KR100351020B1 - 타이어 트레드용 고무 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 합성고무 100중량부; 카본블랙 표면 제조공정 중 실라놀 성분기체를 반응로에 투입시켜서 반응로 내에서 카본블랙 표면에 실라놀 성분을 카본블랙 대비 3 내지 20 중량비로 표면 개질시킨 실리카와 카본으로 이루어지며, 질소흡착 표면적이 1g당 90 내지 190㎡, 디비피값이 100g당 70 내지 150㎖인 실리카로 표면 개질된 카본블랙인 2상 충진제 81∼100중량부; 및 첨가제를 포함하는 고무 조성물에 관한 것으로서, 이는 실리카가 지닌 가공문제 및 마모성능의 불리함을 개선하고 2상 충진제를 사용하는 타 고무 조성물에 비하여 제동성능이 동등 이상이면서도 연비가 대폭적으로 향상되어 타이어 트레드용 고무로 적합하다.

Description

타이어 트레드용 고무 조성물{Tire tread composition}

본 발명은 타이어 트레드용 고무조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리카가 지닌 가공문제 및 마모성능의 불리함을 개선하고 2상 충진제를 사용하는 타 고무 조성물에 비하여 제동성능이 동등 이상이면서도 연비가 대폭적으로 향상되어 타이어 트레드용으로 적합한 고무 조성물에 관한 것이다.

지구의 온난화 현상이 날로 심해지면서, 이의 주요인으로 지목된 이산화탄소의 방출량을 규제하려는 움직임이 높아가고 있는 상황이다. 이에 따라 화석 연료의 소비량을 감소시키기 위한 기술이 다방면으로 연구되고 있다. 이와같은 일환으로 차량에 있어서는 연비를 올림으로써 이를 해결하기 위해 노력 중인데, 차량과 지면과의 사이에서 차량의 동력을 지면에 전달함으로써 차량을 구동시키는 타이어는 연비성능을 좌우하는 가장 중요한 인자중의 하나이다. 따라서, 타이어의 회전 저항을 줄여 연비를 올리려는 연구에 그 초점이 맞추어지고 있다.

한편, 타이어는 여러 부품 및 부위로 이루어져 있는데, 그 중에서도 특히 지면과 접하는 트레드는 타이어의 연비성능에 가장 중요한 영향을 미친다.

종래에 제조된 타이어의 트레드용 고무 조성물은 천연고무, 용액중합 스티렌 부타디엔 공중합 고무 또는 부타디엔 고무만을 주성분으로 사용하고, 보강제로써 카본블랙을 사용하여 어느 정도의 제동성능과 연비성능을 만족하였다.

일반적으로 타이어의 제동성능과 연비 성능은 고무의 물성인 점탄성 특성과 높은 상관관계를 가지며, 점탄성 특성 중에서 0℃에서의 동적 손실계수는 젖은 노면에서의 제동성능, 그리고 60℃에서의 동적손실계수는 회전저항 즉, 연비성능과 매우 밀접한 관계를 갖고 있다. 즉, 0℃에서의 동적 손실계수가 높을수록 제동성능이 유리하며, 60℃에서의 동적 손실계수는 낮을수록 연비성능에서 유리한 것으로 알려져 있다.

따라서, 0℃에서의 동적 손실계수를 젖은 노면의 제동성능 대응치로, 60℃에서의 동적 손실계수를 회전 저항 즉, 연비성능의 대응치로서 이용할 때, 0℃에서의 동적 손실계수가 크고, 60℃에서의 동적 손실계수가 작으면 제동성능 및 연비성능을 모두 만족시킬 수 있음을 알 수 있다.

연비성능을 개선시키기 위해서는 타이어와 노면과의 마찰을 줄여야 하는데 이 경우에 타이어의 제동성능이 저하되는 상반된 특성이 나타나게 된다. 이러한 상반된 특성을 동시에 만족시키는 방법으로써 실리카 배합이 연구 개발되어 왔으나,실리카는 자체적으로 표면에 기능기가 과다하게 집중되어 산도가 높고, 충진제-충진제 간에 높은 반응성을 보이고 상대적으로 충진제-고무와는 낮은 반응성을 보임으로써 이상적인 가류 물성을 얻기 위해서는 특별한 가공조건을 필요로 하며, 또한 다량의 커플링제를 필요로 한다.

