輪胎用橡膠組合物及含有該橡膠組合物的充氣輪胎的製作方法
2023-06-02 16:44:06 3
專利名稱：輪胎用橡膠組合物及含有該橡膠組合物的充氣輪胎的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種輪胎用橡膠組合物，並且特別涉及一種冰上摩擦性能出色的輪胎用橡膠組合物，以及含有該橡膠組合物的充氣輪胎。
背景技術：
雖然對於積雪和結冰路面行駛可以使用釘面輪胎並且安裝鏈條，但會造成環境問題例如形成灰塵；因此，開發了無釘防滑輪胎作為用於在積雪和結冰路面行駛的輪胎以代替這些釘面輪胎。
由於積雪和結冰路面與普通路面相比，摩擦係數顯著降低並且較滑，所以對無釘防滑輪胎進行了材料方面的發明和設計。例如，開發了加入二烯橡膠並且在較低溫度下性能出色的橡膠組合物。此外，通過改變輪胎表面上的不平坦狀態以增加表面邊緣組分，或通過混入具有刮擦效果的無機填料(JP-A-8-217918)及類似物，以獲得對於積雪和結冰路面上的冰的刮擦效果，因此，對無釘防滑輪胎進行了設計從而提高冰上摩擦性能。
然而，與釘面輪胎相比，即便使用了上述無釘防滑輪胎，積雪和結冰路面上的摩擦性能仍然不足，從而需要進一步的改進。
發明內容
本發明目的在於提供一種改善冰上摩擦性能的輪胎用橡膠組合物，以及含有該橡膠組合物的充氣輪胎。
本發明涉及一種輪胎用橡膠組合物，以所含的二烯橡膠100重量份為基準，還含有0.5～20重量份平均纖維直徑為1～100μm並且平均纖維長度為0.1～5mm的非金屬纖維，以及0.5～30重量份具有至少2個突起並且平均突起長度至少為10μm的填料。
此外，在該輪胎用橡膠組合物中，當將非金屬纖維和填料的含量分別用X和Y表示時，優選滿足公式2X+Y≤30。
此外，本發明的充氣輪胎含有本發明的輪胎用橡膠組合物。
圖1所示為本發明的輪胎用橡膠組合物中非金屬纖維和具有至少2個突起的填料的狀態的示意圖；圖2所示為用於本發明的具有至少2個突起的填料中連接突起邊緣和填料中心(拐點)的線的夾角X的示意圖；以及圖3所示為用於本發明的具有至少2個突起的填料中突起的長度L的示意圖。
具體實施例方式
本發明的輪胎用橡膠組合物含有橡膠組分、非金屬纖維以及具有至少2個突起並且平均突起長度至少為10μm的填料。
本發明的輪胎用橡膠組合物含有二烯橡膠作為橡膠組分。
而二烯橡膠可以使用任何二烯橡膠。二烯橡膠的例子有天然橡膠(NR)、聚異戊二烯橡膠(IR)、多種聚丁二烯橡膠(BR)、多種苯乙烯-丁二烯共聚橡膠(SBR)、丙烯腈-丁二烯共聚橡膠(NBR)、丁基橡膠(IIR)、滷化丁基橡膠以及氯丁橡膠(CR)，並且可以將其單獨或以任意比率混合使用。然而，從低溫性能、加工性能、耐久度及類似物的出色的平衡考慮，優選使用NR和BR作為橡膠組分。
本發明的輪胎用橡膠組合物含有非金屬纖維。通過加入非金屬纖維能夠表現出對於積雪和結冰路面上的冰的微刮擦效果。
由於由壓延輥軋機擠出的橡膠中的非金屬纖維通常都朝向擠出方向，為了有效地表現出纖維與冰面的刮擦效果，通常需要使用一種與擠出方向垂直切割板材的方法，以及使纖維朝向垂直於擠出方向的特定的方法(設備)，其製備過程為通過使擠壓頭為管狀，與擠出方向平行地切割板材，將切割的板材各自旋轉90度並再次層疊，從而會朝向胎面厚度等的方向。然而，如果向橡膠中同時加入非金屬纖維和填料，從而擾亂了纖維朝向橡膠擠出的方向，使得填料和纖維能夠排列為如圖1所示，並且因此能夠充分獲得與冰面的刮擦效果，而不用在製造輪胎的過程中使用特定的方法(設備)。
非金屬纖維不會損壞路面，與橡膠的摩擦速率的差異較小，並且適用於確保輪胎與積雪和結冰路面之間的地面接觸。非金屬纖維中，優選使用非金屬無機纖維。此外，由於在捏合橡膠的過程中會以適當的長度斷裂而縮短，從而易於分散和定向，並且易於獲得具有合適的複合彈性模數的橡膠，優選使用玻璃纖維或碳化纖維。
