KR100642002B1

KR100642002B1 - 층상 실리케이트를 포함하는 고무 나노복합체의 제조방법

Info

Publication number: KR100642002B1
Application number: KR1020050107050A
Authority: KR
Inventors: 조춘택; 강용구; 이성필
Original assignee: 넥센타이어 주식회사
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2006-11-02

Abstract

본 발명은 층상 실리케이트를 포함하는 고무 나노복합체의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 용융상태의 고무에 층상 실리케이트를 첨가하고 층상 실리케이트의 결합에너지를 파괴하면서 판상을 유지할 수 있는 임계온도, 전단속도, 전단응력의 조건으로 혼합하는 단계를 포함하는 층상 실리케이트를 포함하는 고무 나노복합체의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 고무 나노복합체의 제조에 있어서, 고무를 용융시키는 단계;

상기의 용융된 고무 100중량부에 대하여 층상 실리케이트 5~15중량부를 100~145℃에서 전단속도 50~200/sec, 전단응력 50~400J/kg으로 500~2500초 동안 혼합하는 단계;

상기의 층상 실리케이트와 고무의 혼합물을 60∼70℃에서 5~15분 동안 혼련하여 미가류 고무/층상 실리케이트 나노복합체를 얻는 단계;

상기 미가류 고무/층상 실리케이트 나노복합체를 가류하는 단계를 포함하는 층상 실리케이트를 포함하는 나노복합체의 제조방법을 나타낸다.

Description

층상 실리케이트를 포함하는 고무 나노복합체의 제조방법{Preparation method for rubber nano compound with layered silicate}

도 1은 판상의 층상 실리케이트의 구조를 나타낸 모식도이다.

도 2는 층상 실리케이트와 고분자로 이루어진 나노 복합체에서 제조방법에 따라 3가지 형태로 분류되는 것을 나타낸 모식도이다.

도 3은 실시예 및 비교예에 사용전 층상 실리케이트, 실시예 1에 적용한 층상 실리케이트, 비교예 1에 적용한 층상 실리케이트의 층간 간격을 XRD로 측정한 그래프이다.

도 4는 실시예 1에서 층상 실리케이트 분산상태를 나타낸 TEM 사진이다.

또한 본 발명은 상기의 방법에 의해 제조한 고무 나노복합체, 동 방법에 의해 제조한 고무 나노복합체를 포함하는 고무조성물을 포함한다.

나노복합체는 올리고머, 고분자, 또는 이들의 혼합물 등의 고분자 매트릭스(polymer matrix)에 나노크기의 층상 점토화합물의 박리(exfoliated), 층간 삽입(intercalated) 형태의 박층(stacks), 또는 박층들이 분산되어 있는 박리체(exfoliated nanocomposite), 적층형 층간 삽입체(tactoidal nanocomposite), 또는 이들의 혼합물이 분산된 복합체를 의미한다.

점토 분산 고분자 나노복합체 제조기술은 몬모릴로나이트와 같은 실리케이트 층상구조를 갖는 점토광물의 층 사이로 고분자 사슬을 삽입시켜 층상구조의 박리를 유발하고 고분자 수지에 나노 스케일의 실리케이트 시트를 기본단위로 박리 분산시키는 기술이다. 이를 통해 얻어진 나노복합체는 고분자의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다. 그러나 점토 광물의 기본단위인 판상 실리케이트는 판과 판 사이에 존재하는 반데르발스(van der waals) 인력과 좁은 층간간격으로 고분자 사슬이 삽입되어 박리 분산되기가 매우 힘들다. 또한 경계면 혹은 경계선에서 점토와 고분자사이 친화성 부족으로 기계적 특성에 저하요인으로 작용할 수 있다.

