KR100393929B1 - 공기압 타이어 트레드용 고무 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리카를 포함하는 타이어 트레드 고무 조성에 고분자량의 알켄 티우람계 화합물을 가류촉진제로 첨가한 조성물로서, 이는 부분 가류 안정성 및 노화 전 후의 인장물성을 유지하면서 가류속도를 빠르게 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

공기압 타이어 트레드용 고무조성물{Tire tread rubber composition}
본 발명은 공기압 타이어 트레드용 고무조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자량의 알켄 티우람계 촉진제를 첨가함으로써 부분 가류 안정성 및 노화 전 후의 인장물성을 유지하면서 촉진제 첨가로 인한 가류특성을 얻을 수 있도록 한 공기압 타이어 트레드용 고무조성물에 관한 것이다.
최근 환경오염 방지와 관련하여 각국에서는 자동차 배기가스 배출량에 대한 규제가 강화되면서 저연비 타이어에 대한 관심이 높아지고 있고, 이를 위해 새로운 개념의 충진제인 실리카를 응용하는 기술이 많이 개발되고 있다.
실리카를 응용하는 고무의 경우 카본블랙을 응용하는 고무와 상당히 다른 가류 특성을 보인다. 이의 설명을 위해 레오메타 곡선을 도 1 및 2에 첨부하였다.
여기서, 도 1은 카본블랙을 응용한 고무의 레오메타 곡선이고, 도 2는 실리카를 응용한 고무의 레오메타 곡선이다.
도 1 및 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 카본블랙을 응용한 고무와 실리카를 응용한 고무는 레오메타 곡선이 상당히 다른 양상으로 나타난다.
구체적으로 살펴보면, 실리카는 카본블랙과 달리 표면에 극성기가 고르게 분포되어 있는데, 이러한 극성기들로 인하여 실리카 표면은 약한 산성을 띄고 있다. 그런데, 고무의 가류를 위해 투입되는 가류촉진제의 경우 대부분이 염기성을 띄고 있기 때문에 가류촉진제의 상당 부분이 실리카 표면에 흡착되어 가류촉진제의 역할을 충분히 발휘하지 못하게 된다. 따라서, 카본블랙을 응용한 고무에 동량의 촉진제를 사용한 경우에 비하여 도 2에 나타낸 바와 같이 가류속도가 상당히 느린 양상을 보이게 된다.
따라서, 일반적으로 실리카를 응용하는 고무에는 이러한 가류촉진제의 실리카 표면흡착으로 인한 가류속도 및 물성 저하를 줄이기 위하여 다이페닐구아니딘(Diphenylguanidine)을 첨가한다. 그러나, 다이페닐구아니딘을 첨가한다 할지라도 카본블랙 고무에서와 같은 레오메타 특성은 얻을 수 없어 빠른 가류속도를 기대하기 어려웠다.
한편, 실리카를 응용한 고무들에 있어서 가류속도를 향상시킬 수 있는 방법으로 보통 촉진제로 알려진 티우람계 화합물을 소량 첨가하였다. 티우람계 화합물로는 테트라메틸티우람 다이설파이드를 위시한 테트라알킬티우람 다이설파이드가 가장 많이 사용되어 왔는데, 이 물질은 2차 아민 구조를 가지고 있음으로 인해 나이트로소아민(Nitrosoamine)을 발생시켜 환경오염 물질로 규제를 받고 있는 실정이다. 구체적인 구조는 다음 화학식 1과 같다.
이와같은 문제를 안고 있는 테트라메틸 티우람 다이설파이드를 대체하기 위한 물질로 다음 화학식 2로 표시되는 테트라벤질 티우람 다이설파이드를 최근에는 많이 적용하고 있다.
이와같은 티우람계 촉진제를 응용할 경우, 상술한 바와 같은 고무의 가류속도를 향상시킬 수는 있지만, 이와 동시에 고무의 부분가류(스코치)에 대한 안정성이 떨어지고 가류고무의 노화전후 인장물성, 특히 파단에너지 측면이 상당히 저하되는 문제가 발생한다.
