KR100724282B1 - 타이어 트레드용 고무 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천연고무와 부타디엔고무로 이루어진 원료고무에 실리카를 보강제로 첨가함에 따른 분산성 저하나 환경오염 물질인 VOC 방출(Hydrocarbon emission) 문제를 해결하기 위해 나노클레이 및 Low VOC(volatile organic content) 실란을 사용하여 타이어의 회전저항 및 마모성능을 개선한 타이어 트레용 고무 조성물에 관한 것이다.

나노클레이*타이어*트레드*마모성능*

Description

타이어 트레드용 고무 조성물{Rubber composition for tire tread}

도 1은 고분자로 표면처리된 나노클레이를 나타낸 것이고,

도 2는 고분자로 표면처리된 나노클레이가 고무 조성물과의 컴파운딩시에 분산되는 과정을 나타낸 것이다.

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보강제로서 실리카 및 카본블랙을 함유하는 고무 조성물에 나노클레이와 Low VOC(volatile organic content) 실란을 사용하여 마모 성능 및 회전저항 성능이 개선된 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.

최근 타이어 산업의 발전 경향을 보면 저연비 및 환경친화적인 제품을 생산하기 위해 기술력을 확대해 오고 있다. 최초의 관심은 보강제로 가장 널리 사용되어 온 카본블랙과 폴리머와의 상호 작용력을 향상시키기 위한 노력에 있었다.

그런데, 카본블랙의 특성상 그 한계점이 있어 이에 대한 해결책으로 카본블랙을 실리카로 대체하고자 하였다. 그러나, 실리카는 극성이 강하여 비극성인 고무와의 혼화성이 용이하지 않았다. 이를 해결하기 위해 커플링제를 도입함으로써 실 리카와 폴리머의 상호작용력을 향상시킬 수 있었으며, 그에 따라 실리카를 응용한 타이어 기술은 비약적으로 발전하기 시작하였다.

두 개의 작용기를 가지는 커플링제는 고분자의 보강제로 쓰이는 무기 필러와의 상호작용을 화학적 결합으로 만들어 무기필러의 보강성을 향상시키는 작용을 하는 것으로 알려져 있다. 초기에는 레진의 보강제인 유리섬유의 보강성을 향상시키는 작용을 하였지만, 최근에는 그 용도가 확대되어 무기물의 표면처리, 활성물질의 고착화, 실리카를 보강제로 사용하는 타이어의 제조 등으로 확대되고 있는 추세이다.

현재 상업적으로 가장 일반적으로 사용되고 있는 실란 커플링제인 TESPT나 TESPD 또한 사용상의 문제점을 가지고 있다. 예를 들면, 실란 커플링제 내의 폴리설파이드가 가황공정이 아닌 혼합하는 과정 중에 스코칭 및 VOC 방출(Hydrocarbon emission) 문제로, 최근 대두되고 있는 환경문제로 인해 북미 및 유럽 지역에서 제약을 받고 있다.

특히, FORD 자동차에서 미국환경청(US-EPA), 연방규정(CFR), CARB(California Air Resources Board)의 규정에 의거 자동차로부터 배출되는 총 탄화수소(Total hydrocarbon)량을 규제하는데 그 규제치가 500mg/day@12menths 이며, 타이어로부터 방출되는 양을 연구 결과들로부터 약 15% 전후로 추정하여 규제치로 40mg/day@52weks로 설정하였다.

이에, 본 발명에서는 상기와 같은 실란커플링제 사용에 따른 문제들을 해결하기 위한 것으로서 실리콘의 말단에 환형 디 알콕시 그룹과 에톡시 그룹이 치환된 실란 화합물을 실리콘 커플링제로 사용하고, 나노클레이를 사용함으로써 마모성능, 젖은 노면에서의 제동 성능 및 회전저항 성능을 향상시키게 되었다.

따라서 본 발명의 목적은 타이어의 마모성능, 젖은 노면 제동성능 및 회전저항 성능이 향상된 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 천연고무와 부타디엔고무로 이루어진 원료고무, 카본 블랙 및 실리카를 보강제로, 실란 커플링제 및 기타 첨가제를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서,

실란커링제로 다음 화학식 1로 표시되는 모노머 형태의 화합물을 사용하고, 여기에 나노클레이를 더 포함하는 데 그 특징이 있다.

본 발명의 원료고무는 천연고무와 디엔 고무로 이루어진 것으로서, 구체적으 로는 천연구무 40 내지 60중량부와 부타디엔고무 60 내지 40중량부로 이루어진 것이다.

