KR100505298B1 - 고속 경주용 타이어의 트레드 접합용 시멘트 조성물 - Google Patents

고속 경주용 타이어의 트레드 접합용 시멘트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 트레드 접합부 벌어짐 현상을 개선하여 가류 후 접합력의 극대화를 위한 고속 경주용 타이어의 트레드 접합용 시멘트 조성물에 관한 것으로서, 합성고무 100 중량부, 카본 블랙 70∼150 중량부, 프로세스 오일 50∼200 중량부, 가황촉진제 및 여타의 고무배합제를 포함하며, 여기서 가황촉진제는 5 내지 10 중량부로 포함되는 것으로, 고형분 함량을 1 내지 10% 되도록 유기용매에 용해시킴으로써 접착력이 개선되며, 40바퀴 이상의 연속 주행에서도 트레드 접합부의 벌어짐 현상이 발생하지 않는다.

Description

고속 경주용 타이어의 트레드 접합용 시멘트 조성물 {Cement composition for tread junction of high-speed racing tire}
본 발명은 종래의 트레드 접합부 벌어짐 현상을 개선하기 위하여 사용되어 오던 성형 방식을 개선하여 접합부 시멘트 도포 방식들과 달리 가류 후 접합력의 극대화를 위하여 가황촉진제의 다량 사용을 기본으로 하는 고속 경주용 타이어의 트레드 접합용 시멘트 조성물에 관한 것이다.
자동차 주행시, 특히 고속 자동차 경주 등의 가혹한 조건에서의 타이어의 경우 고속에서의 조종안정성 및 가혹한 주행 조건에 따른 내구성능이 요구되고 있는데, 주행중 발생되는 타이어의 트레드 접합부 벌어짐 현상은 이러한 조종안정성 및 내구성능을 저하시키는 치명적인 원인으로 작용한다.
주행 중 트레드 접합부의 벌어짐 현상이 일어나면 타이어의 진동이 심해지고 이로 인해 조정 안정성이 급격하게 저하된다. 또한, 타이어가 지면에서 일시적으로 떨어짐으로 인해 타이어의 본래 성능을 상당 부분 상실하게 된다. 더 나아가 심할 경우 트레드가 타이어와 분리되는 현상도 일어날 수 있다.
이러한, 트레드 접합부의 벌어짐 현상의 원인은 일반 타이어의 경우 제한속도 이상의 차량 운행, 차량의 무리한 하중(과적)으로 인한 타이어의 내구성 저하, 비포장 도로 등의 가혹한 도로 조건 등을 들 수 있으며, 고속 자동차 경주용 타이어의 경우 상기의 원인 외에도 이에 사용되는 트레드의 특수한 구조 및 조성에서도 찾을 수 있다.
한편, 통상적으로 타이어 제조 공정 중 가황 공정은 원료고무에 유황 및 기타 가황촉진제를 함유시켜 가열, 가압 및 기타의 방식을 사용하여 고무 및 충진제 사이에 강력한 결합력을 유발하여 가황 후 고무의 우수한 열안정성, 탄성 및 인장 강도 등을 향상시키는 중요한 제조 공정이다. 또한, 이러한 가황 공정은 특정 온도 및 압력 하에서 적정한 시간 동안 머무름으로 이루어지게 된다.
그러나, 트레드 접합부의 경우 이러한 동일 조건에서 가황 공정을 거칠 경우 트레드의 다른 부위에 비하여 상대적으로 취약한 결합력을 가지게 되고, 이로 인해 주행 중 동적 피로에 의해 쉽게 결합력을 잃어버리는 현상이 발생하게 된다.
또한, 일반적으로 고속 자동차 경주용 타이어의 경우 최고의 그립 성능을 나타내도록 하기 위해서 지면과의 마찰을 최대로 일으킬 수 있는 구조를 택하고 있다.
