JP7159566B2

JP7159566B2 - タイヤ用ゴム組成物

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Publication number: JP7159566B2
Application number: JP2018023298A
Authority: JP
Inventors: 亮佑高木
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2038-02-13
Also published as: JP2019137281A

Description

本発明は、低転がり抵抗性および高荷重下での耐摩耗性を両立するようにしたタイヤ用ゴム組成物に関する。

環境保全意識の高まりから、空気入りタイヤの転がり抵抗を小さくし車両の燃費性能を向上させること、および耐摩耗性を改良しタイヤ寿命長くすることが求められている。特に、軽トラック、軽バンを含む商用車用の空気入りタイヤは、乗用車用タイヤに比べ、タイヤに負荷される荷重が大きく、そのような高荷重域において耐摩耗性と低転がり抵抗性を両立する必要がある。一般に、低転がり抵抗性を改良するためタイヤ用ゴム組成物にシリカを配合することが行われるが、シリカはカーボンブラックに比べ、ベースゴムに対する補強効果が小さく、耐摩耗性、特に高荷重下の耐摩耗性を十分に改良することができなかった。

特許文献１は、特定の油展ブタジエンゴムと、特定のスチレンブタジエンゴムと、シリカと、カーボンブラックとを所定量含有するゴム組成物を用いて作製したトレッドを有する空気入りタイヤが、低燃費性、耐摩耗性に優れることを記載する。しかし、特許文献１に記載された発明では、乗用車用タイヤの低燃費性、耐摩耗性を改良したとしても、商用車用の空気入りタイヤに要求される高荷重下での耐摩耗性を改良するのは困難であった。

国際公開第２０１５／０４０９９１号

本発明の目的は、低転がり抵抗性および高荷重下での耐摩耗性を両立するようにしたタイヤ用ゴム組成物を提供することにある。

上記目的を達成する本発明のタイヤ用ゴム組成物は、ガラス転移温度が－３０℃～－２０℃であり末端変性基を有する溶液重合スチレンブタジエンゴムを３０～７０質量％、ブタジエンゴムを１０～３０質量％、天然ゴムを１０～４０質量％、からなるジエン系ゴム１００質量部に対し、シリカを含む充填剤を５０～９０質量部配合したゴム組成物であって、前記末端変性基が、ヒドロキシ基、アルコキシシリル基、アミノシリル基、エポキシ基、アミノ基から選ばれると共に、前記ゴム組成物の－４０℃における動的貯蔵弾性率Ｅ′（単位ＭＰａ）およびＪＩＳＫ６２５５に準拠し測定された４０℃における反発弾性率Ｒｂ（単位％）の比（Ｅ′／Ｒｂ）が２０以下であることを特徴とする。

本発明のタイヤ用ゴム組成物は、上述した組成を満たすとともに、－４０℃における動的貯蔵弾性率Ｅ′と４０℃における反発弾性率Ｒｂの比（Ｅ′／Ｒｂ）を２０以下にしたので、低転がり抵抗性および高荷重下での耐摩耗性のバランスを従来よりも高いレベルで両立することができる。

前記ジエン系ゴム１００質量部に対し、前記充填剤を５０～８０質量部配合し、前記充填剤中、シリカの比率が８０質量％以上であるとよい。前記ジエン系ゴムが、前記溶液重合スチレンブタジエンゴムを３０～５０質量％、前記ブタジエンゴムを１０～３０質量％、前記天然ゴムを２３～４０質量％からなるとよい。

上述したタイヤ用ゴム組成物をタイヤトレッド部に有する空気入りタイヤは、低転がり抵抗性および高荷重下での耐摩耗性のバランスを従来よりも高いレベルで両立することができ、軽トラック、軽バンを含む商用車用の空気入りタイヤに好適である。

タイヤ用ゴム組成物は、ガラス転移温度が－３０℃～－２０℃であり末端変性基を有する溶液重合スチレンブタジエンゴムを３０～７０質量％、ブタジエンゴムを１０～３０質量％、天然ゴムを１０～４０質量％、からなるジエン系ゴム１００質量部に対し、シリカを含む充填剤を配合してなる。

