JP6964664B2 - タイヤ用補強部材およびそれを用いたタイヤ - Google Patents

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Description

本発明は、タイヤ用補強部材（以下、単に「補強部材」とも称する）およびそれを用いたタイヤに関し、詳しくは、長尺の繊維材料を高分子材料により被覆してなる層状部材の積層からなるタイヤ用補強部材、および、それを用いたタイヤに関する。
従来より、タイヤの補強部材に関しては、種々検討がなされてきている。例えば、乗用車用タイヤの補強部材であるベルトの構造としては、タイヤの骨格部材となるカーカスのクラウン部タイヤ半径方向外側に、補強コードのコード方向が互いに交錯する２層以上のベルト交錯層を配設した構造が一般的である。これ以外にも、ベルトの構造として、上下２層のベルト層を補強コードを互いに交差するように配置するとともに、補強コードをベルト層端部で折り返して、一方から他方のベルト層に延在する螺旋巻き構造とする形態も知られている。
例えば、特許文献１には、マルチ複合体のバンドの形状を有する、機械的特性が改良された平面状強化材に係る技術が開示されており、熱硬化性樹脂中に繊維材料が埋め込まれた構成の補強材をタイヤのベルトとして用いることが開示されている。
国際公開第２０１５／１６５７７７号パンフレット
しかしながら、近年、タイヤに対する性能向上の要求が高まってきており、補強部材の観点からも、操縦安定性や乗り心地性などのタイヤ諸性能をさらに向上するための技術の確立が望まれている。
そこで本発明の目的は、操縦安定性や乗り心地性などのタイヤ諸性能をさらに向上することのできるタイヤ用補強部材、および、それを用いたタイヤを提供することにある。
本発明者は鋭意検討した結果、長尺の繊維材料を高分子材料により被覆してなる層状部材を積層したタイヤ用補強部材であって、層状部材の厚みおよび補強部材全体の厚みを特定したタイヤ用補強部材とすることで、上記課題を解決できることを見出して、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明のタイヤ用補強部材は、長尺の繊維材料を高分子材料により被覆してなる層状部材が２層以上にて積層されてなるタイヤ用補強部材であって、
前記層状部材の厚みが０．０１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であり、かつ、補強部材全体の厚みが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることを特徴とするものである。
本発明において、前記繊維材料としては、好適には炭素繊維を用いることができ、前記高分子材料としては、好適には熱可塑性樹脂または熱可塑性エラストマーを用いることができる。また、本発明においては、前記繊維材料が、前記高分子材料中に均質に存在していることが好ましい。
さらに、本発明の補強部材は、タイヤ周方向に対する引張比強度が３００ＭＰａ以上であって、かつ、タイヤ周方向に対する比弾性率が５ＧＰａ以上であることが好ましい。さらにまた、本発明の補強部材においては、前記繊維材料の引張比強度が５００ＭＰａ以上であって、かつ、比弾性率が５ＧＰａ以上であることが好ましく、前記高分子材料の比弾性率が１ＭＰａ以上であることも好ましい。さらにまた、本発明において、前記層状部材の単位体積あたりに含まれる前記繊維材料の体積分率は、好適には３０〜８０体積％である。
さらにまた、本発明において、前記繊維材料の延在方向は、前記層状部材の長手方向に対して−１０〜＋１０°をなす範囲であることが好ましい。さらにまた、本発明においては、前記繊維材料が、前記層状部材の長手方向に対して＋２０〜＋９０°をなす方向に延在する成分Ａと、該層状部材の長手方向に対して−２０〜−９０°をなす方向に延在する成分Ｂとを有し、該成分Ａの傾斜方向と該成分Ｂの傾斜方向とが、該層状部材の長手方向に対し線対称をなすことが好ましい。この場合、特には、前記成分Ａと前記成分Ｂとが、それぞれ異なる前記層状部材に含まれることが好ましく、前記成分Ａと前記成分Ｂとが、同一の前記層状部材に含まれることも好ましい。
本発明のタイヤは、上記タイヤ用補強部材が、クラウン部に配置されていることを特徴とするものである。
本発明によれば、操縦安定性や乗り心地性などのタイヤ諸性能をさらに向上することのできるタイヤ用補強部材、および、それを用いたタイヤを実現することが可能となった。
