JP4602717B2 - Rubber composition - Google Patents

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本発明はゴム組成物に関し、とりわけ、耐摩耗性を向上させ、さらに車の低燃費化を実現することが可能なタイヤを製造できるタイヤ用ゴム組成物に関する。   The present invention relates to a rubber composition, and more particularly, to a rubber composition for a tire that can produce a tire that can improve wear resistance and further reduce fuel consumption of a vehicle.

近年、タイヤ業界において、耐摩耗性を向上させることだけでなく、車の低燃費化(低燃費性を向上させること)に寄与できるようなタイヤがとくに要求されている。これらの要求を満足させるために、カーボンブラックなどの補強用充填剤をタイヤ用ゴム組成物に配合することがなされてきた。   In recent years, in the tire industry, there is a particular demand for tires that can contribute not only to improving wear resistance, but also to reducing fuel consumption (improving fuel efficiency) of vehicles. In order to satisfy these requirements, reinforcing fillers such as carbon black have been blended into tire rubber compositions.

特許文献1には、特定のカーボンブラックを用いたゴム組成物が開示されているが、充分に低燃費性および耐摩耗性を向上させたものではなく、それらを充分に向上させたゴム組成物は今まで報告されていないのが現状である。   Patent Document 1 discloses a rubber composition using a specific carbon black, but it does not sufficiently improve fuel economy and wear resistance, but sufficiently improves the rubber composition. Has not been reported so far.

特開平11−60799号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-60799

本発明は、耐摩耗性を向上させ、さらに車の低燃費化を実現することが可能なタイヤを製造できるタイヤ用ゴム組成物を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a rubber composition for a tire capable of producing a tire capable of improving wear resistance and further realizing low fuel consumption of a vehicle.

本発明において、車の低燃費性およびタイヤの耐摩耗性は、タイヤを構成するゴム組成物中の配合物同士の何らかの相互作用が起因し、該相互作用を明らかにできれば車の低燃費性およびタイヤの耐摩耗性をより向上させることができると考えて検討した結果、カーボンブラック表面のグラファイト端の水酸基または水素原子との吸着エネルギーが0.04eV以上である化学構造または官能基を分子内に有するゴムを使用すると、車の低燃費性およびタイヤの耐摩耗性が向上することが期待できることがわかり本発明を完成した。   In the present invention, the low fuel consumption of the vehicle and the wear resistance of the tire are caused by some interaction between the compounds in the rubber composition constituting the tire, and if the interaction can be clarified, the low fuel consumption of the vehicle and As a result of considering that the wear resistance of the tire can be further improved, a chemical structure or a functional group having an adsorption energy of 0.04 eV or more with a hydroxyl group or a hydrogen atom at the graphite end of the carbon black surface is contained in the molecule. It has been found that the use of the rubber having it can improve the fuel efficiency of the vehicle and the wear resistance of the tire, and the present invention has been completed.

本発明は、ゴムおよびカーボンブラックからなるゴム組成物であって、該ゴムが、該カーボンブラック表面のグラファイト端の水酸基または水素原子との吸着エネルギーが0.04eV以上である化学構造または官能基を分子内に有するゴムであるゴム組成物に関する。   The present invention relates to a rubber composition comprising rubber and carbon black, wherein the rubber has a chemical structure or a functional group having an adsorption energy with a hydroxyl group or a hydrogen atom at the graphite end of the carbon black surface of 0.04 eV or more. The present invention relates to a rubber composition which is rubber contained in a molecule.

前記吸着エネルギーは0.08eV以上であることが好ましい。   The adsorption energy is preferably 0.08 eV or more.

前記吸着エネルギーは第一原理計算による計算値であることが好ましい。   The adsorption energy is preferably a calculated value by first-principles calculation.

前記カーボンブラックのpH値は8.5以下であることが好ましい。   The pH value of the carbon black is preferably 8.5 or less.

本発明によれば、ゴム分子内の化学構造または官能基と、カーボンブラックの水素原子または水酸基との吸着エネルギーが大きい値を示すゴム組成物をタイヤとして用いることにより、車の低燃費性およびタイヤの耐摩耗性を向上させることができる。   According to the present invention, by using as a tire a rubber composition that exhibits a large adsorption energy between the chemical structure or functional group in the rubber molecule and the hydrogen atom or hydroxyl group of carbon black, the fuel efficiency of the vehicle and the tire The wear resistance of can be improved.

本発明のゴム組成物は、ゴムおよびカーボンブラックからなる。   The rubber composition of the present invention comprises rubber and carbon black.