非金屬纖維的平均纖維直徑至少為1μm，並且優選至少為3μm。當平均纖維直徑小於1μm時，由於纖維的截面積較小，在厚度方向排列的纖維無法充分形成具有高接地壓力的部分。此外，平均纖維直徑至多為100μm，優選至多為50μm，並且進一步優選至多為40μm。當平均纖維直徑大於100μm時，由於衝破在積雪和結冰路面與輪胎之間產生的水膜的作用變差，粘附和粘附摩擦無法充分作用。
非金屬纖維的平均纖維長度至少為0.1mm。當平均纖維長度小於0.1mm時，行駛時纖維易於從橡膠表面脫落，並且衝破水膜的效果變差。此外，平均纖維長度至多為5mm，並且優選至多為3mm。當平均纖維長度大於5mm時，纖維難以分散和定向，並且橡膠的加工性能下降。
以100重量份的二烯橡膠為基準，非金屬纖維的含量至少為0.5重量份，並且優選至少為1重量份。當非金屬纖維的含量小於0.5重量份時，在橡膠表面形成接地壓力的纖維的量變少，並且無法充分獲得衝破水膜以及刮擦冰面的效果。此外，非金屬纖維的含量至多為20重量份，優選為18重量份，並且進一步優選至多為14重量份。當非金屬纖維的含量超過20重量份時，剛度過大，並且橡膠表面無法貼合積雪和結冰路面，因此粘附摩擦下降。
本發明的輪胎用橡膠組合物優選含有具有至少2個突起並且平均突起長度至少為10μm的填料。通過加入具有至少2個突起的填料，至少2個突起顯示出錨定效果，能夠防止由行駛和磨損的刺激造成脫落，並且由橡膠表面產生微突從而表現出衝破在積雪和結冰路面與輪胎之間產生的水膜的效果以及刮擦的效果。此外，在本發明中，當向橡膠組分中加入填料時，在摩擦性能、耐熱性、以及熱傳導性等方面顯示了出色的效果。
上述填料的突起的數量至少為2，並且優選至少為3。不具有突起的填料或只具有一個突起的填料不能表現出錨定效果，並且填料易於由輪胎行駛等的刺激和摩擦造成脫落。
這裡，突起的數量至少為2的定義為如圖2所示的連接突起邊緣和填料中心(拐點)的線的夾角X為小於180度。對於只具有一個突起的填料，夾角X為180度，線性填料例如纖維即是這種填料。
此外，填料的突起的平均長度至少為10μm，優選至少為50μm，進一步優選至少為75μm，並且更進一步優選至少為100μm。當填料的突起的平均長度小於10μm時，無法充分獲得與積雪和結冰路面上冰的刮擦效果。這裡，突起的長度定義為圖3中的L。
填料的例子為氧化鋅須晶(例如，PANA-TETRA(四腳型氧化鋅單晶)，購自Matsushita電氣工業有限公司)以及Okinawa Prefecture製造的星沙(star sands)。其中，優選使用氧化鋅須晶，因為其材料比冰硬並且比瀝青軟。
以100重量份的二烯橡膠為基準，填料的含量優選至少為0.5重量份，進一步優選至少為1重量份，並且更進一步優選至少為5重量份。當填料的含量小於0.5重量份時，無法改善在積雪和結冰路面上的冰上摩擦性能。此外，填料的含量優選至多為30重量份，並且進一步優選至多為20重量份。當填料的含量超過30重量份時，耐磨性下降。
此外，為了提高填料與二烯橡膠之間的粘附力，可以用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚亞安酯(PU)、聚乙烯醇(PVA)、矽烷偶聯劑、甲矽烷基化劑及類似物處理填料的表面。
當將非金屬纖維和填料的含量分別設為X和Y時，優選使其滿足下式。
2X+Y≤30這樣，通過指定含量，能夠使冰上摩擦性能和耐磨性兼容。當(2X+Y)超過30時，耐磨性會有變差的趨勢。(2X+Y)優選至多為25。
在本發明的輪胎用橡膠組合物中，除了二烯橡膠、填料和非金屬纖維以外，還可以加入用於加入輪胎或普通橡膠組合物的各種複合劑和添加劑例如其他增強劑(填料)、硫化劑(交聯劑)、硫化促進劑、多種操作油、抗氧化劑、軟化劑、塑化劑以及偶聯劑。此外，這些複合劑和添加劑的含量可以是常規的量。
