KR100711239B1 - 표면 개질 실리케이트를 포함하는 타이어 트레드고무조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면 개질 실리케이트를 포함하는 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것으로서 보다 상세하게는 종래 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 표면이 개질된 실리케이트를 포함하도록 하여 고무의 물성을 증가시킬 수 있는 표면 개질 실리케이트를 포함하는 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
본 발명은 종래 타이어 트레드 고무조성물에 표면이 개질된 실리케이트를 포함하도록 하여 고무의 물성을 증가시킬 수 있는 타이어 트레드 고무조성물의 제공을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기의 타이어 트레드 고무조성물로 이루어진 고무를 포함하는 타이어의 제공을 다른 목적으로 한다.
본 발명은 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 원료고무 100중량부에 대하여 표면 개질된 실리케이트 5∼20중량부 포함하는 타이어 트레드 고무조성물을 나타낸다.

Description

표면 개질 실리케이트를 포함하는 타이어 트레드 고무조성물{Tire tread rubber composition including reformed surface of silicate}
본 발명은 표면 개질 실리케이트를 포함하는 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것으로서 보다 상세하게는 종래 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 표면이 개질된 실리케이트를 포함하도록 하여 고무의 물성을 증가시킬 수 있는 표면 개질 실리케이트를 포함하는 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
타이어 트레드 고무는 타이어가 지면과 직접 접촉하는 부위이기 때문에 지면과의 마찰에 의해 고무가 마모되고 온도가 높아지므로 여러 가지 특성 중에서 특히 마모특성, 발열특성 및 제동력이 중요하다.
이외에도 기타 타이어 트레드 고무조성물의 물성을 향상시키기 위해 다양한 첨가제를 적의 사용하고 있다. 즉, 통상적으로 사용하는 타이어용 고무조성물 이외에 특정한 물성을 보다 향상시키기 위해 첨가제를 적의 사용하고 있다.
타이어 트레드 고무조성물의 경우 종래 고무의 강도, 탄성, 내마모성, 내오존성 등을 개선하기 위해 통상적으로 사용하는 보강제인 카본블랙 및/또는 실리카 이외에 화이트카본, 탄산칼슘, 실리케이트 등의 무기 충진제를 더 첨가하여 사용하고 있다.
그러나 이러한 무기 충진제는 표면의 친수성 때문에 유기성질의 고무조성물과 친화성이 나쁘다. 그래서 디엔계 중합체 고무에 대한 무기 충진제의 분산성 및 접착성이 나쁘고 통상적으로 보강제로 사용하는 카본블랙에 비하여 보강성이 낮은 문제가 있다.
상기에서 언급한 문제를 해결하기 위한 안출된 본 발명은 종래 타이어 트레드 고무조성물에 표면이 개질된 실리케이트를 포함하도록 하여 고무의 물성을 증가시킬 수 있는 타이어 트레드 고무조성물의 제공을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기의 타이어 트레드 고무조성물로 이루어진 고무를 포함하는 타이어의 제공을 다른 목적으로 한다.
상기에서 언급한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 원료고무 100중량부에 대하여 표면 개질된 실리케이트 5∼20중량부 포함하는 타이어 트레드 고무조성물을 나타낸다.
본 발명에서 원료고무는 타이어 트레드 고무조성물의 원료고무로서 사용할 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다.
본 발명에서 원료고무의 일예로서 천연고무(NR)를 사용할 수 있다.
본 발명에서 원료고무의 일예로서 합성고무를 사용할 수 있다. 이러한 합성고무의 일예로서 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 부타디엔 고무(BR), 이소프렌고무(IR), 이소프렌을 함유하는 스티렌 부타디엔 고무(ISBR), 니트릴을 포함하는 스티렌 부타디엔 고무, 네오프렌 고무, 부틸고무, 할로부틸고무 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명에서 원료고무의 일예로서 천연고무와 합성고무가 1:9∼9:1의 비로 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.
본 발명에서 고무조성물의 물성을 향상시키기 위해 사용하는 표면 개질 실리케이트는 층간간격이 1.0∼10.0nm인 층상 실리케이트를 사용할 수 있다.
실리케이트의 표면 개질은 다음과 같은 방법에 의해 실시한다.
먼저 층상 실리케이트의 층간에 수화된 Na+를 제4급 암모늄염과 양이온 교환반응에 의해 개질된 층상 실리케이트를 얻은 후 플라즈마 처리하여 실리케이트의 표면을 개질시켜 표면 개질 실리케이트를 얻을 수 있다. 이때 제4급 암모늄염의 일예로서 비닐 벤질 트리 메틸암모튬 클로라이드를 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 표면 개질 실리케이트는 하기와 같응 방법에 의해 얻을 수 있다.
