(57)【要約】【課題】  長時間加硫しても加硫戻りによる品質低下を抑制することができ、かつ免震機能の指標である１００％剪断変形時の応力を維持しつつ、水平方向の大きな変形にも追従することができる免震支承構造体用のゴム組成物、及びそのようなゴム組成物を用いた免震積層体を提供する。【解決手段】  ジエン系ゴム９９〜９０重量部を基材として、液状ポリイソプレン１〜１０重量部を配合させることにより、上記課題を解決しうるゴム組成物を得た。液状ポリイソプレンとしては、ポリイソプレンの無水マレイン酸付加物又はマレイン酸モノメチルエステル付加物が好ましい。さらに、加硫戻りを効果的に抑制するためにα，β不飽和カルボン酸金属塩として、特にメタクリル酸亜鉛を０.５〜１０重量部含有することが好ましい。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジエン系ゴム９９〜９０重量部に液状ポリイソプレン１〜１０重量部を配合したことを特徴とする免震積層体用ゴム組成物。
【請求項２】
前記液状ポリイソプレンが、無水マレイン酸付加物又はマレイン酸モノメチルエステル付加物である請求項１に記載の免震積層体用ゴム組成物。
【請求項３】
α，β不飽和カルボン酸金属塩、又はα，β不飽和カルボン酸と金属化合物をさらに含有する請求項１又は２に記載の免震積層体用ゴム組成物。
【請求項４】
前記α，β不飽和カルボン酸金属塩が、メタクリル酸亜鉛又はアクリル酸亜鉛である請求項３に記載の免震積層体用ゴム組成物。
【請求項５】
前記α，β不飽和カルボン酸金属塩の含有量が、０.５重量部以上１０重量部以下である請求項３に記載の免震積層体用ゴム組成物。
【請求項６】
前記α，β不飽和カルボン酸が、メタクリル酸又はアクリル酸である請求項３に記載の免震積層体用ゴム組成物。
【請求項７】
請求項１乃至６に記載の免震積層体用ゴム組成物からなるゴム層と金属層が、上下方向に交互に積層された積層体を備える免震積層体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建築物や橋梁等の免震支承構造体に使用される積層体用のゴム組成物、及び当該ゴム組成物を用いた免震積層体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地震による建物、橋梁等の構築物の被害を防止するために、ゴム層と金属層が上下方向に交互に積層され、互いに接着された積層体を備えた免震支承構造体が普及しつつある。この免震支承構造体では、構築物に伝わる振動周期を地震の周期よりも長くする機能（いわゆる免震機能）と、振動を減衰させる機能（いわゆる減衰機能）により、地震による構築物の被害を軽減する。
【０００３】
免震支承構造体の免震機能は、ゴム層のバネ特性を利用するのが一般的であるが、減衰機能は、ゴム層自体の減衰機能により発揮される場合（高減衰ゴム）と、別途減衰機能を有するダンパー（オイルダンパー、摩擦ダンパー、鉛ダンパー等）を設置することにより発揮される場合がある。高減衰ゴムを用いる場合、別途ダンパーを設置する必要がないため免震支承構造体のコストが安いが、ゴムの温度依存性やクリープ等のために、免震機能は、ダンパーを設置する場合に比べて劣る。特許文献１及び２には、ゴム積層体用の高減衰性ゴム組成物が開示されている。
【０００４】
一方、別途ダンパーを設置する場合は、ダンパーを設置する分だけコスト高になってしまうが、減衰機能は、高減衰性ゴムを用いる場合と比較して高く、信頼性の高い免震支承構造体を得ることが可能である。特許文献３及び４には、ダンパー併用式免震積層体に用いることができるゴム組成物が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−８０４２４号公報
【特許文献２】特開平１１−２６３８７９号公報
【特許文献３】特開平１１−５８７３号公報
【特許文献４】特開平１１−３４２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、免震積層体には上記免震機能と減衰機能の他に、耐剪断破壊性能、すなわち水平方向の変形に対する追従性も重要と考えられる。大地震時に生じる水平方向の大変形に耐えることができなければ、構築物を元の位置に戻せないだけでなく、構築物の崩壊も招きかねないからである。しかし、免震支承構造体に対する免震性能の要求水準は、年々アップしてきている。従来、特に橋梁用の支承ゴムの剪断破壊伸びは、３００％程度であることが要求されていたが、最近では３５０％以上であることが要求されるようになってきている。この免震積層体における３５０％以上という値は、２５ｍｍ幅×２５ｍｍ長さ×５ｍｍ厚のゴム片を２枚の鋼板間に加硫接着した試験片による剪断破壊伸びでは、４２０％以上に相当することが過去のデータから明らかである。
