KR100458326B1

KR100458326B1 - 스터드리스 스노우 타이어 트레드용 고무 조성물

Info

Publication number: KR100458326B1
Application number: KR10-2002-0017984A
Authority: KR
Inventors: 조영신; 김정태
Original assignee: 한국타이어 주식회사
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2004-11-26
Also published as: KR20030079151A

Abstract

본 발명은 원료고무로서 에멀젼 중합을 통해 얻어진 스티렌-부타디엔 고무와 부타디엔 고무를 사용하고 여기에 방향족계, 나프텐계 및 파라핀계 함량을 적절히 조합한 프로세스 오일을 첨가하고 카본블랙 및 통상의 첨가제를 첨가한 고무 조성물로서, 이는 내마모 성능의 손실없이 빙상제동성능 및 회전저항을 향상시킨 스터드리스 스노우 타이어 트레드용 고무로서 적합하다.

Description

스터드리스 스노우 타이어 트레드용 고무 조성물{Tire tread rubber composition}

본 발명은 스터드리스 스노우 타이어 트레드용 고무조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에멀젼 중합을 통해 얻어진 스티렌-부타디엔 고무와 용액중합을 통해 얻어진 부타디엔 고무를 원료고무로 하고 프로세스 오일을 적절히 배합하여 내마모 성능의 손실없이 동절기 빙설노면에서의 구동력 및 제동력이 우수하며 회전저항이 낮은 스터드리스 스노우 타이어 트레드용 고무조성물에 관한 것이다.

종래 동계용 타이어는 스파이크 타이어와 스터드리스 타이어로 대별되는 바, 이중 스파이크 타이어는 빙설지역에서의 마찰력 증대를 목적으로 트레드에 스파이크 핀을 장착한 것으로 타이어와 빙설 노면에 대한 제동성능 및 구동성능이 우수하다. 그러나, 스파이크 핀을 장착한 타이어의 경우 빙설노면이 아닌 일반노면을 주행할 경우 승차감이 불량할 뿐만 아니라 소음, 분진, 도로손상 등의 환경오염을 야기하게 되어 대부분의 국가에서 이의 사용을 금지하는 추세이며, 고무 스파이크를 장착한 타이어의 경우에는 트레드 고무에 비해 핀의 마모가 빠르게 나타나 사용도중 쉽게 끊어진다는 단점을 가지고 있다.

또한, 상기 스파이크와 아울러 보조기구를 사용하거나 새로운 중합체를 적용하여 빙설노면에서의 제동 성능을 향상시키려는 시도들이 있었으며 새로운 패턴 및 구조 개선 등의 노력들도 상당한 효과를 발휘하고 있으나 이들은 더 많은 개선이 필요한 실정이다.

이외에도 유리전이온도를 조절하여 상온에서 경화시켜 마이크로 스파이크(microspike) 작용을 하는 고무 스파이크 핀을 적용한 제품 등이 상용화되어 있으며 젖은 노면에서의 제동력을 향상시키고 연료 소모를 줄여주는 실리카를 적용한 제품도 있다.

한편, 스터드리스 타이어로는 일반 스터드리스 타이어와 유기 발포제를 사용한 스터드리스 타이어 및 천연섬유질, 동물의 뼈가루, 고무 분쇄물, 단섬유, 식물성 섬유질 등의 이물질을 사용한 스터드리스 타이어 등이 있다. 이중 유기 발포제를 사용한 스터드리스 타이어는 타이어의 트레드 고무에 유기 발포제를 혼합하여 가류시켜 제조되는 것으로서, 가류시 생성되는 기공으로 인한 마이크로 셀(micro-cell) 효과에 의해 지면과 트레드 간의 접지 면적이 넓어져 마찰력이 증대되고 빙판 접지력(ice grip)이 향상되어 빙설 노면에서 차량의 제동거리를 감소시키고 미끄럼을 방지한다는 개념으로 도입되었다. 그러나, 발포 그 자체만으로는 빙설노면에서의 성능에 있어 개선효과가 있다고 하더라도 트레드 블록 강성이 약해져 내마모 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 또한, 타이어 사용 말기에는 노화에 의해 블록 강성 증가 및 경도 증가로 빙설 노면에서의 구동 및 제동성능이 저하되는문제점을 가지고 있다.