이와 관련하여 점토 및 고분자 사슬 사이의 친화성 향상과 유기화 치환에서 오는 층간간격의 증가는 점토 물질을 고분자 전체에 균일하게 분산시켜 그 결과 복합체의 물성을 개선시킬 수 있다. 점토가 고분자 내에서 균일하게 분산되는 경우 상대적으로 넓은 점토의 표면적으로 점토와 고분자 사이에서 보다 많은 접촉면을 생성할 수 있으며 이러한 접촉면에서 고분자 사슬의 운동성을 감소시켜 물성을 개 선시킬 수 있다. 반대로 점토와 고분자 사이에 친화성의 결여는 시스템 전체에 균일하게 분산되기 보다는 농축되고 응집된 점토 집합체(reaggregation)을 형성하여 시스템의 강도에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 이러한 친화성관계는 점토가 원래 친수성이고 적용되는 고분자가 일반적으로 소수성인 사실과 관련된다.

일반적으로 층상 실리케이트는 2:1 필로실리케이트 구조로 중앙에 Al혹은 Mg의 옥타히드럴 시트(octahedral sheet)가 바깥쪽 두개의 실리카 테트라히드론(silica tetrahedron)과 융합되어 있다. 옥타히드럴 시트와 옥시겐 이온이 테트라 히드럴 시트에 공유되어 있는 방식으로 결합되어 있다. 판상의 두께는 1nm내외이며 측면 크기는 300Å에서 수 마이크론(㎛)에 이른다. 그리고 이러한 판상들은 반데르발스(van der waals) 힘으로 결합되어 있으며 인터래이어(interlayer) 혹은 갤러리(gallery)라 불리는 틈을 층 사이에 갖는다. 층간에는 알카리나 알카리토 금속 존재하는데 동일구조 치환( Al 3+가 Mg 2+ 혹은 Fe 2+ 혹은 Mg 2+의 Li +치환)에 의한 음전하 발생을 정전기적으로 상쇄하기 위해 위치한다(도 1 참조).

통상적으로 층상 실리케이트의 층간에 고분자 삽입을 용이하게 하고 혼화성을 강화하기 위해 층간의 나트륨이온(Na⁺)을 포함하는 양이온 교환반응을 이용하여 암모늄으로 개질 처리하여 층간 간격을 증가시킨다. 이렇게 넓어진 층 사이로 고분자가 삽입되어 나노복합체가 형성된다(Journal of Material Science and Enginering, 28(2000)).

실리케이트와 고분자를 포함하는 고분자 실리케이트 복합체는 구성성분과 제 조방법에 따라 세 가지 형태로 분류가 된다(도 2 참조). 이렇게 형성된 나노복합체는 고분자의 내충격성, 인성, 투명성의 손상없이 강도와 강성도, 가스투과 억제능, 방염성, 내마모성, 고온안정성을 한층 높일 수 있다고 알려져 있다.

한편 본 발명과 관련된 고무 복합체 관련 종래기술로서 대한민국 등록특허 10-0476011, 10-0476010을 살펴보면 폴리부타디엔의 추가와 층상 실리케이트를 일정량의 기존 보강제(카본블랙, 실리카)와 함께 추가 보강제 개념으로 첨가한 후 통상적인 고무배합조건으로 제조하여 내마모성 및 내체이핑 성능을 향상시킨 승용차용 림플린지 고무조성물이 개시되어 있다.

그리고 대한민국 등록특허 10-0426955, 10-0450640을 살펴보면 원료고무 100중량부에 기존 보강제(카본블랙, 실리카)와 2~10중량부의 나노클레이를 첨가하여 경도 및 내마모특성을 향상시키는 타이어용 트레드 고무조성물이 개시되어있다.

그러나 특허들은 통상적인 고무 혼합 조건으로 복합체를 제조하여, 반데르발스 힘으로 결합되어 있고 층간 간격이 매우 좁은 층상 실리케이트 층간 박리와 분자량이 매우 큰 상용 고무의 사슬이 층간으로 삽입될 수 있는 충분한 원동력(Driving force)을 제공하지 못하고 있다. 전반적인 특성치 또한 보강재의 추가적인 투입에 의한 효과 정도로 나노복합체라기 보다는 마이크로 복합체 수준에 가깝다.

