18nm以上、特に好ましくは20nm以上であり、また、好ましくは60nm以下、より好ましくは35nm以下、更に好ましくは28nm以下、特に好ましくは25nm以下である。上記範囲内であれば、分散性と補強性に優れた微粒子シリカを得ることができる。
本発明のゴム組成物において、上記微粒子シリカの配合量は、ゴム成分100質量部に対して、好ましくは5質量部以上、より好ましくは10質量部以上、更に好ましくは15質量部以上、特に好ましくは20質量部以上である。5質量部未満であると、十分な補強性、機械的強度、耐摩耗性が得られない傾向がある。該微粒子シリカの配合量は、好ましくは150質量部以下、より好ましくは100質量部以下、更に好ましくは80質量部以下である。150質量部を超えると、加工性が悪化するとともに良好な分散性を確保するのが困難となる。
本発明のゴム組成物では、上記微粒子シリカ以外のシリカを含んでもよい。この場合、シリカの合計含有量は、ゴム成分100質量部に対して、好ましくは15質量部以上、より好ましくは25質量部以上、更に好ましくは45質量部以上である。また、該合計含有量は、好ましくは200質量部以下、より好ましくは150質量部以下、更に好ましくは100質量部以下である。下限未満の場合や上限を超える場合は、前述の微粒子シリカの配合量と同様の傾向がある。
本発明では、シリカとともにシランカップリング剤を併用しても良い。シランカップリング剤としては、例えば、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)トリスルフィド、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ジスルフィド等が挙げられる。なかでも、補強性改善効果が高いという点から、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィドが好ましい。
シランカップリング剤の含有量は、シリカ100質量部に対して、好ましくは1質量部以上、より好ましくは2質量部以上である。1質量部未満では、カップリング効果が不充分で、ウェットスキッド性能が充分に得られないだけでなく、耐摩耗性が低下する傾向がある。また、該シランカップリング剤の含有量は、好ましくは20質量部以下、より好ましくは15質量部以下である。20質量部を超えると、ゴム組成物が硬くなり、ウェットスキッド性能が低下する傾向がある。
本発明のゴム組成物は、充填剤としてシリカの他に、カーボンブラックを含有することが好ましい。本発明では、ゴム成分として変性ジエン系ゴムA及びBが使用されているため、シリカ、カーボンブラックなどのフィラーの分散性を顕著に改善でき、前記性能バランスを相乗的に改善できる。
カーボンブラックの配合により、補強性を高め、耐摩耗性をより改善できる。カーボンブラックとしては特に限定されず、GPF、FEF、HAF、ISAF、SAFなどを用いることができる。カーボンブラックは、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
カーボンブラックのチッ素吸着比表面積(NSA)は、好ましくは50m/g以上、より好ましくは100m/g以上である。50m/g未満では、充分な補強性が得られない傾向がある。また、カーボンブラックのNSAは、200m/g以下が好ましく、150m/g以下がより好ましい。200m/gを超えると、カーボンブラックが分散しにくくなり、転がり抵抗特性が悪化する傾向がある。
なお、カーボンブラックのチッ素吸着比表面積は、JIS K 6217−2:2001によって求められる。
カーボンブラックのジブチルフタレート(DBP)吸油量は、好ましくは60ml/100g以上、より好ましくは100ml/100g以上である。60ml/100g未満では、充分な補強性が得られないおそれがある。また、カーボンブラックのDBP吸油量は、好ましくは150ml/100g以下、より好ましくは120ml/100g以下である。150ml/100gを超えると、加工性、分散性が低下する傾向がある。
なお、カーボンブラックのDBP吸油量は、JIS K6217−4:2001によって求められる。
カーボンブラックの含有量は、ゴム成分100質量部に対して、好ましくは10質量部以上、より好ましくは20質量部以上、更に好ましくは30質量部以上である。10質量部未満では、充分な補強性が得られない傾向がある。また、該カーボンブラックの含有量は好ましくは100質量部以下、より好ましくは80質量部以下、更に好ましくは60質量部以下である。100質量部を超えると、カーボンブラックが分散しにくくなり、転がり抵抗特性が悪化する傾向がある。