상세히 설명하면 지면과의 접지면적을 최대화하기 위하여 일반 타이어에 비해 상대적으로 넓은 타이어 폭을 유지하고 있을 뿐만 아니라 타이어의 패턴도 없는 슬릭(slick)형의 타이어를 사용하고 있다. 또한, 타이어 트레드의 고무조성물도 높은 그립 성능을 나타낼 수 있도록 일반 타이어에 비해 많은 양의 카본과 오일을 사용하고 있다.
이러한 복합적인 원인으로 인해서 일반 타이어에 비해, 특히 고속 경주용 자동차 타이어의 경우 트레드 접합부의 벌어짐 현상이 빈번히 발생되고 있다.
따라서 트레드 접합부의 벌어짐 현상을 개선하기 위해 종래에는 다음과 같은 방법들이 사용되어 왔다.
1)타이어 트레드 접합 방식의 개선
일반적인 타이어의 트레드 접합 방식과 달리 고속 자동차 경주용 타이어의 경우 트레드 접합부의 각도를 달리하여 비교적 넓은 접합 면적을 유지해 접합부의 벌어짐 현상을 개선하고자 하였다. 그러나, 이러한 개선 방안은 트레드 접합부의 벌어짐 현상을 완전히 개선하지 못하였을 뿐만 아니라, 상대적으로 넓은 접합 면적을 유지하는 데 따른 타이어 성형시 접합부가 불균일하게 접합되는 등의 단점도 생기게 된다.
2)고무계 시멘트의 사용
상기 1)에서 사용한 방식의 한계를 극복하기 위해, 트레드 접합부에 시멘트를 도포하여 미가류 상태의 접착력 및 가류 후 트레드 접합부의 접착력을 개선하는 방안이 종래에 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 시멘트 도포 방식 역시 시멘트 물성과 트레드 물성과의 상이성 때문에 접착력의 완전한 개선을 이루지는 못하였다.
구체적으로는, 종래에 사용되어 오던 천연고무계(natural rubber, 이하 NR이라 함.) 시멘트의 경우 미가류 상태에서의 접착력 측면에서는 효과를 볼 수 있으나, 가류 후 동적 피로에 의해서 이물질로 작용하여 트레드 접합부 접착력 향상에 오히려 역효과를 일으키게 된다.
또한, 종래에 사용되어 오던 스티렌-부타디엔 고무계(styrene butadiene rubber, 이하 SBR이라 함.) 시멘트 역시 고속 자동차 경주용 타이어 트레드 고무와 상이한 고무 조성을 가짐으로 인한 물성 차이와 취약한 가류계 시스템으로 인해서 가류 후 동적 접착력에는 큰 효과를 보지 못하고 있다.
한편, 일본 특개평 5-170975호에서는 트레드 고무와 유사한 스티렌 함량을 가지고 화이트 카본과 유기 규소 화합물(커플링제)의 사용을 통한 트레드 접합부 접합력 향상을 설명하고 있지만, 일반적인 범용 타이어의 경우는 그 효과를 기대할 수 있으나, 가혹한 운행 조건 및 도로 조건 하에서의 사용이나 특히 고속 자동차 경주용 타이어와 같은 경우는 그 효과를 기대하기 힘들다.
왜냐하면, 시멘트의 사용을 통한 가황 후 접착력 개선은 고무 및 충진제의 근본적인 결합력을 높인 것이 아니라 미가류 상태에서의 접착력 개선을 통한 효과이기 때문에 한계성을 가지고 있으며, 특히 고속 자동차 경주용 타이어의 트레드 고무의 경우 트레드에 다량(80 중량부 이상)의 오일을 함유하기 때문에 트레드 고무의 경도가 일반 타이어에 비해 상당히 낮고, 그에 따른 주행 중 가혹한 변형은 트레드 및 특히 트레드 접합부에 심각한 영향을 주게 된다.
이러한 상황에서 트레드 접합부에 화이트 카본과 유기 규소 화합물을 사용하게 되면 접합부의 경도가 트레드 고무의 경도와 상당한 차이를 보이게 되며, 이로 인해 주행 중 변형에 오히려 불리한 결과를 초래할 수 있다. 따라서 가혹한 주행조건 및 도로 조건 하에서의 일반 타이어 및 특히 고속 경주용 자동차 타이어에 적용하는 데는 적합하지 않다.
