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JP2593113B2 - ゴム組成物 - Google Patents

ゴム組成物

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JP2593113B2
JP2593113B2 JP3122759A JP12275991A JP2593113B2 JP 2593113 B2 JP2593113 B2 JP 2593113B2 JP 3122759 A JP3122759 A JP 3122759A JP 12275991 A JP12275991 A JP 12275991A JP 2593113 B2 JP2593113 B2 JP 2593113B2
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JP
Japan
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rubber
dbp
diameter
rubber composition
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伸司 味曽野
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Tokai Carbon Co Ltd
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Tokai Carbon Co Ltd
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L7/00Compositions of natural rubber
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02Elements
    • C08K3/04Carbon

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  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Pigments, Carbon Blacks, Or Wood Stains (AREA)
  • Tires In General (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、タイヤトレッド部材に
用いて好適なゴム組成物、詳しくは低発熱性を損なうこ
となしに改善された耐摩耗性を備えるゴム組成物に関す
る。
【0002】
【従来の技術】近時、自動車の高性能化に伴って高速性
能、安定性能ならびに耐久性能に対する要求が高まり、
これら諸性能に関与するタイヤトレッド部材の特性、と
りわけ耐摩耗性と低発熱性の両立改良が重要な課題とさ
れている。また、省資源、省エナルギー等の社会的要請
に対応するため、低燃費タイヤの開発も盛んにおこなわ
れているが、この課題に対してもタイヤトレッドを構成
するゴムに高い反撥弾性を与える低発熱特性を具備させ
ることが不可欠となる。
【0003】一般に、ゴムの摩耗、発熱等の性能は配合
するカーボンブラックの性状特性に支配される要素が大
きいが、これらのゴム性能には二律背反的な関係がある
ことが知られている。例えば、低燃費タイヤに必要な低
発熱性を付与するためには、比較的粒子径の大きいカー
ボンブラックを少ない配合量でゴムに配合することが有
効であるが、この配合では耐摩耗性や湿潤路面での制動
性といった面の特性低下が避けられない。また、苛酷な
走行条件で高度の耐摩耗性が必要なタイヤトレッドに対
しては可及的に粒子径が小さくてストラクチャーの大き
な特性のカーボンブラックが有効であるが、反面、この
種のカーボンブラックはゴム組成物の発熱性を高めて走
行中に蓄熱による内部構造の破壊、構成材料の老化など
の現象を促進させる危険性を招く。
【0004】このようなことから、カーボンブラックの
粒子径(比表面積)、ストラクチャーなどの基本特性に
加えてその他の諸特性をミクロに評価し、特定の選択的
特性を備えるカーボンブラックをゴムに配合することに
より耐摩耗性と低発熱性を同時に改善させる技術が数多
く提案されている。
【0005】このうち、乗用車や軽トラック用のタイヤ
トレッドとして好んで使用されるN339 級のカーボンブ
ラックを対象にするものには、次のような提案がある。 (1) 窒素吸着比表面積(N2SA)が60m2/g以上、圧縮DBP
が112ml/100g以上の範囲にあり、カーボンブラック凝集
体のストークスモード径および同分布が一定値以上の特
性をもつゴム配合用のカーボンブラック(特公平1−53
978 号公報) 。 (2) N2 SAが60m2/g以上、DBPが108ml/100g以上の
範囲にあり、一定比表面積当たりの真比重を公知のカー
ボンブラックよりも著しく低い特定範囲に設定するとと
もに着色力ならびに凝集体モード径当たりの分布巾を一
