JPWO2018148725A5 - Guayule tire tread compound - Google Patents
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Description
背景
タイヤ産業は、極めて競争的であり、従って、価格の変化に伴って、原材料を切り換えるのが可能なことが重要である。旅客タイヤトレッドにおいては、典型的なエラストマーシステムは、スチレンブタジエンゴム(SBR)とポリブタジエンゴム(BR)の混合物である。SBRは、溶液ベースのポリマー又はエマルジョンベースのポリマーであることができる。BRは、典型的に、高シス型である。SBRは、SBR/BRエラストマーシステムを有するトレッドコンパウンド中で、普通大量に使用され、SBRのタイプ及び量は、タイヤ最終用途で所望される性能特徴に基づいて選択される。
Background The tire industry is extremely competitive, so it is important to be able to switch raw materials as prices change. In passenger tire treads, a typical elastomer system is a mixture of styrene-butadiene rubber (SBR) and polybutadiene rubber (BR). The SBR can be a solution-based polymer or an emulsion-based polymer. BR is typically highly cis. SBR is commonly used in large amounts in tread compounds having SBR/BR elastomer systems, and the type and amount of SBR is selected based on the performance characteristics desired in the tire end use.
トレッドコンパウンドの性能は、エラストマーシステムのガラス転移温度(Tg)によって、主に決定される。高シスBRは、約-105℃のガラス転移温度を有する。SBRのTgは、スチレン及びビニル含有量に応じて、-75℃(以下)~0℃超の範囲の値でコントロールできる。こうして、トレッドコンパウンドは、SBR中のスチレン/ビニル含有量及びBRに対するSBRの比率の両方によってトレッドコンパウンドのTgを設定するために極度の柔軟性を有する。価格に応じて、SBR/BR比率は、範囲内の価格用に最適化することもできる。 Tread compound performance is primarily determined by the glass transition temperature (Tg) of the elastomer system. High cis BR has a glass transition temperature of about -105°C. The Tg of the SBR can be controlled with values ranging from -75°C (or below) to over 0°C depending on the styrene and vinyl content. Thus, the tread compound has extreme flexibility to set the Tg of the tread compound by both the styrene/vinyl content in the SBR and the ratio of SBR to BR. Depending on the price, the SBR/BR ratio can also be optimized for prices within the range.
天然ゴム、SBR及びBRの間に価格の大きな相違が存在する時には特に、旅客タイヤコンパウンドにおいてより多くの天然ゴムを、及び、特に、グアユールに由来する天然ゴムなどの天然ゴムの非ヘベア源を、使用できるという産業上の必要性が存在する。しかし、典型的には、天然ゴムは、旅客タイヤトレッドにおいては限定的な量でのみ使用され、材料のほとんどは、大型トラック及びバストレッドコンパウンドで使用され、全て天然ゴムであることができる。理想的には、もしも天然ゴムの価格がSBR及びBRに対して低いならば、旅客タイヤに使用されるエラストマーシステム中で天然ゴムのみを使用するトレッドコンパウンドを有することが極めて有利であろう。 More natural rubber in passenger tire compounds , especially when there is a large price difference between natural rubber, SBR and BR, and especially non-hevea sources of natural rubber such as natural rubber derived from guayule; There is an industrial need to be able to use However, typically natural rubber is used only in limited amounts in passenger tire treads and most of the material is used in heavy truck and bust tread compounds and can be all natural rubber. Ideally, if the price of natural rubber were low relative to SBR and BR, it would be highly advantageous to have a tread compound that uses only natural rubber in elastomer systems used in passenger tires.
旅客トレッドコンパウンド中で全て天然ゴムを使用する上でのチャレンジの1つは、天然ゴムに関連した低いTg(約-65℃)である。純粋な天然ゴムを従来のプロセスオイルと混合すると、低いTgのタイヤトレッドコンパウンドになり、これは、現代の旅客タイヤに必要なウェットトラクション特徴を有しないであろう。 One of the challenges in using all natural rubber in passenger tread compounds is the low Tg (approximately -65°C) associated with natural rubber. Mixing pure natural rubber with conventional process oils will result in a low Tg tire tread compound that will not have the wet traction characteristics required for modern passenger tires.
