JPH09124851A

JPH09124851A - 繊維複合材料及びそれを用いた空気入りタイヤ

Info

Publication number: JPH09124851A
Application number: JP7287163A
Authority: JP
Inventors: Takaharu Izumimoto; 隆治泉本; Akio Miura; 映生三浦; Koushirou Moji; 浤四郎門司; Shinichi Iwasaki; 眞一岩崎; Kentaro Fujino; 健太郎藤野
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 1995-11-06
Filing date: 1995-11-06
Publication date: 1997-05-13

Abstract

(57)【要約】【課題】繊維の配向性を高め、物性の異方性に優れた
繊維複合材料及びそれを用いた氷上性能を向上した空気
入りタイヤを提供する。【解決手段】架橋ゴムのようなマトリックスに対し
て、ポリエステルのような繊維を添加してなる繊維複合
材料であって、この繊維の熱収縮率がこの複合材料の成
形温度１４０〜２００℃で８％以下である繊維複合材
料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は繊維の配向性を高
め、氷に対する摩擦特性に優れた繊維複合材料及びこれ
をトレッド部に用いた氷上摩擦力を向上させた空気入り
タイヤに関する。

【０００２】

【従来の技術】ゴム、エラストマー等の弾性を有する物
質をマトリックスとして、充填剤、繊維等を複合させる
ことによってマトリックス物質の特性を向上させること
が広く行われている。例えば、特開平４−３８２０６号
には、マトリックスゴムに短繊維を添加することによ
り、タイヤの剛性をコントロールする方法が開示され、
特開平３−１５２１４０号には、タイヤのマトリックス
ゴム中に添加された繊維が脱落することにより、氷上特
性を向上する手法が開示されている。このように、マト
リックスに短繊維を接着、非接着で複合化することによ
り、材料における機能の複合化が図られている。

【０００３】これら、短繊維の複合化によって得られる
機能は短繊維のマトリックス中における配向によっても
たらされているものである。

【０００４】一般に、短繊維はマトリックスとの複合時
に受ける応力、熱などの履歴によりもともとの形状図１
と比較して図２の様に縮れた状態でマトリックスと複合
化されている。したがって、短繊維が縮れた状態の複合
材料は繊維配向によって得られる機能が低下してしま
う。

【０００５】このように、従来の短繊維複合材料は短繊
維の配向性が低減した結果、複合化による物性のコント
ロールがむづかしく、異方性に劣り、本材料をトレッド
部に用いた空気入りタイヤにおける氷上性能向上等の機
能が悪化する。特にこの現象はマトリックスに対して短
繊維が、接着処理を施されている場合に比べ接着処理を
施されていない場合に特に顕著に発生することが分かっ
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は繊維の配向性を高め、氷に対する摩擦特性に優れた繊
維複合材料及びそれをトレッド部に用いた氷上摩擦力を
向上させた空気入りタイヤを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく、成形時に応力、熱が加わる条件下におけ
る繊維の縮れを改良することに着目し、繊維の強度、伸
び等の力学特性、熱収縮率等の熱特性等を、鋭意検討し
た結果、繊維の熱収縮率を制御する等の下記の手段によ
り、上記特性が満足できることを見出し、本発明を完成
するに至った。

【０００８】（１）本発明の繊維複合材料は、マトリッ
クスに対して繊維を添加してなる繊維複合材料であっ
て、該繊維の熱収縮率がこの複合材料の成形温度１４０
〜２００℃で８％以下であることを特徴とする。

【０００９】（２）本発明の繊維複合材料は、前（１）
項において、前記マトリックスが、架橋ゴム、熱可塑性
エラストマー及びこれらの発泡体から選択される１種以
上であることを特徴とする。

【００１０】（３）本発明の繊維複合材料は、前（１）
項において、前記繊維が、有機合成繊維、再生繊維及び
天然繊維から選択される１種以上であることを特徴とす
る。

【００１１】（４）本発明の繊維複合材料は、前（１）
項において、前記繊維の熱収縮率が、この複合材料の成
形温度１４０〜２００℃で４％以下であることを特徴と
する。

【００１２】（５）本発明の繊維複合材料は、前（１）
項において、前記繊維は、平均長さが０．１〜１００ｍ
ｍ及び平均径が１〜１５０μｍ、アスペクト比が５〜１
０００の短繊維であることを特徴とする。

【００１３】（６）本発明の繊維複合材料は、前（１）
項において、前記マトリックスに対する繊維の添加量
が、マトリックスの容量の０．１〜８０容量％であるこ
とを特徴とする。

