JPH1160984A - Carbon black and rubber composition - Google Patents

Carbon black and rubber composition

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JPH1160984A
JPH1160984A JP9223894A JP22389497A JPH1160984A JP H1160984 A JPH1160984 A JP H1160984A JP 9223894 A JP9223894 A JP 9223894A JP 22389497 A JP22389497 A JP 22389497A JP H1160984 A JPH1160984 A JP H1160984A
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carbon black
rubber
ctab
nitrogen
oxygen
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JP9223894A
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Japanese (ja)
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Takashi Iijima
孝 飯島
Taro Kono
太郎 河野
Kenryo Sasaki
健了 佐々木
Koichiro Mukai
幸一郎 向井
Yasuhisa Sawa
泰久 澤
Takaaki Kanai
孝陽 金井
Masaki Kurihara
正樹 栗原
Yuji Ota
裕治 太田
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SHINNITSUKA CARBON KK
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain carbon black and a rubber composition suitable for tire tread simultaneously satisfying improvement in wear resistance and grip and reclamation in fuel cost characteristics. SOLUTION: This carbon black belongs a hard-based region having >=80 (m<2> /g) CTAB(cetyltetraammonium bromide) and >=80 (mL/100 g) compression DBP and satisfies selective characteristic requirements of (1) nitrogen adsorption specific surface area (N2 SA); N2 SA-CTAB<=50, (2) nitrogen content (N; wt.%); 3.0×10<-3> <=N/CTAB<=1.2×10<-2> , (3) oxygen content(0; wt.%); 0/CTAB<=1.3×10<-2> , (4) the weight ratio of nitrogen content and oxygen content O/N; O/N<=3.0, (5) a basic functional group concentration (B; meq/g); 2.0×10<-4> <=B/ CTAB<=1.0×10<-2> and (6) a shell rubber amount (S); 5.0×10<-6> <=S<=5.0×10<-5> . This rubber composition is obtained by compounding 20-100 pts.wt. of the carbon black with 100 pts.wt. of rubber.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、カーボンブラック
とゴム組成物に関し、特に優れたグリップ力と低燃費特
性とを兼ね備えたタイヤトレッド用として好適なカーボ
ンブラックとゴム組成物に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon black and a rubber composition, and more particularly to a carbon black and a rubber composition suitable for a tire tread having excellent gripping power and low fuel consumption.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年の自動車における走行性能の高性能
化と省資源・低燃費化の進展に伴い、タイヤの性能にお
いても種々の特性の高度なバランスが要求されている。
その中でも特に、路面とのグリップ力の向上、タイヤ摩
耗の低減、そして、走行時の燃費特性(タイヤの転がり
抵抗)改善といった複数の特性を同時に兼ね備えたタイ
ヤトレッドの研究開発が盛んに進められている。これら
の特性に対し、タイヤトレッドの構成要素の中で、カー
ボンブラックの果たす役割は大きく、上記の特性を改善
する新規カーボンブラックの開発が急務の課題となって
いる。
2. Description of the Related Art In recent years, with the advancement of high-performance driving performance and resource saving and low fuel consumption of automobiles, a high balance of various characteristics is required also in tire performance.
In particular, research and development of tire treads that simultaneously have multiple characteristics, such as improved grip with the road surface, reduced tire wear, and improved fuel consumption characteristics (tire rolling resistance) during driving, have been actively pursued. I have. In view of these characteristics, carbon black plays a significant role in the components of the tire tread, and development of a new carbon black that improves the above characteristics is an urgent issue.

【0003】カーボンブラックを配合したゴムは飛躍的
にその機械的強度を増すことは既によく知られたことで
あるが、このカーボンブラックのゴム補強性に対する支
配的要因は、形態と表面活性の2種に大別される。具体
的には以下のような因子が一般的に知られている(Carb
on Black, 2nd Edition(1993), Edited by J. B.Donne
t, R.C. Bansal, M.J. Wang, MARCEL DEKKER, INC.、カ
ーボンブラック便覧第4章、カーボンブラック協会編、
発行1961年(株)図書出版)。
It is well known that a rubber containing carbon black dramatically increases its mechanical strength. However, the dominant factors for the rubber reinforcing property of this carbon black are two factors such as morphology and surface activity. They are roughly classified into species. Specifically, the following factors are generally known (Carb
on Black, 2nd Edition (1993), Edited by JBDonne
t, RC Bansal, MJ Wang, MARCEL DEKKER, INC., Carbon Black Handbook Chapter 4, Carbon Black Association,
Published in 1961 (Book Publishing Co., Ltd.).

【0004】(1)形態に関する因子 一次粒子径とその統計的分布、一次粒子の集合体である
アグリゲートに関する枝発達の程度、アグリゲートの
形、遠心沈降を利用したアグリゲート径とその分布、粒
子径に相当する各種吸着種を用いた比表面積値などが代
表的である。 (2)表面活性に関する因子 カーボンブラック表面におけるゴム分子の物理吸着や、
カーボンブラック表面に存在する化学的反応性を有した
官能基とゴム分子、ゴム分子ラジカルとの化学的結合な
ど、表面におけるゴム分子の物理化学的吸着が本質的に
重要と考えられている。その指標として、活性水素と、
カルボン酸、キノン型酸素、水酸基、ラクトンなどの含
酸素官能基が報告されている。表面活性に関しては、永
年様々な手法を用いてカーボンブラックとゴムとの相互
作用の定量的指標が探索されてきたが、未だ、決着が付
いていないのが現状である。
(1) Factors related to morphology Primary particle diameter and its statistical distribution, degree of branch development for aggregates that are aggregates of primary particles, aggregate shape, aggregate diameter and its distribution using centrifugal sedimentation, Typical values include a specific surface area using various adsorbed species corresponding to the particle diameter. (2) Factors related to surface activity Physical adsorption of rubber molecules on the carbon black surface,
It is considered that physicochemical adsorption of rubber molecules on the surface, such as chemical bonding between a chemically reactive functional group present on the surface of the carbon black and rubber molecules and rubber molecule radicals, is essentially important. As the index, active hydrogen,
Oxygen-containing functional groups such as carboxylic acids, quinone-type oxygen, hydroxyl groups, and lactones have been reported. Regarding the surface activity, a quantitative index of the interaction between the carbon black and the rubber has been searched for by using various methods for many years, but it has not been determined yet.

【0005】従来、前者の形態要因とゴム物性との関係
を中心に研究開発が進められ、耐摩耗性などにおいて顕
著な改善がなされてきた(第33回ゴム技術シンポジウ
ムテキスト、44〜61頁、1994年、社団法人 日本ゴム協
会 研究部会)。即ち、耐摩耗性の改善には、カーボン
ブラックの配合量を多くする、一次粒子径を小さくする
(比表面積を大きくする)、ストラクチャーを発達させ
る(DBP吸油量、圧縮DBP吸油量を多くする)、アグリゲ
ート径分布をシャープにするなどの技術が開発された。
[0005] Conventionally, research and development have been carried out mainly on the relationship between the former form factor and rubber physical properties, and remarkable improvements have been made in abrasion resistance and the like (33rd Rubber Technology Symposium Text, pp. 44-61, 1994, Japan Rubber Association Research Committee). That is, in order to improve the wear resistance, increase the blending amount of carbon black, reduce the primary particle diameter (increase the specific surface area), and develop the structure (increase the DBP oil absorption and the compressed DBP oil absorption). A technique was developed to sharpen the aggregate diameter distribution.

【0006】他方、タイヤのグリップ性能の向上(一般
に10〜100Hzにおける0℃〜20℃における損失係数tanδ
が増加するとグリップ性能が向上することが知られてい
る)や走行時のタイヤ燃費特性の改善(60℃における損
失係数tanδが低下すると走行時のタイヤの燃費特性が
改善することが知られている)にもカーボンブラックの
改善効果が大きく寄与している。即ち、グリップ力を向
上させるためには、カーボンブラックの配合量を多くす
る、一次粒子径を小さくする、ストラクチャーの発達の
程度を抑制することなどが有効と知られている。また、
タイヤの燃費特性を改善するには、カーボンブラックの
配合量を少なくする、一次粒子径を大きくする、ストラ
クチャーを発達させることなどが効果的であることが知
られている。
On the other hand, improvement in grip performance of a tire (generally, loss coefficient tan δ at 0 to 20 ° C. at 10 to 100 Hz).
It is known that the grip performance is improved when the value increases, and that the tire fuel efficiency during running is improved (when the loss coefficient tanδ at 60 ° C is reduced, the fuel efficiency during running is improved. ) Also greatly contributes to the improvement effect of carbon black. That is, it is known that increasing the amount of carbon black, reducing the primary particle diameter, and suppressing the degree of structure development are effective in improving the grip force. Also,
It is known that, in order to improve the fuel efficiency characteristics of a tire, it is effective to reduce the amount of carbon black, increase the primary particle diameter, and develop a structure.