樹脂などの添加剤は、タイヤコンパウンドの加工性を改善するために、タイヤ産業において長年使用されてきた。これらの材料は、エラストマーの混合、バッチ間均一性を促進する均質剤の機能を果たすことができ、充填材分散を改善し、そして、ビルディングタックを改善できる。これらのタイプの樹脂は、炭化水素(例えば、C5、C9、混合C5-C9、ジシクロペンタジエン、テルペン樹脂、高スチレン樹脂、及び混合物)、クマロン-インデン樹脂、ロジン及びそれらの塩、純粋なモノマー樹脂、及びフェノール樹脂、を含む。 Additives such as resins have long been used in the tire industry to improve the processability of tire compounds . These materials can act as homogenizers to promote elastomer mixing, batch-to-batch uniformity, improve filler dispersion, and improve building tack. These types of resins include hydrocarbons (e.g. C5, C9, mixed C5-C9, dicyclopentadiene, terpene resins, high styrenic resins, and mixtures), coumarone-indene resins, rosins and their salts, pure monomers. resins, and phenolic resins.
樹脂は、ウェットトラクションなどの他の特性を妥協することなしで摩耗などの特性を最大にするために合成トレッドコンパウンドのTgを調節するために使用されてきた。例えば、Labauzeの米国特許第7,084,228は、摩耗を改善するためにより高いBRレベルを実現できるようなやり方で、特定のテルペンベースの樹脂をSBR/BRトレッドコンパウンド中に組み込むことができることを教示するが、タイヤトレッドコンパウンドのTgは同じに維持される。 Resins have been used to adjust the Tg of synthetic tread compounds to maximize properties such as wear without compromising other properties such as wet traction. For example, Labauze U.S. Pat. No. 7,084,228 discloses that certain terpene-based resins can be incorporated into SBR/BR tread compounds in such a way that higher BR levels can be achieved to improve wear. As taught, the Tg of the tire tread compound remains the same.
転がり抵抗又は摩耗などの特性に悪影響を与えることなしで、ウェットトラクションを改善するためにTgの上昇を提供するために、グアユール天然ゴムのTgを上昇させることができる添加剤を有するグアユール天然ゴムトレッドコンパウンドの継続する必要性が存在する。望ましくは、ほんの少量のそのような添加剤が、コストを最小限にするために要求されるであろう。 A guayule natural rubber tread having additives capable of increasing the Tg of guayule natural rubber to provide increased Tg to improve wet traction without adversely affecting properties such as rolling resistance or wear. There is a continuing need for compounds . Desirably, only small amounts of such additives will be required to minimize cost.
概要
本開示によれば、転がり抵抗又は摩耗などの特性に悪影響を与えることなしで、ウェットトラクションを改善するためにTgの上昇を提供するために、グアユール天然ゴムのTgを上昇させることができる添加剤を有するグアユール天然ゴムトレッドコンパウンドであって、コストを最小限にするためにほんの少量のそのような添加剤を要求するものが、驚いたことに見出された。
SUMMARY According to the present disclosure, additions can increase the Tg of guayule natural rubber to provide increased Tg to improve wet traction without adversely affecting properties such as rolling resistance or wear. It has been surprisingly found that guayule natural rubber tread compounds with additives that require only small amounts of such additives to minimize cost.
