JP6910247B2

JP6910247B2 - 非空気圧タイヤ

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Publication number: JP6910247B2
Application number: JP2017166475A
Authority: JP
Inventors: 拓也都築
Original assignee: Toyo Tire Corp
Current assignee: Toyo Tire Corp
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2021-07-28
Anticipated expiration: 2037-08-31
Also published as: JP2019043259A

Description

本開示は、非空気圧タイヤ（ｎｏｎ−ｐｎｅｕｍａｔｉｃｔｉｒｅ）に関する。

非空気圧タイヤには耐久性の向上が求められている。非空気圧タイヤの特徴のひとつは、空気入りタイヤにくらべてメンテナンスを必要としないことであり、この特徴を高いレベルで発揮するために、耐久性の向上が有効だからである。

特開２０１１−２１９００９

本開示の目的は、耐久性を向上することが可能な非空気圧タイヤを提供することである。

本開示の非空気圧タイヤは、ポリウレタンを含み、ポリウレタンが、ハードドメインとソフトドメインとからなるミクロ相分離構造を有し、ハードドメインの面積率が４％以上である。

実施形態１における非空気圧タイヤの正面図である。Ｏは軸芯を示す。Ｈはタイヤ断面高さを示す。図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。図１の非空気圧タイヤの一部を拡大で示す斜視図である。変形例１における非空気圧タイヤの正面図である。実施例１の非空気圧タイヤを構成するポリウレタンを走査型プローブ顕微鏡で観察して得られた位相像である。この位相像は、遅れ角度に基づいて二値化されている。白色がハードドメインを示し、黒色がソフトドメインを示す。実施例２の非空気圧タイヤを構成するポリウレタンを走査型プローブ顕微鏡で観察して得られた位相像である。この位相像は、遅れ角度に基づいて二値化されている。白色がハードドメインを示し、黒色がソフトドメインを示す。実施例３の非空気圧タイヤを構成するポリウレタンを走査型プローブ顕微鏡で観察して得られた位相像である。この位相像は、遅れ角度に基づいて二値化されている。白色がハードドメインを示し、黒色がソフトドメインを示す。比較例１の非空気圧タイヤを構成するポリウレタンを走査型プローブ顕微鏡で観察して得られた位相像である。この位相像は、遅れ角度に基づいて二値化されている。白色がハードドメインを示し、黒色がソフトドメインを示す。

本開示の非空気圧タイヤは耐久性に優れる。その理由のひとつは、ミクロ相分離構造におけるハードドメインの面積率が４％以上であることである。ミクロ相分離構造をこのようなレベルに発達させるために、たとえば、ポリウレタン用のポリオールとしてポリカーボネートジオールを使用することができる。ポリカーボネートジオールは、凝集しやすいため、ソフト鎖における単独の凝集を促すことが可能である。これに伴ってハード鎖における単独の凝集が促される。このような機構によって、ポリカーボネートジオールでミクロ相分離構造を発達させることができると考えられる。

ハードドメインの面積率は２５％以下であることができる。

ハードドメインの平均円相当径は５．０ｎｍ以下であることが好ましい。

ポリウレタンを構成するポリオールがポリエステルポリオールを含むことができる。

ポリウレタンを構成するポリオールがポリカーボネートジオールを含むことができる。

実施形態１
図１に示すように、実施形態１の非空気圧タイヤＴは、車両からの荷重を支持する支持構造体ＳＳを備える。支持構造体ＳＳは、内側環状部１と、内側環状部１の外側に同心円状に設けられた外側環状部２と、内側環状部１と外側環状部２とを連結し、タイヤ周方向ＣＤに各々独立して設けられた複数の連結部３とを備える。

支持構造体ＳＳは、少なくともポリウレタンで構成される。ポリウレタンでは、疑似架橋が生じている。疑似架橋は、ハードドメインの凝集力によって生じることができる。ポリウレタンはエラストマーであることができる。ポリウレタンの引張モジュラスの下限は、たとえば５ＭＰａ、７ＭＰａなどである。ポリウレタンの引張モジュラスの上限は、たとえば１００ＭＰａである。ポリウレタンの引張モジュラスは、ＪＩＳＫ７３１２：１９９６に準じて引張試験をおこない、１０％伸び時の引張応力から算出する。支持構造体ＳＳの少なくとも一部、たとえば、内側環状部１や外側環状部２は、補強繊維で補強されていることができる。補強繊維として、長繊維、短繊維、織布、不織布などの補強繊維を挙げることができる。長繊維を使用する形態として、タイヤ幅方向に配列される繊維とタイヤ周方向に配列される繊維とで構成されるネット状繊維集合体を使用することが好ましい。補強繊維として、たとえば、レーヨンコード、ナイロン−６，６などのポリアミドコード、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステルコード、アラミドコード、ガラス繊維コード、カーボンファイバー、スチールコードなどを挙げることができる。支持構造体ＳＳは充てん剤を含有しないことが好ましい。