또한, 일본 특개평 01-288434호에서는 가황 고무와 가황 고무의 접착, 특히 타이어의 재생 접착, 트레드 접합 방식의 타이어 접착, 또는 타이어, 튜브의 보수 등에 사용할 수 있는 접착용 키트의 고무 조성물에 대한 특허가 공개되어 있으며, 또한 가황촉진제의 다량(0.1-15 중량부) 사용을 기본으로 하고 있으나, 본 기술의 시멘트를 미가황 타이어의 트레드 접합시 특히 고속 경주용 타이어의 트레드의 접합시 사용할 경우 그 효과를 기대하기는 어렵다.
그 이유로는 상기 특허는 천연고무계의 고무 조성을 기본으로 하고 있어 다량의 가황촉진제를 사용하고 있긴 하지만, 가황 후 가황촉진제가 계면에서의 이물질로 작용하여 오히려 주행시 트레드부의 접합력 향상에 역효과를 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 특허 역시 가혹한 주행 조건 및 도로 조건 하에서의 일반 타이어 및 특히 고속 경주용 자동차 타이어에 적용하는 데는 적합하지 않다.
이에 본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 트레드 접합부의 가황 후 결합력을 극대화 시키기 위하여 연구노력한 결과, 트레드부 접합용 시멘트 조성물을 고속 경주용 트레드 고무 조성물과 동등의 고무조성을 가지면서 가황촉진제를 5 내지 10 중량부로 포함하고, 고형분 함량 1 내지 10% 되도록 유기용매에 용해시킨 결과, 다른 부위의 물성을 변화시키지 않아 주행 중 발생할 수 있는 트레드 접합부 벌어짐 현상을 개선할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서,본 발명의 목적은 고속 경주용 트레드의 고무 조성물과 동일한 순고무 조성을 갖고, 가황촉진제의 다량 사용을 통해 가황 후 접합부의 결합력을 극대화시켜 주행 시 일어날 수 있는 트레드 접합부의 벌어짐 현상을 방지하며, 또한 가황 후 접합부에서의 이물질로의 작용을 방지하기 위한 고속 경주용 타이어의 트레드 접합용 시멘트 조성물을 제공하는 데 있다.
이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 타이어 트레드 접합용 시멘트 조성물은 합성고무 100 중량부, 카본 블랙 70∼150 중량부, 프로세스 오일 50∼200 중량부, 가황촉진제 및 여타의 고무배합제를 포함한 고속 경주용 타이어의 트레드 고무 조성물과 동일한 순고무 조성을 갖되, 가황촉진제를 5 내지 10 중량부로 포함하고, 고형분 함량 1 내지 10% 되도록 유기용제에 용해시켜 얻어지는 것임을 특징으로 한다.
이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.본 발명은 고속 경주용 타이어의 트레드 고무 조성물과 동일한 순고무 조성을 갖고, 여기에 가황촉진제를 다량 첨가한 것이다.
상기 및 이하에서 사용된 '순고무 조성' 이라 함은 고무조성물과 유기용제와의 혼합물로 이루어지는 통상의 타이어 트레드 접합용 시멘트 고무 조성물에 있어서의 고무조성물로서 정의되어질 수 있다.