本発明のゴム組成物において、カーボンブラック及びシリカの合計含有量は、ゴム成分100質量部に対して、好ましくは40質量部以上、より好ましくは70質量部以上である。40質量部未満であると、充分な補強性が得られない傾向がある。該合計含有量は、好ましくは150質量部以下、より好ましくは110質量部以下である。150質量部を超えると、フィラーの分散性が低下する傾向がある。
また、カーボンブラック及びシリカの両フィラーを含む場合、カーボンブラック及びシリカ中のシリカの含有率は、好ましくは45質量%以上、より好ましくは50質量%以上である。一方、該含有率は、好ましくは90質量%以下、より好ましくは80質量%以下である。上記範囲では、本発明の効果が充分に得られる。
本発明では、通常、硫黄(架橋剤)が使用される。
硫黄としては、粉末硫黄、沈降硫黄、コロイド硫黄、不溶性硫黄、高分散性硫黄などが挙げられる。
硫黄の含有量は、ゴム成分100質量部に対して、好ましくは0.1質量部以上、より好ましくは0.2質量部以上、更に好ましくは0.3質量部以上である。0.1質量部未満であると、加硫速度が遅くなり、生産性が悪化するおそれがある。該含有量は、好ましくは2.0質量部以下、より好ましくは1.9質量部以下、更に好ましくは1.8質量部以下である。2.0質量部を超えると、老化後のゴム物性変化が大きくなるおそれがある。
本発明のゴム組成物は、上記成分の他に、オイルなどの軟化剤、老化防止剤、加硫促進剤、加硫促進助剤等、必要に応じた添加剤を適宜配合してもよい。
本発明のゴム組成物は、トレッド、サイドウォール、インナーライナーなどのタイヤ部材として使用できるが、なかでも、耐摩耗性及びウェットスキッド性能を両立できる点から、トレッドとして好適に使用できる。また、これを用いたタイヤは乗用車、商用車、2輪車などに好適に適用できる。
本発明のゴム組成物は、バンバリーミキサー、ニーダー、オープンロール等の混練機で上記各成分を混練りし、その後加硫する方法等、一般的な方法で製造できるが、ゴム成分、フィラー(補強剤)、シランカップリング剤及び軟化剤を混合する工程1、該工程1で得られた混合物、ステアリン酸、酸化亜鉛及び老化防止剤を混合する工程2、並びに、該工程2で得られた混合物、加硫剤及び加硫促進剤を混合する工程3を含む混練工程を有する製法で製造することが好ましい。一般には、工程1と2を分けて混練することなく、1つの工程で混練されるが、本発明では、老化防止剤、酸化亜鉛、ステアリン酸などの薬品がシランカップリング剤の反応効率を下げることから、これらの成分、更に必要に応じてワックスは、前記工程2において混練することが好ましい。
このような工程1〜3を含む製法の場合、工程1における混練温度は130〜160℃が好ましく、工程2における混練温度は130〜155℃が好ましく、工程3における混練温度は70〜120℃が好ましい。混練温度がそれぞれの上限値を超えると、ゴムの劣化が起こる傾向がある。
本発明の空気入りタイヤは、上記ゴム組成物を用いて通常の方法で製造される。すなわち、上記成分を配合したゴム組成物を、未加硫の段階でタイヤのコンポーネント(トレッドなど)の形状にあわせて押出し加工し、他のタイヤ部材とともに、タイヤ成型機上にて通常の方法で成形することにより、未加硫タイヤを形成する。この未加硫タイヤを加硫機中で加熱加圧することにより、空気入りタイヤを製造できる。
実施例に基づいて、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
以下、実施例及び比較例で用いた各種薬品について説明する。
変性ジエン系ゴムA及びB:下記製造例1〜10(各ゴムのオイル量:15質量%)
SBR:JSR(株)製のSBR1502(スチレン含有量:23.5質量%)
BR:宇部興産(株)製のBR130B
シリカ1:Rhodia社製 Zeosil 1115MP(CTAB比表面積:105m/g、BET比表面積:115m/g、平均一次粒子径:25nm、アグリゲートサイズ:92nm、細孔分布幅W:0.63、細孔分布曲線中の細孔容量ピーク値を与える直径Xs:60.3nm)
シリカ2:Rhodia社製 Zeosil HRS 1200MP(CTAB比表面積:195m/g、BET比表面積:200m/g、平均一次粒子径15nm、アグリゲートサイズ:40nm、D50:6.5μm、18μmを超える粒子の割合:5.0質量%、細孔分布幅W:0.40、細孔分布曲線中の細孔容量ピーク値を与える直径Xs:18.8nm)