図５〜７に示すように、ポリウレタンが、ハードドメインとソフトドメインとからなるミクロ相分離構造を有する。ミクロ相分離構造は、走査型プローブ顕微鏡（以下、「ＳＰＭ」という。）でポリウレタンを観察することで確認できる。ここでは、ＳＰＭにおける位相像の、総遅れ角度５０％よりも遅れ角度が小さい領域をハードドメインと定義する。総遅れ角度５０％は、総遅れ角度の最大値と総遅れ角度の最小値との差を１００％と定義して求めることができる。ハードドメイン以外の領域はソフトドメインと定義される。

ハードドメインの面積率は４％以上、好ましくは５％以上、より好ましくは１０％以上、さらに好ましくは１５％以上である。面積率の上限は特に限定されないものの、たとえば２５％である。ハードドメインの面積率は、実施例に記載の方法で求める。ハードドメインの面積率は、次式で求められる。
ハードドメインの面積率＝ハードドメインの面積／ハードドメインの面積とソフト
ドメインの面積との合計面積×１００

ハードドメインの平均円相当径は、好ましくは５．０ｎｍ以下、より好ましくは４．０ｎｍ以下である。ハードドメインが小さいほど、耐久性が優れる傾向がある。ハードドメインにおける平均円相当径の下限は、たとえば３ｎｍ、１ｎｍなどである。ハードドメインの平均円相当径は、実施例に記載の方法で求める。

このようなミクロ相分離構造を有するポリウレタンは、少なくともポリオールとポリイソシアネートとで構成されることができる。ポリオールは、分子中に、少なくとも２個のヒドロキシ基を有する。ポリイソシアネートは、分子中に、少なくとも２個のイソシアネート基を有する。

ポリオールがポリエステルポリオールを含むことが好ましい。ポリエステルポリオールは、ポリウレタンのソフト鎖を構成することができる。ポリエステルポリオールは、ポリエーテルポリオールとくらべて凝集しやすいためソフト鎖の単独の凝集を促すことが可能であり、これに伴ったハード鎖の単独の凝集も促すことができ、ミクロ相分離構造を発達させることができると考えられる。ポリエステルポリオールとして、たとえばポリアジペートグリコール（ｐｏｌｙａｄｉｐａｔｅｇｌｙｃｏｌ）、ポリフタル酸グリコール（ｐｏｌｙｐｈｔｈａｌａｔｅｇｌｙｃｏｌ）、ポリカーボネートジオール（以下、「ＰＣＤ」という。）、ポリカプロラクトンポリオールを挙げることができる。なかでも、ＰＣＤが、凝集力に優れるという理由で好ましい。ＰＣＤの優れた凝集力は、カーボネート基によってもたらされると考えられる。ポリエステルポリオールの数平均分子量は、たとえば２００以上であることができる。ポリエステルポリオールにおける数平均分子量の上限は、たとえば３０００、２０００などである。ポリウレタンを構成するポリエステルポリオールの量は、ポリウレタン１００重量％において、好ましくは５重量％以上、より好ましくは２０重量％以上、さらに好ましくは３０重量％以上、さらに好ましくは４０重量％以上、さらに好ましくは５０重量％以上である。ポリエステルポリオールにおける量の上限は、ポリウレタン１００重量％において、たとえば９０重量％、８５重量％、８０重量％、７５重量％、７０重量％などである。

ポリオールが、ポリエーテルポリオールをさらに含むことが好ましい。ポリエーテルポリオールは、ポリウレタンのソフト鎖を構成することができる。ポリエーテルポリオールは、ポリエステルポリオールとともに使用されることで、ソフト鎖の運動性を確保し、ミクロ相分離構造を効果的に発達させると考えられる。ポリエーテルポリオールとして、たとえばポリテトラメチレンエーテルグリコール（以下、「ＰＴＭＧ」という。）、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどを挙げることができる。ＰＴＭＧは、プレポリマー法でポリウレタンを作製する場合に、ポリイソシアネートとの混和が容易であるため好ましい。ポリエーテルポリオールの数平均分子量は、たとえば２００以上であることができる。ポリエーテルポリオールにおける数平均分子量の上限は、たとえば３０００、２０００などである。ポリウレタンを構成するポリエーテルポリオールの量は、ポリウレタン１００重量％において、たとえば２重量％以上、５重量％以上である。ポリエーテルポリオールにおける量の上限は、ポリウレタン１００重量％において、たとえば７０重量％、４０重量％などである。