본 발명에서는 접합계면에 한정된 결합력 극대화를 위하여 타이어 성형시 트레드 접합 계면에 통상의 고무 산업에서 사용하는 가황촉진제를 첨가하는 바, 예를 들면 설펜아미드(sulfenamide)계 가황촉진제를 사용하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 실제 사용될 수 있는 가황촉진제의 종류를 그 화학적 조성에 따라 분류하면 다음과 같다. 디페닐 구아니딘(diphenyl guanidine, DPG)과 같은 구아니딘계; 2-머켑토벤조티아졸(2-mercaptobenzothiazole, MBT) 및 디벤조티아질 디설페이드(dibenzothiazyl disulfide, MBTS)와 같은 티아졸계; N-시클로헥실 2-벤조티아졸 설펜아미드(N-cyclohexyl 2-benzothiazole sulfenamide, OBS) 및 시클로헥실아민-2-머켑토벤조티아졸 설펜아미드(cyclohexylamine-2-mercaptobenzothiazole sulfenamide, CBS)와 같은 설펜아미드계; 헥사메틸렌 테트라민(HMTA)와 같은 알데히드 암모니아계; 부틸알데히드 부틸아민과 같은 알데히드 아민계; 테트라메틸티우람 디설파이드(tetramethylthiuram disulfide, TMTD) 및 테트라부틸티우람 디설파이드(tetrabutylthiuram disulfide, TBTD)와 같은 티우람계; 징크 디메틸디티오카바메이트(zinc dimethyldithiocarbamate, ZDMDC)와 같은 디티오카바메이트계; 및 소듐 이소프로필잔테이트(sodium isopropylxanthate, SIX) 및 징크 이소프로필잔테이트(zinc isopropylxanthate)와 같은 잔테이트계 등이 있다.
상기 가황촉진제의 함량은 원료고무 100 중량부에 대하여 5 내지 10 중량부되도록 사용하는 것이 바람직하며, 만일 그 함량이 5 중량부 미만이면 시멘트 용액 제조 후 가황촉진제의 상대적인 양이 부족하여 계면에서의 충분한 화학적 결합을 유도할 수 없고, 또한 10 중량부를 초과하면 고무 조성물 내에 배합함에 있어서 가공 및 분산시 불량이 발생되는 문제가 있다.
그밖에 본 발명의 시멘트 조성물은 고속 경주용 타이어의 고무 조성물에서 사용되는 원료고무, 일례로 천연고무, SBR 등을 포함하고, 통상의 배합제인 노화방지제, 프로세스 오일, 점착제, 유황, 가황촉진제 등을 포함하며, 이들을 유기용제에 용해시켜 시멘트 조성물을 제조한다.
이때, 고형분 함량이 1 내지 10% 되도록 유기용제에 용해시키는 것이 바람직하며, 더욱 더 바람직하기로는 5%이다. 만일 고형분의 함량이 1% 미만이면 전체 시멘트 중의 가황촉진제 함량이 상대적으로 부족하여 가황 후 충분한 화학적 결합을 유도하는 데 부족함이 있으며, 10% 이상이면 고형분의 함량이 상대적으로 증가하여 가황 후 계면에서 이물질로 작용하게 되어 계면간 접착력에 불리하게 작용하기 때문이다.
본 발명에서는 유기 용제로 시클로헥산(Cyclohexane)을 사용하지만, 유기 용제의 종류가 본 발명의 효과에 영향을 미치지는 않으므로 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1∼3 및 비교예 1∼3
다음 표 1에 나타낸 구성성분과 조성비로 실시예 1 내지 3을 제조하되, 다만고형분의 함량을 각각 1,5,10%로 하여 접착력 시멘트 조성물을 제조하였다.
또한, 다음 표 1에 나타낸 구성성분과 조성비로 비교예 1 내지 3의 조성물을 모두 시클로헥산 유기 용제에 용해시켰으며, 비교예에서는 시멘트 용액중 고형분의 함량을 모두 12%로 고정시켜 접착용 시멘트 조성물을 제조하였다.
또한, 본 발명의 비교예에서는 종래에 사용되어 오던 천연고무 및 SBR계 시멘트 조성물과 통상적인 고속 경주용 타이어 트레드 조성물을 비교하였다.
또한, 이렇게 제조한 시멘트 조성물을 통상의 고속 주행용 타이어 트레드 고무 조성물을 사용하여 제조한 미가류 상태의 샘플을 접합부에 도포하여, 타이어 트레드 접합의 방법과 유사하게 샘플을 접합시켜 160℃에서 20분간 가류시켜 최종 테스트 샘플을 제조하였다.