【００１４】（７）本発明の空気入りタイヤは、前
（１）項及至前（６）項に記載の繊維複合材料をトレッ
ド部に用いることを特徴とする。

【００１５】本発明に用いられる繊維はその熱収縮率が
本発明の複合材料の成形温度である１４０〜２００℃で
８％以下、効果の点から好ましくは４％以下、より好ま
しくは２％以下であることが必須である。この熱収縮率
が８％を越えると、複合化の際、繊維が縮れてしまい、
マトリックス中で所望の配向を得ることができない。こ
ういう繊維の複合材料をトレッド部に用いた空気入りタ
イヤは著しく、氷上性能が悪化する。

【００１６】上記繊維の熱収縮率を８％以下に制御する
手段としては、（１）繊維の紡糸時の延伸工程を、マト
リックスと繊維の複合材料の成形温度より高い温度で行
う方法（この方法では延伸張力、延伸倍率は両者とも小
さくした方がより効果が発揮される）、（２）成形前の
繊維を、マトリックスと繊維の複合材料の成形温度以上
で熱処理する方法が挙げられる。

【００１７】本発明に用いられる繊維は、上記のように
複合材料の成形温度で熱収縮率が８％以下であれば特に
制限されないが、有機合成繊維、再生繊維及び天然繊維
から選択される１種以上が効果の点から好ましく使用さ
れる。この有機合成繊維としてはナイロン、ポリエステ
ル、ケブラー等、再生繊維としてはレーヨン等及び天然
繊維としては綿、羊毛等がそれぞれ挙げられる。中で
も、効果の点から、熱収縮制御しやすいナイロン繊維、
ポリエステル繊維が好ましい。

【００１８】本発明における繊維は平均長さが０．１〜
１００ｍｍ、効果の点から好ましくは０．５〜５０ｍ
ｍ、より好ましくは１〜２０ｍｍであり、平均径が１〜
１５０μｍ、効果の点から５〜１００μｍ、より好まし
くは１０〜６０μｍ、アスペクト比が５〜１０００、好
ましくは７〜〜８００、さらに好ましくは１０〜５００
の短繊維が好適に用いられる。この平均長さが０．１ｍ
ｍ未満でも、１００ｍｍを越えても、また平均径が１μ
ｍ未満でも、１５０μｍを越えても、アスペクト比が５
未満でも、１０００を越えても、いずれも繊維の配向に
よる複合材料の機能向上が困難であるので好ましくな
い。

【００１９】この繊維の添加量はマトリックスの容量の
０．１〜８０容量％、効果の点から好ましくは０．５〜
３０容量％、より好ましくは１〜１０容量％である。添
加量が０．１容量％未満では繊維添加による物性の差が
表れにくいし、８０容量％を越えると添加量が多すぎ
て、配向制御が難しくなる。

【００２０】本発明に用いられる繊維はマトリックスと
の接着に有効な処理が施されても、施されなくても、本
発明の効果を発現するが接着処理がなされていない場合
の方がより顕著な効果を発揮する。

【００２１】本発明に用いられるマトリックスとしては
架橋ゴム、熱可塑性エラストマー及びこれらの発泡体か
ら選択される１種以上である。

【００２２】この架橋ゴムとしては天然ゴム（ＮＲ）、
ブタジエンゴム（ＢＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、ス
チレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ハロゲン化ブチルゴ
ム、及びこれらの混合物等の架橋ゴムを挙げることがで
きる。中でも効果の点から好ましくはＪＩＳＡ硬度で
２０〜９５°より好ましくは３０〜８０°である架橋ゴ
ムが用いられる。

【００２３】また、熱可塑性エラストマーとしては多く
のキャスター等に用いられるナイロン系、ウレタン系、
ポリエステル系、及びこれらの混合物等が含まれる。

【００２４】これらのゴムにはゴム工業で通常使用され
る配合剤、例えばカーボンブラック等の充填剤、硫黄等
の加硫剤、ステアリン酸、酸化亜鉛、加硫促進剤、老化
防止剤、軟化剤等を適宜配合することができる。エラス
トマーにおいても、通常用いられる滑剤、酸化防止剤、
顔料、軟化剤等の第３成分を適宜配合することができ
る。

