(57)【要約】【課題】車重による圧縮変形下にある粘弾性材が受けるせん断疲労を再現でき、試験時間を短縮可能な新しい疲労試験法を提供する。【解決手段】試験片に対して、両側より圧縮変形を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続け、前記圧縮変形において、５００ｋＰａ以上の圧力を印加し、試験片が破壊するまでの時間を指標とする、タイヤに用いられる粘弾性材の疲労試験法に関する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片に対して、両側より圧縮変形を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続け、前記圧縮変形において、５００ｋＰａ以上の圧力を印加し、試験片が破壊するまでの時間を指標とする、タイヤに用いられる粘弾性材の疲労試験法。
【請求項２】
前記粘弾性材が、インナーライナーに用いられる加硫ゴムである請求項１記載の粘弾性材の疲労試験法。
【請求項３】
前記周期変形において、せん断ひずみ振幅が２０％以上であり、せん断ひずみ周期が室温において１０００Ｈｚ以下である請求項１又は２記載の粘弾性材の疲労試験法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粘弾性材の疲労試験法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、粘弾性材の疲労試験法としては、デマチャ試験機を用いた試験が主流である。この試験法では、試験片に溝を入れ、その溝に対し曲げ変形を繰り返し与えるが、主変形モードは、溝底に与えられる引張変形（伸長変形）である。実際に、粘弾性材の疲労破壊は、溝底で発生した亀裂が溝方向に対して伝播することで最終的に破断が生じる。
【０００３】
一方、タイヤに使用される粘弾性材（ゴム）について着目してみると、タイヤに使用されるゴムのうち、引張変形を受ける部材は極限られた部材のみであり、多くの部材においては、圧縮変形とせん断変形を受ける。このため、引張変形が主変形であるデマチャ試験では、実際にタイヤに用いた際の耐疲労特性を正確に表せないこともある。
【０００４】
これに対して、ドイツゴム研究所のＲ．Ｋｌａｕｋｅらは、回転変形を用いることで試験片に単純せん断変形を印加する疲労試験法を構築した。彼らの試験方法は、軸方向に垂直方向に与えたせん断変形下にある試験片に対してねじりによる単純せん断変形を与える試験方法であり、従来の引張変形よりは格段に現実のタイヤで起きている変形に近い変形モードで測定できるメリットがある。しかし、この方法では、実際のタイヤにおいて受けるはずの車重による圧縮変形が考慮されておらず、実際のタイヤの変形を完全に再現しているとはいえない（非特許文献１参照）。
【０００５】
タイヤの各部材のなかでも、特にインナーライナーは、タイヤエッジ部において車重による高圧縮力下に置かれるため、インナーライナーに用いる粘弾性材（ゴム）は、圧縮変形の影響を加味した疲労試験方法を構築して評価する必要がある。
【０００６】
さらに、上述のデマチャ試験機を用いた試験では通常２０万回程度以上の繰り返し変形を与える必要があり、試験結果が得られるまでには６０時間以上の連続測定が必要である。開発サイクルを加速する上で、疲労試験をより短い時間で終了させることが求められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｒ．  Ｋｌａｕｋｅ，  Ｔ．  Ａｌｓｈｕｔｈ，  Ｊ．  