1. アラミド短繊維耐パンク層タイヤの構造設計
自転車タイヤのコード層とトレッドゴムの間にアラミド短繊維の耐パンク層を設けることで、タイヤの耐パンク性を効果的に向上させることができます。釘などの鋭利物はトレッドゴムを突き刺しますが、アラミド短繊維の耐パンク層に接触すると、タイヤの内圧によって異物の侵入を効果的に防ぎ、チューブのパンクを防ぎます。
2. 耐パンク層へのアラミド短繊維の応用
アラミド短繊維の耐パンク層を備えた自転車タイヤの製造の実現可能性を考慮して、耐パンク層の基本配合は、タイヤ製造で広く使用されている自転車タイヤのトレッドゴム配合を採用し、基本配合に基づいて異なるアラミド短繊維投与量の適用効果を調査した。
2.1 アラミド短繊維の補強効果の解析
ゴムコンパウンドによく使用される短繊維強化材には、セルロース繊維、綿繊維、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、アラミド繊維などがあり、いずれもゴムコンパウンドの強度を向上させることができます。
ミクロフィブリルは
アラミドパルプ。 三次元形態分析から、アラミドパルプミクロフィブリルがアラミドパルプとゴムマトリックス間の結合をより強固にすることができることがわかります。
長さ6mm未満の非捲縮アラミドチョップド短繊維は、混合時に均一に分散させることが困難です。比表面積が大きい（7～9 m²·g-1）アラミドパルプは、比較的毛羽立ちやすく、静電気が発生しやすく、ゴムコンパウンドへの混合が困難で、分散が不均一になります。アラミドパルプをゴムマトリックスに良好に分散させるために、アラミドパルプを分散液またはマスターバッチの形で混合することができます。デュポン社は、アラミドパルプをゴムマトリックスに良好に分散させる関連特許技術を開発しました。この方法で製造された製品は、ケブラー®EEと呼ばれています。
実験により、ケブラー®EEアラミドパルプ強化ゴムの複合係数はアラミドパルプ含有量の増加とともに増加することが判明しているため、本研究ではケブラー®EEアラミドパルプを使用しています。
2.2 アラミドパルプ添加量がゴム界面接着に与える影響
アラミドパルプの使用量が増えると、ゴムコンパウンドの引張強度と引き裂き強度が増加し、界面滑り伸びが減少しますが、相対的な界面滑りエネルギーは変化しません。
外部引張力が徐々に増加すると、防刺層内のアラミド繊維とゴムコンパウンドとの間に界面滑りが発生し、最終的に界面滑りが発生し、応力-ひずみ曲線に変曲点が生じます。アラミド繊維ゴムコンパウンドの相対的な界面滑りエネルギーは、ゴムコンパウンドの応力-ひずみ曲線で表され、曲線と横軸で囲まれた近似三角形の面積に相当します。相対的な界面滑りエネルギーを使用すると、ゴムコンパウンドが界面滑りを生成するエネルギーをより直感的に反映できます。異なる用量のアラミドパルプを充填したゴムコンパウンドの応力。この分析から、アラミドパルプの投与量は防刺層ゴムコンパウンドの相対的な界面滑りエネルギーにほとんど影響を与えないことも結論付けることができます。
3. アラミドパルプ耐パンク層の製造
自転車タイヤのアラミドパルプ耐パンク層の製造工程は、ゴム可塑化→シート化→シート再精製→配合剤の添加→耐パンク積層シート→冷却→切断が含まれます。
分析の結果、アラミドパルプ製パンク防止層の性能に影響を与える主な要因は、アラミドパルプの使用量、パンク防止層の厚さ、そしてタイヤの加硫時間であることが判明しました。アラミドパルプ製パンク防止層ゴムは混合後、様々な規格の自転車タイヤの製造工程パラメータに基づき、シートプレスとカッターを用いて、様々な厚さと幅のパンク防止層ゴムシートに切断され、スタンバイ用として使用されます。
4. タイヤ性能に影響を与える要因の分析
4.1 アラミドパルプの使用量
耐パンク層ゴムにおけるアラミドパルプの配合量がタイヤ本体の強度と接着強度に与える影響。
