| 【発明の名称】 |
ゴム組成物 |
| 【発明者】 |
【氏名】榊 俊明
【氏名】溝口 哲朗
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| 【要約】 |
【課題】低弾性率であって耐破壊特性に優れた、免震支承の積層ゴム用として有用なゴム組成物を提供する。
【解決手段】天然ゴムおよび/またはイソプレンゴムを５０重量部以上含有するジェン系ゴム１００重量部に対し、カーボンブラック１０〜３５重量部とシリカ５〜２５重量部の割合で含有し、静的せん断弾性率が４．５ｋｇｆ/ｃｍ2以下、１００％折り返し時のヒステリシスロスが８〜３５％であるゴム組成物。前記カーボンブラックは、ＤＢＴ吸油量が５５〜１００ｍｌ/１００ｇ、ヨウ素吸着量が２０〜１２０ｍｇ/であり、また前記シリカはＢＥＴ比表面積が１５０〜３００ｍ2/ｇであるものが有利に使用される。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】天然ゴムおよび/またはイソプレンゴムを５０重量部以上含有するジェン系ゴム１００重量部に対し、カーボンブラック１０〜３５重量部とシリカ５〜２５重量部の割合で含有し、静的せん断弾性率が４．５ｋｇｆ/ｃｍ2以下、１００％折り返し時のヒステリシスロスが８〜３５％であることを特徴とするゴム組成物。
【請求項２】前記カーボンブラックのＤＢＴ吸油量およびヨウ素吸着量がそれぞれ５５〜１００ｍｌ/１００ｇと２０〜１２０ｍｇ/ｇであり、前記シリカのＢＥＴ比表面積が１５０〜３００ｍ2/ｇである請求項１記載のゴム組成物。
【請求項３】免震支承の積層ゴム用である請求項１または２記載のゴム組成物。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ゴム組成物に関し、さらに詳しくはジェン系ゴムと特定量のカーボンブラックおよびシリカを含有し、低弾性率で耐破壊特性に優れ、免震支承用の積層ゴムとして好適なゴム組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】鋼板等の硬質板とゴム状弾性板を積層して構成される免震支承は建物の固有周期を長周期化することにより、地震動との共振を防いでいる。昨今、さらに免震効果を高めるために、建物の固有周期をより長期化することが求められている。建物の固有周期（Ｔ）は、公知文献（多田英之監修・高山峯夫ら著「４秒免震への道」、理工図書出版）に記載されているように、次式：【０００３】
【数１】
【０００４】（式中、πは円周率、Ｗは支承にかかる重量、Ｋｅｑは水平バネ定数、ｇは重力加速度を示す）で表わされる。この式から、Ｔを大きくするにはＫｅｑを小さくすること、すなわち水平バネ定数の低下、つまり積層ゴムの低弾性率化が必要となる。具体的には、従来、２５％低伸長応力から算出される静的せん断弾性率（Ｇｓ）で４．５ｋｇｆ/ｃｍ2以下、とりわけ４．０ｋｇｆ/ｃｍ2以下であることが望まれる。従来、このような低弾性率、とりわけ４．０ｋｇｆ/ｃｍ2以下の低弾性率ゴムは、補強剤として一般的に使用されるカーボンブラックを多充填できないが故に、大変形時の耐破壊特性が不十分であった。また、カーボンブラックを多充填するには同時に軟化剤も多量に使用せざるを得ず、このために軟化剤の移動拡散によりクリープ性能の悪化をもたらすことから、カーボンブラックの使用量に限界があった。一方、ゴム用の補強剤としてシリカを添加することが知られており、特開平１０−３１０６６４号公報には、カーボンブラックと共にシリカをゴムに含有せしめることが開示されている。しかし、それらの配合量は、ゴム１００重量部に対し、カーボンブラックが４０〜８０重量部、シリカが３０〜５０重量部もの高い量となっている。このような配合量において、Ｇｓ≦４を得るためには数十重量部以上もの軟化剤を添加する必要があり、前述したようにクリープ悪化等の問題を生ずる。すなわち、特開平１０−３１０６６４号公報に記載のようにカーボンブラックおよびシリカを高充填することは、むしろ高Ｇｓ化に適しているといえる。また、ＷＯ９８/１６５８０号公報にも、カーボンブラックとシリカを併用することが開示されているが、やはりカーボンブラックとシリカの合計量がゴム１００重量部に対し６０〜９５重量部も充填されており、弾性率が非常に高いゴム組成物となっている。