ポリイソシアネートとして、たとえばパラフェニレンジイソシアネート（以下、「ＰＰＤＩ」という。）、トルエンジイソシアネート（以下、「ＴＤＩ」という。）、ジフェニルメタンジイソシアネート（以下、「ＭＤＩ」という。）を挙げることができる。ポリイソシアネートとしては、芳香族ジイソシアネートが好ましく、剛直で、生成されるハードセグメントの凝集力が強いという理由でＰＰＤＩが特に好ましい。

ポリウレタンの作製方法として、たとえばワンショット法、プレポリマー法を挙げることができる。ワンショット法では、たとえば、ポリエステルポリオールと、ポリイソシアネートと、鎖延長剤と、必要に応じてポリエーテルポリオールとを同時に重合することができる。プレポリマー法では、たとえば、ポリエステルポリオール、ポリイソシアネートおよび必要に応じてポリエーテルポリオールでイソシアネート基末端プレポリマーを合成し、イソシアネート基末端プレポリマーに、鎖延長剤、必要に応じてポリエステルポリオールおよび必要に応じてポリエーテルポリオールを添加し、重合することができる。

ポリウレタンを作製するために鎖延長剤を使用することができる。鎖延長剤として、たとえば短鎖ポリオールを使用でき、具体的には、炭素数１０以下のポリオール、好ましくは炭素数１０以下のジオールを使用することができる。より具体的には、エチレングリコール、１，４−ブタンジオールなどを挙げることができる。

支持構造体ＳＳは内側環状部１を備える。内側環状部１は、厚みが一定の円筒形状であることが好ましい。内側環状部１の内周面には、車軸やリムを装着するための凹凸などが設けられていることができる。内側環状部１の厚みは、タイヤ断面高さＨの２％〜７％であることが好ましい。内側環状部１の内径は、２５０ｍｍ〜５００ｍｍであることが好ましい。内側環状部１におけるタイヤ幅方向の幅は、１００ｍｍ〜３００ｍｍであることが好ましい。内側環状部１は、補強繊維で補強されていることが好ましい。内側環状部１の引張モジュラスは、好ましくは５ＭＰａ〜１８００００ＭＰａ、より好ましくは７ＭＰａ〜５００００ＭＰａである。内側環状部１の引張モジュラスは、ＪＩＳＫ７３１２：１９９６に準じて引張試験をおこない、１０％伸び時の引張応力から算出する。

支持構造体ＳＳは外側環状部２を備える。外側環状部２の形状は、厚みが一定の円筒形状であることが好ましい。外側環状部２の厚みは、タイヤ断面高さＨの２％〜７％であることが好ましい。外側環状部２の内径は、４２０ｍｍ〜７５０ｍｍであることが好ましい。外側環状部２におけるタイヤ幅方向の幅は、１００ｍｍ〜３００ｍｍであることが好ましい。外側環状部２は、補強繊維で補強されていることが好ましい。外側環状部２の引張モジュラスは、好ましくは５ＭＰａ〜１８００００ＭＰａ、より好ましくは７ＭＰａ〜５００００ＭＰａである。外側環状部２の引張モジュラスは、ＪＩＳＫ７３１２：１９９６に準じて引張試験をおこない、１０％伸び時の引張応力から算出する。

支持構造体ＳＳは連結部３を備える。連結部３は、内側環状部１と外側環状部２とを連結する。連結部３を支持構造体ＳＳは複数備えることができる。複数の連結部３のそれぞれは、タイヤ周方向ＣＤで独立していることができる。８０個〜３００個の連結部３を、支持構造体ＳＳが備えることが好ましい。複数の連結部３のすべては同一形状であることができ、同一形状でなくてもよい。連結部３の引張モジュラスは、好ましくは５ＭＰａ〜１８００００ＭＰａ、より好ましくは７ＭＰａ〜５００００ＭＰａである。連結部３の引張モジュラスは、ＪＩＳＫ７３１２：１９９６に準じて引張試験をおこない、１０％伸び時の引張応力から算出する。

