JP2014119399A

JP2014119399A - ゴム製品の耐摩性評価方法

Info

Publication number: JP2014119399A
Application number: JP2012276331A
Authority: JP
Inventors: Michio Hirayama; 道夫平山
Original assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-06-30

Abstract

【課題】ゴム製品の耐摩耗性が容易にかつ短時間で評価されうる方法の提供。
【解決手段】ゴム製品の耐摩性評価方法は
（１）ゴム組成物を得るステップ、
（２）上記ゴム組成物の貯蔵弾性率Ｅ^＊の値及び上記ゴム組成物の破壊エネルギーＦの値を測定するステップ、及び
（３）上記貯蔵弾性率Ｅ^＊の値及び破壊エネルギーＦの値を、上記貯蔵弾性率Ｅ^＊と相関しかつ上記破壊エネルギーＦの逆数と相関する関数に代入し、上記ゴム組成物の耐摩耗係数を算出するステップ
を含む。
【選択図】なし

Description

本発明は、ゴム製品の耐摩耗性を評価する方法に関する。

トレッドの耐摩耗性は、タイヤにとっての重要な性能の１つである。耐摩耗性の評価では、タイヤが車両に装着される。この車両の走行により、トレッドは徐々に摩耗する。この摩耗の程度が測定されることにより、耐摩耗性が評価されうる。車両に装着されたタイヤの耐摩耗性の評価方法が、特開２００９−２９２４３４公報に記載されている。

ドラム式試験機によっても、トレッドの耐摩耗性が評価されうる。この評価方法では、軸に装着されたタイヤが、ドラムの上で回転する。回転により、トレッドは徐々に摩耗する。この摩耗の程度が測定されることにより、耐摩耗性が評価されうる。ドラム式試験機が用いられたタイヤの評価方法が、特開２００３−５０１９０公報に記載されている。

特開２００９−２９２４３４公報特開２００３−５０１９０公報

タイヤが車両に装着されてなされる評価方法では、タイヤが製作される必要がある。ドラムが用いられてなされる評価方法でも、タイヤが製作される必要がある。タイヤの製作には、手間と時間とがかかる。

タイヤ以外のゴム製品の耐摩耗性の評価でも、このゴム製品が製作される必要がある。このゴム製品の製作には、手間と時間とがかかる。

本発明の目的は、ゴム製品の耐摩耗性が容易にかつ短時間で評価されうる方法の提供にある。

本発明に係るゴム製品の耐摩性評価方法は、
（１）ゴム組成物を得るステップ、
（２）上記ゴム組成物の貯蔵弾性率Ｅ^＊の値及び上記ゴム組成物の破壊エネルギーＦの値を測定するステップ、及び
（３）上記貯蔵弾性率Ｅ^＊の値及び破壊エネルギーＦの値を、上記貯蔵弾性率Ｅ^＊と相関しかつ上記破壊エネルギーＦの逆数と相関する関数に代入し、上記ゴム組成物の耐摩耗係数を算出するステップ
を含む。

この評価方法には、タイヤのトレッドのためのゴム組成物が用いられうる。

好ましくは、ステップ（２）における貯蔵弾性率Ｅ^＊の値の測定温度及び破壊エネルギーＦの値の測定の温度は、時間−温度換算則に基づいて決定される。

好ましくは、ステップ（３）において用いられる関数は、下記数式で示される。
Ｗ＝ｃ（Ｆ^ａ／Ｅ^＊ｂ）（４）
この数式において、ａ、ｂ及びｃは定数である。

本発明に係る評価方法では、ゴム製品の耐摩耗性の評価に際し、このゴム製品が製作される必要がない。この方法は、耐摩耗性が容易にかつ短時間で評価されうる。

図１は、ゴム組成物の貯蔵弾性率Ｅ^＊の温度依存性が示されたグラフである。図２は、ゴム組成物の破壊エネルギーＦの温度依存性が示されたグラフである。図３は、重相関解析で得られた予測値とタイヤのテスト結果との関係が示されたグラフである。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。