本発明のタイヤ用補強部材の一例を示す幅方向断面図である。 本発明のタイヤの一例を示す幅方向断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１に、本発明のタイヤ用補強部材の一例を示す幅方向断面図を示す。図示する本発明のタイヤ用補強部材１０は、長尺の繊維材料１を高分子材料２により被覆してなる層状部材３が２層以上、例えば２〜１０層、好ましくは３〜５層、図示例では３層にて積層されてなり、フィルム状またはシート状を呈する。
本発明においては、層状部材３の厚みが０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であり、かつ、補強部材１０全体の厚みが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である点が重要である。これにより、補強部材１０自体を軽量化しながら、操縦安定性や乗り心地性などのタイヤ諸性能をさらに向上できる補強部材とすることができる。また、補強部材１０自体を軽量化することができ、タイヤの軽量化にも寄与することができるものとなる。さらに、本発明の補強部材１０を従来のベルトに代えて用いることで、従来よりも転がり抵抗を低下させることができ、燃費性能も向上することができる。
層状部材３の厚みとしては、０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下とすることが必要であって、好適には０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。層状部材３の厚みが、小さすぎると積層の際の成型工程での工数が増加し、大きすぎると面外曲げ剛性が大きく乗り心地が悪化する。
また、本発明の補強部材１０全体の厚みは、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることが必要であり、好適には１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。補強部材１０を厚くすることで、操縦安定性は向上する傾向となるが、面外曲げ剛性が高くなるとともに、軽量化の要請に反するものとなるので、２．０ｍｍ以下とする必要がある。また、補強部材１０の厚みが薄すぎると、必要な剛性が得られない。
本発明において、繊維材料１は、具体的には例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維やピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維等の炭素繊維（カーボンファイバー，ＣＦ）、ガラス繊維（グラスファイバー）、スチールなどの金属繊維、アラミド繊維（芳香族ポリアミド繊維）、ポリケトン（ＰＫ）繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維、ポリアリレート繊維、ナイロン繊維（脂肪族ポリアミド繊維）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）繊維などのポリエステル繊維等の有機繊維、玄武岩繊維や安山岩繊維等の岩石繊維（ロックウール）などを用いることができ、中でも、炭素繊維を好適に用いることができる。また、上記のうちのいずれか２種以上からなる複合繊維を用いてもよい。
また、繊維材料１の層状部材３内における太さとしては、好適には０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍ、より好適には０．１ｍｍ〜０．３ｍｍとすることができる。
本発明において、高分子材料２は、具体的には例えば、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂およびゴム材料などを用いることができ、中でも、熱可塑性樹脂および熱可塑性エラストマーを好適に用いることができる。
このうち熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド６６（ＰＡ６６）等のポリアミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のポリエーテル樹脂、ウレタン樹脂、オレフィン樹脂、塩化ビニル樹脂、ＰＥＴ等のポリエステル樹脂などを用いることができる。
