KR100474575B1 - 고열전도성을 갖는 타이어의 가류블래더용 고무 조성물 - Google Patents

고열전도성을 갖는 타이어의 가류블래더용 고무 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고열전도성을 갖는 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물에 관한 것으로서, 부틸고무 100 중량부에 대하여 반응성 수지 2 내지 10 중량부, 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트 5 내지 30 중량부, 커플링제 0.5 내지 5 중량부, 유황 0.2 내지 2 중량부, 가류 촉진제 0.5 내지 2 중량부 및 통상의 가류 블래더용 배합제로 이루어진다.
본 발명에 따라, 충전제로 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트를 사용하고, 실란계 커플링제를 사용함으로써 고열전도성을 갖는 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 가류 블래더용 고무 조성물은 가류 블래더의 열전도도가 대폭 향상되어 타이어 가류시간 단축에 의한 생산성을 향상시키고 타이어 각 부위별 가류도 차이를 감소시켜 타이어 물성을 향상시킬 수 있다.

Description

고열전도성을 갖는 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물
본 발명은 고열전도성을 갖는 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트(aluminum hydroxide hydrate)를 충전제로 사용하고, 이 충전제와 고무 사이의 화학적 결합을 형성시키기 위하여 실란계 커플링제를 첨가하는 것으로 이루어진 고열전도성을 갖는 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물에 관한 것이다.
종래에는 타이어의 가류 블래더의 열전도성 향상을 목적으로 열전도성 블랙 등을 충전제로 사용하였는데, 충전제의 양이 증가함에 따라 열전도성은 거의 선형적으로 증가하게 되지만 적정수준 이상에서는 동적 상태의 높은 발열에 따라 블래더 내부의 열축적을 심화시키고 물성 저하를 야기시켜 내파괴 특성을 크게 약화시킨다. 따라서 열전도성 블랙의 사용량은 한계가 있기 때문에 열전도성 증가도 그만큼 제약을 받게된다.
이러한 열전도성의 한계성을 극복하고자 금속 분말 등을 충전제로 사용하는 방법이 있는데, 이 경우에는 열전도성 증대 효과는 매우 크지만, 이들 금속 분말과 고무사슬들과는 단순한 물리적 결합만으로 이루어진 상태이기 때문에 고온(150∼200℃) 및 고압(14∼25kgf)하에서 반복 피로변형을 받는 가혹조건하에 있게 되는 가류 블래더에서 이러한 물리적 결합들은 견디지 못하고 쉽게 파괴되는 단점이 있다. 또한 고무와 분말간의 상이한 열팽창율(부틸고무 : 57×10-5/℃, 금속 분말 : 5∼6×10-5/℃)로 인하여 금속 분말 표면상의 고무사슬들의 열팽창이 매우 커서 계면이 서로 분리되면서 공간을 형성하게 되고 이 공간은 가혹 조건하에서 크랙 개시점이 되면서 크랙이 지속적으로 성장하여 파괴에 도달하게 되어 결과적으로 블래더의 수명 저하 및 타이어 불량 증가 등의 문제가 발생하여 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물에 금속 분말의 사용은 거의 불가능한 것으로 여겨져왔다.
한편, 종래의 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물의 가교제로 유황이 사용되었는데, 유황을 사용할 경우 설파이드 결합은 내피로성에는 양호하지만 내열성에서는 매우 불리하기 때문에 가류 블래더 사용조건 하에서는 가류 블래더 수명 저하 및 타이어 불량 등의 문제가 발생하므로 현재, 가류 블래더용 고무 조성물에서는 가교제로 내열성이 우수하면서 가교가 가능한 반응성 수지가 가류 블래더용 가교제로 널리 사용되고 있다. 그러나 반응성 수지는 금속 분말 등과 어떠한 반응성도 가지지 않아서 가류 블래더용 고무 조성물에 금속 분말을 사용하는 것은 바람직하지 않다.
이에 반하여, 카본 블랙은 고무 사슬과의 강한 물리적 및 화학적 결합을 갖는 특이한 구조와 함께 이들 카본 블랙 입자들끼리 서로 삼차원적 그물망을 형성할 수 있기 때문에 고무 조성물의 보강제 및 물성 증대 목적으로 현재까지 가장 많이 사용되는 충전제이다. 그러므로, 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물의 열전도성을 향상시키기 위한 충전제로는 고열전도성과 함께 카본 블랙과 같은 특성을 갖는 소재가 요구되는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구한 결과, 입자 표면에 반응성 수산기(-OH)를 갖는 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트를 충전제로 사용하고, 이 충전제와 고무 사이의 화학적 결합을 형성시키기 위하여 실란계 커플링제를 첨가함으로써 타이어의 가류 블래더의 물성을 떨어뜨리지 않으면서 열전도성을 향상시킬 수 있음을 알게되어 본 발명에 이르게 되었다.
