KR100582005B1

KR100582005B1 - 스터드리스 타이어의 트레드용 고무 조성물

Info

Publication number: KR100582005B1
Application number: KR1020050047549A
Authority: KR
Inventors: 김정태; 안용진; 김상구
Original assignee: 한국타이어 주식회사
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2006-05-22

Abstract

본 발명은 통상의 스터드리스 타이어 트레드용 고무 조성물에 사용되어지는 천연 고무, 스타이렌-부타디엔 고무 및 부타디엔 고무를 원료 고무로 하고 통상의 고무 배합제를 포함하는 스터드리스 타이어의 트레드용 고무 조성물에 파라페닐렌 테레프탈아미드와 3,4-옥시디페닐렌 테레프탈아미드의 공중합체 (co-poly-(paraphenylene/3,4-oxydiphenylene terephthalamide)) 섬유를 원료고무 고형분 함량 100중량부에 대해 1 내지 10 중량부로 더 포함함으로써 빙상제동성능 향상은 물론 내마모성을 유지하게 되어 궁극적으로는 타이어의 이상 마모 및 편마모를 예방할 수 있도록 한 스터드리스 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.

Description

스터드리스 타이어의 트레드용 고무 조성물{Rubber composition for tread of studless tire}

도 1은 비교예 2에 따라 얻어진, 단섬유나 천연섬유를 포함하는 종래 트레드 고무 시편의 주사전자현미경(SEM) 사진이며,

도 2는 실시예 2에 따라 얻어진, 파라 아라미드계 섬유를 포함하는 본 발명의 트레드 고무 시편의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.

본 발명은 스터드리스 스노우 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 통상의 스터드레스 타이어 트레드용 고무 조성물에 사용되어지는 천연 고무, 스타이렌-부타디엔 고무 및 부타디엔 고무를 원료고무로 하고 여기에 특정의 폴리아라미드계 섬유를 적절히 배합함으로써 동절기 빙설노면에서의 구동력 및 제동력이 우수한 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(micro spike) 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 기타 이물질을 사용한 스터드리스 타이어 등이 있다. 이중 유기 발포제를 사용한 스터드리스 타이어는 타이어의 트레드 고무에 유기 발포제를 혼합하여 가류시켜 제조되는 것으로서, 이는 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 제동거 리를 감소시키고 미끄럼을 방지한다는 개념으로 도입되었다. 그러나, 발포 그 자체만으로 빙설노면에서의 성능에 있어 개선효과는 있다 하더라도 트레드 블록 강성이 약해져 내마모 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 또한, 타이어 사용 말기에는 노화에 의해 블록 강성 및 경도가 증가되어 빙설 노면에서의 구동 및 제동성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 한편, 이물질을 제품에 적용한 경우에는 트레드 고무 조성물에 분산된 이물질이 기재 고무와 화학적으로 결합되어 있는 것이 아니라 물리적으로 결합되어 있으므로 이탈 현상이 심각하며, 이로 인해 마모가 불규칙하게 되는 문제점이 발생한다. 예를 들면, 단섬유나 천연섬유 등의 이물질을 트레드 고무에 적용하여 동계성능을 향상시킨 타이어가 등장하면서 소음이 줄어들고 도로 파손 등의 환경문제가 다소 해소되었으나, 이러한 단섬유나 천연섬유의 경우 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.명기술의

본 발명은 상술한 바와 같이 타이어 트레드용 고무 조성물에 이물질로 단섬유나 천연섬유를 적용할 경우 빙상 구동 및 제동 성능은 향상시킬 수 있어도 타이어에서 요구하는 다른 주요 성능인 마모, 회전저항, 조정 안정성은 만족시키기 어려운 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 높은 영률과 인장강도를 가지는 특정의 폴리아라미드계 섬유를 첨가함으로써 타이어의 이상 마모 및 편마모를 예방할 수 있 으면서 빙상 제동특성을 향상시킨 스터드리스 타이어의 트레드용 고무 조성물을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스터드리스 스노우 타이어 트레드용 고무 조성물은 통상의 스터드리스 타이어 트레드용 고무 조성물에 사용되어지는 천연 고무와 스타이렌-부타디엔 고무 및 부타디엔 고무를 원료 고무로 하고 통상의 고무 배합제를 포함하는 것으로서, 여기에 파라페닐렌 테레프탈아미드와 3,4-옥시디페닐렌 테레프탈아미드의 공중합체 섬유를 원료고무 고형분 함량 100중량부에 대해 1 내지 10 중량부로 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

