KR100629109B1 - 타이어 트레드용 고무 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천연 고무, 스타이렌-부타디엔 고무 및 부타디엔 고무를 원료 고무로 하고 기포 직경이 20~140㎛의 독립 기포를 단위 면적 1mm²당 30~120개를 갖는 발포 고무인 타티어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로서, 원료고무 100중량부에 대해서 폴리아라미드계 섬유를 1 내지 10중량부로 더 포함함으로써 높은 Young's Modulus 및 Tensile Strength를 갖는 폴리아라미드계 섬유의 특성상 고무 배합시의 높은 전단력에도 원래 모습 그대로인 선형으로 배향되어서 외부 충격에 의해 쉽게 이탈되지 않으며 고무를 보강해주는 역할을 하여 기존의 발포 고무가 가진 우수한 빙상 제동성능은 발휘하면서도 마른 노면에서의 조정 안정성과 내마모 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.

Description

타이어 트레드용 고무 조성물{Rubber composition for tire tread}

도 1 및 도 2는 각각 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 비교예2와 실시예2에 따라 얻어진 고무 시편의 표면을 촬영한 사진이다.

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 통상의 스터드레스 타이어 트레드용 고무 조성물에 사용되어지는 천연 고무와 스타이렌-부타디엔 고무 및 부타디엔 고무를 원료 고무로 하고 기포 직경이 20~140㎛의 독립기포를 단위 면적 1㎟당 30~120개를 갖는 발포고무 100중량부에 폴리아라미드계 섬유를 적절히 배합하여 동절기 빙설노면에서의 구동력, 제동력 뿐만 아니라 마른 노면에서의 조정 안정 성능이 우수한 스터드리스 스노우 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.

종래 동계용 타이어는 스파이크 타이어와 스터드리스 타이어로 대별되는 바, 이중 스파이크 타이어는 빙설지역에서의 마찰력 증대를 목적으로 트레드에 스파이 크 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(microspike) 작용을 하는 고무 스파이크 핀을 적용한 제품 등이 상용화되어 있으며 젖은 노면에서의 제동력을 향상시키고 연료 소모를 줄여주는 실리카를 적용한 제품도 있다.

또한, 이물질을 제품에 적용한 경우에는 트레드 고무 조성물에 분산된 이물질이 기제 고무와 화학적으로 결합되어 있는 것이 아니라 물리적으로 결합되어 있으므로 이탈 현상이 심각하며, 이로 인해 마모가 불규칙하게 되는 문제점이 발생한다. 예를 들면, 단섬유 및 천연 섬유 등의 이물질을 트레드 고무에 적용하여 동계 성능을 향상시킨 타이어가 등장하면서 소음이 줄어들고 도로 파손 등의 환경문제가 다소 해소되었으나, 이러한 타이어는 고무에 첨가 시 이물질의 형상이 구형이어서 주행 중 외부 충격에 의해 쉽게 이탈되기 때문에 불규칙 이상마모 및 편마모가 발생하게 된다. 이러한 문제는 타이어의 수명을 단축시키고 성능 저하를 초래하여 소비자의 불만을 야기시키고 있는 실정이다.

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, 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 제동거리를 감소시키고 미끄럼을 방지한다는 개념으로 도입되었다. 그러나, 발포 그 자체만으로는 빙설노면에서의 성능에 있어 개선효과가 있다고 하더라도 트레드 블록 강성이 약해져 내마모 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 또한, 타이어 사용 말기에는 노화에 의해 블록 강성 증가 및 경도 증가로 빙설 노면에서의 구동 및 제동성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다.

