KR100814161B1 - 타이어 트레드용 고무조성물 - Google Patents

타이어 트레드용 고무조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타이어 트레드용 고무조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온화 고무, 3급 아민, 실리카 및 실란커플링제로 이루어진 마스터배치를 포함하므로써 마모 및 회전저항 성능을 개선시킨 타이어 트레드용 고무조성물에 관한 것이다.
타이어 트레드용 고무조성물, 마모, 회전저항

Description

타이어 트레드용 고무조성물{Tire Tread Rubber Composition}
본 발명은 타이어 트레드용 고무조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온화 고무, 3급 아민, 실리카 및 실란커플링제로 이루어진 마스터배치를 포함하므로써 마모 및 회전저항 성능을 개선시킨 타이어 트레드용 고무조성물에 관한 것이다.
일반적으로 고무는 카본블랙과의 친화성이 우수하여 그 공정성이 용이하다고 할 수 있으나, 마모, 트랙션, 회전저항을 동시에 만족시키기에는 그 어려움이 있다. 즉, 충전제로서 카본블랙을 통하여 마모를 개선하면 회전저항이 감소하거나, 트랙션을 개선하면 마모가 감소하는 트레이드오프 관계를 나타낸다.
실리카는 이러한 카본블랙의 성능을 개선하기 위해 제안된 대표적인 충전제로서 트랙션 성능과 회전저항을 동시에 개선하면서 마모 성능을 기존의 카본블랙사용 대비 동등한 수준을 확보할 수 있는 것을 특징으로 한다. 그러나 실리카는 표면의 OH기로 인하여 친수성의 특징이 있어, 고무와 배합시 분산성이 매우 떨어지는 단점이 있다. 그러한 이유로 실리카간 반응이 강하기 때문에 실리카끼리 배합되려는 특징을 나타낸다. 이러한 실리카의 배합성능을 개선하기 위해서 여러 가지 방법 들이 제시되었는데, 가장 대표적인 것이 실란커플링제를 적용하여 실리카의 표면을 개질하는 것이다. 실란커플링제로는 비스-(3-트리에톡시실릴프로필)테트라설판(TESPT)과 비스-(3-에톡시실릴프로필)디설판(TESPD) 등이 그 대표적인 예라 할 수 있으며, 이러한 실란커플링제는 실리카와 반응할 수 있는 실라놀 그룹과 가황공정 중에 폴리머와 화학적 결합을 형성할 수 있는 그룹으로 이루어져 실리카의 분산성을 높여주는 역할을 한다.
그러나, 실란커플링제 사용시 실란커플링제의 말단에 있는 에톡시(EtO-Si) 그룹과 실리카 입자들의 실라놀 그룹(Si-OH)간의 반응이 먼저 일어나게 되고, 그에 따라 발생하는 부산물인 에탄올을 제거하려면 140~160℃에서 반응이 이루어져야 한다. 그러나, 반응 조건이 170℃가 넘게 되면 실란커플링제의 테트라설판(Tetrasulfane)그룹이 조기에 가황반응이 일어날 수도 있으므로 실리카와 실란커플링제를 적용하여 고무조성물을 제조하는 공정에는 많은 주의를 요하게 된다.
현재까지 실리카 컴파운드에서 주로 사용되는 방법은 위의 실란커플링제를 카본블랙과 50중량%씩 혼용하여 적용하고 있으나, 이는 상기 언급한 바와 같이 공정 조건에 따라 반응의 차이를 보이기 때문에 정밀한 배합 조건을 요하게 되고, 이로 인해 공정 자동화를 실시하는데 많은 어려움을 야기한다.
그러한 이유로 대한민국 공개특허공보 제2001-0081360호와 대한민국 공개특허공보 제2003-0012103호에서는 고무와 실리카를 웨트마스터배치 형태로 제조하여 분산성을 향상시키고자 하였다. 