DE602004002722T2

DE602004002722T2 - Fahrzeugluftreifen

Info

Publication number: DE602004002722T2
Application number: DE602004002722T
Authority: DE
Inventors: Noriko Yagi; Kiyoshige Muraoka; Yasuhisa Minagawa; Kazuyuki Nishioka
Original assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2024-04-21
Also published as: DE602004002722D1; JP2004339288A; EP1479724A1; EP1479724B1; CN1296418C; JP4043403B2; CN1572827A; US20040226643A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Luftreifen, bei dem in dem Innerliner eine Gummizusammensetzung eingesetzt wird, in der die Luftdurchlässigkeit durch Einmischen von Butylkautschuk, von halogeniertem Butylkautschuk oder von Kautschuk erhalten durch Halogenieren eines Copolymers aus Isomonoolefin mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen und p-Alkylstyrol sowie von epoxidiertem Naturkautschuk in einem spezifischen Verhältnis signifikant verringert ist.
Ein Luftreifen kann durch Einbringen von Luft in den Reifen eine Last tragen und verschiedene Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise Fahrkomfort und Treibstoffeffizienz. Daher ist das Aufrechterhalten des Luftdrucks innerhalb eines Reifens extrem wichtig. Um ein Ausströmen von Luft zu vermeiden und den Luftdruck in dem Reifen aufrechtzuerhalten, wird auf der inneren Fläche eines Luftreifens ein Innerliner gebildet, der einen Kautschuk mit einer geringen Luftdurchlässigkeit, wie beispielsweise Butylkautschuk und halogenierten Butylkautschuk, enthält.
Wenn der Gehalt an Butylkautschuk ansteigt, nimmt allerdings die Festigkeit von unvulkanisiertem Kautschuk ab und es können Probleme, wie beispielsweise Bruchschäden an dem Kautschuk und Löcher im Gummifell, auftreten. Andererseits muss der Innerliner nicht nur bezüglich der Luftdurchlässigkeit reduziert werden, sondern er muss auch leichtgewichtig sein, um die Treibstoffeffizienz eines Kraftfahrzeugs zu verbessern, und deshalb ist ebenfalls eine geringe Spurweite erforderlich. Es wurden verschiedene Anstrengungen unternommen, um diese Anforderungen und Eigenschaften zu erfüllen. Beispielsweise offenbart die JP-A-5-508 435 ein Verfahren zur Verwendung eines Kautschuks, welcher durch Halogenieren eines Copolymers aus Isomonoolefin mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen und p-Alkylstyrol erhalten wurde, in der Gummizusammensetzung für den Innerliner. Allerdings wird durch dieses Verfahren die Luftdurchlässigkeit nicht ausreichend verringert und es besteht das Problem, dass der Reifen schwer wird. Auch die JP-A-8-259 741, JP-A-11-199 713, JP-A-2000-63 572, JP-A-2000-159 936 sowie die JP-A-2000-160 024 schlagen die Verwendung einer Kautschukzusammensetzung für den Reifeninnerliner vor, welche durch Einmischen oder durch dynamisches Quervernetzen eines Elastomers und eines Polyamidharzes, Polyesterharzes, Polynitrilharzes, Celluloseharzes, Fluorharzes oder Imidharzes erhalten worden ist. Allerdings weisen solche Kautschukzusammensetzungen Probleme auf, wie beispielsweise beim Verarbeiten durch Formen eines Reifens oder durch Vulkanisieren, die extreme Schwierigkeit in der nachfolgenden Expansion und Kontraktion von anderem Kautschukmaterial sowie die Ausbildung von Rissen beim Fahren.
In dem US Patent 5,475,051 werden vulkanisierbare Elastomerzusammensetzungen offenbart, welche eine Halobutylkautschukmatrix, einen epoxidierten Naturkautschuk und eine verstärkende Menge eines silizumdioxidhaltigen anorganischen Füllmaterials, wie beispielsweise Silika, enthalten, und welche als eine undurchlässige Abdichtschicht für Reifenkarkassen eingesetzt werden können.