本発明に使用するゴムは、前記カーボンブラック表面のグラファイト端の水酸基または水素原子との吸着エネルギーが0.04eV以上である化学構造または官能基を分子内に有するゴムである。   The rubber used in the present invention is a rubber having in its molecule a chemical structure or functional group having an adsorption energy of 0.04 eV or more with a hydroxyl group or a hydrogen atom at the graphite end of the carbon black surface.

ゴムがグラファイトと相互作用するのは、ゴム中の特定の化学構造または官能基であるので、ゴムそのものの吸着エネルギーを計算するかわりに、簡便にゴム中の化学構造または官能基をモデルとして用いて計算することができる。また、化学構造または官能基そのものの吸着エネルギーを計算するかわりに、例えば、エポキシ基であればエチレンオキサイド、ビニル基であればエチレン、エチル基であればエタン、アリル基であればプロピレン、フェニル基であればベンゼンというように、基の部分に水素原子を負荷した化合物をモデルとして用いて計算することもできる。   Since rubber interacts with graphite in a specific chemical structure or functional group in the rubber, instead of calculating the adsorption energy of the rubber itself, the chemical structure or functional group in the rubber can be used simply as a model. Can be calculated. In addition, instead of calculating the adsorption energy of the chemical structure or the functional group itself, for example, epoxy group is ethylene oxide, vinyl group is ethylene, ethyl group is ethane, allyl group is propylene, phenyl group Then, it can also be calculated using a compound in which a hydrogen atom is loaded on the group, such as benzene.

さらに、グラファイトについても、グラファイトそのものの吸着エネルギーを計算するかわりに、例えば、ナフタレンを2分子2層に配置したものをモデルとして用いて計算することができる。   Furthermore, for graphite, instead of calculating the adsorption energy of graphite itself, for example, it is possible to calculate using graphite in which naphthalene is arranged in two molecules and two layers as a model.

前記吸着エネルギーは、シミュレーション方法および分析方法などにより算出できるが、操作が簡便であることからシミュレーション方法により算出されることが好ましい。   The adsorption energy can be calculated by a simulation method, an analysis method, or the like, but is preferably calculated by a simulation method because the operation is simple.

前記吸着エネルギーのシミュレーション方法による算出は、たとえば以下のような方法で行うことができる。
(a)前記化学構造または官能基の緩和計算を実施し、最も安定な化学構造を決定する。また、系のエネルギーも計算する。
(b)前記水酸基または水素原子を有するグラファイトの系のエネルギーを計算する。
(c)(a)および(b)で決定された化学構造を用いて、両分子の配置距離を変化させて、たとえば第一原理計算により系全体のエネルギーを計算し、そのエネルギーから化学構造または官能基およびグラファイトのエネルギーを差し引いて、吸着エネルギーを算出する。この吸着エネルギーを分子間距離に対してプロットして、三次元スプラインフィッティングを行い、最小値を本発明における吸着エネルギーとする。
(吸着エネルギー)=(系全体のエネルギー)−
[(グラファイトのエネルギー)+(化学構造または官能基のエネルギー)]
The calculation of the adsorption energy by the simulation method can be performed, for example, by the following method.
(A) The chemical structure or functional group relaxation calculation is performed to determine the most stable chemical structure. The system energy is also calculated.
(B) The energy of the graphite system having the hydroxyl group or hydrogen atom is calculated.
(C) Using the chemical structure determined in (a) and (b), the arrangement distance of both molecules is changed, for example, the energy of the entire system is calculated by first-principles calculation, and the chemical structure or The adsorption energy is calculated by subtracting the energy of the functional group and graphite. This adsorption energy is plotted against the intermolecular distance, three-dimensional spline fitting is performed, and the minimum value is taken as the adsorption energy in the present invention.
(Adsorption energy) = (Energy of the entire system)-
[(Graphite energy) + (chemical structure or functional group energy)]

ここで、(a)および(b)における系のエネルギーの算出法としては、非経験的分子軌道計算(ab initio)、半経験的分子軌道計算などがあげられるが、最も精度が高いという理由から、非経験的分子軌道計算が好ましい。   Here, as the calculation method of the energy of the system in (a) and (b), there are non-empirical molecular orbital calculation (ab initio), semi-empirical molecular orbital calculation, etc., for the reason of the highest accuracy. Non-empirical molecular orbital calculations are preferred.

