(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記 (1)、(2) 式の関係を充足する選択的特性を備えることを特徴とするカーボンブラック。
Ｂ＞１３５    …(1)
Ｂ≧−８．４×Ｄｐ＋２８４… (2)
但し、Ｂはブラックネス（％）、Ｄｐは水銀圧入法により測定される凝集体空隙直径（nm）である。
【請求項２】
天然ゴム、合成ゴム、又はそれらのブレンドゴム１００重量部に対し、請求項１記載のカーボンブラックを２５〜２００重量部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を付与することが可能なカーボンブラック、及び該カーボンブラックを配合したゴム組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゴム補強用のカーボンブラックには、具備特性に応じた多様の品種があり、これらの品種特性がゴムに配合した組成物の諸性能を決定付けるための主要な因子となる。このため、通常ゴムへの配合に当たっては、部材用途に適合する品種特性のカーボンブラックを選定使用する手段が慣用されている。
【０００３】
例えば、タイヤトレッド部のような高度の耐摩耗性が要求されるゴム部材にはＳＡＦ（Ｎ１１０）、ＩＳＡＦ（Ｎ２２０）などの粒子径が小さいハード系カーボンブラックが適用されている。しかしながら、ゴム組成物の耐摩耗性は配合するカーボンブラックの粒子径が小さく、比表面積が大きいほど向上させることができるが、その反面、他のゴム物性、例えば、発熱性が増大するなどの難点がある。
【０００４】
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、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付与することによって、カーボンブラック配合ゴム物性の性能改善を図る試みが盛んに行われている（例えば、特開平３−50249 号公報、同３−121165号公報、同４−209640号公報など) 。
【０００５】
一方、粒子径が小さく、比表面積が大きいカーボンブラックは、ゴム成分に配合する際の混練過程において凝集し易く、また、ゴム成分が高粘度化して硬度が増大するために、ゴム成分にミクロな状態で均質に分散させることが極めて困難である。その結果、耐摩耗性の向上効果は必ずしも充分なものではなかった。
【０００６】
そこで、本出願人は分散加工性に優れ、高度の耐摩耗性が付与されたゴム組成物として、窒素吸着比表面積(N2SA)が１４０m2/g以上のハード領域に属し、粒子凝集体空隙直径(nm)が、５９．１８２−０．２３６×〔Ｎ2 ＳＡ〕式で算出される値以上の特性値を有するカーボンブラックをゴム成分１００重量部に対し３５〜１００重量部の割合で配合してなるゴム組成物（特開昭64−136 号公報）を開発提案した。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、更に、カーボンブラックの特性と配合ゴムの耐摩耗性との関係について、配合ゴム中におけるカーボンブラックの分散形態に着目して研究を進めた結果、カーボンブラックがゴム組成物中で形成する三次元網目状のネットワーク構造が、ゴム組成物の耐摩耗性と深く係わることを見出した。
【０００８】
本発明は、この知見に基づいて開発に至ったもので、その目的は配合ゴムに高度の耐摩耗性、特に低スリップ領域において高度の耐摩耗性を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配合した高度の耐摩耗性を備えたゴム組成物を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明のカーボンブラックは、下記 (1)、(2) 式の関係を充足する選択的特性を備えることを構成上の特徴とする。
Ｂ＞１３５    …(1)
Ｂ≧−８．４×Ｄｐ＋２８４… (2)
但し、Ｂはブラックネス（％）、Ｄｐは水銀圧入法により測定される凝集体空隙直径（nm）である。
【００１０】
また、本発明のゴム組成物は、天然ゴム、合成ゴム、又はそれらのブレンドゴム１００重量部に対し、上記のカーボンブラックを２５〜２００重量部配合してなることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
