(57)【要約】【課題】配合ゴムに高度の耐摩耗性と低位の発熱特性とを同時にバランス良く付与することのできるカーボンブラック、及びこのカーボンブラックをゴム成分に配合した、特に苛酷な走行条件下に使用されるタイヤトレッドゴム用に好適なゴム組成物を提供する。【解決手段】水分吸着量Ｗｍ　（ｗｔ％）　が、よう素吸着量ＩＡ（ｍｇ／ｇ）、窒素吸着比表面積Ｎ２　ＳＡ（ｍ２／ｇ）、凝集体空隙モード径Ｄｍｐ（ｎｍ）と、下記（１）　式の関係を満たすことを特徴とするカーボンブラック。また、そのゴム組成物は、このカーボンブラックをゴム成分１００重量部に対して、２０〜２００重量部の割合で配合してなる。Ｗｍ＜３．２×（Ｎ２　ＳＡ／ＩＡ）＋（７５／Ｄｍｐ）−３．７…（１）【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
水分吸着量Ｗｍ　（ｗｔ％）　が、よう素吸着量ＩＡ（ｍｇ／ｇ）、窒素吸着比表面積Ｎ２　ＳＡ（ｍ２／ｇ）、凝集体空隙モード径Ｄｍｐ（ｎｍ）と、下記（１）　式の関係を満たすことを特徴とするカーボンブラック。
2004026973.tif 000007
但し、Ｗｍはグリセリン５０％水溶液の温度２０℃、相対湿度８０％雰囲気中に、カーボンブラックを３日間放置したときの水分吸着量　（ｗｔ％）　である。
【請求項２】
ゴム成分１００重量部に対して、請求項１記載のカーボンブラックを２０〜２００重量部の割合で配合してなるゴム組成物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配合ゴムに高度の耐摩耗性と低位の発熱特性とを付与することのできる、すなわち、ゴムに配合して耐摩耗性と発熱特性をバランス良く改良することのできるカーボンブラック、及び、該カーボンブラックを配合した、特に苛酷な走行条件下に使用されるタイヤトレッドゴム用として好適なゴム組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーボンブラックによるゴムの補強性能は、従来からその粒子径、比表面積、ストラクチャーなどが支配的因子と考えられており、具備特性に応じた多様の品種がある。そして、ゴム成分への配合に当たっては、用途部材に適合する品種特性のカーボンブラックが選択使用されている。
【０００３】
例えば、タイヤトレッド部のような苛酷な走行条件下に使用され、高度の耐摩耗性が要求されるゴム部材にはＮ１１０（ＳＡＦ）、Ｎ２２０（ＩＳＡＦ）などの粒子径が小さく、比表面積が大きいカーボンブラックが使用されている。しかしながら、これらのカーボンブラックを配合したゴム組成物は高度の耐摩耗性、補強性が付与される反面、発熱特性が増大し、反発弾性が低下するなどの欠点がある。
【０００４】
また、近年、省資源、省エネルギーの社会的要求に対応するため低燃費タイヤの開発要請が強く、低燃費タイヤとして好適な低発熱性で高反発弾性のゴム組成物の開発が盛んに行われている。一般に、ゴム組成物に低発熱性及び高反発弾性のゴム特性を付与するためには、ゴム成分に配合するカーボンブラック特性として粒子径が大きく、比表面積の小さいカーボンブラックが有効である。
【０００５】
したがって、低燃費タイヤトレッド用として好適な、高度の耐摩耗性を備えるとともに発熱特性が低く、反発弾性の高いゴム組成物を得ることは、要求されるカーボンブラック特性が逆方向となり、背反関係にあるため、カーボンブラックの基本特性を単純に組み合わせるのみでは達成困難である。
【０００６】
