KR100387295B1 - 저연비성 타이어 트레드용 고무 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원료고무, 카본블랙 및 첨가제로 이루어진 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 카본블랙으로 어그리게이트 크기 중 150nm 이상인 분율이 22% 이내이며, 표면개질된 것을 사용한 고무 조성물로서, 이는 통상의 카본블랙을 사용한 것에 비하여 마모성능은 동등 이상이면서 회전저항 성능이 향상되어 트럭버스용 타이어 트레드용으로도 적용할 수 있다.

Description

저연비성 타이어 트레드용 고무 조성물{Tire tread rubber composition}

본 발명은 저연비성 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 특정한 특성을 갖는 카본블랙을 첨가하여 마모성능은 동등 이상으로 유지하면서 회전저항을 향상시켜 연비를 개선시킨 고무 조성물에 관한 것이다.

최근 타이어 산업의 발전경향을 보면, 저연비, 저회전저항, 그리고 환경친화적인 제품을 생산하기 위해 기술력을 확대해오고 있다.

이를 위한 개발의 시작은 보강제로 가장 널리 사용되는 카본블랙과 폴리머와의 상호작용력을 향상시키기 위한 노력이었으나, 카본블랙 고유한 특성상 그 한계점이 있어 이에 대한 해결책으로 실리카가 제시되었다.

그러나, 실리카의 극성이 강한 특성상 비극성인 고무와의 혼화성이 용이하지 않았다. 이를 위해 커플링제를 도입함으로써 실리카와 폴리머의 상호작용력을 향상시킬 수 있었으며 실리카를 응용한 타이어 개술은 비약적으로 발전하기 시작하였다.

하지만, 이러한 기술은 승용차용 타이어에만 국한되어 개발되어온 게 사실이다. 그 이유로는 저회전저항에 대한 특성이 승용차용 타이어에서 더욱 요구되었으며, 특히 실리카를 사용하면 카본블랙을 사용하는 경우보다 마모성능이 현저히 저하되어 트럭버스용으로는 적합하지 못하기 때문이었다. 현재의 산업구조에서는 트럭버스도 내마모성을 기본적으로 유지하면서 저회전저항 성능을 요구하고 있다.

종래에는 저회전저항을 이루기 위해 카본블랙의 사용량을 줄이는 전통적인 방법을 사용했으나, 카본블랙이 배합에서 보강효과를 나타내는 최소 단위가 어그리게이트 사이즈(aggregate size) 수준이라는 연구결과를 응용하여 주로 제동성능은 유지하며, 저회전저항을 향상시킨 배합조성물을 발명하였으나, 역시 내마모성이 떨어지는 결과를 보여 주었다.

이에, 본 발명자들은 실리카를 함께 첨가하지 않아도 되며, 내마모성을 유지하면서 저회전저항 성능을 만족시킬 수 있어 트럭버스용으로도 적합한 타이어 트레드용 고무 조성물을 개발하기 위해 연구노력하던 중, 어그리게이트 크기 및 분포에 있어서 특정한 값을 가지면서 표면의 형상이 종래의 것과 다른 카본블랙을 첨가한 결과, 목적을 달성할 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 마모성능은 유지하면서 회전저항을 향상시켜 저연비성이 우수한 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 데 있다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무, 카본블랙 및 첨가제로 이루어진 것으로서, 이때 카본블랙으로는 어그리게이트 크기가 150nm 이상인 분율이 22% 이내이며, 그 표면이 개질된 것임을 그 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에서 사용한 카본블랙과 통상적으로 트럭버스용 타이어 트레드용 고무에 사용되는 카본블랙의 STM 사진으로서, 도 1a는 통상적으로 트럭버스용 타이어 트레드용 고무에 사용되는 카본블랙이고, 도 1b는 본 발명의 표면개질 카본블랙을 나타내며,

도 2는 본 발명에서 사용한 카본블랙과 통상적으로 트럭버스용 타이어 트레드용 고무에 사용되는 카본블랙의 TEM 사진으로서, 도 2a는 통상적으로 트럭버스용 타이어 트레드용 고무에 사용되는 카본블랙이고, 도 2b는 본 발명의 표면개질 카본블랙을 나타낸다.

이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 여타의 트레드용 고무 조성물에서와 같은 원료고무를 사용할 수 있는 바, 천연고무 단독이나 천연고무에 부타디엔 고무 등과 같은 합성고무를 혼합사용할 수 있다.

