KR100342024B1

KR100342024B1 - 내마모성을 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물

Info

Publication number: KR100342024B1
Application number: KR1020000000395A
Authority: KR
Inventors: 조영신; 박일용
Original assignee: 조충환; 한국타이어 주식회사
Priority date: 2000-01-06
Filing date: 2000-01-06
Publication date: 2002-07-02
Also published as: KR20010068462A

Abstract

본 발명은 내마모성을 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로, 유리전이 온도가 -100℃ 내지 -116℃이고, 미세구조 조성 중 1,4 시스-부타디엔 함량이 96% 이상이며, 100℃에서의 무늬 점도가 55 내지 65 이고, 100℃에서의 응력 완화 시간 기울기가 -0.30 내지 -0.50인 용액 중합 방법으로 제조된 부타디엔 고무 및 천연 고무로 이루어진 블렌딩 고무 100 중량부에 대하여, CTAB이 145㎡/g, ISA가 130㎎/g, DBP가 130㎖/100g, C-DBP가 100㎖/100g 이상, TINT가 110 이상, N2SA가 135㎡/g, STSA가 128㎡/g, 34nm에서의 톨루엔 탈색화가 50% 이하, N2SA/STSA가 1.0 내지 1.3, N2SA-STSA가 0 내지 35인 카본블랙 40 내지 80 중량부 및 통상의 첨가제로 이루어지는 내마모성을 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물인 것이다.

본 발명은 일정 범위의 무늬 점도 및 일정 수준으로 조절된 응력 이완 시간을 갖는 부타디엔 고무와 천연 고무를 사용하며, 유용한 보강제로서 카본블랙을 사용하여 내마모 성능을 향상시킴과 동시에 발열, 회전저항 및 젖은 노면 제동성의 손실이 없는 고무 조성물을 얻을 수 있다.

Description

내마모성을 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물{A RUBBER COMPOSITION HAVING AN IMPROVED ABRASION RESISTANCE FOR A TREAD OF TIRE}

본 발명은 내마모성을 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 타이어 산업에서 유용하게 사용되고 있는 용액 중합 방법으로 제조되는 부타디엔 고무와 천연 고무를 일정한 비율로 블렌딩한 고무와 카본블랙을 사용하여, 저발열, 저연비(저 회전저항성) 특성 및 젖은 노면 제동 성능이 동등하면서도 내마모성이 향상된 고무 조성물에 관한 것이다.

타이어 개발의 대부분은 구조적 측면과 타이어에 사용되는 재료의 응용 기술개발로 집약될 수 있으며, 특히 재료 부분에서는 에너지 절약 측면 및 환경 문제를 중시하는 타이어 개발을 하기 위해 대부분의 연구가 이루어지고 있다. 최근, 재료 측면에서 이루어지고 있는 타이어 개발 방향은 저연비용 타이어, 고내마모성 타이어, 고제동성 타이어 개발, 내췹컷성 및 이들간의 특성을 조합한 타이어 개발에 노력하고 있다. 특히, 최근의 타이어 고무 배합 기술은 이들 특성간의 조합 기술에 집중되어 있으며, 이를 위해 최근에 개발된 여러 신소재를 적용하는 연구 개발이 시도되고 있다. 예를 들면, 일본 특개소 55-12133호 및 일본 특개소 56-127650호에는 특히 고비닐 부타디엔(이하, V-BR이라 함)을 적용한 고무 배합 조성물이 기재되어 있고, 일본 특개소 57-55204호 및 일본 특개소 57-73030호는 고비닐 스티렌 부타디엔(이하, V-SBR이라 함)을 적용한 고무 배합 조성물이 기재되어 있으나, 이들의 경우는 우수한 젖은 노면 제동성 및 저발열 특성을 나타내지만 열등한 내마모 특성을 나타낸다.

또한, 일본 특개소 61-141741호 및 일본 특개소 61-42552호에서도 역시 V-SBR을 사용하는 고무 배합 조성물이 기재되어 있으나, 여전히 열등한 내마모 성능을 해결하지 못하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 고무를 통한 물성 향상을 기대하기 어렵게 되자 새로은 카본블랙의 적용을 통한 문제 해결을 시도하였다. 예를 들면, 입자크기가 작은 카본블랙을 사용한다든지, 카본블랙의 사용량을 줄이는 전통적인 방법뿐만 아니라, 일본 특개소 59-2451호에서는 카본블랙이 배합에서 보강효과를 나타내는 최소 단위가 어그리게이트 사이즈(aggregate size) 수준이라는 연구 결과를 응용하여 주로 다른 특성(고내마노성, 고제동성)을 유지하며, 저연비성 및 현장 혼합 가공성을 향상시킨 배합 조성물을 발명하였으나, 역시 내마모성을 크게 증가시키지 못하였다.