【００２５】さらに、前記発泡体としては、前記ゴム、
エラストマーの発泡によって得られる。

【００２６】本発明に用いられる発泡体の作成におい
て、発泡剤としては、例えば、二酸化炭素を発生する重
炭酸アンモニウム、重炭酸ナトリウム及び窒素を発生す
るニトロソスルホニルアゾ化合物、例えば、ジニトロソ
ペンタメチレンテトラミン、Ｎ，Ｎ’−ジメチル−Ｎ，
Ｎ’−ジニトロソフタルアミド、アゾジカ−ボンアミ
ド、Ｎ，Ｎ’−ジニトロソペンタメチレンテトラミン、
ベンゼンスルホニルヒドラジド、トルエンスルホニルヒ
ドラジド、Ｐ，Ｐ’−オキシービス（ベンゼンスルホニ
ルヒドラジド）、Ｐ−トルエンスルホニルセミカルバジ
ド、Ｐ，Ｐ’−オキシービス（ベンゼンスルホニルセミ
カルバジド）等があげられ、加硫温度に応じて、これら
を適宜に選択して使用する。また、発泡助剤としては尿
素等が挙げられる。

【００２７】その他の配合剤としては、軟化剤、加硫
剤、加硫促進剤、加硫助剤、老化防止剤、場合により着
色剤、帯電防止剤、或いは、短繊維状物質とゴムとの接
着性を持たせる接着成分、例えば、レゾルシンのような
メチレンアクセプターとヘキサメチレンテトラミン、ヘ
キサメチルメトキシメチロールメラミンのようなメチレ
ンドナーとを配合する等慣用により適宜添加される。

【００２８】発泡ゴムと複合化する場合、気泡の平均気
泡径は１０〜３００μｍが好ましく３０〜１００μｍが
より好ましい。１０μｍ未満ではマトリックスを発泡さ
せた効果が得られず、３００μｍ以上では発泡による短
繊維の配向の乱れが大きくなり本発明の効果が得られな
い。

【００２９】また、発泡率（Ｖｓ）は次式（１）

【００３０】

【数１】

【００３１】で表され、ρ₁は発泡ゴム層の密度（ｇ／
ｃｍ³）、ρ₀は発泡ゴム層の固相部の密度（ｇ／ｃｍ
³）、ρ_gは発泡ゴム層のガスの密度（ｇ／ｃｍ³）で
ある。発泡ゴム層はゴム固相部と、ゴム固相部によって
形成される気泡、即ち、気泡内のガス部とから構成され
ている。

【００３２】ガス部の密度ρ_gは極めて小さく、ほぼ零
に近く、かつ、ゴム固相部の密度ρ₀に対して極めて小
さいので式（２）は、次式

【００３３】

【数２】

【００３４】と、ほぼ同等となる。ここで発泡率は３〜
５０％の範囲が好ましく、５〜３０％がより好ましい。
３％未満では発泡の効果が得られず、５０％を越えると
発泡による繊維の配向の乱れが大きくなり本発明の効果
が得られない。

【００３５】本発明の繊維複合材料はマトリックスゴム
と複合した繊維がマトリックス中で高度に配向し、物性
の異方性に優れた繊維補強複合材料であるので、幅広い
ゴム製品又はその部材として適用することができる。例
えばタイヤの各部材、特にトレッド部の材料として極め
て有効であり、これを用いたタイヤの氷上摩擦性能等に
顕著な効果を発現する。また、マトリックスゴムの繊維
補強性が要求される各種工業用品、例えばベルト、キャ
スター等、特にベルト用の繊維複合材料としても有用で
ある。

【００３６】

【実施例】以下に実施例を挙げて、本発明をより具体的
に説明するが、本発明の趣旨を越えない限り、本実施例
に限定されるものではない。・繊維の調製実施例及び比較例に用いる熱収縮率の異なる繊維は紡糸
後の延伸工程を変えて作製した。繊維には接着処理を施
さなかった。

【００３７】各種の測定は下記の通り実施した。・繊維の形状繊維を倍率２０〜４００倍の光学顕微鏡て撮影し、１０
０個以上の繊維の長さ及び径を測定し、算術平均値とし
て表した。・繊維の熱収縮率ＪＩＳＬ１０７３に記載の乾熱収縮率Ａ法（フィラメ
ント収縮率）に準じる。１７０°Ｃにおける熱収縮率を
測定した。・平均気泡径及び発泡率Ｖｓ平均気泡径は試験タイヤのトレッドゴム（発泡体）から
ブロック状の試料を切出し、その試料断面の写真を倍率
１００〜４００倍の光学顕微鏡で撮影し、２００個以上
の独立気泡の気泡直径を測定し、算術平均値として表し
た。