또한 층상 실리케이트를 변성 페놀 포름알데히드로 전처리된 나노클레이를 기존의 보강재와 첨가한 트레드 고무 조성물에 사용한 것이 대한민국 등록특허 10-0502045에 나노보강성 수지의 첨가로 물성 조절이 용이하고 카본블랙 등급을 변경 시켜 원가절감과 함께 연비 특성, 공정특성을 개선시킬 수 있는 고무 조성물을 제공한다는 내용이 있다. 그러나 변성 페놀 포름알데히드는 제품의 가격이 카본블랙에 비해 높고 보강성을 나타내기 위해서는 헥사메틸렌테트라아민을 추가로 첨가해야 하는 단점이 있다.

이외에도 대한민국 등록특허 10-0450639에 일반적인 클레이를 판상구조로 잘게 쪼갠 뒤 폴리프로필렌으로 표면처리 한 나노클레이를 카본블랙과 함께 보강제로 사용하여 내칩컷성, 내마모성, 저연비성능, 회전저항, 발열성능이 우수한 타이어 트레드 고무조성물을 제공하는 내용이 있다. 그러나 폴리프로필렌은 천연고무와의 상용성은 높으나 165℃의 높은 용융온도를 갖기 때문에 투입량이 증가할수록 입자의 응집과 미분산으로 인한 기계적 물성의 하락 가능성이 존재하는 문제가 있다.

상기에서 언급한 문제를 해결하기 위한 안출된 본 발명은 용융 상태의 고무에 층상 실리케이트를 첨가하여 고무와 층상 실리케이트의 혼합물을 제조시 특정 온도를 유지하면서 전단응력을 극대화하는 최적화된 전단속도와 실리케이트 층간의 반데르발스 결합에너지를 극복할 수 있는 임계 에너지를 공급하여 층상 실리케이트가 삽입 또는 박리된 상태로 고무 매트릭스 내로 분산됨을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서 본 발명은 용융상태의 고무에 층상 실리케이트를 첨가하고 층상 실리케이트의 결합에너지를 파괴하면서 판상을 유지할 수 있는 임계온도, 전단속도, 공급에너지의 조건으로 혼합하는 단계를 포함하는 층상 실리케이트를 포함하는 고무 나노복합체의 제조방법 제공을 목적으로 한다.

상기에서 언급한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고무 나노복합체의 제조에 있어서, 고무를 용융시키는 단계;

본 발명의 고무 나노복합체 제조시 사용하는 고무는 종래 고무 나노복합체 제조시 사용하는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 본 발명에서 고무 나노복합체 제조시 고무는 천연고무, 합성고무 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.

상기에서 합성고무는 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 폴리이소프렌 고무, 니트릴 고무, 실리콘 고무, 네오프렌 고무, 부틸 고무, 티오콜(Thiokol), 우레탄 고무, 에틸렌-프로필렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔(EPDM) 고무, 에피클로로 히드린 고무, 에피클로로히드린-에틸렌 옥사이드 고무, 클로로술포네이트화-폴리에틸렌(Hypalon) 고무, 폴리아크릴레이트 고무, 불소 고무 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.

본 발명에서 고무 나노복합체 제조시 사용하는 층상 실리케이트는 층간 간격이 7∼12Å, 종횡비가 10∼1000인 천연 실리케이트 또는 합성 층상 실리케이트를 사용할 수 있다.

본 발명에서 고무 나노복합체 제조시 사용하는 층상 실리케이트는 층상 실리케이트는 층간 간격이 7∼12Å, 종횡비가 10∼1000인 몬모릴로나이트(montmorillonite), 층간 간격이 7∼12Å, 종횡비가 10∼1000인 헥토라이트(hectorite), 층간 간격이 7∼12Å, 종횡비가 10∼1000인 플루오로헥토라이트(fluorohectorite), 층간 간격이 7∼12Å, 종횡비가 10∼1000인 사포나이트(saponite), 층간 간격이 7∼12Å, 종횡비가 10∼1000인 사우코나이트(sauconite), 층간 간격이 7∼12Å, 종횡비가 10∼1000인 버미큘라이트(vermiculite), 층간 간격이 7∼12Å, 종횡비가 10∼1000인 마가디이트(magadiite), 층간 간격이 7∼12Å, 종횡비가 10∼1000인 케냐아이트(kenyaite), cloisite Na, cloisite 15A 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.