따라서 또다른 전통적인 방법 중의 하나인 폴리머의 분자량 특성을 조절하여 내마모 성능을 향상시키려고 시도하였으나, 이는 가공성(혼합성, 압출성 등) 문제를 해결해야하는 근본적인 문제에 부딪치게 된다.

이에 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하여, 저발열, 저연비(저회전저항) 및 고제동 성능이 구현되면서 내마모성이 향상된 고무 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 유리전이 온도가 -100℃ 내지 -116℃이고, 미세구조 조성 중 1,4 시스-부타디엔 함량이 96% 이상이며, 100℃에서의 무늬 점도가 55 내지 65 이고, 100℃에서의 응력 완화 시간 기울기가 -0.30 내지 -0.50인 용액 중합 제조된 부타디엔 고무 및 천연 고무로 이루어진 블렌딩 고무 100중량부에 대하여, CTAB(세틸트리메틸 암모늄 브롬화물 흡착 비표면적)이 145㎡/g, ISA(요오드 흡착량)가 130㎎/g, DBP가 130㎖/100g, C-DBP(디부틸 프탈레이트 흡유량)가 100㎖/100g 이상, TINT(비착색도)가 110 이상, N2SA(질소 흡착 비표면적)가 135㎡/g, STSA(N₂가스로 측정한 표면적)가 128㎡/g, 34nm에서의 톨루엔 탈색화가 50% 이하, N2SA/STSA가 1.0 내지 1.3, N2SA-STSA가 0 내지 35인 카본블랙 40 내지 80 중량부 및 아연화, 스테아린산, 유황, 촉진제의 통상적으로 사용되는 첨가제로 이루어지는 내마모성을 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물인 것이다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 용액 중합 방법으로 제조되는 부타디엔 고무 및 천연 고무를 일정한 비율로 블렌딩한 고무가 사용된다.

여기서 상기 용액 중합 제조 된 부타디엔 고무의 유리 전이 온도는 -100℃ 내지 -116℃ 이고, 미세구조 조성 중 1,4 시스-부타디엔 함량이 96%인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 부타디엔 고무의 내마모 성능을 향상시키고, 천연 고무와의 블렌딩을 용이하게 하기 위해서는 상기 부타디엔 고무의 100℃에서의 무늬 점도가 55 내지 65 인 것이 바람직하다.

이러한 높은 무늬 점도를 갖는 부타디엔 고무는 고무 가공시 심각한 문제를야기시키며, 따라서, 최적의 가공성을 적용하여 배합 고무의 물성을 향상시키기 위해서는 가공성과 관련된 분자 구조 특성을 파악하는 것이 매우 중요하다. 현재, 이러한 분자 구조 특성을 정성 및 정량 평가하는 방법 중의 하나로 ASTM D1646-99에 소개된 "응력 완화 시간 기울기"가 있다. 본 발명에서 사용하는 응력 완화 시간 기울기를 측정하는데 이용한 조건은 100℃ 측정 온도에서 무늬 점도를 측정하고, 로터를 순간적으로 정지시킨 후, 잔존하는 토크를 2분에 걸쳐 측정한 후, 로그-토크 및 로그-시간으로 도식화하여 기울기를 얻었다. 본 발명에서 보듯이 100℃에서의 무늬 점도가 55 내지 65인 부타디엔 고무의 카본블랙 혼입을 향상시키고, 또한 가공성을 향상시켜 최적의 마모 성능 및 저발열, 저연비, 우수한 젖은 노면 제동성을 얻기 위해서는 부타디엔 고무의 응력 완화 시간 기울기가 -0.30 내지 -0.50 인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기와 같은 특성을 갖는 부타디엔 고무 및 천연 고무를 블렌딩한 고무 100 중량부가 사용되고, 상기 블렌딩 고무는 부타디엔 고무 10 내지 50 중량부 및 천연 고무 50 내지 90중량부로 이루어지는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 천연 고무를 상기 범위를 벗어난 상태로 사용할 경우에는 마모성이 떨어지게 되므로 바람직하지 못하며, 상기 부타디엔 고무를 상기 범위를 벗어난 상태로 사용할 경우에는 가공성의 손실에 따른 시트(sheet)의 불균일성과 카본블랙의 분산 불량으로 인하여 물성 저하사 수반되게 되므로 상기 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 블랜딩 고무에 유용한 보강제로서 카본블랙이 사용된다. 본 발명의 카본블랙은 CTAB(세틸트리메틸 암모늄 브롬화물 흡착 비표면적)이 145㎡/g, ISA(요오드 흡착량)가 130㎎/g, DBP가 130㎖/100g, C-DBP(디부틸 프탈레이트 흡유량)가 100㎖/100g 이상, TINT(비착색도)가 110 이상, N2SA(질소 흡착 비표면적)가 135㎡/g, STSA(N₂가스로 측정한 표면적)가 128㎡/g, 34nm에서의 톨루엔 탈색화가 50% 이하, N2SA/STSA가 1.0 내지 1.3, N2SA-STSA가 0 내지 35인 것이 바람직하다.

