KR100569875B1

KR100569875B1 - 승용차 타이어용 트레드 고무조성물

Info

Publication number: KR100569875B1
Application number: KR1020040022303A
Authority: KR
Inventors: 권동은
Original assignee: 금호타이어 주식회사
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2006-04-11
Also published as: KR20050097191A

Abstract

본 발명은 승용차 타이어용 트레드 고무조성물에 관한 것으로 보다 상세하게는 승용차 타이어용 트레드 고무조성물에 나노복합재료를 포함하도록 하여 보강충진제의 분산성을 향상시킴으로써 고무의 기계적 물성을 개선하여 고무의 강도를 유지, 강화시켜주며 가류전 그린고무의 그린강도의 향상시켜 압출물의 변형을 감소시킬 수 있는 승용차 타이어용 트레드 고무조성물에 관한 것이다.

본 발명은 상기에서 언급한 문제를 해결하기 위해 승용차용 트레드 고무조성물에 있어서, 보강충진제의 분산성을 향상시키기 위해 나노복합재료를 승용차 타이어용 트레드 고무조성물에 첨가하여 내마모특성과 저발열특성 뿐만 아니라 그린강도가 우수한 트레드 고무조성물의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 승용차 타이어용 트레드 고무조성물은 종래 1종 이상의 보강충진제가 함유된 승용차 타이어용 트레드 고무조성물에 있어서, 원료고무 100중량부에 대하여 클레이 함량이 50∼80중량%, 폴리머 함량이 20∼50중량%로 이루어지고, 비중이 1.5 ±0.2인 나노복합재료 0.1∼10중량부 포함한다.

Description

승용차 타이어용 트레드 고무조성물{Tread rubber composition for passenger car tire}

타이어의 구성성분 중 트레드는 차량의 이동이라는 타이어의 기능을 발현하는 중요한 구성 요소이다. 타이어 트레드 부위의 패턴 및 구조적인 인자 이외에도 트레드 고무조성물에 의한 효과도 중요한 인자로 작용하고 있다.

일반적으로 트레드 고무조성물에 첨가되는 성분 중에서 타이어의 내마모특성을 향상시키기 위해 보강충진제로서 카본블랙(carbon black)을 주로 사용하고 있다. 특히 트레드는 노면과 직접 접촉하기 때문에 가혹한 주행 조건하에서도 견딜 수 있도록 고도의 내마모성을 가지기 위해 하드(hard)계 카본블랙을 적용하고 있 다. 또한 점차적으로 타이어의 내마모특성 뿐만 아니라 저발열특성도 중요해짐에 따라 카본블랙 이외에 실리카를 보강충진제로 적용하여 저발열특성도 향상시키고 있다.

특히 2∼3종류의 폴리머 혼합물을 원료고무로 하고 단일 또는 이종의 보강충진제를 적용하여 트레드 고무의 내마모성과 저발열특성을 향상시키고자 하였으나 이는 내구력, 승차감, 소음, 진동, 조종안정성, 내마모특성을 조절하는데 어려운 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 보강충진제로서 2종의 서로 다른 특성을 가지는 카본블랙과 통상적으로 트레드 제조시 사용하는 첨가제를 원료고무에 혼합하여 일차 혼련물을 얻고, 일차 혼련물에 제3의 보강충진제로서 실리카를 첨가하고 있다. 그러나 이런 경우에도 보강충진제인 카본블랙과 실리카의 분산이 주요한 관건이며, 만일 보강충진제가 어느 수준 이하로 배합이 되면 도리어 트레드 고무의 제반특성 및 마모특성이 감소하는 문제가 있다.

트레드를 포함하는 타이어의 구성성분 중 각 부위별 압출물에 사용된 고무의 조성비, 충진제(filler), 가류제 등의 함량에 의해 물성이 결정되고 압출물의 치수가 많은 영향을 받으며, 압출 후에도 계속적인 변형을 일으켜 그린케이스 성형시 수축이 일어나고 있다. 이러한 그린케이스 성형시의 수축에 의해 치수변화가 일어나 타이어의 유니포미티(uniformity), 내구력, 승차감, 소음, 진동 및 조종안정성 등이 감소하는 문제가 있다.

본 발명에 의한 트레드 고무조성물은 인장강도를 포함하는 제반물성에 영향을 주지 않으면서 내마모특성과 저발열특성을 향상시켜 압출물 트레드 고무의 그린강도를 증가시킴으로써 압출기 라인에서 발생하는 압출물의 길이, 폭의 변화량을 최소로 하여 압출 후에도 계속적인 변형을 감소시킬 수 있다. 압출 후에도 계속적인 변형이 감소되어 타이어의 유니포미티(uniformity), 내구력, 승차감, 소음, 진동 및 조종안정성 등의 감소를 억제할 수 있다.

상기에서 언급한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 승용차 타이어용 트레드 고무조성물은 종래 1종 이상의 보강충진제가 함유된 승용차 타이어용 트레드 고무조성물에 있어서, 원료고무 100중량부에 대하여 나노복합재료 0.1∼10중량부 포함한다.