Wie zuvor beschrieben, wurden hinsichtlich des Einsatzes einer Zusammensetzung mit geringer Luftdurchlässigkeit für den Innerliner verschiedene Vorschläge gemacht, aber bis jetzt noch nicht realisiert. Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer Kautschukzusammensetzung mit vorteilhafter Haftung, in der die Luftdurchlässigkeit signifikant verringert ist, sowie eines Luftreifens, welcher leichtgewichtig gemacht werden kann, ohne die Druck aufrechterhaltenen Eigenschaften zu verlieren.
Als ein Ergebnis von intensiven Studien, um die vorgenannten Probleme zu lösen, haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, dass die Luftdurchlässigkeit signifikant verringert werden kann, ohne die anderen Eigenschaften zu verringern, durch Zugabe von Ruß, Natriumbentonit, epoxidiertem Naturkautschuk und wenigstens einem Kautschuk ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Butylkautschuk, halogeniertem Butylkautschuk und Kautschuk erhalten durch Halogenieren eines Copolymers von Isomonoolefin mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen und p-Alkylstyrol.
Das heißt, die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Luftreifen mit einem Innerliner enthaltend eine Gummizusammensetzung enthaltend 20 bis 100 Gewichtsteile Ruß und 3 bis 20 Gewichtsteile Natriumbentonit als Phyllosilikat basierend auf 100 Teilen einer Kautschukkomponente enthaltend 65 bis 94 Gew.-% wenigstens eines Kautschuks ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Butylkautschuk, halogeniertem Butylkautschuk und Kautschuk erhalten durch Halogenieren eines Copolymers von Isomonoolefin mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen und p-Alkylstyrol sowie 6 bis 35 Gew.-% epoxidierten Naturkautschuk mit einem Epoxidierungsverhältnis von 5 bis 85 Mol-%.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail beschrieben.
Beispiele für den in der vorliegenden Erfindung eingesetzten Butylkautschuk sind Butylkautschuk (IIR), halogenierter Butylkautschuk (X-IIR), wie beispielsweise chlorierter Butylkautschuk und bromierter Butylkautschuk, sowie Kautschuk erhalten durch Halogenieren eines Copolymers von Isomonoolefin mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen und p-Alkylstyrol. Diese Kautschuke können entweder alleine oder in einer Kombination von zwei oder mehr Kautschuken eingesetzt werden.
Von den vorgenannten sind im Hinblick auf die Haftung mit der unteren Schicht halogenierter Butylkautschuk und Kautschuk erhalten durch Halogenieren eines Copolymers von Isomonoolefin mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen und p-Alkylstyrol bevorzugt und ist insbesondere Kautschuk erhalten durch Halogenieren eines Copolymers von Isomonoolefin mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen und p-Alkylstyrol besonders bevorzugt. In dem Fall des Einsatzes von halogeniertem Butylkautschuk oder Kautschuk erhalten durch Halogenieren eines Copolymers von Isomonoolefin mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen und p-Alkylstyrol beträgt der Halogengehalt vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 Gew.-%. Wenn der Halogengehalt weniger als 0,1 Gew.-% beträgt, ist der Vulkanisierungsgrad gering und die Festigkeit des Gummis tendiert dazu, abzunehmen. Wenn der Halogengehalt mehr als 5 Gew.-% beträgt, wird der Vulkanisierungsgrad hoch und der Gummi tendiert dazu, hart zu werden.
Die Kautschukzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält epoxidierten Naturkautschuk (ENR). Als in der vorliegenden Erfindung eingesetzter epoxidierter Naturkautschuk kann kommerziell erhältlicher epoxidierter Naturkautschuk eingesetzt werden oder Naturkautschuk kann epoxidiert und dann eingesetzt werden. Das Verfahren zum Epoxidieren von Naturkautschuk ist nicht besonders beschränkt, sondern die Epoxidierung kann unter Verwendung von Verfahren, wie beispielsweise dem Chlorhydrinverfahren, dem direkten Oxidationsverfahren, dem Wasserstoffperoxidverfahren, dem Alkylhydroperoxidverfahren und dem Persäureverfahren, durchgeführt werden. Ein Beispiel ist das Verfahren des Reagierens von Naturkautschuk mit organischer Persäure, wie beispielsweise Peressigsäure oder Perameisensäure.