【０００６】
ここで、１００％剪断応力（ＭＰａ）は、建物等の構造物の固有周期を長くして地震を緩和する能力の指標であるが、ゴムとしては数値が高くなるほど剪断破壊伸び（％）が小さくなり、地震時の大きな変位に追従しにくくなる。このため、特に橋梁用の支承ゴム等では１００％剪断応力（ＭＰａ）が０.８〜１.４の範囲のものが多く、かつ剪断破壊伸びが、現在要求されている水準である３５０％以上（試験片では４２０％以上）であることが望ましい。しかし、例えば特許文献３及び４のゴム組成物では、免震支承構造体に要求される最近の免震性能を満たすことが困難になっていた。
【０００７】
一方、免震積層体は、大きいものでは直径又は一辺が１ｍを超えるものもあり、ゴム製品としては極めて大型で厚肉の部類に属する。このような大型厚肉製品を加熱・加圧して加硫する際に、熱源から離れた外径と内径の中間部分まで十分加硫するためには、加熱時間を長くして中間部分まで熱を伝える必要がある。しかし、加熱時間を長くすれば熱源に近い部分が過剰に熱せられ、この部分のゴムが劣化し、ゴム層と金属層との接着力が低下することになる。特に、天然ゴムに硫黄を混練した配合ゴムは、一般的に長時間加熱すると加硫戻りを起こし、品質が低下しやすい。
【０００８】
加硫戻りを抑制する方法として、硫黄の配合量を減少させることが行われるが、硫黄の配合量を少なくするとゴム層と金属層の接着力が低下し、地震時に構築物の加重を受けた状態で水平方向に大変形が生じた際に、ゴム層と金属層の接着界面が剥離し、免震支承構造体の機能が損なわれるおそれがある。
【０００９】
本発明は、長時間加硫しても加硫戻りによる品質低下を抑制することができ、かつ免震機能の指標である１００％剪断変形時の応力を維持しつつ、水平方向の大きな変形にも追従することができる免震支承構造体用のゴム組成物、及びそのようなゴム組成物を用いた免震積層体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】
【００１０】
本発明は、ジエン系基材ゴムに所定量の液状ポリイソプレンを配合したゴム組成物に関する。また、本発明は、そのようなゴム組成物から構成される免震積層体に関する。
【００１１】
具体的に、本発明は、ジエン系ゴム９９〜９０重量部に液状ポリイソプレン１〜１０重量部を配合することを特徴とする免震積層体用ゴム組成物に関する（請求項１）。また、本発明は、そのような免震積層体用ゴム組成物からなるゴム層と金属層が上下方向に交互に積層された積層体を備える免震積層体（請求項７）に関する。
【００１２】
ゴム組成物は、長時間の加硫中に分子切断と再結合が同時に起こるが、分子切断の比率が高いと加硫戻りが大きくなって品質が低下する。本発明のゴム組成物は、ジエン系ゴムに液状ポリイソプレンを配合することにより、分子の切断が起こりにくくなるか、又は分子の再結合が起こりやすくなることで、加硫戻りが生じにくくなる。それにより本発明の組成物は、２５ｍｍ幅×２５ｍｍ長さ×５ｍｍ厚のゴム片を２枚の鋼板間に加硫接着した試験片において、１００％剪断応力（ＭＰａ）が０.８〜１.４の範囲で、かつ４２０％以上の高い剪断破壊伸びを示す。
【００１３】
液状ポリイソプレンが１重量部未満では加硫戻り抑制効果が期待できず、１０重量部を超えても加硫戻り抑制効果が飽和するだけでなく、剪断破壊伸び（％）が低下する。
【００１４】
液状ポリイソプレンに官能基があると、切断された分子の再結合が起こりやすくなるとともに、分子構造上の規則性がより乱れて伸張結晶性が抑制され、図１に示すように、ハードニング開始歪みが高歪み側にシフトされ、同じ剪断応力における剪断破壊伸び（％）が増大する。このため本発明のゴム組成物に用いる液状ポリイソプレンとしては、官能基を有する無水マレイン酸付加物又はマレイン酸モノメチルエステル付加物であることが好ましい（請求項２）。
【００１５】
