KR100782975B1

KR100782975B1 - 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물

Info

Publication number: KR100782975B1
Application number: KR1020060130577A
Authority: KR
Inventors: 송영진; 강정필
Original assignee: 한국타이어 주식회사
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2007-12-07

Abstract

본 발명은 승용차용 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것으로 유화 중합 스타이렌 부타디엔 3 (E-SBR 3) 고무 75~95 중량%, 부타디엔 고무(BR) 5~25 중량%로 이루어진 원료고무 100 중량부에 대해, 보강성 충진제로 카본블랙 60 ~ 90 중량부, 연화제 15 ~ 40 중량부 포함하는 것을 특징으로 하며, 내마모성, 연비 성능은 저하시키지 않으면서 제동특성 및 hangdling 성능은 우수한 효과가 있다.

내마모성능*연비성능*제동성능*트레드*고무조성물

Description

승용차용 타이어 트레드 고무 조성물{Rubber composition for tire tread for an automobile}

본 발명은 승용차용 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로 보다 상세하게는 Handling 성능, 마모 성능, 연비 성능 및 제동 성능을 향상시킨 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물에 관한 것이다.

승용차의 고성능화로 인해 소비자들은 타이어의 고성능화를 요구하고 있다. 특히 안정성과 저연비성 뿐만 아니라 모든 성능을 동시에 겸비하고 있는 타이어에 대한 요구로 새로운 신 개념 소재의 응용을 적극적으로 검토하고 있다. 이러한 타이어의 안정성과 저연비성을 동시에 겸비한 타이어 기술은 특히 재료분야에서 상당한 진보를 가져왔다. 예를 들면, 기존의 스타이렌-부타디엔 공중합 고무의 미세구조를 조정하는 기술이 상용화됨에 따라 안정성과 연비 성능을 동시에 높이는 기술에 진일보를 가져왔다.

일반적으로 Tg(유리전이 온도)가 낮은 고무를 사용하게 되면 타이어의 마모 성능 및 연비 성능을 향상시킬 수 있다고 알려져 있다. 그러나 안정성(제동 성능) 은 오히려 저하된다고 알려져 있다. 이러한 타이어의 안정성 저하를 보완하기 위해서 첫번째 보강성 충진제 사용량을 늘리게 되면 제동 성능은 향상되지만 연비 성능이 불리하게 되며, 둘째 스타이렌 부타디엔 고무의 미세구조 조정 즉 스타이렌 함량 및 비닐 함량을 늘이게 되면 제동 성능은 향상되지만 마모 성능이 불리하게 된다. 이렇게 타이어의 각 성능들은 한 가지 성능을 향상시키면 다른 한 가지 성능은 저하되는 현상을 보이기 때문에 한 가지 성능을 향상시키면서 다른 한 가지 성능 저하를 최소화 시키거나 나아가 동시에 두 가지 성능을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 바로 또 한 번의 진보에 중요한 관건이 될 것이다.

한편, 최근 유럽지역에서는 환경규제 관련하여 친환경적인 물질 사용에 대한 요구가 증대 되고 있다. 승용차용 타이어의 트레드 고무조성물의 첨가제 중 연화제는 여러 종류가 있으나, 일반적으로 방향족 오일(Aromatic Oil)이 정련 및 압출 공정에서 가공성 향상 및 최적의 물성을 구현하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 최근 환경의식 고조와 함께 방향족 오일 안에 폴리사이클릭 아로마틱 하이드로 카본 함량(PAH:polycyclic aromatic hydrocarbon)이 3.0 중량% 이상일 때는 암 유발 가능성이 높은 것으로 알려진바 유럽 고무협회 (BRIC) 에서 이 결과를 수용하여 대책 마련에 나섰으며, EU에서도 구체적인 사용 규제 방안을 마련하여, Benzo(a)pyrene(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon의 일종) 함량이 1mg/kg and 8개 주요 PAH 물질 전체량이 10 mg/kg 보다 많거나, Polycyclic Aromatic 함량이 3.0 중량% 이상일 때는 판매를 금지하는 제도를 2010년 1월 1일 이후부터 시행하는 것을 법규화 함으로써 모든 타이어 Maker는 이를 시급히 해결해야 할 문제로 여기고 있다.

전술한 바와 같이 시장은 타이어의 고성능화와 친환경 재료 사용을 동시에 요구하고 있어 친환경 재료의 발굴과 이를 이용한 타이어 성능 향상에 관한 기술이 최근 업계의 화두로 떠오르고 있다.