また、熱可塑性エラストマーとしては、例えば、ＪＩＳ Ｋ６４１８に規定されるアミド系熱可塑性エラストマー（ＴＰＡ）、エステル系熱可塑性エラストマー（ＴＰＣ）、オレフィン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＯ）、スチレン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＳ）、ウレタン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＵ）、熱可塑性ゴム架橋体（ＴＰＶ）、若しくはその他の熱可塑性エラストマー（ＴＰＺ）等などを用いることができる。
さらに、熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などを用いることができる。
なお、本発明の補強部材１０は、繊維材料１を高分子材料２により被覆してなる層状部材３よりなることから、タイヤ内に配置する際には、周囲のゴム部材との間の接着を確保する必要がある。この点、ゴムとの接着性を確保するための接着剤を用いることが考えられるほか、高分子材料２として、ゴム成分との接着性を有する材料を用いることも好ましい。
本発明の補強部材１０は、タイヤ周方向に対する引張比強度が、好適には３００ＭＰａ以上、より好適には８００ＭＰａ以上、さらに好適には１１００ＭＰａ以上であって、高いほど好ましい。特には、引張比強度は、２５００ＭＰａ以下とすることができる。また、本発明の補強部材１０は、タイヤ周方向に対する比弾性率が、好適には５ＧＰａ以上、より好適には３５ＧＰａ以上、さらに好適には４５ＧＰａ以上であって、高いほど好ましい。特には、比弾性率は、２００ＧＰａ以下とすることができる。引張比強度が小さいと、強度および剛性確保のためには厚みが大きくなり、重量が悪化するため好ましくない。
また、本発明においては、繊維材料１の引張比強度が、好適には５００ＭＰａ以上、より好適には７００ＭＰａ以上、さらに好適には２０００ＭＰａ以上であって、高いほど好ましい。また、繊維材料１の比弾性率が、好適には５ＧＰａ以上、より好適には８ＧＰａ以上、さらに好適には９５ＧＰａ以上であって、高いほど好ましい。繊維材料１の引張比強度が５００ＭＰａ未満、比弾性率が５ＧＰａ未満では、剛性確保のために繊維量を増やす必要があり、重量悪化を招くため好ましくない。
さらに、本発明においては、高分子材料２の比弾性率が、好適には１ＭＰａ以上、より好適には１００ＭＰａ以上であって、高いほど好ましい。高分子材料２の比弾性率が小さいと、強度および剛性確保のためには厚みが大きくなり、重量が悪化するため好ましくない。
ここで、本発明において、補強部材１０、繊維材料１および高分子材料２の引張比強度および比弾性率は、それぞれＪＩＳ Ｌ１０１７およびＪＩＳ Ｋ７１１３に準拠して、温度２５℃、湿度５５％ＲＨの条件下で測定した値を用いることができる。
本発明においては、繊維材料１が、高分子材料２中に均質に存在していることが好ましい。具体的には例えば、繊維材料１を等間隔または間隔をあけずに並列に引き揃えて、高分子材料２中に埋設することで、層状部材３の面内において繊維材料１の配列方向の一方向に均質に存在させるか、繊維材料１を用いて織物を作製して、この織物を高分子材料２中に埋設することで、層状部材３の面内において繊維材料１の配列方向となる２以上の方向に均質に存在させることができる。
本発明においては、層状部材３の単位体積あたりに含まれる繊維材料１の体積分率が、３０〜８０体積％、特には、４０〜６０体積％であることが好ましい。層状部材３の単位体積あたりに含まれる繊維材料１の体積分率を、３０〜８０体積％の範囲とすることで、繊維と樹脂の割合が材料として均質化されるため、好ましい。
本発明の補強部材において、繊維材料１の延在方向は、特に限定されないが、好適には、層状部材３の長手方向に対して−１０〜＋１０°をなす範囲とする。これにより、周方向の強度と剛性とを確保できる観点から、好ましい。
また、本発明の補強部材１０において、繊維材料１は、層状部材３の長手方向に対して＋２０〜＋９０°、特には、＋４０〜＋８０°をなす方向に延在する成分Ａと、層状部材３の長手方向に対して−２０〜−９０°、特には、−４０〜−８０°をなす方向に延在する成分Ｂとを有し、成分Ａの傾斜方向と成分Ｂの傾斜方向とが層状部材３の長手方向に対し線対称をなすものであってもよい。これにより、周方向の強度とせん断剛性とが両立できるため、好ましい。
この場合、成分Ａと成分Ｂとは、それぞれ異なる層状部材３に含まれるものとすることができ、また、同一の層状部材３に含まれるものとすることもできる。