Der Epoxidierungsgrad des in der vorliegenden Erfindung eingesetzten epoxidierten Naturkautschuks beträgt vorzugsweise zwischen 5 und 85 Mol-%, vorzugsweise 5 bis 75 Mol-% und besonders bevorzugt 5 bis 65 Mol-%. Wenn der Epoxidierungsgrad weniger als 5 Mol-% beträgt, ist der Effekt des Modifizierens gering, und, wenn der Epoxidierungsgrad mehr als 85 Mol-% beträgt, geliert das Polymer. Der Epoxidierungsgrad bezieht sich hier auf das Verhältnis von Doppelbindungen in der Hauptkette des Naturkautschuks, welche durch Sauerstoff zyklisiert sind, zu allen Doppelbindungen vor der Epoxidierung. Der Epoxidierungsgrad wird durch das Verfahren des Auffindens der Flächenintensität A von Methinprotonen abgeleitet aus Naturkautschuk nahe 5,10 ppm und der Flächenintensität B von Protonen abgeleitet aus Epoxygruppen nahe 2,7 ppm aus NMR-Messdaten und dann Berechnen des Epoxidierungsgrades aus der nachfolgenden Gleichung errechnet: Epoxidierungsgrad (%) = B/(A + B) × 100
Das Einmischverhältnis von epoxidiertem Naturkautschuk in die Kautschukkomponente beträgt 6 bis 35 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 30 Gew.-% und besonders bevorzugt 15 bis 30 Gew.-%. Wenn das Einmischverhältnis von epoxidiertem Naturkautschuk weniger als 6 Gew.-% beträgt, wird die Luftdurchlässigkeit nicht ausreichend verringert und die Effekte der Zugabe von epoxidiertem Naturkautschuk können nicht erreicht werden. Ferner kann eine ausreichende Haftung mit anderen Materialien nicht erhalten werden, was folglich unvorteilhaft ist. Wenn das Einmischungsverhältnis mehr als 35 Gew.-% beträgt, wird nicht nur die Wasserdampfdurchlässigkeit hoch, sondern nimmt auch die Hitzealte rungsbeständigkeit ab, was folglich unvorteilhaft ist. Das Einmischungsverhältnis von Butylkautschuk beträgt 65 bis 94 Gew.-%, vorzugsweise 70 bis 90 Gew.-% und besonders bevorzugt 70 bis 85 Gew.-%. Wenn das Einmischverhältnis von Butylkautschuk weniger als 65 Gew.-% beträgt, wird die Luftdurchlässigkeit nicht verringert und die Wasserdampfdurchlässigkeit wird hoch. Wenn das Einmischverhältnis von Butylkautschuk mehr als 94 Gew.-% beträgt, wird die Haftung des eingemischten Kautschuks schlecht.
Gemäß dem zuvor genannten Verfahren wird in dem Fall, dass das Hauptpolymer in dem System Butylkautschuk ist, der Butylkautschuk die Matrixphase und die Effekte von ENR, welcher die Inselphase ist, zeigen sich. Das heißt, weil der ENR die Inselphase ist und der Butylkautschuk die Matrixphase in der Kautschukkomponente ist, zeigt die Kautschukzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung den exzellenten Effekt des Verbesserns der Haftung der ENR-Phase und der Haftung der benachbarten eingemischten Kautschuke, während eine geringe Luftdurchlässigkeit und eine geringe Wasserdurchlässigkeit von Butylkautschuk aufrechterhalten wird.
Die Kautschukzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung kann normalen Naturkautschuk, Isoprenkautschuk, Styrolbutadienkautschuk, Butadienkautschuk und Styrolisoprenbutadienkautschuk als andere Kautschukkomponente enthalten.
Die Kautschukzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält einen anorganischen Füllstoff, nämlich Ruß. Die Art des Rußes ist nicht besonders beschränkt und Beispiele hierfür sind HAF, ISAF, SAF, GPF und FEF.
Der Füllstoff wird in einer Menge von 20 bis 100 Gewichtsteilen, vorzugsweise 30 bis 90 Gewichtsteilen und besonders bevorzugt von 40 bis 80 Gewichtsteilen basierend auf 100 Gewichtsteilen der Kautschukkomponente eingemischt. Wenn die Menge an Füllstoff weniger als 20 Gewichtsteile beträgt, werden die Verstärkungseigenschaften gering, und, wenn die Menge mehr als 100 Gewichtsteile beträgt, tendiert die Verarbeitbarkeit dazu, gering zu werden.