本実施形態では、ゴム製品の一例であるタイヤの耐摩耗性が評価される。具体的には、タイヤのトレッドの耐摩耗性が評価される。

本実施形態では、耐摩耗係数によってトレッドの耐摩耗性が評価される。耐摩耗係数は、トレッドが１ｍｍ摩耗するのに必要な走行距離（ｋｍ）である。

摩耗現象は、凹凸を有する路面の上を、この路面に対してトレッドが滑りつつ通過する現象である。このときトレッドは、路面から変形を受ける。この変形の周波数は、１×１０^４Ｈｚ−１×１０^６Ｈｚである。この周波数は、高い。一方、ゴム物性に関しては、時間−温度換算則が成り立つ。例えば、高温かつ高周波数の条件下で測定されたゴム物性は、低温かつ低周波数の条件下で測定されたゴム物性と相関する。

本実施形態では、ゴム物性として、貯蔵弾性率Ｅ^＊及び破壊エネルギーＦが測定される。本実施形態では、まず、耐摩耗性が評価されるべき温度が決定される。この温度に基づき、貯蔵弾性率Ｅ^＊及び破壊エネルギーＦが測定される温度が決定される。前述の通り、トレッドが路面から受ける変形の周波数は、高い。従って、時間−温度換算則に基づき、耐摩耗性が評価されるべき温度よりも低い温度が選定されて、貯蔵弾性率Ｅ^＊及び破壊エネルギーＦが測定される。

時間−温度換算則に基づいて決定された測定温度の例が、以下に示される。
夏条件路面温度：２７℃ 測定温度：０℃
冬条件路面温度：７℃ 測定温度：−４０℃

路面とトレッドとの接触面積Ｍが大きいほど，単位面積あたりにかかるせん断力が小さい。せん断力が小さいほど、摩耗が抑制される。従って、接触面積Ｍと耐摩耗係数Ｗとの間には、下記数式（１）が成立する。

さらに、接触面積Ｍはトレッドの貯蔵弾性率Ｅ^＊に反比例するので、上記数式（１）は、下記数式（２）に変換される。

トレッドの摩耗は、引張試験における破断エネルギーＦと相関する。破壊エネルギーＦが高ければ、トレッドは摩耗しにくい。このことから、破断エネルギーＦと耐摩耗係数Ｗとの間には、下記数式（３）が成立する。

上記数式（２）及び（３）から、下記数式（４）が導かれる。

上記数式において、ａ、ｂ及びｃは、定数である。これらの定数は、測定温度ごとに、あらかじめ定められている。上記数式（４）は、貯蔵弾性率Ｅ^＊と相関しかつ破壊エネルギーＦの逆数と相関する関数を表す。上記数式（４）に代えて、貯蔵弾性率Ｅ^＊と相関しかつ破壊エネルギーＦの逆数と相関する他の関数を表す数式が用いられてもよい。

上記数式（４）に、貯蔵弾性率Ｅ^＊の値及び破壊エネルギーＦの値が代入される。この代入により、トレッドのゴム組成物の耐摩耗係数Ｗが算出される。この耐摩耗係数Ｗにより、このゴム組成物の耐摩耗性が評価される。耐摩耗係数Ｗが大きいタイヤは、耐摩耗性に優れる。耐摩耗係数Ｗが小さいタイヤは、耐摩耗性に劣る。この評価方法では、耐摩耗性が数値化される。

この評価方法では、タイヤが製作される必要がない。この方法により、トレッドの耐摩耗性が、容易に評価されうる。この方法により、トレッドの耐摩耗性が、短時間で評価されうる。

以下、定数ａ、ｂ及びｃの算出方法、並びに上記数式（４）に基づく評価の妥当性が説明される。

下記の表１に、ゴム組成物Ａ−Ｄの組成が示されている。それぞれのゴム組成物は、基材ゴムとして、天然ゴム（ＮＲ）を含んでいる。ゴム組成物はさらに、基材ゴムとして、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）又はポリブタジエンゴム（ＢＲ）を含んでいる。

ゴム組成物の製作では、基材ゴム、カーボンブラック、シリカ及びプロセスオイルが密閉式混練機（ＫＯＢＥＬＣＯ社の「ＭＩＸＴＲＯＮＢＢ」）に投入され、ベースゴムが得られた。ミキサーの回転速度は、１１５ｒｐｍである。検出トルクが一定になるまで、混練が継続された。排出温度は１６０ ℃であり、混練時間は５分であった。このベースゴムを８インチのオープンロール（関西ロール社）に投入し、さらに適量の硫黄及び加硫促進剤を投入して、混練した。混練温度は１１０ ℃以下であり、混練時間は４分であった。混練により、ゴム組成物が得られた。

