KR100371589B1 - 타이어 트레드용 고무 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리카를 보강제로 첨가한 통상의 타이어 트레드용 고무 조성물에 실리카 입자를 서로 입자크기가 다른 3종으로 혼합하여 충전시킨 것으로서, 이는 단일 입자크기를 갖는 실리카만을 보강제로 사용한 것에 비하여 패킹 밀도가 증가되어 점도를 감소시켜 가공성을 향상시킬 수 있고, 또한 내부기공을 감소시킬 수 있게 되어 기계적 물성 또한 향상시킬 수 있으며, 입자크기가 다른 2종으로 혼합한 경우에 비해서도 연비성능이나 제동성능이 향상되는 결과를 얻을 수 있다.

Description

타이어 트레드용 고무 조성물{Tire tread composition}

본 발명은 서로 다른 크기의 실리카 3종으로 고충전된 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.

해가 갈수록 지구의 온난화 현상은 더욱 더 가중되고 있으며, 이에 따라 주요인으로 주목된 이산화탄소의 방출량을 규제하려는 움직임이 높아가고 있다.

이에 부응하기 위하여 화석연료의 소비량을 감소시키기 위한 방법을 모색해오고 있는 바, 자동차 업계에서는 차량의 연비를 개선하기 위한 방향으로 그 연구가 진행중이다.

차량의 연비를 향상시키는 데 있어서는, 차량과 지면과의 사이에서 차량의 동력을 지면에 전달함으로써 차량을 구동시키는 역할을 하는 타이어가 연비성능을 좌우하는 가장 중요한 인자 중의 하나로 대두되고 있는 바, 타이어의 회전저항을 줄이면 연비가 향상된다.

이러한 방향에서, 우수한 연비성능을 지닌 실리카가 타이어 트레드용 보강제로서 카본블랙을 대신하여 각광을 받고 있다. 이에, 실리카를 카본블랙을 일부 대체하여 사용하거나, 실리카만을 고충전시킨 실리카 트레드까지 개발되고 있다.

그러나, 실리카 배합물은 혼합중 커플링제의 반응으로 인해 점도가 상승되어 가공성에 문제가 있고, 카본블랙보다 내마모성 및 기계적 물성이 저하되는 문제점을 안고 있다.

따라서, 실리카를 혼합함에 따른 가공성의 문제를 개선하기 위해서, 저온가공을 위한 믹서의 냉각시스템, 로터 속도의 가변화, 믹싱의 다단계화 등이 필요하며 저온에서 반응성이 낮은 커플링제 등을 개발하는 등 수많은 노력이 이루어지고 있다.

또한, 실리카의 주성분인 실라놀 성분을 카본블랙 표면에 접목시킨 이중상 카본블랙을 사용함으로써, 실리카 고유의 특성으로부터 유래된 가공성능의 문제점과 기존의 실리카 배합물이 가진 저조한 마모성능의 문제점을 개선하면서 동시에 젖은 노면에서의 제동성능과 연비성능을 향상시키려는 노력도 이루어지고 있다.

그러나, 실리카를 고충전시킨 배합물, 특히 실리카만을 배합한 경우 무기충전제로서 실리카의 함량이 증가함으로 인해 점도가 증가되고, 혼합 중 커플링제의 반응으로 인해 점도가 증가되어, 결국 복합적으로 점도가 증가되므로 가공성에 있어서 치명적이다.이와같은 문점을 해결하기 위하여 유럽 공개특허공보 제942029호에서는 서로 다른 입자크기를 함유하는 각각의 제1 및 제2 응집체를 갖는 실리카를 포함한 고무 조성물을 개시하고 있는 바, 여기서 입자크기가 작은 응집체는 직경 5 내지 15nm크기를 갖고, 다른 하나는 직경 17 내지 30nm의 입자크기를 가는 것으로 모노모달(monomodal)한 것이 바람직하다고 개시하였다. 즉, 서로 다른 입자크기를 갖는 2종의 실리카를 블렌딩한 경우, 즉 바이모달(bimodal)한 경우보다는 입자크기가 작은 제1의 응집체와 입자크기가 그보다 큰 제2의 응집체가 모노모달(monomodal)하게 제조된 실리카, 일예로 Rhone Poulenc사 제품을 사용할 경우 보다 향상된 내마모성을 갖는다고 개시하고 있다.그러나, 서로 다른 입자크기를 갖는 2종의 실리카를 블렌딩하거나, 서로 다른 입자크기를 갖도록 조성된 모노모달한 실리카를 사용하는 것에 있어서 저연비성과 제동성능의 향상에는 한계가 있다.