실시예 1∼3 비교예 1(천연고무계) 비교예 2(SBR계) 비교예 3
천연고무 - 100 - -
SBR 1 - - 100 -
SBR 2 137.5 - - 137.5
카본블랙 1 - 40 - -
카본블랙 2 90 - 60 90
노화방지제 1 2 1 2 2
노화방지제 2 1.5 1.5 1.5 1.5
프로세스 오일 50 4 10 50
점착제 - - 50 -
ZnO/스테아린산 3/1.5 5/2 3/0.5 3/1.5
유황 2.0 2.5 2.5 2.0
가황촉진제 1 10 0.3 0.3 1.5
가황촉진제 2 0.7 0.7 0.7 0.7
상기에서 사용된 각 원료들은 다음과 같다.
- NR : 천연고무
- SBR 1 : 스티렌 결합량이 23.5 중량%인 유화중합 스티렌-부타디엔 공중합 고무
- SBR 2 : 스티렌 결합량이 40 중량%인 유화중합 스티렌-부타디엔 공중합 고무로 오일이 37.5 중량부 혼입되어 있음.
- 카본블랙 1 : DBP 흡유량이 90-120ml/100g이고, 요오드 흡착량이 70-100 mg/g인 것임.
- 카본블랙 2 : DBP 흡유량이 100-130ml/100g이고, 요오드 흡착량이 90-130 mg/g인 것임.
- 노화방지제 1 : N-페닐-N'-(1,3-디메틸 부틸)-p-페닐렌디아민
- 노화방지제 2 : 폴리-(2,2,4-트리메틸-1,2-디히드로퀴놀린)
- 프로세스 오일 : 방향족 오일
- 점착제 : p-t-부틸-페놀 + 아세틸렌 축합물
- 유황 : 통상의 고무 가류제에 해당하는 유황
- 가황촉진제 1 : 설펜아미드계 촉진제
- 가황촉진제 2 : 티우람계 촉진제
한편, 최종 제조된 샘플의 접착력을 확인하기 위하여 피로 시험기를 통하여 변형(strain) 67%에서의 반복 변형과 초당 10회의 속도로, 10Hz 정하중에서 반복 피로 테스트를 4회 수행하여 접합부가 절단될 때까지의 횟수를 측정하여 평균값을 산출하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1(천연고무계) 비교예 2(SBR계) 비교예 3
절단 사이클(failure cycle) 70,900 228,947 84,757 30,204 43,000 57,563
또한, 실제 고속 자동차 경주용 타이어 제조에 적용하여 실제 주행에 따른 트레드 접합부의 벌어짐 현상을 비교 확인하였는 바, 여기서 사용한 테스트 차량은 고속 자동차 경주용 차량(포뮬러 차량)이며, 타이어는 고속 자동차 경주용 타이어(크기 ; 175/510R13, 215/570R13 slick)이고, 고속 자동차 경주용 경주로를 20, 40 바퀴 주행 후의 타이어 트레드부의 벌어짐 현상을 확인하였으며, 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1(천연고무계) 비교예 2(SBR계) 비교예 3
벌어짐 현상(20바퀴 후) 미발생 미발생 미발생 미세 발생 미세 발생 미세 발생
벌어짐 현상(40바퀴 후) 미발생 미발생 미발생 발생 성장 발생 성장 발생 성장
상기 표 2의 결과로부터, 통상의 NR계 시멘트 조성물을 샘플의 접합부에 도포한 비교예 1의 경우 미가류 상태에서의 접착력 개선과 상관없이, 가류 후 접합부의 접착력 개선효과가 다른 비교예 및 실시예에 비해 현저히 떨어지는 것을 알 수 있다.
또한, 일반적으로 사용되는 SBR계 시멘트 조성물을 사용한 비교예 2의 경우도 고무와의 상이한 조성으로 인해 뚜렷한 개선 효과를 확인하지 못하였다.