본 발명에서 원료고무는 종래 타이어 트레드 고무조성물의 원료고무로서 사용할 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 이러한 원료고무의 일예로서 본 발명에서는 천연고무나 스티렌 부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌이 함유된 스티렌 부타디엔 고무, 니트릴을 포함하는 스티렌 부타디엔 고무, 네오프렌 고무와 같은 합성고무를 각각 단독으로 사용하거나 또는 둘 이상의 합성고무가 소정의 혼합비로 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다. 일예로 두 개의 합성고무가 혼합되는 경우 1:9∼9:1의 비로 혼합할 수 있다. 또한 상기의 천연고무와 합성고무가 1:9∼9:1의 비로 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.

본 발명에서 보강충진제는 종래 트레드 고무조성물에 사용되는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 보강충진제의 일예로서 하기의 표 1과 같은 특성을 가지는 카본블랙과 표 2와 같은 특성을 가지는 실리카를 각각 단독으로 소정의 함량으로 사용할 수 있다. 또한 카본블랙과 실리카를 1:9∼9:1의 비로 사용할 수 있다. 한편 본 발명은 상기에서 언급한 보강충진제를 당업자가 적의 선택하여 소정의 함량으로 사용할 수 있으므로 이하 자세한 내용은 생략하기로 한다.

표 1. 카본블랙의 특성

Carbon Grade	ASTM TINT (%of IRB#3)	DBP Absorption (cm³/gm)	ASTM IODINE Number(mg/gm)
SAF(N110)	124	1.13	148
ISAF(N220)	117	1.15	121
N234	123	1.25	118
HAFF-LS(N326)	113	0.72	85
HAF(N330)	104	1.01	82
N339	110	1.21	90
N351	99	1.20	67
N375	114	1.14	89

표 2. 실리카의 특성

실리카	표면적 (m²/g)	구조 (㎖/100g)	미세공극부피 (cc/g)	결합고무량 (%)
VN3	165	184	0.019	20.2
Z-175P	161	191	0.018	27.5
COUPSIL 8108	155	127	0.0086	24.5

본 발명에서 필수 구성성분이며 보강충진제의 분산성을 향상시키기 위해 첨 가하는 나노복합재료는 클레이 함량이 50∼80중량%이고 폴리머 함량이 20∼50중량%로 이루어지고, 비중이 1.5 ±0.2인 것을 사용할 수 있다. 본 발명에서 다양한 함량과 특성을 가지는 나노복합재료에 대해 적용한바 나노복합재료의 클레이 함량이 50∼80중량%이고 폴리머 함량이 20∼50중량%으로 이루어진 것을 사용시 본 발명의 목적에 부합하는 트레드 고무조성물을 얻을 수 있다. 또한 나노복합재료의 클레이에 대해 다양한 특성을 가진 것을 적용한바 본 발명의 목적을 위해 클레이는 비중이 2.3 ±0.5, 층간높이가 0.5±5.0nm, 평균입자경이 1.0∼8.0㎛인 것을 사용하는 것이 좋다. 그리고 나노복합재료의 폴리머는 폴리부타디엔, 스티렌 부타디엔 고무, 아크릴로니트릴 고무, 에틸렌 프로필렌 고무 중에서 선택된 어느 하나의 폴리머를 각각 사용하거나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 이때 두 개의 폴리머를 혼합하는 경우 1:9∼9:1의 비로 혼합하여 사용할 수 있고, 세 개의 폴리머를 혼합하는 경우 1∼8:1∼8:1∼8의 비로 혼합하여 사용할 수 있다.

본 발명에서 원료고무 100중량부에 대하여 나노복합재료를 0.1중량부 미만 사용하면 물성 및 그린강도 개선효과가 나타나지 않으며, 10중량부를 초과할 경우 배합시 분산성이 불량하여 물성이 떨어지고 그린강도가 감소할 우려가 있다. 따라서 본 발명에서 나노복합재료는 원료고무 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기에서 언급한 원료고무, 보강충진제 및 나노복합재료 이외에 종래 타이어 트레드 고무조성물에 사용되는 활성제, 노화방지제, 공정유, 가류제 및 가류촉진제와 같은 각종 첨가제를 필요에 따라 적의 선택하여 소정의 함량으로 사용할 수 있다. 그러나 이들은 종래 타이어 트레드 고무조성물에 사용되는 일반적인 성분으로서 본원발명의 필수 구성성분이 아니므로 이하 자세한 내용은 생략하기로 한다.

한편 본 발명은 상기의 승용차 타이어용 트레드 고무조성물로 이루어진 트레드를 가지는 승용차 타이어를 포함한다.

이하 본 발명을 다음의 비교예, 실시예, 시험예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명의 일실시예로서 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

원료고무로서 용액중합 스티렌부타디엔 고무(NIPPON JEON NS-116, S-SBR) 50중량부, 유화중합 스티렌부타디엔 고무(금호석유화학 SBR-1500, E-SBR) 30중량부 및 부타디엔 고무(BR) 20중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여 카본블랙(N330) 30중량부, 실리카(Z-175P) 30중량부, 커플링제(SI-69) 3중량부, 공정오일 25중량부, 스테아린산 2중량부, 노화방지제 2중량부, 아연화(ZnO) 3중량부, 나노복합재료 0.1중량부를 반버리 믹서에 넣어 혼합하고 160℃에서 5분 동안 반응시킨 후 방출하여 1차 고무배합물을 얻었다.