增強劑的例子為二氧化矽和/或如通式(1)所述的無機填料mM·xSiOy·zH2O(1)(其中M為金屬鋁、鎂、鈦、鈣和鋯、這些金屬的氧化物和氫氧化物及其水合物、以及這些金屬的碳酸鹽中的至少一種，並且m、x、y和z為常數。)以100重量份的二烯橡膠為基準，無機填料的含量優選至多為150重量份，並且進一步優選至多為100重量份。當無機填料的含量超過150重量份時，加工性能有變差的趨勢。此外，無機填料的含量優選至少為5重量份。
當加入了二氧化矽時，優選結合使用矽烷偶聯劑。以100重量份的二氧化矽為基準，矽烷偶聯劑的含量優選至少為1重量份，並且進一步優選至少為2重量份。當矽烷偶聯劑的含量小於1重量份時，未硫化橡膠組合物的粘彈性有變大的趨勢。此外，以100重量份的二氧化矽為基準，矽烷偶聯劑的含量優選至多為20重量份，並且進一步優選至多為15重量份。當矽烷偶聯劑的含量超過20重量份時，相對於加入量，加入矽烷偶聯劑的效果較小，並且成本較高。
此外，增強劑的一個例子為炭黑。以100重量份的二烯橡膠為基準，炭黑的含量優選至少為5重量份，並且進一步優選至少為10重量份。當炭黑的含量小於5重量份時，無法獲得充分的增強效果，並且耐磨性有變差的趨勢。炭黑的含量優選至多為150重量份，並且進一步優選至多為100重量份。當炭黑的含量超過150重量份時，加工性能變差並且硬度變大；因此，冰上摩擦性能有變差的趨勢。
當加入油時，以100重量份的二烯橡膠為基準，油的含量優選至少為5重量份，並且進一步優選至少為10重量份。當油的含量小於5重量份時，硬度無法降低，並且冰上摩擦性能有變差的趨勢。此外，油的含量優選至多為150重量份，並且進一步優選至多為100重量份。當油的含量超過150重量份時，耐磨性有下降的趨勢。
硫化劑的一個例子為硫。以100重量份的二烯橡膠為基準，硫的含量優選至少為0.2重量份，並且進一步優選至少為0.5重量份。當硫的含量小於0.2重量份時，交聯密度較低，並且強度有無法獲得的趨勢。此外，硫的含量優選至多為10重量份，並且進一步優選至多為4重量份。當硫的含量超過10重量份時，隨著交聯密度上升硬度增大，因此冰上摩擦性能有下降的趨勢。
當加入硫化促進劑時，以100重量份的二烯橡膠為基準，硫化促進劑的含量優選至少為0.1重量份，並且進一步優選至少為1重量份。當硫化促進劑的含量小於0.1重量份時，硫化速度較慢，並且傳導性有下降的趨勢。此外，硫化促進劑的含量優選至多為10重量份，並且進一步優選至多為5重量份。當硫化促進劑的含量超過10重量份時，會造成橡膠焦化，並且物理性質有變差的趨勢。
由於加入了填料和非金屬纖維，通過刮擦效果和衝破水膜的效果，改善了在積雪和結冰路面上的摩擦係數，本發明的輪胎用橡膠組合物優選特別用於充氣輪胎的橡膠胎面。
而形成胎面的過程，可以使用通常的壓延輥軋機的擠出過程，但如JP-A-2001-39104中所述，優選通過使非金屬纖維朝向胎面厚度方向排列，從而使分散了纖維的橡膠組合物由壓延輥軋機輥軋加工，並且製得摺疊的橡膠板材。
本發明的充氣輪胎是使用本發明的橡膠組合物通過普通過程製備的。即，通過將在未硫化狀態下其中必要時加入了上述添加劑的本發明的輪胎用橡膠組合物擠出加工，調整為各個輪胎部件的形狀，並且在輪胎塑模機上將其塑模，從而形成未硫化輪胎。通過在硫化機中將未硫化輪胎加熱加壓製得充氣輪胎。
本發明的充氣輪胎特別優選為無釘防滑輪胎。
實施例本發明將基於實施例進行詳細描述，但並不限與此。
在實施例和對照例中使用的原料如下所示。
天然橡膠RSS#3，購自Tech Bee Tech Hung有限公司聚丁二烯橡膠UBEPOL-BR150B，購自Ube工業有限公司炭黑SHOWA BLACK N220，購自Showa Cabot K.K.