【0007】上述のように、各ゴム特性を独立に改善す
ることは可能であるが、耐摩耗性とグリップ力と燃費特
性とを同時に改善することは、カーボンブラックの形態
の最適化のみでは原理的に限界がある。更に、一次粒子
の微粒子化に関しては、カーボンブラックの混練性、分
散性の低下というゴム加工上の問題もあり、現状では、
各種ゴム特性の重要度配分、加工性の両側面からカーボ
ンブラックの形態に関して最適設計がなされている。さ
て、このような形態によるゴム物性の改善は、形態制御
のための製造条件変更により僅かに変動するとしても、
ほぼ一定の表面活性を持ったカーボンブラックを対象と
してその構造を最適化しているものである。それに対し
て、積極的に表面活性を制御したカーボンブラックを用
いてゴム物性を改善しようという研究開発が、近年精力
的に進められている。
As described above, it is possible to independently improve the properties of each rubber. However, simultaneously improving the abrasion resistance, the grip force and the fuel consumption properties can be achieved only by optimizing the form of carbon black. There are limitations. Furthermore, regarding the reduction of the primary particles to fine particles, there is also a problem in rubber processing that the kneadability and dispersibility of carbon black are reduced.
Optimum design has been made for the form of carbon black from both sides of the distribution of the importance of various rubber properties and processability. By the way, even if the improvement of the rubber properties by such a form slightly changes due to a change in manufacturing conditions for form control,
The structure is optimized for carbon black having almost constant surface activity. On the other hand, research and development for improving the rubber properties using carbon black whose surface activity is actively controlled have been energetically advanced in recent years.

【0008】表面活性の制御手段として表面に存在する
含酸素官能基に着目し、従来の形態制御と表面活性の組
み合わせによるゴム物性の改善が報告されている。例え
ば、特開平7-330958号公報ではオゾンによる酸化処理に
より表面のカルボキシル基量を通常よりも増加させた
後、非酸化性雰囲気下の熱処理によりカルボキシル基量
を制御したカーボンブラックを調整し、油展スチレンブ
タジエンゴム(SBR1712)配合系において、耐摩
耗性改善とtanδ(60℃)の低減を達成している。ま
た、本発明者らも、別途カーボンブラックに含まれる酸
素量と水素量とに着目した表面活性の改善を検討した結
果、形態の最適化との相乗効果により、H/Oを大きくす
ることにより表面活性を高めることに成功し、高水準の
耐摩耗性を維持しながら、非常に優れた低燃費性(60℃
における損失係数tanδを低減)を達成した(特願平8
−192509号)。
Attention has been paid to oxygen-containing functional groups present on the surface as a means of controlling surface activity, and improvement of rubber physical properties by a combination of conventional form control and surface activity has been reported. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-330958, after increasing the amount of carboxyl groups on the surface by oxidation treatment with ozone more than usual, a carbon black in which the amount of carboxyl groups is controlled by heat treatment in a non-oxidizing atmosphere is adjusted, In the blended system of expanded styrene butadiene rubber (SBR1712), improvement of abrasion resistance and reduction of tan δ (60 ° C.) are achieved. In addition, the present inventors also studied the improvement of surface activity focusing on the amount of oxygen and the amount of hydrogen contained in carbon black separately.As a result, H / O was increased by a synergistic effect with morphological optimization. Succeeded in increasing the surface activity and maintaining a high level of abrasion resistance while maintaining excellent fuel economy (60 ° C
(Reduction of the loss coefficient tanδ)
192509).

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような含酸素官能基に着目した先行技術においては、グ
リップ力を高くすると燃費特性の改善が困難となり、反
対に、燃費特性を改善すると同時にグリップ力も低下す
るという問題があり両者を独立に制御することが課題と
なっていた。従って、本発明の課題は、耐摩耗性を高水
準に維持しつつグリップ力の向上と燃費特性の改善を同
時に満たすタイヤトレッド用途に好適なカーボンブラッ
クとゴム組成物を提供することである。
However, in the prior art which focuses on the oxygen-containing functional group as described above, it is difficult to improve the fuel efficiency when the grip force is increased, and conversely, the fuel efficiency is improved and the grip is improved. There is a problem that the power is reduced, and it has been a problem to control both independently. Accordingly, an object of the present invention is to provide a carbon black and rubber composition suitable for use in tire treads that simultaneously achieves an improvement in grip force and an improvement in fuel efficiency while maintaining a high level of wear resistance.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
を解決するために鋭意検討を重ねた結果、カーボンブラ
ックに含まれる窒素成分と酸素成分がゴムとの結合にお
いて重要な役割を担うこと、カーボンブラック表面に存
在する塩基性官能基濃度とカーボンブラック表面に結合
したゴム量に相当する2種類の新規指標がゴム物性に対
して良好な相関関係を示すことを見出すとともに、それ
らの最適化によりグリップ力向上と燃費改善を同時に満
たすことに成功し、本発明の完成に至ったものである。
The present inventors have made intensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, the nitrogen component and the oxygen component contained in carbon black play an important role in bonding with rubber. In addition to finding that two new indices corresponding to the concentration of basic functional groups present on the carbon black surface and the amount of rubber bound to the carbon black surface show a good correlation with rubber properties, their optimal As a result, the improvement of the grip force and the improvement of the fuel economy have been achieved at the same time, and the present invention has been completed.

【0011】即ち、本発明のカーボンブラックは、CT
ABが80(m2/g)以上、圧縮DBPが80(mL/100g)
以上のハード系領域に属し、且つ、 (1)窒素吸着比表面積(N2SA);N2SA-CTAB≦50 (2)窒素含有量(N;重量%);3.0×10-3≦ N
/CTAB ≦1.2×10-2 (3)酸素含有量(O;重量%);O/CTAB≦1.3×1
-2 (4)窒素含有量と酸素含有量の重量比O/N;O/N≦
3.0 (5)塩基性官能基濃度(B;meq/g);1.8×10-4
≦B/CTAB≦1.0×10-2 (6)シェルラバー量(S);5.0×10-6≦S≦5.
0×10-5 の選択的特性を有することを特徴とする。また本発明の
ゴム組成物は、ゴム100重量部に対し、上記した本発
明のカーボンブラックを20〜100重量部配合するこ
とを特徴とする。
That is, the carbon black of the present invention has a CT
AB is 80 (m 2 / g) or more, compressed DBP is 80 (mL / 100g)
(1) Nitrogen adsorption specific surface area (N 2 SA); N 2 SA-CTAB ≦ 50 (2) Nitrogen content (N; wt%); 3.0 × 10 −3 ≤ N
/CTAB≦1.2×10 −2 (3) Oxygen content (O; wt%); O / CTAB ≦ 1.3 × 1
0 -2 (4) Weight ratio of nitrogen content to oxygen content O / N; O / N ≦
3.0 (5) Basic functional group concentration (B; meq / g); 1.8 × 10 -4
≦ B / CTAB ≦ 1.0 × 10 −2 (6) Shell rubber amount (S); 5.0 × 10 −6 ≦ S ≦ 5.
It has a selective characteristic of 0 × 10 −5 . Further, the rubber composition of the present invention is characterized in that 20 to 100 parts by weight of the above-described carbon black of the present invention is blended with 100 parts by weight of rubber.

【0012】本発明は、CTAB、圧縮DBP、N2SAを最適化
したハード系カーボンブラックであって、従来より注目
されていた酸素含有量に加えて、新たに窒素含有量とい
う指標を導入することにより、カーボンブラックのゴム
に対する表面活性の制御範囲を拡大し得ることを見出
し、表面活性を定量的に示す具体的指標として表面の塩
基性官能基濃度が重要であることを見出し、その定量的
指標として、HClの吸着量という新規指標を導入した。
更にカーボンブラックのゴムとの相互作用の強さを示す
指標としてシェルラバー量という新規指標を構築し、酸
素量と窒素量と塩基性官能基濃度とシェルラバー量とを
同時に制御することにより、耐摩耗性を維持したまま、
グリップ力を高めつつ同時に燃費特性を改善するもので
ある。
The present invention relates to a hard carbon black in which CTAB, compressed DBP and N 2 SA are optimized, and introduces a new nitrogen content index in addition to the oxygen content which has been attracting attention. By doing so, they found that the control range of the surface activity of carbon black on rubber could be expanded, and found that the concentration of basic functional groups on the surface was important as a specific index indicating the surface activity quantitatively. As an index, a new index called the amount of HCl adsorption was introduced.
Furthermore, a new index called the amount of shell rubber is constructed as an index indicating the strength of the interaction of carbon black with rubber, and by simultaneously controlling the amount of oxygen, the amount of nitrogen, the concentration of the basic functional group, and the amount of shell rubber, the resistance to shell rubber is improved. While maintaining abrasion,
It improves fuel economy while at the same time increasing grip.