末端変性基を有する溶液重合スチレンブタジエンゴムは、高分子鎖の片末端または両末端に、シリカと反応性がある末端変性基を有する溶液重合スチレンブタジエンゴム（以下、「変性Ｓ－ＳＢＲ」と略記することがある。）である。末端変性基として、例えばヒドロキシ基、ヒドロキシシリル基、アルコシキ基、カルボキシ基、アミノ基等を挙げることができる。変性Ｓ－ＳＢＲは、通常の方法で製造してもよいし、市販品の中から適宜選択して使用してもよい。

変性Ｓ－ＳＢＲは、ガラス転移温度（以下、「Ｔｇ」と略記することがある。）が－３０℃～－２０℃、好ましくは－２７℃～－２３℃である。Ｔｇが－３０℃より低いとウェット性能が著しく低下する。またＴｇが－２０℃より高いと、転がり抵抗が大きくなる。なおＴｇは、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）により２０℃／分の昇温速度条件によりサーモグラムを測定し、転移域の中点の温度とする。また、変性Ｓ－ＳＢＲが油展品であるときは、油展成分（オイル）を含まない状態における変性Ｓ－ＳＢＲのガラス転移温度とする。

変性Ｓ－ＳＢＲは、油展成分を含まないことが好ましく、充填剤が８０質量部以下に限定されても、常温以上の温度でゴム硬度を大きくすることができる。またタイヤ用ゴム組成物が含むオイル成分の合計も少ない方がよく、オイル成分の配合量の合計は、ジエン系ゴム１００質量部に対し、好ましくは０～２５質量部、より好ましくは５～２０質量部であるとよい。

変性Ｓ－ＳＢＲの含有量は、ジエン系ゴム１００質量％中、３０～７０質量％、好ましくは４０～５０質量％である。変性Ｓ－ＳＢＲが３０質量％未満であると、ゴム組成物の引張り破断強度・破断伸びが低下するため、耐摩耗性が低下する。また変性Ｓ－ＳＢＲが７０質量％を超えると、ゴム組成物の－４０℃における動的貯蔵弾性率Ｅ′が大きくなるとともに、耐摩耗性が劣る。

ブタジエンゴムは、タイヤ用ゴム組成物に通常使用されるものを用いることができ、変性されたブタジエンゴムでもよい。変性基としては、上述した変性Ｓ－ＳＢＲの末端変性基を例示することができ、変性基の種類は同じでも相違してもよい。ブタジエンゴムの含有量は、ジエン系ゴム１００質量％中、１０～３０質量％、好ましくは１５～２０質量％である。ブタジエンゴムが１０質量％未満であると、－４０℃における動的貯蔵弾性率Ｅ′が大きく耐摩耗性が劣る。またブタジエンゴムが３０質量％を超えると、ゴム組成物の４０℃における反発弾性率Ｒｂが小さくなるとともに、転がり抵抗が大きくなる。

天然ゴムは、タイヤ用ゴム組成物に通常使用されるものを用いることができ、変性された天然ゴムでもよい。変性基としては、エポキシ基を例示することができる。天然ゴムの含有量は、ジエン系ゴム１００質量％中、１０～４０質量％、好ましくは２３～３８質量％である。天然ゴムが１０質量％未満であると、ゴム組成物の－４０℃における動的貯蔵弾性率Ｅ′が大きくなるとともに、耐摩耗性が劣る。また天然ゴムが４０質量％を超えると、ゴム組成物の４０℃における反発弾性率Ｒｂが小さくなり転がり抵抗を改良することができない。

タイヤ用ゴム組成物は、－４０℃における動的貯蔵弾性率Ｅ′（単位ＭＰａ）および４０℃における反発弾性率Ｒｂ（単位％）の比（Ｅ′／Ｒｂ）が２０以下である。比（Ｅ′／Ｒｂ）が２０以下であると、低転がり抵抗性および高荷重下での耐摩耗性のバランスを従来よりも高いレベルで両立することができる。－４０℃における動的貯蔵弾性率Ｅ′は、ゴム組成物の弾性の指標であり、この値が小さいほどゴム組成物の耐摩耗性が優れる。動的貯蔵弾性率Ｅ′は、ＪＩＳ－Ｋ６３９４に準拠して、粘弾性スペクトロメーターを用い、周波数２０Ｈｚ、初期歪み１０％、動歪±２％、温度－４０℃の条件により動的貯蔵弾性率Ｅ′（単位ＭＰａ）を測定する。４０℃における反発弾性率Ｒｂは、その値が大きいほどゴム組成物の発熱性が小さく、タイヤにしたとき低転がり抵抗性が優れる。反発弾性率Ｒｂは、ＪＩＳ－Ｋ６２５５に準拠して、温度４０℃のときの反発弾性Ｒｂ（単位％）を測定する。

