РЕЗИНОВАЯ СМЕСЬ И ШИНА Российский патент 2015 года по МПК C08L21/00 B60C1/00 C08K3/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к резиновой смеси и шине и, в частности, к резиновой смеси для протектора шины, которая позволяет изготавливать протекторы шин, износостойкость, сопротивление качению, технологичность и стойкость к выкрашиванию которых одновременно улучшены (резиновая смесь для протектора шины, позволяющая изготавливать протекторы шин с низким тепловыделением, превосходной стойкостью к истиранию и высокой эластичностью по упругому отскоку) и пневматической шине, изготовленной с ее использованием.

Известный уровень техники

Существует спрос на протектор шины (резина протектора), который когда шина контактирует с поверхностью земли, проявляет как отличную стойкостью к истиранию при пробеге (стойкость к истиранию), так и низкие потери на гистерезис, которые возникают при деформации резины при работе (сопротивление качению), причем известно, что между этими свойствами существует взаимное влияние.

Свойства протектора шины зависят в значительной степени от физических свойств газовой сажи, включенной в резиновую смесь протектора шины (например, удельная площадь поверхности, структура, текстура поверхности и т.п.).

Например, если сажу с большой удельной поверхностью (малый диаметр первичных частиц) включают в резиновую смесь протектора шины, улучшается стойкость к истиранию, но возникают проблемы, такие как увеличение сопротивления качению, повышенное тепловыделение из-за затруднения диффузии сажи в резиновой смеси протектора шины и снижение технологичности из-за большого увеличения вязкости невулканизированной резины в резиновой смеси протектора шины.

Кроме того, если высокоструктурную сажу вводят в резиновую смесь протектора шины, улучшается стойкость к истиранию, но возникают проблемы, такие как более высокое сопротивление качению, снижение технологичности из-за большого увеличения вязкости невулканизированной резины в резиновой смеси протекторов шин, снижение стойкости к выкрашиванию шины, в которой используется резиновая смесь протектора шины, и, кроме того, увеличение тепловыделения.

Для решения этих проблем было исследовано включение сажи, имеющей специфические свойства, в резиновую смесь протектора шин (см., например, JP 5-230290 A (PTL1)).

Однако остается проблема, заключающаяся в том, что не могут быть одновременно улучшены стойкость к истиранию, сопротивление качению, технологичность и стойкость к выкрашиванию протектора шины.

Список цитированных источников

Патентная литература

PTL1: JP 5-230290 A

Краткое изложение существа изобретения

Целью настоящего изобретения является создание резиновой смеси для протектора шины, которая позволяет изготавливать протекторы шин, износостойкость, сопротивление качению, технологичность и стойкость к выкрашиванию которых одновременно были улучшены, и создание пневматической шины, изготовленной с использованием резиновой смеси.

В результате интенсивного исследования для достижения вышеуказанной цели, авторы изобретения установили, что вышеуказанная цель может быть достигнута при использовании резиновой смеси, включающей 20-100 частей масс. газовой сажи, смешанной со 100 частями масс. каучукового компонента, газовая сажа имеет удельную площадь поверхности по СТАВ 60-105 м²/г, адсорбцию масла 24M4DBP 70 (70 мл/100 г) - 105 см³/100 г (105 мл/100 г), N₂SA/IA 0,95 или менее, и удовлетворяет формуле (1). Другими словами, в результате интенсивного исследования для достижения вышеуказанной цели авторы изобретения установили, что когда удельная площадь поверхности (СТАВ) и структура (24M4DBP) газовой сажи увеличивается или уменьшается значение интенсивности окраски (TINT) также увеличивается или уменьшается, при этом площадь поверхности (СТАВ), структура (24M4DBP) и значение интенсивности окраски (TINT) имеют заданное соотношение, и при использовании резиновой смеси, в которой отношение N₂SA/IA удельной площади поверхности по адсорбции азота N₂SA к йодному числу IA удовлетворяет определенному условию, может быть достигнута вышеуказанная цель. Настоящее изобретение было выполнено на основе этих исследований.