이와같은 원료고무에 카본블랙을 보강제로서 첨가하는 바, 일반적으로 ASTM에서 규정하고 있는 카본블랙과 본 발명에서 사용하고 있는 카본블랙을 대비하여 설명하면 다음과 같다. ASTM에서 규정하고 있는 카본블랙의 일예로는 N220, N121, N234 등을 들 수 있으며, 본 발명에서 사용된 표면개질 카본블랙으로는 EB155, EB171, EB172 등을 들 수 있다.

본 발명에서 사용하는 카본블랙은 다음으로 정의되는 어그리게이트 크기 및 분포에 대해 특정한 값을 가지며, 표면의 형상이 종래의 카본블랙과 상이한 특징을 갖는다.

카본블랙의 어그리게이트 크기 및 분포측정과, 표면형상 분석방법은 다음과 같다.

(어그리게이트 크기 및 분포측정)

회전하는 디스크에 균일한 카본블랙 함유 용액을 주입하여 원심침강시키면서 일정거리 라이드 빔으로 침강하는 어그리게이트들을 감지하여 크기를 측정한다. 큰 어그리게이트일 경우는 빠르게 침강하고 작은 어그리게이트일 경우는 느리게 침강하므로 이와같은 원리를 이용하여 어그리게이트 크기 및 분포를 측정한다. 어그리게이트 크기별로 그 분율을 그래프에 그리면 정규분포 형태를 나타낸다(측정제원: Disc Centrifuge Photosedimentometer(BI-DCP))

(1)Dw: 중량평균 어그리게이트 크기

(2)Mode: 최고 많은 분율을 가지는 어그리게이트 크기(정규분포의 피크에서의 크기)

(3)ΔD50: 최고 피크의 중간이 되는 부분을 서로 연결하였을 경우 그 차이로 결정되는 입자크기

(4)150nm: ASTM에 규정되어 있는 N234 카본블랙의 경우 가장 큰 어그리게이트 크기임.트럭버스용 트레드에 많이 사용하는 그레이드이며, 이 크기를 기준으로하여 분포도를 표현하였다.

(표면형상 분석)

(1)STM(Scanning Tunneling Microscope) 사진에 의한 분석: 카본블랙 표면의 굴곡을 관찰할 수 있는 장비이다.

(2)TEM 사진에 의한 분석: 표면의 결정(Crystallite)의 질서정연한 정도를 관찰할 수 있는 장비이다.

이와같은 방법에 따라 측정된 카본블랙은 ASTM에서 규정하고 있는 카본블랙에 비하여 다음과 같은 특성을 갖는 것으로서, 구체적으로 보면;

(1)CTAB(ASTM D3765-99), N2SA(ASTM D5604-96 또는 ASTM D4820-99), STSA(ASTM D5816-99), DBP(ASTM D2414-99), CDBP(ASTM D3493-99), I2A(ASTM D1510-99), Tint(ASTM D3265-99), Transmittance of Toluene Ext.(ASM D1618-99) 등의 기본특성은 동등한 값을 갖는다.

(2)어그리게이트 크기가 150nm 이상인 분율이 22% 이내인 특성을 갖는다.

(3)STM 사진에 의해 관찰한 결과 도 1에 나타낸 바와 같이 그 표면이 매우 거칠다. 여기서, 도 1a는 ASTM 카본블랙의 STM 사진이고, 도 1b는 본 발명에서 사용한 카본블랙의 STM 사진이다.

(4)TEM 사진에 의해 관찰한 결과는 도 2에 나타낸 바와 같다. 도 2에 있어서, 도 2a는 ASTM 카본블랙의 TEM 사진이고, 도 2b는 본 발명에서 사용한 표면개질된 카본블랙의 TEM 사진이다. 도 2에서 검정색으로 분리가 되어있는 것들이 모두결정들이다. 도 2b를 보면 표면개질한 카본블랙이 무질서하게 분포하고 있는 것을 관찰할 수 있다. 현재까지 연구된 바에 의하면 표면이 개질된 카본블랙의 결정크기가 다소 작은 것으로 알려져 있지만, 아직까지는 완벽하게 정량화된 수치로 나타내기는 어렵다.

본 발명에서 사용하는 카본블랙의 어그리게이트 분포에 있어서, 어그리게이트 크기가 150nm 이상인 분율이 22% 보다 많으면 저회전저항 성능은 다소 올릴 수 있지만 내마모 성능이 저하되는 문제가 생길 수 있다.

그리고, 표면의 개질은 카본블랙 생산 공정중 반응기 내부에 물리적으로 와류를 발생하게 하여 수행될 수 있다.

표면개질이 된 카본블랙을 사용하는 것이 그렇지 않은 것에 비하여 고무와 흡착할 수 있는 힘을 증진시켜 보강성능을 향상 시킨다는 면에 있어서 유리하다.

