KR100656551B1 - 나노 탄산칼슘이 함유된 트레드 고무조성물 - Google Patents

나노 탄산칼슘이 함유된 트레드 고무조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노 탄산칼슘이 함유된 트레드 고무조성물에 관한 것으로서 보다 상세하게는 나노 탄산칼슘 표면을 지방산(脂肪酸) 또는 수지산(樹脂酸)으로 처리한 나노 탄산칼슘(calcium carbonate, CaCO3)을 포함하여 내마모특성 및 회전저항 특성을 향상시킨 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
본 발명은 종래 트레드 고무조성물에 충진제로서 평균입자경이 나노크기인 탄산칼슘의 표면을 지방산 또는 수지산으로 처리한 탄산칼슘을 첨가함으로써 내마모특성 및 회전저항 특성을 향상시킬 수 있는 트레드 고무조성물의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 트레드 고무조성물은 종래 트레드 고무조성물에 있어서, 원료고무 100phr에 대하여 표면이 지방산 또는 수지산으로 처리되고, 평균입경이 10∼50nm 이고, 비표면적이 10∼50m2/g인 나노 탄산칼슘 3∼30phr 포함할 수 있다.

Description

나노 탄산칼슘이 함유된 트레드 고무조성물 {Tread rubber composition including nano calcium carbonate}
본 발명은 나노 탄산칼슘이 함유된 트레드 고무조성물에 관한 것으로서 보다 상세하게는 나노 탄산칼슘 표면을 지방산(脂肪酸) 또는 수지산(樹脂酸)으로 처리한 나노 탄산칼슘(calcium carbonate, CaCO3)을 포함하여 내마모특성 및 회전저항 특성을 향상시킨 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
종래 타이어 산업은 타이어 트레드의 연비저하와 낮은 회전저항 및 환경 친화적인 제품을 생산하기 위하여 트레드 고무조성물 내에 셀룰로오스와 같은 섬유질을 함유한 분체 가공품을 첨가하거나 보강제로 카본블랙을 사용하여 물성을 높이는 방법 등으로 발전해 왔다.
그러나 트레드 고무조성물에 포함된 셀룰로오스 분체가 고무성분과 화학적 결합을 형성하기 못하여 트레드 표면에서 석출되거나 보강성이 큰 카본블랙만을 첨가하는 경우 차량 주행 중 고무발열을 증가시켜 타이어 내구성을 저하시킬 뿐만 아 니라 타이어 제조 중에 고온을 발생시켜 고무의 점착성을 감소시키는 문제가 있다.
한편 이러한 문제를 해결하기 위해 고무조성물중에 충진제로서 카본블랙 대신 실리카를 적용하고 있다. 충진제로서 실리카를 적용하는 경우 회전저항 성능과 젖은 노면에서의 제동성능이 향상되지만 반면 실리카는 실리카 표면의 실라놀기가 고무와의 반응성이 낮을 뿐만 아니라 실리카는 응집성이 강하여 분산성이 낮고, 타이어의 내마모성이 저하되는 문제가 발생되고 있다. 따라서 보강충진제로 실리카를 사용하는 경우 고분산성 실리카를 첨가하거나 실리카와 고무성분과의 결합력 향상을 위해 실란커플링제나 아민류를 첨가하여 실리카의 분산성을 개선하여 내마모성을 향상시키는 연구가 이루어지고 있다. 그러나 이러한 경우 비용이 많이 소요되어 타이어의 생산비용이 증가되므로 최종 제품의 가격 경쟁력이 약해지는 문제가 있다.
본 발명은 상기에서 언급한 문제를 해결하기 위해 연구하던 중 평균입자경이 나노크기인 탄산칼슘의 표면을 지방산(脂肪酸) 또는 수지산(樹脂酸)으로 처리하면 분산성을 향상시킨 탄산칼슘을 얻을 수 있고, 이 탄산칼슘을 충진제로서 트레드 고무조성물에 첨가하면 내마모특성 및 회전저항 특성을 향상시킬 수 있는 트레드 고무조성물을 얻을 수 있음을 알게 되었다.