Другими словами, резиновая смесь согласно настоящему изобретению включает 20-100 частей масс. газовой сажи, смешанной с 100 частями масс. каучукового компонента. Площадь поверхности СТАВ газовой сажи составляет 60-105 м²/г, адсорбция масла 24M4DBP 70-105 см³/100 г, N₂SA/IA 0,95 или менее, и удовлетворяет формуле (1):

Площадь поверхности СТАВ газовой сажи предпочтительно составляет 90-105 м²/г.

Адсорбция масла 24M4DBP газовой сажи предпочтительно составляет 85-105 см³/100 г.

Шина в соответствии с настоящим изобретением включает протектор шины, изготовленный с использованием резиновой смеси настоящего изобретения.

В соответствии с настоящим изобретением возможно получение резиновой смеси для протектора шины, которая позволяет изготавливать протекторы шин, износостойкость, сопротивление качению, технологичность и стойкость к выкрашиванию которых одновременно были улучшены.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение далее будет описано со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором:

фиг.1 представляет разрез устройства производства газовой сажи.

Осуществление изобретения

Ниже настоящее изобретение описывается более подробно.

Резиновая смесь

Резиновая смесь согласно настоящему изобретению включает, по меньшей мере, каучуковый компонент и газовую сажу и, при необходимости, может дополнительно включать другие компоненты, такие как оксид цинка, стеариновую кислоту, сшивающий агент, активатор сшивки и т.п.

Каучуковый компонент

Отсутствуют определенные ограничения каучукового компонента и он может быть выбран в соответствии с назначением. Примеры включают диеновый каучук, такой как натуральный каучук (NR), изопреновый каучук (IR), бутадиеновый каучук (BR), стирол-бутадиен сополимерный каучук (SBR), акрилонитрилбутадиеновый каучук (NBR) и т.п. Каждый из этих каучуков может быть использован отдельно, или два, или более могут быть использованы совместно.

Газовая сажа

Отсутствуют определенные ограничения газовой сажи и она может быть выбрана в соответствии с назначением, если площадь поверхности СТАВ составляет 60-105 м²/г и предпочтительно 90-105 м²/г.

Если площадь поверхности СТАВ составляет менее 60 м²/г, уменьшается сопротивление истиранию, а при более 105 м²/г, не могут быть получены ни требуемое сопротивление качению, ни требуемая технологичность. С другой стороны, площадь поверхности СТАВ в пределах вышеуказанного предпочтительного диапазона является преимущественной для достижения баланса между износостойкостью, сопротивлением качению и технологичностью.

Площадь поверхности СТАВ может, например, быть измерена в соответствии с методом ISO 6810.

Следует отметить, что небольшая площадь поверхности СТАВ сажи означает, что диаметр первичных частиц газовой сажи является большим.

Абсорбция масла 24M4DBP сажи конкретно не ограничена и может быть выбрана в соответствии с целью, пока абсорбция масла 24M4DBP составляет 70-105 см³/100 г, предпочтительно 85-105 см³/100 г. Если абсорбция масла 24M4DBP менее 70 см³/100 г, уменьшается сопротивление истиранию, а при превышении 105 см³/100 г, не могут быть достигнуты ни требуемые сопротивление качению, ни технологичность. С другой стороны, абсорбция масла 24M4DBP в пределах вышеуказанного предпочтительного диапазона является преимущественной для достижения баланса между износостойкостью, сопротивлением качению и технологичностью.

Абсорбция масла 24M4DBP может быть измерена, например, в соответствии с методом ISO 6894.

Следует отметить, что низкая абсорбция масла 24M4DBP газовой сажи означает, что сажа имеет пониженную структуру.

Значение N₂SA/AI газовой сажи конкретно не ограничено и может быть выбрано в соответствии с назначением, пока значение составляет 0,95 или менее и предпочтительно 0,88-0,95.

Если N₂SA/IA менее 0,88, стойкость к истиранию может снижаться, в то время как при превышении 0,95 не может быть достигнута стойкость к выкрашиванию. N₂SA/IA в пределах вышеуказанного предпочтительного диапазона является предпочтительным для создания стойкости к истиранию, совместимой со стойкостью к выкрашиванию.

Удельная площадь поверхности, определенная по адсорбции азота (N₂SA), может быть измерена, например, одноточечным методом в соответствии с ISO 4652-1, и йодное число IA может быть измерено в соответствии с методом ISO 1304. Затем может быть рассчитано их отношение N₂SA/IA.