図２および図３に示すように、複数の連結部３は、タイヤ周方向ＣＤに沿って交互に配列された第１連結部３１と第２連結部３２とで構成されることができる。これにより、タイヤ転動時の接地圧分散を小さくできる。第１連結部３１と第２連結部３２との間におけるタイヤ周方向ＣＤのピッチｐは、一定であることが好ましい。ピッチｐは、好ましくは０ｍｍ〜１０ｍｍである。第１連結部３１は、内側環状部１のタイヤ幅方向一方側ＷＤ１から外側環状部２のタイヤ幅方向他方側ＷＤ２へ延びている。いっぽう、第２連結部３２は、内側環状部１のタイヤ幅方向他方側ＷＤ２から外側環状部２のタイヤ幅方向一方側ＷＤ１へ延びている。第１連結部３１と第２連結部３２との両者をタイヤ周方向ＣＤでみたとき、両者は、タイヤ赤道面Ｃに対して対称な形状であることが好ましい。第１連結部３１は板状をなすことができる。第１連結部３１に関して、板厚ｔが板幅ｗよりも小さいことが好ましい。板厚ｔを規定する板厚方向ＰＴは、タイヤ周方向ＣＤを向いている。板厚ｔは、長手方向ＰＬに沿って一定であることができる。板厚ｔは、長手方向ＰＬに沿って一定でなくてもよく、たとえば、内側環状部１から外側環状部２へ向かって漸増していてもよい。板厚ｔは８ｍｍ〜３０ｍｍに収まることが好ましい。板幅ｗは、長手方向ＰＬに沿って一定であることができる。板幅ｗは、長手方向ＰＬに沿って一定でなくてもよい。板幅ｗは、５ｍ〜２５ｍｍに収まることが好ましい。第２連結部３２も板状をなすことができる。第２連結部３２は、第１連結部３１で説明した好適な板形状をなすことができる。

非空気圧タイヤＴは、外側環状部２よりもタイヤ径方向で外側に位置する補強層７をさらに備えることができる。補強層７は、空気入りタイヤを構成するベルト層と同様のものであることができる。

非空気圧タイヤＴはトレッド８をさらに備えることができる。トレッド８は、外側環状部２よりもタイヤ径方向で外側に位置することができる。非空気圧タイヤＴが補強層７を備える場合には、トレッド８は、補強層７よりもタイヤ径方向で外側に位置することができる。トレッド８には、トレッドパターンが設けられていることができる。非空気圧タイヤＴは、車軸やリムとの適合用部材などをさらに備えることができる。

変形例１
図４に示すように、変形例１における非空気圧タイヤＴの支持構造体ＳＳは、中間環状部４を備える。具体的には、支持構造体ＳＳは、内側環状部１と、内側環状部１の外側に同心円状に設けられた中間環状部４と、中間環状部４の外側に同心円状に設けられた外側環状部２と、内側環状部１と中間環状部４とを連結し、タイヤ周方向ＣＤに各々独立して設けられた複数の内側連結部５と、外側環状部２と中間環状部４とを連結し、タイヤ周方向ＣＤに各々独立して設けられた複数の外側連結部６とを備える。中間環状部４の形状は、円筒形状であることができ、多角形筒状であることもできるものの、厚みが一定の円筒形状であることが好ましい。中間環状部４の厚みは、タイヤ断面高さＨの３％〜１０％が好ましい。中間環状部４は、補強繊維で補強されていることが好ましい。中間環状部４の引張モジュラスは、内側環状部１のそれより高いことが好ましい。中間環状部４の引張モジュラスは、好ましくは８０００ＭＰａ〜１８００００ＭＰａ、より好ましくは１００００ＭＰａ〜５００００ＭＰａである。内側環状部１の引張モジュラスは、ＪＩＳＫ７３１２：１９９６に準じて引張試験をおこない、１０％伸び時の引張応力から算出する。

ここまで説明したように、非空気圧タイヤＴは、車両からの荷重を支持する支持構造体ＳＳを備え、支持構造体ＳＳはポリウレタンを含み、ポリウレタンが、ハードドメインとソフトドメインとからなるミクロ相分離構造を有し、ハードドメインの面積率が４％以上である。

非空気圧タイヤＴは耐久性に優れる。その理由のひとつは、ミクロ相分離構造におけるハードドメインの面積率が４％以上であることである。

以下に、本開示の実施例を説明する。

製造例１―プレポリマーＡの合成
反応容器にＰＴＭＧ（三菱化学株式会社製、ＰＴＭＧ１０００、数平均分子量１０００、官能基数２）を２２．５重量部入れ、減圧脱水を１時間おこない、反応容器内を窒素置換した。反応容器に、ＰＰＤＩ７７．５重量部を添加して、反応容器内の温度を９０℃に保持しながら６時間反応させ、プレポリマーＡを作製した。