그리고, 실리카 물질 자체적인 비중등의 이유로 인하여 폴리머와의 배합시 비산되어 분산이 어렵고 가류물성에서는 저조한 마모성의 문제등 여러 가지 문제점을 안고 있어 널리 사용되고 있지 못하는 상황이다. 따라서, 이러한 문제를 해결하고자 하는 연구노력이 다방면으로 진행되고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 발명자는 실리카의 구성 물질인 실라놀 성분을 카본블랙 표면에 접목시켜 표면을 개질한 특수 충진제인 카본블랙-실리카의 2상 충진제(이하, 2상 충진제라 함)를 사용함으로써 카본블랙과 실리카의 상호 보완적인 특성이 나타나 카본블랙 배합의 문제점인 젖은 노면에서의 제동성능과 연비성능, 실리카 배합물이 갖고 있는 가공성능과 마모성능의 문제점을 동시에 개선한 고무 조성물을 개발하고, 기 출원한 바 있다(특허출원 제1998-16690호). 구체적으로 상기 고무 조성물은 천연고무 10 내지 30중량부, 유화중합 SBR 20 내지 50중량부, 용액중합 SBR 20 내지 50중량부, 아로마틱 오일 30 내지 50중량부, 유황 1.5 내지 2.5중량부, CZ촉진제 1.5 내지 2.5중량부, 실리카로 표면 개질된 카본블랙의 2상 충진제 10 내지 100중량부 및 상기 2상충진제 대비 2 내지 15%중량부의 커플링제로 이루어진 것을 그 특징으로 하였다.

이와같은 2상 충진제의 사용에 있어서 그 배합량과 사용고무, 커플링제의 함량에 의해서도 고무 조성물의 특성은 크게 변화하기 때문에 2상 충진제를 사용하면서도 최상의 성능을 제공할 수 있는 고무 조성물에 대하여 계속적으로 연구할 필요가 있었다.

이에 본 발명자는 상술한 기 특허출원건을 근간으로 하여 보다 나은 고무 조성물을 개발하기 위해 연구노력하던 중, 가장 최적의 특성을 나타내는 조건은 합성고무 100중량부에 2상충진제를 81∼100중량부로 사용한 경우임을 알게되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 실리카가 지닌 가공문제 및 마모성능의 불리함을 개선하고, 종래의 2상 충진제를 사용하는 고무 조성물에 비하여 제동성능은 동등이상이면서 연비는 대폭적으로 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 데 있다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 본 발명은 합성고무 100중량부; 카본블랙 표면 제조공정 중 실라놀 성분기체를 반응로에 투입시켜서 반응로 내에서 카본블랙 표면에 실라놀 성분을 카본블랙 대비 3 내지 20 중량비로 표면 개질시킨 실리카와 카본으로 이루어지며, 질소흡착 표면적이 1g당 90 내지 190㎡, 디비피값이 100g당 70 내지 150㎖인 실리카로 표면 개질된 카본블랙인 2상 충진제 81∼100중량부; 및 첨가제를 포함하는 것임을 그 특징으로 한다.

이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 종래 고무 보강제로 사용되는 카본블랙에 실리카의 주성분인 실라놀 성분으로 표면을 개질시킨 2상 충진제를 합성고무 100중량부에 81∼100중량부로 첨가함으로써 실리카가 지닌 가공 문제 및 마모성능의 불리함을 개선하고 또한 종래의 2상 충진제를 첨가한 고무 조성물에 비하여 제동성능은 동등 이상이면서 연비 성능은 대폭적으로 개선시킨 고무 조성물에 관한 것이다.