Следует отметить, что низкое значение N₂SA/IA газовой сажи означает небольшое количество поверхностных функциональных групп газовой сажи.

TINT (интенсивность окраски) газовой сажи, абсорбция масла 24M4DBP и площадь поверхности СТАВ не имеют особых ограничений и могут быть выбраны в соответствии с назначением, при условии, что они удовлетворяют формуле (I):

Стойкость к истиранию не может быть достигнута, если TINT, абсорбция масла 24M4DBP и площадь поверхности СТАВ не удовлетворяют формуле (1).

TINT (интенсивность окраски) может быть измерена, например, в соответствии с методом ISO 5435.

Количество компаундируемой газовой сажи конкретно не ограничено и может быть выбрано в соответствии с назначением, если компаундируемое количество составляет 20-100 частей масс., и предпочтительно 30-70 частей по масс. относительно 100 частей масс. каучукового компонента в резиновой смеси.

Если количество компаундируемой газовой сажи составляет менее 20 частей масс., стойкость к истиранию уменьшается, а при превышении 100 частей масс. не может быть достигнуто требуемое сопротивление качению. С другой стороны, компаундируемое количество в пределах предпочтительного вышеуказанного диапазона является преимущественным для достижения стойкости к истиранию, совместимой с сопротивлением качению.

Способ получения газовой сажи

Способ получения газовой сажи, используемой в настоящем изобретении, не ограничен, при условии, что сажа имеет вышеуказанные свойства. В качестве способов получения газовой сажи хорошо известны печной, канальный, термический, ацетиленовый способы и т.п., при этом печной способ является наиболее общепринятым.

Газовая сажа, используемая в настоящем изобретении, может быть получена, например, печным способом с использованием цилиндрического устройства, имеющего первую зону (зона горения) для сжигания топлива и кислородсодержащего газа, такого как воздух, и получения газа сгорания; вторую зону (коническая зона), более узкую, чем первая зона для подачи сырья для газовой сажи и получения газовой сажи; и третью зону (реакционная зона), более широкую, чем суженная зона.

В предпочтительном осуществлении устройство описано со ссылкой на фиг.1. Устройство, показанное на фиг.1, включает первую зону 1 (зона ввода), вторую зону 2 (коническая зона) и третью зону 3 (реакционная зона), а также суженную часть 4 в части соединения второй зоны 2 с третьей зоной 3.

В качестве сырья для газовой сажи, вторая зона 2 подает углеводороды или т.п. в газ сгорания, образованный в первой зоне 1, и дает газовую сажу за счет главным образом термического разложения сырья. Вторая зона 2 постепенно становится более узкой, чем соединительная часть с первой зоной 1, и соединяется суженной частью 4 через узкую цилиндрическую часть 5.

Вторая зона 2 снабжена вводом сырья для подачи углеводородов или т.п. в устройство в качестве сырья для производства газовой сажи. Для подачи сырья во вторую 2 зону настолько равномерно, насколько это возможно, ввод 7 сырья может быть выполнен в виде нескольких рядов, например, вводов 7-1 - 7-3 сырья, показанных на фиг.1, и каждый ввод 7-1 - 7-3 сырья может быть сформирован из нескольких вводов.

Суженная часть 4, размещенная на соединительной части между второй зоной 2 и третьей зоной 3, представляет собой часть для контроля диаметра частиц полученной газовой сажи. Длина суженной части 4 может быть установлена в соответствии с требуемым диаметром частиц газовой сажи. В настоящем изобретении длина предпочтительно составляет около 200-600 мм, более предпочтительно 300-500 мм.

Третья зона 3 охлаждает газ сгорания, который проходит через суженную часть 4 вместе с газовой сажей до около 1000°C или менее для получения частиц газовой сажи, и образована широкой цилиндрической частью 6, имеющей больший диаметр, чем суженная часть 4. Газ сгорания охлаждается за счет подачи воды или т.п. через ввод 8 жидкости для остановки реакции. Ввод 8 жидкости для остановки реакции может быть выполнен с несколькими рядами, например, вводов 8-1 - 8-5 жидкости для остановки реакции, представленных на фиг.1.