Ｉｈｌｅｍａｎｎ、Ｌｉｆｅｔｉｍｅ  ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｒｕｂｂｅｒ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｕｎｄｅｒ  ｓｉｍｐｌｅ  ｓｈｅａｒ  ｌｏａｄ  ｗｉｔｈ  ｒｏｔａｔｉｎｇ  ａｘｅｓ、Ｋａｕｔｓｃｈ  Ｇｕｍｍｉ  Ｋｕｎｓｔｓｔ  ６３（７／８）  ２８６−２９０  （２０１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記課題を解決し、車重による圧縮変形下にある粘弾性材が受けるせん断疲労を再現でき、試験時間を短縮可能な新しい疲労試験法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、試験片に対して、両側より圧縮変形を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続け、試験片が破壊するまでの時間を指標とする、タイヤに用いられる粘弾性材の疲労試験法により、車重による圧縮変形下にある粘弾性材が受けるせん断疲労を再現する新しい疲労試験法を提供できることを見出した。しかし、当該試験方法においても、試験時間が長いという新たな問題が生じた。これに対して、圧縮変形において、特定値以上の圧力を印加することにより、試験時間を短縮可能なことを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、試験片に対して、両側より圧縮変形を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続け、上記圧縮変形において、５００ｋＰａ以上の圧力を印加し、試験片が破壊するまでの時間を指標とする、タイヤに用いられる粘弾性材の疲労試験法に関する。
【００１０】
上記粘弾性材が、インナーライナーに用いられる加硫ゴムであることが好ましい。
【００１１】
上記周期変形において、せん断ひずみ振幅が２０％以上であり、せん断ひずみ周期が室温において１０００Ｈｚ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、試験片に対して、両側より圧縮変形を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続け、試験片が破壊するまでの時間を指標とする、タイヤに用いられる粘弾性材の疲労試験法であるので、車重による圧縮変形下にある粘弾性材が受けるせん断疲労を再現する新しい疲労試験法を提供できる。そのため、該試験法により、粘弾性材を評価することにより、車重による圧縮変形下におけるせん断疲労に対する該粘弾性材の特性を評価でき、該粘弾性材をタイヤに使用した際の耐疲労特性を予測することができる。さらに、圧縮変形において、特定値以上の圧力を印加しているため、試験時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】振幅について説明するための模式図である。
【図２】試験用サンプルの一例を示す模式図である。
【図３】試験用サンプルに加えられる圧縮変形および周期変形の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のタイヤに用いられる粘弾性材の疲労試験法は、試験片に対して、両側より圧縮変形を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続け、上記圧縮変形において、５００ｋＰａ以上の圧力を印加し、試験片が破壊するまでの時間を指標とする。
【００１５】
本発明では、実際にタイヤが受ける変形を素変形要素に分解し、対応する変形要素を試験片に与えているため、より実際のタイヤの変形に忠実な疲労試験法を提供できる。具体的には、車重による圧縮については、圧縮変形として、試験片に両側から圧力（圧縮荷重）を印加し、路面から受ける繰り返し変形については、周期変形として、周期的なせん断ひずみを圧縮方向に対して垂直方向に試験片に印加する。これにより、該試験法を用いて粘弾性材を評価することにより、より実際のタイヤの疲労に近い変形形態における粘弾性材の耐疲労特性を評価でき、該粘弾性材をタイヤに使用した際のタイヤの寿命に対してより精密な予測ができる。例えば、デマチャ試験機を用いた試験では有意な差が見られないサンプル（粘弾性材）群を、本発明の試験法で試験すると、各サンプルの結果に有意な差が見られ、これらのサンプル（粘弾性材）をタイヤに使用した際のタイヤの寿命に対してより精密な予測ができる。さらに、本発明では、圧縮変形において、特定値以上の圧力を印加しているため、測定した粘弾性材をタイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測しつつ、試験時間を短縮できる。