본 발명의 부타디엔 고무의 무늬 점도는 55 내지 65로 높기 때문에 상기 카본블랙이 80 중량부를 초과하여 사용하게 되면 카본블랙의 분산 불량으로 인하여 가공성이 불량해지고, 또한 발열이 증가하여 내마모성이 떨어지는 역효과가 발생되어 바람직하지 않다. 만약 카본블랙의 사용량이 40 중량부 미만으로 사용되면 저발열 조성물을 얻을 수 있으나, 보강 효과가 떨어져 이 또한 바람직하지 않다. 따라서 상기 카본블랙은 40 내지 80 중량부로 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명에서는, 상기 블렌딩 고무에 통상의 첨가제로서 아연화, 스테아린산, 유황, 촉진제 등을 사용한다.

이하, 본 발명을 실시예로서 다음과 같이 설명하지만, 이것으로 본 발명을 제한하는 것은 아니다.

실시예 1 내지 4

본 발명에서 제안된 용액 중합 제조 된 부타디엔 고무 및 천연 고무로 이루어진 블렌딩 고무, 카본블랙 및 통상의 첨가제인 아연화, 스테아린산, 유황 및 촉진제를 사용하여 다음 표 1에 나타낸 바와 같이 ASTM3189-94에서 사용하는 방식으로 배합하여 고무 조성물을 제조하였다.

다음 표 1에서, 부타디엔 고무 Ⅰ은 시스 1,4-부타디엔 고무 함량이 96% 이고, 무늬 점도가 45이며, 응력 완화 기울기가 -0.41인 부타디엔 고무를 의미하고, 부타디엔 고무 Ⅱ는 시스 1,4-부타디엔 고무 함량이 96% 이고, 무늬 점도가 46이며, 응력 완화 기울기가 -0.62인 부타디엔 고무를 의미하고, 부타디엔 고무 Ⅲ은 시스 1,4-부타디엔 고무 함량이 96% 이고, 무늬 점도가 63이며, 응력 완화 기울기 가 -0.37인 부타디엔 고무를 의미하고, 부타디엔 고무 Ⅳ는 시스 1,4-부타디엔 고무 함량이 96%이고, 무늬 점도가 60이며, 응력 완화 기울기 -0.55인 부타디엔 고무를 의미한다. 여기서 응력 완화 기울기는 ASTM D 1646-99에 준한다(ML1+4@100℃2분).

비교예 1 내지 6

실시예 1 내지 4에서와 같은 방식으로 다음 표 1에 나타낸 구성분과 조성비로 고무 조성물을 제조하였다.

(중량부)

	실시예1	실시예2	비교예1	비교예2	비교예3	비교예4	비교예5	비교예6	비교예7	비교예8
천연 고무	90	50	90	80	50	80	90	80	50	40
부타디엔 고무Ⅰ			10						50
부타디엔 고무Ⅱ						20
부타디엔 고무Ⅲ	10	50					10	20		60
부타디엔 고무Ⅳ				20	50
카본블랙	40	80	40	40	80	40	30	30	80	90
아연화	3	3	3	3	3	3	3	3	3	3
스테아린산	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
유황	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5
촉진제(TBBS)	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1

시험예

실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 8에서 제조된 고무 조성물 시편을 가지고 물성을 측정하여 그 결과를 다음 표 2에 나타냈다.