이에 본 발명자는 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 연구노력 하던 중, 타이어의 트레드 고무에 유기 발포제를 혼합하여 가류시키며, 가류 시 생성되는 기공으로 인한 마이크로 셀(micro-cell) 효과에 의해 지면과 트레드 간의 접지 면적이 넓어져 마찰력이 증대되고 빙판 접지력(ice grip)이 향상되어 빙설 노 면에서 차량의 제동거리를 감소시키고 미끄럼을 방지한다는 개념으로 도입된 발포 고무 조성물에 이물질을 적용하는 방법을 개발하게 되었는 바, 구체적으로는 발포 고무의 특징으로 인한 내마모 성능과 조정 안정성을 저하를 방지하기 위해 폴리아라미드계 섬유를 사용한 결과, 타이어의 이상 마모 및 편마모를 예방할 수 있고, 첨가된 폴리아라미드계 섬유로 인하여 빙상 제동 특성이 향상됨을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

폴리아라미드계 섬유를 타이어 트레드 고무 조성물에 사용하게 되면 기본적으로 빙설 노면에서의 구동력, 제동력 및 마른 노면에서의 조정 안정 성능을 향상시킬 수 있으며 기존에 사용하던 단섬유나 천연 섬유는 고무와 배합 시 구형으로 배열되나 폴리아라미드계 섬유의 경우 Young's Modulus 및 Tensile Strength로 인하여 원래 모습 그대로인 선형으로 배향되어서 외부 충격에 의해 쉽게 이탈되지 않는 특성이 있고 또한 높은 Young's Modulus 및 Tensile Strength로 인하여 배합된 고무를 보강해주는 역할을 하게 된다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스터드리스 스노우 타이어 트레드용 고무 조성물은 통상의 스터드레스 타이어 트레드용 고무 조성물에 사용되어지는 천연 고무, 스타이렌-부타디엔 고무 및 부타디엔 고무를 원료 고무로 하고 기포 직경이 20~140㎛의 독립기포를 단위 면적 1mm²당 30 - 120개를 갖는 발포고무 100 중량부에, 폴리아라미드계 섬유를 원료고무 100중량부에 대하여 1~10중량부 되도록 더 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 고무 및 부타디엔 고무로 구성된 것이다.

보다 구체적으로, 천연 고무는 말 그대로 자연에서 얻은 고무를 지칭하며 스티렌-부타디엔 고무는 에멀젼 중합방법으로 제조된 것으로서, 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 향상시킬 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 프로세스 오일과 보강제로서 카본블랙 및 통상의 첨가제를 포함하는 바, 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.

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

한편, 본 발명에서 첨가되는 폴리아라미드계 섬유로는 폴리파라페닐렌 테레프탈아미드를 사용하는 바, 이는 Teijin사에서 Twaron이라는 상품명으로 시판하고 있는 것을 예로 들수 있다. 이같은 폴리아라미드계 섬유는 Young's modulus가 24~30GPa, Tensile Strength가 2400~3000MPa의 기계적 특성을 갖는다. 폴리아라미드계 섬유는 고무 내에서 마치 스터드 타이어에서 사용되어지는 스터드 역할을 하게 되어 빙설노면에서 제동력 및 구동력을 향상시키는 역할을 하게 되며 또한 폴리아라미드계 섬유의 첨가로 인하여 경도가 상승하여 마른 노면에서의 조정 안정 성능을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. 아울러 기존에 사용되어지는 단섬유나 천연 섬유와 달리 폴리아라미드계 섬유는 Young's Modulus 및 Tensile Strength가 강하여 배합 고무 내에 구형이 아닌 선형으로 배열되어서 마모 성능의 저하를 가져오지 않는 특성을 나타낸다.

이같은 역할을 하는 폴리아라미드계 섬유의 함량은 원료고무 100 중량부에 대해서 1~10중량부인 것이 바람직하다. 폴리아라미드계 섬유를 원료고무 100중량부에 대해 10중량부보다 더 많이 사용하게 되면 가공성이 불량해지며 지나친 사용으로 오히려 고무 내에서 분산성이 좋지 않아서 내마모성이 떨어지는 역효과가 발생한다.