Подача топлива и кислородсодержащего газа, такого как воздух, а так же количество подаваемого сырья и способ подачи конкретно не ограничен, но отношение диаметра третьей зоны 3 к диаметру суженной части 4 (диаметр третьей зоны 3/диаметр суженной части 4) предпочтительно составляет 1,8 или более, более предпочтительно 2 или более, и еще более предпочтительно 2,2 или более. Верхний предел отношения диаметра третьей зоны 3 к диаметру суженной части 4 конкретно не ограничен, но с учетом размера устройства отношение предпочтительно составляет около 4 или менее, и более предпочтительно 3,5 или менее. Следует отметить, что был описан пример предпочтительного осуществления способа получения газовой сажи, но способ получения газовой сажи настоящего изобретения не ограничивается таким путем.

Сшивающий агент

Сшивающий агент конкретно не ограничен и может быть выбран в соответствии с назначением. Примеры включают серу, сульфид (оксиды серы) и т.п. Каждый из них может быть использован отдельно, или два, или более могут быть применены совместно.

Увеличение количества компаундируемой серы, используемой в качестве сшивающего агента, увеличивает эластичность при сохранении стойкости к истиранию.

Активатор сшивки

Активатор сшивки конкретно не ограничен и может быть выбран в соответствии с назначением. Примеры включают N,N′-дициклогексил-2-бензотиазолилсульфенамид, дифенилгуанидин, дибензотиазилдисульфид, N-t-бутил-2-бензотиазилсульфенамид, (N-t-бутил-2-бензотиазолилсульфенамид), гексаметилентетрамин, N,N′-дифенилтиомочевину, триметилтиомочевину, N,N′-диэтилтиомочевину, 1,3-дифенилгуанидин, 2-меркаптобензотиазол, N-циклогексил-2-бензотиазолилсульфенамид и т.п. Каждый из них может быть использован отдельно, или два, или более могут быть применены совместно. Увеличение количества компаундируемого активатора сшивки повышает эластичность за счет увеличения плотности сшивки из-за поперечной сшивки.

Шина

Шина в соответствии с настоящим изобретением конкретно не ограничена и может быть выбрана в соответствии с назначением, если она включает протектор шины, изготовленный с использованием резиновой смеси настоящего изобретения. Однако предпочтительной является пневматическая шина.

Может быть использован обычный способ изготовления шины. Например, детали, обычно используемые в производстве шин, такие как слой каркаса, ленточный слой, слой протектора и т.п., изготовленные из невулканизированной резины, могут быть размещены на барабане для формования шин, и барабан может быть извлечен с получением невулканизированной шины. Затем невулканизированная шина может быть вулканизирована обычным способом, с получением тем самым требуемой пневматической шины.

Примеры

Ниже описаны конкретные примеры осуществления настоящего изобретения, однако настоящее изобретение не ограничивается этими примерами.

Примеры 1-3 и сравнительные примеры 1-10

Приготовление резиновой смеси

В пропорциях, перечисленных в таблице 1 ниже, компоненты смешивают в смесителе Bunbury для получения резиновых смесей. Свойства газовой сажи определяют методом, представленным ниже. Кроме того, газовую сажу готовят печным способом в условиях, перечисленных в таблице 2, используя печи производства Asahi Carbon Co. Ltd.

Следует отметить, что эта печь представляет собой цилиндрическое устройство, имеющее первую зону 1 (диаметр: 700 мм, длина: 1000 мм) для сжигания топлива и воздуха, вторую зону 2 (входной концевой диаметр: 700 мм, выходной концевой диаметр: 230 мм, длина: 1200 мм) для подачи сырой нефти и генерации сажи, суженную часть 4 (диаметр: 230 мм, длина: 400 мм), и третью зону (диаметр: 576 мм, длина: 5000 мм, отношение диаметра реакционной зоны/диаметр суженной зоны: 2,5).

Кроме того, в сравнительном примере 6 ASTM N330 использована в качестве газовой сажи, и в сравнительном примере 7 ASTM N339 использована в качестве газовой сажи.