図２に、本発明のタイヤの一例の乗用車用タイヤを示す幅方向断面図を示す。図示するタイヤ２０は、接地部を形成するトレッド部１１と、このトレッド部１１の両側部に連続してタイヤ半径方向内方へ延びる一対のサイドウォール部１２と、各サイドウォール部１２の内周側に連続するビード部１３と、を備えている。トレッド部１１、サイドウォール部１２およびビード部１３は、一方のビード部１３から他方のビード部１３にわたってトロイド状に延びる少なくとも１枚、例えば１〜２枚、図示例では１枚のカーカスプライからなるカーカス１４により補強されている。また、図示するタイヤ２０においては、一対のビード部１３にはそれぞれビードコア１５が埋設され、カーカス１４は、このビードコア１５の周りにタイヤ内側から外側に折り返して係止されている。さらに、ビードコア１５のタイヤ半径方向外側には、ビードフィラー１６が配置されている。
本発明のタイヤ２０は、本発明の補強部材１０が、クラウン部に配置されている点に特徴を有する。図示する例では、カーカス１４のクラウン部タイヤ半径方向外側に、通常のベルト交錯層に代えて、本発明の補強部材１０が配置されている。これにより、前述したように、操縦安定性や乗り心地性などのタイヤ諸性能をより向上することが可能となる。
本発明のタイヤにおいては、必要に応じ、補強部材１０のタイヤ半径方向外側に、補強部材１０のタイヤ幅方向全体を覆うキャップ層１７や、補強部材１０のタイヤ幅方向端部を覆うレイヤー層１８を、それぞれ１枚以上で配置することができる。さらに、図示はしないが、タイヤの最内面には、通常、インナーライナーが配設されている。
本発明の補強部材１０は、特に制限されるものではないが、例えば、繊維材料１を高分子材料２により被覆してなる層状部材３を、タイヤ周方向に２周以上で巻回することにより、形成することができる。
１ 繊維材料
２ 高分子材料
３ 層状部材
１０ タイヤ用補強部材
１１ トレッド部
１２ サイドウォール部
１３ ビード部
１４ カーカス
１５ ビードコア
１６ ビードフィラー
１７ キャップ層
１８ レイヤー層
２０ 乗用車用タイヤ

Claims (13)

  1. 長尺の繊維材料を高分子材料により被覆してなる層状部材が２層以上にて積層されてなるタイヤ用補強部材であって、
    前記層状部材の厚みが０．０１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であり、かつ、補強部材全体の厚みが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることを特徴とするタイヤ用補強部材。
  2. 前記繊維材料が、炭素繊維である請求項１記載のタイヤ用補強部材。
  3. 前記高分子材料が、熱可塑性樹脂または熱可塑性エラストマーである請求項１または２記載のタイヤ用補強部材。
  4. 前記繊維材料が、前記高分子材料中に均質に存在している請求項１〜３のうちいずれか一項記載のタイヤ用補強部材。
  5. タイヤ周方向に対する引張比強度が３００ＭＰａ以上であって、かつ、タイヤ周方向に対する比弾性率が５ＧＰａ以上である請求項１〜４のうちいずれか一項記載のタイヤ用補強部材。
  6. 前記繊維材料の引張比強度が５００ＭＰａ以上であって、かつ、比弾性率が５ＧＰａ以上である請求項１〜５のうちいずれか一項記載のタイヤ用補強部材。
  7. 前記高分子材料の比弾性率が１ＭＰａ以上である請求項１〜６のうちいずれか一項記載のタイヤ用補強部材。
  8. 前記層状部材の単位体積あたりに含まれる前記繊維材料の体積分率が３０〜８０体積％である請求項１〜７のうちいずれか一項記載のタイヤ用補強部材。
  9. 前記繊維材料の延在方向が、前記層状部材の長手方向に対して−１０〜＋１０°をなす範囲である請求項１〜８のうちいずれか一項記載のタイヤ用補強部材。
  10. 前記繊維材料が、前記層状部材の長手方向に対して＋２０〜＋９０°をなす方向に延在する成分Ａと、該層状部材の長手方向に対して−２０〜−９０°をなす方向に延在する成分Ｂとを有し、該成分Ａの傾斜方向と該成分Ｂの傾斜方向とが、該層状部材の長手方向に対し線対称をなす請求項１〜８のうちいずれか一項記載のタイヤ用補強部材。
  11. 前記成分Ａと前記成分Ｂとが、それぞれ異なる前記層状部材に含まれる請求項１０記載のタイヤ用補強部材。
  12. 前記成分Ａと前記成分Ｂとが、同一の前記層状部材に含まれる請求項１０記載のタイヤ用補強部材。
  13. 請求項１〜１２のうちいずれか一項記載のタイヤ用補強部材が、クラウン部に配置されていることを特徴とするタイヤ。
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