【００３８】また、発泡率Ｖｓはブロック状の前記試料
の密度ρ₁（ｇ／ｃｍ³）を測定し、一方、無発泡ゴム
（固相ゴム）のトレッド部の密度ρ₀（ｇ／ｃｍ³）を
測定し、前記式（２）を用いて求めた。・Ｅ’（‖）／Ｅ’（⊥）配向の程度を示す物性として、動的粘弾性の貯蔵弾性率
Ｅ’を測定し、配向方向（‖）と配向に垂直な方向
（⊥）の比をとった。繊維がランダムに複合化されると
Ｅ’（‖）／Ｅ’（⊥）＝１となり、１より大きくなる
程、配向性が高くなることを示す。

【００３９】測定条件は東洋精機製スペクトロメーター
を使用して、温度：室温，周波数：５０Ｈｚ，初期荷
重：１５０ｇ，振幅：１％である。サンプル形状は幅６
ｍｍ、チャック間の長さ２０ｍｍ、厚さ２ｍｍで測定し
た。・氷上摩擦力性能試験各試験タイヤ４本を排気量１５００ｃｃの乗用車に装着
し、外気温０〜−３℃、時速２０kmで氷上における制動
距離を測定した。タイヤは１８５／７０Ｒ１３のサイズ
を使用した。

【００４０】下記式（３）に従い氷上性能を算出した。

【００４１】

【数３】

【００４２】無発泡マトリックスでの効果については、
ポリエステル繊維（径：３２μｍ、長さ：２ｍｍ、添加
量：５容量％、熱収縮率：１３．７％）を複合化したト
レッド材料を用いた無発泡コントロールタイヤ（比較例
１）の性能を、１００として指数表示した。

【００４３】発泡マトリックスでの効果については、ポ
リエステル繊維（径：３２μｍ、長さ：２ｍｍ、添加
量：５容量％、熱収縮率：１３．７％）を複合化したト
レッド材料を用いた発泡コントロールタイヤ（比較例
３）の性能を、１００として指数表示した。

【００４４】〔実施例１〕径が３２μｍで、長さが２ｍ
ｍで、熱収縮率が７．２％であるポリエステル短繊維を
ゴム成分の５容量％添加して、表１の配合に従って、ラ
ボプラストミル（東洋精機社製）で、１５０℃、５分間
練った後、この配合物を６０℃で、１分間、ロールにて
シーティングし、１６０℃で、２０分間加硫を行った。
この加硫物について、Ｅ’（配向方向）／Ｅ’（垂直方
向）を測定し、結果を表３に示す。この配合物をトレッ
ド部に用いた空気入りタイヤを作成し、タイヤの氷上摩
擦性能を測定し、結果を表３に示す。

【００４５】〔実施例２〜３〕実施例２は熱収縮率３．
７％のポリエステル短繊維、実施例３は熱収縮率１．４
％のポリエステル短繊維をそれぞれ用いる以外、実施例
１と同様にして、加硫物及びタイヤを作成し、それぞれ
Ｅ’（配向方向）／Ｅ’（垂直方向）及び氷上性能を測
定し、結果を表３に示す。

【００４６】〔比較例１〕熱収縮率１３．７％のポリエ
ステル短繊維を用いる以外、実施例１と同様にして、加
硫物及びタイヤを作成し、それぞれＥ’（配向方向）／
Ｅ’（垂直方向）及び氷上性能を測定し、結果を表３に
示す。

【００４７】〔実施例４〕径が３５μｍで、長さが２ｍ
ｍで、熱収縮率が５．４％であるナイロン短繊維をゴム
成分の５容量％添加して、実施例１と同様にして、加硫
物及びタイヤを作成し、それぞれＥ’（配向方向）／
Ｅ’（垂直方向）及び氷上性能を測定し、結果を表３に
示す。

【００４８】〔比較例２〕熱収縮率１６．２％のナイロ
ン短繊維を用いる以外、実施例４と同様にして、加硫物
及びタイヤを作成し、それぞれＥ’（配向方向）／Ｅ’
（垂直方向）及び氷上性能を測定し、結果を表３に示
す。