【0013】以下、本発明を詳細に説明する。本発明に
おいて第一に重要なポイントは、カーボンブラック中に
含まれる窒素量と酸素量の制御により表面活性の強さを
自由に制御することが可能であることを見出し、表面活
性の具体的指標として塩基性官能基濃度を導入したこと
である。以下に、窒素、並びに酸素によるゴムとカーボ
ンブラックとの相互作用制御の推定機構を述べる。本発
明のゴム物性改善において本質的に重要な役割を担うカ
ーボンブラック中の窒素と酸素は、ゴム分子と直接接触
し界面を構成するようなカーボンブラック表面に存在す
る窒素と酸素であって、ゴム分子が到達し得ないような
カーボンブラック表面に存在するミクロポアの内側やカ
ーボンブラック内部の窒素と酸素は物性改善には寄与し
ない。従って本発明の効果をより顕著に発現させるため
には、窒素と酸素を表面に濃縮させることが好ましい。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. The first important point in the present invention is that the strength of surface activity can be freely controlled by controlling the amounts of nitrogen and oxygen contained in carbon black, and a specific index of surface activity is found. As a basic functional group concentration. The mechanism for controlling the interaction between rubber and carbon black by nitrogen and oxygen will be described below. Nitrogen and oxygen in carbon black, which essentially play an important role in improving the physical properties of the rubber of the present invention, are nitrogen and oxygen present on the surface of carbon black which directly contact rubber molecules and constitute an interface. Nitrogen and oxygen inside the micropores and inside the carbon black on the carbon black surface where the molecules cannot reach do not contribute to the improvement of the physical properties. Therefore, it is preferable to concentrate nitrogen and oxygen on the surface in order to more remarkably exert the effects of the present invention.

【0014】カーボンブラック表面に存在する窒素は、
アミン類としてカーボン表面に存在すると考えられる。
即ち、-NH2基、=NH基、R-N=R'(R, R'は炭化水素)、複
素員環である(Chapter 4, Carbon Black, 2nd Edition
(1993), Edited by J. B.Donnet, R.C. Bansal, M.J. W
ang, MARCEL DEKKER, INC.)。一般に知られているよう
に、窒素は非共有電子対を持つためプロトンと容易に水
素結合を形成する性質を有する。従って、カーボンブラ
ック表面に窒素が多く存在することにより、水素を介し
たゴム分子の化学吸着を生じ易くなり、その結果、カー
ボンブラック表面とゴムとの相互作用は強くなると推定
される。
The nitrogen present on the carbon black surface is
It is considered that amines exist on the carbon surface.
That is, a -NH2 group, a = NH group, RN = R '(R and R' are hydrocarbons), and a heterocyclic ring (Chapter 4, Carbon Black, 2nd Edition
(1993), Edited by JBDonnet, RC Bansal, MJ W
ang, MARCEL DEKKER, INC.). As is generally known, nitrogen has a property of easily forming a hydrogen bond with a proton because it has a lone pair of electrons. Therefore, it is presumed that the presence of a large amount of nitrogen on the surface of the carbon black facilitates the chemical adsorption of rubber molecules via hydrogen, and as a result, the interaction between the carbon black surface and the rubber becomes strong.

【0015】ゴムの化学吸着の本質が含窒素官能基であ
るアミン類によるプロトン吸着能、即ち、塩基性にある
ことから、ゴム物性改善に直接寄与する指標として、カ
ーボンブラックの塩基性官能基量が重要な指標であるこ
とが示唆される。本発明において鋭意検討した結果、ア
ミン類などの塩基が塩酸と反応し塩酸塩を形成すること
を利用し、カーボンブラックと塩酸とを反応させた際の
塩酸の減少量から塩基性官能基量を定量し、塩基性官能
基濃度がゴムの補強性改善と良好な相関関係にあること
を見出した。この指標を用いることにより、カーボンブ
ラック中に存在する窒素の中で、ゴムの化学吸着に有効
なプロトン吸着能、即ち、塩基性を示す官能基がどの程
度存在するかを定量的に示すことが可能となった。
Since the nature of the chemical adsorption of rubber is the proton adsorption ability of amines which are nitrogen-containing functional groups, that is, basicity, the basic functional group content of carbon black is used as an index directly contributing to the improvement of rubber physical properties. Is an important indicator. As a result of intensive studies in the present invention, utilizing the fact that bases such as amines react with hydrochloric acid to form hydrochloride, the amount of basic functional group is determined from the decrease in hydrochloric acid when carbon black and hydrochloric acid are reacted. Quantitative analysis revealed that the basic functional group concentration had a good correlation with the improvement of rubber reinforcement. By using this index, it is possible to quantitatively indicate the degree of proton adsorption capacity effective for chemisorption of rubber, that is, the basic functional group in nitrogen present in carbon black. It has become possible.

【0016】他方、カーボンブラック表面に存在する酸
素は、酸性官能基、キノン型酸素、エーテル酸素などの
結合状態で存在すると考えられている(前出Carbon Bla
ck,Chapter 4、或いは、カーボンブラック便覧第4章、
カーボンブラック協会編、発行1961年(株)図書出
版)。何れの場合にも程度の大小はあるが酸素を含むこ
とで電子分布に偏りを生じ、永久双極子モーメントを発
生する。そうするといわゆるファンデアワールス力は低
下するため、酸素の存在がカーボンブラック表面でのゴ
ムの物理的吸着エネルギーの低下を招くことになる。
On the other hand, oxygen present on the surface of carbon black is considered to exist in the form of a bond such as an acidic functional group, quinone-type oxygen, or ether oxygen (Carbon Bla, supra).
ck, Chapter 4, or Carbon Black Handbook Chapter 4,
Edited by the Carbon Black Association, published in 1961. In any case, although containing oxygen to some extent, the inclusion of oxygen causes a bias in the electron distribution and generates a permanent dipole moment. Then, the so-called Van der Waals' force is reduced, and the presence of oxygen causes a reduction in the physical adsorption energy of rubber on the surface of carbon black.

【0017】また、カルボキシル基やヒドロキシル基は
ジエン系ゴムとの化学的結合に関与するとの報告もある
が、本発明者等が検討した結果では、酸性官能基の持つ
プロトン供与性が加硫遅延をもたらすために、酸性官能
基によるゴム物性改善は認められず、加硫遅延からむし
ろ実際的応用には好ましくないとい結論を得ている。ま
た、キノン型酸素は、混練中に発生するゴムラジカルと
の結合に関与し、そのためゴム補強性改善にキノン基が
大きな役割を担うという報告がある。
Although it has been reported that a carboxyl group or a hydroxyl group is involved in chemical bonding with a diene rubber, the inventors of the present invention have studied and found that the proton donating property of the acidic functional group is retarded in vulcanization. However, no improvement in the physical properties of the rubber due to the acidic functional group was observed, and it was concluded that the vulcanization retardation was rather unfavorable for practical applications. In addition, it has been reported that quinone-type oxygen is involved in bonding with rubber radicals generated during kneading, and that quinone groups play a large role in improving rubber reinforcing properties.

【0018】しかしながら、本発明者がアルゴン雰囲気
でカーボンブラックを熱処理することで酸素を減少させ
ても、ゴム物性の低下が殆ど認められず、むしろ、70
0〜1100℃の熱処理で弾性率が増加するという結果
を得ている。この熱処理でカーボンブラック中の酸素は
殆ど消失していることから、酸性官能基、キノン型酸素
などはゴム補強性に対して本質的に重要な役割を果たし
ていないと推察された。以上のように、酸素に関して
は、本発明者等の検討ではその存在量が少ない方が、む
しろゴムとの相互作用を強めるという観点からは好まし
いと判断された。
However, even if the present inventors heat-treat carbon black in an argon atmosphere to reduce oxygen, hardly any decrease in rubber physical properties is observed.
It has been found that the heat treatment at 0 to 1100 ° C. increases the elastic modulus. Since oxygen in carbon black was almost completely eliminated by this heat treatment, it was inferred that acidic functional groups, quinone-type oxygen and the like did not essentially play an important role in rubber reinforcing properties. As described above, the present inventors have determined that a smaller amount of oxygen is preferable from the viewpoint of strengthening the interaction with rubber.

【0019】ところで、タイヤトレッドゴムの特性の中
で、グリップ力、燃費特性は、ゴム組成物の粘弾性の温
度依存性と密接な関係があることは前述の通りである。
即ち、グリップ力は損失係数tanδの0℃〜20℃にお
ける値と相関が強く、その値が大きいほどグリップ力が
大きい。また、走行時の燃費特性は損失係数tanδの6
0℃における値が小さい程燃費特性は改善されるという
相関関係が知られている。一般に損失に関係するtanδ
の値はゴムマトリックス内での損失、カーボンブラック
どうしの摩擦による損失、カーボンブラックとゴムとの
界面での摩擦の寄与の和である。特に高比表面積のハー
ドカーボン系のゴム組成物ではカーボンブラックの表面
積が大きいため、カーボンブラックとゴムの界面の寄与
が大きく、界面の構造がtanδの制御において支配的で
ある。
As described above, among the characteristics of the tire tread rubber, the grip force and the fuel consumption characteristics are closely related to the temperature dependency of the viscoelasticity of the rubber composition.
That is, the grip force has a strong correlation with the value of the loss coefficient tan δ at 0 ° C. to 20 ° C., and the greater the value, the greater the grip force. In addition, the fuel consumption characteristic during running is 6
It is known that the smaller the value at 0 ° C., the better the fuel efficiency characteristics are. Tanδ generally related to loss
Is the sum of the loss in the rubber matrix, the loss due to friction between carbon blacks, and the contribution of friction at the interface between carbon black and rubber. In particular, in the case of a hard carbon rubber composition having a high specific surface area, the surface area of carbon black is large, so the contribution of the interface between carbon black and rubber is large, and the structure of the interface is dominant in controlling tan δ.