Таблица 1   Компаундируемое количество (части масс.) Натуральный каучук 100 Газовая сажа 50 Стеариновая кислота 3 Оксид цинка 5 Активатор сшивки NS*1 1 Сера 1,5 Примечание *1: N-t-бутил-2-бензотиазолилсульфенамид

Таблица 2   Прим. 1 Прим. 2 Прим. 3 Сравн. прим. 1 Сравн. прим. 2 Сравн. прим. 3 Сравн. прим. 4 Сравн. прим. 5 Сравн. прим. 8 Сравн. прим. 9 Сравн. прим. 10 Технологический расход подаваемого воздуха кг/ч 1198 1195 1190 1201 1196 1194 1195 1192 1196 1194 1194 Температура предварительного нагрева °C 679 677 680 681 681 678 678 675 678 677 675 Расход подаваемого топлива кг/ч 57 57 55 57 56 55 56 55 56 56 55 Расход подаваемого сырого нефтепродукта кг/ч 298 302 325 294 302 307 355 304 285 304 297 Температура предварительного нагрева °C 198 196 189 200 197 191 185 197 204 195 198 Содержание калия ч/млн 0 10 0 0 3 0 0 20 0 22 0 Расход охлаждающей воды л/ч 150 145 120 130 130 155 145 170 140 142 145

Измерение площади поверхности СТАВ

Площадь поверхности СТАВ измеряют в соответствии с методом ISO 6810.

Измерение абсорбции масла 24M4DBP

Абсорбцию масла 24M4DBP измеряют в соответствии с методом ISO 6894.

Расчет N₂SA/IA

Удельную площадь поверхности (N₂SA) по адсорбции азота измеряют одноточечным методом в соответствии с ISO 4652-1, и йодное число IA измеряют в соответствии с методом ISO 1304. Затем рассчитывают их отношение N₂SA/IA.

Измерение TINT (интенсивность окраски)

TINT (интенсивность окраски) измеряют в соответствии с методом ISO 5435.

Изготовление и оценка шин

С использованием резиновых смесей, изготовленных, как описано выше, в протекторе шины грузовых шин 11R22.5 изготавливают вулканизацией при 150°C в течение 45 минут и износостойкость, сопротивление качению, технологичность и стойкость к выкрашиванию шин оценивают следующими способами. Таблицы 3A-3C представляют результаты.

Таблица 3A   Прим. 1 Прим. 2 Прим. 3 Сравн. прим. 1 Сравн. прим. 2 СТАВ (м²/г) 100 91 72 109 92 24M4DBP (см³/100 г) 101 88 104 107 96 TINT (%) 117 119 102 114 115 N₂SA/IA 0,94 0,93 0,93 0,93 0,98 TINT+0,4×24M4DBP-0,5×СТАВ 107 109 108 102 107 Показатель износостойкости 122 112 110 119 111 Показатель сопротивления качению 104 102 96 108 103 Показатель технологичности (ML₁₊₄) 113 103 101 119 109 Показатель стойкости к выкрашиванию (Испытание удлинения до разрыва) 115 116 105 107 104

Таблица 3В   Сравн. прим. 3 Сравн. прим. 4 Сравн. прим. 5 Сравн. прим. 6 Сравн. прим. 7 СТАВ (м²/г) 88 56 90 78 90 24M4DBP (см³/100 г) 100 102 68 86 101 TINT (%) 108 91 121 100 111 N₂SA/IA 0,93 0,97 0,98 0,99 1,03 TINT+0,4×24M4DBP-0,5×СТАВ 104 104 103 95 106 Показатель износостойкости 111 78 88 100 113 Показатель сопротивления качению 104 89 103 100 104 Показатель технологичности (ML₁₊₄) 111 78 88 100 111 Показатель стойкости к выкрашиванию (Испытание удлинения до разрыва) 107 88 121 100 103

Таблица 3C   Сравн. прим. 8 Сравн. прим. 9 Сравн. прим. 10 СТАВ (м²/г) 117 90 102 24M4DBP (см³/100 г) 102 66 115 TINT (%) 125 127 113 N₂SA/IA 0,93 0,94 0,93 TINT+0,4×24M4DBP-0,5×СТАВ 107 108 108 Показатель износостойкости 123 90 127 Показатель сопротивления качению 116 104 106 Показатель технологичности (ML₁₊₄) 133 93 133 Показатель стойкости к выкрашиванию (Испытание удлинения до разрыва) 116 127 104

Измерение показателя износостойкости

Вышеуказанные шины устанавливают на транспортное средство и после пробега в 40000 км измеряют степень уменьшения канавок шин и представляют в виде показателя, с обратной величиной уменьшения канавок шины согласно сравнительному примеру 6, принятой за 100. Больший показатель указывает лучшую износостойкость.

