KR100592514B1 - 이온성 고분자와 나노클레이가 함유된 타이어용 트레드고무조성물 - Google Patents

이온성 고분자와 나노클레이가 함유된 타이어용 트레드고무조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타이어용 트레드 고무조성물에 관한 것으로서 보다 상세하게는 타이어용 트레드 고무조성물에 있어서, 이온성 고분자와 나노클레이를 포함하여 내마모, 인장강도를 등의 물성을 향상시킬 수 있는 타이어용 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
본 발명은 이온성 고분자인 카르복실레이티드 스티렌-부타디엔 고무와 나노 클레이를 포함하도록 하여 내마모, 인장강도를 등의 물성을 향상시킬 수 있는 타이어용 트레드 고무조성물의 제공을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 상기의 타이어용 트레드 고무조성물로 이루어진 트레드를 포함하는 타이어의 제공을 또 다른 목적으로 한다.
상기에서 언급한 본원발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 트레드 고무조성물은 공지의 타이어용 트레드 고무조성물에 있어서, 이온성 고분자인 원료고무 100중량부에 대하여 음하전을 띤 클레이 5∼15중량부 포함할 수 있다.

Description

이온성 고분자와 나노클레이가 함유된 타이어용 트레드 고무조성물{Tread compound for tire including ionic polymer and nano-clay}
본 발명은 타이어용 트레드 고무조성물에 관한 것으로서 보다 상세하게는 타이어용 트레드 고무조성물에 있어서, 이온성 고분자와 나노클레이를 포함하여 내마모, 인장강도를 등의 물성을 향상시킬 수 있는 타이어용 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
최근 일반 범용성 고분자의 인장강도 특성을 엔지니어링 플라스틱 수준으로 향상시키기 위한 방법으로 고분자/나노클레이 복합체 개념이 도입되고 있다.
나노클레이는 물에 의해 팽윤 및 층간박리가 가능한 천연 또는 인공적으로 제조된 층상구조의 클레이광물로서 몬모릴로나이트(Montmorillonite), 헤테로나이트(Heteronite), 마이카(Mica), 벤토나이트(Bentonite), 산성백토 등이 알려져 있다.
일반적으로 고분자/나노클레이 복합체의 제조방법은 중합법과 혼련법(Compounding method)이 있으며 이의 기본원리는 이온반응으로서 음하전(minus charge)을 띤 층으로 구성된 나노 클레이에 양하전(plus charge)을 물질을 삽입하는 방법으로 나노클레이 층간의 거리를 7∼12Å에서 20Å 이상으로 확대하는 것을 이용한다.
중합법은 수용성 용매에서 단량체(Monomer)를 나노클레이 층간에 삽입 후 중합반응에 의한 사슬 연장방법으로 고분자/나노클레이 복합체를 만드는 방법으로 특정 고분자만이 적용이 가능한 단점이 있다.
혼련법은 고분자와 친화성을 가지는 클레이를 용융시킨 뒤 강력한 전단력으로 클레이의 층간에 고분자가 첨가되도록 하여 고분자/나노클레이 복합체를 만드는 방법으로 고분자 종류에 제한이 없고 고함량 나노복합체 제조가 가능하나 클레이 분산이 나쁘기 때문에 물성개선에 많은 문제점을 가지고 있다.
지금까지 알려진 혼련법의 경우 유기 암모늄 클레이(Dialkylammonium modified montmorillonite clay)에 분자량이 5만 이상의 고분자를 브라벤더 밀(Brabender melt mixer)에서 165℃ 이상의 고온과 고압 조건에서 전단력에 의해 고분자를 실리케이트 층간에 삽입시켜 만든 방법이 있다(미국 특허 4,4820,734). 그러나 상기 미국특허의 나노 복합체는 기계적 물성에 대한 개선효과가 거의 보이지 않은데 이것을 유기층으로 구성된 나노 클레이가 충분히 분리되지 못하고 묶음 형태로 존재하고 또한 고무와 친화력이 없기 때문으로 알려져 있다.
본 발명은 이온성 고분자인 카르복실레이티드 스티렌-부타디엔 고무와 나노 클레이를 포함하도록 하여 내마모, 인장강도를 등의 물성을 향상시킬 수 있는 타이어용 트레드 고무조성물의 제공을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 상기의 타이어용 트레드 고무조성물로 이루어진 트레드를 포함하는 타이어의 제공을 또 다른 목적으로 한다.
상기에서 언급한 본원발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 트레드 고무조성물은 공지의 타이어용 트레드 고무조성물에 있어서, 이온성 고분자인 원료고무 100중량부에 대하여 음하전을 띤 클레이 5∼15중량부 포함할 수 있다.