【0020】本発明における燃費特性改善とグリップ力
増加の本質的機構は、カーボンブラックの表面における
ゴムの吸着エネルギーの最適化にあると推定している。
即ち、0℃〜20℃における変形のように応力の比較的
強い場合には、界面でゴム分子がカーボン表面に対して
滑り、その結果、摩擦熱を発生しtanδが増加するが、
60℃においてはゴムが軟化するため応力が相対的に小
さく変形に対してゴム分子はカーボン表面を滑らず、6
0℃のtanδが小さくなるような適度なカーボンブラッ
クとゴム分子との吸着状態を本発明において規定したも
のである。そのための窒素量と酸素量の最適化した範囲
が、 (1)窒素含有量(N;重量%);3.0×10-3≦ N
/CTAB ≦1.2×10- (2)酸素含有量(O;重量%);O/CTAB≦1.3×1
-2 (3)窒素含有量と酸素含有量の重量比O/N;O/N≦
3.0であり、塩基性官能基量を最適化した範囲が (4)塩基性官能基濃度(B;meq/g);1.8×10-4
≦B/CTAB≦1.0×10-2 であることに特徴を有する。
It is presumed that the essential mechanism of the improvement of the fuel consumption characteristics and the increase of the grip force in the present invention lies in the optimization of the adsorption energy of rubber on the surface of carbon black.
That is, when the stress is relatively strong, such as deformation at 0 ° C. to 20 ° C., rubber molecules slide on the carbon surface at the interface, and as a result, frictional heat is generated and tan δ increases.
At 60 ° C., the rubber is softened, so that the stress is relatively small and the rubber molecules do not slide on the carbon surface for the deformation.
The present invention defines an appropriate state of adsorption between carbon black and rubber molecules so that tan δ at 0 ° C. becomes small. The optimized range of the amount of nitrogen and the amount of oxygen for that purpose are as follows: (1) Nitrogen content (N;% by weight); 3.0 × 10 −3 ≦ N
/CTAB≦1.2×10 (2) Oxygen content (O; wt%); O / CTAB ≦ 1.3 × 1
0 -2 (3) Weight ratio of nitrogen content to oxygen content O / N; O / N ≦
3.0, and the range in which the amount of the basic functional group was optimized was: (4) Basic functional group concentration (B; meq / g); 1.8 × 10 -4
It is characterized in that ≦ B / CTAB ≦ 1.0 × 10 −2 .

【0021】本発明では、上記した窒素量と酸素量の各
々の制限、窒素と酸素の存在比と、更に、塩基性官能基
濃度により吸着状態の最適化を規定している。N/CTAB
<3.0×10-3では窒素による吸着力増加の効果が小
さ過ぎるために、O/CTAB>1.3×10-2では、酸素
量が多過ぎるために吸着エネルギーが小さく、何れの場
合にもグリップ力と燃費特性の改善が不十分である。O
/CTABの下限値を明確には規定していないが、製造コス
トなど経済性の観点から酸素含有量は、O/CTAB≧1×
10-4が好ましい。また、N/CTAB>1.2×10-2
は、吸着エネルギーが強過ぎるためにグリップ力が低下
してしまうため好ましくない。一方、O/N>3.0で
は、窒素による吸着力増加が酸素の効果で打ち消されて
しまい、全体としての吸着力は低下してしまいグリップ
力と燃費特性の改善が不十分となる。また、O/Nの下限
値を明確に規定していないが、製造コストなどの経済性
の観点から、O/N≧1×10-3が好ましい。
In the present invention, optimization of the adsorption state is defined by the above-described restrictions on the amounts of nitrogen and oxygen, the abundance ratio of nitrogen and oxygen, and the concentration of the basic functional group. N / CTAB
In the case of <3.0 × 10 −3 , the effect of increasing the adsorptive power by nitrogen is too small, and in the case of O / CTAB> 1.3 × 10 −2 , the amount of oxygen is too large and the adsorption energy is small. However, the improvement of grip power and fuel consumption characteristics is insufficient. O
Although the lower limit of / CTAB is not clearly defined, the oxygen content is O / CTAB ≧ 1 ×
10 -4 is preferred. On the other hand, if N / CTAB> 1.2 × 10 -2 , the gripping force is reduced because the adsorption energy is too strong, which is not preferable. On the other hand, when O / N> 3.0, the increase in adsorption power due to nitrogen is canceled out by the effect of oxygen, so that the overall adsorption power is reduced, and the improvement in gripping power and fuel efficiency becomes insufficient. Although the lower limit of O / N is not clearly defined, it is preferable that O / N ≧ 1 × 10 −3 from the viewpoint of economy such as manufacturing cost.

【0022】塩基性官能基濃度に関しては、B/CTAB<
1.8×10-4では、塩基性官能基濃度が少なく有効な
ゴム物性改善が達成されない。他方、B/CTAB>1.0
×10-2ではゴム吸着量が多すぎるためにカーボンブラ
ックのゴム中への分散が悪く、混練加工性の低下を招く
ので好ましくない。窒素、酸素の量とその比に関し本発
明の条件を満たしていても、ゴムとの相互作用に重要な
塩基性官能基濃度が適性でなければゴム物性は改善され
ず、反対に、塩基性官能基濃度が本発明の条件を満たし
ていても、酸素量が多く酸性官能基濃度が高ければ、窒
素による塩基性官能基の効果は酸性官能基により打ち消
されしまう。窒素、酸素の量に関する制限と塩基性官能
基に関する制限を同時に満たすことが、本発明において
本質的に重要である。
Regarding the basic functional group concentration, B / CTAB <
If it is 1.8 × 10 −4 , the concentration of the basic functional group is so small that effective improvement of the rubber properties cannot be achieved. On the other hand, B / CTAB> 1.0
In the case of × 10 -2 , the amount of adsorbed rubber is too large, so that the dispersion of carbon black in the rubber is poor, and the kneading processability is undesirably reduced. Even if the conditions of the present invention are satisfied with respect to the amounts of nitrogen and oxygen and the ratio thereof, the physical properties of the rubber are not improved unless the concentration of the basic functional group, which is important for the interaction with the rubber, is appropriate. Even if the group concentration satisfies the conditions of the present invention, if the amount of oxygen is large and the concentration of the acidic functional group is high, the effect of the basic functional group by nitrogen is canceled by the acidic functional group. Simultaneously satisfying the restrictions on the amounts of nitrogen and oxygen and the restrictions on the basic functional group is essential in the present invention.

【0023】ここで上記本発明のカーボンブラックの規
定に用いる各種の特性指標は、下記の測定方法によるも
のとする。 (1)CTAB(セチルテトラアンモニウムブロマイド);
ASTM D3765の方法に準拠する (2)圧縮DBP(24M4DBP);ASTM D3493の方法に準拠す
る (3)窒素吸着比表面積(N2SA);ASTM D3037の方法に
準拠する (4)カーボンブラック中の窒素、酸素の含有量;測定
には、FISONS Instruments 社製 EA 1108 Elemental An
alyzer を使用した。
The various characteristic indices used for defining the carbon black of the present invention are determined by the following measuring methods. (1) CTAB (cetyltetraammonium bromide);
(2) Compressed DBP (24M4DBP); conforms to the method of ASTM D3493 (3) Nitrogen adsorption specific surface area (N 2 SA); conforms to the method of ASTM D3037 (4) In carbon black Nitrogen and oxygen content; measured by FISONS Instruments EA 1108 Elemental An
alyzer was used.

【0024】・窒素は”ダイナミック閃光燃焼”法に基
づき測定する。試験体のカーボンブラックは閃光燃焼に
より完全燃焼され、窒素は窒素酸化物へ変換される。更
に触媒層によりN2ガスへ還元され、最終的にN2ガス濃度
として熱伝導度検出器により検出される。 ・酸素は”Unterzaucher Modified”法に基づき測定す
る。カーボンブラック中の酸素は、触媒下での高温熱分
解により完全にCOへ変換され、COガス濃度として熱伝導
度検出器により検出される。元素分析測定に用いるサン
プルは、カーボンブラック表面に吸着した水分の影響を
除去する目的で、予め110℃で2時間以上真空乾燥した
ものを試験に供する。
Nitrogen is measured based on the "dynamic flash burning" method. The carbon black of the test specimen is completely burned by flash burning, and nitrogen is converted into nitrogen oxide. Further, it is reduced to N 2 gas by the catalyst layer, and finally detected as a N 2 gas concentration by a thermal conductivity detector.・ Oxygen is measured based on the “Unterzaucher Modified” method. Oxygen in carbon black is completely converted to CO by high-temperature pyrolysis under a catalyst, and detected as a CO gas concentration by a thermal conductivity detector. The sample used for the elemental analysis measurement is dried in advance at 110 ° C. for 2 hours or more in order to remove the influence of moisture adsorbed on the carbon black surface, and then subjected to the test.