이러한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 원료고무로서 카본블랙과 혼화성이 우수하면서 가공성이 유리한 유화중합 스타이렌 부타이덴 고무를 사용하고 최적의 카본 블랙 함량을 찾아내어 내마모성, 연비 성능은 저하시키지 않으면서 제동특성 및 hangdling 성능은 우수한 승용차용 타이어 트레드 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 타이어 트레드 고무 조성물은 공지의 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 원료고무 100 중량부 중에서 카본블랙과 혼화성이 우수하면서 가공성이 유리한 유화 중합 스타이렌 부타디엔 고무(E-SBR 3) 75~95 중량부에 내 마모성능이 우수한 부타디엔 고무(BR) 5~25 중량부, 카본블랙 60 - 90 중량부 및 연화제 15~40 중량부 혼용함으로써 조정안정 성능, 연비 성능, 마모 성능 향상 및 제동 성능까지 동시에 향상 시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서는 고순도, 저온특성 및 연비 성능이 우수하면서 유해물질 함량이 최소화된 친환경적인 오일(PAH 함량이 3.0 중량% 미만)을 연화제로 사용함으로써 환경 친화적인 것을 특징으로 한다.

상기 유화 중합 스타이렌-부타디엔 고무 3 (E-SBR 3) 내의 스타이렌 함량이 27% 초과일 경우 연비 성능, 마모 성능 및 가공성이 불리하고, 분자량이 700,000 미만이면 제동 성능, 마모 성능 및 Handling 성능 등이 불리해진다. 또, 유리전이온도가 -53℃ 초과이면 마모 성능, 제동 성능, Handling & Ride 성능등 최적 성능 구현이 어려우므로 유리전이온도와 분자량은 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.

또한, 카본 블랙 함량이 60 중량부 미만이면 Handling 성능, 내마모 성능 및 제동 성능이 불리해지고 90 중량부 초과이면 연비 성능이 불리해진다.

연화제가 상기의 범위를 벗어나면 가공성 등이 불리해지므로 카본 블랙 및 연화제는 상기의 범위를 만족 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기 조성 이외에도, 통상의 타이어 트레드 고무조성물에 첨가되는 노화방지제, 가황제, 가류촉진제 등의 첨가제를 첨가할 수 있음은 물론이다.

이하에 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 본 발명은 실시예에 의해 제한 되는 것은 아니다.

<실시예 및 비교예>

비교예 및 실시예의 고무 조성물

항목	비교예1	비교예2	비교예3	비교예4	비교예5	비교예6	실시예1	실시예2	실시예3
E-SBR 1^*	119.63
E-SBR 2^*		119.63
E-SBR 3^*			119.63	137.5	110	110	116.88	119.63	123.75
BR	13	13	13		20	20	15	13	10
카본블랙-A⁽¹⁾	78	78
카본블랙-A⁽²⁾			78	80	58	75	85	83	83
Oil-A⁽³⁾	3.5
Oil-B⁽⁴⁾		3.5		3.5	3.5	8	3.5	4.0	4.0
내마모성	100	101	103	101	97	105	106	107	108
연비특성	100	102	104	106	113	105	107	108	110
제동특성	100	98	102	104	95	105	106	107	108
Handling 성능	5.5	5.75	6.0	6.25	5.0	6.0	6.25+	6.5	6.75
(주) (1) 카본블랙 A : 질소흡착 비표면적이 125~145 ㎡/g, DBP 흡유량이 115~135, TINT값이 110~130, ASD(aggregate size distribution)가 44~54인 것임. (2) 카본블랙 B : 질소흡착 비표면적이 135~155 ㎡/g, DBP 흡유량이 125~145 cc/100g, TINT값이 125~145, ASD가 21~31인 것임. (3) Oil-A(aromatic oil) : PAH 함량 3.0 중량% 이상, 동점도 90, 아로마틱계 성분 40 중량%, 나프텐계 성분 35중량% 및 파라핀계 성분 25중량% 함유된 것이다. (4) Oil-B(TDAE oil) : PAH 함량 3.0 중량% 미만, 동점도 95, 아로마틱계 성분 20 중량%, 나프텐계 성분 32중량% 및 파라핀계 성분 48중량% 함유된 것이다. * 상기의 E-SBR 137.5 PHR 중 오일은 37.5 PHR이 함유됨.