본 발명에서 고무 나노복합체 제조시 사용하는 층상 실리케이트는 상기에서 언급한 층간 간격이 7∼12Å, 종횡비가 10∼1000인 층상 실리케이트에 유기화제로 반응시켜 얻은 유기화된 층상 실리케이트를 사용할 수 있다.

상기에서 유기화된 층상 실리케이트에서 유기화제는 메틸아민 하이드로클로 라이드, 프로필 아민, 부틸 아민, 옥틸 아민, 데실 아민, 도데실 아민, 헥사데실 아민, 옥타데실 아민, 6-아미노 헥사노익산, 12-아미노 도데카노익산, 테트라메틸 암모늄 클로라이드, N-메틸 옥타데실 아민, 옥타데실 트리메틸 암모늄 브로마이드, 도데실 트리메틸 암모늄 브로마이드, 디옥타데실 디메틸 암모늄 브로마이드, 비스(2-하이드록시에틸)메틸 옥타데실 암모늄 클로라이드, 1-헥사메틸렌 디아민, 1,12-도데칸 디아민 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.

본 발명에서 유기화제로 유기화된 층상 실리케이트는 종래 선행기술(Preparation of inorganic-organic nanocomposites through intercalation of organoammonium ions into layered silicates,Bull.Chem.Soc.Jpn.,70,2593-2619(1997) )에 의해 얻을 수 있으면 족할 뿐 이러한 유기화제로 유기화된 층상 실리케이트를 얻는 방법은 본 발명에서 핵심적인 내용이 아니므로 이하 자세한 내용은 생략하기로 한다.

본 발명에서 고무 나노복합체를 제조시 먼저 내부 혼합기에 고무를 투입하여 용융시킨다. 이때 내부 혼합기의 초기온도는 80~120℃에서 전단속도 40~200/sec, 전단응력 50~400J/kg으로 100~400초 동안 보다 바람직하게는 95~105℃에서 전단속도 70~150/sec, 전단응력 100~300J/kg으로 200~300초 동안 고무를 용융시킬 수 있다.

상기에서 혼합기 내에서 고무를 용융시 전단속도를 40/sec 미만으로 하거나 및/또는 전단응력 50J/kg 미만으로 혼합할 경우 고무의 승온속도가 낮아 용융상태까지의 생산공정이 길어지며, 전단속도 200/sec 초과하거나 및/또는 전단응력 400J/kg 초과하여 혼합할 경우 혼합물의 온도가 급격히 상승하여 고무의 열화 현상과 고무가 내부 혼합기 챔버의 벽면으로 붙어 전단응력이 공급되지 않는 현상을 보인다. 또한 에너지 투입 시간이 100초 보다 짧을 경우 고무가 충분히 용융되지 못하며 400초 이상 투입하여도 더 이상 변화를 보이지 않는다. 따라서 본 발명에서 고무와 층상 실리케이트의 혼합은 80~120℃에서 전단속도 40~200/sec, 전단응력 50~400J/kg으로 100~400초 동안 실시하는 것이 좋다.

다음으로 용융 상태의 고무에 층상 실리케이트 또는 유기화된 층상 실리케이트를 연속적으로 투입하여 혼합한다. 이때 층상 실리케이트 또는 유기화된 층상 실리케이트는 고무 100중량부에 대하여 3~30중량부로 첨가할 수 있다. 층상 실리케이트 또는 유기화된 층상 실리케이트를 고무 100중량부에 대하여 3중량부 미만 첨가시에는 보강효과를 얻기 힘들고, 30중량부 초과하여 첨가할 경우 박리되었던 층상 실리케이트 또는 유기화된 층상 실리케이트가 서로 응집되어 오히려 물성이 저하되는 현상이 발생할 수 있다.

고무와 층상 실리케이트 또는 유기화된 층상 실리케이트의 혼합물은 145℃ 이하 온도, 전단속도 50~200/sec, 전단응력 50~400J/kg을 유지하면서 500~2500초 동안 바람직하게는 100~145℃에서 전단속도 70~150/sec, 전단응력 100~300J/kg을 유지하면서 1000~1500초 동안 에너지를 공급하여 혼합한다.