【0025】(5)塩基性官能基濃度(B;meq/g)の測定
方法 予め110℃で30分以上真空乾燥したカーボンブラック約
2gを精秤し100mLの三角フラスコへ入れる。そこへ1/1
00規定HCl溶液を50mL注入し、カーボンブラックを充分
に分散させ、密栓状態で2時間振とうする。振とう後の
溶液を加圧濾過し、カーボンブラックと反応後のHCl溶
液とに分離する。反応後のHCl溶液を10mLとり、1/100規
定のNaOH溶液で中和滴定し、滴下したNaOH溶液量からカ
ーボンブラック1g当たりのHCl吸着量を算出し、これ
を塩基性官能基濃度(B;meq/g)とする。
(5) Method of Measuring Basic Functional Group Concentration (B; meq / g) About 2 g of carbon black previously vacuum-dried at 110 ° C. for 30 minutes or more is precisely weighed and put into a 100 mL Erlenmeyer flask. There 1/1
Inject 50 mL of 00N HCl solution, sufficiently disperse the carbon black, and shake for 2 hours in a sealed state. The solution after shaking is filtered under pressure to separate the carbon black and the reacted HCl solution. Take 10 mL of the HCl solution after the reaction, perform neutralization titration with a 1 / 100N NaOH solution, calculate the amount of HCl adsorbed per 1 g of carbon black from the amount of the dropped NaOH solution, and calculate the basic functional group concentration (B; meq / g).

【0026】本発明において第二に重要な点は、窒素
量、酸素量、並びに、塩基性官能基量の制御はゴム物性
改善のための必要条件であることを見抜き、鋭意検討を
重ねた結果、カーボンブラックのゴムに対する表面活性
を規定するための重要な指標であるシェルラバー量
(S)を新規に導入したことである。即ち、窒素量、酸
素量、並びに、塩基性官能基量の規定と併せてシェルラ
バー量を規定することにより初めてゴム物性改善に対し
て必要十分な条件を見出すことに成功した。
The second important point in the present invention is that the control of the amounts of nitrogen, oxygen and basic functional groups is a necessary condition for improving the physical properties of the rubber, and the results of intensive studies have been made. And the introduction of a shell rubber amount (S), which is an important index for defining the surface activity of carbon black on rubber. That is, by defining the amount of the shell rubber together with the amounts of nitrogen, oxygen and basic functional group, the inventors succeeded in finding necessary and sufficient conditions for improving the rubber properties for the first time.

【0027】(6)シェルラバー量(S)の測定方法は
以下の通りである;スチレンブタジエンゴム(日本合成
ゴム(株)社製SBR#1500)100重量部に対し
て、カーボンブラック50重量部を配合したゴム組成物
を調整する。調整方法は以下の通りとする。混練には二
軸ロール混練機(西本工機(株)E90)を使用する。先
ず、ゴム10gを予め60℃に温度調節した二軸ロール
混練機の手前のロールに巻き付ける。使用した二軸ロー
ル混練機はロール径90mmで、ロール間隙は約0.2m
m、ロールガイド幅は約10cmとする。ゴム巻き付け
後、予め100℃で30分以上真空乾燥しておいたカー
ボンブラック5gを精秤し、二軸ロール間のゴムの溜ま
り部分に注ぎ入れ、良好な分散状態を得るために充分に
混練させる。混練後ロール間隙を適度に調整することに
より厚さ3mm程度のシート状ゴム組成物を取り出す。
(6) The method of measuring the amount of shell rubber (S) is as follows: 50 parts by weight of carbon black with respect to 100 parts by weight of styrene butadiene rubber (SBR # 1500 manufactured by Nippon Synthetic Rubber Co., Ltd.). Is adjusted. The adjustment method is as follows. For kneading, a twin-screw roll kneader (Nishimoto Koki Co., Ltd. E90) is used. First, 10 g of rubber is wound around a roll in front of a twin-screw kneader whose temperature has been previously adjusted to 60 ° C. The used biaxial roll kneader has a roll diameter of 90 mm and a roll gap of about 0.2 m.
m and the roll guide width is about 10 cm. After winding the rubber, 5 g of carbon black previously vacuum-dried at 100 ° C. for 30 minutes or more is precisely weighed, poured into the rubber pool between the biaxial rolls, and sufficiently kneaded to obtain a good dispersion state. . After kneading, the roll gap is adjusted appropriately to take out a sheet-like rubber composition having a thickness of about 3 mm.

【0028】シート状ゴム組成物は、120℃アルゴン
雰囲気下で10分間加熱処理した後、1時間大気中で放冷
する。このようにして調整したゴム組成物を0.5g精
秤し、1mm角程度の大きさに裁断し200mLの三角フラ
スコ内に投入し、オルソジクロロベンゼン150mLをそ
そぎ入れた後、170℃で20時間処理することでカー
ボンブラック以外のゴムを十分に溶剤に溶解させる。こ
のようにして得られたゴム、カーボンブラック溶液を遠
心分離機を用いて分離すると、表面にゴムが付着したカ
ーボンブラックを溶液から分離抽出することができる。
The sheet-shaped rubber composition is heat-treated at 120 ° C. in an argon atmosphere for 10 minutes, and then left to cool in the air for 1 hour. 0.5 g of the rubber composition thus adjusted was precisely weighed, cut into a size of about 1 mm square, put into a 200 mL Erlenmeyer flask, poured with 150 mL of orthodichlorobenzene, and treated at 170 ° C. for 20 hours. By doing so, the rubber other than carbon black is sufficiently dissolved in the solvent. When the rubber and carbon black solutions thus obtained are separated using a centrifuge, the carbon black with the rubber adhered to the surface can be separated and extracted from the solution.

【0029】オルソジクロロベンゼンはゴムに対して非
常に溶解性の高い溶媒であるから、この抽出物は微量の
ゴムが表面に付着したカーボンブラックである。従っ
て、この抽出物の重量W(g)からどの程度の量のゴムが
カーボンブラック表面に固定されたかを知ることができ
る。乾燥条件は、120℃で5時間以上の真空乾燥とする。
その重量Wを精秤する。シェルラバー量(S)は、重量
Wより次式により求められる; S={(W-0.5/3)/(0.5/3)}/{N2SA×(24M4DBP)2
Since orthodichlorobenzene is a solvent having a very high solubility in rubber, this extract is carbon black having a trace amount of rubber adhered to the surface. Therefore, it is possible to know from the weight W (g) of this extract how much rubber was fixed on the carbon black surface. Drying conditions are vacuum drying at 120 ° C. for 5 hours or more.
The weight W is precisely weighed. The shell rubber amount (S) is obtained from the weight W by the following equation: S = {(W−0.5 / 3) / (0.5 / 3)} / {N 2 SA × (24M4DBP) 2 }

【0030】シェルラバーは、オルソジクロロベンゼン
による溶解力を尺度に用い、カーボンブラック表面にお
けるゴム吸着能を定量化したもので形態の効果を勘案す
るために、N2SAで除し単位面積当たりに換算し、また、
ストラクチャーの効果を勘案するために(24M4DBP)2で除
している。多数の分岐構造を持つようなアグリゲート構
造の発達したカーボンブラックは、その分岐部分にゴム
を固定するため、分岐のない(DBPの小さい)カーボン
ブラックに比較してそれだけカーボンブラック表面に固
定されるゴム量が多くなる。測定の結果、混練後の分岐
構造に対応する量である24M4DBPを用いて、アグリゲー
ト構造に由来するストラクチャーの効果は(24M4DBP)2
で除することで、規格化することが可能であることが判
った。
Shell rubber is a measure of the ability of orthodichlorobenzene to dissolve the rubber, and is a quantification of the ability of rubber to adsorb on the surface of carbon black. In order to take into account the effect of the form, it is divided by N 2 SA and converted to unit area. And also
Divided by (24M4DBP) 2 to account for structure effects. Carbon black with an aggregate structure that has a large number of branched structures is fixed to the carbon black surface as much as non-branched (small DBP) carbon black because rubber is fixed to the branch part. The amount of rubber increases. As a result of the measurement, using the amount corresponding to the branched structure after kneading, 24M4DBP, the effect of the structure derived from the aggregate structure was (24M4DBP) 2
It was found that standardization was possible by dividing by.

