ジョー・ウォルターは、タイヤの硬化および加硫プロセスをどのように改善できるかを検討しています

Sep 01, 2023

ゴムの歴史における画期的な進歩の 1 つは、生ゴムにひとつまみの硫黄を添加し、高温で加熱することで、夏のベタつきと冬の脆さという一見克服不可能な欠陥を「治癒」したという発見でした。 この不可逆的な硫黄硬化プロセスは、耐候性ゴムだけでなく、絡み合った長鎖高分子間の化学架橋または「三次元硫黄架橋」の形成を介してゴム全体の物理的特性も強化しました。 硫黄をさらに添加すると、より多くの架橋が生成され、ゴムはより硬くなり、ヒステリシスが低下します。 興味深いことに、他のメカニズムによる架橋は、塗料の乾燥や卵のフライなど、多くの一般的な現象で発生します。

ゴムと硫黄の架橋を生成する硬化プロセスは、その後、神話の火の神ヴァルカンにちなんで加硫と呼ばれるようになりました。 しかし、1839 年にチャールズ グッドイヤーによって発見された元の手順 (Tyre Legends、2016 年 7 月号、p46 を参照) は時間がかかり退屈で、多くの場合 4 時間以上熱を加える必要がありました。 それ以来、世界中の研究者が、硬化時間を短縮するために、ゴムやその他の加硫機構と化学添加剤を組み合わせて実験を行ってきました。 架橋を促進する化学物質の組み合わせは、加硫システムまたは「硬化パッケージ」として知られています。

現在のタイヤコンパウンドの硬化パッケージは、硫黄、促進剤、活性化剤で構成されています。 硫黄は 3phr 以下で使用され、天然か合成かにかかわらず、ほぼすべてのタイヤゴムコンパウンドにとって最適な架橋剤であり続けます。 促進剤は、硫黄単独で作用する場合と比較して、架橋速度を高めることにより硬化時間を短縮します。 活性化剤は、架橋をさらに促進することにより促進剤を補助します。 硬化パッケージは、工場での混合の最終段階または生産段階まで未加硫コンパウンドに追加されません。 カーボンブラック、シリカ、酸化防止剤などを含む他のほとんどの配合成分を使用して、2 つ以上の事前混合サイクルが実行されます。加硫剤を含む最終混合段階は、前段階（処理される段階）よりも低い温度（約 110℃）で制御されます。高温では)、ゴムコンパウンドが「焦げ」たり、早期に架橋したりする可能性があるためです。 押出成形やカレンダー加工などの後続の工場作業中の化合物の熱履歴の制御も、スコーチの安全性にとって重要です。 すべてのコンポーネントが組み立てられると、自動車用タイヤの場合、通常 145 ～ 160°C の温度範囲で 10 ～ 15 分間、タイヤを加硫することができます。 チャールズ・グッドイヤーの時代に必要だった加硫時間に比べて、加硫時間 (数時間ではなく数分) が大幅に短縮されました。

加硫時間が大幅に短縮された主な理由は、さまざまな促進剤の発見と使用です。 元素硫黄は 100 年以上にわたってタイヤ配合物中に常に存在し続けていますが、時間の経過とともに物質的に進化した加速器には同じことが当てはまりません。 初期の促進剤は鉛または亜鉛の無機金属酸化物で、通常は高負荷で含まれていました。 酸化亜鉛は、第一次世界大戦後にカーボンブラックに取って代わられるまで、タイヤコンパウンドの主要な強化剤としても機能しました。しかし、硬化時間短縮における最大の進歩は、20 世紀初頭の有機促進剤の開発であることが判明しました。最初のアニリンとその誘導体です。 、チオカルバニリドに続き、1920 年代に始まる一連の複雑な (技術者向けの) 合成材料が登場しました。 これらは少量で使用され、MBT (チアゾール) や CBS (スルフェンアミド) などの略語によって容易に認識されます。 数十年前に開発されましたが、両方とも今日でも使用されています。 現在、調合者は合計 100 以上のアクセラレーターを使用できます。

活性化剤は、架橋を促進する際に促進剤と硫黄をより効率的に反応させることにより、硬化システムに最終的なブーストを提供します。 活性化剤の中での「ゴールドスタンダード」は、通常 2 ～ 3 phr の無機酸化亜鉛と有機ステアリン酸です。 注目すべきことに、促進剤が存在しない場合、活性化剤は架橋量を増加させるのに本質的に効果がありません。