상기에서 고무와 층상 실리케이트 혼합시 각각의 혼합조건은 상호 의존도가 매우 커 설정된 시간 동안 투입하더라도 전단속도 200/sec 초과하거나 및/또는 전단응력 400J/kg 초과하는 경우 혼합물이 회전하는 로터 응집부분과 챔버(chamber) 벽면 응집 부분으로 분리되는 경우가 발생한다. 그리고 전단속도 50/sec 미만이거나 및/또는 전단응력 50J/kg 미만으로 혼합할 경우 챔버내의 온도가 높지 않아 기계적 에너지 외의 충분한 열에너지가 공급되지 못해 층상 실리케이트의 나노 분산이 이루어지지 않고 혼합물의 물성 저하를 초래한다. 에너지 투입 시간이 500초 이하일 경우 층상 실리케이트의 층간 사이에 반데르발스 힘이 존재하고 극도로 좁은 층상 실리케이트의 판상을 분리해내기가 힘들고 고분자 분절들을 활성화시킬 만큼의 충분한 원동력을 공급하지 못한다. 투입되는 에너지의 양이 증가할수록 이러한 혼합계의 활성화 에너지는 충족되나 2500초 이상 공급하더라도 더 이상 층간 간격의 증대 효과는 나타나지 않는다. 바람직하게는 100~145℃이하 온도 조건으로 전단 속도70~150/sec에서 전단 응력을 100~300J/kg유지하면서 1000~1500초 동안 에너지를 공급하여 혼합하는게 바람직하다.

상기에서 고무와 층상 실리케이트를 혼합하여 미가류 고무/층상 실리케이트 나노복합체 혼합물을 얻은 후 70℃ 이하의 온도에서 2~20분 동안, 바람직하게는 오픈밀(Open mill)을 이용하여 60∼70℃에서 5~15분 동안 추가적인 혼련을 실시하여 미가류 고무 나노복합체 시트를 제조한다. 60℃ 미만의 낮은 온도 조건으로 혼련할 경우 고무가 용융되지 않아 추가적인 분산이 일어나지 않으며 혼련시간 또한 용융상태의 충분한 혼련이 필요하다.

상기에서 얻은 미가류 고무 나노복합체에 가류제를 이용하여 가류화된 고무 나노복합체를 얻을 수 있다. 이때 가류제는 통상적인 고무 가류시 사용하는 가류제를 사용할 수 있으며, 가류제 이외에 가류를 촉진시키는 가류촉진제를 사용할 수 있다. 본 발명에서 이러한 가류제, 가류촉진제는 당업자가 적의 선택하여 실시할 수 있으므로 이하 자세한 내용은 생략하기로 한다.

이와 같이 제조된 고무 나노복합체는 통상적인 고무배합재료처럼 고무배합에 사용될 수 있으며 이러한 나노복합체를 함유한 가류배합 고무는 지금까지 여러 발명자들이 구현한 나노복합체 함유의 배합고무보다 탁월한 기계적 물성을 보여주었다. 이는 현저히 향상된 나노화율에 기인한 것임을 여러 가지 방법으로 확인 할 수 있었다.

한편 본 발명은 상기에서 언급한 방법에 의해 얻을 수 있는 고무 나노복합체를 포함한다.

본 발명은 상기에서 언급한 방법에 의해 얻을 수 있는 고무 나노복합체를 포함하는 타이어용 고무조성물을 포함한다.

본 발명은 상기에서 언급한 방법에 의해 얻을 수 있는 고무 나노복합체를 포함하는 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> 임계온도, 최적 전단속도, 전단응력을 이용한 SBR/유기화 층상실리케이트 나노복합체의 제조

내부 혼합기(FARREL, Volume 1.57L)에 스티렌 부타디엔 고무(SBR 1500, 금호석유화학, 무늬 점도 53)를 넣고 100℃에서 전단속도 134/sec, 전단응력 150J/kg으 로 200초 동안 고무를 용융시켰다.