前記吸着エネルギーは0.04eV以上、好ましくは0.08eV以上、より好ましくは0.12eV以上である。吸着エネルギーが0.04eV未満では、吸着エネルギーが小さいため、ゴムとカーボンブラックとの物理的相互作用が小さく、カーボンブラックがゴムに充分吸着されないことから、充分な車の低燃費性およびタイヤの耐摩耗性を達成することができない。また、吸着エネルギーは1.0eV以下であることが好ましく、0.5eV以下であることがより好ましい。吸着エネルギーが1.0eVをこえると、化学的な結合が生成し、摩擦性能が悪化する傾向がある。   The adsorption energy is 0.04 eV or more, preferably 0.08 eV or more, more preferably 0.12 eV or more. If the adsorption energy is less than 0.04 eV, since the adsorption energy is small, the physical interaction between the rubber and the carbon black is small, and the carbon black is not sufficiently adsorbed by the rubber. Abrasion cannot be achieved. Further, the adsorption energy is preferably 1.0 eV or less, and more preferably 0.5 eV or less. When the adsorption energy exceeds 1.0 eV, a chemical bond is generated and the friction performance tends to deteriorate.

前記吸着エネルギーが0.04eV以上を満たす化学構造としては、具体的に電気陰性度の大きな元素(たとえば、F、O、N)を含む構造などがあげられる。また、前記水酸基または水素原子との吸着エネルギー0.04eV以上を満たす官能基としては、エポキシ基、酸無水物基、酸ハロゲン化物基、イソシアネート基、オキサゾリン基、アミノ基、ピリジル基、アルキル金属塩があげられる。   The chemical structure satisfying the adsorption energy of 0.04 eV or more specifically includes a structure containing an element having a large electronegativity (for example, F, O, N). The functional group satisfying an adsorption energy of 0.04 eV or more with the hydroxyl group or hydrogen atom includes an epoxy group, an acid anhydride group, an acid halide group, an isocyanate group, an oxazoline group, an amino group, a pyridyl group, and an alkyl metal salt. Can be given.

前記官能基を分子内に有するゴムとしては、エポキシ化天然ゴムなどがあげられる。エポキシ化天然ゴムとカーボンブラックを配合したタイヤ用ゴム組成物は、イソプレンゴムとカーボンブラックを配合したタイヤ用ゴム組成物より耐摩耗性に優れていることから、吸着エネルギーの大きさがタイヤ用ゴム組成物の性能に起因していることがわかる。   Examples of the rubber having the functional group in the molecule include epoxidized natural rubber. The tire rubber composition containing epoxidized natural rubber and carbon black has better wear resistance than the tire rubber composition containing isoprene rubber and carbon black. It turns out that it originates in the performance of a composition.

本発明で使用するカーボンブラックのpH値は8.5以下であることが好ましく、8.0以下であることがより好ましい。pH値が8.5以上では、カーボンブラック表面のグラファイト端の水酸基が減少するため、充分な吸着エネルギーが得られず、カーボンブラックがゴムに充分吸着されないことから、車の低燃費性およびタイヤの耐摩耗性に劣る傾向がある。また、pH値は2.0以上であることが好ましく、2.5以上であることがより好ましい。pH値が2.0以下になるとカーボンブラック同士の凝集が著しくなる傾向があり、それにともない耐摩耗性が悪化する傾向がある。なお、カーボンブラックのpH値は、蒸留水に一定量のカーボンブラックを含むスラリー状液体の電気伝導度を測定することにより得られる。   The pH value of the carbon black used in the present invention is preferably 8.5 or less, and more preferably 8.0 or less. When the pH value is 8.5 or more, the hydroxyl group at the graphite end of the carbon black surface decreases, so that sufficient adsorption energy cannot be obtained, and carbon black is not sufficiently adsorbed to the rubber. There is a tendency to be inferior in wear resistance. Moreover, it is preferable that pH value is 2.0 or more, and it is more preferable that it is 2.5 or more. When the pH value is 2.0 or less, the carbon black tends to be agglomerated and the wear resistance tends to deteriorate accordingly. The pH value of carbon black can be obtained by measuring the electrical conductivity of a slurry liquid containing a certain amount of carbon black in distilled water.

カーボンブラックは、カーボンブラック表面のグラファイト端に水酸基または水素原子を有する。このようなカーボンブラックとしては、具体的にファーネスブラックなどのカーボンや、酸性のカラー用ブラックなどがあげられる。   Carbon black has a hydroxyl group or a hydrogen atom at the graphite end of the carbon black surface. Specific examples of such carbon black include carbon such as furnace black and acidic color black.