カーボンブラックのブラックネスＢは、カーボンブラックの黒さを表す指標として古くから用いられており、カーボンブラックの粒子径、比表面積、凝集体の大きさなどに影響される。したがって、ブラックネスＢはカーボンブラックの粒子性状をはじめとする多くのコロイダル特性を含む総合的な特性要素ということができ、下記の方法により測定される。
【００１２】
ブラックネスＢの測定法；
粒度１４９μm 以下の乾燥カーボンブラック試料０．５００g を採取し、ガラス板上でアマニ油を滴下しながら充分に練り合わせたのち、フーバーマラーに移し、フーバーマラー上で１５ポンドの荷重で２５回転の練りを５回繰り返し行ってペーストを調製する。このペーストの少量をガラス板上に載せ、ドクターブレードを用いて薄膜を形成させる。予め基準試料ＩＲＢ＃２について同様に形成した薄膜上にデンシクロン反射計（Sargent Welch Scientific社製）のヘッドを置いて５０％に設定し、ヘッドを少なくとも３ヶ所移動させたときのメーター値が４９．５〜５０．５％になることを確認する。次いで、カーボンブラック試料の薄膜上にヘッドを置いて５ヶ所の値を読み取り、その平均値をＴとして、下記式によりブラックネスＢの値を算出する。
Ｂ（％）＝（５０／Ｔ）×１００
【００１３】
このように、ブラックネスＢはアマニ油に混練分散させた状態で測定されることから、その値はカーボンブラックの粒子性状などのコロイダル特性を含む総合的な特性要素であるとともに分散状態の影響を受けることとなる。すなわち、ブラックネスＢの測定値は、ゴム中において分散したカーボンブラックの三次元網目構造に近い状態で測定される特性と見なすことができる。
【００１４】
本発明のカーボンブラックにおいて、第１の特性要件として、このブラックネスＢの値を１３５を超える値に設定する理由は、耐摩耗性を確保する前提となるもので、Ｂの値が１３５以下では耐摩耗性が低下する。
【００１５】
更に、本発明のカーボンブラックは、第２の特性要件として、ブラックネスＢの値がカーボンブラックの凝集体空隙直径Ｄｐ(nm)との関係において、(2) 式の関係、すなわち、Ｂ≧−８．４×Ｄｐ＋２８４の関係を充足することが必要である。
【００１６】
なお、凝集体空隙直径Ｄｐ(nm)は次の方法により測定される値である。
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（３ml）中に、粒度２５０〜５００μm に調整したカーボンブラックペレット０．２g を装填したのち、圧力２５〜２０００lb/in2の範囲で水銀を圧入し、圧入される水銀量が急激に増加する点の圧力を測定する。この圧力値からカーボンブラックの凝集体空隙直径（nm）を算出する。
【００１７】
上記方法により測定される凝集体空隙直径Ｄｐは、カーボンブラック粒子が融着結合した３次元網目構造の大きさを示す指標となるものであって、ブラックネスＢと(2) 式の関係、Ｂ≧−８．４×Ｄｐ＋２８４、すなわち、一定の凝集体空隙直径Ｄｐに対し、ブラックネスＢの値が相対的に大きい場合には、配合ゴム中におけるカーボンブラック３次元網目構造が形成する空隙は複雑かつ均一なものとなり、耐摩耗性の向上に機能する。
【００１８】
このように、本発明のカーボンブラックは、ブラックネスＢの値が大きく、かつ、一定の凝集体空隙直径Ｄｐに対するブラックネスＢの値が相対的に大きいことを特徴とし、これらの特性が相乗的に機能して配合ゴムに高度の耐摩耗性を付与することが可能となる。
【００１９】
本発明のゴム組成物は、上記の特性を備えた本発明のカーボンブラックを、天然ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエン共重合ゴム、ブチルゴム、アクリロニトリルゴム、その他常用の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、２５〜２００重量部の割合で配合したものである。カーボンブラックの配合割合が２５重量部を下回る場合には充分な補強効果が得られず、高度の耐摩耗性を付与することができない。一方、２００重量部を超えるとゴム成分への配合混練時に粘度が上昇して加工性が著しく低下するためである。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とともに混練してゴム組成物が得られる。
【００２０】