따라서 본 발명은 종래 트레드 고무조성물에 충진제로서 평균입자경이 나노크기인 탄산칼슘의 표면을 지방산 또는 수지산으로 처리하여 분산성을 향상시킨 탄 산칼슘을 첨가함으로써 내마모특성 및 회전저항 특성을 향상시킬 수 있는 트레드 고무조성물의 제공을 목적으로 한다.
한편 본 발명은 상기의 트레드 고무조성물로 이루어진 고무를 포함하여 내마모특성 및 회전저항 특성이 향상된 타이어의 제공을 또 다른 목적으로 한다.
상기에서 언급한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 트레드 고무조성물은 종래 트레드 고무조성물에 있어서, 원료고무 100phr에 대하여 표면을 지방산(脂肪酸) 또는 수지산(樹脂酸)으로 처리한 나노 탄산칼슘 3∼30phr 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 동일한 비로 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다. 또한 상기의 천연고무와 합성고무가 1:9∼9:1의 비로 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.
본 발명에서 필수 구성성분이며 충진제로 사용하는 나노 탄산칼슘은 표면을 지방산(脂肪酸) 또는 수지산(樹脂酸)으로 처리하여 탄산칼슘의 분산성을 향상시켜 내마모특성 및 회전저항 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 나노 탄산칼슘을 원료고무 100phr에 대하여 3phr 미만 사용하면 충진제로서의 역할이 미미하고, 30ph 초과하여 사용하면 충진제로서 뚜렷한 효과의 상승이 없이 과량의 탄산칼슘의 사용으로 인해 도리어 고무의 물성이 하락할 우려가 있다. 따라서 본 발명에서 표면을 지방산 또는 수지산으로 처리한 나노 탄산칼슘은 원료고무 100phr에 대하여 3∼30ph 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 나노 탄산칼슘은 평균입경이 10∼50nm인 것을 사용할 수 있다. 본 발명에서 탄산칼슘의 평균입경이 10mm 미만인 것을 사용하면 탄산칼슘의 분산성이 향상되지 못하고, 50nm 초과한 것을 사용하면 탄산칼슘의 분산성 향상에 대해 뚜렷한 효과의 상승이 없다. 따라서 본 발명에서 나노크기의 탄산칼슘은 평균입경이 10∼50nm인 것을 사용하는 것이 좋다.
또한 본 발명에서 전술한 평균입경의 탄산칼슘은 비표면적이 10∼50m2/g인 것을 사용할 수 있다. 본 발명에서 비표면적이 10m2/g 미만인 것을 사용하면 충진제로서의 역할이 미미하고, 50m2/g 초과한 것을 사용하면 충진제로서의 뚜렷한 효과의 상승이 없다. 따라서 본 발명에서 나노크기의 탄산칼슘은 평균입경이 10∼50nm 이고, 비표면적이 10∼50m2/g인 것을 사용하는 것이 좋다.
본 발명은 평균입경이 10∼50nm 이고, 비표면적이 10∼50m2/g인 탄산칼슘은 네오아비에트산, 레포피마르산, 히드로아비에트산, 피마르산, 덱스톤산 중에서 선택된 어느 하나 이상의 수지산(樹脂酸)으로 처리하거나 또는 미트산, 스테아르산 중에서 선택된 어느 하나 이상의 지방산(脂肪酸)으로 표면을 처리하여 탄산칼슘의 분산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기에서 언급한 원료고무, 탄산칼슘 이외에 종래 타이어 트레드 고무조성물에 사용되는 충진제, 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 타이어 트레드 고무조성물로 이루어진 고무를 함유하는 타이어를 포함한다. 이때 타이어는 자동차용 타이어, 트럭용 타이어, 버스용 타이어 중에서 선택된 어느 하나를 포함한다.
이하 본 발명을 다음의 실시예, 비교예, 시험예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명의 일실시예로서 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
원료고무로서 아로마틱 오일이 37.5phr 첨가된 유화중합 스티렌 부타디엔 고무(E-SBR) 70phr 및 유화중합 스티렌 부타디엔 고무(E-SBR) 49hr을 반버리 믹서에 넣고 15초 동안 혼합하였다.