【0031】このようにして定義したシェルラバー量
(S)に関し、本発明では、5.0×10-6≦S≦5.0
×10-5を満足することが必須要件である。ここで、窒
素、酸素と塩基性官能基がその他の必須要件である、 (1)窒素含有量(N;重量%);3.0×10-3≦N/
CTAB≦1.2×10-2、 (2)酸素含有量(O;重量%);O/CTAB≦1.3×1
-2 、 (3)窒素含有量と酸素含有量の重量比O/N;O/N≦
3.0、 (4)塩基性官能基濃度(B;meq/g);1.8×10-4
≦B/CTAB≦1.0×10-2、の条件を満たしていて
も、シェルラバー量(S)が5.0×10-6未満である
と、表面でのゴム吸着能が不十分であり、そのためにグ
リップ力と燃費特性の改善が不十分となる。また、シェ
ルラバー量(S)が5.0×10-5を越えるとカーボン
ブラックの混練性が著しく低下し、実機での混練で十分
な分散が得られなくなり、ゴム物性の低下を招くので不
適当である。
Regarding the shell rubber amount (S) defined in this way, in the present invention, 5.0 × 10 −6 ≦ S ≦ 5.0.
Satisfying × 10 -5 is an essential requirement. Here, nitrogen, oxygen and a basic functional group are other essential requirements. (1) Nitrogen content (N; wt%); 3.0 × 10 −3 ≦ N /
CTAB ≦ 1.2 × 10 −2 , (2) Oxygen content (O; wt%); O / CTAB ≦ 1.3 × 1
0 -2, (3) the weight ratio of the nitrogen content and the oxygen content O / N; O / N ≦
3.0, (4) Basic functional group concentration (B; meq / g); 1.8 × 10 -4
Even if the condition of ≦ B / CTAB ≦ 1.0 × 10 −2 is satisfied, if the shell rubber amount (S) is less than 5.0 × 10 −6 , the rubber adsorption ability on the surface is insufficient. As a result, the improvement of the grip force and the fuel consumption characteristics becomes insufficient. On the other hand, if the shell rubber amount (S) exceeds 5.0 × 10 −5 , the kneading property of carbon black is remarkably reduced, so that sufficient dispersion cannot be obtained by kneading in an actual machine, and the physical properties of rubber are deteriorated. Appropriate.

【0032】本発明において第三に重要な点は、このよ
うな表面の吸着状態の制御によるtanδの改善は、カー
ボンブラックの形態に関する最適化と相乗してはじめ
て、その特性が発揮される。即ち、基本的に高い水準の
耐摩耗性を発現するには、微粒子化と高ストラクチャー
化が必須であり、このような形態に関する制限に、上記
の表面活性が重畳されてはじめて耐摩耗性とグリップ力
と燃費特性の向上が達成される。即ち、CTABが80m2/g以
上、圧縮DBPが80mL/100g以上の双方を同時に満たさなけ
れば、基本的に高水準の耐摩耗性は発現されない。ま
た、賦活などにより表面が粗れた場合にはゴム補強性が
低下するため、表面粗れを表す指標であるN2SA-CTABに
関してN2SA-CTAB≦50という条件を課している。N2SA-
CTABが50を越えた場合には、耐摩耗性が低下するので好
ましくない。
In the present invention, the third important point is that the improvement of tan δ by controlling the adsorption state of the surface exhibits its characteristics only in synergy with the optimization of the form of carbon black. In other words, in order to express a basically high level of wear resistance, it is essential to form fine particles and to have a high structure. Improved power and fuel economy characteristics are achieved. That is, unless the CTAB satisfies both 80 m 2 / g or more and the compressed DBP satisfies both 80 mL / 100 g or more, basically, a high level of wear resistance is not exhibited. Further, when the surface is roughened by activation or the like, the rubber reinforcing property is reduced. Therefore, the condition of N 2 SA-CTAB ≦ 50 is imposed on N 2 SA-CTAB which is an index indicating the surface roughness. N 2 SA-
If the CTAB exceeds 50, the wear resistance is undesirably reduced.

【0033】本発明におけるカーボンブラックは、本発
明にて規定する窒素、酸素、塩基性、シェルラバーに関
し本発明にて制限される条件を満たしていれば、特に、
カーボンブラックの製造方法に関して制限するものでは
ない。本発明において本質的に重要な要件は窒素と酸素
を制御することによる表面活性の制御である。窒素含有
量と酸素含有量を制御したカーボンブラックの製造方法
を以下に例示する。窒素量の制御に関しては、 (1)オイルファーネス法において、原料油段階での窒
素含有量の調整、具体的には、窒素含有量の高い原料
油、窒素化合物の原料油中への混合など。 (2)オイルファーネス法において反応炉内へ原料油を
吹き込んだ後、カーボンブラックの生成反応過程、冷却
過程、造粒工程等、任意の工程において窒素化合物をカ
ーボンブラック経路内へ吹き込む、或いは、噴霧するな
ど。 (3)カーボンブラックをアンモニアガス雰囲気におい
て、熱処理することによりカーボンブラック表面に窒素
官能基を導入するなど。この場合、処理前のカーボンブ
ラックに関しては特に制限はないが、例示するならば、
ファーネスブラック(オイルファーネスブラック、及
び、ガスファーネスブラックを含む)、或いは、チャン
ネルブラックなどを使用することができる。
The carbon black in the present invention is preferably provided that it satisfies the conditions defined by the present invention with respect to nitrogen, oxygen, basicity and shell rubber as defined in the present invention.
There is no limitation on the method for producing carbon black. An essential requirement of the present invention is the control of surface activity by controlling nitrogen and oxygen. A method for producing carbon black in which the nitrogen content and the oxygen content are controlled is exemplified below. Regarding the control of the amount of nitrogen, (1) In the oil furnace method, the adjustment of the nitrogen content at the stage of the feedstock oil, specifically, the mixing of a feedstock oil having a high nitrogen content and a nitrogen compound into the feedstock oil. (2) After the raw oil is blown into the reaction furnace in the oil furnace method, a nitrogen compound is blown into the carbon black path or sprayed in an arbitrary step such as a carbon black formation reaction step, a cooling step, a granulation step, or the like. And so on. (3) Introducing a nitrogen functional group on the surface of carbon black by heat-treating carbon black in an ammonia gas atmosphere. In this case, there is no particular limitation on the carbon black before the treatment, but for example,
Furnace black (including oil furnace black and gas furnace black) or channel black can be used.

【0034】他方、酸素の制御に関しては、 (1)オイルファーネス法において、原料油の吹き込み
位置、原料油吹き込み量などにより制御することができ
る。 (2)また、乾燥工程での乾燥温度、乾燥時間や雰囲気
ガス中の酸素濃度などによっても制御可能である等の種
々の方法が採用できる。
On the other hand, regarding the control of oxygen, (1) In the oil furnace method, it can be controlled by the position at which the raw oil is blown, the amount of the raw oil blown, and the like. (2) In addition, various methods can be adopted, such as controllable by the drying temperature, the drying time, the oxygen concentration in the atmospheric gas and the like in the drying step.

【0035】本願発明において規定されるカーボンブラ
ックは、常法に従って、イソプレンゴム、ブタジエンゴ
ム、ブチルゴム、スチレンブタジエン共重合体等のジエ
ン系ゴム、天然ゴムの中の少なくとも一種以上のゴムに
配合される。即ち、バンバリー型ミキサーなどの密閉型
混練機、或いは、二軸ロール混練機などの解放型混練機
を好適に使用することが可能である。また、本発明のゴ
ム組成物には、タイヤ製造の際、通常用いられている配
合剤、例示するならば、硫黄、加硫促進剤、加硫促進助
剤、老化防止材等を適宜配合することができる。カーボ
ンブラックの配合比率はゴム100重量部に対して20
〜100重量部とする。20重量部未満の配合量だと、
十分な耐摩耗性を得ることができず、一方、100重量
部を越えると組成物の粘度が増加し過ぎるために、十分
な混練をすることができず、その結果、ゴム特性が低下
してしまう。
The carbon black specified in the present invention is blended with at least one kind of rubber among diene rubbers such as isoprene rubber, butadiene rubber, butyl rubber and styrene-butadiene copolymer, and natural rubber according to a conventional method. . That is, a closed kneader such as a Banbury mixer or an open kneader such as a twin-roll kneader can be suitably used. In the rubber composition of the present invention, at the time of tire production, a compounding agent usually used, for example, sulfur, a vulcanization accelerator, a vulcanization accelerator, an antioxidant, etc. are appropriately compounded. be able to. The compounding ratio of carbon black is 20 per 100 parts by weight of rubber.
To 100 parts by weight. If the amount is less than 20 parts by weight,
On the other hand, sufficient abrasion resistance cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 100 parts by weight, the viscosity of the composition becomes too high, so that sufficient kneading cannot be performed, and as a result, the rubber properties are reduced. I will.

【0036】[0036]

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を具体
的な実施例を挙げて説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to specific examples.

【0037】[0037]

【実施例】以下に本発明において規定されるカーボンブ
ラック、及びゴム組成物のゴム物性の改善例を比較例と
対比させながら具体的に説明するが、本発明はこの実施
例に限定されるものでない。但し、下記の実施例で使用
された各種ゴム物性の測定方法を以下に具体的に示す。
EXAMPLES Examples of the improvement of the physical properties of the carbon black and the rubber composition specified in the present invention will be specifically described below in comparison with comparative examples, but the present invention is not limited to these examples. Not. However, the methods for measuring various physical properties of rubber used in the following examples are specifically shown below.