상기의 융융된 스티렌 부타디엔 고무 100중량부에 대하여 유기화 층상 실리케이트(Southernclay, Cloisite 15A) 11.2중량부를 첨가하고 100℃에서 로터속도(전단속도) 134/sec, 전단응력 150J/kg로 1500초 동안 혼합한 후 방출하였다.

상기에서 방출된 스티렌 부타디엔 고무와 유기화 층상 실리케이트 혼합물을 투롤밀(Bong Shin Φ8ⅹ20)에서 70℃의 온도조건으로 15분 동안 혼합하였다.

상기의 스티렌 부타디엔 고무와 유기화 층상 실리케이트의 혼합물을 내부 혼합기에 넣고 여기에 첨가제로서 커플링제(SI-69) 1.5중량부, 산화아연 3중량부, 스테아린산 1중량부 및 가류시스템으로 유황 1.75중량부, 가류촉진제(N-t-butylbenzothiazole sulfenamide, NS) 1중량부를 첨가하고 혼합하여 SBR/유기화 층상실리케이트 나노복합체를 제조하였다.

한편 도 1에 실시예 1에서 제조한 고무 나노복합체에서 층상 실리케이트 분산상태를 나타낸 TEM 사진을 나타내었다.

하기의 표 1에 실시예 1에서 언급한 각각의 조성성분 및 함량을 정리하여 나타내었다.

<비교예 1> SBR/유기화 층상실리케이트 복합체의 제조

고무(SBR 1500) 100중량부에 대하여 첨가제로서 유기화 층상 실리케이트(Southernclay, Cloisite 15A) 11.2중량부, 커플링제(SI-69) 1.5중량부, 산화아연 3중량부, 스테아린산 1중량부 및 가류시스템으로 유황 1.75중량부, 가류촉진제(NS) 1중량부 초기온도 60℃의 내부 혼합기(FARREL, Volume 1.57L)에 첨가하여 로터속도 를 200/sec으로 고정하고 300초간 혼합하여 SBR/유기화 층상실리케이트 나노복합체를 제조하였다.

하기의 표 1에 비교예 1에서 언급한 각각의 조성성분 및 함량을 정리하여 나타내었다.

<비교예 2> 카본블랙으로 보강된 SBR복합체의 제조

유기화 층상 실리케이트 대신 카본블랙(N330) 11.2중량부 사용하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 고무복합체를 제조하였다.

표 1. 실시예 1 및 비교예 1-2의 조성성분

항목	실시예 1	비교예 1	비교예 2
SBR 1500	100	100	100
유기화 층상 실리케이트	11.2	11.2	-
카본블랙	-	-	11.2
커플링제	1.5	1.5	1.5
산화아연	3	3	3
스테아린산	1	1	1
유황	1.75	1.75	1.75
가류촉진제	1	1	1

<시험예 1>

상기 실시예 1 고무 나노복합체 및 비교예 1-2 고무복합체를 각각 핫프레스로 10분간 누른 후 두께 3mm짜리 판을 만든 후 TGA를 이용하여 열분해 온도, ASTM 관련 규정에 의하여 인장시험(경도, 인장강도, 300% 모듈러스), 윌리암 마모를 측정하고 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.

표 2. 실시예 1 고무 나노복합체 및 비교예 1-2 고무복합체의 물성

항목	실시예 1	비교예 1	비교예 2
최대 열분해온도(TGA)	475℃	467℃	460℃
경도	57	56	52
인장강도(kgf/cm²)	103	88	60
300％모듈러스(kgf/cm²)	81	53	43
윌리암마모(％)	70	91	100

*최대 열분해온도 및 인장물성에 대한 수치는 높을수록 각각의 특성이 우수함을 의미한다.

*윌리암 마모(％) : 수치가 낮을 수로 마모특성이 우수함을 의미한다.

<시험예 2>

실시예 1 및 비교예 1에 사용전 층상 실리케이트, 실시예 1에 적용한 층상 실리케이트, 비교예 1에 적용한 층상 실리케이트에 대해 각각의 실리케이트 층간 간격을 XRD로 측정하고 그 결과를 도 3에 나타내었다.