【００４９】〔実施例５〕径が３２μｍで、長さが２ｍ
ｍで、熱収縮率が７．２％であるポリエステル短繊維を
ゴム成分の５容量％添加して、表２の配合の発泡剤、尿
素を除いたものを、ラボプラストミル（東洋精機社製）
で、１５０℃、５分間練った後、さらに発泡剤、尿素を
表２の配合量に従って、ラボプラストミルで８０℃、１
分間練った。この配合物を６０℃で、１分間、ロールに
てシーティングし、１６０℃で、２０分間加硫を行っ
た。この加硫物について、Ｅ’（配向方向）／Ｅ’（垂
直方向）を測定し、結果を表４に示す。この配合物をト
レッド部に用いた空気入りタイヤを作成し、タイヤの氷
上摩擦性能を測定し、結果を表４に示す。

【００５０】〔実施例６〜７〕実施例６は熱収縮率３．
７％のポリエステル短繊維、実施例７は熱収縮率１．４
％のポリエステル短繊維をそれぞれ用いる以外、実施例
５と同様にして、加硫物及びタイヤを作成し、それぞれ
Ｅ’（配向方向）／Ｅ’（垂直方向）及び氷上性能を測
定し、結果を表４に示す。

【００５１】〔比較例３〕熱収縮率１３．７％のポリエ
ステル短繊維を用いる以外、実施例５と同様にして、加
硫物及びタイヤを作成し、それぞれＥ’（配向方向）／
Ｅ’（垂直方向）及び氷上性能を測定し、結果を表４に
示す。

【００５２】〔実施例８〕径が３５μｍで、長さが２ｍ
ｍで、熱収縮率が５．４％であるナイロン短繊維をゴム
成分の５容量％添加して、実施例５と同様にして、加硫
物及びタイヤを作成し、それぞれＥ’（配向方向）／
Ｅ’（垂直方向）及び氷上性能を測定し、結果を表４に
示す。

【００５３】〔比較例４〕熱収縮率１６．２％のナイロ
ン短繊維を用いる以外、実施例８と同様にして、加硫物
及びタイヤを作成し、それぞれＥ’（配向方向）／Ｅ’
（垂直方向）及び氷上性能を測定し、結果を表４に示
す。

【００５４】

【表１】

【００５５】

【表２】

【００５６】

【表３】

【００５７】

【表４】

【００５８】表３〜４に示すように、本発明の繊維複合
材料は繊維の配向性に極めて優れ、またそれをトレッド
部に用いた空気入りタイヤは氷上摩擦性能を顕著に向上
することがわかる。

【００５９】比較例（１〜４）に示すように、繊維複合
材料において用いられる無発泡マトリックス及び発泡マ
トリックスのいずれであっても、繊維の熱収縮率が特許
請求の範囲外である場合、繊維複合材料は繊維の配向性
が不良であり、またそれをトレッド部に用いた空気入り
タイヤは氷上摩擦性能が著しく悪化する。

【００６０】

【発明の効果】本発明の繊維複合材料は、上記の構成と
したので、繊維の配向性を高め、氷に対する摩擦特性を
向上し、またそれをトレッド部に用いた空気入りタイヤ
は氷上摩擦力が大幅に改良されという優れた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】複合前の短繊維の状態を示す概略図である。

【図２】従来の複合材料中の短繊維の状態を示す概略図
である。

【符号の説明】

１短繊維２マトリックス３縮れた短繊維

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリックスに対して繊維を添加してな
る繊維複合材料であって、該繊維の熱収縮率がこの複合
材料の成形温度１４０〜２００℃で８％以下であること
を特徴とする繊維複合材料。
【請求項２】前記マトリックスが、架橋ゴム、熱可塑
性エラストマー及びこれらの発泡体から選択される１種
以上であることを特徴とする請求項１記載の繊維複合材
料。
【請求項３】前記繊維が、有機合成繊維、再生繊維及
び天然繊維から選択される１種以上であることを特徴と
する請求項１記載の繊維複合材料。
【請求項４】前記繊維の熱収縮率が、この複合材料の
成形温度１４０〜２００℃で４％以下であることを特徴
とする請求項１記載の繊維複合材料。
【請求項５】前記繊維は、平均長さが０．１〜１００
ｍｍ及び平均径が１〜１５０μｍ、アスペクト比が５〜
１０００の短繊維であることを特徴とする請求項１記載
の繊維複合材料。
【請求項６】前記マトリックスに対する繊維の添加量
が、マトリックスの容量の０．１〜８０容量％であるこ
とを特徴とする請求項１記載の繊維複合材料。
【請求項７】請求項１及至６記載の繊維複合材料をト
レッド部に用いることを特徴とする空気入りタイヤ。