そのため、石油系の樹脂を添加して軟化効果を与えているものの、Ｇｓは６程度までしか低下していない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の低弾性率免震支承用ゴム組成物においては、ゴムの補強剤としてのカーボンブラックを多充填できないことから、大変形性能に必要なゴムのヒステレシスを充分にとれず、このために軟化剤を多充填するとその移行拡散によるクリープ性能の悪化をもたらすという技術的課題が残されている。本発明は、これらの課題を改善することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】上記の技術的課題に鑑みて、本発明者らはゴム組成物に補強剤として添加されるカーボンブラックおよびシリカについて、その配合量や特性がゴム組成物の性能、とりわけ免震支承用ゴム材料として要求される性能に与える影響を多方面から種々検討し、その結果本発明を完成したものである。
【０００７】すなわち、本発明は次の発明を包含する。
１）天然ゴムおよび/またはイソプレンゴムを５０重量部以上含有するジェン系ゴム１００重量部に対し、カーボンブラック１０〜３５重量部とシリカ５〜２５重量部の割合で含有し、静的せん断弾性率が４．５ｋｇｆ/ｃｍ2以下、１００％折り返し時のヒステリシスロスが８〜３５％であることを特徴とするゴム組成物。
【０００８】２）前記カーボンブラックのＤＢＴ吸油量およびヨウ素吸着量がそれぞれ５５〜１００ｍｌ/１００ｇと２０〜１２０ｍｇ/ｇであり、前記シリカのＢＥＴ比表面積が１５０〜３００ｍ2/ｇである上記１）項記載のゴム組成物。
３）免震支承の積層ゴム用である上記１）または２）項記載のゴム組成物。本発明のゴム組成物は、低弾性率で耐破壊特性に優れており、クリープの増大が抑えられていることから、免震支承の積層ゴム用として有用である。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明におけるゴム基材はジェン系ゴムであり、天然ゴムとイソプレンゴムを前記の重量割合で含有するものである。基材ゴムにおいて、天然ゴムおよび/またはイソプレンゴムが５０重量部以上であることを要し、５０重量部未満では座屈による大変形性能の低下をきたすので、本発明の目的とするゴム組成物が得られない。
【００１０】基材ゴムとして、イソプレン以外の合成ゴムとしては、ポリブタジエンゴム、ブチルゴム、スチレンブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴムの１種または２種以上の混合物が挙げられる。本発明のゴム組成物におけるカーボンブラックとしては、ＤＢＴ吸油量が５５〜１００ｍｌ/１００ｇでありヨウ素吸着量が２０〜１２０ｍｇ/ｇであるものが好ましく使用される。ＤＢＰ吸油量が、５５ｍｌ/１００ｇ未満または/およびヨウ素吸着量が２０ｍｇ/ｇ未満では補強性が不足し、一方ＤＢＴ吸油量が１００ｍｌ/１００ｇを越えるかまたはヨウ素吸着量が１２０ｍｇ/ｇを越えると弾性率が過剰または破断伸びが不足し、低弾性率支承用積層ゴムとしては適当ではない。
【００１１】ここでいうＤＢＴ吸油量は、カーボンブラックのストラクチャー（粒子相互間に働く2次引力、その他の要因により粒子がいくつかつながって鎖状になる状態）の度合いに関係する特性である。吸油量が大きいほどストラクチャーが大きくなる。本発明におけるＤＢＴ吸油量は、ＪＩＳ Ｋ６２１７「ゴム用カーボンブラックの基本性能の試験法」の９項に記載の測定法で測定された値をいう。
【００１２】また、ヨウ素吸着量は、粒子径に関係し、その値が大きいほど粒子径は小さくなる。本発明におけるヨウ素吸着量は、ＪＩＳ Ｋ６２１７「ゴム用カーボンブラックの基本性能の試験法」の６項に記載の測定法で測定された値をいう。本発明において使用されるカーボンブラックの具体例としては、アメリカ材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格でいうＮ７７（ＳＲＦ−ＨＭ）、Ｎ７６２（ＳＲＦ−ＬＭ）、Ｎ６６０（ＧＰＦ）、Ｎ３２６（ＨＡＦ−ＬＳ）、Ｎ３３０（ＨＡＦ）、Ｎ２１９（ＩＳＡＦ−ＬＳ）等のものが挙げられる。
【００１３】次に、本発明のゴム組成物におけるシリカとしては、含水ケイ酸、無水ケイ酸のいずれでもよく、ＢＥＴ比表面積が１５０〜３００ｍ2/ｇである高活性グレードのものが適当である。ＢＥＴ比表面積が１５０ｍ2/ｇ未満では、必要な補強性とヒステリシスの付与が達成できず、一方３００ｍ2/ｇを越えるグレードのものは含水ケイ酸にはなく、無水ケイ酸では1次粒子の平均径が数ｎｍとなり分散性、加工性が悪くなり適当ではない。