Abgesehen von dem Füllstoff kann die Kautschukzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls Silika, Aluminiumhydroxid, Magnesiumcarbonat, Magnesiumhydroxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Ton, Talk und Glimmer enthalten.
Das in der vorliegenden Erfindung eingesetzte Phyllosilikat, nämlich Natriumbentonit, bezieht sich auf Phyllosilikat mit einer geschichteten Struktur, in welcher Einheitskristallschichten aufeinander gestapelt sind, und ist nicht besonders beschränkt, solange die durchschnittliche Partikelgröße maximal 5 μm beträgt und das durchschnittliche Aspektverhältnis 50 bis 5.000 beträgt.
Die durchschnittliche Partikelgröße bezieht sich hier auf den Durchschnittswert des Hauptdurchmessers des Phyllosilikats und das durchschnittliche Aspektverhältnis bezieht sich auf den Durchschnittswert des Verhältnisses der Dicke zu dem Hauptdurchmesser des Phyllosilikats. Wenn die durchschnittliche Partikelgröße des Phyllosilikats mehr als 5 μm beträgt, nimmt die Verarbeitbarkeit beim Herstellen eines Reifens ab. Ferner liegt die durchschnittliche Partikelgröße des Phyllosilikats vorzugsweise innerhalb eines Bereiches zwischen 0,1 und 5 μm. Wenn das durchschnittliche Aspektverhältnis des Phyllosilikats weniger als 50 beträgt, ist der Effekt der Abnahme an Luftdurchlässigkeit unzureichend.
Phyllosilikat mit einem durchschnittlichen Aspektverhältnis von mehr als 5.000 ist technisch schwer zu erhalten und ökonomisch teuer. Unter dem Gesichtspunkt der Abnahme der Luftdurchlässigkeit liegt das durchschnittliche Aspektverhältnis des Phyllosilikats besonders bevorzugt innerhalb eines Bereiches zwischen 200 und 3.000.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält der Innerliner des Luftreifens das Phyllosilikat Natriumbentonit, das unter dem Gesichtspunkt der industriellen Kosten und einer exzellenten Dispergierbarkeit vorteilhaft ist.
In der Kautschukzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Phyllosilikat vorzugsweise fein in der Kautschukkomponente dispergiert. Wenn das Phyllosilikat fein in der Kautschukkomponente dispergiert ist, nimmt die Luftdurchlässigkeit weiter ab.
Die feine Dispersion von Phyllosilikat bezieht sich auf einen geschichteten Füllstoff von Phyllosilikat, der abgeblättert ist. Insbesondere kann eine feine Dispersion von Phyllosilikat direkt mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) oder durch Röntgenbeugung der Phyllosilikat bestätigt enthaltenden Kautschukzusammensetzung werden. In dem Falle der Röntgenbeugung bezieht sich die feine Dispersion von Phyllosilikat darauf, wenn das Intensitätsmaximum, wenn 2θ 6 bis 8° beträgt, verschwunden ist.
Das Phyllosilikat kann durch Austauschen der austauschbaren Kationen zwischen den Schichten des Phyllosilikats gemäß der Matrix fein dispergiert werden. Insbesondere ist das Verfahren des Ionenaustauschs der austauschbaren Kationen mit Natriumionen oder organischen Kationen, wie beispielsweise quaternärem Ammoniumsalz (organische Behandlung), ein Beispiel hierfür.
In der Kautschukzusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren zum feinen Dispergieren von Phyllosilikat das Verfahren des feinen Dispergierens durch mechanisches Kneten mit einem normalen Banbury-Mischer vom BR-Typ, einer Walze oder einem Doppelschneckenextruder sein, das Verfahren des feinen Dispergierens im Voraus in eingemischtem Öl sein und das Verfahren der Zugabe eines Lösemittels zu Kautschuk, um eine Kautschuklösung zu erzeugen, und dann feines Dispergieren im Voraus in der Lösung sein.