한편, 본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물에는 통상 타이어 트레드용 고무에 첨가되는 산화아연, 스테아린산, 노화방지제, 유황, 촉진제 등을 첨가할 수 있고, 발포고무이므로 발포제를 포함한다. 발포제는 원료고무 100중량부에 대해 3~4중량부로 첨가하여, 얻어진 고무 시편을 SEM을 이용하여 관찰하였을 때 기포직경 20~140㎛의 독립 기포를 단위 면적 1㎟ 당 30~120개 갖는 발포고무로 제조하는 것이 바람직하다.

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

실시예 1~2 및 비교예 1~3

원료고무로서 천연 고무, 스티렌-부타디엔 고무 및 부타디엔 고무를 사용하고, 카본블랙과 실리카를 비롯하여 통상의 첨가제를 다음 표 1에 나타낸 성분비로 배합하여 고무 조성물을 제조하였다. 이를 가류시켜 고무 시편을 제조하였다

실시예 1 내지 2 및 비교예 3은 폴리아라미드계 섬유를 첨가한 경우이고, 비교예 1은 통상의 발포고무이며, 비교예 2는 빙상제동성 향상을 위한 종래의 방법으로서 단섬유 또는 천연섬유를 첨가한 예를 보여주기 위한 것이다.

얻어진 시편에 대하여 저온 경도시험, 아이스 마찰계수, 점탄성 등을 측정하였으며 고무의 표면을 SEM을 사용하여 관찰하였다. 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

여기서, 발포고무의 기포수는 SEM을 이용하여 육안으로 관찰하였을 때 고무 시편 1㎟당 기포직경이 20~140㎛인 독립기포의 수를 측정하였다.

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

아이스마찰계수는 동적 마찰시험기(Sunny Koken사 제품)를 이용하여 24시간 얼린 아이스 노면에서 30Km/hr 속도로 마찰계수를 측정하였다.

마모시험은 람본 마모시험기를 이용하여 측정하였으며 지수가 높을수록 마모성능이 우수함을 나타낸다.

한편, 실차 실험에 있어서, 제동성능지수는 고무 조성물을 이용하여 195/65R 15T 규격으로 제조한 타이어를 각종 노면에서 제동시험을 하여 그 결과를 지수로 환산한 값으로서 지수가 클수록 제동거리가 짧아짐을 나타낸다. 내마모 성능은 195/65R 15Q의 타이어 규격으로 상기 고무를 사용하여 타이어를 제작하여 일정거리를 주행한 후 타이어의 무게 loss를 측정하여 상대적인 지수로 표현하였으며 상기 규격으로 타이어를 제조하여 일정거리 주행시 측정된 Lap time을 상대적인 지수로 표현하였다.

	비교예1	비교예2	비교예3	실시예1	실시예2
NR/BR/SBR 카본블랙/실리카 프로세스 오일 산화아연 스테아린산 노화 방지제 발포제 단섬유 또는 천연섬유 폴리아라미드계 섬유	50/30/20 40/20 25 3 2 2 4 - -	50/30/20 40/20 25 3 2 2 4 4 -	50/30/20 40/20 25 3 2 2 4 - 12	50/30/20 40/20 25 3 2 2 4 - 4	50/30/20 40/20 25 3 2 2 4 - 8
(주)프로세스 오일: 방향족계 함량 5중량%, 나프텐계 함량 45중량% 및 파라핀계 함량 50중량%로 이루어진 프로세스 오일 노화방지제: 6PPD 폴리아라미드계 섬유: 폴리파라페닐렌 테레프탈아미드, Young's modulus 30GPa, Tensile strength 3,000MPa, 상품명 Twaron, Teijin사 제품
-20℃ 경도(ShoreA)	50	51	57	51	52
아이스마찰계수(μ)	0.35	0.41	0.42	0.40	0.45
람본 마모 지수	100	93	92	101	99
단위면적(1㎟) 당 기포직경 20~140㎛의 독립기포 수(개)	100	100	100	100	100
실차 시험 결과
스노우/아이스 제동	100	105	106	105	110
마른 노면 제동	100	95	95	100	99
내마모 성능	100	93	92	101	98
조정 안정 성능 (마른 노면)	100	103	109	105	108