特定の形態では、本開示は、グアユール天然ゴムと混和性であるように設計される高軟化点樹脂を含むグアユール天然ゴムトレッドコンパウンドを含む。ポリマーシステムでの樹脂の混和性は、トレッドコンパウンドにおいて重要である。なぜなら、樹脂/ポリマーシステムが非混和性になると、樹脂は、エラストマーシステムのTgに対する影響をそれほど及ぼさないからであり、そして、動力学的特性を低下することができるポリマーマトリックス中の別個の相を実際に形成できるからである。いくつかの樹脂は、限定された範囲ではグアユール天然ゴムと混和性であるが、その混和性は、樹脂とポリマーとの間の極性の相違、樹脂の分子量、及び、樹脂又はポリマーが含有できるいかなる官能基、に依存するであろう。 In certain forms, the present disclosure includes guayule natural rubber tread compounds that include a high softening point resin that is designed to be miscible with guayule natural rubber. The miscibility of the resin in the polymer system is important in tread compounds . This is because when the resin/polymer system becomes immiscible, the resin exerts less influence on the Tg of the elastomeric system and forms a separate phase in the polymer matrix that can reduce dynamic properties. This is because it can actually be formed. Some resins are miscible with guayule natural rubber to a limited extent, but the miscibility depends on the difference in polarity between the resin and the polymer, the molecular weight of the resin, and any functional group, will depend.
この方程式は、そのようなブレンド中の高Tg成分のTgが高いほど、ブレンドでのいかなる特定のTgを実現するのに要求される高Tg成分が少ないことを、示す。タイヤトレッドのポリマーシステムでは、これは、樹脂のガラス転移温度が高いほど、コンパウンドの全体のTgを高い値に調節する必要性が少ない、ということを意味する。 This equation indicates that the higher the Tg of the high Tg component in such a blend, the less high Tg component is required to achieve any particular Tg in the blend. In a tire tread polymer system, this means that the higher the glass transition temperature of the resin, the less need to adjust the overall Tg of the compound to a higher value.
この利益に対しては、実際の制限が存在する。例えば、樹脂及びポリマーシステムは、混合されなければならず、そして、トレッドコンパウンドの典型的な混合温度は、165℃を超えない。この温度は、非常に制限された時間で実現され、こうして、樹脂はまず軟化しなければならず、こうして、それは、ポリマーマトリックス中に完全に組み込むことができる。こうして、165℃より高い軟化点を持つ樹脂は、本開示のタイヤトレッドコンパウンドとしては不適切であることが見出された。エラストマーシステムでの十分な組み込みを確保するために、マスター混合の間のダンプ温度が樹脂の軟化点よりも少なくとも20~30℃高くあるべきである、ということも見出された。 There are practical limits to this benefit. For example, the resin and polymer system must be mixed, and typical mixing temperatures for tread compounds do not exceed 165°C. This temperature is achieved in a very limited time, so the resin must first soften so that it can be fully incorporated into the polymer matrix. Thus, resins with softening points above 165°C have been found to be unsuitable for tire tread compounds of the present disclosure. It has also been found that the dump temperature during master mixing should be at least 20-30° C. above the softening point of the resin to ensure adequate incorporation in the elastomer system.
樹脂軟化点の実際の下限は110℃である。なぜなら、このレベルよりも低いと、全体のコンパウンドの所望のTgを実現するためには、かなり高いレベルの樹脂が要求されるからである。軟化点及びガラス転移温度は、炭化水素樹脂では、よく関連しており、軟化点は、Tgよりも約45℃高い。 The practical lower limit for resin softening point is 110°C. This is because below this level, significantly higher levels of resin are required to achieve the desired Tg of the overall compound . Softening points and glass transition temperatures are well related for hydrocarbon resins, with softening points about 45° C. above Tg.
非混和性システムは、このフォックス方程式に従わないであろうということ、及び、示差走査熱分析(DSC)でのTg挙動は、結果として実質的に変化し得るということ、が理解されるべきである。この非混和性決定の例は、図1にグラフで表現される。かなりの非混和性システムでは、両方の成分の元のTgが見られるが、より典型的なことは、混和性の程度に依存する、各々の成分のTgのシフトである。混合物のTgが、フォックス方程式によって予想される値から更に離れるほど、システムの混和性が少なくなることが考慮されるべきである。実質的に完全な混和性が、タイヤトレッドコンパウンドでは所望される。 It should be understood that immiscible systems will not obey this Fox equation, and that Tg behavior in differential scanning calorimetry (DSC) can change substantially as a result. be. An example of this immiscibility determination is graphically represented in FIG. In highly immiscible systems, the original Tg of both components is found, but what is more typical is a shift in the Tg of each component depending on the degree of miscibility. It should be considered that the further the Tg of the mixture deviates from the value predicted by the Fox equation, the less miscible the system. Substantially complete miscibility is desired in tire tread compounds .
