KR100431128B1

KR100431128B1 - 타이어 사이드월용 고무 조성물

Info

Publication number: KR100431128B1
Application number: KR10-2001-0079949A
Authority: KR
Inventors: 이병조
Original assignee: 한국타이어 주식회사
Priority date: 2001-12-17
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2004-05-12
Also published as: KR20030049660A

Abstract

본 발명은 CTAB 비표면적이 45 내지 75㎡/g, IA 흡착량이 70 내지 90mg/g, DBP 흡유량이 80 내지 120㎖/100g, CDBP흡유량이 60 내지 100㎖/100g, STSA 비표면적이 40 내지 75㎡/g, N2SA 비표면적이 50 내지 80㎡/g이고, 또한 TEM(Transmission Electron Microscopy)에 의해 측정한 기본입자경(M, Mean Diameter of Primary Particle)이 30 내지 40nm, 가중평균입자경(WM, Weight Mean Diameter of Primary Particle)이 50 내지 80nm이며, 특히 HI(Heterogeneity Index=WM/M) 값이 1.7 내지 2.5인 특성을 만족하는 카본블랙을 사용한 타이어 사이드월용 고무 조성물에 관한 것으로서, 이를 포함하는 고무 조성물은 내피로성능의 향상 뿐만 아니라 가공성능까지 동시에 향상시킬 수 있다.

Description

타이어 사이드월용 고무 조성물{Rubber composition for tire sidewall}

본 발명은 타이어 사이드월용 고무 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내피로성능의 향상 뿐만 아니라 가공성능까지 동시에 향상시키도록 신규한 카본블랙을 첨가한 타이어 사이드월용 고무 조성물에 관한 것이다.

타이어 사이드월에 적합한 고무 조성물은 특히 고온에서 어느 정도의 강도 및 신장율 뿐만 아니라 저하된 발열성, 낮은 영구변형성(permanent set), 경화된 타이어의 인접부에 대한 우수한 접착성을 나타내어야만 한다. 또한, 양호한 내피로성(flex fatigue resistance)과 오존 및 자외선 저항성은 모두 사이드월 고무 조성물에서 요구되는 또 다른 조건들이다.

현대의 타이어에서 요구되고 있는, 상기와 같은 복잡한 균형을 이룬 성능을 충족시킬 수 있도록 하기 위해서 중합체의 배합물을 사용하기에 이르렀다. 예를들면, 워커(J.Walker) 등에 의해 기술된 배합물에 사용된 모든 중합체가 고도의 불포화도를 가지며, 이와같은 배합물은 촉진 유황 경화제 시스템을 사용함으로써 용이하게 가황된다.

과거에는 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM)과 고불포화 고무를 함께 가황시키면 종래의 촉진 유황 가황 시스템으로 경화될 때 일반적으로 강도가 불량한 것으로 나타났다. 따라서, 포화도가 다양한 고무의 배합물, 특히 고불포화 고무와 EPDM의 배합물의 바람직한 공가황(covulcanization)을 달성하기 위한 방법을 모색하기 위하여 몇가지 상이한 시도를 취하여 왔다.

그 중에서도 자주 채용된 하나의 시도는, 포화도가 높은 고무(통상적으로 EPDM)를 할로겐화하여 이와같은 할로겐 수식고무와 유황경화성 불포화고무의 배합물을 부여하는 방법이다. 즉, 초엔(Schoen) 등은 미합중국특허 제3,936,430호에서 할로겐화 EPDM과 불포화 고무의 유황경화성 배합물을 개시하고 있다. 마찬가지로, 호퍼(Hopper) 등은 미합중국 특허 제4,017,468호에서 N-클로로티오카르복실 아미드 또는 이미드와 불포화 고무의 유황경화성 배합물을 개시하고 있다. 반면에, 크레스게(Kresge) 등은 미합중국 특허 제3,524,826호에서 브롬화 EPDM과 고불포화 고무의 유황경화 공가황체를 개시하고 있다. 같은 맥락에서, 랜디(Landi) 등은 미합중국특허 제3,956,247호에서 할로겐화 EPDM과 디엔 고무의 유황경화성 배합물을 개시하였으며, 호퍼(Hopper) 등은 미합중국 특허 제3,915,907호에서 N-클로로티오술펜아미드-수식 EPDM과 디엔고무의 유황경화성 배합물을 개시하고 있다.

상기한 유황경화성 배합물과 어느 정도로 유사하게는, 손(Son) 등이 미합중국 특허 제3,897,405호에서 그라프트된 -SH 또는 -S-N 결합을 갖고 있는 EPDM과 고불포화 고무의 배합물을 개시하고 있는데, 이 배합물은 유황경화성이다.