상기와 같은 특성을 만족하는 카본블랙의 첨가량은 원료고무 100중량부에 대하여 30∼80중량부인 것이 바람직하다. 만일, 카본블랙의 첨가량이 30중량부 미만이면 저회전저항 배합물을 얻을 수는 있으나 보강효과가 떨어져 마모성능이 저하되며, 80중량부 초과면 발열이 증가하여 회전저항이 매우 나빠진다.

그밖에 본 발명의 고무 조성물은 통상의 타이어 고무에서 첨가되는 배합제, 예를들어 활성제인 산화아연 및 스테아린산, 노화방지제, 가황제 및 가류촉진제 등을 첨가할 수 있음은 당연할 것이다.

이와같은 카본블랙을 첨가한 본 발명의 고무 조성물은 통상의 카본블랙을 첨가한 것에 비하여 마모성능은 동등 이상이면서 회전저항 성능이 향상된 특성을 갖는다.

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

실시예 1∼3 및 비교예 1∼5

다음 표 1에 제시된 배합비에 따라 원료고무, 카본블랙, 활성제인 산화아연 및 스테아린산, 노화방지제, 가황제 및 가류촉진제를 첨가하여 밴버리 믹서에서 배합하고 일정시간이 지난 후 방출하였다. 밴버리 믹서에서 혼합하는 조건은 ASTM D3192-97에 의거하여 실시하였다.

여기서, 사용된 카본블랙의 특성은 다음 표 2에 나타낸 바와 같다.

	실시예	비교예
	1	2	3	1	2	3	4	5
천연고무	100	100	100	100	100	100	100	100
카본블랙	N220	-			30	52	80
	EB155	52			-	-	-
	N234	-			-	-	-	52
	EB171	-	52		-	-	-
	N121	-			-	-	-		52
	EB172	-		52	-	-	-
산화아연	3	3	3	3	3	3	3	3
스테아린산	3	3	3	3	3	3	3	3
TMQ	1	1	1	1	1	1	1	1
6PPD	1	1	1	1	1	1	1	1
왁스	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
TBBS	1	1	1	1	1	1	1	1
CTP	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15

	N220	EB155	N234	EB171	N121	EB172
CTAB	110	111	119	118	121	121
I2A	119	-	120	118	121	138
STSA	106	114	-	115	-	118
N2SA	109	116	123	120	122	131
DBP	113	117	125	125	132	139
CDBP	101	100	100	104	112	109
Tint	114	113	124	117	121	114
Transmittance of Toluene Ext.	98	-	-	69	-	85
어그리게이트 특성	Dw	82	86	77	86	85	96
	Mode	89	77	71	64	75	62
	DD50	60	65	51	52	74	63
	150nm 이상 분율	-	7	0.5	9	2	16

제조된 제조된 고무제품에 대한 물성측정 결과를 다음 표 3에 나타내었다.

	실시예	비교예
	1	2	3	1	2	3	4	5
볼 리바운드 60℃(%)	58.5	59.0	59.7	65.1	55.7	45.2	56.6	56.6
마모도(g)	88	84	80	120	96	75	90	87
60℃ tanδ	0.150	0.164	0.152	0.200	0.251	0.251	0.190	0.177
(주)(1)볼 리바운드 60℃: 높을수록 저회전저항 특성이 우수한 것을 나타냄.(2)마모도: DIN 마모도로서, 낮을수록 마모성능이 우수함을 나타냄.(3)60℃ tanδ: RDS로 측정한 것으로, 회전저항 특성을 나타내며, 수치가 낮을수록 성능이 우수함을 나타냄.

상기 표 2의 결과로부터, 특정의 어그리게이트 분포를 가지며 표면이 개질된 카본블랙을 원료고무 100중량부에 대하여 30∼80중량부 되도록 첨가하였을 때 마모성능은 유지하면서도 저회전저항을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 특정의 어그리게이트 특성을 만족하고 표면이 개질된 카본블랙을 첨가한 고무 조성물의 경우 통상의 카본블랙을 사용한 것에 비하여 마모성능은 동등 이상이면서도 회전저항 성능이 향상되었다.

Claims (3)

1. (정정)원료고무, 카본블랙 및 첨가제로 이루어진 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서,

   상기 카본블랙은 어그리게이트 크기 중 150nm 이상인 분율이 22% 이내이며, 표면이 개질된 것임을특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
2. (삭제)
3. 제 1 항에 있어서, 카본블랙은 원료고무 100중량부에 대하여 30∼60중량부 되도록 첨가되는 것임을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.