또한, 이물질을 제품에 적용한 경우에는 트레드 고무 조성물에 분산된 이물질이 기제 고무와 화학적으로 결합되어 있는 것이 아니라 물리적으로 결합되어 있으므로 이탈 현상이 심각하며, 이로인해 마모가 불규칙하게 되는 문제점이 발생한다. 예를 들면, 단섬유 및 천연섬유 등의 이물질을 트레드 고무에 적용하여 동계성능을 향상시킨 타이어가 등장하면서 소음이 줄어들고 도로 파손 등의 환경문제가 다소 해소되었으나, 이러한 타이어는 이물질과 기제 고무 사이의 결합이 화학적 결합이 아닌 물리적 결합에 의존하고 있어 기제 고무와 강하게 결합하지 못할 뿐만 아니라 이물질의 형상이 구형이어서 주행 중 외부 충격에 의해 쉽게 이탈되기 때문에 불규칙 이상마모 및 편마모가 발생하게 된다. 이러한 문제는 타이어의 수명을 단축시키고 성능저하를 초래하여 소비자의 불만을 야기시키고 있는 실정이다.

이에 본 발명자들은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 연구노력 하던 중, 타이어 트레드용 고무 조성물에 이물질을 적용하는 방법으로 빙상구동 및 제동성능은 향상시킬 수 있어도 타이어에서 요구하는 다른 주요성능인 마모, 회전저항, 조정안정성은 만족시킬 수 어렵기 때문에 이물질 사용을 배제하고 새롭게 설계된 디엔고무를 기제고무로 사용하고 프로세스 오일을 방향족 오일과 나프테닉 오일을 적절히 배합하여 타이어의 이상마모 및 편마모를 예방할 수 있고, 빙상제동특성이 향상되며, 배합고무 조성물의 유리전이온도가 낮아져 타이어의 회전저항이 향상됨을 알게되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 내마모 성능의 손실없이 동절기 빙설노면에서의 구동력 및 제동력이 우수하며 회전저항이 낮은 스터드리스 스노우 타이어 트레드용 고무조성물을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스터드리스 스노우 타이어 트레드용 고무조성물은 에멀젼 중합방법으로 제조된 디엔계 고무로서 미세구조 조성 중 스티렌 함량이 20∼25%이고, 100℃ 무니 점도가 55∼65이며, 응력완화 시간 기울기가 -0.30∼-0.38이고, MR30이 71∼89%인 스티렌-부타디엔 고무 60∼100중량부와 용액중합 방법으로 제조된 디엔계 고무로서 미세구조 조성 중 1,4-시스 부타디엔 함량이 96% 이상인 부타디엔 고무 40중량부 이내로 이루어진 고무를 원료고무로 하고, 여기에 프로세스 오일 20∼60중량부, 보강제로 카본블랙 50∼80중량부 및 첨가제를 포함하는 것임을 그 특징으로 한다.

이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물의 원료고무는 스티렌-부타디엔 고무와 부타디엔 고무이다.

보다 구체적으로, 스티렌-부타디엔 고무는 에멀젼 중합방법으로 제조된 것으로서, 미세구조 조성 중 스티렌 함량이 20∼25%이고, 100℃ 무니 점도가 55∼65이며, 응력완화 시간 기울기가 -0.30∼-0.38이고, MR30이 71∼89%인 것이다. 스티렌-부타디엔 고무의 무니 점도가 높은 경우에는 가공이 어렵다. 또한, 미세구조 조성 중 스티렌 함량이나, 응력완화 시간 기울기 및 MR30이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 가공성이 불량해진다.

이와같은 특성을 만족하는 스티렌-부타디엔 고무를 60∼100중량부 사용하는 것이 내마모성능은 유지하면서 빙상제동성능 및 회전저항을 향상시킬 수 있다.

이와 함께 원료고무를 구성하는 부타디엔 고무는 용액중합 방법으로 제조된 디엔계 고무로서 미세조성 중 1,4-시스 부타디엔 함량이 96% 이상인 부타디엔 고무이다. 이와같은 부타디엔 고무는 원료고무 중 40중량부 이내로 첨가하는 것이 바람직한 바, 그 첨가량이 40중량부를 초과하면 내마모성은 향상되나 가공성이 불량해진다.