이에 본 발명은 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트를 충전제로 사용하고, 실란계 커플링제를 첨가하는 것으로 이루어진 고열전도성을 갖는 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 부틸고무 100 중량부에 대하여 반응성 수지 2 내지 10 중량부, 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트 5 내지 30 중량부, 커플링제 0.5 내지 5 중량부, 유황 0.2 내지 2 중량부, 가류 촉진제 0.5 내지 2 중량부 및 통상의 가류 블래더용 배합제로 이루어진 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물인 것이다.
본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 고열전도성을 갖는 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물에 있어서, 부틸고무로는 통상의 부틸고무, 할로겐화 부틸고무, 또는 할로겐화 폴리이소부틸렌 파라메틸스티렌 공중합체 고무를 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 반응성 수지로는 바람직하게는 알킬 페놀 알데하이드 수지가 있으며, 바람직한 사용 범위는 2 내지 10 중량부이다.
본 발명에서는, 입자 표면에 반응성 수산기(-OH)를 갖는 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트를 충전제로 사용함으로써 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물의 열전도성을 높인다.
통상의 가류 블래더용 고무 조성물에 통상의 알루미늄 옥사이드 분말을 사용하는 경우에는 열전도성은 크게 향상되지만 내피로성은 크게 불리해진다. 따라서 이러한 단점을 보완하기 위해서 본 발명에서는 입자 표면에 반응성기 [-OH]를 가지고 있는 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트 [Al(0H)3H2O]를 실란계 커플링제와 함께 사용함으로써 알루미늄 충전제 입자와 고무 사이에 화학적 결합을 형성시켜 열전도성은 물론 내피로성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명에서 사용하는 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트의 입자 크기는 0.01 내지 20㎛인 것이 바람직하다. 입자 크기가 0.01㎛ 미만인 경우에는 분산에 문제가 있으며, 20㎛를 초과하는 경우에는 보강성에서 현저한 저하가 발생한다.
본 발명에서, 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트는 알루미늄 원소가 30% 이상 함유된 것을 사용한다. 알루미늄 함량이 30% 미만일 경우는 열전도성 효율이 크게 떨어지며 또한 불순물이나 수분함량이 크게 늘어나 열전도성 성능이나 입자 분산에 문제가 있을 수 있다. 또한, 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트는 부틸고무 100중량부에 대하여 5 내지 30 중량부로 사용하는 것이 바람직하다. 5 중량부 미만일때는 열전도성 개선 효과가 나타나지 않으며, 30 중량부를 초과하면 고무조성물의 물성이 크게 저하하기 때문이다.
본 발명에서 사용할 수 있는 커플링제로는 3-아미노프로필 트리에톡시실란, 비스-(트리에톡시실릴 프로필)테트라설파이드, 또는 클로로프로필 트리에톡시실란이 있으며, 이 중에서 3-아미노프로필 트리에톡시실란이 바람직하다.
본 발명에서는 커플링제를 부틸고무 100중량부에 대하여 0.5 내지 5 중량부 사용한다. 0.5 중량부 미만으로 사용하면 물성개선효과가 거의 없으며, 커플링제가 증가할수록 물성 개선 효과가 좋으나 5 중량부 까지가 가장 효과적이며, 그 이상에서는 개선효과는 더 이상 향상되지 않으면서 고가의 커플링제 다량 투입에 따라 원가면에서 불리하므로 커플링제는 0.5 내지 5 중량부 투입하는 것이 바람직하다.
가류 블래더용 고무 조성물에 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트와 실란계 커플링제를 함께 사용할 경우는 도 1과 같은 반응 경로를 따라 고무-알루미늄간의 화학 반응이 일어나 알루미늄 입자 표면과 고무간의 화학적 결합에 의하여 고무-금속간 접착력이 매우 증가하게 된다.