이에, 본 발명자는 실리카를 응용한 고무 조성에서 가류속도를 빠르게 하면서도 고무의 부분가류에 대한 안정성이나 가류고무의 노화전후 인장물성을 유지할 수 있도록 하기 위해 연구노력한 결과, 알켄 티우람계 촉진제를 첨가한 결과, 이를 만족시킬 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 실리카를 응용한 고무 조성물에 가류촉진제를 첨가하더라도 고무의 부분가류의 안정성이나 가류고무의 노화전후 인장물성을 유지할 수 있으면서 본래의 가류속도를 빠르게 하는 역할을 수행할 수 있도록 하는 타이어 트레드용 고무조성물을 제공하는 데 있다.
이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 타이어 트레드용 고무조성물은 용액중합법으로 제조된 스티렌-부타디엔 고무 단독이나 부타디엔 고무와의 혼합고무에 실리카, 커플링제 및 가류촉진제를 첨가하여 이루어진 것으로서, 이때 가류촉진제는 다음 화학식 3으로 표시되는 알켄 티우람계 화합물인 것임을 그 특징으로 한다.
상기 식에서 R은 탄소수 8 이상의 알켄기이다.
도 1은 카본블랙을 보강제로 첨가한 고무의 레오메타(rheometer) 곡선이고,
도 2는 실리카를 보강제로 첨가한 고무의 레오메타 곡선이며,
도 3은 본 발명의 알켄 티우람계 가류촉진제를 사용하여 가류시 형성되는 고무 주사슬과의 가교결합을 도식화한 것이다.
이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 고무 조성물에서는 상기 화학식 3으로 표시되는 바와 같은 알켄 티우람계 화합물을 가류촉진제로서 첨가한 것으로서, 실리카를 응용한 통상의 타이어 트레드용 고무조성물을 포함한다.
일예로서, 본 발명의 타이어 트레드용 고무조성물의 원료고무로는 용액중합법으로 제조된 스티렌-부타디엔 고무를 단독으로 사용할 수 있고, 부타디엔 고무를 혼합해서 사용할 수도 있다. 부타디엔 고무의 혼합시 그 첨가량은 원료고무 중 60중량% 이하인 것이 바람직하다.
이와같은 원료고무에 실리카를 보강제로서 첨가하고 통상의 커플링제를 첨가할 수 있다. 실리카의 첨가량은 원료고무 100중량부에 대하여 통상 40∼100중량부이다.
커플링제 외에도 연화제, 아연화, 스테아린산, 노화방지제, 유황 등을 첨가할 수 있음을 물론이다.
이와같은 통상의 타이어 트레드용 고무 조성에 가류촉진제로서 상기 화학식 3으로 표시되는 바와 같은 알켄 티우람계 화합물을 첨가하는 바, 이는 티우람 다이설파이드 결합을 포함하고 있기 때문에 통상의 티우람계 촉진제를 사용했을 때와 동일한 가류특성을 얻을 수 있도록 한다. 뿐만 아니라 일반적인 티우람계 촉진제와는 달리 탄소수 8개 이상의 불포화 탄화수소기가 티우람 다이설파이드의 양말단에 4개 자리하고 있기 때문에 부분 가류 안정성을 높일 수 있고, 동시에 이 불포화 탄화수소는 고무가류 반응에 참여하여 황 가교결합보다 상당히 긴 새로운 형태의 가교결합을 형성하여 고무의 노화전후 인장물성 저하를 방지하는 역할을 한다.
가류시의 원료고무의 황가교결합과 가류촉진제의 가교결합을 도 3에 나타내었다.