【0038】(1)300%弾性率の評価 JIS K6251「加硫ゴムの引張試験方法」に準拠して行っ
た。尚、得られた結果は標準サンプルの結果を100とし
た場合の指数(index)として表示した。即ち、(試験
ゴムの弾性率/標準サンプルの弾性率)×100であ
る。指数が100よりも大きい方が弾性率が大きいこと
を示す。
(1) Evaluation of 300% Elastic Modulus The evaluation was carried out in accordance with JIS K6251 “Tensile test method for vulcanized rubber”. In addition, the obtained result was displayed as an index (index) when the result of the standard sample was set to 100. That is, (elastic modulus of test rubber / elastic modulus of standard sample) × 100. An index larger than 100 indicates a higher elastic modulus.

【0039】(2)tanδ0℃、60℃の評価 グリップ力評価のための0℃におけるtanδ、燃費特性
評価のための60℃におけるtanδは、東洋精機社製粘
弾性スペクトロメーターを用いて測定した。 1)装置;東洋精機社製 粘弾性スペクトロメーター 2)サンプル;長さ20mm、幅5mm、厚さ2mm 3)測定温度;0℃と60℃ 4)周波数;10Hz 5)初期伸張;10% 6)歪み振幅;2% 尚、得られた結果は標準サンプルの結果を100とした場
合の指数(index)として表示した。即ち、(試験ゴム
のtanδ/標準サンプルのtanδ)×100である。指数
が100よりも大きい方がtanδの値が大きいことを示
す。
(2) Evaluation of tan δ at 0 ° C. and 60 ° C. The tan δ at 0 ° C. for evaluating the grip force and the tan δ at 60 ° C. for evaluating the fuel consumption characteristics were measured using a viscoelastic spectrometer manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd. 1) Apparatus; Viscoelastic spectrometer manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd. 2) Sample; length 20mm, width 5mm, thickness 2mm 3) Measurement temperature; 0 ° C and 60 ° C 4) Frequency; 10Hz 5) Initial elongation; 10% 6) Strain amplitude: 2% The obtained results are shown as an index when the result of the standard sample is set to 100. That is, (tan δ of test rubber / tan δ of standard sample) × 100. An index larger than 100 indicates that the value of tan δ is larger.

【0040】(3)摩耗特性の評価 摩耗特性の評価は、岩本製作所社製ランボーン摩耗試験
機を用いてスリップ率60%の条件で下記の通りで行っ
た。 1)装置;岩本製作所社製 単連ランボーン摩耗試験機 2)外径305mm、粒GC、粒度80、結合度K 3)サンプル;外径49mm、内径23mm、幅5mm 4)砂;カーボランダム90メッシュ 5)条件;サンプル速度50.8m/分(330rpm)、落砂量
15g/分 尚、得られた結果は標準サンプルの結果を100とした場
合の指数(index)として表示した。即ち、(標準サン
プルの摩耗量/試験ゴムの摩耗量)×100である。指
数が100よりも大きい方が耐摩耗性に優れることを示
す。
(3) Evaluation of wear characteristics The wear characteristics were evaluated using a Lambourn abrasion tester manufactured by Iwamoto Seisakusho under the conditions of a slip ratio of 60% as follows. 1) Apparatus; single-unit Lambourn abrasion tester manufactured by Iwamoto Seisakusho Co., Ltd. 2) Outer diameter 305mm, grain GC, grain size 80, bonding degree K 3) Sample; outer diameter 49mm, inner diameter 23mm, width 5mm 4) Sand; carborundum 90 mesh 5) Conditions: sample speed 50.8m / min (330rpm), sandfall
15 g / min The obtained results are shown as an index when the result of the standard sample is set to 100. That is, (abrasion amount of standard sample / abrasion amount of test rubber) × 100. An index larger than 100 indicates superior wear resistance.

【0041】実施例1〜5、比較例1〜3 カーボンブラックに含まれる窒素、及び酸素の効果を調
べる目的で、予めファーネス法にて製造したカーボンブ
ラック(標準サンプル)を、下記に示すアンモニアガス
下で熱処理することにより、カーボンブラック中の窒素
含有量と酸素含有量を制御したカーボンブラックを調整
し、カーボンブラックの特性値とゴムに混練した際のカ
ーボンブラックの特性値、ゴム物性値を測定した結果を
表2にまとめて示す。なおアンモニアガス処理の具体的
方法とゴム混練の方法は下記の通りである。
Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 In order to examine the effects of nitrogen and oxygen contained in carbon black, carbon black (standard sample) produced in advance by the furnace method was treated with ammonia gas shown below. The carbon black is controlled by controlling the nitrogen and oxygen contents in the carbon black by heat treatment under the following conditions, and the characteristic values of the carbon black and the characteristic values of the carbon black when kneaded with the rubber and the physical properties of the rubber are measured. The results are shown in Table 2. The specific method of ammonia gas treatment and the method of rubber kneading are as follows.

【0042】(1)アンモニアガス下熱処理によるカー
ボンブラックの表面修飾 予め70℃〜100℃で1時間以上真空乾燥したカーボ
ンブラックを、アンモニアガス雰囲気中で、所定の温度
に到達後2.5〜3時間処理した。所定温度での処理が
終了後、アンモニアガス雰囲気のまま室温まで冷却し
た。更に70℃〜100℃で10時間以上真空乾燥した
後、カーボン特性値評価とゴム試験に供した。
(1) Surface Modification of Carbon Black by Heat Treatment under Ammonia Gas Carbon black, which was previously vacuum-dried at 70 ° C. to 100 ° C. for 1 hour or more, was heated to a predetermined temperature in an ammonia gas atmosphere at 2.5 to 3 Time processed. After the treatment at the predetermined temperature was completed, the resultant was cooled to room temperature in an ammonia gas atmosphere. After vacuum drying at 70 ° C to 100 ° C for 10 hours or more, it was subjected to carbon characteristic value evaluation and rubber test.

【0043】(2)ゴム混練 表1に示すゴム配合に従って、東洋精機(株)社製のバ
ンバリー型ラボプラストミル(B75)と西本工機
(株)社製二軸ロール(E90)を用いて、常法に従いゴ
ム組成物を混練した。
(2) Rubber kneading According to the rubber compounding shown in Table 1, using a Banbury type lab plast mill (B75) manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd. and a biaxial roll (E90) manufactured by Nishimoto Koki Co., Ltd. The rubber composition was kneaded according to a conventional method.

【表1】 [Table 1]

【0044】[0044]

【表2】 [Table 2]

【0045】表2の実施例1〜5と比較例1、比較例2
から、アンモニアガス雰囲気中での処理温度が低く窒素
導入量が少ない場合(比較例1)、アンモニアガス処理
温度が高過ぎて賦活反応が進行し、N2SA-CTABが大き過
ぎる場合(比較例2)に対して、本発明が規定する実施
例のカーボンブラックは、未処理の標準サンプルに対し
て、耐摩耗性向上、燃費特性改善、グリップ力向上が同
時に達成されることが分かる。
Examples 1 to 5 in Table 2 and Comparative Examples 1 and 2
From the results, when the treatment temperature in the ammonia gas atmosphere is low and the amount of introduced nitrogen is small (Comparative Example 1), the activation reaction proceeds because the ammonia gas treatment temperature is too high, and N 2 SA-CTAB is too large (Comparative Example 1). Contrary to 2), it can be seen that the carbon black of the example defined by the present invention achieves the improvement of the abrasion resistance, the improvement of the fuel economy and the improvement of the grip force at the same time with respect to the untreated standard sample.

【0046】実施例6〜9と比較例3、4 粒子径の比較的大きいカーボンブラック(CTABが94m2/g
レベル)を標準サンプルとして、上記実施例1〜5と同
様のアンモニアガス雰囲気中での熱処理方法で調整した
カーボンブラックの諸特性を検討した。表3に、カーボ
ンブラックの特性値、ゴム物性値の測定結果をまとめて
示す。
Examples 6 to 9 and Comparative Examples 3 and 4 Carbon black having a relatively large particle size (CTAB: 94 m 2 / g
Level) was used as a standard sample, and various characteristics of carbon black adjusted by the same heat treatment method in an ammonia gas atmosphere as in Examples 1 to 5 were examined. Table 3 summarizes the measurement results of the characteristic values of the carbon black and the physical properties of the rubber.

【0047】[0047]

【表3】 [Table 3]

【0048】表3の実施例6〜9及び比較例3、4から
明らかに、本発明の規定を満足するカーボンブラック
は、標準サンプルに比較して、耐摩耗性向上、燃費特性
改善、グリップ力向上が同時に達成されることが分か
る。ここで、アンモニアガス中での熱処理温度は単に表
面性状を制御するためのパラメーターに過ぎず、温度の
絶対値は何ら重要性を持たないことに留意すべきであ
る。本発明が規定する窒素、酸素、塩基性官能基濃度、
シェルラバー量が本質的重要性を持つものであり、被修
飾体であるカーボンブラック表面のアンモニアガスとの
反応性により、最適な温度は異なる。
As is apparent from Examples 6 to 9 and Comparative Examples 3 and 4 in Table 3, the carbon black satisfying the requirements of the present invention has improved abrasion resistance, improved fuel consumption characteristics, and improved gripping power as compared with the standard sample. It can be seen that the improvement is achieved simultaneously. Here, it should be noted that the heat treatment temperature in ammonia gas is merely a parameter for controlling the surface properties, and the absolute value of the temperature has no significance. Nitrogen, oxygen, basic functional group concentration defined by the present invention,
The amount of the shell rubber is of essential importance, and the optimum temperature varies depending on the reactivity of the surface of the carbon black to be modified with ammonia gas.