他の形態では、本開示のタイヤトレッドコンパウンドは、98% cis-ポリイソプレンポリマー中での特定の樹脂の使用に関する。これは、天然ゴム又は合成ゴムの配合の両方を含む。天然ゴムは、いかなる源に由来することができる。ヘベアが最も普通であるが、グアユール及びロシアンタンポポも使用できる。最も特定の形態では、グアユールベースの天然ゴムが使用され、グアユールベースの天然ゴムで見出された驚くべき予期しない性能利益に一部分起因し、それは下記で更に詳述される。 In another aspect, the tire tread compounds of the present disclosure relate to the use of certain resins in a 98% cis-polyisoprene polymer. This includes both natural or synthetic rubber compounding. Natural rubber can come from any source. Hevea is the most common, but guayule and Russian dandelion can also be used. In the most particular form, guayule-based natural rubber is used, due in part to the surprising and unexpected performance benefits found with guayule-based natural rubber, which are further detailed below.
樹脂は、全体コンパウンドのTgが例えば約-50℃~-5℃の間の所望の範囲のレベルで、ゴム配合物に添加される。特に、樹脂の添加量は、所望のコンパウンドTg及び関連するトラクション性能を提供するように、しかし、従来の混合操作下での混合を妨げるほど多くないように、最大にすることもできる。 The resin is added to the rubber compound at a level in the desired range such that the Tg of the overall compound is between about -50°C and -5°C. In particular, the amount of resin added can also be maximized to provide the desired compound Tg and associated traction performance, but not so much that it interferes with mixing under conventional mixing operations.
異なる樹脂タイプ及び異なる樹脂添加量での天然ゴムコンパウンドのTgの試験を通じて、特定のタイプの炭化水素樹脂が、前述の添加量レベルで、エラストマーシステムの天然ゴムと最も混和性であり、そしてそれ故に、得られるトレッドコンパウンドの全体のTgに対して所望の影響を及ぼすことが、驚いたことに見出された。非限定的な例として、本開示のタイヤトレッド組成物中で使用される樹脂は、下記から成る群から選択できる:脂環式炭化水素樹脂、脂肪族炭化水素樹脂、重合ピネン樹脂(アルファ又はベータ)、及び、石油供給原料に由来する芳香族スチレン系モノマー及び混合ジシクロペンタジエン(DCPD)の熱重合によって製造される炭化水素樹脂、及びそれらの組合せ。 Through testing of the Tg of natural rubber compounds with different resin types and different resin loadings, certain types of hydrocarbon resins were found to be the most miscible with the natural rubber of the elastomeric system at the aforementioned loading levels, and therefore , has the desired effect on the overall Tg of the resulting tread compound . As non-limiting examples, resins used in tire tread compositions of the present disclosure can be selected from the group consisting of: cycloaliphatic hydrocarbon resins, aliphatic hydrocarbon resins, polymerized pinene resins (alpha or beta ), and hydrocarbon resins made by thermal polymerization of aromatic styrenic monomers and mixed dicyclopentadiene (DCPD) derived from petroleum feedstocks, and combinations thereof.