本発明のゴム組成物は、ゴムおよびカーボンブラック以外に、シリカなどの補強用充填剤、オイルなどの軟化剤、硫黄などの加硫剤、加硫促進剤などの薬品を配合することができる。   In addition to rubber and carbon black, the rubber composition of the present invention may contain chemicals such as reinforcing fillers such as silica, softeners such as oil, vulcanizing agents such as sulfur, and vulcanization accelerators.

本発明のゴム組成物は、通常の方法により作製される。すなわち、前記薬品をバンバリーミキサーまたはオープンロールにより混練し、得られた混練物を加硫することによりゴム組成物を作製する。   The rubber composition of the present invention is produced by a usual method. That is, a rubber composition is produced by kneading the above chemicals with a Banbury mixer or an open roll and vulcanizing the obtained kneaded product.

本発明のゴム組成物はタイヤに用いることができる。とくに、優れた車の低燃費性およびタイヤの耐摩耗性を発揮することができることから、タイヤ部材のなかでもトレッドとして用いることが好ましい。   The rubber composition of the present invention can be used for tires. In particular, the tire is preferably used as a tread among tire members because it can exhibit excellent vehicle fuel efficiency and tire wear resistance.

実施例にもとづいて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。   The present invention will be described in detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1〜2および比較例1〜8
<化学構造または官能基のモデル(パーツ)の作成、およびそれらのエネルギーの算出>
非経験的分子軌道計算プログラムGAMESS(General Atomic and Molecular Structure System)を用いて、官能基であるエチレンオキサイド、およびエチレン、エタン、プロピレンおよびベンゼンの化学構造の最適化を行なうことで、それぞれの安定な分子構造を決定した。なお、以降の計算は、最適化した安定な分子構造を用いて行なった。また、各パーツのエネルギーについても第一原理電子状態プログラム(ABINIT v4.1)を用いて算出した。
Examples 1-2 and Comparative Examples 1-8
<Creation of chemical structure or functional group models (parts) and calculation of their energy>
Using the non-empirical molecular orbital calculation program GAMESS (General Atomic and Molecular Structure System), the chemical structures of the functional groups ethylene oxide and ethylene, ethane, propylene, and benzene are optimized. The molecular structure was determined. The subsequent calculations were performed using an optimized stable molecular structure. The energy of each part was also calculated using the first principle electronic state program (ABINIT v4.1).

<グラファイト構造の作成、およびそれらのエネルギーの算出>
水酸基を有する2層構造のグラファイト(グラファイト1)および水素原子を有する2層構造のグラファイト(グラファイト2)の構造はグラファイトの格子定数を2.456Åにし、層間距離を3.348Åに固定した。そして、系エネルギーについても第一原理電子状態プログラム(ABINIT v4.1)を用いて算出した。
<Creation of graphite structure and calculation of their energy>
The two-layered graphite having a hydroxyl group (graphite 1) and the two-layered graphite having a hydrogen atom (graphite 2) have a graphite lattice constant of 2.456 mm and an interlayer distance of 3.348 mm. The system energy was also calculated using the first principle electronic state program (ABINIT v4.1).

<グラファイト壁へのパーツの配置>
結晶モデリングツールであるXtalEditを用いて、グラファイト壁に各パーツを配置した。このとき、平面的なパーツ(C66、CH2CH2)については、パーツ平面が画面上で水平となるように、立体的なパーツ(CH3CH3、CH(CH3)CH2、CH2OCH2)については、各パーツごとに基準となる面を決め、その面が画面上で水平となるように配置した。また、グラファイト1については酸素原子の真上に、グラファイト2については水素原子の真上に、各パーツの重心がくるようにした。
<Placement of parts on the graphite wall>
Each part was placed on the graphite wall using XtalEdit, which is a crystal modeling tool. At this time, for the planar parts (C 6 H 6 , CH 2 CH 2 ), the three-dimensional parts (CH 3 CH 3 , CH (CH 3 ) CH 2 ) so that the parts plane is horizontal on the screen. , CH 2 OCH 2 ), a reference surface is determined for each part, and the surfaces are arranged horizontally on the screen. In addition, the center of gravity of each part was placed on the graphite 1 just above the oxygen atom and on the graphite 2 just above the hydrogen atom.

<グラファイトとパーツとの全エネルギーの算出>
グラファイトとパーツ間との距離を変化させ、第一原理電子状態プログラム(ABINIT v4.1)を用いて「グラファイトとパーツとの系全体のエネルギー」を算出した。ここで、グラファイトとパーツとの距離は、パーツの重心とグラファイトの平面との距離とした。
<Calculation of total energy of graphite and parts>
The distance between the graphite and the part was changed, and the "energy of the entire system of graphite and part" was calculated using the first principle electronic state program (ABINIT v4.1). Here, the distance between the graphite and the part was the distance between the center of gravity of the part and the plane of the graphite.