이에, 본 발명자는 서로 다른 입자크기를 갖는 2종의 실리카를 블렌딩하거나 서로 다른 입자크기를 갖도록 조성된 모노모달한 실리카로 고충전된 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서 저연비성과 제동성능을 보다 향상시키기 위해 연구노력하던 중, 실리카를 서로 다른 입자크기를 갖는 3종을 혼합하여 충전한 결과, 실리카 입자들간에 공극을 감소시켜 실리카 입자를 보다 더 고밀집시킴으로써 실리카 고충전에 따른 가공시 점도상승 등과 같은 가공성의 문제가 발생되지 않을 뿐만 아니라 보다더 제동성능과 저연비성능을 향상시킬 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 입자크기가 서로 다른 3종의 실리카를 고충전시킴으로써 동일 함량 적용시 단일 크기의 실리카만을 사용한 것에 비하여 패킹 밀도를 증가시킬 수 있게 되어 점도가 감소되고, 내부기공을 감소시킴으로써 가공성 및 기계적 물성을 향상시킬 수 있으며, 2종의 실리카를 사용한 것에 비해서도 제동성능과 저연비성능이 향상된 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 데 있다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 무기충전제로서 실리카를 전체 고무 조성물 부피에 대하여 20% 이상으로 고충전시키며, 상기 실리카는 서로 다른 입자크기를 갖도록 조성된 것으로서, 이때 서로 다른 입자크기를 갖도록 조성된 실리카는 서로 입자크기가 다른 3종의 혼합물로서, 입자크기의 비가 1:10:100이내이고, 가장 큰 입자의 질소흡착비표면적이 40∼120㎡/g으로서 중간크기 입자의 함량이 가장 큰 입자에 대하여 1:0.5∼1.0중량비이고, 가장 작은 입자의 함량은 중간크기 입자에 대하여 1:0.5∼1중량비인 조건을 만족하는것을 그 특징으로 한다.

도 1은 고무 매트릭스 내에 통상의 단일 크기의 실리카 입자가 분산된 상태를 모식화한 것이고,

도 2는 고무 매트릭스 내에 본 발명에 따라 서로 입자크기가 다른 3종의 실리카 입자가 분산된 상태를 모식화한 것이다.

이와같은 본 발명을 첨부도면에 의거 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 고무보강제로 사용되는 실리카를 입자크기가 서로 다른 3종의 입자를 혼합하여 적용함으로써, 단일크기의 실리카를 적용한 것에 비하여 실리카의 패킹 밀도를 증가시켜 고충전 실리카 적용시 점도의 증가를 최소화하여 가공성능을 향상시키고, 실리카의 고밀집으로 인해 내부기공의 감소로 인한 인장물성 및 내마모성능을 향상시킬 수 있으면서, 2종의 실리카를 적용한 것에 비하여도 제동성능과 저연비성능이 더 향상된 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.

본 발명에 따른 트레드용 고무 조성물은 통상의 타이어 트레드용 고무 조성물에서 사용할 수 있는 디엔계 천연고무, 용액중합 또는 유황중합 스티렌-부타디엔 고무 등을 원료고무를 사용할 수 있다.

그밖에 첨가되는 커플링제, 연화제, 산화방지제, 스테아린산염, 유황, 촉진제 등과 같은 첨가제를 배합할 수 있음은 물론이다.

본 발명에서는 이와같은 조성물에 실리카를 20부피% 이상으로 고충전시킨 고무에 있어서, 실리카를 서로 입자크기가 다른 3종의 것을 혼합하여 사용한 것에 그 특징이 있다.