실시예 1 및 비교예 1에 사용전 층상 실리케이트에 비해 실시예 1 에 적용 후의 실리케이트 층간 간격이 매우 넓어져 있음을 알 수 있다.

<실시예 2> 고무 나노복합체를 포함하는 고무조성물

상기 실시예 1에서 제조한 고무 나노복합체를 첨가제로 하여 타이어 트레드용 고무를 제조하였다.

용액중합 스티렌 부타디엔 고무(SBR)를 원료고무로 하고 이 원료고무 100중량부에 대하여 실시예 1에서 제조한 고무 나노복합체 11.8중량부, 카본블랙(N330) 63중량부, 실리카 11.8중량부, 공정오일 14.45 중량부, 산화아연 2.73중량부, 스테아린산 2중량부, 노화방지제 2중량부(2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린, 금호몬산토)를 120℃에서 20분간 혼합하였다.

그런 다름 유황 2.1중량부, 가류촉진제(NS) 2중량부를 첨가하고 160℃에서 20분간 가류하여 타이어 트레드용 고무를 제조하였다.

하기 표 3에 이의 고무성분을 나타내었다.

<비교예 3>

고무 나노복합체를 사용하지 않고 실리카 10중량부를 추가한 것을 제외하고는 상기 실시예 와 동일한 방법으로 타이어 트레드용 고무를 제조하였다.

표 3. 실시예 2 고무, 비교예 3 고무의 조성성분

항목	실시예 2	비교예 3
원료고무	100	100
고무 나노복합체	11.8	-
카본블랙	63	63
실리카	11.8	21.8
공정오일	14.45	14.45
산화아연	2.73	2.73
스테아린산	2	2
노화방지제	2	2
황	2.1	2.1
가류촉진제	2	2

<시험예 3>

상기 실시예 2, 비교예 3에서 제조한 고무를 핫프레스(hot press)로 10분간 누른 후 두께 3mm의 판을 만든 다음 ASTM 관련 규정에 의해 고무의 물성을 측정하고 그 결과를 아래의 표 4에 나타내었다.

표 4. 실시예 2 고무, 비교예 3 고무의 물성

항목	실시예 2	비교예 3
경도	74	71
인장강도(kgf/cm²)	225	217
300％모듈러스(kgf/cm²)	158	148
신율(％)	460	440
SP.GR	1.179	1.2
Tanδ(0℃)	0.5116	0.4657
Tanδ(70℃)	0.1446	0.1488
윌리암 마모(％)	2.65	2.8
발열(℃)	33.5	37.5

*인장물성(경도, 인장강도, 300％모듈러스, 신율)에 대한 수치는 높을수록 각각의 특성이 우수함을 의미한다.

*Tanδ(0℃) : 타이어의 성능 중 젖은 상태의 제동력(wet traction) 특성을 예측할 수 있는 값으로, 수치가 높을수록 우수함을 의미한다.

*Tanδ(70℃) : 타이어의 성능 중 회전저항 특성을 예측할 수 있는 값으로, 수치가 낮을수록 우수함을 의미한다.

*윌리암 마모(％)와 발열은 수치가 낮을 수로 마모특성이 우수함을 의미한다.

상기 표 2,4의 결과로부터, 본 발명의 실시예에서와 같이 최적화된 임계온도,전단속도와 전단응력을 이용하여 제조한 고무 나노복합체의 경우 층상 실리케이트와 SBR 혼합시에 특정의 온도, 전단속도와 전단응력 공급이 층간 간격을 확장하고 고무사슬에 활성화 에너지를 공급하여 삽입을 용이하게 하고 층상 실리케이트를 균일하게 분산시키는 역할을 하여 고무 배합물의 기계적 물성을 향상시킬 수 있음을 알수 있다.