【００１６】
一般の疲労試験において亀裂発生、成長は、分子鎖の切断や切断により低分子化した後の流動が主要因であると考えられている。したがって、疲労試験を促進するためには、分子鎖の切断を加速するような試験方法を考案すればよい。一般に高圧縮下におかれたゴム分子は高度に拘束された状態となっており、無圧縮下の分子よりも運動性が低下した状態となる。この状態においてせん断変形を印加することで、無圧縮下と同等のせん断変形量でも効果的に分子鎖を切断できると考えられる。そのため、本発明において、圧縮変形において、特定値以上の圧力を印加することにより、試験時間の短縮が可能となるものと推測される。
【００１７】
圧縮変形において、印加される圧力（圧縮荷重）は、試験時間を好適に短縮できるため、５００ｋＰａ以上であり、好ましくは８００ｋＰａ以上、より好ましくは２０００ｋＰａ以上、更に好ましくは２５００ｋＰａ以上である。該圧力の上限は、粘弾性材が圧縮破壊される応力で規定され、それ以下であれば特に限定されないが、好ましくは５０００ｋＰａ以下である。印加される圧力を上記範囲内とすることにより、測定した粘弾性材をタイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測しつつ、試験時間を短縮できる。なお、上記圧力は、粘弾性材を圧縮力で破壊させることなく効率的に促進効果を付与できるという理由から、タイヤの使用を予定している車両の重さに相当する圧力に対して８〜１２倍の値に設定することが好ましい。
【００１８】
周期変形において、せん断ひずみ振幅（周期変形の振幅）を大きくすることで粘弾性材が受ける変形を大きくすることができ、分子鎖切断を起こしやすくなるため、試験時間短縮の促進効果を有することから、せん断ひずみ振幅は、２０％以上が好ましく、４０％以上がより好ましく、８０％以上が更に好ましい。該振幅の上限は、粘弾性材のせん断変形の破壊ひずみにより規定され、それ以下であれば特に限定されないが、好ましくは２００％以下である。
せん断ひずみ振幅を上記範囲内とすることにより、測定した粘弾性材をタイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測しつつ、試験時間を短縮できる。なお、本発明において、せん断ひずみ振幅とは、サンプル厚みに対するせん断方向のひずみ量の割合（せん断方向のひずみ量／サンプル厚み×１００（％））を意味する（図１参照）。
【００１９】
せん断ひずみ周期（周期変形の周期）は、大きいほど単位時間当たりの繰り返し変形の回数を増やすことができ、試験時間短縮の促進効果を有するため、せん断ひずみ周期は、室温で測定する場合、好ましくは０．５Ｈｚ以上、より好ましくは１Ｈｚ以上である。一方で、一般的に室温において１０００Ｈｚ程度の周波数を与えると、ゴム材料はガラス状物質として振舞うことが知られている。このため、１０００Ｈｚ以上の周波数領域においては、ゴムとしての性質を失った領域の試験であると考えられることから、せん断ひずみ周期は、室温で測定する場合、好ましくは１０００Ｈｚ以下、より好ましくは１００Ｈｚ以下、更に好ましくは３０Ｈｚ以下である。
せん断ひずみ周期を上記範囲内とすることにより、測定した粘弾性材をタイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測しつつ、試験時間を短縮できる。なお、上記周期の設定範囲は、いわゆる時間−温度換算則を用いて任意の温度における設定範囲へ変換できる。
【００２０】
測定温度（測定中に試験片が置かれる恒温槽の温度）は、ゴムの熱劣化の影響を低減できるという理由から、好ましくは１０〜１３０℃、より好ましくは１０〜１１０℃である。
【００２１】
試験時間は、タイヤの開発がより行い易くなる観点から、好ましくは２４時間以内、より好ましくは１５時間以内、更に好ましくは１０時間以内、特に好ましくは５時間以内である。