이와같은 역할을 하는 상기 화학식 3으로 표시되는 알켄 티우람계 화합물의 구체적인 예로는 테트라-다이-옥텐 티우람 다이설파이드(Tetra-di-octene-thiuram disulfide), 테트라-트리-데켄 티우람 다이설파이드(Tetra-tri-dekene-thiuram disulfide) 및 테트라-스티렌 티우람 다이설파이드(Tetra-styrene-thiuram disulfide) 등을 들 수 있다. 이외에도 여러종류의 알켄 티우람계 화합물이 있을 수 있으며 본 발명이 제시된 예로 한정되지 않는다.
그 첨가량은 원료고무 100중량부에 0.01∼3중량부인 바, 만일 그 함량이 0.01중량부 미만이면 그 첨가효과가 미미하며 3중량부를 초과하여 과량으로 첨가하면 스코치 안정성이 상당히 저하되고 인장물성이 오히려 저하되며 내열 노화 성능도 떨어지는 문제가 발생할 우려가 있다.
이와같은 가류촉진제의 효과를 확인하기 위하여 다음에서 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 및 비교예 1∼6
다음 표 1의 배합표를 기준으로 다음의 혼합조건으로 밴버리 믹서에서 혼합하여 미가류 고무를 준비하였다.
(혼합조건)
1)1단계
고무 100중량부, 실리카 55중량부, 커플링제 7중량부, 기타 배합제를 로터속도 60rpm으로 3분 40초 동안 최고온도 150℃ 되도록 혼합하여 1단계 혼합고무를 제조하였다.
2)2단계
상기 1단계 혼합고무에 실리카 20중량부, 커플링제 3중량부를 로터 속도 60rpm으로 3분 40초 동안 최고온도 150℃ 되도록 혼합하였다.
3)3단계
상기 2단계의 혼합고무를 로터 속도 60rpm으로 2분 30초 동안 최고온도 150℃ 되도록 재밀링하였다.
4)최종 단계
상기 재밀링된 혼합고무에 유황, 촉진제, 가류촉진제를 첨가하여 10분 동안 오픈 밀 혼합하였다.
(단위: 중량부)
실시예 1 비 교 예
1 2 3 4 5 6
원료고무 용액중합 SBR 70 70 70 70 70 70 70
용액중합 BR 30 30 30 30 30 30 30
실리카 75 75 75 75 75 75 75
커플링제 10 10 10 10 10 10 10
연화제 10 10 10 10 10 10 10
산화아연 3 3 3 3 3 3 3
스테아린산 2 2 2 2 2 2 2
노화방지제 3 3 3 3 3 3 3
유황 2 2 2 2 2 2 2
설펜아미드계 촉진제 1 1 1 1 1 1 1
가류촉진제 다이페닐구아니딘 - 1 - - 1 1 -
테트라메틸 티우람 다이설파이드 - - 0.5 - - - -
테트라벤질 티우람 다이설파이드 - - - 0.5 - 0.5 -
테트라알켄 티우람 다이설파이드 0.5 - - - 0.5 - 3
(주)용액중합 SBR: Nippon Zeon사 제품, NS116용액중합 BR: 금호석유화학 제품, BR01실리카: Zeosil 175, 커플링제: Si69연화제: 방향족 오일테트라알켄 티우람 다이설파이드: 테트라-다이-옥텐 티우람 다이설파이드
상기 표 1에 따라 얻어진 고무의 부분가류 안정성을 측정하기 위해 125℃에서 무니 점도 시험기 토크가 최소 토크에서 5 포인트 증가하는 데 걸리는 시간(t5)을 비교하였고, 가류속도는 160℃ 레오미터 챠트에서 최대 토크의 95%에 이르는 시간(t95)로 비교하였다.
여기서, t5는 길수록 부분 가류안정성이 큰 것을 나타내고, t95가 짧을수록 가류속도는 빠른 것을 나타낸다.