異なる樹脂タイプ及び異なる樹脂添加量での天然ゴムコンパウンドのTgの実験室試験を通じて、特定のタイプの樹脂が、前述の添加量レベルで、エラストマーシステムの天然ゴムと最も少ない混和性であり、そしてそれ故に、得られるトレッドコンパウンドの全体のTgに対して所望の影響を及ぼさないことが、驚いたことに見出された。非限定的な例として、本開示のタイヤトレッド組成物中で使用される樹脂は、インデン-クマロン樹脂、フェノール樹脂、アルファ-メチルスチレン(AMS)樹脂、及びそれらの組合せから成る群からは選択できない。 Through laboratory testing of the Tg of natural rubber compounds with different resin types and different resin loadings, it was found that the particular type of resin was the least miscible with the natural rubber of the elastomeric system at the aforementioned loading levels, and that Thus, it has been surprisingly found that it does not have the desired effect on the overall Tg of the resulting tread compound . As a non-limiting example, resins used in tire tread compositions of the present disclosure cannot be selected from the group consisting of indene-cumarone resins, phenolic resins, alpha-methylstyrene (AMS) resins, and combinations thereof. .
コンパウンド性能: Compound performance:
評価された100%天然ゴムトレッドコンパウンドのコンパウンド配合は、下記の表3に示され、20phrレベルでの樹脂が使用される。 Compound formulations for the 100% natural rubber tread compounds evaluated are shown in Table 3 below, using resin at the 20 phr level.
表3に従うコンパウンドが、従来の混合プロトコルを使用して5.5Lインターメッシュミキサーで混合された。 Compounds according to Table 3 were mixed in a 5.5 L intermesh mixer using a conventional mixing protocol.
エラストマー-樹脂混合物のDSC分析及びそれらの混合物を含有するコンパウンドの配合データの選択結果が、下記の表4及び図2~図9に示される。
上述の詳細な実験室試験結果に加えて、本開示に従う天然ゴムトレッドコンパウンドで、実際の試験タイヤを製造した。それを表3に特定する。コントロール(対照)タイヤは、全体に合成のゴムトレッドコンパウンドを使用した。 In addition to the detailed laboratory test results described above, actual test tires were manufactured with natural rubber tread compounds according to the present disclosure. It is specified in Table 3. Control tires used an entirely synthetic rubber tread compound .
表5及び図10に示されるように、本開示による天然ゴムトレッドコンパウンドは、実際のタイヤ試験においてウェットブレーキとウェットハンドリングの両方で、方向の改善という結果になった。 As shown in Table 5 and FIG. 10, natural rubber tread compounds according to the present disclosure resulted in directional improvements in both wet braking and wet handling in actual tire testing.
予想ガラス転移温度からの偏差又はパーセンテージ相違及びゴム/樹脂DSC試験で使用されたゴム/樹脂比率を使用するコンパウンドからのウェットトラクション結果を比較すると、天然ゴムとの混和性との上限は約6%であり、そこでは、予想ガラス転移温度と6%以上で異なるいかなる樹脂及びポリマー混合物も、本開示の範囲外である、ということが確認された。特定の形態では、予想ガラス転移温度と約5%以下で異なるポリマー及び樹脂混合物が好ましいということが、理解されるべきである。 Comparing wet traction results from compounds using the deviation or percentage difference from the expected glass transition temperature and the rubber/resin ratio used in the rubber/resin DSC test, the upper limit of miscibility with natural rubber is about 6%. , where any resins and polymer mixtures that differ from the expected glass transition temperature by more than 6% are outside the scope of this disclosure. It should be understood that in certain forms, polymer and resin mixtures that differ from the expected glass transition temperature by no more than about 5% are preferred.
コンパウンド性能: Compound performance:
評価された100%天然ゴムトレッドコンパウンドのコンパウンド配合は、下記の表6に示され、20phrレベルでの樹脂が使用されている。 Compound formulations for the 100% natural rubber tread compounds evaluated are shown in Table 6 below, using resin at the 20 phr level.
比較の目的で、表6の配合に従って2個の異なるコンパウンドを調製した。第1のコンパウンドはヘベアベースの天然ゴムを含有し、第2のコンパウンドは、グアユールベースの天然ゴムを含有した。 For comparison purposes, two different compounds were prepared according to the formulations in Table 6. The first compound contained a hevea-based natural rubber and the second compound contained a guayule-based natural rubber.
表6に従うコンパウンドが、従来の混合プロトコルを使用して工場設定で混合された。 Compounds according to Table 6 were factory mixed using a conventional mixing protocol.