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

천연 고무는 말 그대로 자연에서 얻은 고무를 지칭하며, 스티렌-부타디엔 고무는 에멀젼 중합방법으로 제조된 것으로서, 구체적으로는 미세구조 조성 중 스티렌 함량이 20∼25%이고, 100℃ 무니 점도가 55∼65이며, 응력완화 시간 기울기가 -0.30∼-0.38인 것이다. 스티렌-부타디엔 고무의 무니 점도가 높은 경우에는 가공이 어렵다. 또한, 미세구조 조성 중 스티렌 함량이나, 응력완화 시간 기울기가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 가공성이 불량해진다. 이와 같은 특성을 만족하는 스티렌-부타디엔 고무는 내마모 성능은 유지하면서 빙상제동성능 및 회전저항을 향상 시킬 수 있다. 이와 함께 원료고무를 구성하는 부타디엔 고무는 용액중합 방법으로 제조된 디엔계 고무로서, 미세조성 중 1,4-시스 부타디엔 함량이 96% 이상인 부타디엔 고무이다

이와 같이 조성된 원료고무에 통상의 고무 배합제를 포함하는 바, 고무 배합제의 예로는 프로세스 오일, 보강제 및 기타 첨가제를 들 수 있다. 이때 프로세스 오일은 오일내 방향족계 함량이 5∼25%이고, 나프텐계 함량이 25∼45중량%이며, 파라핀계 함량이 35∼65중량%로 이루어진 것이 바람직하며 프로세스 오일의 조성이 상기 범위를 벗어나서 방향족계 함량이 많아지면 빙상제동 성능이 불량해진다. 프로세스 오일의 함량은 원료고무 고형분 함량 100 중량부에 대해20 내지 35 중량부 정도이다.

한편, 보강제로서 첨가되는 카본블랙과 실리카는 특별히 한정되는 것은 아니며, 그 함량은 원료고무 고형분 함량 100중량부에 대하여 40∼90중량부이다. 만일 그 함량이 원료고무 100중량부에 대하여 40중량부 미만이면 회전저항은 향상되나 빙상제동 성능이 불량해지며 100중량부 초과면 카본블랙 및 실리카의 분산 불량으로 인하여 가공성이 불량해지며 발열이 증가하여 내마모성이 떨어지는 역효과가 발생한다.

그리고, 기타 첨가제라 함은 통상 타이어 트레드용 고무에 첨가되는 산화아연, 스테아린산, 유황, 촉진제 등을 의미함은 물론이다.

한편, 본 발명의 트레드용 고무 조성물에 특징적으로 첨가되는 폴리아라미드계 섬유는 파라계 아라미드 섬유로서, 구체적으로는 파라페닐렌 테레프탈아미드와 3,4-옥시디페닐렌 테레프탈아미드의 공중합체(co-poly-(paraphenylene/3,4-oxydiphenylene terephthalamide))로서 영율(Young's modulus)이 20~21GPa, 인장강도(Tensile Strength)가 3,000 ~ 3,250MPa의 기계적 특성을 가지며 아울러 섬유 표면에 RFL용액으로 처리되어서 고무와의 화학적 결합이 가능해져 기존 단 섬유 사용시 내마모 성능이 저하되는 특성을 보완할 수 있게 하는 특징이 있다.

이같은 파라계 폴리아라미드 섬유를 타이어 트레드 고무 조성물에 사용하게 되면, 마치 스터드 타이어에서 사용되어지는 스터드 역할을 하게 되어 기본적으로 빙설 노면에서의 구동력 및 제동력을 미 사용시 대비 향상시킬 수 있으며, 기존에 사용하던 단섬유나 천연 섬유의 경우 고무와 배합시 구형으로 배열되지만 폴리아라미드 섬유의 경우 높은 영율(Young's Modulus) 및 인장강도(Tensile Strength)로 인하여 원래 모습 그대로인 선형으로 배향되어서 외부 충격에 의해 쉽게 이탈되지 않는 특성이 있고 또한 높은 영율 및 인장강도로 인해 배합된 고무를 보강해주는 역할을 하게 된다.