【0049】実施例10、11、比較例5 CTAB 135m2/gのカーボンブラックを標準サンプルとし
て、上記実施例、比較例と同様にアンモニアガス雰囲気
中で熱処理して、カーボンブラックの特性値とゴム物性
とを検討した。表4に、カーボンブラックの特性値、ゴ
ム物性値の測定結果をまとめて示す。この場合にも、明
らかに本発明の規定するカーボンブラックは、標準サン
プルに対して耐摩耗性向上、燃費特性改善、グリップ力
向上が同時に達成されていることが分かる。
Examples 10 and 11, Comparative Example 5 Using carbon black of 135 m 2 / g CTAB as a standard sample, heat treatment was performed in an atmosphere of ammonia gas in the same manner as in the above Examples and Comparative Examples to obtain the characteristic values of carbon black and rubber. Physical properties were examined. Table 4 summarizes the measurement results of the characteristic values of the carbon black and the physical properties of the rubber. Also in this case, it is apparent that the carbon black defined by the present invention simultaneously achieves the improvement of the abrasion resistance, the improvement of the fuel consumption characteristics, and the improvement of the grip force with respect to the standard sample.

【0050】[0050]

【表4】 [Table 4]

【0051】実施例12〜13 図1に示されるような概略断面構造を持つカーボンブラ
ックの反応炉を用いて、ファーネスブラックを試作し
た。反応炉内1への燃焼火炎2の流れに対するカーボン
ブラックの原料油の挿入位置を2箇所に分割し、原料油
吹込口(前段)3では通常の原料油を吹き込み、原料油
吹込口(後段)4では窒素含有量が特に多い原料油を吹
き込むことにより、カーボンブラックの表面に窒素が濃
縮されるように工夫した。比較とすべき標準サンプルと
して、前段、後段ともに通常の原料油を吹き込んで製造
したカーボンブラックを試作した。表5に、標準サンプ
ル、並びに、窒素含有量を調整した2種の試作カーボン
ブラックの特性値とゴム物性とを検討した結果をまとめ
て示す。明らかに、原料油によりカーボンブラック表面
に窒素を導入した場合にも、本発明に規定するカーボン
ブラックは、アンモニアガス中での熱処理の場合と同様
に、ゴム物性の顕著な改善が認められた。
Examples 12 to 13 Furnace blacks were experimentally produced using a carbon black reactor having a schematic sectional structure as shown in FIG. The insertion position of the feed oil for carbon black with respect to the flow of the combustion flame 2 into the reactor 1 is divided into two positions, and the normal feed oil is blown into the feed oil inlet (front stage) 3 and the feed oil inlet (late stage). In No. 4, the invention was devised so that nitrogen was concentrated on the surface of carbon black by blowing a feedstock oil having a particularly high nitrogen content. As a standard sample to be compared, carbon black produced by injecting ordinary raw material oil into both the first and second stages was prototyped. Table 5 summarizes the results of examining the characteristic values and rubber properties of the standard sample and the two types of prototype carbon blacks whose nitrogen content was adjusted. Obviously, even when nitrogen was introduced into the carbon black surface by the raw material oil, the carbon black defined in the present invention showed a remarkable improvement in rubber physical properties as in the case of heat treatment in ammonia gas.

【0052】[0052]

【表5】 [Table 5]

【0053】このように窒素含有量を調整した原料油を
用いることにより窒素量と酸素量を制御したカーボンブ
ラックにおいて、アンモニアガス雰囲気中での熱処理の
場合と同様の効果を得られることから、ゴム物性の改善
にとって本質的に重要なのは、カーボンブラックの表面
に存在する窒素、酸素、塩基性官能基、並びに、シェル
ラバー量により表される表面活性が本発明に規定される
ような関係を満たすことであって、例示したアンモニア
ガス処理や、製造時に使用される原料油中の窒素成分の
増量などの調整方法に限定されるものではない。
By using the raw material oil having the nitrogen content adjusted as described above, the same effect as in the case of heat treatment in an ammonia gas atmosphere can be obtained in carbon black in which the nitrogen content and the oxygen content are controlled. It is essential for the improvement of the physical properties that nitrogen, oxygen, basic functional groups present on the surface of carbon black, and the surface activity represented by the amount of shell rubber satisfy the relationship defined in the present invention. However, the method is not limited to the exemplified ammonia gas treatment and the adjusting method such as increasing the amount of the nitrogen component in the feedstock oil used in the production.

【0054】[0054]

【発明の効果】以上、説明した如く本発明において規定
されるカーボンブラックを用いたゴム組成物は、タイヤ
トレッドに適用することにより、タイヤトレッドにおい
て本質的に重要な耐摩耗性、グリップ力、燃費特性を高
度にバランスさせることができる。即ち、耐摩耗性を損
なうことなく、高グリップ力と低燃費特性とを同時に満
たすことができる。
As described above, the rubber composition using the carbon black defined in the present invention as described above can be applied to a tire tread to provide abrasion resistance, grip power and fuel efficiency which are essentially important in a tire tread. Characteristics can be highly balanced. That is, high grip force and low fuel consumption characteristics can be simultaneously satisfied without impairing wear resistance.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例12〜13で使用したカーボンブラック
の試作に用いた反応炉の概略断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a reactor used for a trial production of carbon black used in Examples 12 and 13.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 反応炉内 2 燃焼火炎 3 原料油吹込口(前段) 4 原料油吹込口(後段) 1 Inside the reactor 2 Combustion flame 3 Feed oil inlet (front) 4 Feed oil inlet (back)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 向井 幸一郎 神奈川県川崎市麻生区王禅寺2775−17 (72)発明者 澤 泰久 福岡県北九州市小倉北区片野1丁目2−11 (72)発明者 金井 孝陽 福岡県北九州市小倉南区葉山町3−4−5 (72)発明者 栗原 正樹 愛知県渥美郡田原町やぐま台16−5−107 (72)発明者 太田 裕治 愛知県渥美郡田原町緑ヶ浜1−2 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Koichiro Mukai 2775-17 Ozenji Temple, Aso-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture (72) Inventor Yasuhisa Sawa 1-2-11 Katano, Kokurakita-ku, Kitakyushu-shi, Fukuoka Prefecture (72) Inventor Kanai Takayo 3-4-5 Hayama-cho, Kokura-minami-ku, Kitakyushu-shi, Fukuoka (72) Inventor Masaki Kurihara 16-5-107, Yamaguchidai, Tawara-cho, Atsumi-gun, Aichi (72) Inventor Yuji Ota 1 Midorigahama, Tahara-cho, Atsumi-gun, Aichi -2

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 CTABが80(m2/g)以上、圧縮DBP
が80(mL/100g)以上のハード系領域に属し、且つ、 (1)窒素吸着比表面積(N2SA);N2SA-CTAB≦50 (2)窒素含有量(N;重量%);3.0×10-3≦ N
/CTAB ≦1.2×10-2 (3)酸素含有量(O;重量%);O/CTAB≦1.3×1
-2 (4)窒素含有量と酸素含有量の重量比O/N;O/N≦
3.0 (5)塩基性官能基濃度(B;meq/g);1.8×10-4
≦B/CTAB≦1.0×10-2 (6)シェルラバー量(S);5.0×10-6≦S≦5.
0×10-5 の選択的特性要件を満たしていることを特徴とするカー
ボンブラック。
1. A compressed DBP having a CTAB of 80 (m 2 / g) or more
Belongs to a hard system region of 80 (mL / 100 g) or more, and (1) Nitrogen adsorption specific surface area (N 2 SA); N 2 SA-CTAB ≦ 50 (2) Nitrogen content (N; wt%); 3.0 × 10 −3 ≦ N
/CTAB≦1.2×10 −2 (3) Oxygen content (O; wt%); O / CTAB ≦ 1.3 × 1
0 -2 (4) Weight ratio of nitrogen content to oxygen content O / N; O / N ≦
3.0 (5) Basic functional group concentration (B; meq / g); 1.8 × 10 -4
≦ B / CTAB ≦ 1.0 × 10 −2 (6) Shell rubber amount (S); 5.0 × 10 −6 ≦ S ≦ 5.
Carbon black characterized by satisfying the selective property requirement of 0 × 10 −5 .
【請求項2】 ゴム100重量部に対し、請求項1記載
のカーボンブラックを20〜100重量部配合してなる
ゴム組成物。
2. A rubber composition comprising 100 to 100 parts by weight of rubber and 20 to 100 parts by weight of the carbon black according to claim 1.
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