そこで、従来からゴム補強用のカーボンブラックの基本特性として重視されてきた粒子径、比表面積、ストラクチャーなどの特性要素に加えて、例えばカーボンブラック粒子の凝集形態、粒子表面の物理化学的性状などのミクロな物性を選択的に改良することによって、カーボンブラック配合ゴムの補強性、耐摩耗性、発熱特性、反発弾性などのゴム特性を改善する技術が数多く開発、提案されている。
【０００７】
例えば、本出願人は、高度の反発弾性ならびに耐摩耗性を兼備するゴム組成物として、窒素吸着比表面積（Ｎ２ＳＡ）が５８〜１３９ｍ２／ｇ、ＤＢＰ吸収量が９０〜１５０ｃｍ３／１００ｇのハード系領域に属し、水銀圧入法により測定される粒間空隙サイズＤｐ（ｎｍ）が関係式〔−０．２２×（Ｎ２　ＳＡ）＋６０．８〕で算出される値以上の選択的特性を有するカーボンブラックを、ゴム成分１００重量部に対し３０〜１００重量部の割合で配合したゴム組成物（特開平３−５０２４９号公報）を開発した。
【０００８】
また、配合ゴムに耐摩耗性と低発熱性とをバランスよく付与するカーボンブラックとして、窒素吸着比表面積（Ｎ２ＳＡ）が６０〜１６０ｍ２／ｇ、ＤＢＰ吸収量が９０〜１５０ｃｍ３／１００ｇのハード系領域に属し、凝集体空隙容積Ｖｐ（ｃｍ３／ｇ）　が下記（１）　式の要件を満たし、かつ遠心沈降法により求められるアグリゲート性状が下記（２）　式の要件を満たすタイヤトレッド用カーボンブラック（特開平３−１２１１６５号公報）を開発提案した。
Ｖｐ≧０．００９７６×ＤＢＰ−０．０３５８…（１）
ΔＤｓｔ／（０．６０１×Ｄｓｔ＋４．０２）≦１．００…（２）
【０００９】
更に、本出願人は、高耐摩耗性と高反発弾性を同時にバランス良く付与することができるカーボンブラックとして、窒素吸着比表面積（Ｎ２ＳＡ）が６０〜１２０ｍ２／ｇ、圧縮ＤＢＰ吸油量（２４Ｍ４ＤＢＰ）　が９５〜１２５ｍｌ／１００ｇ　の範囲にあり、水分吸着量（Ｗｍ）が　（１）式の関係を満たすファーネスカーボンブラック（特開平７−４１６９４号公報）を提案した。
Ｗｍ×１０４　≦Ｎ２　ＳＡ２　＋７５Ｎ２　ＳＡ…　（１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年、自動車の高性能化に伴いタイヤトレッド部に対する性能もより苛酷な走行条件下に耐え得る高度の性能が必要とされ、一方、ますます高まる低燃費化指向から、配合ゴムの発熱特性を損なうことなく、より一層高度の耐摩耗性を付与することのできるタイヤトレッドゴム用カーボンブラックの開発が要望されている。
【００１１】
本発明者は、上記の状況に鑑み、ゴムポリマーとカーボンブラックの表面相互作用を中心に、カーボンブラック特性と配合ゴムの耐摩耗性及び発熱性との関連について鋭意研究を重ねた結果、カーボンブラックを何らの熱処理を施すことなく、すなわちカーボンブラック粒子表面を何ら表面変性することなく、その水分吸着量が、水銀圧入法で得られるカーボンブラックアグリゲート粒間のポア分布における最大頻度のモード径、よう素吸着量、及び窒素吸着比表面積との関連において、一定水準以下である場合には、ゴムポリマーとより高度の親和力を発揮し、配合ゴムに高耐摩耗性と低発熱性とを併有させることが可能であることを確認した。
【００１２】