ゴム組成物を押し出して、厚みが１０ｍｍであるトレッドを得た。このトレッドと他のタイヤ部材とをアッセンブリーし、ローカバーを得た。このローカバーをモールドに投入し、加熱して、タイヤを得た。加熱温度は１７０℃であり、加熱時間は１２分であった。このタイヤのサイズは、１９５／６５Ｒ１５であった。

タイヤを車両に装着し、道路上でこの車両を走行させた。この道路には、高速道路、一般道路及び山岳路が含まれていた。走行距離は、８０００ｋｍであった。走行の前後の溝深さを測定することにより、耐摩耗係数Ｗを算出した。この試験は、夏（７月、平均気温：２１℃、平均路面温度：２７℃）と冬（１１月、平均気温：７℃、平均路面温度：７℃）に実施された。この結果が、下記の表２に示されている。

ゴム組成物Ｂの、低温での耐摩耗係数と高温での耐摩耗係数との差は、大きい。一方、ゴム組成物Ｂに比べ、ゴム組成物Ｃの耐摩耗係数の温度依存性は、小さい。ゴム組成物Ｃの低温での耐摩耗係数及び高温での耐摩耗係数は、大きい。ゴム組成物Ｄは、ゴム組成物Ａの特性とゴム組成物Ｃの特性との中間的な特性を有する。この様に、組成に依存して耐摩耗係数の温度依存性の傾向は異なる。

上記ゴム組成物を熱プレスで加熱して、厚みが２ｍｍである試験用シートを得た。加熱温度は１７０℃であり、加熱時間は１２分であった。このシートから、幅が４ｍｍであり、厚さが２ｍｍであり、長さが４０ｍｍである試験片を得た。この試験片を用い、岩本製作所社の粘弾性スペクトロメーター（ＴＹＰＥＶＥＳ−Ｆ−III)にて、貯蔵弾性率Ｅ^＊及び損失正接ｔａｎδを測定した。ｔａｎδのピーク温度を、Ｔｇとした。試験条件の詳細は、以下の通りである。
チャック間距離：３０ｍｍ
静的な初期伸張：１０％
動的歪：０．５％
周波数：１０Ｈｚ
昇温速度：３ ℃／分
温度範囲：−７０℃から５０℃まで

ゴム組成物Ａ−Ｄの貯蔵弾性率Ｅ^＊の温度依存性が、図１のグラフに示されている。このグラフにおいて、横軸は温度であり、縦軸は貯蔵弾性率Ｅ^＊である。このグラフから明らかな通り、ゴム組成物Ａ及びＢのＴｇは、ゴム組成物Ｃ及びＤのＴｇよりも大きい。−１０℃以下の温度では、ゴム組成物Ａ及びＢの貯蔵弾性率Ｅ^＊は、ゴム組成物Ｃ及びＤの貯蔵弾性率Ｅ^＊よりも大きい。この測定結果には、主成分となるＳＢＲのＴｇが反映されていると思われる。

上記シートから、ダンベル状３号の試験片を得た。この試験片を用い、引張試験機（島津製作所社のオートグラフＡＧＳ−Ｊ）にて、引張試験を行った。試験は、「ＪＩＳＫ６２５１」の規定に準拠してなされた。引張速度は、５００ｍｍ／分であった。−４０℃、−１０℃、０℃及び２３℃の条件下で、試験を行った。応力−ひずみ曲線とひずみ軸で囲まれる面積を求めた。この面積が、破壊エネルギーＦ（ＭＪ／ｍ^３）である。

ゴム組成物Ａ−Ｄの破壊エネルギーＦの温度依存性が、図２のグラフに示されている。このグラフにおいて、横軸は温度であり、縦軸は破壊エネルギーＦである。このグラフから明らかな通り、全ての温度条件において、ゴム組成物Ｃの破壊エネルギーＦは大きい。−４０℃において、ゴム組成物Ａ及びＢの破壊エネルギーＦは、ゴム組成物Ｃ及びＤの破壊エネルギーＦに比べて顕著に小さい。この測定結果には、Ｔｇ以下の温度においてゴム組成物の破断伸度が小さいことが反映されていると思われる。