<吸着エネルギーの算出>
以下の式により、吸着エネルギーを算出した。
(吸着エネルギー)=(グラファイトとパーツとの系全体のエネルギー)−
[(グラファイトのエネルギー)+(パーツのエネルギー)]
グラファイトとパーツ間との距離を変化させて得られた吸着エネルギーの結果について、三次元スプラインフィッティングを行ない、吸着エネルギーが最小(絶対値が最大)となる点を求めた。
<Calculation of adsorption energy>
The adsorption energy was calculated from the following equation.
(Adsorption energy) = (Energy of the entire system of graphite and parts)-
[(Graphite energy) + (part energy)]
The adsorption energy results obtained by changing the distance between the graphite and the part were subjected to three-dimensional spline fitting to determine the point at which the adsorption energy was minimized (absolute value was maximized).

<計算結果>
得られた吸着エネルギーを表1に示す。
<Calculation result>
The obtained adsorption energy is shown in Table 1.

Figure 0004602717
Figure 0004602717

表1の実施例1および2に示すように、パーツがエチレンオキサイドの場合、グラファイトの水酸基または水素原子との吸着エネルギーが大きな値を示すことがわかる。エポキシ基を分子内に含むゴムはカーボンブラックとの相互作用が強いため、得られたゴム組成物をタイヤに用いたとき、優れた低燃費性および耐摩耗性を発現することが期待できる。   As shown in Examples 1 and 2 of Table 1, when the part is ethylene oxide, it can be seen that the adsorption energy of graphite with hydroxyl groups or hydrogen atoms shows a large value. Since rubber containing an epoxy group in the molecule has a strong interaction with carbon black, when the obtained rubber composition is used for a tire, it can be expected to exhibit excellent fuel efficiency and wear resistance.

Claims (3)

ゴムおよびカーボンブラックからなるゴム組成物であって、
該ゴムが、該カーボンブラック表面のグラファイト端の水酸基または水素原子との吸着エネルギーが0.04eV以上である化学構造または官能基を分子内に有するゴムであるタイヤ用ゴム組成物であり、
吸着エネルギーが、
(a)前記ゴム中の化学構造または官能基の緩和計算を実施し、最も安定な化学構造を決定し、また、系のエネルギーも計算し、
(b)前記カーボンブラック表面のグラファイト端の水酸基または水素原子を有するグラファイトの系のエネルギーを計算し、
(c)(a)および(b)で決定された化学構造を用いて、両分子の配置距離を変化させて、第一原理計算により系全体のエネルギーを計算し、そのエネルギーから化学構造または官能基およびグラファイトのエネルギーを差し引いて、吸着エネルギーを算出し、該吸着エネルギーを分子間距離に対してプロットして、三次元スプラインフィッティングを行った最小値であり、
(a)および(b)における系のエネルギーの算出法が、非経験的分子軌道計算であり、
前記カーボンブラックのpH値が8.5以下であるタイヤトレッド用ゴム組成物。
A rubber composition comprising rubber and carbon black,
The rubber composition for tires, wherein the rubber is a rubber having a chemical structure or a functional group in the molecule that has an adsorption energy with a hydroxyl group or hydrogen atom at the graphite end of the carbon black surface of 0.04 eV or more,
Adsorption energy is
(A) performing a relaxation calculation of the chemical structure or functional group in the rubber to determine the most stable chemical structure, and also calculating the energy of the system;
(B) calculating the energy of the graphite system having hydroxyl groups or hydrogen atoms at the graphite end of the carbon black surface;
(C) Using the chemical structure determined in (a) and (b), the arrangement distance of both molecules is changed, and the energy of the entire system is calculated by first-principles calculation. Subtraction of the energy of the group and graphite, the adsorption energy is calculated, the adsorption energy is plotted against the intermolecular distance, and the minimum value obtained by performing the three-dimensional spline fitting,
The method of calculating the energy of the system in (a) and (b) is ab initio molecular orbital calculation,
A rubber composition for a tire tread , wherein the carbon black has a pH value of 8.5 or less.
吸着エネルギーが0.08eV以上である請求項1記載のタイヤトレッド用ゴム組成物。 The rubber composition for a tire tread according to claim 1, wherein the adsorption energy is 0.08 eV or more. 吸着エネルギーが0.12〜0.5eVである請求項1記載のタイヤトレッド用ゴム組成物。 The rubber composition for a tire tread according to claim 1, wherein the adsorption energy is 0.12 to 0.5 eV.
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