二氧化矽ULTRASIL VN3，購自Degussa日本公司矽烷偶聯劑Si69(二(3-三乙氧基甲矽烷基丙基)四硫化物)，購自Degussa日本公司抗氧化劑NOCRAC 6C(N-1，3-二甲基丁基-N』-苯基-對苯二胺)，購自Ouchi Shinko化學工業有限公司蠟SUNNOC WAX，購自Ouchi Shinko化學工業有限公司油DIANAPROCESS OIL PS323，購自Idemitsu Kosan有限公司硬脂酸STEARIC ACID，購自NOF公司鋅華ZINC FLOWER No.1，購自Mitsui礦業冶煉有限公司玻璃纖維Micro Chopped Strand(平均纖維直徑11μm，切割長度(平均纖維長度)3mm)，購自NSG VETROTEX有限公司氧化鋅須晶1PANA-TETRAA(突出數量4，突出平均長度10μm)，購自Matsushita電氣工業有限公司氧化鋅須晶2PANA-TETRA B(突出數量4，突出平均長度100μm)，購自Matsushita電氣工業有限公司硫硫粉末，購自Tsurumi化學工業有限公司硫化促進劑NOCCELER CZ(N-環己基-2-苯並噻唑亞磺醯胺)，購自Ouchi Shinko化學工業有限公司實施例1～3和對照例1～5使用容量為1.7升的封閉型班伯裡混合器，將除了硫和硫化促進劑以外的如表1所示的加入組分捏合3～5分鐘，並且當溫度達到150℃時，取出混合橡膠，從而製得基礎捏合橡膠。通過使用開放式輥壓機捏合基礎捏合橡膠、硫和硫化促進劑，並且硫化混合物，從而製得橡膠組合物。
由通常使用的步驟，使用壓延輥軋機將製得的橡膠組合物擠出為胎面的形狀，從而形成胎面，並且製得尺寸為195/65R15的輪胎。對製得的輪胎進行下列測試。結果如表1所示。
冰上摩擦性能
將輪胎安裝於排量2,000cc的國產FR汽車，並且測定30km/hr的速度下在冰面上的剎車距離。以對照例1的剎車距離的倒數為100作基準，將其他倒數分別以係數的方式表示為冰上摩擦性能。冰上摩擦係數越大，表示冰上摩擦性能越出色。
(冰上摩擦係數)＝(對照例1的輪胎剎車距離)/(各個輪胎剎車停止距離)×100耐磨性
從上述輪胎上切下厚度為3mm的橡膠測試片，並且使用Iwamoto Seisakusyo K.，K.生產的Lambourn磨損測試儀，在表面轉速為50m/min、負載3.0kg、滑率為20％、並且落沙量為15g/min的條件下測試磨損量。以對照例1的磨損量的倒數為100作基準，將磨損量以係數的方式表示。係數越大，表示耐磨性越出色。
表1
根據本發明，通過與二烯橡膠同時加入具有特定纖維直徑和纖維長度的非金屬纖維以及具有至少2個突起並且平均突起長度至少為10μm的填料，通過衝破在輪胎與積雪和結冰路面之間產生的水膜的效果以及在積雪和結冰路面上的刮擦效果，能夠獲得具有出色冰上摩擦性能的無釘防滑輪胎。
符號說明1具有至少2個突起的填料；2非金屬纖維；X連接填料突起邊緣和填料中心(拐點)的線的夾角；L突起的長度。
權利要求
1.一種輪胎用橡膠組合物，以含有的二烯橡膠100重量份為基準，還含有0.5～20重量份平均纖維直徑為1～100μm並且平均纖維長度為0.1～5mm的非金屬纖維，以及0.5～30重量份的具有至少2個突起並且平均突起長度至少為10μm的填料。
2.如權利要求1所述的輪胎用橡膠組合物，其特徵在於，分別用X和Y表示的所述非金屬纖維和填料的含量滿足公式2X+Y≤30。
3.一種充氣輪胎，含有如權利要求1和2所述的輪胎用橡膠組合物。
全文摘要
提供了一種改善冰上摩擦性能的輪胎用橡膠組合物，以及含有該橡膠組合物的充氣輪胎。一種輪胎用橡膠組合物，以100重量份的二烯橡膠為基準，還含有0.5～20重量份平均纖維直徑為1～100μm並且平均纖維長度為0.1～5mm的非金屬纖維，以及0.5～30重量份的具有至少2個突起並且平均突起長度至少為10μm的填料，以及一種含有該橡膠組合物的充氣輪胎。
文檔編號B60C1/00GK1896131SQ200610100128
公開日2007年1月17日 申請日期2006年6月28日 優先權日2005年6月29日
發明者皆越亮, 谷村浩 申請人:住友橡膠工業株式會社, 松下電器產業株式會社