【００２２】
試験片の形状は、直径５〜２５ｍｍ、厚み２〜１０ｍｍの円盤形状が好ましい。
【００２３】
粘弾性材としては特に限定されず、加硫ゴム（組成物）、熱硬化性プラスチック、熱可塑性プラスチックなど、一般的な材料を使用できる。なかでも、一般的にタイヤに用いられることが多い加硫ゴムを好適に使用できる。加硫ゴムのなかでも、タイヤエッジ部において車重による高圧縮力下に置かれるため、本発明の疲労試験法により、タイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測しつつ、試験時間を短縮できることから、タイヤのインナーライナーに用いられる加硫ゴムが好ましい。
【００２４】
インナーライナーに用いられる加硫ゴムとしては、ブチル系ゴム、天然ゴム（ＮＲ）及びカーボンブラックを含むものが好ましい。これにより、測定した粘弾性材（加硫ゴム）をタイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測しつつ、試験時間を短縮できる。
【００２５】
ブチル系ゴムとしては、例えば、ブチルゴム（ＩＩＲ）や、塩素化ブチルゴム（Ｃｌ−ＩＩＲ）、臭素化ブチルゴム（Ｂｒ−ＩＩＲ）、フッ素化ブチルゴム（Ｆ−ＩＩＲ）などのハロゲン化ブチルゴムが挙げられる。
【００２６】
ゴム成分１００質量％中のブチル系ゴムの含有量は、好ましくは７０〜９０質量％である。ゴム成分１００質量％中のＮＲの含有量は、好ましくは１０〜３０質量％である。また、ゴム成分１００質量部に対するカーボンブラックの含有量は、好ましくは１０〜１５０質量部、より好ましくは５０〜９０質量部である。
【００２７】
本発明の疲労試験法を実施可能な測定装置としては、試験片に対して、両側より圧縮変形を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続けることが可能な装置であれば特に限定されず、例えば、特開２００６−１７７７３４号公報に記載の粘弾性測定装置、ヨシミズ社製の大型疲労試験機、ヨシミズ社製の大変形粘弾性試験装置等を使用できる。
【００２８】
次に、図面を用いて、本発明の疲労試験法に供する試験用サンプルの一例について説明する。
図２は、試験用サンプルの一例を示す模式図である。試験用サンプル１は、粘弾性材からなる一対の試験片１１Ａ、１１Ｂと、試験片１１Ａ、１１Ｂを両側端面に配置する中間支持体１２と、試験片１１Ａ、１１Ｂを挟んで中間支持体１２の両側に配置され、中間支持体１２と直線上に配列する一対の両側支持体（一側支持体１３および他側支持体１４）とからなる。
【００２９】
中間支持体１２、一側支持体１３および他側支持体１４は、円柱状の金属材からなり、同一径である。
【００３０】
試験片１１Ａ、１１Ｂは、中間支持体１２、一側支持体１３および他側支持体１４と同一径の円盤状にカットされている。試験片１１Ａ、１１Ｂは、中間支持体１２の両側端面に貼着され、一側支持体１３および他側支持体１４との間で両側から挟持されている。
【００３１】
このように、図２に示す試験用サンプルでは、一対の試験片１１Ａ、１１Ｂが、それぞれ、中間支持体１２と一側支持体１３、中間支持体１２と他側支持体１４の間で挟持されている。
【００３２】
本例では、中間支持体１２、一側支持体１３、他側支持体１４、試験片１１Ａ、１１Ｂの直径及び断面形状を同一としている。これにより、測定した粘弾性材をタイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測しつつ、試験時間を短縮できる。
【００３３】
本例では、中間支持体１２、一側支持体１３、他側支持体１４および試験片１１Ａ、１１Ｂの直径は５〜２５ｍｍとし、試験片１１Ａ、１１Ｂの厚み（高さ）は２〜１０ｍｍ、中間支持体１２、一側支持体１３、他側支持体１４の高さ（厚み）は３〜５０ｍｍとしている。これにより、測定した粘弾性材をタイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測しつつ、試験時間を短縮できる。