이와같이 조성된 원료고무에 프로세스 오일과 보강제로서 카본블랙 및 통상의 첨가제를 포함하는 바, 이때 프로세스 오일은 오일내 방향족계 함량이 5∼25%이고, 나프텐계 함량이 25∼45중량%이며, 파라핀계 함량이 35∼65중량%로 이루어진 것이 바람직하다.

프로세스 오일을 상기와 같이 설계하여 사용할 경우에는 카본블랙을 80중량부까지 증량하고, 상기한 스티렌-부타디엔 고무를 100중량부까지 증량시켜도 내마모성능은 유지하면서 빙상제동성능 및 회전저항을 향상시킬 수 있다.

프로세스 오일의 조성이 상기 범위를 벗어나서 방향족계 함량이 많아지면 빙상제동 성능이 불량해진다.

한편, 보강제로서 첨가되는 카본블랙은 특별히 한정되는 것은 아니며, 그 함량은 원료고무 100중량부에 대하여 50∼80중량부로 첨가한다. 만일 그 함량이 원료고무 100중량부에 대하여 50중량부 미만이면 회전저항은 향상되나 빙상제동 성능이 불량해지며 100중량부 초과면 카본블랙의 분산 불량으로 인하여 가공성이 불량해지며 발열이 증가하여 내마모성이 떨어지는 역효과가 발생한다.

한편, 통상의 첨가제라 함은 통상 타이어 트레드용 고무에 첨가되는 아연화, 스테아린산, 유황, 촉진제 등을 의미함은 물론이다.

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

실시예 1 내지 5 및 비교예 1

스티렌-부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 카본블랙 및 통상의 첨가제를 다음 표 1에 나타낸 성분비로 배합하여 고무 조성물을 제조하였다. 이를 가류시켜 고무 시편을 제조하였다. 본 배합방식은 편의상 ASTM 3185-99에서 사용하는 방식을 사용하였다. 한편, 사용된 고무의 응력완화 시간 기울기는 ASTM D1646-99에 준하여 측정한 것이다.

얻어진 시편에 대하여 인장시험, 발열특성 측정 및 점탄성 등을 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.

	비교예1	실시예
	비교예1	1	2	3	4	5
부타디엔 고무⁽¹⁾	40	40	30	20	-	-
스티렌-부타디엔 고무	a⁽²⁾	-	68.67	96.25	110	137.5	137.5
스티렌-부타디엔 고무	b⁽³⁾	68.67	-	-	-	-	-
프로세스 오일	a⁽⁴⁾	-	11.27	3.75	15	22.5	22.5
프로세스 오일	b⁽⁵⁾	11.27	-	-	-	-	-
카본블랙	50	50	60	70	80	100
아연화	3	3	3	3	3	3
스테아린산	1	1	1	1	1	1
유황	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5
촉진제(TBBS)	1	1	1	1	1	1
(주)(1)부타디엔 고무:무니점도 44±4, 시스-부타디엔 함량 96% 이상(2)스티렌-부타디엔 고무 a: 프로세스 오일 a가 37.5중량부(고무 100중량부에 대해) 유전된 고무, 무니점도 60±5, 응력완화시간 기울기 -0.34±0.04, MR30 80±9%(3)스티렌-부타디엔 고무 b: 프로세스 오일 b가 37.5중량부(고무 100중량부에 대해) 유전된 고무, 무니점도 44±5, 응력완화시간기울기 -0.43±0.04, MR30 90∼95%(4)프로세스 오일 a: 방향족계 함량 5∼25중량%, 나프텐계 함량 25∼45중량%, 파라핀계 함량 35∼65중량%(5)프로세스 오일 b: 방향족계 함량 35∼50중량%, 나프텐계 함량 20∼35중량%, 파라핀계 함량 10∼25중량%