【００１４】ここでいうＢＥＴ比表面積は吸着気体として窒素ガスを用いる気相吸着法（例えば、柴田化学器械工業（株）製の迅速表面積測定装置ＳＡ−１０００）で測定される。上記の比表面積を有し、本発明に使用できるシリカの具体例としては、ニプシルＶＮ３やニプシルＡＱ［いずれも日本シリカ（株）製］、トクシール［（株）トクヤマ製］、ウルトラシルＶＮ３（Degussa社製）などが挙げられる。
【００１５】カーボンブラックとシリカの配合量は、ゴム組成物の静的せん断弾性率が４．５ｋｇｆ/ｃｍ2以下で、かつ１００％折り返し時のヒステリシスロスが８％以上３５％以下となるように、前記のそれぞれの配合範囲から選択される。カーボンブラックが１０重量部未満であると、ゴムの補強性が不充分でクリープが大きくなる。一方、カーボンブラックが３５重量部を越えると多量の軟化剤を添加しないと静的せん断弾性率４．５ｋｇｆ/ｃｍ2以下にすることはできない。カーボンブラックのさらに好ましい配合量は、ゴム基材１００重量部に対し１０〜２５重量部である。また、シリカの量が２５重量部よりも過剰のときは加硫遅れ、架橋度の低下による低温硬化等の問題を生じ、好ましくない。シリカのさらに好ましい配合量は、ゴム基材１００重量部に対し１０〜２０重量部である。
【００１６】カーボンブラックおよびシリカは前記の量比で配合されるが、その合計量が５０重量部以下となるようにするのが好ましく、３５重量部以下とすればさらに好ましい。本発明のゴム組成物の静的せん断弾性率は、４．５ｋｇｆ/ｃｍ2以下であることを特徴とするが、その下限は３．０ｋｇｆ/ｃｍ2程度までである。本発明における静的せん断弾性率は、ＪＩＳ Ｋ６２５４「低変形応力・ひずみ試験方法」での２５％引張応力σ25から、Ｇｓ＝１．６３９×σ25により求められる。
【００１７】この静的せん断弾性率は、カーボンブラックおよびシリカの配合量と、さらに軟化剤を併用することによって調整することができる。軟化剤は、１種または２種以上を併用してもよいが、その合計量は２０重量部程度までとし、好ましくは１５重量部以下、さらに好ましくは１０重量部以下とするのがよい。この軟化剤としては、脂肪油系軟化剤、松根油系軟化剤、石油系軟化剤、コールタール系軟化剤、合成樹脂系軟化剤、トール油、ファクチス等が挙げられる。その具体例としては、「ダイアナプロセス ＰＷ−３２（出光興産）、 パラフィン系プロセスオイル」、「共石プロセス Ｘ−１００（日鉱共石）、 芳香族系プロセスオイル」などがあげられる。
【００１８】本発明のゴム組成物は、ヒステリシスロスが８〜３５％であることも特徴の一つである。この値がが大きいほど破断強度が向上する傾向があるものの、大きくなり過ぎるとゴム弾性が失われ、クリープが大きくなるという問題がでてくる。ヒステリシスロスの上限は３５％までであるが、好ましくは２５％以下、さらに好ましくは２０％以下である。ヒステリシスロスを前記の特定範囲とするには、主としてシリカの配合量を前記の範囲に調整することによって目的が達せられる。
【００１９】本発明でいうヒステリシスロスは、１００％伸張における応力−歪曲線の入力エネルギー、すなわち曲線の下の面積で散逸エネルギーすなわちヒステリシスループの面積を割った値で示される。本発明のゴム組成物は、上記の特性を有することから免震支承の積層ゴムとして好適である。支承のクリープの程度は、支承のゴム高さの８％未満に抑える必要があり、好ましくは６％以内とされる。本発明のゴム組成物において、軟化剤は、この程度のクリープにおさまる程度に添加される。
【００２０】本発明のゴム組成物には、加硫剤（例えば、粉末硫黄）、加硫促進剤［例えば、Ｎ−シクロヘキシル−２−ベンゾチアジル・スルフェンアミド（ＣＢＳ）、テトラエチルチウラム・ジスルフィド（ＴＥＴＤ）］、加硫助剤（例えば、ステアリン酸、酸化亜鉛等）、老化防止剤［例えば、Ｎ−（１，３−ジメチルブチル）−Ｎ’−フェニル−ｐ−フェニレンジアミン、２，２，４−トリメチル−１，２−ジヒドロキノリン重合物］、等を必要に応じて添加する。通常、ゴム１００重量部に対し、加硫剤０．３〜５重量部、加硫促進剤０．３〜４重量部、加硫助剤１〜６重量部を配合する。
【００２１】本発明のゴム組成物は、上記のように各成分を配合し、十分混練したのち、通常、１１０〜１５０℃で加熱加硫し成形する。本発明のゴム組成物は、特定の配合範囲のカーボンブラックおよびシリカを含有し、静的せん断弾性率が４．５ｋｇｆ/ｃｍ2以下、ヒステリシスロスが８〜３５％であるという特性を有する。本ゴム組成物は、免震支承の積層ゴムとして好適である。
【００２２】
【実施例】以下に実施例および比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。