본 발명에서 이온성 고분자인 원료고무는 카르복실레이티드 스티렌-부타디엔 고무(Carboxylated styrene-butadiene rubber, C-SBR)로서 스티렌 함량이 20% 이상이고, 카르복실기 성분이 고분자 kg당 0.5∼1.55g 함유된 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 원료고무인 이온성 고분자인 원료고무는 카르복실레이티드 스티렌-부타디엔 고무(C-SBR)에 있어서, 다양한 특성의 C-SBR을 원료고무로 사용한바 스티렌 함량이 20% 이상이고, 카르복실기 성분이 고분자 kg당 0.5∼1.55g 함유된 것을 사용시 본 발명의 목적에 부합하는 트레드 고무조성물을 얻을 수 있다. 따라서 본 발명에서 이온성 고분자인 원료고무는 전술한 수치의 특성을 가지는 카르복실레이티드 스티렌-부타디엔 고무를 사용하는 것이 좋다.
본 발명에서 클레이는 종래 나노 크기의 입자를 가지며, 음하전을 띠는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 이러한 클레이의 일예로서 본 발명에서는 몬모릴로나이트, 헤테로나이트, 마이카, 벤토나이트, 산성백토 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명에서 클레이는 이온성 고분자인 원료고무 100중량부에 대하여 5중량부 미만 사용하면 고무조성물의 물성 향상에 미미하고, 15중량부 초과 사용하면 과량의 클레이에 의해 고무의 물성이 감소할 우려가 있다. 따라서 본 발명에서 클레이는 이온성 고분자인 원료고무 100중량부에 대하여 음하전을 띤 클레이 5∼15중량부 사용하는 것이 좋다.
한편 본 발명에서 이온성 고분자인 C-SBR는 산화아연(ZnO)과 함께 사용시 이온성 염을 형성하고, 단말기에 양이온 특성을 가지고 있기 때문에 비극성인 스티렌-부타디엔 고무(SBR)에 비해 나노 클레이와의 혼용성이 증가되며, 고온, 고압의 조건하에서 클레이층에 쉽게 삽입(intercalation)될 수 있다.
본 발명에서 산화아연은 이온성 고분자인 C-SBR 100중량부에 대하여 3∼7중량부 사용시 이온성 고분자인 C-SBR과 반응하여 이온성 염을 형성할 수 있다. 산화아연을 3중량부 미만 사용하면 C-SBR과 반응하는 함량이 적어 이온성 염의 형성이 미미하고, 7중량부 초과 사용하면 이온성 염의 형성에 대한 뚜렷한 효과의 상승이 없이 산화아연의 비용만 증가되어 경제성이 약하게 된다. 따라서 본 발명에서 산화아연은 이온성 고분자인 C-SBR 100중량부에 대하여 3∼7중량부 사용하는 것이 좋다.
본 발명은 상기에서 언급한 원료고무, 나노 클레이 이외에 종래 타이어 트레드 고무조성물에 사용되는 충진제, 활성제, 노화방지제, 공정유, 가류제 및 가류촉 진제와 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 타이어 트레드 고무조성물로 이루어진 트레드를 가지는 타이어를 포함한다. 이때 타이어는 자동차용 타이어, 트럭용 타이어, 버스용 타이어 중에서 선택된 어느 하나를 포함한다.
이하 본 발명을 다음의 비교예, 실시예, 시험예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명의 일실시예로서 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
<비교예1>
원료고무로서 유화중합 스티렌 부타디엔 고무(SBR-1502, 스티렌 함량 23.5%) 100중량부에 대하여 산화아연(ZnO) 6중량부, 카본블랙(N330) 60중량부, 공정오일 12중량부, 스테아린산 1.0중량부, 노화방지제 3.0중량부를 브라벤더 믹서기에 첨가하고 150℃의 온도에서 25분 동안 반응시켜 1차 배합물을 얻었다.
1차 배합물에 유황 1.0중량부, 가류촉진제인 N-시클로헥실-2-벤조티아졸설펜 아미드(N-cyclohexyl-2-benzothiazolsulfen amide, CZ) 2.2중량부를 첨가한 후 100℃에서 20분 동안 가류하여 고무를 제조하였다.
<비교예2>
원료고무를 카르복실레이티드 스티렌-부타디엔 고무(C-SBR) 100중량부 사용하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 조성성분 및 방법을 이용하여 고무를 제조하였다.
상기에서 C-SBR는 스티렌:부타디엔:카르복실기 성분=20.7%:75.3%:4%으로 이루어진 것을 사용하였다(카르복실기 성분은 스티렌 부타디엔 고무 kg에 대하여 0.619g), 한편 C-SBR은 100℃에서의 무니점도가 53 이며, 순수 고무의 유리전이온도가 -55℃인 것을 사용하였다.