층상 실리케이트의 층간에 수화된 Na+를 제4급 암모늄염과 양이온 교환반응에 의해 개질된 층상 실리케이트를 반응기에 넣는다. 이때 반응기는 회전이 가능한 원통형 석영반응기에 평균 지름 0.25인치(inch)인 스테인리스관 3개를 넣는다. 3개의 스테인리스관은 진공펌프, 부타디엔 가수, 아르곤 가스에 연결된다. 진공펌프에 의해 반응기 내부의 압력을 1×10-3torr까지 감소시키고 이후 순도 99.99％의 아르곤가스를 40∼50mtorr로 투입시키고, 플라즈마 전력은 80∼100W으로 5∼30분 동안 플라즈마 처리를 한다. 아르곤가스의 플라즈마 처리는 4급 암모늄으로 개질된 층상 실리케이트의 표면을 정화시키고 동시에 실리케이트의 말단 수산화기(-OH)에 반응이 가능한 라디칼(radical)을 생성시키기 위해서이다. 플라즈마 처리가 끝나면 반응기 내부로의 아르곤 가스 유입을 정지시킨 후 반응기 내부의 압력을 1×10-3torr 조정한 다음 전구체 가스를 40∼50mtorr로 투입시키고, 플라즈마 전력은 5∼30W으로 5∼30분 동안 플라즈마 처리를 한다. 이때 균일한 플라즈마 처리를 하기를 위해서 반응기의 회전은 50rpm으로 한다.
상기에서 전구체 가스는 아르곤 플라즈마 처리에 의해 생성된 -OH 라디칼과 반응하고 또한 고무조성물의 친유기와 반응하는 전구체라면 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서 이러한 전구체의 일예로서 부타디엔을 사용할 수 있다.
본 발명에서 다양한 함량의 조건으로 표면 개질 실리케이트를 적용한바, 본 발명의 목적에 부합하는 타이어 트레드 고무조성물을 얻기 위해서는 원료고무 100중량부에 대하여 표면 개질 실리케이트는 5∼20중량부 포함되어지는 것이 좋다.
본 발명은 상기에서 언급한 원료고무 이외에 종래 타이어용 고무조성물에 사 용되는 보강충전제, 활성제, 노화방지제, 공정유, 가류제 및 가류촉진제와 같은 각종 첨가제를 필요에 따라 적의 선택하여 소정의 함량으로 사용할 수 있다. 그러나 이들은 종래 타이어용 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 비교예, 실시예, 시험예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명의 일실시예로서 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
<비교예 1>
하기의 표 1과 같이 천연고무(NR) 50중량부와 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 50중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여 카본블랙(N330) 75중량부, 아연화 4중량부, 스테아린산 2중량부, 노화방지제(N-(1,3-dimethylbutyl)-N-Phenyl-P-Phenylenediamine) 2중량부, 다이설파이드 5중량부를 밴버리 믹서에 넣고 140℃에서 30분 동안 혼합하여 고무배합물을 얻었다.
상기의 고무배합물에 가류제로서 황 2중량부, 가류촉진제(N-Cyclohexyl-2-benzothiazole Sulfenamide) 1.5중량부를 첨가하고 150℃에서 20분 동안 가류하여 고무를 제조하였다.
<비교예 2>
고무배합물을 얻을 때 실리케이트(A) 10중량부를 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법을 이용하여 고무를 제조하였다.
<비교예 3>
고무배합물을 얻을 때 실리케이트(B) 10중량부를 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법을 이용하여 고무를 제조하였다.
<실시예 1>
고무배합물을 얻을 때 실리케이트(C) 10중량부를 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법을 이용하여 고무를 제조하였다.
<실시예 2>
고무배합물을 얻을 때 실리케이트(D) 10중량부를 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법을 이용하여 고무를 제조하였다.
<실시예 3>
고무배합물을 얻을 때 실리케이트(E) 10중량부를 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법을 이용하여 고무를 제조하였다.
<실시예 4>
고무배합물을 얻을 때 실리케이트(F) 10중량부를 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법을 이용하여 고무를 제조하였다.
표 1. 비교예 및 실시예 고무의 조성
항목 비교예1 비교예2 비교예3 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4
원료고무 100 100 100 100 100 100 100
실리케이트(A) - 10 - - - - -
실리케이트(B) - - 10 - - - -
실리케이트(C) - - - 10 - - -
실리케이트(D) - - - - 10 - -
실리케이트(E) - - - - - 10 -
실리케이트(F) - - - - - - 10
카본블랙 75 75 75 75 75 75 75
아연화 4 4 4 4 4 4 4
스테아린산 2 2 2 2 2 2 2
노화방지제 2 2 2 2 2 2 2
다이설파이드 5 5 5 5 5 5 5
가류제 2 2 2 2 2 2 2
가류촉진제 3 3 3 3 3 3 3
*실리케이트 A : 층간 간격이 3.15nm인 몬모릴로나이트를 포함하는 층상 실리케이트
*실리케이트 B : 층간 간격이 3.15nm인 몬모릴로나이트를 포함하는 층상 실리케이트의 층간에 수화된 Na+를 제4급 암모늄염(비닐 벤질 트리 메틸암모튬 클로라이드)과 양이온 교환반응에 의해 개질된 층상 실리케이트
*실리케이트 C : 층간 간격이 3.15nm인 몬모릴로나이트를 포함하는 층상 실리케이트의 층간에 수화된 Na+를 제4급 암모늄염(비닐 벤질 트리 메틸암모튬 클로라이드)과 양이온 교환반응에 의해 개질된 층상 실리케이트를 반응기에 넣고 반응기의 압력을 1×10-3torr까지 감소시키고 이후 순도 99.99％의 아르곤가스를 45mtorr로 투입시키고, 플라즈마 전력은 100W으로 5분 동안 플라즈마 처리를 하고, 플라즈마 처리가 끝나면 반응기 내부로의 아르곤 가스 유입을 정지시킨 후 반응기 내부의 압력을 1×10-3torr 조정한 다음 부타디엔 가스를 45mtorr로 투입시키고, 플라즈마 전력은 5W으로 10분 동안 플라즈마 처리를 하였다. 이때 균일한 플라즈마 처리를 하기를 위해서 반응기의 회전은 50rpm으로 하였다.