アラミドパルプの配合量を増やすことで、タイヤ本体の強度が大幅に向上し、耐パンク性も向上します。これは、アラミドパルプの配合量が増えることでゴムの複合弾性率が増加し、それに応じてタイヤ本体の強度も向上するからです。
アラミドパルプの配合量が増えると、タイヤ本体の接着力が低下し、タイヤの耐久性が低下します。これは主に、アラミドパルプの配合量が増えるとゴムの接着力が低下し、耐パンク層とコード層間の接着力が著しく低下するためです。
4.2 耐パンク層の厚さ
耐パンク層の厚さがタイヤ本体の強度と接着性に与える影響。
耐パンク層の厚さが増加すると、タイヤ本体の強度が増加し、タイヤの耐パンク性が大幅に向上します。耐パンク層の厚さがタイヤ本体の接着力に与える影響は明らかではありません。耐パンク層が厚いほど、タイヤの耐パンク性は向上しますが、タイヤの重量が増加し、軽量化にはつながりません。また、耐パンク層の厚さが増加すると、タイヤのコストも増加します。さらに、耐パンク層が厚すぎると、タイヤの放熱性が悪くなり、走行中に他の問題が発生しやすくなります。
4.3 加硫時間
温度、圧力、時間はタイヤ加硫の3つの要素であり、そのうち温度と圧力は通常一定であるため、加硫時間はタイヤの性能に影響を与える重要な要素です。加硫時間はゴム製品の性能に大きな影響を与えます。
加硫時間がタイヤの強度と接着強度に与える影響。
タイヤの通常の加硫範囲（8.5～9.5分）では、タイヤの強度と接着性能はわずかに変動しますが、タイヤが加硫不足および加硫過剰になると、加硫不足および加硫過剰の増加に伴ってタイヤの強度と接着性能が大幅に低下します。
異なるアラミドパルプの投与量とパンク防止層の厚さでのタイヤの正加硫時間を迅速に決定するために、バブル臨界点時間法を使用できます。まず、2つの定義を明確にします。1つはバブルポイント時間、つまり、特定の温度と圧力で加硫したときにタイヤに泡が現れる時間です。もう1つはバブル臨界点時間、つまり、特定の温度と圧力で加硫したときに泡が消える時間です。たとえば、図7は、既存の温度と圧力での異なる加硫時間における特定仕様のタイヤの泡の状況を示しており、この仕様のタイヤのバブルポイント時間は8.5分、バブル臨界点時間は9.0分であると結論付けることができます。
類似規格に基づいて初期バブル臨界点時間を設定すると、本規格のタイヤのバブル臨界点時間、すなわち仮加硫時間から安全時間を差し引いた時間を予備的に決定することができます。実際のバブル臨界点時間測定法は、初期バブル臨界点時間に基づいてタイヤを加硫する方法です。バブルが発生しない場合は、加硫時間を適切に短縮（具体的な規格に応じて15～60秒ずつ短縮）し、バブル臨界点時間を確認します。バブルが発生した場合は、加硫時間を適切に延長（バブルの位置と大きさに応じて増加）し、バブル臨界点時間を確認します。タイヤのバブルポイントを確認する際は、熱いうちにタイヤを切断し、タイヤ断面（上下金型のトレッド、コード層間、タイヤリムなどを含む）にバブルがあるかどうかを観察し、マークを付けます。正の加硫時間は、バブル臨界点時間、安全時間、および季節要因の影響を受けた時間の合計です。経験によれば、気泡臨界点時間が ≤5、5～7、8～14、15～18、および ≥18 分の場合、安全時間はそれぞれ 1、2、3、4 分、および気泡臨界点時間の 20% です。
結論
アラミド短繊維とアラミドパルプのゴムに対する補強効果を分析・比較し、ケブラー®EEアラミドパルプを用いて自転車タイヤの耐パンク層を作製した。アラミドパルプの使用量、耐パンク層の厚さ、加硫時間がタイヤ本体の強度と接着性能に及ぼす影響を検討した。結論は以下の通りである。
- アラミドパルプの使用量が増えると、タイヤ本体の強度は大幅に向上しましたが、接着性能は低下しました。
- 耐パンク層の厚さが増加すると、タイヤ本体の強度が増加し、接着強度の変化傾向は不規則になりました。
- タイヤの通常の加硫範囲内では、タイヤ本体の強度と接着性能はわずかに変動しますが、タイヤが硫黄不足または硫黄過剰状態にある場合、硫黄不足および硫黄過剰の度合いが増加すると、タイヤ本体の強度と接着性能が大幅に低下します。