Das Phyllosilikat wird, basierend auf 100 Gewichtsteilen der Kautschukkomponente, in einer Menge zwischen 3 und 20 Gewichtsteilen und bevorzugt zwischen 3 und 10 Gewichtsteilen eingemischt. Wenn die Menge des Phyllosilikats weniger als 3 Gewichtsteile beträgt, ist der Effekt der Abnahme der Luftdurchlässigkeit gering, und, wenn die Menge mehr als 20 Gewichtsteile beträgt, tendiert die Verarbeitbarkeit dazu, gering zu sein.
Abgesehen von der Kautschukkomponente, dem Füllstoff und dem Phyllosilikat, kann die Kautschukzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung andere üblicherweise in einer Kautschukzusammensetzung für einen Reifen eingesetzte Hilfsstoffe enthalten, wie beispielsweise einen Weichmacher, einschließlich chemischem Öl, einem Tackifier, ein Vernetzermittel, einschließlich Schwefel und Zinkoxid, eine Vernetzerhilfe sowie einen Vulkanisationsbeschleuniger.
Die Kautschukzusammensetzung der vorliegenden Erfindung wird durch Kneten der Kautschukkomponente, des Füllstoffs, des Phyllosilikats und der anderen Hilfsstoffe, wenn notwendig, unter Einsatz der üblichen Verarbeitungsgeräte, wie beispielsweise einer Walze, eines Banbury-Mischers und eines Kneters erhalten.
Die auf diese Weise erhaltene Kautschukzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine geringe Luftdurchlässigkeit auf.
Der Luftreifen gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch das herkömmliche Verfahren unter Einsatz der Kautschukzusammensetzung für den Innerliner hergestellt werden. Die Dicke des Innerliners beträgt vorzugsweise 0,5 bis 2 mm. Wenn die Dicke des Innerliners weniger als 0,5 mm beträgt, tendieren die Druck aufrechterhaltenden Eigenschaften dazu, gering zu werden, und, wenn die Dicke mehr als 2 mm beträgt, wird der Reifen schwer und der Rollwiderstand tendiert dazu, schlecht zu werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung im Detail anhand von Beispielen erklärt, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Kautschukzusammensetzung durch Vermischen von Ruß, Natriumbentonit, epoxidiertem Naturkautschuk und Butylkautschuk (Butylkautschuk, halogeniertem Butylkautschuk oder Kautschuk erhalten durch Halogenieren eines Copolymers von Isomonoolefin mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen und p-Alkylstyrol) in einem spezifischen Verhältnis erhalten werden, in der die Luftdurchlässigkeit signifikant verringert werden kann und die Haftung bezüglich Expansion und Kontraktion des Reifens exzellent ist, wenn der Reifen geformt oder gefahren wird.
Folglich kann durch Einsatz der Kautschukzusammensetzung für den Innerliner eines Luftreifens der Luftdruck des Reifens aufrechterhalten werden, selbst wenn der Innerliner dünn gefertigt ist, und ein leichtgewichtiger Reifen kann erhalten werden.
Ferner ist die Kautschukzusammensetzung hinsichtlich der Haftung zu dem Karkassenkautschuk exzellent und daher kann der Innerliner in einem Luftreifen gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem die Kautschukzusammensetzung enthaltenden Innerliner dünn gefertigt werden, während die Lebensdauer aufrechterhalten wird und ohne die Luftdruck aufrechterhaltenen Eigenschaften zu verlieren. Das heißt, die vorliegende Erfindung erlaubt es wirksam, einen leichtgewichtigen Reifen zu erhalten.

Claims

Luftreifen mit einem Innerliner enthaltend eine Gummizusammensetzung enthaltend 20 bis 100 Gewichtsteile Ruß und 3 bis 20 Gewichtsteile Natriumbentonit, basierend auf 100 Teilen einer Kautschukkomponente enthaltend 65 bis 94 Gew.-% wenigstens eines Kautschuks ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Butylkautschuk, halogeniertem Butylkautschuk und durch Halogenieren eines Copolymers von Isomonoolefin mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen und p-Alkylstyrol erhaltenen Kautschuks und 6 bis 35 Gew.-% eines epoxidierten Naturkautschuks mit einem Epoxidierungsverhältnis von 5 bis 85 Mol-%.