*실리케이트 D : 실리케이트 C를 얻을 때 부타디엔 플라즈마 처리전력을 10W으로 하여 얻은 것.
*실리케이트 E : 실리케이트 C를 얻을 때 부타디엔 플라즈마 처리전력을 20W으로 하여 얻은 것.
*실리케이트 F : 실리케이트 C를 얻을 때 부타디엔 플라즈마 처리전력을 30W으로 하여 얻은 것.
<시험예>
상기 비교예 및 실시예에서 제조한 고무에 대해 무니점도(100℃), 스코치타임(t5), 경도(shore-A), 300％ 모듈러스, 인장강도, 신율, 마모, 발열, 컷앤칩, 동 적점탄성(tanδ(0℃)), 공기투과도와 같은 물성을 ASTM 관련 규정에 의해 측정하고 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.
표 2. 비교예 및 실시예 고무의 물성
항목 비교예1 비교예2 비교예3 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4
무니점도(100℃) 50 50 51 51 51 52 51
스코치타임(t5) 25.6 25.9 25.4 25.8 25.7 25.2 24.3
경도(Shore-A) 58 59 57 59 61 62 62
300％ 모듈러스(kg/cm2) 120 121 123 128 138 132 132
인장강도(kg/cm2) 189 191 192 198 209 206 205
신율(％) 448 436 444 449 450 451 450
마모(mg) 0.279 0.285 0.279 0.251 0.218 0.226 0.231
컷앤칩(g) 2.456 2.601 2.468 2.311 2.201 2.222 2.231
발열특성 28 28 28 29 29 28 28
tanδ(0℃) 0.124 0.122 0.124 0.126 0.134 0.132 0.131
공기투과도 (E-17m4/sec*N) 6.93 6.92 6.88 6.54 6.14 6.26 6.42
*동적 점탄성(tanδ): 레오바이브론 테스트(Rheovibron test)를 이용하여 11Hz, 1.25% 스트레인(Strain)조건으로 온도를 변화시키면서 측정한 후 그 값을 나타낸 것이다. 여기서 tanδ(0℃)수치는 클수록 젖은 노면에서의 제동성능이 우수함을 의미한다.
*마모: 피코(PICO) 시험기기를 이용하여 내마모정도를 평가한 것으로 80회전 후 손실된 분량을 나타낸다. 수치가 적을수록 마모특성이 우수함을 나타낸다.
상기의 표 2에서처럼 본 발명의 고무조성물에 의해 제조한 실시예 고무는 종래 고무조성물에 의해 제조한 비교예의 고무에 비해 점도, 경도, 300%모듈러스, 인 장강도, 신율, 마모, 컷앤칩 특성이 개선됨을 알 수 있다. 특히 신율과 점도, 스코치 타임 즉, 공정 조건에 큰 영향을 주지 않으면서 인장강도, 마모, 발열특성, 제동성능, 공기 투과도가 많은 향상을 보였다. 실시예 2의 경우 그 특성이 가장 우수해짐을 알 수 있다. 이것은 부타디엔 플라스마 처리에 의해 나노 층상 실리케이트가 고무조성물에 균일하게 분산되었고, 그 접착력 역시 증가되었음을 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 (2)

  1. 타이어 트레드 고무조성물에 있어서,
    원료고무 100중량부에 대하여 층상 실리케이트의 층간에 수화된 Na+를 제4급 암모늄염과 양이온 교환반응에 의해 개질된 층상 실리케이트를 반응기에 넣고, 반응기 내부의 압력을 1×10-3torr까지 감소시키고 이후 순도 99.99％의 아르곤가스를 40∼50mtorr로 투입시키고 80∼100W으로 5∼30분 동안 플라즈마 처리를 한 후 반응기 내부로의 아르곤 가스 유입을 정지시킨 후, 반응기 내부의 압력을 1×10-3torr 조정한 다음 부타디엔 가스를 40∼50mtorr로 투입시키고, 5∼30W으로 5∼30분 동안 플라즈마 처리를 하여 얻은 표면 개질된 실리케이트 5∼20중량부 포함하는 타이어 트레드 고무조성물.
  2. 삭제
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