定値以上に制御したカーボンブラックを配合するゴム組
成物(特開昭59−140241号公報) 。 (3) N2 SAが65〜84m2/g、N2 SA/よう素吸着量(I
A)の比が1.10〜1.35の範囲にあり、圧縮DBP、ブラッ
クネス、IAおよび凝集体モード径を変数とする式で定
義される値を特定値以上に設定した特性をもつゴム配合
用のカーボンブラック(特開昭63−225639号公報) 。 (4) N2 SAが75〜105m2/g 、圧縮DBPが110ml/100g
以上の範囲にあり、一定比表面積当たりの真比重を公知
のカーボンブラックより低い特定範囲に設定するととも
に、粒子凝集体空隙直径ならびに凝集体モード径当たり
の分布巾を一定値以上に維持する特性をもつゴム配合用
のカーボンブラック(特開平1−201367号公報) 。
【0006】また、主にトラック、バス用の大型タイヤ
トレッド部材に使用されるN220 、N110 級のカーボン
ブラックを対象とするものには、次のような改良提案が
なされている。 (5) N2 SAが 100〜200m2/g の範囲にあり、粒子径に
対して相対的にブロードな凝集体ストークスモード径を
備えるカーボンブラックを配合したゴム組成物(特開昭
63−112638号公報) 。 (6) N2 SAが70〜185m2/g の範囲にあり、凝集体スト
ークスモード径分布が特定範囲の2点の極大点をもつカ
ーボンブラックを配合したゴム組成物(特開昭63−1799
41号公報) 。 (7) N2 SAが 110〜155m2/g の範囲にあり、DBP、
圧縮DBP、ブラックネス、N2 SAおよびよう素吸着
量を変数とする式で定義される値が特定範囲にある特性
のカーボンブラックを配合したゴム組成物(特開昭63−
297439号公報) 。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年の
低燃費タイヤに対する要求はますます高度化しており、
高水準の反撥弾性を保持しながらより優れた耐摩耗性を
有する低発熱性ゴム組成物の開発が求められている。
【0008】本発明は、このような状況下で引き続き前
記課題を解決するための研究を重ねた結果、N2 SAが
60〜160m2/g 、DBP吸油量が90〜150ml/100gのハード
系領域に属するカーボンブラックにおいて、アグリゲー
ト粒間ポアのモード径がこれまで知られているカーボン
ブラックに比べて大きな特性のものを選択配合したゴム
組成物は、乗用車からトラック、バスに至るタイヤトレ
ッドに適合し得る反撥弾性(低発熱性)と耐摩耗性を兼
備する事実を解明して開発されたものである。
【0009】したがって本発明の目的は、低燃費タイヤ
トレッド用として好適な低発熱性を保持しながら高度の
耐摩耗性能を発揮するゴム組成物を提供することにあ
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明によるゴム組成物は、窒素吸着比表面積(N2S
A)が60〜160m2/g 、DBP吸油量(DBP) が90〜150ml/10
0gのハード系領域に属し、かつ下記の選択的特性を備え
るカーボンブラックをゴム成分 100重量部に対し35〜10
0 重量部の割合で配合してなることを構成上の特徴とす
る。 Dp モード径 ≧ 75.2 ×(DBP/N2SA) +8.0 但し、Dp モード径は示差走査熱量計(DSC) により測定
されるカーボンブラック粒間のポア径分布における最大
頻度のモード径を指す。
【0011】上記構成によるカーボンブラックの各特性
は、以下の測定方法によって得られる値が用いられる。 窒素吸着比表面積(N2SA);ASTM D3037−88 “St
andard Test Method for Carbon Black-SurfaceArea by
Nitrogen Absorption ”MethodBによる。この方法に
よるIRB#6の測定値は、76m2/gである。 DBP吸油量(DBP) ;JIS K6221(1982)「ゴム用カ
ーボンブラックの試験方法」6 ・1 ・2 項、吸油量A法
による。この方法によるIRB#6の測定値は、99.0ml/1
00g である。
【0012】Dp モード径 ;JIS K6221(1982) 5
「乾燥試料の作り方」に基づいて乾燥したのち、精秤採
取したカーボンブラック試料を蒸留水と混合してカーボ
ンブラック濃度0.250/cm3 のペーストを作成し、超音波
で十分に分散させる。超音波分散後10分以内に示差走査
熱量計(DSC, Mettler 社製 DSC30)でアグリゲート粒間
ポアの分布測定を開始する。この場合のペースト採取量
は約3〜5mgの範囲内とし、アルミ製のサンプル容器に
入れシールしたのち、ペーストの質量を確認し前記DS
C装置にセットし、次のステップで測定する。室温か
ら−80℃まで急冷する。−80℃から−5℃まで10℃/m
in. の速度で加熱する。−5℃から−0.1 ℃まで1℃
/min. の速度で加熱したのち、−0.1 ℃ (蒸留水の凝固
点より0.1 ℃低い温度) に10分間保持する。−0.1 ℃