그러나, 상기 기술을 통한 웨트마스터배치 공정조건은 실리카를 수분산시키고 응집, 침전시키는 과정에서 회수율 등의 차이를 나타 내며, 반제품상(웨트마스터배치 콤포지트)의 품질 산포를 나타낼 수 있으며, 많은 양의 공정 용수가 필요하게 되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 타이어 트레드용 조성물에 사용되는 실리카의 용이한 분산을 유도하기 위해 이온화 고무, 3급 아민, 실리카 및 실란커플링제를 마스터배치로 적용하므로써 마모 및 회전저항을 개선시킨 타이어 트레드용 고무조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 타이어 트레드용 고무조성물은 이온화 고무 100중량부에 대하여, 3급 아민 1~20중량부, 실리카 20~100중량부, 실란커플링제 1~10중량부로 이루어진 마스터배치에 통상의 첨가제를 배합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 사용되는 이온화 고무는 그 종류에 특별한 제한은 없고, 비닐벤질 클로라이드(VBC:Vinylbenzyl chloride), 비닐벤질 브로마이드(VBB:Vinylbenzyl bromide) 등의 할로겐족으로 일부 반응기가 치환된 부타디엔 고무(BR), 부틸고무, 에피클로로히드린고무, 니트릴고무, 수소화된 니트릴고무, BIMS(브롬화된 폴리이소부틸이소프렌-co-파라메틸스티렌), 우레탄고무, 불소고무, 실리콘고무, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS)고무, 에틸렌프로필렌고무(EPDM), 하이팔론고무, 클로로프렌고무, 에틸렌비닐아세테이트고무, 아크릴고무를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 혼합고무의 경우, 혼합비율에는 특별히 한정이 없다.
상기 이온화 고무에는 VBC 및 VBB 등의 할로겐족이 3~10중량% 포함되는 것이 바람직한데, 3중량% 미만이면 이온화 고무의 특성이 나타나지 않아 바람직하지 않고, 10중량%를 초과하면 물성 및 동적점탄성이 하락하여 바람직하지 않다.
본 발명에 사용되는 이온화 고무의 구체적인 예로서 VBC로 이온화된 스티렌부타디엔 고무(VBC-SBR)의 구조는 다음과 같다.
Figure 112006090148417-pat00001
본 발명에 사용되는 3급 아민은 이온화 고무의 이온부분 및 실리카의 수산기(OH-)와 반응을 하므로써 실리카의 분산을 극대화시키며, 그 종류에 특별한 제한은 없으나, N,N-디메틸스테아릴아민, 알킬디메틸아민, 디코코알킬아민, 디스테아릴아민, 코코알킬디메틸아민, N,N-디메틸알릴아민, 디메틸아민, N,N-디메틸도데실아민 등을 사용할 수 있다.
상기 3급 아민은 이온화 고무 100중량부에 대하여 1~20중량부 사용하는 것이 바람직한데, 1중량부 미만이면 이오닉 클러스터를 형성하지 않아 반응이 일어나지 않으므로 특성에 변화가 일어나지 않아 바람직하지 않고, 20중량부를 초과하면 당량 이상으로 주입된 3급 아민이 연화제 역할을 하여 물성하락을 야기시키기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명에 사용되는 실리카는 충전제로서 트랙션 성능과 회전저항을 동시에 개선하면서 마모 성능 또한 개선시키기 위해 사용하고, 그 종류에 특별한 제한은 없으며, 이온화 고무 100중량부에 대하여 20~100중량부 사용하는 것이 바람직한데, 20중량부 미만이면 경도가 낮아 타이어의 트레드 고무로서 고유역할을 하기 힘들어 바람직하지 않고, 100중량부를 초과하면 공정성 하락 및 기계적 물성 하락 등을 야기시키기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명에 사용되는 실란커플링제는 공정중에 배합성능을 향상시키기 위해 사용되고, 그 종류에 특별한 제한은 없으나, 비스-(3-트리에톡시실릴프로필)테트라설판, 비스-(3-에톡시실릴프로필)디설판을 사용하는 것이 바람직하고, 이온화 고무 100중량부에 대하여 1~10중량부 사용하는 것이 바람직한데, 1중량부 미만이면 실리카와 반응성이 나타나지 않아 충진제로서 실리카의 분산성이 하락하기 때문에 바람직하지 않고, 10중량부를 초과하면 잉여 실란커플링제가 연화제 및 가황의 역할을 하여 주어진 물성을 맞추기가 용이하지 않고, 공정성이 하락하게 되므로 바람직하지 않다.