タイヤ用ゴム組成物は、シリカを含む充填剤を配合する。充填剤の配合量は、ジエン系ゴム１００質量部に対し、好ましくは９０質量部以下、より好ましくは８０質量部以下、さらに好ましくは４０～８０質量部、特に好ましくは５０～７０質量部である。充填剤の配合量が８０質量部を超えると、転がり抵抗を十分に小さくすることができない。

充填剤は、シリカを必ず含み、シリカ以外の他の充填剤を含んでもよい。シリカの含有量は、充填剤１００質量％中、好ましくは８０質量％以上、より好ましくは８０～９５質量％、さらに好ましくは８０～９２質量％である。シリカの比率を８０質量％以上にすることにより、転がり抵抗をより小さくすることができる。

シリカのＣＴＡＢ吸着比表面積は、特に限定されるものではないが、好ましくは１２０～２００ｍ^２／ｇ、より好ましくは１７０～１９５ｍ^２／ｇであるとよい。シリカのＣＴＡＢ吸着比表面積が１２０ｍ^２／ｇ未満であると、タイヤ用ゴム組成物の耐摩耗性能を十分に改良することができない虞がある。またシリカのＣＴＡＢ吸着比表面積が２００ｍ^２／ｇを超えると、タイヤ用ゴム組成物の低転がり抵抗性を十分に改良することができない虞がある。本明細書においてシリカのＣＴＡＢ吸着比表面積は、ＪＩＳＫ６２１７－３により測定された値とする。

他の充填剤として、カーボンブラック、クレー、炭酸カルシウム、タルク、マイカ等を例示することができる。好ましくはカーボンブラックがよい。カーボンブラックの窒素吸着比表面積は、特に限定されるものではないが、好ましくは６０～１６０ｍ^２／ｇ、より好ましくは７０～１２０ｍ^２／ｇであるとよい。本明細書においてカーボンブラックの窒素吸着比表面積は、ＪＩＳＫ６２１７－２により測定された値とする。

タイヤ用ゴム組成物は、シリカと共に、硫黄を含むシランカップリング剤を配合するとよい。硫黄を含むシランカップリング剤を配合することにより、ジエン系ゴムに対するシリカの分散性を向上し、耐摩耗性および低転がり抵抗性を改良する作用をより高くすることができる。

硫黄を含むシランカップリング剤の種類は、例えばビス－（３－トリエトキシシリルプロピル）テトラスルフィド、ビス（３－トリエトキシシリルプロピル）ジスルフィド、３－トリメトキシシリルプロピルベンゾチアゾールテトラスルフィド、等を例示することができる。

シランカップリング剤の配合量は、シリカの質量に対し好ましくは３～１５質量％、より好ましくは４～１３質量％であるとよい。シランカップリング剤の配合量がシリカ配合量の３質量％未満であるとシリカの分散を十分に改良することができない虞がある。シランカップリング剤の配合量がシリカ配合量の１５質量％を超えるとシランカップリング剤同士が縮合し、ゴム組成物における所望の硬度や強度を得ることができない虞がある。

タイヤ用ゴム組成物は、上記以外の他の配合剤を添加することができる。他の配合剤としては、加硫又は架橋剤、加硫促進剤、老化防止剤、液状ポリマー、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、粘着性付与剤など、一般的にタイヤ用ゴム組成物に使用される各種配合剤を例示することができる。これら配合剤の配合量は本発明の目的に反しない限り、従来の一般的な配合量にすることができる。また混練機としは、通常のゴム用混練機械、例えば、バンバリーミキサー、ニーダー、ロール等を使用することができる。