이같은 역할을 하는 파라계 폴리아라미드 섬유의 함량은 원료고무 고형분 함량 100중량부에 대해 1 내지 10중량부인 바, 그 함량이 10중량부 보다 많으면 가공성이 불량해지며 지나친 사용으로 오히려 고무내에서 분산성이 좋지 않아서 내마모성이 떨어지는 역효과가 발생한다.

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

실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 4

천연 고무와 스티렌-부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 카본블랙 및 통상의 첨가제를 다음 표 1에 나타낸 성분비로 배합하여 고무 조성물을 제조하였다. 이를 가류시켜 고무 시편을 제조하였다

얻어진 시편에 대하여 저온 경도시험, 아이스 마찰계수, 점탄성 등을 측정하였으며, 고무의 표면을 SEM을 사용하여 관찰하였다.

구체적으로, 저온 경도는 ASTM 쇼어 A 경도계로 온도조절이 가능한 챔버 내에서 1시간 방치 후 측정하였다(-20℃에서의 경도).

아이스마찰계수는 동적 마찰시험기(Sunny Koken사 제품) 24시간 얼린 아이스 노면에서 30km/hr 속도로 마찰계수를 측정하였다

마모시험은 람본 마모시험기를 이용하여 측정하였으며 지수가 높을수록 마모성능이 우수함을 나타낸다. 제동성능지수는 고무 조성물을 이용하여 195/65R 15T 규격으로 제조한 타이어를 각종 노면에서 제동시험을 하여 그 결과를 지수로 환산한 값으로서 지수가 클수록 제동거리가 짧아진다.

그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

	비교예1	비교예2	비교예3	비교예4	실시예1	실시예2
NR/BR/SBR 카본/실리카 프로세스 오일 산화아연 스테아린산 노화방지제 단섬유 또는 천연섬유 아라미드 단섬유1* 아라미드 섬유2*	50/30/20 40/20 25 3 2 2 -- - --	50/30/20 40/20 25 3 2 2 4 - --	50/30/20 40/20 25 3 2 2 - 4 --	50/30/20 40/20 25 3 2 2 -- - 12	50/30/20 40/20 25 3 2 2 -- - 4	50/30/20 40/20 25 3 2 2 -- - 8
-20℃ 경도 아이스마찰계수 람본 마모 지수	50 0.35 100	51 0.41 93	51 0.40 85	55 0.42 92	51 0.40 101	52 0.45 99
실차 시험 결과
스노우/아이스 제동 마른 노면 제동 내 마모 성능	100 100 100	105 95 93	105 100 86	106 95 92	105 100 101	110 99 98
1.아라미드 단섬유: poly-(paraphenylene terephthalamide), 상품명Kevlar Dupont사 제품, 영율이 25 Gpa 이고 인장강도가 2100MPa 2.아라미드 섬유: 파라페닐렌 테레프탈아미드와 3,4-옥시디페닐렌 테레프탈아미드의 공중합체 섬유, 상품명 Technora. Teijin사 제품, 영율이 20Gpa이고 인장강도 3100Mpa.이며 표면이 RFL (Resocinal formaldehide Liquid) 용액으로 처리된것 SBR: 스티렌 함량 20~25%이고, 100℃ 무니점도가 55~65이며, 응력완화 시간기울기가 -0.30~-0.38인 스타이렌-부타디엔 고무 BR: 미세조성 중 1,4-시스 부타디엔 함량이 96% 이상인 용액중합 부타디엔 고무 프로세스 오일: 오일내 방향족계 함량이 5~25중량%이고, 나프텐계 함량이 25~45중량%이며, 파라핀계 함량이 35~65중량%인 프로세스 오일

SEM을 이용하여 비교예 2에 따른 고무 시편과 실시예 2에 따라 얻어진 고무 시편에 대한 표면을 관찰하여 그 결과를 각각 도 1 및 도 2에 나타내었다. 도 1과 2를 참조할 때, 단섬유나 천연섬유를 사용한 경우 섬유가 구형으로 존재하는 것을 알 수 있으며, 본 발명에 따른 파라계 폴리아라미드 섬유의 경우는 고무 중 선형 그대로 존재함을 알 수 있다.