シリカ3:Rhodia社製 Zeosil Premium 200MP(CTAB比表面積:200m/g、BET比表面積220m/g、平均一次粒子径:10nm、アグリゲートサイズ:65nm、D50:4.2μm、18μmを超える粒子の割合:1.0質量%、細孔分布幅W:1.57、細孔分布曲線中の細孔容量ピーク値を与える直径Xs:21.9nm)
カーボンブラック:三菱化学(株)製のダイアブラックI(NSA:114m/g、DBP吸油量:114ml/100g)
シランカップリング剤:デグッサ社製のSi69(ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド)
オイル:JX日鉱日石エネルギー(株)製のJOMOプロセスX140
ワックス:大内新興化学工業(株)製のサンノックN
老化防止剤:大内新興化学工業(株)製のノクラック6C(N−(1,3−ジメチルブチル)−N’−フェニル−p−フェニレンジアミン)
ステアリン酸:日油(株)製の椿
酸化亜鉛:三井金属鉱業(株)製の亜鉛華1号
硫黄:日本乾溜工業(株)製のセイミサルファー(2硫化炭素による不溶分60%、オイル分10質量%含む不溶性硫黄)
加硫促進剤TBBS:大内新興化学工業(株)製のノクセラーNS
加硫促進剤DPG:大内新興化学工業(株)製のノクセラーD
(製造例1)
内容積20リットルのステンレス製重合反応機を洗浄、乾燥し、乾燥窒素で置換した後に1,3−ブタジエン548g、スチレン235g、テトラヒドロフラン8.89g、ヘキサン10.2kg、n−ブチルリチウム(n−ヘキサン溶液、5.22mmol)を添加し、攪拌下に65℃で3時間重合を行った。重合完了後、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミドを1.57mmol(0.245g)、1,3,5−トリス(3−トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレートを3.66mmol(2.251g)添加した。攪拌下に30分間反応させた後、10mlのメタノールを加えて、更に5分間攪拌した。その後、重合反応容器の内容物を取り出し、2,6−ジ−t−フチル−p−クレゾール(住友化学製のスミライザーBHT:以下同様)を10g、オイルを141g加え、ヘキサンの大部分を蒸発させた後、55℃で12時間減圧乾燥し、ゴム混合物1を得た。
(製造例2)
N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミドを0.52mmol(0.082g)、1,3,5−トリス(3−トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレートを4.70mmol(2.894g)に変更した以外、製造例1と同様に行い、ゴム混合物2を得た。
(製造例3)
N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミドを4.70mmol(0.734g)、1,3,5−トリス(3−トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレートを0.52mmol(0.322g)に変更した以外、製造例1と同様に行い、ゴム混合物3を得た。
(製造例4)
テトラヒドロフランを31.12g、n−ブチルリチウムを(n−ヘキサン溶液、18.28mmol)、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミドを1.83mmol(0.286g)、1,3,5−トリス(3−トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレートを16.45mmol(10.131g)に変更した以外、製造例1と同様に行い、ゴム混合物4を得た。
(製造例5)
テトラヒドロフランを31.12g、n−ブチルリチウムを(n−ヘキサン溶液、18.28mmol)、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミドを16.45mmol(2.57g)、1,3,5−トリス(3−トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレートを1.83mmol(1.126g)に変更した以外、製造例1と同様に行い、ゴム混合物5を得た。