本発明は、上記の知見に基づいて、配合ゴムに高度の耐摩耗性と低位の発熱特性を同時にバランス良く付与することのできるカーボンブラック、及び、このカーボンブラックをゴム成分に配合した、特に苛酷な走行条件下に使用されるタイヤトレッドゴム用として好適なゴム組成物を提供することを目的として開発されたものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明によるカーボンブラックは、水分吸着量Ｗｍ（ｗｔ％）　が、よう素吸着量ＩＡ（ｍｇ／ｇ）、窒素吸着比表面積Ｎ２　ＳＡ（ｍ２／ｇ）、凝集体空隙モード径Ｄｍｐ（ｎｍ）と、下記（１）　式の関係を満たすことを構成上の特徴とする。
Ｗｍ＜３．２×（Ｎ２　ＳＡ／ＩＡ）＋（７５／Ｄｍｐ）−３．７…（１）
但し、Ｗｍはグリセリン５０％水溶液の温度２０℃、相対湿度８０％雰囲気中に、カーボンブラックを３日間放置したときの水分吸着量　（ｗｔ％）　である。
【００１４】
また、本発明のゴム組成物は、ゴム成分１００重量部に対して、上記のカーボンブラックを２０〜２００重量部の割合で配合してなることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
カーボンブラックの水分吸着量Ｗｍ　（ｗｔ％）　は、カーボンブラック粒子の表面状態を示すパラメータとなるもので、カーボンブラック粒子表面に吸着されている官能基の種類や量、あるいはカーボンブラック粒子表面の微細な凹凸や孔などによって影響を受け、また表面積が大きくなるほど水分吸着量も多くなる。
【００１６】
したがって、カーボンブラックの水分吸着量はカーボンブラックを熱処理したり、カーボンブラック粒子表面を変性すると変わるが、本発明において水分吸着量は、カーボンブラックを何ら熱処理したり表面変性することなく、ＪＩＳ　Ｋ６２１８−１９９７「ゴム用カーボンブラックの付随的性質の試験法」に従って乾燥し、精秤採取したカーボンブラック試料１０ｇ　を、グリセリン５０％水溶液の温度２０℃、相対湿度８０％の雰囲気中で３日間放置したときの水分吸着量　（ｗｔ％）　であり、次式から算出される。
Ｗｍ　（ｗｔ％）　＝〔（相対湿度８０％雰囲気中に３日間放置後の重量）／（ＪＩＳ乾燥後の試料重量）〕×１００−１００
【００１７】
本発明のカーボンブラックは、カーボンブラック粒子の表面状態を総合的に示すパラメータとして水分吸着量Ｗｍに着目し、その値を、よう素吸着量ＩＡ、窒素吸着比表面積Ｎ２　ＳＡ、及び凝集体空隙モード径Ｄｍｐと特定の関係範囲に設定することにより、ゴムポリマーとの親和性の向上を図り、配合ゴムに高度の耐摩耗性と低位の発熱性とを併有させることを可能としたものである。
【００１８】
すなわち、本発明のカーボンブラックは、下記　（１）式の関係を充足することを特徴とする。
Ｗｍ＜３．２×（Ｎ２　ＳＡ／ＩＡ）＋（７５／Ｄｍｐ）−３．７…（１）
【００１９】
（１）式において、Ｎ２　ＳＡ／ＩＡの値は、一般に簡易的にカーボンブラックの表面活性を表す指標として用いられており、この値が小さいと表面活性が低く、ゴムポリマーとの親和性が小さくなるので、配合ゴムの耐摩耗性や補強性が低下する傾向がある。
【００２０】
凝集体空隙モード径Ｄｍｐは、カーボンブラック基本粒子が不規則で複雑に融着結合した凝集体（アグリゲート）が形成する空隙の平均的直径（モード径）を示し、モード径はアグリゲートの形態、大きさ、その分布状況などにより影響される。また、凝集体空隙モード径Ｄｍｐが大きいカーボンブラックは、本質的にストラクチャーの発達した凝集構造を有しており、ゴムへの配合過程でゴムポリマーとの相互作用が大きく、更に配合ゴム中において形成されるカーボンブラック粒子凝集体のネットワークも大きく、配合ゴムの耐摩耗性や補強性の向上に機能する。
【００２１】
なお、これらの特性値は下記の方法によって測定される。
▲１▼よう素吸着量ＩＡ（ｍｇ／ｇ）；