製造例２―プレポリマーＢの合成
ＰＴＭＧ２２．５重量部の代わりに、ＰＣＤ(旭化成株式会社製、Ｔ５６５１、数平均分子量１０００、官能基数２)２２．５重量部用いた以外は製造例１と同様にしてプレポリマーＢを作製した。

実施例１における非空気圧タイヤＴの作製
ＰＣＤ(旭化成株式会社製、Ｔ５６５１、数平均分子量１０００、官能基数２)２６重量部と、１，４‐ブタンジオール（ナカライテスク株式会社製）５重量部とを混合・脱泡し、混合液を作製した。この混合液に、プレポリマーＡ１００重量部を添加し、ハイブリットミキサー（クラボウ製）で混合・脱泡し、支持構造体ＳＳ成形用の金型に注型した。その後、１３０℃で１６時間キュアをおこなって支持構造体ＳＳを得た。支持構造体ＳＳに、補強層７とゴム製のトレッド８とを設け、図１に示す形状の非空気圧タイヤＴを得た。

実施例２における非空気圧タイヤＴの作製
ＰＣＤ２６重量部の代わりに、ＰＴＭＧ（三菱化学株式会社製、ＰＴＭＧ１０００、数平均分子量１０００、官能基数２）２６重量部を用い、プレポリマーＡの代わりにプレポリマーＢを用いた以外は実施例１と同様にして非空気圧タイヤＴを作製した。

実施例３における非空気圧タイヤＴの作製
プレポリマーＡの代わりにプレポリマーＢを用いた以外は実施例１と同様にして非空気圧タイヤＴを作製した。

比較例１における非空気圧タイヤＴの作製
ＰＣＤ２６重量部の代わりにＰＴＭＧ（三菱化学株式会社製、ＰＴＭＧ１０００、数平均分子量１０００、官能基数２）２６重量部を用いた以外は実施例１と同様にして非空気圧タイヤＴを作製した。

ＳＰＭ観察
非空気圧タイヤＴからポリウレタンを切り出し、ポリウレタンを、表１に示す条件でＳＰＭで観察し、ハードドメインの面積率を求めた。ハードドメインを、ＳＰＭにおける位相像の、総遅れ角度５０％よりも遅れ角度が小さい領域だと定義した。総遅れ角度５０％は、総遅れ角度の最大値と総遅れ角度の最小値との差を１００％と定義して求めた。ハードドメインの平均円相当径は、画像解析ソフト「ＷｉｎＲＯＯＦ」（三谷商事）を使用して求めた。

耐久性
非空気圧タイヤＴをホイールに装着し、ドラム試験機にて、時速８０ｋｍ、荷重３５０ｋｇで試験をおこない、支持構造体ＳＳに故障が生じるまでの走行距離を測定した。この走行距離を、比較例１の値を１００とした指数で示した。値が大きいほど、故障が生じるまでの走行距離が長く、耐久性に優れる。

比較例１における非空気圧タイヤＴの耐久性にくらべて、実施例１〜３の非空気圧タイヤＴの耐久性は優れていた。

比較例１における非空気圧タイヤＴのミクロ相分離構造にくらべて、実施例１〜３のそれは発達していた。実施例１〜３における非空気圧タイヤＴのハードドメイン面積率は、比較例１における非空気圧タイヤＴのそれよりも高かった。実施例１〜３におけるハードドメインの平均円相当径は、比較例１のそれよりも小さかった。

実施例２における非空気圧タイヤＴの耐久性は、実施例３における非空気圧タイヤＴのそれにくらべて優れていた。これは、実施例２では、ＰＴＭＧが、ソフト鎖の運動性を確保し、ミクロ相分離構造を効果的に発達させたからだと考えられる。いっぽう、実施例３では、ＰＣＤが、多過ぎたと考えられる。つまり、実施例３では、ＰＣＤによってソフト鎖の運動性が過度に低下し、ミクロ相分離構造の発達が甘くなったと考えられる。

Claims

ポリウレタンを含み、
前記ポリウレタンが、ハードドメインとソフトドメインとからなるミクロ相分離構造を
有し、
前記ハードドメインの面積率が４％以上であり、
前記ポリウレタンを構成するポリオールがポリカーボネートジオールを含む、
非空気圧タイヤ。
前記ハードドメインの面積率が２５％以下である、請求項１に記載の非空気圧タイヤ。
前記ハードドメインの平均円相当径が５．０ｎｍ以下である、請求項１または２に記載
の非空気圧タイヤ。
前記ポリウレタンを構成するポリオールがポリエステルポリオールを含む、請求項１〜
３のいずれかに記載の非空気圧タイヤ。