* 노화방지제 : 4.5 중량부, 산화아연 : 2.8 중량부, 스테아린산 : 1.7 중량부, 유황 : 2.3 중량부, 가류촉진제 : 2.0 중량부는 모든 비교예 및 실시예에 공통으로 사용하였음

표 1에 명시되어 있는 고무 조성물의 성능은 다음과 같은 방법으로 비교하였다.

1) 내 마모성 지수 : 람본 마모 시험기로 시험, 지수가 클수록 내 마모성이 양호

2) 제동성능 및 연비 특성 : Rheometrics Dynamic Spectrometer로 측정 (0.5% strain, 10 Hz, Temp. sweep에 의하여 0℃ tanδ 및 60℃ tanδ를 측정) 지수 값이 클수록 제동 성능 및 연비 성능 양호

3) Handling 특성 : 발명에 제시된 고무 조성물을 타이어 트레드부에 적용하여 시험 타이어를 준비하고, 준비된 시험 타이어를 차량에 직접 장착하여 여러 가지 조종성 및 안정성을 평가한 결과로 수치가 높을수록 양호(규격 : 195/65R15T).

[비교예 1]

표 1과 같이 유화중합 스타이렌 부타디엔 1 (E-SBR 1) 고무 119.63 중량부 및 부타디엔 고무 (BR) 13 중량부에 대하여 카본블랙-A 78 중량부 이외에, 노화방지제 4.5 중량부, 산화아연 2.8 중량부, 스테아린산 1.7 중량부, 유황 2.3 중량부, 가류촉진제 2.0 중량부 및 oil A(PAH 함량 3.0 중량% 이상, 동점도 90, 아로마틱계 성분 40 중량%, 나프텐계 성분 35% 및 파라핀계 성분 25 중량% 함유) 3.5 중량부의 배합비로 배합하여 고무 조성물을 제조하여 이를 160℃ 에서 가류시켜 고무 시편을 제조하였다.

[비교예 2]

유화중합 스타이렌 부타디엔 2 (E-SBR 2) 고무 119.63 중량부에 대하여 oil B (PAH 함량 3.0 중량% 미만, 동점도 95, 아로마틱계 성분 20 중량%, 나프텐계 성분 32% 및 파라핀계 성분 48 중량% 함유) 3.5 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

[비교예 3]

유화중합 스타이렌 부타디엔 3 (E-SBR 3) 고무 119.63 중량부에 대하여 카본블랙-B 78 및 oil을 사용하지 않는 것을 제외하고는 비교예 2와 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

[비교예 4]

유화중합 스타이렌 부타디엔 3 (E-SBR 3) 고무 137.5 중량부에 대하여 카본블랙-B 80 중량부 사용하는 것을 제외하고는 비교예 2와 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

[비교예 5]

유화중합 스타이렌 부타디엔 3 (E-SBR 3) 고무 110 중량부, 부타디엔 고무 20 중량부에 대하여 카본블랙-B 58 중량부 사용하는 것을 제외하고는 비교예 4와 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

[비교예 6]

카본블랙-B 75 중량부 및 Oil-B 8 중량부 사용하는 것을 제외하고는 비교예 5와 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

[실시예 1]

유화중합 스타이렌 부타디엔 3 (E-SBR 3) 고무 116.88 중량부, 부타디엔 고무 15 중량부, 카본블랙-B 85 중량부 및 oil B 3.5 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 비교예 6과 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

[실시예 2]

유화중합 스타이렌 부타디엔 3 (E-SBR 3) 고무 119.63 중량부, 부타디엔 고무 13 중량부, 카본블랙-B 83 중량부 및 oil B 4.0 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 비교예 6과 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

[실시예 3]

유화중합 스타이렌 부타디엔 3 (E-SBR 3) 고무 123.75 중량부 및 부타디엔 고무 10 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

E-SBR 특성 비교

E-SBR 종류	Styrene 함량(%)	중량평균분자량	Tg(℃)	Extended Oil 종류
E-SBR 1	20~25	700,000 이상	-48 ~ -51	Aromatic oil
E-SBR 2	20~25	700,000 이상	-48 ~ -51	TDAE
E-SBR 3	22~27	880,000 이상	-50 ~ -53	TDAE