本発明のゴム組成物は、オイル硫黄との共架橋剤としてα，β不飽和カルボン酸金属塩、又はα，β不飽和カルボン酸と金属化合物をさらに含有させてもよい（請求項３）。α，β不飽和カルボン酸金属塩、又はα，β不飽和カルボン酸と金属化合物は、加硫戻り抑制効果と剪断破壊伸びに加えて、金属との接着性を向上させる効果が期待できる。特に、α，β不飽和カルボン酸としては、メタクリル酸、アクリル酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸等が挙げられ、ベースゴムの分散性と共架橋性に優れる点でメタクリル酸及びアクリル酸が好ましい。α，β不飽和カルボン酸金属塩の金属としては、亜鉛、ニッケル、マグネシウム、ナトリウム、カリウム等が挙げられ、共架橋性に優れる点で亜鉛を用いることが好ましい（請求項４）。メタクリル酸金属塩を含有させる場合には、０.５重量部未満では上記効果が期待できず、１０重量部を超えると剪断破壊伸び（％）が低下することから、０.５重量部以上１０重量部以下とすることが好ましい（請求項５）。また、α，β不飽和カルボン酸として、特に、メタクリル酸又はアクリル酸を亜鉛化合物と共に含有させてもよい（請求項６）。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のゴム組成物は、ジエン系ゴム９９〜９０重量部に液状ポリイソプレン１〜１０重量部を配合することにより加硫戻りによる品質低下が起きにくいため、硫黄配合量を減少させる必要がなく、ゴム層と金属層の接着界面が剥離しにくい。しかも、免震機能の指標である１００％剪断変形時の応力を維持しつつ、地震時に生じる水平方向の大きな変形にも追従することが可能である。本発明のゴム組成物を免震積層体に用いることにより、従来の免震積層体と比較して免震性能が高まり、より効果的に地震による構築物の崩壊を防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り下記に限定されるものではない。
【００１８】
図２に本発明の一実施形態に係る免震積層体の断面図を示す。鉛ダンパー併用式免震積層体１は、ゴム層２と金属層３とが複数枚ずつ、上下方向に交互に積層された積層体４を備えている。ゴム層２と金属層３とは、加硫接着されている。ゴム層２及び金属層３の平面形状は、円形である。積層体４は、その外周に外皮ゴム５を備えている。ゴム層２と外皮ゴム５とは、積層体４の加硫時にゴム流動により一体とされる。金属層３には種々の金属材料が適用可能であるが、一般的にはスチールが用いられる。積層体４の上下には、スチール等からなるフランジ部６ａ、６ｂが設けられている。フランジ部６ａ、６ｂとこのフランジ部６ａ、６ｂに当接するゴム層２とは、加硫接着されている。免震積層体の中心部には鉛ダンパー７が積層体を上下に貫通するように設置される。上方のフランジ部６ａは適切な連結手段（図示されず）により基礎地盤と連結され、上方のフランジ部６ｂは適切な連結手段（図示されず）により建物、橋梁等の構築物と連結される。
【００１９】
図３に本発明の別の実施形態に係る免震積層体の断面図を示す。ダンパー非併用式免震積層体１１は、鉛ダンパー７を有しない点を除き、図２に示す鉛ダンパー併用式免震積層体１と基本構造は同じである。図２のダンパー非併用式免震積層体１１は、積層体１４を上下に貫通するように中心孔１７を有して中心部が空洞となっているが、こうした中心孔１７を有さない、図４に示すダンパー非併用式免震積層体も、本発明に係る免震積層体に含まれる。
【００２０】
ゴム層２には、本発明のゴム組成物が用いられる。本発明のゴム組成物の基材となる未加硫ゴムは、天然ゴム（ＮＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、アクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）等のジエン系ゴムであればよいが、破壊特性に優れる点においては、天然ゴムが適している。
【００２１】
さらに、本発明のゴム組成物には、加硫剤、加硫促進剤、加硫遅延剤、加硫促進助剤、老化防止剤、補強剤、軟化剤、充填剤等の薬品を適時配合することもできる。
（ゴム組成物の製造）
【実施例１】
【００２２】