실시예 1 비 교 예
1 2 3 4 5 6
무니점도(125℃) t5(min) 10.1 6.4 5.2 8.5 9.1 8.1 6.1
ML1+4 65 65 67 66 66 64 65
레오메타(160℃) Tmax 73 72 75 74 72 75 77
Tmin 12 11 12 12 13 13 14
t30(min) 6.3 4.8 3.7 5.1 4.3 4.8 1.5
t95(min) 11.2 13.8 8.6 9.0 11 8.7 5.5
(주)ML1+4: 무니 점도계에서 4분 후의 토크값으로서, 고무의 무니점도라 함Tmax: 레오메타에서의 최대 토크치로서, 고무가 완전 가류된 상태t30: 레오메타에서의 최대 토크치의 30%에 이르는데 걸리는 시간으로, 고무의 가류가 시작되는 시간
한편, 고무의 인장물성을 비교하기 위하여 상기 실시예 및 비교예에 따라 얻어진 시편들을 160℃ 스팀 프레스에서 t95에 해당하는 시간동안 시편을 가류한 후, 덤벨형 시편을 제작하여 이를 인스트롱사에서 제작한 인장시험기(Instron 4502)를 이용하여 인장물성을 측정하였다. 고무의 노화 전후 물성비교를 위해 덤벨형 시편을 100℃ 오븐에서 72시간 및 70℃ 오븐에 2주 보관한 후 꺼내어 동일한 방법으로 인장물성을 측정하였다. 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.
실시예 1 비 교 예
1 2 3 4 5 6
초기물성 경도(쇼어 A) 69 70 71 70 71 70 75
100% 모듈러스 2.9 2.8 3.8 3.4 3.1 3.5 5.2
300% 모듈러스 11.2 10.3 14.6 13.1 11.3 13.5 18
파괴강도 21.3 19.7 20.4 20.9 21.3 20.6 21
신율 520 500 430 450 510 440 400
파단에너지 40 35 28 32 37 34 34
100℃ 3일 노화 경도(쇼어 A) 77 79 80 78 78 79 81
100% 모듈러스 5.0 5.6 6.2 5.8 5.2 5.9 8.2
300% 모듈러스 17.5 18.6 - - 17.8 - -
파괴강도 19.6 19.6 19.2 18.2 19.5 19.5 19.4
신율 340 310 270 290 320 280 270
파단에너지 31 25 20 22 27 247 23
70℃ 2주 노화 경도(쇼어 A) 74 75 76 75 75 76 79
100% 모듈러스 4.0 3.5 4.8 4.2 4.2 4.4 6.1
300% 모듈러스 14.9 14.9 17.2 16.2 15.2 16.4 19.1
파괴강도 20.4 20.2 20.2 20.3 20.3 20.2 21.4
신율 410 400 320 370 390 350 300
파단에너지 32 29 24 29 29 26 27
(주)100% 모듈러스: 100% 신장시 시편에 작용하는 응력값300% 모듈러스: 300% 신장시 시편에 작용하는 응력값파괴강도: 고무시편이 파괴될 때까지의 최대 응력값신율: 고무시편이 파괴될 때까지 늘어난 최대길이파단에너지: 고무시편이 파괴될 때까지 투입된 총 응력 에너지 밀도(J/㎡)
상기 표 2 및 3의 결과를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
①비교예 1∼3
우선, 비교예 1∼3의 경우는, 종래의 티우람계 촉진제의 효과를 알아볼 수 있는 예로서, 티우람계 촉진제로서 다이페닐구아니딘을 대체하여 사용할 경우 고무의 가류속도가 상당히 빨라짐을 알 수 있다. 즉, 표 2의 결과에서 t95및 t30이 짧아짐을 알 수 있다. 그리고, 테트라메틸 티우람 다이설파이드를 응용한 경우에는 다이페닐구아니딘에 비하여 부분 가류 안정성이 상당히 저하되었고, 테트라벤질 티우람 다이설파이드를 응용한 경우에는 부분가류 안정성도 상당히 향상되는 결과를 보인다. 이러한 고무의 부분가류 안정성 차이는 티우람계 촉진제에서 질소와 결합하고 있는 물질의 구조(분자량)에 의해 결정된다는 사실을 뒷받침한다. 인장물성에서티우람계 촉진제를 사용한 고무의 모듈러스가 다이페닐구아니딘을 사용한 고무에 비해 높게 나타나고는 있지만, 신율은 작아 고무의 파단에너지가 저하됨을 알 수 있다.