본 발명의 타이어 트레드용 고무조성물에는 통상의 첨가제들, 예를 들어 노화방지제, 산화아연, 스테아린산, 공정오일, 황 및 가황촉진제 등의 첨가제를 통상의 사용량 범위로 포함할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예
하기 표 1에 실시예 및 비교예에 사용된 이온화 고무의 특성을 나타내었다.
표 1
구 분 합성 고무
비교예 1 스티렌 함량이 40중량% 및 부타디엔 함량이 60중량%인 스티렌부타디엔고무
비교예 2 스티렌 함량이 40중량% 및 부타디엔 함량이 60중량%인 스티렌부타디엔고무
비교예 3 VBC함량이 5중량%, 스티렌 함량이 35중량% 및 부타디엔 함량이 60중량%인 VBC-스티렌부타디엔 고무
실시예 1 VBC함량이 5중량%, 스티렌 함량이 35중량% 및 부타디엔 함량이 60중량%인 VBC-스티렌부타디엔 고무
하기 표 2의 조성대로 원료고무를 포함하는 마스터배치를 제조하고, 여기에 기타 첨가제들을 배합하여 실시예 및 비교예의 타이어 트레드 고무조성물을 제조한 후, 각 고무조성물을 160℃에서 가류시켜 고무 시편을 제조하고, 그 물성을 ASTM 규격에 따라 측정하고, 그 결과를 지수화하여 표 3에 나타내었다.
표 2
(단위:중량부)
구 분 비교예1 비교예2 비교예3 실시예1
마스터 배치 조성 스티렌부타디엔고무 100 100 0 0
VBC-스티렌부타디엔고무 0 0 100 100
3급 아민1 ) 0 8 0 8
실리카2 ) 70 70 70 70
실란커플링제3 ) 5.6 5.6 5.6 5.6
실리카분산제4 ) 2 2 2 2
아로마틱오일 37.5 37.5 37.5 37.5
노화방지제5 ) 2 2 2 2
산화아연 3 3 3 3
스테아린산 2 2 2 2
황 2 2 2 2
가황촉진제6 ) 2 2 2 2
활성제7 ) 0.5 0.5 0.5 0.5
주) 1) 3급 아민: N,N-디메틸스테아릴아민
2) BET 표면적이 120m2/g이고, CTAB 값이 120m2/g인 실리카
3) 비스-(3-트리에톡시실릴프로필)테트라설판(TESPT)
4) 아연-칼륨비누(SDA): 5중량% 아연염 및 95중량% 칼륨염
5) 고분자화된 2,2,4-트리메틸-1,2-디히드로퀴놀린(TMDQ)
6) N-시클로헥실-2-벤조티아졸설폰아미드(CZ)
7) N,N-디페닐구아니딘(DPG)
표 3
구 분 비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예 1
물 성 경도 100 105 107 102
300% 모듈러스 100 120 - 110
인장강도 100 95 56 102
신장율 100 92 64 97
마 모 DIN 마모 100 107 54 130
동적특성 70℃ tanδ 100 98 65 120
주) 마모 지수 및 동적특성(회전저항 특성) 지수는 높을수록 유리함.
(실제 데이터 값은 낮을수록 유리한 수치를 나타냄)
이상에서 볼 수 있는 바와 같이, 비교예의 고무조성물에 비해 실시예의 고무조성물이 마모성능과 회전저항성능에서 개선되었음을 알 수 있다.

Claims (5)

  1. 비닐벤질클로라이드 또는 비닐벤질브로마이드로 치환된 이온화 고무 100중량부에 대하여 3급 아민 1~20중량부, 실리카 20~100중량부 및 실란커플링제 1~10중량부로 이루어진 마스터배치를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 비닐벤질클로라이드 또는 비닐벤질브로마이드가 이온화 고무 중에 3~10중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 3급 아민은 N,N-디메틸스테아릴아민, 알킬디메틸아민, 디코코알킬아민, 디스테아릴아민, 코코알킬디메틸아민, N,N-디메틸알릴아민, 디메틸아민, N,N-디메틸도데실아민으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무조성물.
  5. 제 1항 또는 제 3항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 고무조성물로 이루어진 트레드부를 갖는 타이어.
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