그리고, 통상적인 고속 경주용 타이어 트레드 조성물과 동일하게 제조된 시멘트를 사용한 비교예 3의 경우 비교예 1,2에 비해 약간의 가류 후 접착력 향상 효과는 있었으나, 본 발명의 효과에는 미치지 못하였다.
한편, 본 발명의 고속 경주용 타이어의 트레드 접합용 시멘트 조성물로부터 제조된 실시예 1-3은, 피로실험에서 절단 사이클 면에서 우수한 개선효과를 볼 수 있었으며, 절단의 양상 또한 접합 계면의 분리가 아닌 고무 자체의 열노화에 의한 파괴 양상을 보이고 있어 접합부의 결합력이 우수한 것을 알 수 있다.
또한, 실제 차량 테스트 결과인 상기 표 3으로부터, 20바퀴 주행 후 트레드부 벌어짐 현상이 비교예 1,2 및 3에서는 미세하게 발생되어 연속 주행에 따라 트레드부 벌어짐이 성장되었으나, 본 발명의 실시예 1 내지 3의 경우 트레드 접합부는 40바퀴 이상의 연속 주행에서도 트레드 접합부의 벌어짐 현상이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 고속 경주용 트레드 고무 조성물과 동일한 순고무 조성을 갖되 가황촉진제를 5 내지 10 중량부를 함유하고, 고형분 함량 1 내지 10% 되도록 유기용제에 용해시켜 얻어진 트레드 접합용 시멘트 조성물을 사용한 결과, 피로실험을 통한 절단 사이클 면에서 접착력이 개선된 것을 확인할 수 있었으며, 40바퀴 이상의 연속 주행에서도 트레드 접합부의 벌어짐 현상이 발생하지 않았다.

Claims (3)

  1. 합성고무 100 중량부, 카본 블랙 70∼150 중량부, 프로세스 오일 50∼200 중량부, 가황촉진제 및 여타의 고무배합제를 포함한 고속 경주용 타이어의 트레드 고무 조서물과 동일한 순고무 조성을 갖되, 가황촉진제를 5 내지 10 중량부로 포함하는 것으로, 고형분 함량 1 내지 10% 되도록 유기용매에 용해시켜 얻어지는 고속 경주용 타이어의 트레드 접합용 시멘트 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 가황촉진제는 구아니딘계(guanidine), 설펜아미드계(sulfenamide), 티아졸계(thiazole), 알데히드 암모니아계(aldehyde ammonia), 티우람계(thiuram), 디티오카바메이트계(dithiocarbamate) 및 잔테이트계(xanthate) 가황촉진제 중에서 선택된 1종 이상의 것임을 특징으로 하는 고속 경주용 타이어의 트레드 접합용 시멘트 조성물.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 가황촉진제는 디페닐 구아니딘(diphenyl guanidine, DPG), 2-머켑토벤조티아졸(2-mercaptobenzothiazole, MBT), 디벤조티아질 디설페이드(dibenzothiazyl disulfide, MBTS), N-시클로헥실 2-벤조티아졸 설펜아미드(N-cyclohexyl 2-benzothiazole sulfenamide, OBS), 시클로헥실아민-2-머켑토벤조티아졸 설펜아미드(cyclohexylamine-2-mercaptobenzothiazole sulfenamide, CBS), 헥사메틸렌 테트라민(HMTA), 부틸알데히드 부틸아민, 테트라메틸티우람 디설파이드(tetramethylthiuram disulfide, TMTD), 테트라부틸티우람 디설파이드(tetrabutylthiuram disulfide, TBTD), 징크 디메틸디티오카바메이트(zinc dimethyldithiocarbamate, ZDMDC), 소듐 이소프로필잔테이트(sodium isopropylxanthate, SIX) 및 징크 이소프로필잔테이트(zinc isopropylxanthate)로부터 선택된 1종 이상의 것임을 특징으로 하는 고속 경주용 타이어의 트레드 접합용 시멘트 조성물.
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