(製造例6)
テトラヒドロフランを4.15g、n−ブチルリチウムを(n−ヘキサン溶液、2.44mmol)、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミドを0.24mmol(0.038g)、1,3,5−トリス(3−トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレートを2.19mmol(1.351g)に変更した以外、製造例1と同様に行い、ゴム混合物6を得た。
(製造例7)
テトラヒドロフランを4.15g、n−ブチルリチウムを(n−ヘキサン溶液、2.44mmol)、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミドを2.19mmol(0.343g)、1,3,5−トリス(3−トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレートを0.24mmol(0.15g)に変更した以外、製造例1と同様に行い、ゴム混合物7を得た。
(製造例8)
テトラヒドロフランを4.15g、n−ブチルリチウムを(n−ヘキサン溶液、2.44mmol)、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミドを0mmol(0g)、1,3,5−トリス(3−トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレートを2.44mmol(1.501g)に変更した以外、製造例1と同様に行い、ゴム混合物8を得た。
(製造例9)
テトラヒドロフランを4.15g、n−ブチルリチウムを(n−ヘキサン溶液、2.44mmol)、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミドを2.44mmol(0.381g)、1,3,5−トリス(3−トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレートを0mmol(0g)に変更した以外、製造例1と同様に行い、ゴム混合物9を得た。
(製造例10)
内容積20リットルのステンレス製重合反応機を洗浄、乾燥し、乾燥窒素で置換した後に1,3−ブタジエン548.3g、スチレン235g、テトラヒドロフラン8.89g、ヘキサン10.2kg、n−ブチルリチウム(n−ヘキサン溶液、5.22mmol)を添加し、攪拌下に65℃で3時間重合を行った。重合完了後、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミドを5.22mmol(0.816g)添加した。攪拌下に30分間反応させた後、10mlのメタノールを加えて、更に5分間攪拌した(変性ジエン系ゴムA)。
また別途、内容積20リットルのステンレス製重合反応機を洗浄、乾燥し、乾燥窒素で置換した後に1,3−ブタジエン548.3g、スチレン235g、テトラヒドロフラン8.89g、ヘキサン10.2kg、n−ブチルリチウム(n−ヘキサン溶液、5.22mmol)を添加し、攪拌下に65℃で3時間重合を行った。重合完了後、1,3,5−トリス(3−トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレートを5.22mmol(3.216g)添加した。攪拌下に30分間反応させた後、10mlのメタノールを加えて、更に5分間攪拌した(変性ジエン系ゴムB)。
その後、それぞれの重合反応容器の内容物を取り出して、変性ジエン系ゴムA及びBの配合比(A/B(質量比))が30/70になるように混合し、2,6−ジ−t−フチル−p−クレゾールを10g、オイルを141g加え、ヘキサンの大部分を蒸発させた後、55℃で12時間減圧乾燥し、ゴム混合物10を得た。
<実施例及び比較例>
表1、2に示す配合内容(硫黄量は、セイミサルファー中に含まれる純硫黄量を示す)に従い、1.7Lバンバリーミキサーを用いて、配合材料のうち、工程1に示す材料を150℃で3分間混練りし、混練り物を得た。次に、工程1で得られた混練り物に工程2に示す材料を添加し、140℃で3分間混練りし、混練り物を得た。続いて、工程2で得られた混練り物に工程3に示す材料を添加し、オープンロールを用いて、80℃で3分間混練りして、未加硫ゴム組成物を得た。得られた未加硫ゴム組成物を150℃で20分間プレス加硫し、加硫ゴムシートを得た。