상기의 1차 고무배합물에 가류제(유황) 2.0중량부, 가류촉진제로서 N-시클로 헥실-2-벤토티아졸설펜아미트(N-cyclohexyl-2-benzothiazolsulfen amide, CZ) 2.0중량부를 넣고 2분 동안 배합 후 100℃에서 덤프(dump)하고 160℃에서 25분 동안 가류시켜 고무를 제조하였다.

상기의 고무 조성성분을 하기의 표 3에 정리하여 나타내었다.

<실시예 2>

실리카 23중량부, 나노복합재료 5중량부를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조성 및 방법으로 고무를 제조하였다.

<실시예 3>

실리카와 커플링제를 사용하지 않고, 나노복합재료 8중량부를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조성 및 방법으로 고무를 제조하였다.

<실시예 4>

실리카와 커플링제를 사용하지 않고, 나노복합재료 10중량부를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조성 및 방법으로 고무를 제조하였다.

<비교예>

나노복합재료를 사용하지 않는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조성 및 방법으로 고무를 제조하였다.

표 3. 비교예 및 실시예 조성성분

항목	비교예	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
S-SBR	50	50	50	50	50
E-SBR	30	30	30	30	30
BR	20	20	20	20	20
카본블랙(N330)	30	30	30	30	30
실리카(Z-175P)	30	30	23	-	-
커플링제(SI-69)	3	3	3	-	-
공정오일	25	25	25	25	25
스테아린산	2	2	2	2	2
노화방지제	2	2	2	2	2
아연화	3	3	3	3	3
나노복합재료*	-	0.1	5	8	10
가류제	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0
가류촉진제	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0

*나노복합재료 : 비중이 2.3 ±0.5, 층간높이가 3.3nm, 평균입자경이 6.5㎛인 클레이 함량이 70중량%, 폴리머로서 폴리부타디엔 함량이 30중량%로 이루어진 것으로 비중은 1.5 ±0.2다.

<시험예 1>

실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예에서 가류제와 가류촉진제를 넣어 가류하기 전에 얻은 1차 고무배합물을 ASTM 규격에 의하여 배합고무의 그린강도를 측정하고 그 결과를 아래의 표 4에 나타내었다.

표 4. 그린강도 결과

항목	비교예	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
그린강도(kgf/cm²)*	390	450	480	500	400

*수치가 클수로 그린강도가 우수함을 의미한다.

<시험예 2>

실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예에서 가류제와 가류촉진제를 넣어 가류하기 전에 얻은 1차 고무배합물을 ASTM 규격에 의하여 배합고무의 온도에 따른 수축율을 측정하고 그 결과를 아래의 표 5에 나타내었다.

표 5. 수축율 시험결과

항목	비교예	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
80℃	30	26	22	22	28
100℃	25	22	20	19	24

<시험예 3>

실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예에서 얻은 고무를 ASTM 규격에 의하여 경도, 300%모듈러스, 인장강도, 신장율, 리바운드, 발열, PICO마모 및 분산성을 측정하고 그 결과를 아래의 표 6에 나타내었다.

표 6. 비교예 및 실시예 고무의 물성

항목	비교예	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
경도(Shore A)	68	69	69	69	69
300%모듈러스(kgf/cm²)	115	120	120	120	120
인장강도(kgf/cm²)	220	225	235	235	235
신장율(%)	500	510	500	500	490
리바운드(%)	28	26	28	28	28
발열(℃)	28	27	26	26	26
PICO 마모(mg)	23	21	18	15	15
분산성(%)	75	88	92	94	85

상기 시험예 1의 결과인 표 4 및 시험예 2의 결과인 표 5에서처럼 나노복합재료의 첨가량이 증가함에 따라 충진제의 분산성이 개선되어 그린강도가 향상되고 또한 온도변화에 따른 수축율이 현저하게 감소됨을 알 수 있었다.

또한 시험예 3의 결과인 표 6에서처럼 나노복합재료가 첨가되지 않은 비교예의 고무에 비해 나노복합재료가 첨가된 본 발명의 실시예의 고무는 경도, 300%모듈러스, 인장강도 및 신장율과 같은 인장물성과 비교시 동등 수준 이상을 나타내고 있으며, 발열, PICO마모 및 분산성이 우수함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

1종 이상의 보강충진제가 함유된 승용차 타이어용 트레드 고무조성물에 있어서,

원료고무 100중량부에 대하여 클레이 50∼80중량％와 스티렌 부타디엔 고무, 아크릴로니트릴 고무, 에틸렌 프로필렌 고무 중에서 선택된 어느 하나의 폴리머를 각각 사용하거나 또는 둘 이상이 혼합된 폴리머 20∼50중량％로 이루어진 나노복합재료 0.1∼10중량부 포함하는 것을 특징으로 하는 승용차 타이어용 트레드 고무조성물.

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