から−8℃まで0.1℃/min. の速度で徐々に冷却し、
補償エネルギーを記録する。そして、の段階で得られ
た補償エネルギーのチャートから各温度(0.1℃刻み) の
山の高さ(y) を読み取り、下記(2) 、(3) 式からアグリ
ゲート粒間のポア径(Dp)およびポア分布(△V/△Dp) を
得る。 Dp = (135.34/ΔT)+1.14 ……(2) ΔV /ΔDp= K×〔(ΔT)2/Wa〕×y …(3) (2) 、(3) 式において、ΔT は蒸留水の凝固点降下幅、
△V はある温度間隔に凝固の起ったポアの体積、Waは蒸
留水の凝固熱、K はDSC装置の感度やサンプルの質量
を考慮に入れたファクターである。これらの式はBrunら
によって導かれたもので、Thermochimica Acta,21(197
7)59〜88“A NEW METHOD FOR THE SIMULTANEOUS DETERM
INATION OF THE SIZE ANDTHE SHAPE OF PORES : THE TH
ERMOPOROMETRY”に詳説されている。なお、この方法で
測定したIRB#6のDp モード径の値は、95.3nmであっ
た。
【0013】本発明で特定したカーボンブラック特性項
目のうち、窒素吸着比表面積(N2SA)が60〜160m2/g の粒
子径範囲およびDBP吸油量90〜150ml/100gのストラク
チャー範囲は通常品種のハード系領域に属し、配合ゴム
に高度の耐摩耗性を付与するとともに適度の低発熱性を
保持させるための前提要件となる。この窒素吸着比表面
積(N2SA)が60m2/g未満では耐摩耗性の低下が著しく、他
方160m2/g を越えるとゴムに対する分散性が悪化して耐
摩耗性が円滑に向上せず、発熱性も増大する。また、D
BP吸油量が90ml/100g 未満では耐摩耗性が損なわれ、
150ml/100gを上廻る場合にはアイススキッド性が低下し
て安全性能の減退を招く。
【0014】本発明において設定した選択的特性は、カ
ーボンブラックが強固に融着結合した凝集体(アグリゲ
ート)性状を示す指標であって、凝集体がゴム中で示す
分散状態に近い態様で測定されたアグリゲート粒間ポア
に相当する。示差走査熱量計(DSC)によって測定される
ポアは、カーボンブラック凝集体を水に分散した状態で
測定するため、測定中に水銀を圧入する水銀ポロシ法に
より測定される凝集体粒間ポアとは本質的に異なってお
り、よりゴム中で凝集体が示すポアに近いものである。
本発明では、このDSC によって測定されるアグリゲート
粒間ポアのモード径 (Dp モード径) 範囲が従来のカー
ボンブラックに比べ相対的に大きいことに特徴付けら
れ、Dp モード径≧75.2×(DBP/N2SA) +8.0 の要件を
満たす場合に配合ゴムに好適な低発熱性と著しく改善さ
れた耐摩耗性を付与することが可能となる。
【0015】これらの特性を備えるカーボンブラック
は、炉頭部に接線方向の空気供給口と炉軸方向に挿着さ
れた燃焼バーナーを有する燃焼室と、これに同軸的に連
設された数段の狭径および広径反応ゾーンを備える構造
のオイルファーネス炉を用い、燃料油供給量、空気供給
量などの燃焼条件、狭径反応ゾーンに多段に導入する原
料油の供給量等を制御するとによって製造することがで
きる。
【0016】上記のカーボンブラックは、常法に従って
天然ゴム、ジエン系合成ゴム、天然ゴムまたはイソプレ
ンゴムにジエン系合成ゴムを配合したブレンドゴムなど
のエラストマーに配合する。カーボンブラックの配合比
率は、ゴム成分100重量部に対し35〜100 重量部とし、
加硫剤、加硫促進剤、老化防止剤、加硫助剤、軟化剤、
可塑剤等の必要成分とともに混練して本発明にゴム組成
物を得る。
【0017】
【作用】アグリゲート粒間ポアのDp モード径は, カー
ボンブラック製造工程における反応温度や燃焼ガスの撹
乱度など生成時の条件と密接に関連しており、このため
生成カーボンブラックのストラクチャーおよび比表面積
との相関要素が大きい。発明者の検討によると、現在、
上市されているカーボンブラックのDp モード径は下式
の範囲にあることが確認されている。 Dp モード径=〔75.2×(DBP/N2SA)〕±3.0 例えば、IRB#6のDp モード径実測値は95.3nmで、そ
のDBP吸油量と窒素吸着比表面積(N2SA)から算出され
る上式右辺の計算値95.0〜101.0nm の範囲に入ってい
る。
【0018】したがって、本発明で特定されているDp
モード径の範囲は、既存のカーボンブラックよりもDB
P吸油量および窒素吸着比表面積(N2SA)に対応する粒間
ポアの大きさが相対的に高位にあり、この独特な性状が
配合ゴムの低発熱性を損ねることなしに耐摩耗性を増大
するために有効機能するものと推測される。
【0019】前記の機能が前提となる窒素吸着比表面積
およびDBP吸油量によるゴム性能の調整化作用と相俟
って、タイヤトレッドとして好適な低発熱性と高度な耐
摩耗性を兼備するゴム組成物の提供が可能となる。
【0020】
【実施例】