	비교예1	실시예
	비교예1	1	2	3	4	5
인장물성(실온)	경도(쇼어 A)	52	53	54	52	54	58
	M300지수(kg/㎠)	100	120	125	122	124	142
	절단강도지수	100	97	101	104	104	95
	절단신율지수	100	105	105	107	109	89
	Tear 지수	100	102	104	102	107	94
	파단에너지 지수	100	109	105	108	109	93
피코 마모지수	100	102	105	110	107	97
람본 마모지수	100	103	108	122	105	92
딘 마모지수	100	102	104	117	106	100
BF 칩컷 지수	100	115	105	107	118	91
발열특성	100	117	105	111	108	91
유리전이온도(-Tg, ℃)	50	45	46	43	46	52
0℃ tanδ	0.24	0.28	0.26	0.28	0.27	0.20
60℃ tanδ	0.16	0.12	0.14	0.14	0.15	0.18
Complex Modulus, 10^-80℃	1.31	0.98	0.99	1.02	1.11	1.35
Loss Modulus, 10^-80℃	2.57	1.92	1.98	1.94	2.01	2.58
브라벤더 압출성(지수화)	100	110	115	110	104	93

상기 표 2의 실험에 있어서, 인장시험 조건은 Instron을 사용하여 Cross Head Speed 500mm/min로 가류조건 150℃×30min, 노화조건 100℃×24시간의 조건에서 수행하였다.

발열특성은 BF Goodrich Flexmeter를 사용하여 측정하였으며, 지수가 클수록 발열성능이 우수하다.

점탄성은 RDS를 이용하여, strain 0.5%, 주파수 10Hz, -80∼100℃ 조건에서 측정하였다.

상기 표 2의 결과로부터, 스티렌-부타디엔 고무를 스티렌 함량 20∼25%, 100℃ 무니점도가 55∼65이며, 응력완화시간기울기가 -0.30∼-0.38이고, MR30이 71∼89% 수준을 벗어나는 것을 사용하는 경우(비교예1)는 가공성이 불량해진다(표 2의 결과에서 브라벤더 압출지수가 낮음).

반면에 상기 범위를 만족하는 에멀젼 중합으로 제조된 스티렌-부타디엔 고무를 60∼100중량부로 사용하는 경우, 내마모 성능은 유지(피코마모, 람본마모, 딘마모, BF 칩컷 마모지수가 우수함)하면서 빙상제동성능(0℃ tanδ 높고, 0℃ complex modulus 지수가 우수함) 및 회전저항(60℃ tanδ 낮음)이 향상됨을 알 수 있다.

한편, 프로세스 오일을 방향족계, 나프텐계 및 파라핀계를 적절히 혼합하여 사용하면 카본블랙을 80중량부까지 증량하고, 스티렌-부타디엔 고무만을 원료고무로 사용하여도 내마모 성능은 유지되면서 빙상제동성능 및 회전저항이 향상됨을 알 수 있다.

또한, 카본블랙을 원료고무 100중량부에 대하여 100중량부 이상으로 사용하는 경우 카본블랙의 분산불량으로 인해 가공성이 불량해지며 발열이 증가하여 내마모성이 떨어지는 역효과가 발생되었다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 원료고무를 에멀젼 중합을 통해 얻어진 스티렌-부타디엔 고무와 부타디엔 고무를 사용하고, 여기에 방향족계, 나프텐계 및 파라핀계 함량을 적절히 조합한 프로세스 오일을 첨가하고, 카본블랙 및 통상의 첨가제를 첨가하는 경우 내마모 성능의 손실없이 빙상 제동성능 및 회전저항을 향상시킬 수 있어 스터드리스 스노우 타이어 트레드용 고무로서 적합하다.

Claims

에멀젼 중합방법으로 제조된 디엔계 고무로서 미세구조 조성 중 스티렌 함량이 20∼25%이고, 100℃ 무니 점도가 55∼65이며, 응력완화 시간 기울기가 -0.30∼-0.38이고, MR30이 71∼89%인 스티렌-부타디엔 고무 60∼100중량부와 용액중합 방법으로 제조된 디엔계 고무로서 미세구조 조성 중 1,4-시스 부타디엔 함량이 96% 이상인 부타디엔 고무 40중량부 이내로 이루어진 고무를 원료고무로 하고, 여기에 프로세스 오일 20∼60중량부, 보강제로 카본블랙 50∼80중량부 및 첨가제를 포함하는 스터드리스 스노우 타이어 트레드용 고무조성물.
제 1 항에 있어서, 프로세스 오일은 오일내 방향족계 함량이 5∼25중량%이고, 나프텐계 함량이 25∼45중량%이며 파라핀계 함량이 35∼65중량%인 것임을 특징으로 하는 스터드리스 스노우 타이어 트레드용 고무조성물.