天然ゴム（ＳＭＲ製ＣＶ６０）９５重量部を１.５リットルのＢＲ型バンバリーに投入し、素練りした。これに、液状ポリイソプレン（１）（クラレ製ＬＩＲ−３０：ポリイソプレンのモノメチルエステル付加物）５重量部と、補強剤としてＨＡＦカーボンブラック（東海カーボン製シースト３）４８重量部と、加硫促進助剤として酸化亜鉛（堺化学製酸化亜鉛）３重量部、加工助剤としてステアリン酸（日本油脂製ステアリン酸椿）１重量部と、老化防止剤としてＮ−フェニル−Ｎ−イソプロピル−ｐ−フェニレンジアミン１重量部と、硫黄（細井化学工業製オイル硫黄）１.２重量部と、スルフェンアミド系加硫促進剤としてＮ−シクロヘキシル−２−ベンゾチアゾールスルフェンアミド（ＣＢＳ：大内新興化学工業株式会社製、商品名「ノクセラーＣＺ−Ｇ」）０.８重量部、チウラム系加硫促進剤としてテトラキス（２−エチルヘキシル）チウラムジスルフィド（ＴＯＴ：大内新興化学工業株式会社製、商品名「ノクセラーＴＯＴ−Ｎ」）０.５重量部とを投入し、５分間混練して排出させた。排出されたゴム組成物をオープンロールで練り、厚み５.０ｍｍのシートとなるようにシーティングした。この未加硫ゴムシートを物性試験用試験片の作製に用いた。なお、加硫温度と時間は、免震積層体が大型で、加硫時に熱が伝わりにくく長時間を要する点より、１５０℃×３００ｍｉｎとした。
【実施例２】
【００２３】
液状ポリイソプレン（１）５重量部の代わりに、液状ポリイソプレン（２）（クラレ製ＬＩＲ−４０３：ポリイソプレンの無水マレイン酸付加物）５重量部を用いた以外は、実施例１と同じである。
【実施例３】
【００２４】
液状ポリイソプレン（２）１重量部を用いた以外は、実施例２と同じである。
【実施例４】
【００２５】
液状ポリイソプレン（２）１０重量部を用いた以外は、実施例２と同じである。
【実施例５】
【００２６】
液状ポリイソプレン（１）５重量部の代わりに、液状ポリイソプレン（３）（クラレ製ＬＩＲ−４１０：ポリイソプレンの無水マレイン酸付加物）５重量部を用いた以外は、実施例１と同じである。
【実施例６】
【００２７】
共架橋剤としてメタクリル酸亜鉛２重量部をさらに配合した以外は、実施例２と同じである。
【実施例７】
【００２８】
メタクリル酸亜鉛を０.５重量部とした以外は、実施例６と同じである。
【実施例８】
【００２９】
メタクリル酸亜鉛を５重量部とした以外は、実施例６及び７と同じである。
【実施例９】
【００３０】
メタクリル酸亜鉛を１０重量部とした以外は、実施例６〜８と同じである。
【実施例１０】
【００３１】
共架橋剤としてアクリル酸マグネシウム２重量部を配合した以外は、実施例２と同じである。
【実施例１１】
【００３２】
共架橋剤としてメタクリル酸１.０重量部と硫化亜鉛１.０重量部を配合した以外は、実施例２と同じである。
【００３３】
［比較例１］
天然ゴムを１００重量部とし、液状ポリイソプレン（１）を配合しない以外は、実施例１と同じである。
【００３４】
［比較例２］
ＨＡＦカーボンブラックを５５重量部とした以外は、比較例１と同じである。
【００３５】
［比較例３］
天然ゴムを８０重量部とし、液状ポリイソプレン（２）を２０重量部とした以外は、実施例１と同じである。
【００３６】
実施例及び比較例のゴム組成物の原料組成並びに物性の一覧は、表１に示した。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
（加硫戻り抑制効果）
全ての実施例及び比較例のゴム組成物の加硫（条件：１５０℃、３００ｍｉｎ）時において、レオメーターの最大トルクと加硫終了時トルクを測定し、トルク差を求めた。このトルク差＝最大トルク−加硫終了時トルク（ｄＮｍ：デシ・ニュートン・メートル）は、ゴム組成物の加硫戻りの指標であり、トルク差が小さいほど加硫戻りが小さく、トルク差が大きいほど加硫戻りが大きいことを表す。各ゴム組成物のトルク差は、表１に記載した通りである。
【００３９】
液状ポリイソプレンを配合していない比較例１及び２は、トルク差がそれぞれ１.５及び１.７であったが、実施例のトルク差は、全て１以下であった。特に、実施例４及び実施例６〜８は、トルク差が０であり、加硫戻りが非常に小さいゴム組成物であった。
【００４０】
実施例１、２及びの５の比較から、同じ５重量部を天然ゴム９５重量部に配合する場合の加硫戻り抑制効果は、液状ポリイソプレン(１)よりも液状ポリイソプレン(２)及び（３）が高かったが、ゴム組成物の１００％剪断応力（ＭＰａ）と剪断破壊伸び（％）は、同等であった。また、実施例２〜４及び比較例３の比較から、液状ポリイソプレン(２)の配合量が多いほど加硫戻り抑制効果が高いことが考察されたが、２０重量部にまで配合量を増加させると剪断破壊伸び（％）が低下したことから、液状ポリイソプレン(２)は、１〜１０重量部とすることが好ましかった。
【００４１】