【００３４】
図２に示す試験用サンプルを上述の装置にセットし、本発明の疲労試験法を行うことが可能である。具体的には、図３に示すように、一側支持体１３、他側支持体１４をそれぞれ、円柱軸方向（図３のＸ方向）中間支持体１２側へ押しこむことにより、試験片１１Ａ、１１Ｂへ両側から圧縮変形が印加される。さらに、中間支持体１２を、円柱軸方向と垂直方向（図３のＺ方向）に、周期的に往復動（振動）させることにより、試験片１１Ａ、１１Ｂへ周期的なせん断変形（周期変形）が加えられる。
上述のように、圧縮変形が車重による変形に、周期的なせん断変形（周期変形）が路面から受ける変形にそれぞれ対応している。
【００３５】
圧縮変形、せん断変形を試験片１１Ａ、１１Ｂへ与え続けて、試験片１１Ａ、１１Ｂが破壊するまでの時間を測定することにより、試験片１１Ａ、１１Ｂと同一の組成の粘弾性材をタイヤに使用した際のタイヤの耐疲労特性を予測できる。なお、本発明において、破壊するまでの時間とは、完全に試験片が破壊されるまでの時間に限定されず、試験片に亀裂等が生じるまでの時間も含む概念である。
【００３６】
なお、図２に示す試験用サンプルにおいて、試験片の支持体（中間支持体１２、一側支持体１３、及び他側支持体１４）への固定は、円柱軸方向（図３のＸ方向）に加えられる圧縮荷重により行うことができるが、金属−粘弾性材（ゴム）間の剥離を防ぐために、金属−粘弾性材間を接着する化学物質を用いることが好ましい。これにより、測定した粘弾性材をタイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測しつつ、試験時間を短縮できる。該化学物質としては、接着剤として通常使用されるものであれば特に限定されないが、例えば、エポキシ系の接着剤、ウレタン系の接着剤、加硫接着剤等を用いることができる。
【００３７】
図２に示す試験用サンプルでは、中間支持体及び両側支持体が円柱形状である場合について説明したが、本発明においては、中間支持体及び両側支持体の形状は特に限定されず、中間支持体及び両側支持体が角柱形状であってもよい。この場合も、試験片を、支持体と同一の断面形状とすることが好ましい。
【００３８】
試験用サンプルとして、粘弾性材からなる一対の試験片と、試験片を両側端面に配置する中間支持体と、試験片を挟んで中間支持体の両側に配置され、中間支持体と直線上に配列する一対の両側支持体とからなる試験用サンプルを用いて、特定値以上の圧力（圧縮荷重）を試験片に両側から印加し、周期的なせん断ひずみを圧縮方向とは垂直方向に試験片に印加することにより、より実際のタイヤの疲労に近い変形形態における粘弾性材（特に、インナーライナーに用いられる加硫ゴム）の耐疲労特性をより短時間で評価でき、測定した粘弾性材をタイヤに使用した際のタイヤの寿命に対してより精密な予測ができる。
【実施例】
【００３９】
実施例に基づいて、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
【００４０】
以下、実施例及び比較例で使用した各種薬品について、まとめて説明する。
天然ゴム：ＴＳＲ＃２０
クロロブチル：ＪＳＲ（株）製の塩素化ブチルゴムＨＴ１０６６
再生ブチル：村岡ゴム工業（株）製のブチルチューブ再生ゴム
カーボンブラック：三菱化学（株）製のダイアブラックＮ６６０
アロマオイル：（株）ジャパンエナジー製のＪＯＭＯプロセスＸ１４０
老化防止剤ＲＤ：川口化学工業（株）製のアンテージ  ＲＤ
ステアリン酸：日油（株）製のステアリン酸
酸化亜鉛：三井金属鉱業（株）製の亜鉛華１号
硫黄：鶴見化学（株）製の粉末硫黄
加硫促進剤：大内新興化学工業（株）製のノクセラーＤＭ
【００４１】
（加硫ゴム組成物、試験用タイヤの調製）
表１に示す配合処方にしたがい、バンバリーミキサーを用いて、硫黄及び加硫促進剤以外の材料を排出温度１４０℃の条件下で４分間混練りし、混練り物を得た。得られた混練り物に硫黄及び加硫促進剤を添加し、オープンロールを用いて、８０℃の条件下で２分間練り込み、未加硫ゴム組成物を得た。得られた未加硫ゴム組成物を１７０℃で１５分間加硫することにより、加硫ゴム組成物（加硫ゴムシート）を得た。