또한, 본 발명에서는 보강제로서 카본 블랙 또는 실리카와 같은 통상적인 보강제를 혼합 사용할 수 있으며, 그 함량은 상기 원료고무 100중량부에 대하여 20 내지 30중량부로 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기 화학식 1과 같이 3-옥타노일티오-1-프로필트리에톡시실란의 실리콘 말단에 환형 디 알콕시 그룹(cyclic di-alkoxy group)과 에톡시 그룹(ethoxy group)이 치환된 모노머 형태(monomer)의 low VOC 실란 커플링제를 사용한다. 상기 화학식 1로 표시되는 실란 커플링제는 유기알콕시실란(organoalkoxysilane)>75%, 에탄올(ethanol)<0.5%, 관련 실란기(related silianes)<25%로 이루어진 것이다.

본 발명의 실란 커플링제를 사용함으로써 종래 실란 커플링제인 TESPT(3-triethoxysilyl propyltetrasulfide)의 사용시보다 스코칭 안정성이 향상될 뿐만 아니라, 구조적으로는 하나의 에톡시 그룹을 포함하기 때문에 VOC(volatile organic content) 배출량이 적을 뿐 아니라 고무와의 반응성이 강한 모노설파이드 결합을 유도하여 물성의 향상 및 실리카 분산에 유리한 결과를 나타낸다.

상기 화학식 1로 표시되는 실란 커플링제는 상기 실리카 함량에 대하여 1 내지 3중량부로 사용되는 것이 고무 혼합물의 신장율 및 마모 성능면에서 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 염기성 보강제인 나노클레이를 더 포함하는 바, 구체적 으로는 서던클레이사의 MMT25A를 사용한다. 이러한 나노클레이는 기존의 클레이를 판상 구조로 잘게 쪼갠 뒤 고분자로 표면처리를 하여, 각각의 나노클레이가 실리카와 대체 투입되었을 때 입자간 결합력을 떨어뜨리고, 컴파운딩 시에 고무상에 깨져서 분산성 향상에 도움이 된다. (도 1,2 참조)

본 발명에서는 상기 원료고무 100중량부에 대하여 나노클레이를 2 내지 4중량부로 사용하는 것이 바람직하다.

상기한 조성 이외에도, 통상의 타이어 트레드용 고무 조성물에 포함되는 가황제, 가류촉진제, 가류활성제와 같은 기타첨가제를 첨가할 수 있음은 물론이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하는 바, 본 발명이 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2>

다음 표 1에 나타낸 바와 같은 배합비와 같이 원료고무, 실리카, 실란커플링제, 카본블랙, 가류활성제인 산화아연과 스테아린산, 나노클레이, 가황제 및 가류촉진제 첨가하여 밴버리 믹서에서 배합한 후 160℃에서 방출시켰다. 이와 같이 얻어진 고무 제품에 대한 물성을 평가하여 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

고무 제품의 인장강도는 인스트롱을 이용하여 측정하였으며, 점탄성 거동은 DMTS를 이용하여 평가였으며, Temperature Sweep을 실시하였다. 시험 조건은 0.5% strain, 10 Hz하에서 Tension 및 Torsion Type을 실시하였다. 또한, 마모 성능은 JIS K-6264 시험법에 따라 측정하였다.

상기 표 1의 결과로부터, 종래 실란 커플링제인 TESPT 대비 본 발명의 Low VOC 실란 커플링제를 사용한 경우 실리카 분산이 높아지면서 HD, Modulus 저하를 보강하기 위해 황의 함량을 0.2 중량부 높였을 때(비교예 2) 제동성능은 우수하나 회전저항 및 마모면에서는 동동 수준이었다. 그러나, 여기에 나노클레이를 2~4중량부 소량 첨가한 본 발명의 실시예 1 내지 2는 마모성능 및 회전저항 성능면에서 우수한 결과를 나타내었다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 통상의 트레드용 고무조성물에 Low VOC 실란 커플링제와 나노클레이를 사용함으로써 실리카의 분산성이 향삼됨과 동시에, 마모 성능, 젖은 노면에서의 제동 성능 및 회전 저항 성능이 우수하다.

Claims (3)

1. 천연고무와 부타디엔고무로 이루어진 원료고무, 카본 블랙 및 실리카를 보강제로, 실란 커플링제 및 기타 첨가제를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서,

   상기 실란커링제는 다음 화학식 1로 표시되는 모노머 형태의 화합물이고, 여기에 나노클레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.

   화학식 1

   
2. 제 1항에 있어서, 상기 실란커플링제는 상기 실리카 중량에 대하여 1 내지 3 중량부로 포함되며, 상기 나노클레이는 상기 원료고무 100중량부에 대하여 2~4중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 나노클레이는 고분자로 표면처리된 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.

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