도 1의 알루미늄 입자와 고무의 화학적 결합 모식도는 무기물과 고무의 계면 화학 결합을 일으키기 위해 첨가되는 실란계 커플링제에 의한 반응 메카니즘을 나타낸 것이다. 도 1을 보면, 실라놀의 탈수소 축합에 의해서 올리고머가 생성되고 이 올리고머가 알루미늄 표면의 수산기와 수소결합을 일으키는 것에 의해서 흡착하고 배향한 후에 실란계 커플링제의 수산기와 알루미늄 표면의 수산기가 축합반응을 일으켜 화학적 결합을 마무리하게 되는 것이다. 한편 유기관능기(∼Y)는 고무분자쇄와 친화력이 강해 고무분자와 화학반응하여 상용화되는 결합력을 발휘한다.
보통 순수 고무에 카본 블랙을 부피로 2% 정도 투입시 열전도도가 약 90% 이상 향상되고 동량의 카본 블랙을 고열전도 블랙으로 대체시 열전도도가 약 30% 정도 추가 향상된다고 알려져 있으나 부피 2%중 카본 블랙(ISAF)의 1/4를 알루미늄으로 대체할 경우 가류 블래더의 열전도도는 카본블랙 단독사용시에 비해서 40% 이상 향상되며 마찬가지로 카본 블랙의 1/2를 알루미늄으로 대체하면 가류 블래더의 열전도도는 60% 이상 향상된다.
본 발명의 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물에는 유황 0.2 내지 2 중량부, 가류 촉진제 0.5 내지 2 중량부 및 통상의 가류 블래더용 배합제가 첨가된다.
본 발명에 따라 알루미늄 하이드로 옥사이드 하이드레이트 충전제와 카본 블랙 충전제를 혼합 사용하여 제조한 타이어 블래더용 고무 조성물은 가류 블래더의 열전도도가 대폭 향상되어 타이어 가류시간 단축에 의한 생산성을 향상시키고 타이어 각 부위별 가류도 차이를 감소시켜 타이어 물성을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 들어 설명하면 다음과 같으며, 본 발명은 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
할로겐화 폴리이소부틸렌 파라메틸스티렌 공중합체 고무(EXXPRO, EXXON Chemical사) 100 중량부에 대하여 산화아연 3 중량부, 스테아린산 0.5 중량부, 카본 블랙 55 중량부, 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트 분말(평균 입자크기 0.03 ㎛) 5 중량부, 커플링제(3-아미노프로필 트리에톡시실란) 0.5 중량부, 캐스터 오일 6 중량부, 반응성 수지(알킬 페놀 알데하이드) 10 중량부, 촉진제(디벤조티아질 디설파이드)1.4 중량부, 불용성 유황 0.9 중량부를 혼합하고 186℃에서 20분 동안 스팀프레스에서 가류하여 타이어 블래더용 고무 조성물을 제조하였다.
얻어진 고무 조성물에 대하여 물성을 측정하고 그 결과를 표 1에 기재하였다
실시예 2
할로겐화 폴리이소부틸렌 파라메틸스티렌 공중합체 고무(EXXPRO, EXXON Chemical사) 100 중량부에 대하여 산화아연 3 중량부, 스테아린산 0.5 중량부, 카본 블랙 35 중량부, 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트 분말(평균 입자크기 0.03 ㎛) 30 중량부, 커플링제(3-아미노프로필 트리에톡시실란) 3 중량부, 캐스터 오일 6 중량부, 반응성 수지(알킬 페놀 알데하이드) 10 중량부, 촉진제(디벤조티아질 디설파이드) 2중량부, 불용성 유황 0.9 중량부를 혼합하고 186℃에서 20분 동안 스팀프레스에서 가류하여 타이어 블래더용 고무 조성물을 제조하였다.
얻어진 고무 조성물에 대하여 물성을 측정하고 그 결과를 표 1에 기재하였다.
실시예 3
할로겐화 부틸고무 100 중량부에 대하여 산화아연 3 중량부, 스테아린산 0.5 중량부, 카본 블랙 35 중량부, 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트 분말(평균 입자크기 0.03 ㎛) 30 중량부, 커플링제(3-아미노프로필 트리에톡시실란) 3 중량부, 캐스터 오일 6 중량부, 반응성 수지(알킬 페놀 알데하이드) 10 중량부, 촉진제(디벤조티아질 디설파이드) 2중량부, 불용성 유황 0.9 중량부를 혼합하고 186℃에서 20분 동안 스팀프레스에서 가류하여 타이어 블래더용 고무 조성물을 제조하였다.
얻어진 고무 조성물에 대하여 물성을 측정하고 그 결과를 표 1에 기재하였다.
비교예 1
알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트 분말과 커플링제를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가류 블래더용 고무 조성물을 제조하였다.