일예로, 종래 타이어 트레드용 고무 조성물에서 보강제로 사용된 실리카 입자들은 단일크기의 입자로서, 이 경우 실리카 입자가 고무 매트릭스에 분산된 상태를 살펴보면 도 1과 같다.

도 1에서 알 수 있듯이, 단일크기의 입자로 충전시킬 때는 입자(A, B 및 C) 사이의 공극에 동일크기인 입자(D)가 위치할 수 없다.

그러나, 도 2에 나타낸 바와 같이, 서로 입자크기가 다른 3종의 실리카를 충전시킬 경우에는 매트릭스 내에 분산된 입자(A', B', C') 사이의 공극 내에 작은 입자(a, b, c)가 위치할 수 있으며, 또한 작은 입자(a, b, c) 사이에 그보다 작은 입자가 공극에 위치할 수 있게 된다.

따라서, 1종의 동일한 입자크기를 갖는 실리카를 사용하는 경우보다, 서로 다른 입자크기를 갖는 3종의 실리카를 사용할 경우 동일 부피내에 더 많은 양의 실리카를 충전시킬 수 있다.

이로 인해, 동일 함량의 실리카를 적용할 때, 3종의 서로 다른 입자크기를 갖는 실리카를 적용할 경우 실리카가 차지하는 부피분율이 커지게 되며, 패킹 밀도는 증가하게 된다. 이와같은 부피분율의 증가와 패킹 밀도의 증가는 점도의 감소효과를 가져올 뿐만 아니라, 실리카 입자의 고밀집으로 인해 내부기공을 감소시킬 수 있다. 내부기공의 감소는 결과적으로 고무의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.

그런데, 서로 다른 입자크기를 갖는 3종의 실리카를 혼용함에 있어서, 각각의 서로 다른 크기의 입자가 그 크기의 비가 바람직하지 못하면, 예를들어 3종의 입자크기를 조합함에 있어서, 중간크기의 것이 큰 것에 비하여 너무 작거나, 또한 가장 작은 입자가 중간크기의 것에 비하여 지나치게 작을 경우 작은 입자들이 큰 입자들 사이에 위치하지 못하고 이동하기 때문에 입자크기를 조합함에 따른 효과를 얻을 수 없게 된다.

따라서, 3종의 입자를 적당한 크기로 조합해야 하는 바, 구체적으로는 서로 입자크기가 다른 3종의 실리카를 혼합사용할 경우에는, 각각의 실리카는 그 입자크기의 비가 1:10:100 이내인 것이 바람직하다.

이때, 입자가 중간크기인 것의 함량이 입자가 가장 큰 것에 대하여 1:0.5∼1.0중량비이고, 입자가 가장 작은 것의 함량은 입자가 중간크기인 것에 대하여 1:0.5∼1중량비인 것이 고밀집 패킹 구조를 갖기에 유리하다.

한편, 본 발명에서 사용되는 실리카 중 가장 큰 입자는 질소흡착비표면적이 40∼120㎡/g인 것이 바람직하다.

이와같은 실리카의 배합을 전체 고무조성 중 20부피% 이상으로 충전시키는 것이 바람직한 바, 만일 그 충전비가 20부피% 미만이면 실리카가 차지하는 부피분율이 너무 작기 때문에 실리카 입자들 사이의 패킹이 발생하지 않게 된다.

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

이하 실시예 및 비교예에서의 고무 조성물은 다음 표 1 기재의 통상의 타이어 트레드용 고무 조성물이다. 표 1의 조성 중 실리카의 함량은 전체 고무 부피의25%이다.

	조성(중량부)
합성고무(BR)	100
실리카	86
커플링제 Bis (3-triethoxysilpropyl)-tetrasulfane	13
유황	2.2
촉진제 N-cyclohexyl-2-benzothiazyl sulfenamide	2.6

실시예 1∼2 및 비교예 1

상기 표 1에 나타낸 바와 같은 조성 및 함량비로 통상의 방법에 따라 타이어 트레드용 고무를 배합하되, 실리카 86중량부를 다음 표 3에 나타낸 바와 같은 조건에 따라 단독 또는 배합하여 사용하였다.