以下、実施例によって本発明を更に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

表２に示す配合剤を共通配合とし、表１に示す配合からなる１１種類のタイヤ用ゴム組成物（実施例１～３、標準例、比較例１～７）を、硫黄及び加硫促進剤を除く成分を、１.７Ｌの密閉式バンバリーミキサーで混練りし、所定の時間経過後、ミキサーから放出して室温冷却させた。その後、１.７Ｌの密閉式バンバリーミキサーに戻し、硫黄及び加硫促進剤を加えてで混合することにより、タイヤ用ゴム組成物を調製した。なお表１のＥ-ＳＢＲの欄に、製品の配合量に加え、括弧内に油展成分を除く正味のＥ－ＳＢＲの配合量を記載した。また表２に記載した配合剤の配合量は、表１に記載したジエン系ゴム１００質量部に対する質量部で示した。

得られた１１種類のゴム組成物を所定の金型中で、１６０℃で３０分間プレス加硫してタイヤ用ゴム組成物からなる試験片を作製した。得られた試験片を用いて、－４０℃における動的貯蔵弾性率Ｅ′、６０℃における損失正接ｔａｎδ（転がり抵抗性）、４０℃における反発弾性率Ｒｂ並びに低荷重下および高荷重下の耐摩耗性を下記に示す方法により評価した。

動的貯蔵弾性率Ｅ′および損失正接ｔａｎδ
得られた試験片の動的粘弾性を、東洋精機製作所社製粘弾性スペクトロメーターを用いて、初期歪み１０％、振幅±２％、周波数２０Ｈｚで測定し、－４０℃における動的貯蔵弾性率Ｅ′および温度６０℃における損失正接ｔａｎδを求めた。得られたｔａｎδの値の逆数を算出し、標準の値を１００とする指数にし表１に示した。温度６０℃におけるｔａｎδ（６０℃）の指数が大きいほど発熱性が小さく、空気入りタイヤにしたとき転がり抵抗性が小さく優れることを意味する。

反発弾性率
得られた試験片を使用し、ＪＩＳＫ６２５５に準じて、温度４０℃のときの反発弾性Ｒｂ（単位％）を測定した。

比（Ｅ′／Ｒｂ）
上記で得られた－４０℃における動的貯蔵弾性率Ｅ′および４０℃における反発弾性率Ｒｂから、比（Ｅ′／Ｒｂ）を算出し、表１の「比（Ｅ′／Ｒｂ）」の欄に記載した。

耐摩耗性
得られたゴム試験片を使用し、ＪＩＳＫ６２６４に準拠し、ランボーン摩耗試験機（岩本製作所株式会社製）を使用して、低荷重下１．５３ｋｇ（１５Ｎ）および高荷重下３．０６ｋｇ（３０Ｎ）で、スリップ率２５％の条件にて、低荷重下および高荷重下での摩耗量を測定した。得られた結果それぞれの逆数を算出し、標準例の摩耗量の逆数を１００にする指数として表１の「低荷重下の耐摩耗性」および「高荷重下の耐摩耗性」の欄に記載した。それぞれの耐摩耗性の指数が大きいほど、耐摩耗性が優れていることを意味する。

なお、表１において使用した原材料の種類を下記に示す。
・Ｓ－ＳＢＲ－１：アミン基・アルコキシシラン基を有する溶液重合スチレンブタジエンゴム、ＪＳＲ社製ＨＰＲ８５０、Ｔｇ＝－２５℃、非油展品
・Ｓ－ＳＢＲ－２：Ｎ-メチルピロリドン（ＮＭＰ）変性の溶液重合スチレンブタジエンゴム、日本ゼオン社製ＮＳ１１６Ｒ、Ｔｇ＝－２４℃、非油展品
・ＢＲ：ブタジエンゴム、日本ゼオン社製Ｎｉｐｏｌ１２２０
・ＮＲ：天然ゴム、ＰＴ．ＫＩＲＡＮＡＳＡＰＴＡ社製ＳＩＲ２０
・Ｅ－ＳＢＲ：乳化重合スチレンブタジエンゴム、日本ゼオン社製Ｎｉｐｏｌ９５４８、Ｔｇ＝－３７℃、スチレンブタジエンゴム１００質量部に油展成分３７．５質量部を配合した油展品
・カーボンブラック：キャボットジャパン社製ショウブラック３３９、窒素吸着比表面積が８８ｍ^２/ｇ
・シリカ：Ｅｖｏｎｉｋ社製９１００ＧＲ、ＣＴＡＢ比表面積が１９０ｍ^２/ｇ
・カップリング剤：硫黄含有シランカップリング剤、ビス（３－トリエトキシシリルプロピル）テトラスルフィド、ＥｖｏｎｉｋＤｅｇｕｓｓａ社製Ｓｉ６９
・プロセスオイル：昭和シェル石油社製エキストラクト４号Ｓ