또한 통상적인 고무 배합에서 배합재로 첨가된 나노복합체가 강화점으로 작용하여 동량 기존 보강재가 나타내는 물성보다 월등히 뛰어난 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 임계온도, 전단속도와 전단응력을 이용하여 제조된 층상 나노 실리케이트를 포함하는 고무 나노복합체는 통상의 소수성인 고무와 친수성인 층상 실리케이트를 용이하게 삽입/박리 구조로 유도하여 종래 충진재 보다 인장강도가 향상된 보강 효과를 나타내는 것으로, 본 발명에 의한 방법으로 얻어진 고무 나노복합체를 고무조성물을 포함하도록 하여 제조함으로써 고강도, 경량화, 고그립이 요구되는 고무 조성물을 효과적으로 제조할 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

고무 나노복합체의 제조에 있어서,

고무를 용융시키는 단계;

상기의 용융된 고무 100중량부에 대하여 층상 실리케이트 5~15중량부를 100~145℃에서 전단속도 50~200/sec, 전단응력 50~400J/kg으로 500~2500초 동안 혼합하는 단계;

상기의 층상 실리케이트와 고무의 혼합물을 60∼70℃에서 5~15분 동안 혼련하여 미가류 고무/층상 실리케이트 나노복합체를 얻는 단계; 및

상기 미가류 고무/층상 실리케이트 나노복합체를 가류하는 단계를 포함하는 층상 실리케이트를 포함하는 고무 나노복합체의 제조방법.
제1항에 있어서, 고무는 천연고무, 합성고무 중에서 선택된 어느 하나 이상임을 특징으로 하는 고무 나노복합체의 제조방법.
제1항에 있어서, 고무는 80~120℃에서 전단속도 40~200/sec, 전단응력 50~400J/kg으로 100~400초 동안 용융시킴을 특징으로 하는 고무 나노복합체의 제조방법.
제1항에 있어서, 층상 실리케이트는 층간 간격이 7∼12Å, 종횡비가 10∼ 1000인 천연 실리케이트 또는 합성 층상 실리케이트 임을 특징으로 하는 고무 나노복합체의 제조방법.
제1항에 있어서, 층상 실리케이트는 몬모릴로나이트(montmorillonite), 헥토라이트(hectorite), 플루오로헥토라이트(fluorohectorite), 사포나이트(saponite), 사우코나이트(sauconite), 버미큘라이트(vermiculite), 마가디이트(magadiite), 케냐아이트(kenyaite), cloisite Na, cloisite 15A 중에서 선택된 어느 하나 이상 임을 특징으로 하는 고무 나노복합체의 제조방법.
제1항에 있어서, 층상 실리케이트는 메틸아민 하이드로클로라이드, 프로필 아민, 부틸 아민, 옥틸 아민, 데실 아민, 도데실 아민, 헥사데실 아민, 옥타데실 아민, 6-아미노 헥사노익산, 12-아미노 도데카노익산, 테트라메틸 암모늄 클로라이드, N-메틸 옥타데실 아민, 옥타데실 트리메틸 암모늄 브로마이드, 도데실 트리메틸 암모늄 브로마이드, 디옥타데실 디메틸 암모늄 브로마이드, 비스(2-하이드록시에틸)메틸 옥타데실 암모늄 클로라이드, 1-헥사메틸렌 디아민, 1,12-도데칸 디아민 중에서 선택된 어느 하나 이상의 유기화제로 유기화된 층상 실리케이트 임을 특징으로 하는 고무 나노복합체의 제조방법.
제1항에 있어서, 합성고무는 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 폴리이소프렌 고무, 니트릴 고무, 실리콘 고무, 네오프렌 고무, 부틸 고무, 티오콜 (Thiokol), 우레탄 고무, 에틸렌-프로필렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔(EPDM) 고무, 에피클로로히드린 고무, 에피클로로히드린-에틸렌 옥사이드 고무, 클로로술포네이트화-폴리에틸렌(Hypalon) 고무, 폴리아크릴레이트 고무, 불소 고무 중에서 선택된 어느 하나 이상 임을 특징으로 하는 고무 나노복합체의 제조방법.
특허청구범위 제1항의 방법에 의해 얻을 수 있는 고무 나노복합체.
특허청구범위 제1항의 방법에 의해 얻은 고무 나노복합체를 포함하는 타이어용 고무조성물.
특허청구범위 제1항의 방법에 의해 얻은 고무 나노복합체를 포함하는 타이어.