実施例１表１の実施例１の項に示す配合物を、バンバリーミキサーを用いて充分に混練した後、１４０℃で３０分間加熱し、加硫・成形してゴムシートを作製した。
【００２３】なお、表1において、次の配合物が用いられた。
・天然ゴム：ＳＭＲ ＣＶ６０ （Standard Malasian Rubber、ConstantViscosity ６０）
・イソプレンゴム（ＩＲ）：ＮＩＰＯＬ ＩＲ２２００（商品名）
・イソプレンゴム（ＩＲ）：カリフレックスＩＲ３０９（商品名）
・カーボンブラック（ＧＰＦ）：ＤＢＴ吸油量８４ｍｌ/ｇ、ヨウ素吸着量２４ｍｇ/ｇ、（三菱化学製、 商品名；ダイアブラックＧ）
・シリカ：ＢＥＴ比表面積２７０ｍ2/ｇ、日本シリカ製、商品名；ニプシルＶＮ３・アロマチックオイル：鉱物油系の軟化剤に属する石油系軟化剤のひとつである芳香族プロセスオイルで芳香族炭素が３５％以上のものである。
【００２４】・老化防止剤１３；Ｎ−（１，３−ジメチルブチル）−Ｎ’−フェニル−ｐ−フェニレンジアミン、大内新興、ノクラック６Ｃ・老化防止剤ＨＰＧ：２，２，４−トリメチル−１，２−ジヒドロキノリンポリマー、グレートレイクス社、アノックスＨＰＧ・加硫促進剤ＮＳ：Ｎ−tert−ブチル−２−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド、大内新興、ノクセラーＮＳ加硫促進剤ＴＯＴ−ｎ：テトラキス（２−エチルヘキシル）チウラムジスルフィド、大内新興、ノクセラーＴＯＴ−ｎ次に、かくして作製されたシートを用いて、外径φ６００ｍｍ、内径φ１５ｍｍ、 一次形状係数Ｓ１＝４１．２、二次形状係数Ｓ２＝５．１、 ゴム積層数３．５５ｍｍ×３３層、鋼板積層数３．２ｍｍ×３２層、の免震支承を作製した。この支承に、せん断弾性率を面圧２００ｋｇ/ｃｍ2で水平方向に破断するまでせん断歪を与えた。
【００２５】一方、同じゴムシートを用いて、外径φ１８０ｍｍ、 内径φ０ｍｍ、 一次形状係数Ｓ１＝３４．６、二次形状係数Ｓ２＝４．９５、ゴム積層数１．３×２８層、鋼板積層数１．２ｍｍ×２７層、の免震支承を作製した。これを常温で老化させ、６０年後のクリープ量を推定した。測定結果を表１に示す。
【００２６】表１において、ΔＶはトルエン中、４０℃、２４時間後の体積膨張率を、Ｈｓは旧ＪＩＳ Ｋ６３０１ ＪＩＳＡ型硬度を、動的せん断弾性率は東京衡機製造製動的せん断試験機での２０℃、０．３ＨｚＩ１００％歪での測定値をそれぞれ示す。
実施例２実施例１と同様にして得たゴムシートを用いて、φ６００およびφ１８０の支承を作製した。その限界破断歪とクリープ率を測定した。その結果を表１に示す。
比較例１表１の比較例１の項に示す配合組成でゴムシートを作製した。このゴムシートを用いて、実施例１と同様にしてφ６００およびφ１８０の支承を作製した。その限界破断歪とクリープ率を測定した。その結果を表１に示す。
比較例２表１の比較例２の項に示す配合組成でゴムシートを作製した。このゴムシートを用いて、実施例１と同様にしてφ６００およびφ１８０の支承を作製した。その限界破断歪とクリープ率を測定した。その結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】表１に示す結果から、カーボンブラック量とシリカ量を適宜に選択することにより、静的せん断弾性率が４．５ｋｇｆ/ｃｍ2以下でヒステリシスロスが８％以上のゴム組成物が得られ、限界破断伸びは４００％以上、クリープ率８％未満の支承を作製することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１８３２３３
【氏名又は名称】住友ゴム工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年７月９日（１９９９．７．９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５１５５
【弁理士】
【氏名又は名称】亀井 弘勝 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−７２８００（Ｐ２００１−７２８００Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年３月２１日（２００１．３．２１） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１９６４８３ |
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