구체적으로, 본 발명의 합성고무는 유화중합 스티렌-부타디엔 고무와 용액중합 스티렌-부타디엔 고무 및 부타디엔 고무를 사용하는 바, 좀더 구체적으로는 유화중합 스티렌-부타디엔 고무 30∼70 중량%, 용액중합 스티렌-부타디엔 고무 30중량% 이내 및 부타디엔 고무 30∼50 중량%로 이루어진 것이 바람직하다.

이와같은 합성고무에 2상 충진제를 첨가하는 바, 2상 충진제는 카본블랙 표면 제조공정중 실라놀 성분기체를 반응로에 투입시켜서 반응로 내에서 카본블랙 표면에 실라놀 성분을 카본블랙 대비 3 내지 20 중량비로 표면 개질시킨 것이다.

얻어진 2상 충진제는 질소흡착 표면적이 1g당 90 내지 190㎡, 디비피값이 100g당 70 내지 150㎖인 것이 바람직하다.

이와같은 2상 충진제는 통상 고무 보강제로 첨가되어온 실리카의 특성인 저연비 성능 및 제동 성능을 지님과 동시에 카본 블랙의 특성인 높은 보강성을 동시에 만족시키고, 카본블랙 배합의 문제점인 젖은 노면에서의 제동성능과 연비성능, 실리카 배합물이 갖는 가공성능과 마모성능의 문제점을 동시에 개선시키는 역할을 한다.

즉, 카본-실리카의 2상 충진제는 카본블랙 제조공정에서 오일과 공기가 투입되는 기존의 공정을 변경하여 실라놀 성분의 기체가 오일, 공기와 함께 반응로에 투입되도록 하여 제조된 충진제로서, 카본블랙 응집체에 실라놀 성분이 물리적, 화학적 결합을 통하여 결합되어 있는 카본블랙-실리카의 2개상을 가짐으로써 기존의 카본블랙보다도 더욱 발달된 기공면적인 5㎡/g 이상을 갖는 특성을 보인다.

2상 충진제는 실리카 성분이 카본 응집체에 분산 결합되어 있어서 실리카-실리카간의 거리가 멀게되어 고무 매트릭스에 분산될 때 이들끼리 마주칠 확률이나 가능성을 감소시킴으로써 혼합 가공성을 향상 시키고 실리카가 배합물에서 보여주는 실리카 고유의 특성인 충진제-충진제간의 고반응성을 낮추어 주고 상대적으로 충진제-폴리머간의 저반응성을 증가시킴으로써 충진제 네트워크 발달을 감소시킴으로써 충진제의 가장 중요한 보강 특성을 갖는 바운드 러버의 생성을 증가시켜 각각의 카본블랙과 실리카 배합물이 지닌 특성을 유지하면서 문제점에 대하여는 개선 효과를 나타낸다.

다시말해, 실리카의 저조한 가공성능, 비산 등의 문제점과 기존의 실리카 배합물이 가진 저조한 마모성능 문제점을 개선하면서도 동시에 젖은 노면에서의 제동성능과 연비성능을 향상시킨다는 것이다.

상술한 바와 같은 역할을 하는 2상 충진제는 상기한 합성고무 100중량부에 대하여 81∼100중량부로 첨가하는 바, 만일 그 첨가량이 81중량부 미만이면 이의 효과중 저동 성능과 연비 성능이 저조하고, 100중량부 초과면 다량의 충진제 사용에 의한 가공성이 난이하고 또한 전체적인 특성 특히, 내 마모성이 저하하는 문제가 발생될 우려가 있다.

그밖에도 본 발명에 있어서 통상 고무용 배합제로 사용되는 다른 종류의 충진제(블랙 포함)도 함께 사용할 수가 있으며, 가교 결합을 용이하게 형성하도록 하기 위하여 커플링제, 노화 방지제, 연화제, 가황제, 가황 촉진제 등을 적정 배합할 수 있는 것은 물론이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같은 바,본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 및 비교예 1∼2

가류전 고무 시트를 다음 표 1에 바와 같은 고무 및 첨가제를 사용하여 통상적인 과정에 의해 준비하였으며, 이를 160℃에서 20분 동안 가류하여 시편을 얻었다.