表２において使用した原材料の種類を下記に示す。
・ステアリン酸：日油社製ビーズステアリン酸ＹＲ
・亜鉛華：正同化学工業社製酸化亜鉛３種
・老化防止剤：フレキシス社製サントフレックス６ＰＰＤ
・加硫促進剤１：大内新興化学工業社製ノクセラーＣＺ－Ｇ
・加硫促進剤２：大内新興化学工業社製ノクセラーＤ－Ｇ
・硫黄：鶴見化学工業社製金華印油入微粉硫黄

表１から明らかなように実施例１～３のタイヤ用ゴム組成物は、低転がり抵抗性並びに低荷重下および高荷重下の耐摩耗性が優れることが確認された。

比較例１のゴム組成物は、変性Ｓ－ＳＢＲを含有せず、ＮＭＰ変性のＳ－ＳＢＲ－２を配合し、比（Ｅ′／Ｒｂ）が２０を超えるので、低転がり抵抗性、低荷重下および高荷重下の耐摩耗性が劣る。
比較例２のゴム組成物は、変性Ｓ－ＳＢＲが７０質量％を超え、比（Ｅ′／Ｒｂ）が２０を超えるので、低荷重下および高荷重下の耐摩耗性が劣る。
比較例３のゴム組成物は、変性Ｓ－ＳＢＲが３０質量％未満、ブタジエンゴムが３０質量％を超えるので、転がり抵抗が大きくなる。
比較例４のゴム組成物は、ブタジエンゴムを含有せず、比（Ｅ′／Ｒｂ）が２０を超えるので、低荷重下および高荷重下の耐摩耗性が劣る。
比較例５のゴム組成物は、天然ゴムが４０質量％を超え、反発弾性率Ｒｂが小さくなるので、転がり抵抗が大きくなる。
比較例６のゴム組成物は、天然ゴムを含有せず、比（Ｅ′／Ｒｂ）が２０を超えるので、低荷重下および高荷重下の耐摩耗性が劣る。
比較例７のゴム組成物は、変性Ｓ－ＳＢＲを含有せず、未変性のＥ－ＳＢＲを配合したので、転がり抵抗が大きくなり、高荷重下の耐摩耗性が劣る。

Claims

ガラス転移温度が－３０℃～－２０℃であり末端変性基を有する溶液重合スチレンブタジエンゴムを３０～７０質量％、ブタジエンゴムを１０～３０質量％、天然ゴムを１０～４０質量％、からなるジエン系ゴム１００質量部に対し、シリカを含む充填剤を５０～９０質量部配合したゴム組成物であって、前記末端変性基が、ヒドロキシ基、アルコキシシリル基、アミノシリル基、エポキシ基、アミノ基から選ばれると共に、前記ゴム組成物の－４０℃における動的貯蔵弾性率Ｅ′（単位ＭＰａ）およびＪＩＳＫ６２５５に準拠し測定された４０℃における反発弾性率Ｒｂ（単位％）の比（Ｅ′／Ｒｂ）が２０以下であることを特徴とするタイヤ用ゴム組成物。
前記ジエン系ゴム１００質量部に対し、前記充填剤を５０～８０質量部配合し、前記充填剤中、シリカの比率が８０質量％以上であることを特徴する請求項１に記載のタイヤ用ゴム組成物。
前記ジエン系ゴムが、前記溶液重合スチレンブタジエンゴムを３０～５０質量％、前記ブタジエンゴムを１０～３０質量％、前記天然ゴムを２３～４０質量％からなることを特徴する請求項１または２に記載のタイヤ用ゴム組成物。
請求項１～３のいずれかに記載のタイヤ用ゴム組成物をタイヤトレッド部に有する空気入りタイヤ。