한편, 표 1의 결과로부터 단섬유나 천연섬유를 사용한 비교예2의 경우 어떤 것도 첨가하지 않은 비교예 1에 비하여 스노우 아이스 노면에서의 제동이 많이 향상됨을 보여주나, 그 첨가로 인해 내마모 성능은 저하됨을 알 수 있다.

그리고 아라미드계 단섬유를 사용한 비교예 3의 경우는 실시 예1에 비해 인장 강도가 낮고 단섬유 표면이 RFL 처리가 되지 않아서 고무와의 결합력이 약하여 내마모 성능이 저하되는 특성을 나타냄을 알 수 있다.

그러나, 본 발명에서와 같은 특정의 파라계 폴리아라미드 섬유를 사용한 실시예 1 내지 2의 경우 기존 단섬유나 천연 섬유와 같이 스노우 아이스 제동성능이 향상될 뿐만 아니라 내마모 성능은 저하되지 않음을 알 수 있다.

이는 도 1 내지 2로부터 확인된 바와 같이, 단섬유나 천연 섬유의 경우 고무 배합 시 요구 되어지는 높은 전단응력(Shear Force)로 인하여 섬유의 형상을 보존하지 못하고 구형으로 존재하는 반면, 본 발명에 따른 파라계 폴리아라미드 섬유의 경우 높은 영율 및 인장강도로 인하여 원래 모습 그대로인 선형으로 배향되어서 외부 충격에 의해 쉽게 이탈되지 않으며, 또한 높은 영율 및 인장강도와 섬유 표면에 RFL용액으로 처리로 인해 고무와의 Chemical Bonding이 가능해져 배합된 고무안에서 보강재로서의 역할을 하기 때문이다.

그러나 이같은 효과를 나타내는 파라계 폴리아라미드 섬유라 할지라도 과량으로 사용하게 되면, 저온에서의 경도가 지나치게 상승하여 노면과의 접지(Enveloping) 성능이 저하되어 스노우 아이스 노면에서의 제동 성능이 저하되며 특히 배합 고무 내에 분산 불량이 발생하여 마모 성능이 저하되는 특성을 나타내게 된다(비교예 4). 따라서, 첨가시 그 함량은 10중량부 이내인 것이 바람직하다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 파라계 폴리아라미드 섬 유를 더 포함하는 타이어 트레드 고무 조성물은 첨가된 파라계 폴리아라미드 섬유가 마치 스터드 타이어에서 사용되어지는 스터드 역할을 하게 되어 기본적으로 빙설 노면에서의 구동력 및 제동력을 미 사용시 대비 향상시킬 수 있으며, 기존에 사용하던 단섬유나 천연 섬유의 경우 고무와 배합시 구형으로 배열되지만 폴리아라미드 섬유의 경우 높은 영율(Young's Modulus) 및 인장강도(Tensile Strength)로 인하여 원래 모습 그대로인 선형으로 배향되어서 외부 충격에 의해 쉽게 이탈되지 않는 특성이 있고 또한 높은 영율 및 인장강도로 인해 배합된 고무를 보강해주어 내마모성을 유지할 수 있게 되어 궁극적으로는 타이어의 이상 마모 및 편마모를 예방할 수 있다.

Claims

통상의 스터드리스 타이어 트레드용 고무 조성물에 사용되어지는 천연 고무, 스타이렌-부타디엔 고무 및 부타디엔 고무를 원료 고무로 하고 통상의 고무 배합제를 포함하는 스터드리스 타이어의 트레드용 고무 조성물에 있어서,

파라페닐렌 테레프탈아미드와 3,4-옥시디페닐렌 테레프탈아미드의 공중합체 (co-poly-(paraphenylene/3,4-oxydiphenylene terephthalamide)) 섬유를 원료고무 고형분 함량 100중량부에 대해 1 내지 10 중량부로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스터드리스 타이어의 트레드용 고무 조성물.
제 1 항에 있어서, 파라페닐렌 테레프탈아미드와 3,4-옥시디페닐렌 테레프탈아미드의 공중합체 (co-poly-(paraphenylene/3,4-oxydiphenylene terephthalamide)) 섬유는 영율(Young's Modulus)이 20~21GPa이고 인장강도(Tensile Strength)가 3,000~3,250MPa이며 단섬유 표면을 RFL용액으로 처리한 것임을 특징으로 하는 스터드리스 타이어의 트레드용 고무 조성물.