第1のコンパウンド及び第2のコンパウンドを、その後、従来の実験室試験にかけた。この実験室試験の正規化された結果を、下記の表7に示す。
第1のコンパウンド及び第2のコンパウンドの実験室試験により、ヘベアベースのタイヤトレッドコンパウンドと比較して、グアユールベースのタイヤトレッドコンパウンドに関連したウィンタ性能、ウェット性能、及び転がり抵抗インジケータの各々の顕著な改善が、驚いたことに予期せずに示された。いかなる特定の理論に拘束されることなしに、物理的特性のこれらの相違は、従来のヘベアベースの天然ゴムと比較して、グアユールベースの天然ゴム中の天然に存在する異なる材料の存在に起因し得る、と考えられる。 Laboratory testing of the first compound and the second compound showed significant improvements in each of the winter performance, wet performance, and rolling resistance indicators associated with the guayule-based tire tread compound compared to the Hevea-based tire tread compound . The improvement was shown surprisingly and unexpectedly. Without being bound by any particular theory, these differences in physical properties are due to the presence of different naturally occurring materials in guayule-based natural rubber compared to conventional hevea-based natural rubber. It is possible.
Claims (8)
エラストマーの全体にわたって分布し、少なくとも20phrの量で存在する、ある量の炭化水素樹脂と、
を含むタイヤトレッド組成物であって:
しかも、タイヤトレッド組成物中で使用されるエラストマー及び炭化水素樹脂と一致するエラストマー-樹脂混合物の実際のTgと、当該エラストマー-樹脂混合物の予想Tgとの偏差によって測定して、エラストマー中の樹脂の20phrの所定の濃度でグアユール天然ゴム中の所定の混和性を、炭化水素樹脂が有し、ここで当該予想Tgはフォックス方程式:
しかも、当該エラストマー-樹脂混合物中の所定の混和性が、当該実際のTgと当該予想Tgとの6パーセント(6%)未満の偏差であり、
しかも、炭化水素樹脂が、110℃~165℃の軟化点を有し、
しかも、炭化水素樹脂が、石油供給原料に由来する芳香族スチレン系モノマーと混合ジシクロペンタジエン(DCPD)の熱重合によって製造される炭化水素樹脂、及び、重合アルファ-ピネン樹脂、重合ベータ-ピネン樹脂、脂肪族炭化水素樹脂、脂環式炭化水素樹脂、及びそれらの組合せから成る炭化水素樹脂の群から選択され、
しかも、炭化水素樹脂が、クマロン-インデン樹脂、フェノール樹脂、及びアルファ-メチルスチレン樹脂を含まない、
前記の組成物。 an elastomer comprising an amount of guayule natural rubber;
an amount of hydrocarbon resin distributed throughout the elastomer and present in an amount of at least 20 phr;
A tire tread composition comprising:
Moreover, the amount of resin in the elastomer, as measured by the deviation between the actual Tg of the elastomer-resin mixture consistent with the elastomer and hydrocarbon resin used in the tire tread composition, and the expected Tg of the elastomer-resin mixture. A hydrocarbon resin has a given miscibility in guayule natural rubber at a given concentration of 20 phr, where the expected Tg is the Fox equation:
and the predetermined miscibility in the elastomer-resin mixture is less than six percent (6%) deviation between the actual Tg and the expected Tg;
Moreover, the hydrocarbon resin has a softening point of 110° C. to 165° C.,
Moreover, the hydrocarbon resins are prepared by thermal polymerization of mixed dicyclopentadiene (DCPD) with aromatic styrenic monomers derived from petroleum feedstocks, and polymerized alpha-pinene resins, and polymerized beta-pinene resins. is selected from the group of hydrocarbon resins consisting of: , aliphatic hydrocarbon resins, cycloaliphatic hydrocarbon resins, and combinations thereof;
Moreover, the hydrocarbon resin does not include coumarone-indene resins, phenolic resins, and alpha-methylstyrene resins.
The composition described above.
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