次に、得られた未加硫ゴム組成物をタイヤ成型機上でインナーライナー形状に成形し、他のタイヤ部材と貼り合わせて未加硫タイヤを作製した。未加硫タイヤを１８０℃で１０分間加硫することにより試験用タイヤを製造した。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
配合Ａ、Ｂの各加硫ゴム組成物、各試験用タイヤについて下記の評価を行った。結果を表２に示す。
【００４４】
（実施例）
（本発明の方法による加硫ゴム組成物の評価）
＜試料片の準備＞
得られた加硫ゴム組成物（加硫ゴムシート）から、直径１０ｍｍ、厚み２ｍｍの円盤状に切り出した一対の試験片を、同径、高さ１０ｍｍの真鍮性の円柱に接着剤（Ｈｅｎｋｅｌ社製、ロックタイト４０７）を用いて、図２と同様に貼り付けたものを試験用サンプルとした。
＜試験条件＞
得られた試験用サンプルを用いて、温度２３℃、相対湿度５５％の条件下で、株式会社ヨシミズ製の大変形粘弾性試験装置を用いて、試験片に対して、両側より圧縮変形を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続け、試験片が破壊するまでの時間を指標とする評価を行った。なお、圧縮荷重、せん断ひずみ振幅（周期変形の振幅）、せん断ひずみ周期（周期変形の周期）は、表２に示す条件で行った。
【００４５】
（比較例１）
表２に示すように、圧縮荷重、せん断ひずみ振幅、せん断ひずみ周期を変更した点以外は、実施例と同様の方法で試験を行った。
【００４６】
（比較例２）
（デマチャ屈曲亀裂試験による加硫ゴム組成物の評価）
得られた加硫ゴム組成物（配合Ａ、配合Ｂ）について、ＪＩＳ  Ｋ６２６０「加硫ゴム及び熱可塑性ゴムのデマチャ屈曲亀裂試験方法」に準じて、温度２３℃、相対湿度５５％の条件下で、加硫ゴム試験片サンプルに関して、亀裂成長が１ｍｍになるまでの回数を測定した。試験結果は、配合Ａが２３万回、配合Ｂが２２万回であり、配合ＡとＢの間に有意な差は見られなかった。
【００４７】
（実車評価）
得られた試験用タイヤを普通乗用車に、配合Ａの試験用タイヤと配合Ｂの試験用タイヤとがたすきになるように装着して、６００００ｋｍ走行させ、走行後のタイヤ内面（インナーライナー）におけるクラックの発生の有無を確認した。その結果、配合Ａの試験用タイヤではクラックは確認できなかったが、配合Ｂの試験用タイヤでは複数のクラックが確認できた。
【００４８】
（（配合Ａの結果／配合Ｂの結果））
各例の結果について、（配合Ａ（新品）の結果／配合Ｂ（再生品）の結果）の値を算出した。算出結果（（配合Ａの結果／配合Ｂの結果））が大きいほど、配合Ａ、Ｂの結果の差が大きく、新品と再生品の耐疲労特性（耐疲労破壊性）の差を明確に評価できることを示す。
【００４９】
【表２】
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【００５０】
試験片に対して、両側より圧縮変形を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続け、試験片が破壊するまでの時間を指標とした疲労試験法により評価した実施例、比較例１では、配合Ａ、Ｂの結果に有意な差が見られ、実車評価の結果とも相関性が見られた。一方、デマチャ屈曲亀裂試験により評価した比較例２では、配合Ａ、Ｂの結果に有意な差が見られなかった。さらに、圧縮変形において、特定値以上の圧力を印加した実施例では、実車評価の結果との相関性を維持しつつ、試験時間を短縮できた。特に、実施例１では配合Ａの試験が３時間以内に終了しており、普通乗用車の車重相当の圧縮荷重を印加した比較例１の配合Ａの試験に比べて、試験時間を６０分の１に短縮できた。
【符号の説明】
【００５１】
１  試験用サンプル
１１Ａ、１１Ｂ  試験片
１２  中間支持体
１３  一側支持体
１４  他側支持体
【図１】
2014163782.tif 000005
【図２】
2014163782.tif 000006
【図３】
2014163782.tif 000007