일반적으로 타이어의 사이드월부는 천연고무와 폴리부타디엔 고무를 주로 사용하여 만들며, 사용조건이 항시 굴곡피로를 받으므로 내굴곡 피로성능, 외부로부터의 충격에 의한 찢김, 크랙 등에 대한 내외상 성능 및 산소, 오존, 빛 등에 노출되어 있으므로 내후성 등이 많이 요구되는 부위이다.

따라서, 타이어 경량화 및 저연비화를 위해서 사이드월부의 두께를 줄이면 내외상성, 내굴곡피로성 및 가공성에 문제가 발생하고, 카본블랙 등 충전제의 양을 줄이면 고무-충전제 상호작용이 저하되어 보강성에 문제가 발생하는 한계성과 위험성이 있다.

또한, 사이드월부의 두께를 감소시키기 위해 고무 보강성을 향상시키는 방안이 있는데, 이는 보다 보강성이 높은 충전제를 사용하거나 배합량을 증가시키는 것이 통상적인 방법이다. 그러나, 이런 경우도 경도, 탄성율, 내구성 등의 성능은 개량되지만, 혼합성, 압출성 등 가공성 측면이나 발열은 불리해진다.

따라서, 종래의 충전재에 의한 보강 이외의 방법으로 고무 보강성을 향상시키는 방안이 필요하게 되었다. 이의 일환으로, 대한민국공개 특허 제2000-73985호에서는 고기능화 고무-수지 복합체 비닐 시스 고무(Vinyl Cis Rubber, VCR)를 천연고무와 폴리부타디엔 고무의 복합체에 일부 첨가하거나, 폴리부타디엔을 대체하여 천연고무와 복합체로 사용하고, 동시에 카본블랙을 통상의 첨가량 보다 적게 사용하여 타이어의 경량화 및 저연비화를 위해 사이드월부의 두께를 감소시킬 때 내굴곡피로성, 내외상성, 내열노화성, 저발열성, 가공성 등이 손상되지 않고 보다 성능이 향상된 특성을 갖는 타이어의 사이드월부용 고무 조성물을 개시하고 있다.

그러나, 현재까지의 기술은 생산 원가 부담이 매우 높아지는 문제점을 가지고 있다.

이에, 본 발명자는 종래 일반적으로 사이드월부에 사용되던 카본블랙을 대체하여 새로운 카본블랙을 적용한 결과, 내구성, 내피로성을 개선함과 동시에 가공성까지 향상시킬 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 우수한 인장강도 및 신장율 뿐만 아니라 개선된 내피로성 및 향상된 가공성을 가진 사이드월용 고무 조성물을 제공하는 데 있다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사이드월용 고무 조성물은 원료고무로서 천연고무 30 내지 70중량부와 부타디엔 고무 30 내지 70중량부를 포함하고, 보강제로서 HI(Heterogenietty Index, WM/M) 값이 1.7 내지 2.5인 카본블랙을 원료고무 100중량부에 대하여 35 내지 90중량부 포함하는 것임을 그 특징으로 한다.

이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 타이어 사이드월부용 고무 조성물에서는 통상 첨가되는 카본블랙과는 다른 특정 성질을 갖는 카본블랙을 사용하는바, 구체적으로는 CTAB 비표면적이 45 내지 75㎡/g, IA 흡착량이 70 내지 90mg/g, DBP 흡유량이 80 내지 120㎖/100g, CDBP흡유량이 60 내지 100㎖/100g, STSA 비표면적이 40 내지 75㎡/g, N2SA 비표면적이 50 내지 80㎡/g이고, 또한 TEM(Transmission ElectronMicroscopy)에 의해 측정한 기본입자경(M, Mean Diameter of Primary Particle)이 30 내지 40nm, 가중평균입자경(WM, Weight Mean Diameter of Primary Particle)이 50 내지 80nm이며, 특히 HI(Heterogeneity Index=WM/M) 값이 1.7 내지 2.5인 것을 사용한다.

이를 좀더 상세히 설명하면, 통상이 타이어 사이드월부에 사용되는 카본블랙은 N330(HAF), N550(FEF), N660(GPF) 등이다. 이들은 사이드월부의 요구 특성에 따라 단독 또는 혼합하여 사용한다. N330을 단독으로 사용하는 경우에는 모듈러스가 높아 핸들링 성능은 향상되지만 내피로성능 및 가공특성은 불리해진다. 또한, N550 또는 N660을 단독으로 사용하는 경우에는 내피로성능 및 가공특성이 개선되는 반면에 인장강도 및 신장율이 저하되는 결과가 나타난다.