また、得られた未加硫ゴム組成物を用いて、厚さ10mmのトレッドの形状に成形し、他のタイヤ部位と貼り合わせ、170℃の条件下で15分間加硫することにより、試験用タイヤを製造した(タイヤサイズ:215/45ZR17)。
得られた加硫ゴムシート、試験用タイヤを使用して、下記の評価を行った。それぞれの試験結果を表1、2に示す。
(転がり抵抗指数)
加硫ゴムシートについて、粘弾性スペクトロメーターVES((株)岩本製作所製)を用いて、温度70℃、初期歪み10%、動歪み2%の条件下で各配合のtanδを測定し、比較例1のtanδを100として、下記計算式により指数表示した。指数が大きいほど転がり抵抗が小さく、低燃費性に優れる。
(転がり抵抗指数)=(比較例1のtanδ)/(各配合のtanδ)×100
(ウェットスキッド性能)
試験用タイヤを車輌(国産FF2000cc)の全輪に装着して、湿潤アスファルト路面で初速度100km/hからの制動距離を求めた。比較例1の制動距離を100として、下記計算式により指数表示した。指数が大きいほど、ウェットスキッド性能が良好である。
ウェットスキッド性能=(比較例1の制動距離)/(各配合の制動距離)×100
(耐摩耗性能)
試験用タイヤを車輌(国産FF2000cc)の全輪に装着してテストコースを実車走行し、30000km走行前後のパターン溝探さの変化を求めた。比較例1の溝探さの変化を100として、下記計算式により指数表示した。指数が大きいほど耐摩耗性能が良好である。
耐摩耗性能=(比較例1の溝探さの変化)/(各配合の溝探さの変化)×100
Figure 0005997249
Figure 0005997249
変性ジエン系ゴムAとBのブレンド物及び微粒子シリカを共に使用していない比較例1に比べて、これらの成分を併用した実施例では、転がり抵抗、耐摩耗性及びウェットスキッド性能の性能バランスが相乗的に改善された。また、該ブレンド物を使用しているものの、微粒子シリカを使用していない比較例2〜12は、性能の向上は見られるものの、実施例ほどの性能向上は見られなかった。

Claims (4)

  1. 下記式(I)で表されるアクリルアミド化合物で変性された変性ジエン系ゴムAと、
    Figure 0005997249
    (式中、Rは水素又はメチル基を表す。R及びRはアルキル基を表す。nは整数を表す。)
    下記式(II)で表されるケイ素若しくはスズ化合物及び下記式(III)で表される変性化合物、又は下記式(III)で表される変性化合物で変性された変性ジエン系ゴムBとを含み、かつ該変性ジエン系ゴムA及びB全体の重量平均分子量が30万〜140万であり、
    Figure 0005997249
    (式中、Rはアルキル基、アルケニル基、シクロアルケニル基又は芳香族炭化水素基を表す。Mはケイ素又はスズを表す。Xはハロゲンを表す。aは0〜2の整数を表す。bは2〜4の整数を表す。)
    Figure 0005997249
    (式中、R〜Rは同一若しくは異なって炭素数が1〜8のアルキル基を表す。R〜R12は同一若しくは異なって炭素数が1〜8のアルコキシ基又はアルキル基を表す。p〜rは同一若しくは異なって1〜8の整数を表す。)
    更に、CTAB比表面積180m/g以上、BET比表面積185m/g以上のシリカとを含むタイヤ用ゴム組成物。
  2. 前記変性ジエン系ゴムA及びBは、炭化水素溶媒中で、共役ジエンモノマー、又は共役ジエンモノマー及び芳香族ビニルモノマーをアルカリ金属系触媒を用いて重合させることにより得られるアルカリ金属末端を有する活性共役ジエン系重合体に対して、前記アクリルアミド化合物と、前記ケイ素若しくはスズ化合物及び前記変性化合物、又は前記変性化合物とを反応させることにより得られる混合物である請求項1記載のタイヤ用ゴム組成物。
  3. 前記変性化合物におけるR〜Rはメチル基、エチル基、プロピル基又はブチル基、R〜R12はメトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基又はブトキシ基、p〜rは2〜5の整数である請求項1又は2記載のタイヤ用ゴム組成物。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載のゴム組成物を用いて作製したトレッドを有する空気入りタイヤ。
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