実施例1〜3、比較例1〜3 炉頭部に接線方向空気供給口と炉軸方向に装着した燃焼
バーナーを有する燃焼室(直径900mm 、長さ1000mm) を
設置し、該燃焼室と同軸的に連結する第1段狭径反応ゾ
ーン(直径200mm 、長さ600mm)、第2段狭径反応ゾーン
(直径160mm 、長さ600mm)および引き続く広径反応ゾー
ン (直径400mm)とから構成され、原料油導入ノズルを第
1段と第2段の狭径反応ゾーンに各設置した形態のオイ
ルファーネス炉を用い、発生条件を変えて3種類のカー
ボンブラックを製造した。原料油としては、比重(15/4
℃)1.073、粘度(エングラー40/20 ℃)2.10 、トルエン
不溶分0.03%、相関係数(BMCI)140 の芳香族炭化水素油
を、また燃料油には、比重(15/4 ℃)0.903、粘度(Cst/5
0 ℃)16.1 、残炭分 5.4%、引火点96℃の炭化水素油を
用いた。
【0021】表1にカーボンブラックの発生条件、表2
に得られたカーボンブラックの特性をそれぞれ実施例 N
o.に対応させて表示した。なお、表2の比較例1〜3は
同等のハード系特性を有しながら本発明の選択的特性要
件を外れる従来品種のカーボンブラックである。
【0022】
【表1】
【0023】
【表2】 表注: 1) 〔75.2×(DBP/N2SA)+8.0 〕計算値(表
6も同じ)。 2) 比較例1はN351、比較例2はN347、比較例3はN339
の市販カーボンブラックである。
【0024】次に、これらのカーボンブラック試料を表
3に示す配合比によりスチレンブタジエンゴム(SBR) に
配合した。
【0025】
【表3】
【0026】表3の配合物を145 ℃の温度で50分間加硫
して得られた各ゴム組成物につき、各種ゴム特性を測定
した結果を表4に示した。なお、ゴム特性の測定は下記
によった。 摩耗量 ランボーン摩耗試験機(機械式スリップ機構)を用い、
次の条件で測定した。試験片:厚さ 10mm 、外径 44mm エメリーホイール:GCタイプ、粒度80、硬度 H 添加カーボランダム粉:粒度80メッシュ、添加量 約9
g/min. エメリーホイール面と試験片の相対スリップ率:24%、
60% 試験片回転数:535rpm 試験荷重:4kg
【0027】tanδ(損失係数) 岩本製作所製のVisco Elastic Spectrometerを用い、次
の条件で測定した。 試験片:厚さ2mm、長さ30mm、幅5mm 周波数:50Hz 動的歪率:1.2 % 温 度:60℃ その他の特性 JIS K6301「加硫ゴム物理試験法」によった。
【0028】
【表4】
【0029】表4から、実施例の結果は同比表面積レベ
ルにありながら本発明の選択的特性要件を外れる比較例
に比べ、低発熱性の指標となるtanδ(損失係数)な
らびに反撥弾性が同等でありながら耐摩耗性能が有意に
向上していることが認められる。
【0030】実施例4〜5、比較例4〜5 実施例1と同一のオイルファーネス炉、原料油および燃
料油を用い、表5の発生条件により2種類のカーボンブ
ラックを製造した。
【0031】
【表5】
【0032】得られたカーボンブラックの特性
は、表6のとおりであった。なお、表6に併載した比較
例4、5は同等比表面積を有する既存のカーボンブラッ
クである。
【0033】
【表6】 表注:比較例4はN220、比較例5はN110の市販カーボン
ブラックである。
【0034】ついで、各カーボンブラックを表7に示す
配合条件で天然ゴムに配合した。
【0035】
【表7】
【0036】表7の配合物を145 ℃の温度で40分間加硫
し、得られたゴム組成物につき各種特性を測定した。そ
の結果を表8に示した。
【0037】
【表8】
【0038】表8から、本発明の選択的特性要件を満た
す実施例4、5は天然ゴム配合においても同比表面積レ
ベルの比較例と比べ同等以上の低発熱性と高度の耐摩耗
性が付与されている。
【0039】
【発明の効果】以上のとおり、本発明のゴム組成物には
好適な低発熱性および反撥弾性を保持しながら効果的に
改善された耐摩耗性能が付与される。この両特性の兼備
により、苛酷な走行条件下で高速性、安定性および耐久
性が要求される乗用車からトラック、バスに至るあらゆ
る車種のタイヤトレッド用として極めて有用となる。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒素吸着比表面積(N2SA)が60〜160m2/g
    、DBP吸油量(DBP) が90〜150ml/100gのハード系領
    域に属し、かつ下記の選択的特性を備えるファーネスカ
    ーボンブラックをゴム成分 100重量部に対し35〜100 重
    量部の割合で配合してなることを特徴とするゴム組成
    物。 Dp モード径 ≧ 75.2 ×(DBP/N2SA) +8.0 但し、Dp モード径は示差走査熱量計(DSC) により測定
    されるカーボンブラック粒間のポア径分布における最大
    頻度のモード径を指す。
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