実施例２及び実施例６〜９の比較から、メタクリル酸亜鉛を０.５重量部以上添加することによりトルク差が０となり、加硫戻りを効果的に抑制することが確認された。ただし、メタクリル酸亜鉛の添加量が増えると剪断破壊伸び（％）が低下する傾向が見られたので、メタクリル酸亜鉛の添加量は、１０重量部以下にすることが好ましい。
【００４２】
（材料剪断試験に用いる試験片の作成）
実施例及び比較例のゴム組成物
上記実施例１〜９及び比較例１〜３のゴム組成物のシートを、図２に符号８で示されるような厚み５ｍｍ、縦２５.０mm×横２５.０mmのブロック状のゴム片に打ち抜いた。符号９ａ及び９ｂで示される金属板として、厚み２.６ｍｍの鋼板を縦２５.０mm×横６０.０mmに切断した。金属板９ａ、９ｂの接着面をサンドブラストにより研磨して脱脂し、直後に塩素含有量が１５重量％の加硫接着剤を塗布して乾燥させた。そして、図４に示されるようにゴム片８の上面及び下面に金属板９ａ、９ｂを貼り付け、１５０℃×３００ｍｉｎの条件で加硫して、材料剪断試験に用いる試験片を得た。
【００４３】
（剪断破壊試験）
上記各試験片の上側金属板９ａを固定し、下側金属板９ｂを図２中右側に５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で引っ張り、ゴム片８の厚みと同じ５ｍｍ変位したときの応力（１００％応力：ＭＰａ）を測定した。また、応力測定後、上記各試験片が破断するまで同じ速度で引っ張り、破断時における下側金属板９ｂの変位（ｍｍ）を測定した。この変位の、ゴム片８の厚みである５ｍｍに対する比率（％）を剪断破壊伸びとした。各試験片についての１００％剪断応力及び剪断破壊伸びの測定結果は、表１に示した通りである。
【００４４】
地震の震動周期を長くして緩和する能力の指標とされる１００％剪断応力（ＭＰａ）は、実施例及び比較例とも、従来から常用されている０.８〜１.４ＭＰａのレベルを維持できていることがわかる。
【００４５】
一方、剪断破壊伸び（％）については、比較例が３９０〜４１０％であるのに対し、実施例は４２０〜４７０％であり、実施例の方が伸びの数値が５０％以上向上していることがわかる。
【００４６】
地震時の大きな変位は、水平方向に生じるため、上記試験片による剪断破壊伸びは、図２乃至４に示した免震積層体の水平変位対応力の指標となる。実施例のゴム組成物を用いた図３に示す構造の免震積層体は、比較例のゴム組成物を用いた同じ構造の免震積層体よりも、５０％以上大きな水平方向の変位３５０％まで破壊されなかった。このような免震積層体を備えることにより、ダンパー式免震支梁構造体の安全性、信頼性及び復元性を高めることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
このように、本実施例のゴム組成物は、比較例のゴム組成物と比較して、剪断破壊性能が高く、図２乃至４に示すような免震積層体に用いる場合には、より大きな水平方向の変位に耐えることができる。また、本実施例のゴム組成物を用いた免震積層体は、各種免震支承構造体に用いることができるが、特に、図２に示すダンパー併用式免震支承構造体に用いることが好ましく、従来品と比較してより高い安全性、信頼性及び復元性を発揮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明のゴム組成物の剪断破壊伸びの改善効果を表す概念図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るダンパー併用式免震積層体の断面図である。
【図３】本発明の別の実施形態に係るダンパー非併用式免震積層体の断面図である。
【図４】本発明のさらに別の実施形態に係るダンパー非併用式免震積層体の断面図である。
【図５】剪断破壊試験に用いる試験片を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００４９】
１：ダンパー併用式免震積層体
１１：中心孔を有するダンパー非併用式免震積層体
２１：中心孔を有さないダンパー非併用式免震積層体
２，１２，２２：ゴム層
３，１３，２３：金属層
４，１４，２４：積層体
５，１５，２５：外皮ゴム
６ａ，１６ａ，２６ａ：下部フランジ部
６ｂ，１６ｂ，２６ｂ：上部フランジ部
７：鉛ダンパー
１７：中心孔
８：ゴム片
９ａ：上側金属板
９ｂ：下側金属板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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