(단위: 중량부)
	비 교 예	실시예 1
	1		2
천연고무(중량%)	20	-	-
합성고무(중량%)	80	100	100
카본블랙	10	-	-
2상 충진제	60	70	90
커플링제	10	10	12
유황	2.0	2.0	2.0
DPG	2.0	2.0	2.0
기타 촉진제	1.0	2.0	2.0
(주)합성고무: 유화중합 SBR 50중량%, 용액중합 SBR 20중량% 및 부타디엔 고무 30 중량%로 이루어진 고무카본블랙: 상용 카본블랙(N220)커플링제: 상용 Si69 50% 함유된 X-50S

실험예

상기 실시예 1 및 비교예 1∼2에 따라 얻어진 시편에 대하여 타이어 성능평가를 수행하였으며, 그 결과는 다음 표 2와 같다. 타이어 성능 평가시험은 다음과 같다.

인장강도: JIS B-Type 인장 시험편을 이용하여 Instron사 제품의 Universal Tester를 이용하여 평가

혼합전력 : 코베스틸(일본)사 제품의 BB-4, 혼합고무량 2,200g

람본 마모량: 우에시마(일본)사 제품의 람본마모 시험기를 사용하여 상온에서 슬립율 25%로 측정

동적 손실계수(tan δ): 온도를 변화시키면서 트위스타입 점탄성 시험기를 사용하여, 0.5% 변형율에 10Hz 주파수로 측정.

	비 교 예	실시예 1
	1		2
혼합전력(kwh)	0.62	0.72	0.65
인장강도(kg/㎠)	182	175	185
반발탄성(%)	38.5	40.2	41.3
람본 마모량(cc)	0.382	0.375	0.364
tanδ	0℃	0.274	0.265	0.282
	60℃	0.1945	0.137	0.121

상기 표 2의 결과로부터, 상기 실시예 1은 비교예에 비하여 2상 충진제의 사용으로 이상 충진제를 81∼100중량부 범위로 사용함으로써 0℃에서의 동적손실계수가 증가됨을 알 수 있는 바, 이는 젖은 노면에서의 제동성능이 향상되었음을 의미한다. 그리고, 60℃에서의 동적 손실계수의 감소로부터 연비성능이 개선됨을 알 수있다. 동시에 람본 마모량으로 부터 내마모성도 뚜렷이 개선됨을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 2상 충진제를 합성고무 100중량부에 대하여 81∼100중량부로 첨가한 고무 조성물의 경우 기존의 고무 보강제로서 첨가되는 실리카의 특징인 연비성능과 젖은 노면에서의 제동 성능이 더욱 향상되었으며, 실리카 배합의 문제점인 가공성능, 내마모성능이 크게 개선되었을 뿐만 아니라, 특정비로 2상 충진제를 첨가함에 따라 종래의 2상 충진제를 첨가한 고무 조성물에 비하여 연비성능은 보다 더 향상되어 타이어 트레드용 고무 조성물로서 유용하다.

Claims (4)

1. (정정)합성고무 100중량부; 카본블랙 표면 제조공정 중 실라놀 성분기체를 반응로에 투입시켜서 반응로 내에서 카본블랙 표면에 실라놀 성분을 카본블랙 대비 3 내지 20 중량비로 표면 개질시킨 실리카와 카본으로 이루어지며, 질소흡착 표면적이 1g당 90 내지 190㎡, 디비피값이 100g당 70 내지 150㎖인 실리카로 표면 개질된 카본블랙인 2상 충진제 81∼100중량부;및 첨가제를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
2. (삭제)
3. 제 1 항에 있어서, 합성고무는 유화중합 스티렌-부타디엔 고무 30∼70 중량%, 용액중합 스티렌-부타디엔 고무 30중량% 이내 및 부타디엔 고무 30∼50 중량%로 이루어진 것임을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
4. 제 1 항에 있어서, 첨가제는 커플링제, 유황 및 촉진제 중에서 선택된 1종 이상의 것임을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.