이를 보완하기 위해 N330과 N550(또는 N660)을 혼합하는 시스템을 사용하는 경우도 있다. 이 경우 신장율 등의 물성은 개선될 수 있지만, 내피로성능의 향상은 어려운 것으로 알려져 있다. 카본블랙 입자 특성이 매우 다른 두 카본블랙을 혼합할 경우 입자경이 작은 카본블랙의 특성보다는 입자경이 큰 카본블랙 특성의 작용이 큰 것으로 추정하고 있다.

이에 반하여, 첫째 본 발명에서 사용하는 카본블랙은 N330과 N550의 특성을 동시에 낼 수 있도록 입자경이 중간정도의 특성을 나타낸다.

통상적으로 알려진 카본블랙 입자 특성인자인 CTAB, DBP, CDBP, TINT, STSA, N2SA가 모두 N330과 N550사이의 특성을 가진다. 이러한 카본블랙의 제조가 필요한 이유는 상기에서도 설명하였듯이 특성이 다른 두 카본블랙의 혼합에 의해서 얻을수 없는 보강성능의 향상을 얻을 수가 있기 때문이다.

둘째, TEM 사진에 의한 기본입자경 분석에 의한 기본입자경(M) 및 가중평균입자경(WM)이 N330과 N550 사이의 값을 가지는 것을 특징으로 하지만, 두 값의 비로 정의되는 HI(WM/M)값이 특정한 값을 가져야 한다. HI의 의미는 기본입자들의 크기 분포를 나타낸다. 단독 카본블랙을 사용함으로써 얻을 수 있었던 내피로성능의 향상과 함께 가공특성 향상을 위해 필수적인 특성이다. 즉, N330이나 N660이 가지는 HI보다 더 큰 값을 가지는 것을 그 특징으로 한다. 그 특성 범위는 1.7 내지 2.5인 것이 바람직하다. 만일, 카본블랙의 HI가 1.7 미만인 경우 가공특성의 저하를 가져올 수 있으며, 2.5를 초과할 경우는 내피로성능의 저하를 가져올 수 있다.

상기와 같은 특성을 갖는 카본블랙 외에 본 발명의 사이드월부용 고무 조성은 원료고무로서 천연고무 30 내지 70중량부와 부타디엔 고무 30 내지 70중량부를 포함하며, 그 외에 통상의 사이드월부용 고무 조성물에 함유되는 프로세스 오일, 산화아연, 스테아린산, 노화방지제, 왁스, 점착제, 촉진제 및 유황을 포함한다.

카본블랙의 첨가량은 원료고무 100중량부에 대하여 35 내지 90중량부인 것이 바람직하다.

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

실시예 1

다음 표 2에 나타낸 바와 같이 천연고무(NR) 50중량부, 부타디엔 고무(BR)50중량부, 카본블랙 75중량부를 배합하고, 통상의 사이드월 고무 조성물에 사용되는프로세스 오일, 산화아연, 스테아린산, 노화방지제, 왁스, 점착제, 촉진제 및 유황을 배합하여 사이드월 고무 조성물을 제조하였다.

다만, 실시예 1에서는 카본블랙으로서 다음 표 1의 new carbon으로 기재된 특성을 갖는 것을 사용하였다.

비교예 1

카본블랙으로서 다음 표 1의 N550을 75중량부 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조성으로 배합하여 사이드월 고무 조성물을 제조하였다.

비교예 2

카본블랙으로서 다음 표 1의 N330을 75중량부 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조성으로 배합하여 사이드월 고무 조성물을 제조하였다.

비교예 3

카본블랙으로서 다음 표 1의 N330 34중량부 및 N550 34중량부를 혼합하여 사용하고, 그 외 조성은 다음 표 2와 같이 배합하여 사이드월 고무 조성물을 제조하였다.

비교예 4

카본블랙으로서 다음 표 1의 N330 45중량부 및 N550 23중량부를 사용하고, 그 외 조성은 다음 표 2와 같이 배합하여 사이드월 고무 조성물을 제조하였다.

비교예 5

카본블랙으로서 다음 표 1의 N330 23중량부 및 N550 45중량부를 사용하고, 그 외 조성은 다음 표 2와 같이 배합하여 사이드월 고무 조성물을 제조하였다.