각각의 실리카의 질소흡착 비표면적과 CTAB값은 다음 표 2과 같다.

그리고, 얻어진 고무시편에 대하여 혼합전력, 무니점도, 인장강도, 반발탄성, 람본 마모량 및 동적손실계수를 측정하여 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.

	실리카
	A	B	C
질소흡착 비표면적(㎡/g)	74	125	138
CTAB 값(㎡/g)	74	118	127

	비교예 1	비교예 2	실시예 1
실리카함량(중량부)	A	86	51.6	34.4
	B	-	34.4	34.4
	C	-	-	17.2
혼합전력(kWh)	20.1	19.8	19.8
무니점도	69	60	55
인장강도(kg/㎠)	121	138	142
반발탄성(%)	50	51	51
람본 마모량(cc)	0.3448	0.3004	0.2888
tanδ	0℃	0.167	0.177	0.178
	60℃	0.122	0.119	0.115

상기 표 3에 있어서, 비교예 1은 동일 크기의 실리카 입자만을 첨가한 것이고, 비교예 1의 경우는 2종 입자크기의 실리카의 혼합, 실시예 1의 경우는 3종 입자크기의 실리카를 혼합충전한 예이다.

그리고, 표 3에 있어서 0℃ 동적손실계수는 제동성능을 표시하는 것으로서, 그 값이 증가할수록 제동성능이 우수한 것이며, 60℃ 동적손실계수는 회전저항을 가늠할 수 있는 것으로 그 값이 적을수록 연비성능이 향상됨을 의미한다.

이를 지표로 하여 보았을 때, 실리카 입자의 크기를 2∼3종으로 혼합사용한 경우(비교예 2, 실시예 1), 단일 입자크기의 것만으로 충전된 고무(비교예 1)에 비하여 0℃에서의 동적손실계수는 증가하고 60℃에서의 동적손실계수는 감소함을 알 수 있다. 특히, 본 발명에 따라 실리카의 입자크기를 3종으로 혼합한 경우 실리카의 입자크기를 2종으로 혼합한 경우에 비하여 더 우수한 내마모성능, 제동성능 및 저연비성을 나타냄을 알 수 있다.따라서, 본 발명에 따른 고무가 제동성능과 연비성능이 모두 향상되었음을 알 수 있다.

또한, 그밖에 인장강도, 반발탄성, 람본 마모량 등의 결과로부터, 인장강도를 비롯하여 내마모성 등과 같은 타이어 트레드용 고무에서 요구되는 기계적 물성이 모두 향상되었음을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 실리카를 보강제로 첨가한 통상의 타이어 트레드용 고무 조성물에 실리카 입자를 서로 입자크기가 다른 3종으로 혼합한 경우, 단일 입자크기를 갖는 실리카만을 보강제로 사용한 것에 비하여 패킹 밀도가 증가되어 점도를 감소시켜 가공성을 향상시킬 수 있고, 또한 내부기공을 감소시킬 수 있게 되어 기계적 물성 또한 향상시킬 수 있으며, 서로 입자크기가 다른 2종을 혼합한 경우에 비해서도 내마모성능, 연비성능이나 제동성능이 더 향상된다.

Claims (6)

1. (정정)무기충전제로서 실리카를 전체 고무 조성물 부피에 대하여 20% 이상으로 고충전시킨 것이며, 상기 실리카는 서로 다른 입자크기를 갖도록 조성된 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서,

   상기서로 다른 입자크기를 갖는 실리카는 서로 입자크기가 다른 3종의 혼합물로서, 입자크기의 비가 1:10:100이내이고, 가장 큰 입자의 질소흡착비표면적이 40∼120㎡/g으로서 중간크기 입자의 함량이 가장 큰 입자에 대하여 1:0.5∼1.0중량비이고, 가장 작은 입자의 함량은 중간크기 입자에 대하여 1:0.5∼1중량비인 조건을 만족하는것임을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
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