얻어진 고무 조성물에 대하여 물성을 측정하고 그 결과를 표 1에 기재하였다.
비교예 2
할로겐화 폴리이소부틸렌 파라메틸스티렌 공중합체 고무(EXXPRO, EXXON Chemical사) 100 중량부에 대하여 산화아연 3 중량부, 스테아린산 0.5 중량부, 카본 블랙 55 중량부, 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트 분말(평균 입자크기 0.03 ㎛) 3 중량부, 커플링제(3-아미노프로필 트리에톡시실란) 0.3 중량부, 캐스터 오일 6 중량부, 반응성 수지(알킬 페놀 알데하이드) 10 중량부, 촉진제(디벤조티아질 디설파이드)1.4 중량부, 불용성 유황 0.9 중량부를 혼합하고 186℃에서 20분 동안 스팀프레스에서 가류하여 타이어 블래더용 고무 조성물을 제조하였다.
얻어진 고무 조성물에 대하여 물성을 측정하고 그 결과를 표 1에 기재하였다.
비교예 3
할로겐화 폴리이소부틸렌 파라메틸스티렌 공중합체 고무(EXXPRO, EXXON Chemical사) 100 중량부에 대하여 산화아연 3 중량부, 스테아린산 0.5 중량부, 카본 블랙 30 중량부, 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트 분말(평균 입자크기 0.03 ㎛) 40 중량부, 커플링제(3-아미노프로필 트리에톡시실란) 4 중량부, 캐스터 오일 6 중량부, 반응성 수지(알킬 페놀 알데하이드) 10 중량부, 촉진제(디벤조티아질 디설파이드) 2중량부, 불용성 유황 0.9 중량부를 혼합하고 186℃에서 20분 동안 스팀프레스에서 가류하여 타이어 블래더용 고무 조성물을 제조하였다.
얻어진 고무 조성물에 대하여 물성을 측정하고 그 결과를 표 1에 기재하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
무늬점도계 @125℃스코치 시간 (분) 4.8 4.6 4.0 4.0 4.8 4.4
레오메터 @186℃가류시간(t90)(분) 11.2 11.0 10.8 10.2 11.2 10.6
경도(쇼어 A) 52 60 59 51 52 61
300% 모듈러스(㎏/㎠) 60 75 73 58 60 77
신장율(%) 650 600 610 620 650 510
인장강도(㎏/㎠) 148 130 128 145 148 109
파열강도(㎏/㎠) 48 42 43 48 48 36
열전도도(kcal/m.hr.℃)@25℃ 0.2694 0.3594 0.3548 0.2231 0.2230 0.3964
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 충전제로 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트를 사용하는 경우인 실시예 1,2,3의 열전도도가, 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트를 사용하지 않는 경우인 비교예 1, 및 5 중량부 미만으로 사용하는 비교예 2보다 높음을 알 수 있다. 비교예 3의 경우, 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트가 30중량부를 초과할때는 열전도도는 높으나 물성 저하가 매우 큼을 알 수 있다.
본 발명에 따라, 충전제로 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트를 사용하고, 실란계 커플링제를 사용함으로써 고열전도성을 갖는 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 가류 블래더용 고무 조성물은 가류 블래더의 열전도도가 대폭 향상되어 타이어 가류시간 단축에 의한 생산성을 향상시키고 타이어 각 부위별 가류도 차이를 감소시켜 타이어 물성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고무 조성물에 있어서, 알루미늄 입자와 고무와의 화학적 결합을 나타낸 모식도이다.

Claims (5)

  1. 부틸고무 100 중량부에 대하여 반응성 수지 2 내지 10 중량부, 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트 5 내지 30 중량부, 커플링제 0.5 내지 5 중량부, 유황 0.2 내지 2 중량부, 가류 촉진제 0.5 내지 2 중량부 및 통상의 가류 블래더용 배합제로 이루어진 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 부틸고무는 통상의 부틸고무, 할로겐화 부틸고무, 또는 할로겐화 폴리이소부틸렌 파라메틸스티렌 공중합체 고무인 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 커플링제는 3-아미노프로필 트리에톡시실란, 비스-(트리에톡시실릴 프로필)테트라설파이드, 또는 클로로프로필 트리에톡시실란인 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트는 알루미늄 원소가 30% 이상 함유된 것인 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 알루미늄 하이드로옥사이드 하이드레이트의 입자 크기는 0.01 내지 20㎛인 타이어의 가류 블래더용 고무 조성물.
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