	실시예1	실시예2	비교예1	비교예2	비교예3	비교예4	비교예5	비교예6	비교예7	비교예8
레오메터 t5	27.4	27.9	30.5	27.4	26.4	28.6	28.3	26.8	29.5	25.1
레오메터 t90	12.8	12.4	13.6	12.4	12.5	13.1	13.2	12.8	12.6	12.6
화합물 M.V.@125	49	60	46	50	62	43	38	41	59	67
인장물성(실온)	경도(쇼어 A)	70	86	70	68	92	68	68	66	79	96
	M300 지수(㎏/㎠)	109	119	100	104	117	98	100	98	117	117
	절단강도지수	115	122	100	111	114	97	94	101	115	116
	절단신율지수	114	99	100	93	95	98	106	116	96	94
	인열 지수	118	108	100	105	94	91	100	117	110	90
	파단에너지 지수	127	124	100	104	104	96	98	107	101	98
인장물성(노화)	경도(쇼어 A)	77	91	76	75	98	65	66	71	86	104
	M300 지수	112	126	100	112	106	97	101	100	118	129
	절단강도 지수	121	116	100	109	108	96	98	104	109	122
	절단신율지수	109	101	100	89	90	91	104	108	94	84
	인열 지수	111	103	100	100	108	94	100	115	101	88
	파단에너지 지수	129	127	100	104	101	92	101	101	103	94
파코 마모 지수	119	122	100	100	99	98	96	97	102	91
람본 마모 지수	111	114	100	97	92	95	96	91	101	94
딘 마모 지수	114	112	100	96	96	94	93	100	98	90
발열 특성	100	103	100	104	110	102	96	93	112	119
표면 거칠기	5	4	5	2	1	3	5	5	2	1
0℃ tanδ	0.13	0.11	0.14	0.12	0.12	0.13	0.13	0.11	0.11	0.12
60℃tanδ	0.09	0.07	0.10	0.08	0.08	0.09	0.09	0.10	0.08	0.07

·레오메터 t5의 측정온도 : 125℃

·레오메터 t90의 측정온도 : 150℃

·인장물성 시험 조건 : 인스트론사제 기기 사용.

클로스 헤드 스피드(Cross Head Speed) : 500㎜/분.

가류조건 : 150℃×30분.

노화조건 : 100℃×24시간.

· 표면 거칠기 : 숫자가 클수록 부드러운 표면을 의미함.

상기 표 2에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 실시예 1 내지 2는 저발열 특성, 저연비 특성 및 젖은 노면 제동 성능 및 내마모성 등 모든 면에서 우수한 값을 나타내었다. 반면 비교예 1 내지 8의 경우 전체적으로 우수한 물성을 갖지 못하고 어느 하나가 열등하였다.

본 발명은 일정 범위 내의 무늬 점도 및 일정 범위 내의 응력 완화 시간을 조절한 부타디엔 고무를 천연 고무와 블렌딩 하여, 보강재로서 유용한 카본블랙을 사용하여 발열, 연비(저회전저항) 및 제동성능의 손실이 없으며 내마모성이 향상된 고무 조성물을 얻을 수 있다.

Claims

유리전이 온도가 -100℃ 내지 -116℃이고, 미세구조 조성 중 1,4 시스-부타디엔 함량이 96% 이상이며, 100℃에서의 무늬 점도가 55 내지 65 이고, 100℃에서의 응력 완화 시간 기울기가 -0.30 내지 -0.50인 용액 중합 제조된 부타디엔 고무 및 천연 고무로 이루어진 블렌딩 고무 100중량부에 대하여, CTAB(세틸트리메틸 암모늄 브롬화물 흡착 비표면적)이 145㎡/g, ISA(요오드 흡착량)가 130㎎/g, DBP가 130㎖/100g, C-DBP(디부틸 프탈레이트 흡유량)가 100㎖/100g 이상, TINT(비착색도)가 110 이상, N2SA(질소 흡착 비표면적)가 135㎡/g, STSA(N₂가스로 측정한 표면적)가 128㎡/g, 34nm에서의 톨루엔 탈색화가 50% 이하, N2SA/STSA가 1.0 내지 1.3, N2SA-STSA가 0 내지 35인 카본블랙 40 내지 80 중량부 및 아연화, 스테아린산, 유황, 촉진제와 같은 통상의 첨가제로 이루어지는 내마모성을 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 블렌딩 고무는 상기 부타디엔 고무 10 내지 50 중량부 및 천연 고무 50 내지 90중량부로 이루어지는 것인 내마모성을 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물.