비교예 6

카본블랙으로서 다음 표 1의 N330 37.5중량부 및 N550 37.5중량부를 사용하고, 그 외 조성은 다음 표 2와 같이 배합하여 사이드월 고무 조성물을 제조하였다.

	new carbon	N330(HAF)	N550(FEF)
CTAB(ASTM D3765-99), ㎡/g	58	82	42
IA(ASTM D1510-99), mg/g	84	82	43
DBP(ASTM D 2414-99), ㎖/100g	101	102	121
CDBP(ASTM D3493-99), ㎖/100g	82	88	88
TINT(ASTM D 3265-99a), %	76	103	59
STSA(ASTM D 5816-99), ㎡/g	56	76	39
N2SA(ASTM D 4820-99), ㎡/g	69	79	41
M, nm	32.8	29.7	50.1
WM, nm	63.2	46.5	85.2
HI, 지수	1.93	1.57	1.70
(주)M: Mean Diameter of Primary ParticleWM: Weight Mean Diameter of Primary ParticleHI: Heterogeneity Index=WM/Mnew carbon: Columbia Chemicals Company 제품

(단위: 중량부)
	실시예 1	비 교 예
	실시예 1	1	2	3	4	5	6
고무	NR	50	50	50	50	50	50	50
고무	BR	50	50	50	50	50	50	50
카본블랙	N330	-	-	75	34	45	23	37.5
	N550	-	75	-	34	23	45	37.5
	new carbon	75	-	-	-	-	-	-
프로세스 오일	7
산화아연	3
스테아린산	2
노화방지제	3
왁스	1.5
점착제	3
촉진제(TBBS)	0.7
유황	1.8

실험예

상기 실시예 및 비교예에 따라 얻어진 고무 제품에 대하여 물성을 측정하여 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.

	실시예 1	비 교 예
	실시예 1	1	2	3	4	5	6
무니점도(ML₁₊₄)	32.2	33.6	38.2	-	-	-	35.4
300% 모듈러스(MPa)	9.8	12.0	12.2	9.8	9.5	9.6	12.2
인장강도(MPa)	16.1	16.3	19.3	16.9	17.9	16.0	17.8
신장율(%)	520	470	470	530	540	520	470
분산도(%)	98.4	97.9	86.6	90.6	90.2	86.0	95.9
내피로성능(Kcycle)	818	798	220	393	-	285	-

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 CTAB 비표면적이 45 내지 75㎡/g, IA 흡착량이 70 내지 90mg/g, DBP 흡유량이 80 내지 120㎖/100g, CDBP흡유량이 60 내지 100㎖/100g, STSA 비표면적이 40 내지 75㎡/g, N2SA 비표면적이 50 내지 80㎡/g이고, 또한 TEM(Transmission Electron Microscopy)에 의해 측정한 기본입자경(M, Mean Diameter of Primary Particle)이 30 내지 40nm, 가중평균입자경(WM, Weight Mean Diameter of Primary Particle)이 50 내지 80nm이며, 특히 HI(Heterogeneity Index=WM/M) 값이 1.7 내지 2.5인 카본블랙을 함유하는 사이드월용 고무 조성물은 모듈러스를 낮추고 신장율을 향상시킴과 동시에 가공성능까지 향상시킬 수 있는, 즉 내피로성능의 향상뿐만 아니라 가공성능까지 동시에 향상시키는 효과를 얻을 수 있는 바, 결국 이와같은 카본블랙을 사용할 경우 카본블랙을 증량하는 것이 가능하여 성능의 저하없이 원가절감 효과까지 나타낼 수 있다.

Claims

천연고무 30 내지 70중량부, 부타디엔 고무 30 내지 70중량부를 원료고무로 하고, 보강제로서 HI(Heterogenietty Index)값이 1.7 내지 2.5링 카본블랙을 원료고무 100중량부에 대하여 35 내지 90중량부로 포함하는 타이어 사이드월용 고무 조성물.
제 1 항에 있어서, 카본블랙은 CTAB 비표면적이 45 내지 75㎡/g, IA 흡착량이 70 내지 90mg/g, DBP 흡유량이 80 내지 120㎖/100g, CDBP흡유량이 60 내지 100㎖/100g, STSA 비표면적이 40 내지 75㎡/g, N2SA 비표면적이 50 내지 80㎡/g이고, 또한 TEM(Transmission Electron Microscopy)에 의해 측정한 기본입자경(M, Mean Diameter of Primary Particle)이 30 내지 40nm, 가중평균입자경(WM, Weight Mean Diameter of Primary Particle)이 50 내지 80nm인 것임을 특징으로 하는 타이어 사이드월용 고무 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 조성물은 프로세스 오일, 산화아연, 스테아린산, 노화방지제, 왁스, 점착제 및 유황으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함하는 것임을 특징으로 하는 타이어 사이드월용 고무 조성물.