本発明のカーボンブラックは、緩徐に収斂、開口する鼓状絞り部をもつ円筒反応炉を用い、燃料油と空気または窒素を含む適宜な酸化剤とによる高温燃焼ガス中に原料油の霧化気流を２段に導入することにより製造される。原料油にはクレオソート油、エチレンボトム油、ＦＣＣ油などの高芳香族系重質油が使用され、高温燃焼ガスとの良質な均質混合状態を得るために霧化噴射ノズルを介して充分な微粒子気流として導入する。霧化噴射ノズルは、例えば水冷外筒を有し炉軸方向に伸縮可能な外筒ノズルとこれに装着された伸縮自在な中軸筒ノズルからなる二重構造のものが使用され、燃焼バーナとは別に炉頭部に装着される。原料油は霧化気体とともに外筒ノズル及び中軸筒ノズルを介して２段に分割導入されるが、この際の原料油導入位置は外筒ノズルの進退と中軸ノズルの伸縮によって変更することができる。本発明のカーボンブラックは、上記の装置を用い供給する空気量、窒素量及び燃料油量、原料油の分割導入点、生成カーボンブラックの炉内滞留時間などを制御することにより製造することができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。
【００２２】
実施例１〜４、比較例１〜６
(1)カーボンブラックの製造
炉頭部に接線方向空気供給口を備えたウインドボックスと下流側出口が緩やかに収斂する燃焼室（内径400mm 、長さ800mm ）を設置し、該燃焼室と同軸的に連結する狭径部（内径200mm 、長さ200mm ）及びこれに引き続き開口するテーパー状反応室（内径500mm 、長さ9000mm）とからなるオイルファーネス炉において、炉頭から炉中心軸に沿って二重円筒構造の原料油霧化噴射ノズルを装着し、その周辺に４本の燃焼バーナを設置した。原料噴射ノズルは、上流側の原料導入点（外筒ノズルの噴出口）が収斂部位に、下流側原料導入点は狭径部位にそれぞれ位置するように調整した。
【００２３】
このオイルファーネス炉により、原料油に比重（15/4℃）１．１２７、トルエン不溶分０．０５％、相関係数（BMCI）１５９、初留点２１８℃の芳香族炭化水素油を、また燃料油には比重（15/4℃）１．０２７、トルエン不溶分０．０１％、相関係数（BMCI）１１１、初留点１３６℃の炭化水素油を用いて、反応条件を変えて特性の異なるカーボンブラックを製造した。適用した製造条件と得られたカーボンブラックの特性を表１に示した。
【００２４】
【表１】
0003905676.tif 000002
【００２５】
(2)ゴム組成物の作成
これらのカーボンブラックを表２に示す配合割合で天然ゴムに配合し、配合物を１４５℃の温度で３０分間加硫してゴム組成物を作製した。
【００２６】
【表２】
0003905676.tif 000003
【００２７】
(3)ゴム特性試験
作製した各ゴム組成物についてランボーン摩耗試験機（機械式スリップ機構）を用いて、次の条件で摩耗量を測定し、得られた結果を表１に併載した。また、図１にブラックネスＢと摩耗量の関係を示した。
試験片：厚さ１０mm、外径４４mm
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/min.
エメリーホイール面と試験片の相対スリップ率：２４％
試験片回転数：５３５rpm
試験荷重：４kg
【００２８】
表１及び図１の結果から、実施例１〜４のカーボンブラックを配合したゴム組成物は、比較例１〜６のカーボンブラックを配合したゴム組成物に比較して、摩耗量が少なく、耐摩耗性に優れていることが判る。すなわち、ブラックネスＢの値が、Ｂ＞１３５の要件を満たさないカーボンブラックを配合した比較例４〜６のゴム組成物は、いずれも摩耗量が多く、また、Ｂ≧−８．４×Ｄｐ＋２８４の要件を充足しても（比較例４及び６）耐摩耗性は低位にあることが判る。更に、Ｂ＞１３５の要件を満たしていても、Ｂ≧−８．４×Ｄｐ＋２８４の要件を充足しない比較例１〜３のゴム組成物は、同等のＢ値である実施例１〜４に比べて摩耗量が多くなり、耐摩耗性に劣ることが認められる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明で特定した、ブラックネスＢ及び凝集体空隙直径Ｄｐの値が、Ｂ＞１３５…(1) 、及び、Ｂ≧−８．４×Ｄｐ＋２８４…(2) 式の関係を充足するカーボンブラックを用いることにより、配合ゴムに高度の耐摩耗性を付与することができ、高度の耐摩耗性を備えた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】実施例と比較例によるブラックネスＢと摩耗量の関係を示したグラフである。
【図１】
0003905676.tif 000004