Измерение показателя сопротивления качению

Вышеуказанным шинам обеспечивают свободное вращение на барабане и сопротивление качению измеряют и представляют в виде показателя, причем сопротивление качению шины согласно сравнительному примеру 6 принимается за 100. Меньший показатель означает меньшее сопротивление качению, что является более хорошей характеристикой.

Измерение показателя технологичности (ML₁₊₄)

Вязкость по Муни (ML₁₊₄) образца невулканизированной резиновой смеси измеряют при 130°C в соответствии с JIS K6300 и представляют в виде показателя, причем его значением в сравнительном примере 6 принимается за 100. Чем меньше значение, тем лучше.

Измерение показателя стойкости к выкрашиванию (Испытание удлинения до разрыва)

В соответствии с JIS K6251-1993 испытание на удлинение проводят с образцом вулканизированной резиновой смеси (вулканизации: 30 минут при 145°C) и относительное удлинение до разрыва (Eb) измеряют при 23°C и представляют в виде показателя, причем значение в сравнительном примере 6 принимают за 100. Чем больше значение, тем лучше.

Таблицы 2А-2С показывают, что с использованием резиновой смеси, включающей 20-100 частей масс. газовой сажи, смешанной с 100 частями масс. каучукового компонента, газовая сажа с площадью поверхности СТАВ 60-105 м²/г, адсорбцией масла 24M4DBP 70-105 см³/100 г, N₂SA/IA 0,95 или менее, и удовлетворяет формуле (1), что позволяет изготавливать протектор шины, в котором одновременно улучшены износостойкость, сопротивление качению, технологичность и стойкость к выкрашиванию.

Список ссылочных позиций

1: Первая зона (зона сжигания)

2: Вторая зона (коническая зона)

3: Третья зона (реакционная зона)

4: Суженная часть

5: Узкая цилиндрическая часть

6: Широкая цилиндрическая часть

7: Ввод сырья

7-1 - 7-3: Ввод сырья

8: Ввод жидкости для остановки реакции

8-1 - 8-5: Ввод жидкости для остановки реакции.

Изобретение относится к резиновой смеси и к шине. Резиновая смесь включает серу, активатор сшивки, 20-100 мас.ч. газовой сажи, смешанной со 100 мас.ч. каучукового компонента. Газовая сажа имеет площадь поверхности СТАВ 60-105 м²/г, абсорбцию масла 24M4DBP 70-105 см³/100 г, N₂SA/IA 0,88-0,95, и удовлетворяет формуле

Изобретение позволяет улучшить износостойкость шины, сопротивление качению, технологичность и стойкость к выкрашиванию. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 5 табл.

1. Резиновая смесь, включающая
серу;
активатор сшивки и
20-100 мас. частей газовой сажи, смешанной с 100 масс. частями каучукового компонента, где газовая сажа имеет площадь поверхности СТАВ 60-105 м²/г, абсорбцию масла 24M4DBP 70-105 см³/100 г, удельную площадь поверхности, определенную по адсорбции азота N₂SA/йодное число IA 0,88-0,95, и удовлетворяет формуле (1):

причем площадь поверхности СТАВ измерена в соответствии с методом ISO 6810, абсорбция масла 24M4DBP измерена в соответствии с методом ISO 6894, удельная площадь поверхности, определенная по адсорбции азота (N₂SA), измерена одноточечным методом в соответствии с ISO 4652-1, йодное число IA измерено в соответствии с методом ISO 1304, TINT (интенсивность окраски) измерена в соответствии с методом ISO 5435.

2. Резиновая смесь по п. 1, в которой площадь поверхности СТАВ газовой сажи составляет 90-105 м²/г.

3. Резиновая смесь по п. 1, в которой абсорбция масла 24M4DBP газовой сажи составляет 85-105 см³/100 г.

4. Шина, включающая протектор шины, изготовленный с использованием резиновой смеси по п. 1.