연화제 내 포함되어 있는 Polycyclic Aromatic Hydrocarbon(PAH) 성분

PAH 성분		화학기호	PAH 성분		화학기호
Benzo (a) Pyrene	BaP	C₂₀ H₁₂	Benzo (b) Fluoranthene	BbFA	C₂₀ H₁₂
Benzo (e) Pyrene	BeP	C₂₀ H₁₂	Benzo (j) Fluoranthene	BjFA	C₂₀ H₁₂
Benzo (a) Anthracene	BaA	C₁₈ H₁₂	Benzo (k) Fluoranthene	BkFA	C₂₀ H₁₂
Chrysene	CHR	C₁₈ H₁₂	Dibenzo (a,h) Anthracene	BbFA	C₂₀ H₁₂

Oil-A (Aromatic oil)와 Oil-B (TDAE oil)는 구성 성분의 차이로 인해 유리전이화 온도(Tg)가 서로 달라 고무 조성물 내에서 서로 다른 성능을 발휘한다. Oil-B의 경우는 Oil-A에 비하여 유리전이화 온도가 낮아 마모 성능이나 연비 성능 측면에서 Oil-A에 비해 우수하지만 제동 성능 측면에서는 불리한 경향을 보인다. 이는 표 1의 비교예 1과 비교예 2의 성능 시험 결과에서 잘 나타나고 있다.

이러한 Oil-B의 장점을 살리면서 단점을 보완하기 위해서 본 발명에서는 유화 중합 스타이렌 부타디엔 고무의 미세 구조를 마모 성능, 제동 성능 및 조정안정 성능에 유리하도록 고안하여 적용하였다.

비교예 4 ~ 6 처럼 적정 범위를 넘어서게 되면 비교예 4는 마모 성능이, 비교예 5는 마모 및 제동 성능이 불리한 경향을 보이며, 비교예 6처럼 Oil-B 함량이 많아지게 되면 성능면에서 크게 불리한 것은 없으나 가공성이 다소 불리한 경향을 보인다.

실시예 1 에서는 Oil-B를 사용함과 동시에 충진제를 적정량 사용함으로써 연비성능의 저하 없이 마모 성능, 제동 성능 및 조정안정 성능의 향상을 획득할 수 있었으며, 실시예 2 에서는 고무 조성물 함량 변화 및 적정량의 Oil을 사용함으로써 실시예 1 대비 유리한 성능을 획득할 수 있었다.

따라서 본 발명에서는 고무 조성물의 성능을 극대화 시키는 최적량의 충진제 사용 및 고무 조성물 함량 변화를 통해서 마모 성능, 연비 성능, 제동 성능 및 조종안정 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 타이어 트레드 고무 조성물을 획득할 수 있었다.

본 발명의 유화 중합 스타이렌 부타디엔 3 (E-SBR 3) 고무 75~95 중량%, 부타디엔 고무(BR) 5~25 중량%로 이루어진 원료고무 100 중량부에 대해, 보강성 충진제로 카본블랙 60 ~ 90 중량부, 연화제 15 ~ 40 중량부 포함하는 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물은 내마모성, 연비 성능은 저하시키지 않으면서 제동특성 및 hangdling 성능은 우수한 효과가 있다.

Claims

유화 중합 스타이렌 부타디엔 3 (E-SBR 3) 고무 75~95 중량%, 부타디엔 고무(BR) 5~25 중량%로 이루어진 원료고무 100 중량부에 대해, 보강성 충진제로 카본블랙 60 ~ 90 중량부, 연화제 15 ~40 중량부 포함하고,

상기 연화제는 PAH(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon) 총 함량 3.0 중량% 미만, 동점도 95, 아로마틱계 성분 15 ~ 25 중량%, 나프텐계 성분 27 ~ 37% 및 파라핀계 성분 38 ~ 58 중량%인 것을 특징으로 하는 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물. 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물.
제 1항에 있어서, 유화 중합 방식으로 제조된 스타이렌 부타디엔 3 (E-SBR 3) 고무는 스타이렌 함량 22 ~ 27%, 중량 평균분자량 880,000 이상, 유리전이온도 -50 ~ -53℃인 것을 특징으로 하는 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 카본블랙은 질소 흡착 비표면적 135 ~ 155 m²/g, DBP 흡유량 125 ~ 145 cc/100g, TINT 125 ~ 145, ASD(aggregate size distribution) 21 ~ 31인 것을 특징으로 하는 승용차용 트레드 고무 조성물.
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