<비교예2>
나노클레이로서 몬모릴로나이트(Montmorillonite, MMN) 3중량부를 더 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 조성성분 및 방법을 이용하여 고무를 제조하였다.
<실시예1>
원료고무로서 카르복실레이티드 스티렌-부타디엔 고무(C-SBR) 100중량부에 대하여 산화아연(ZnO) 6중량부, 나노클레이로서 몬모릴로나이트(Montmorillonite, MMN) 5중량부, 카본블랙(N330) 60중량부, 공정오일 12중량부, 스테아린산 1.0중량부, 노화방지제 3.0중량부를 브라벤더 믹서기에 첨가하고 150℃의 온도에서 25분 동안 반응시켜 1차 배합물을 얻었다.
1차 배합물에 유황 1.0중량부, 가류촉진제인 N-시클로헥실-2-벤조티아졸설펜 아미드(N-cyclohexyl-2-benzothiazolsulfen amide, CZ) 2.2중량부를 첨가한 후 100℃에서 20분 동안 가류하여 고무를 제조하였다.
상기에서 C-SBR는 스티렌:부타디엔:카르복실기 성분=20.7%:75.3%:4%으로 이루어진 것을 사용하였다(카르복실기 성분은 스티렌 부타디엔 고무 kg에 대하여 0.619g), 한편 C-SBR은 100℃에서의 무니점도가 53 이며, 순수 고무의 유리전이온도가 -55℃인 것을 사용하였다.
<실시예2>
몬모릴로나이트 10중량부 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조성성분 및 방법을 이용하여 고무를 제조하였다.
<실시예3>
몬모릴로나이트 10중량부 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조성성분 및 방법을 이용하여 고무를 제조하였다.
표 1. 비교예 및 실시예의 조성
항목 비교예1 비교예2 비교예3 실시예1 실시예2 실시예3
SBR-1502 100 - 100 - - -
C-SBR - 100 - 100 100 100
산화아연 6 6 6 6 6 6
MMN - - 3 5 10 15
카본블랙 60 60 60 60 60 60
공정오일 12 12 12 12 12 12
스테아린산 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
노화방지제 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0
유황 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
가류촉진제 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2
<시험예>
상기 비교예 및 실시예에서 제조한 고무에 대해 ASTM 관련 규정에 의해 점도, 스코치타임, 경도, 모듈러스, 인장강도, 신율, 마모, 컷앱칩(cut&chip), 발열 및 tanδ(0℃)과 같은 물성을 측정하고 그 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.
표 2. 비교예 및 실시예 고무의 물성
항목 비교예1 비교예2 비교예3 실시예1 실시예2 실시예3
점도(100℃) 50 51 48 55 57 60
스코치 타임(t5) 25.6 24.9 26.4 20.15 18.5 15.3
경도(Shore-A) 58 59 57 62 64 68
300%모듈러스(kg/cm2) 120 121 112 128 131 130
인장강도(kg/cm2) 189 191 178 198 197 195
신율(%) 459 460 480 470 461 438
마모(mg) 0.279 0.281 0.295 0.215 0.211 0.225
컷앤칩(g) 2.456 2.491 2.931 2.453 2.561 2.816
발열특성 28 28 28 28 29 30
tanδ(0℃) 0.124 0.125 0.121 0.136 0.138 0.132
*마모 : 피코(PICO) 시험기기글 이용하여 내마모정도를 평가한 것으로 80회전 후 손실된 분량을 나타낸다. 수치가 적을수록 마모특성이 우수함을 의미한다.
*tanδ(0℃) : 젖은노면에서 타이어의 제동력(wet traction) 특성을 예측할 수 있는 값으로 Elastomerics(model 1322) 기기를 이용하여 측정한 값이다.
상기 표 2에서처럼 실시예 1∼3으로 나타낸 본 발명의 의한 트레드 고무조성물은 비교예 1∼3으로 나타낸 종래 트레드 고무조성물에 비해 점도 및 스코치타임 특성이 향상되어 공정성이 우수함을 알 수 있다. 특히 인장강도와 내마모특성이 현저히 개선되었을 뿐만 아니라 젖은 노면에서의 제동력이 향상되었음을 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 (4)

  1. 타이어용 트레드 고무조성물에 있어서,
    이온성 고분자인 원료고무로서 스티렌 함량이 20% 이상이고, 카르복실기 성분이 고분자 kg당 0.5∼1.55g 함유된 카르복실레이티드 스티렌-부타디엔 고무 100중량부에 대하여 음하전을 띤 클레이로서 몬모릴로나이트, 헤테로나이트, 마이카, 벤토나이트, 산성백토 중에서 선택된 어느 하나 5∼15중량부, 산화아연 3∼7중량부 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어용 트레드 고무조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 특허청구범위 제1항의 타이어용 트레드 고무조성물로 이루어진 트레드를 포함하는 타이어.
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