下記数式（５）は、上記数式（４）が対数表示に変形されて得られる。

図１及び２に示されるように、貯蔵弾性率Ｅ^＊及び破壊エネルギーＦは温度依存性を有する。耐摩耗係数Ｗの算出に際し、いずれの温度領域の貯蔵弾性率Ｅ^＊及び破壊エネルギーＦが用いられるべきか、検討がなされた。まず、耐摩耗係数Ｗに対して貯蔵弾性率Ｅ^＊及び破壊エネルギーＦの相関分析が行われた。
（ｘ、ｙ）＝｛（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ）｝（ｉ＝１、２、・・・、ｎ）
が与えられたとき、ｙに対するｘの相関係数Ｒは、以下数式（６）によって算出される。

得られた相関係数が、下記の表３に示されている。

表３から明らかなように、夏条件での耐摩耗係数Ｗは、０°の破壊エネルギーＦと高い相関を有する。一方、冬条件の耐摩耗係数Ｗは、−４０℃の貯蔵弾性率Ｅ^＊及び破壊エネルギーＦと高い相関を有する。換言すれば、タイヤでの試験結果は、路面温度よりも低い温度でのゴム物性と、高い相関を有する。その理由は、摩耗現象においてタイヤが路面の凹凸の上を速い速度で滑っており、前述の時間−温度換算則が関与したためと思われる。

耐摩耗係数Ｗと、貯蔵弾性率Ｅ^＊及び破壊エネルギーＦとの関係性を検討するため、上記数式（５）を重回帰式とし、夏の耐摩耗係数logＷを目的変数とし、０℃のlogＥ^＊及びlogＦを説明変数として、定数ａ、ｂ及びｃを最適化する重回帰分析を行った。具体的手順は、以下の通りである。

まず、上記数式（５）を簡略化して、下記数式（７）を得た。

実測値ｙ_ｏｂｅは理論値ｙ_ｅｓｔとの残差ｅの和であることから、下記数式（８）が得られる。

次に、残差ｅの２乗の総和（残差平方和ＲＳＳ）が最小となるように、下記数式（９）が用いられて係数が求められる。

このＲＳＳをＡ、Ｂ_１及びＢ_２で微分してゼロとすると、下記数式（１０）が得られる。

上記数式１０より、Ｔをデータの標本数とすると、下記の正規方程式が得られる。

この正規方程式を解くことにより、下記数式に示されるように、Ａ、Ｂ_１及びＢ_２が求められる。

同様の手順により、上記数式（５）を重回帰式とし、冬の耐摩耗係数logＷを目的変数とし、−４０℃のlogＥ^＊及びlogＦを説明変数として、定数ａ、ｂ及びｃを最適化する重回帰分析を行った。

タイヤのテスト結果と、重相関解析で得られた予測値との関係が、図３のグラフに示されている。このグラフにおいて、横軸はタイヤのテスト結果であり、縦軸は予測値である。さらに、得られた重相関係数が、下記の表４に示されている。

タイヤにて測定された耐摩耗係数Ｗと、上記数式（５）から予測される耐摩耗係数Ｗとの間に、高い相関性が存在することは、図３及び表４から明らかである。このことから、本発明に係る評価方法が妥当であることが証明された。

本発明に係る評価方法により、種々のタイヤの耐摩耗性が評価されうる。

Claims

（１）ゴム組成物を得るステップ、
（２）上記ゴム組成物の貯蔵弾性率Ｅ^＊の値及び上記ゴム組成物の破壊エネルギーＦの値を測定するステップ、及び
（３）上記貯蔵弾性率Ｅ^＊の値及び破壊エネルギーＦの値を、上記貯蔵弾性率Ｅ^＊と相関しかつ上記破壊エネルギーＦの逆数と相関する関数に代入し、上記ゴム組成物の耐摩耗係数を算出するステップ
を含むゴム製品の耐摩性評価方法。
上記ゴム組成物が、タイヤのトレッドのためのゴム組成物である請求項１に記載の評価方法。
上記ステップ（２）における貯蔵弾性率Ｅ^＊の値の測定温度及び上記破壊エネルギーＦの値の測定の温度が、時間−温度換算則に基づいて決定される請求項１又は２に記載の評価方法。
上記ステップ（３）において用いられる関数が下記数式で示される請求項１又は２に記載の評価方法。
Ｗ＝ｃ（Ｆ^ａ／Ｅ^＊ｂ）（４）
（この数式において、ａ、ｂ及びｃは定数である。）