비교예1과 비교예2를 비교하여 보면 발포 고무에 단섬유나 천연 섬유를 사용한 경우 미 사용 대비 스노우 아이스 노면에서의 제동 및 마른 노면에서의 조정 안정 성능이 많이 향상됨을 보여준 반면 첨가된 단섬유나 천연 섬유로 인하여 내마모 성능은 저하됨을 알 수 있다.

반면 실시예1과 2의 경우와 같이 발포 고무에 폴리아라미드계 섬유를 사용할 경우 스노우/아이스 제동성능 및 마른 노면에서의 조정 안정 성능은 기존의 단섬유나 천연 섬유와 같이 향상되며 동시에 기존의 단섬유나 천연 섬유 첨가 시 저하되었던 내마모 성능을 유지하는 특성을 나타냄을 알 수 있다.

이는 단섬유나 천연 섬유의 경우 고무 배합 시 요구 되어지는 높은 전단력(Shear Force)으로 인하여 섬유의 형상을 보존하지 못하는 반면, 폴리아라미드계 섬유의 경우 높은 Young's Modulus 및 Tensile Strength로 인하여 원래 모습 그대로인 선형으로 배향되어서 외부 충격에 의해 쉽게 이탈되지 않는 특성이 있고 또한 높은 Young's Modulus 및 Tensile Strength로 인하여 배합된 고무를 보강해주는 역할을 해주기 때문이다.

이와같은 사실은 비교예 2에 따른 고무 시편의 SEM 사진(도1)과 실시예 2에 따른 고무 시편의 SEM 사진(도 2)을 대비해 본 결과로도 확인할 수 있다.

다시 말해, 발포 고무에 폴리아라미드계 섬유를 사용함으로써 기존에 발포 고무가 가진 우수한 빙상 제동 성능과 마른 노면에서의 조정 안정성 및 내마모 성능을 동시에 향상시킬 수가 있게 되었다.

한편, 비교예 3의 경우와 같이 발포 고무에 폴리아라미드계 섬유를 과량 사용하게 되면 우선 저온에서의 경도가 지나치게 상승하여 노면과의 Enveloping 성능이 저하되어 스노우 아이스 노면에서의 제동 성능은 더 이상 향상되지 않으며 특히 폴리아라미드계 섬유의 과량 투입에 의해 배합 고무 내에 분산 불량이 발생하여 오히려 마모 성능이 저하되는 특성을 나타내게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 천연고무, 스타이렌-부타디엔 고무 및 부타디엔 고무를 원료고무로 하는 발포 고무 조성에 폴리아라미드계 섬유를 더 첨가한 경우, 높은 Young's Modulus 및 Tensile Strength를 갖는 폴 리아라미드계 섬유의 특성상 고무 배합시의 높은 전단력에도 원래 모습 그대로인 선형으로 배향되어서 외부 충격에 의해 쉽게 이탈되지 않으며 고무를 보강해주는 역할을 하여 기존의 발포 고무가 가진 우수한 빙상 제동성능은 발휘하면서도 마른 노면에서의 조정 안정성과 내마모 성능을 동시에 향상시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 천연 고무, 스타이렌-부타디엔 고무 및 부타디엔 고무로 구성된 것을 원료 고무로 하고 기포 직경이 20~140㎛의 독립 기포를 단위 면적 1mm²당 30~120개를 갖는 발포 고무인 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서,

   원료고무 100중량부에 대해서 폴리아라미드계 섬유를 1 내지 10중량부로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
2. 제 1 항에 있어서, 폴리아라미드계 섬유는 폴리파라페닐렌 테레프탈아미드로서, Young's Modulus가 24~30GPa이고 Tensile Strength가 2400~3000MPa인 것임을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.

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