ＪＩＳ　Ｋ６２１７−１９９７「ゴム用カーボンブラックの基本性能の試験方法」６項による。（参考ＡＳＴＭ　Ｄ１５１０−１９９９）
▲２▼窒素吸着比表面積Ｎ２　ＳＡ（ｍ２／ｇ）；
ＪＩＳ　Ｋ６２１７−１９９７「ゴム用カーボンブラックの基本性能の試験方法」７項による。（参考ＡＳＴＭ　Ｄ３０３７−１９９３）
【００２２】
▲３▼凝集体空隙モード径Ｄｍｐ（ｎｍ）；
ＪＩＳ　Ｋ６２１８−１９９７「ゴム用カーボンブラックの付随的性質の試験法」に従って乾燥した粒度２５０〜５００μｍ　のカーボンブラックペレットを試料として、水銀ポロシメーター（マイクロメリティック社製、Ｐｏｒｅ　Ｓｉｚｅｒ　９３００）の専用セル（３ｃｍ３）中に０．２ｇ　の試料を入れ、圧力を２５〜３００００ｐｓｉ　に加圧して水銀を圧入していき、圧入水銀量が急激に増加する点の圧力を測定し、この圧力値からカーボンブラックの凝集体空隙モード径Ｄｍｐを算出する。
【００２３】
本発明のカーボンブラックは、水分吸着量Ｗｍ　（ｗｔ％）　をカーボンブラック粒子表面の状態を総合的に示すパラメータとし、よう素吸着量ＩＡ（ｍｇ／ｇ）、窒素吸着比表面積Ｎ２　ＳＡ（ｍ２／ｇ）、及び、凝集体空隙モード径Ｄｍｐ（ｎｍ）との関連において、Ｗｍ＜３．２×（Ｎ２　ＳＡ／ＩＡ）＋（７５／Ｄｍｐ）−３．７の関係を満たすことにより、カーボンブラックとゴムポリマーとの親和性の向上を図り、配合ゴムに高度の耐摩耗性と低位の発熱特性とを同時にバランス良く付与することを可能としたものである。
【００２４】
そして、本発明のゴム組成物は、上記の特性を備えたカーボンブラックを、天然ゴムや、スチレン−ブタジエンゴム、ポリブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブチルゴムなど、カーボンブラックで補強可能な各種の合成ゴム、又はそれらを混合したブレンドゴム、などのゴム成分１００重量部に対して、２０〜２００重量部の割合で配合して作製されるものである。なお、ゴム成分への配合に際しては、常用の加硫剤、加硫促進剤、老化防止剤、加硫助剤、軟化剤、可塑剤などの必要成分が適宜配合される。
【００２５】
なお、本発明のカーボンブラックは、図１に例示した炉頭部に接線方向の空気供給口１と炉軸方向に装着された燃料油バーナ２を備えた燃焼室３と、該燃焼室３と同軸的に連設され、原料油噴射ノズル４を備えた狭径反応室５と、引き続くＡ重油供給ノズル６と反応停止用の冷却水噴霧ノズル７を備えた広径反応室８、とから構成された構造のオイルファーネス炉を用い、燃焼条件、原料油やＡ重油の供給量等の各発生条件を制御することによって製造することができる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して具体的に説明する。
【００２７】
実施例１〜４、比較例１〜４
（１）カーボンブラックの製造
炉頭部に接線方向の空気供給口１及び炉軸方向に装着された燃料油バーナ２を備え、下流側出口が緩やかに収斂する燃焼室３（内径４００ｍｍ、長さ５００ｍｍ）を設け、該燃焼室と同軸的に連設され、原料油噴射ノズル４を備えた狭径反応室５（内径１８０ｍｍ、長さ５００ｍｍ）、及びこれに引き続きＡ重油供給ノズル６と反応停止用の冷却水噴霧ノズル７を備えた広径反応室８（内径３００ｍｍ）、とから構成された、図１に例示したオイルファーネス炉を用い、発生条件を変えてカーボンブラックを製造した。なお、比較例３、４を除いては、冷却水噴霧ノズル７の上流側１５０ｍｍの位置よりＡ重油を添加した。得られたカーボンブラックの特性を、製造条件と対比して表１、２に示した。