②비교예 4
비교예 4는 다이페닐구아니딘과 테트라알켄 티우람 다이설파이드를 가류촉진제로 혼용한 경우의 예이다. 이는 테트라알켄 티우람 다이설파이드를 단독으로 사용한 실시예 1에 비해서는 부분가류 안정성은 약간 떨어지고 가류속도는 거의 비슷한 수준으로 나타났다. 고무의 인장물성에서는 실시예 1에 비하여 약간 향상되는 결과를 보여주고 있다.
③비교예 5
비교예 5에서는 다이페닐구아니딘과 테트라벤질 티우람 다이설파이드를 가류촉진제로 혼용한 예이다. 이는 비교예 4의 경우와 유사하게 테트라벤질 티우람 다이설파이드만을 단독으로 사용한 고무에 비하여 부분가류 안정성은 약간 떨어지고 가류속도는 거의 비슷한 수준이다. 고무의 인장물성은 테트라벤질 티우람 다이설파이드를 단독으로 사용한 경우에 비하여 약간 향상되는 결과를 보여주고 있다. 그러나, 실시예 1이나 비교예 4에서와 같이 테트라알켄 티우람 다이설파이드를 사용한 것에 비해서는 물성이나 부분가류 안정성 측면에서 불리하였다.
④비교예 6
비교예 6은 테트라알켄 티우람 다이설파이드를 과량 첨가한 경우의 예이다. 이 경우, 고무의 가류속도는 상당히 빨라지지만, 부분가류 안정성이 동시에 저하되었고, 고무의 모듈러스는 상당히 높아지는 반면 고무의 신율 저하가 커 파단에너지는 오히려 감소하는 결과를 보였다.
⑤실시예 1
실시예 1은 본 발명에 따라 테트라알켄 티우람 다이설파이드를 응용한 고무의 예이다. 이는 다이페닐구아니딘을 사용한 고무에 비하여 고무의 부분가류 안정성이 70% 가량 향상되고 가류속도도 약 20% 정도 빨라졌다. 또한, 고무의 모듈러스 및 신율이 동시에 향상되어 고무의 파단에너지도 10% 이상 향상되는 결과를 보여주고 있다. 특히, 다른 티우람계 촉진제들이 열노화 후 인장물성이 급격히 저하되는 반면, 본 발명의 테트라알켄 티우람 다이설파이드를 응용한 경우 열노화 후에도 물성의 저하가 상대적으로 낮게 나타나고 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 고분자량의 알켄 티우람계 촉진제를 실리카 배합고무에 응용한 경우, 실리카 응용 고무의 부분가류 안정성 및 가류속도를 향상시킬 수 있고 고무의 물성, 특히 노화 전후의 인장물성을 향상시킬 수 있다.

Claims (2)

  1. 용액중합법으로 제조된 스티렌-부타디엔 고무 단독이나 부타디엔 고무와의 혼합 원료고무 100중량부에 실리카 40∼100중량부, 커플링제 및 가류촉진제를 첨가하여 이루어진 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서,
    상기 가류촉진제는 다음 화학식 3으로 표시되는 알켄 티우람계 화합물인 것임을 특징으로 하는 공기압 타이어 트레드용 고무조성물.
    화학식 3
    상기 식에서 R은 탄소수 8 이상의 알켄기이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 화학식 3으로 표시되는 알켄 티우람계 화합물의 함량은 원료고무 100중량부에 대하여 0.01∼3중량부인 것임을 특징으로 하는 공기압 타이어 트레드용 고무조성물.
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