그런 다음 카본블랙 70phr, 나노 탄산칼슘 5phr, 스테아린산 2phr, 오일 15phr, 노화방지제 4phr, 왁스 2phr, 아연화 3phr를 반버리 믹서에 넣어 혼합하고 150℃에서 20분 동안 반응시킨 후 방출하여 고무배합물을 얻었다.
이 고무배합물에 가류제(유황) 2.0phr 및 가류촉진제(CZ) 2.1phr을 반버리 믹서에 넣고 110℃에서 10분 동안 가류시켜 고무시편을 제조하였다.
상기에서 나노 탄산칼슘은 평균입경이 20∼30nm, 비표면적이 30∼40m2/g이고, 지방산의 일종인 스테아린산으로 표면처리한 것을 사용하였다.
<실시예 2>
나노 탄산칼슘 10phr 사용하는 것을 제외하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조성 및 방법으로 고무시편을 제조하였다.
<실시예 3>
수지산의 일종인 피마르산으로 표면 처리한 나노 탄산칼슘 5phr 사용하는 것을 제외하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조성 및 방법으로 고무시편을 제조하였다.
<실시예 4>
수지산의 일종인 피마르산으로 표면 처리한 나노 탄산칼슘 10phr 사용하는 것을 제외하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조성 및 방법으로 고무시편을 제조하였다.
<비교예>
나노 탄산칼슘을 사용하지 않는 것을 제외하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조성 및 방법으로 고무시편을 제조하였다.
표 1. 실시예 및 비교예의 조성성분
항목 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예
E-SBR* 70 70 70 70 70
E-SBR 49 49 49 49 49
카본블랙 70 70 70 70 70
오일 15 15 15 15 15
스테아린산 2 2 2 2 2
노화방지제 4 4 4 4 4
아연화 3 3 3 3 3
왁스 2 2 2 2 2
나노 탄산칼슘 5** 10** 5*** 10*** -
가류제 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1
가류촉진제 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0
* 아로마틱 오일이 함유된 유화중합 스티렌 부타디엔 고무
** 지방산으로 표면 처리된 나노 탄산칼슘
*** 수지산으로 표면 처리된 나노 탄산칼슘
<시험예>
상기 실시예 및 비교예 고무시편에 대하여 ASTM 관련 규정에 의해 각각의 고무시편의 무니점도, 스코치시간, 300%모듈러스, 인장강도, 신장율, 경도, 딘(DIN) 마모, 피코(PICO) 마모, tanδ(70℃)와 같은 물성을 측정하고 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.
표 2. 실시예 및 비교예 고무시편의 물성
항목 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예
무니점도(125℃) 77 84 88 83 85
스코치 시간(분) 35.8 42.3 45.32 40.1 43.0
300%모듈러스(kg/cm2) 138 114 106 125 109
인장강도 266 259 240 260 255
신장율(%) 517 560 571 557 591
경도(Shore A) 70 71 72 71 72
DIN 마모(g) 0.11 0.09 0.05 0.07 0.04
PICO 마모(mg) 16 8 2 7 4
tanδ(70℃) 0.151 0.145 0.135 0.140 0.129
상기 표 2의 시험예의 결과에서처럼 표면을 지방산(脂肪酸) 또는 수지산(樹脂酸)으로 처리한 나노 탄산칼슘을 충진제로 하는 고무조성물로 이루어진 고무는 탄산칼슘을 사용하지 않은 종래 고무조성물로 이루어진 고무에 비해 동등 수준 이상의 물성을 유지하는 한편 내마모특성과 회전저항 특성이 향상됨을 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 (3)

  1. 트레드 고무조성물에 있어서,
    원료고무 100phr에 대하여 평균입경이 10∼50nm이고, 비표면적이 10∼50m2/g이고, 표면을 네오아비에트산, 레포피마르산, 히드로아비에트산, 피마르산, 덱스톤산 중에서 선택된 어느 하나 이상의 수지산(樹脂酸)으로 처리한 나노 탄산칼슘 3∼30phr 포함하는 것을 특징으로 하는 트레드 고무조성물.
  2. 삭제
  3. 특허청구범위 제1항의 고무조성물로 이루어진 고무를 포함하는 타이어.
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