【００２８】
【表１】
2004026973.tif 000002
【００２９】
【表２】
2004026973.tif 000003
【００３０】
（２）ゴム組成物の作製
表１、２のカーボンブラックを、表３に示す割合で天然ゴムに配合し、配合物を１４５℃の温度で４０分間加硫して、ゴム組成物を作製した。
【００３１】
【表３】
2004026973.tif 000004
【００３２】
（３）ゴム特性の測定
作製した各ゴム組成物について、下記の方法により損失係数（ｔａｎδ）　及びランボーン摩耗量を測定し、得られた結果を表４、５に示した。
【００３３】
▲１▼損失係数（ｔａｎδ）　；
ヴィスコ・エラスティック・スペクトロメータ〔（株）岩本製作所製〕を用いて、下記の条件で測定した。なお、この値が小さいほど発熱性が低いことを示している。
試験片：厚さ２ｍｍ、長さ３５ｍｍ、幅５ｍｍ
周波数：５０Ｈｚ
動的歪率：±１．０％
測定温度：６０℃
【００３４】
▲２▼摩耗量　；
ランボーン摩耗試験機（機械式スリップ機構）を用いて、下記の条件で摩耗量を測定した。なお、摩耗量が少ないほど耐摩耗性が高いことを示している。
試験片：厚さ５ｍｍ、外径４８ｍｍ
エメリーホイール：ＧＣタイプ、粒度　＃８０、硬度Ｈ
添加カーボランダム粉：粒度　＃８０、添加量　　約９ｇ／分
エメリーホイール面と試験片の相対スリップ率：１８％
試験片回転数：４８０ｒｐｍ
試験荷重：３ｋｇ
【００３５】
【表４】
2004026973.tif 000005
【００３６】
【表５】
2004026973.tif 000006
【００３７】
表１〜５の結果から、水分吸着量Ｗｍが〔Ｗｍ＜３．２×（Ｎ２　ＳＡ／ＩＡ）＋（７５／Ｄｍｐ）−３．７〕の関係を充足するカーボンブラックを、天然ゴムに配合した実施例１〜４のゴム組成物は、よう素吸着量ＩＡ、窒素吸着比表面積Ｎ２　ＳＡ、凝集体空隙モード径Ｄｍｐがほぼ同等レベルにあり、相対的に水分吸着量が多く〔Ｗｍ＜３．２×（Ｎ２　ＳＡ／ＩＡ）＋（７５／Ｄｍｐ）−３．７〕の関係を満たさないカーボンブラックを、天然ゴムに配合した比較例１〜４のゴム組成物に比べて、相対的に６０℃の　ｔａｎδが低く、ランボーン摩耗量が少ないことが認められる。
【００３８】
すなわち、よう素吸着量ＩＡ、窒素吸着比表面積Ｎ２　ＳＡ、凝集体空隙モード径Ｄｍｐがほぼ同等レベルにある、実施例１と比較例１、実施例２と比較例２、実施例３と比較例３、及び実施例４と比較例４との対比から、実施例のゴム組成物は比較例のゴム組成物に比較して、それぞれ６０℃の　ｔａｎδが低位に、ランボーン摩耗量が少なく、耐摩耗性と発熱特性とがバランス良く改良されていることが分かる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、配合ゴムに高度の耐摩耗性と低位の発熱特性を同時にバランス良く付与することのできるカーボンブラック、及び、このカーボンブラックをゴム成分に配合した、特に苛酷な走行条件下に使用されるタイヤトレッドゴム用として好適なゴム組成物を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカーボンブラックを製造するのに用いたオイルファーネス炉を例示した側断面略図である。
【符号の説明】
１　空気供給口
２　燃料油バーナ
３　燃焼室
４　原料油噴射ノズル
５　狭径反応室
６　Ａ重油供給ノズル
７　冷却水噴霧ノズル
８　広径反応室
【図１】
2004026973.tif 000008