KR100827320B1 - 타이어용 벨트 고무조성물 - Google Patents

타이어용 벨트 고무조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타이어용 벨트 고무조성물에 대한 것으로서 보다 상세하게는 타이어용 벨트 고무조성물에 있어서, 보강재로서 셀룰로오스 섬유(cellulose fiber)를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어용 벨트 고무조성물 및 상기 고무조성물로 이루어진 벨트를 포함하는 타이어에 관한 것이다.
셀룰로오스 섬유, 벨트, 고무, 타이어

Description

타이어용 벨트 고무조성물{Belt rubber composition for tire}
도 1은 공기압 타이어의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명은 타이어용 벨트 고무조성물에 대한 것으로서 보다 상세하게는 타이어용 벨트 고무조성물에 있어서, 보강재로서 셀룰로오스 섬유(cellulose fiber)를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어용 벨트 고무조성물 및 상기 고무조성물로 이루어진 벨트 또는 벨트 코드(belt cord)를 포함하는 타이어에 관한 것이다.
타이어는 도로 주행중 노면과의 마찰에 의한 발열을 최소화할 수 있도록 설계해야 반복 압축과 굴신에 의한 전단 변형으로 발생한 발열이 벨트(belt) 층간 분리(separation)로 이어지는 문제를 최소화할 수 있다. 따라서, 발열을 최소화할 수 있는 소재 개발이 필요하다.
벨트층의 고무조성물에 있어서, 통상의 보강재로 카본블랙(Carbon black), 실리카(silica) 등이 사용되고 있으나, 카본블랙은 배합 고무의 탄성율과 인장 물 성을 향상시키지만 발열을 증가시키는 단점이 있다. 한편 실리카는 원료고무와의 혼화성이 좋지 않아 원료고무와의 혼화성을 위해 실리카의 표면을 처리하거나, 원료고무와 실리카의 혼화성 향상을 위해 커플링제(coupling)를 추가로 더 첨가해야 하는 문제가 있다. 또한, 아라미드 단섬유(aramid short fiber)로서 상품명 Sulfron 3000(Teijin)은 신개념의 대표적인 보강재로 알려져서 최근 광범위한 연구가 진행되고 있으나, 가격이 비싸고, 유황(sulfur) 성분이 표면에 코팅되어 있어 보관상의 문제가 있어서 주로 트레드(tread) 용도로만 제한적으로 사용되는 한계가 있다.
상기에서 언급한 바와 같이 타이어의 보강제로 주로 사용되는 소재로는 카카본블랙, 실리카, 클레이(clay) 등이 있으며, 이에 대한 연구가 널리 이루어지고 있으나, 타이어 벨트 부위에서 발생하는 발열을 효과적으로 억제하는 소재에 관한 연구는 아직까지 많은 연구가 이루어지고 있지 않다.
타이어 벨트(tire belt) 부위의 발열에 의한 히스테리시스(hysteresis) 증가를 억제하기 위해 카본블랙의 일부나 전량을 실리카로 대체 보강하여 트레드에 적용하는 연구가 주로 이뤄졌으며, 고무와 실리카 간의 접착력 향상을 위해 커플링제(coupling agent)나 실리카의 표면 변형에 관련된 연구가 주를 이루고 있다.
통상적인 공기압 타이어의 구조를 도 1에 나타내고 있다.
도 1에서 이너라이너(innerliner)(30)는 타이어 내벽에 부착된 고무층으로서 코드의 보호, 수분 방지 및 공기압 유지를 주목적으로 한다. 카카스(carcass)(40)는 타이어의 골격 역할을 하여 하중 지지, 충격 완화 기능의 역할을 하며 이외에도 반복 굴신 운동에 대한 내피로성이 우수해야 한다. 트레드(10)는 타이어와 지면이 직접 접촉하는 부위로서 내마모성와 접지 성능이 우수해야된다. 벨트(20)는 다수개의 벨트층으로 구성되어 있으며, 트레드를 강화하고 반복 굴신을 최소화하는 기능을 한다. 도 1에서 벨트층은 3개의 벨트(21)(22)(23)가 구비된 것을 나타내고 있다.
상기와 같이 공기압 타이어의 벨트 분리(belt separation)를 방지하기 위해 주로 벨트 에지 캡플라이(belt edge capply)를 부착하거나 벨트 전체에 캡플라이를 적용하는 시도들이 있었다. 이와는 다르게, 파괴 강성이 우수한 단섬유가 보강된 고무층을 최상위 벨트층 상부에 추가 삽입하거나 최상위 벨트층을 대신하는 경우도 있으나, 고하중 고속 주행시 벨트 층간의 스트레스 빌드-업(stress build-up)이 증대되고 벨트 에지(belt edge)에서의 크랙 확대(crack propagation) 속도가 가속화되어 결국 내구 성능이 현저히 감소하는 문제가 야기되고 있다. 따라서, 이런 문제를 구조적인 측면보다는 컴파운드 배합 고무 물성 측면에서 최적화시킬 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 타이어용 벨트 고무조성물에 있어서, 보강재로서 셀룰로오스 섬유를 포함하도록 하여 상기 셀룰로오스 섬유에 의해 점도와 탄성율이 상승하는 기본적인 보강 특성 이외에 100％ 모듈러스(modulus)가 높아서 외부의 스트레스(stress)에 대한 초기 변 형을 효과적으로 억제하는 역할을 할 뿐만 아니라, 변형에 따른 300％ 모듈러스를 일정하게 유지함으로서 벨트 분리를 최소화화고 고속 주행 조건에서 장기 내구성을 향상시킬 수 있는 타이어용 벨트 고무조성물의 제공을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기의 타이어용 벨트 고무조성물로 이루어진 고무를 벨트 또는 벨트 코드로 타이어에 포함되도록 하여 벨트 층간에 발생하는 마찰열과 외부의 스트레스에 대한 변형 저항을 높여 벨트 분리를 효과적으로 차단 및 억제하고, 장기 노화 물성을 향상시켜 타이어의 고속 주행시 내구 성능을 향상시킬 수 있는 공기압 타이어를 제공할 수 있다.
본 발명의 타이어용 벨트 고무조성물에 사용되는 셀룰로오스 섬유(cellulose fiber)는 발열 제어, 친환경 소재의 사용, 재료의 재활용(recycling), 제조 비용 절감 효과를 발휘할 수 있으며, 타이어의 벨트에 적용함으로써 차별화된 타이어 벨트 보강제 역할을 할 수 있다.
상기에서 언급한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 타이어용 벨트 고무조성물에 있어서, 보강재로서 셀룰로오스 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어용 벨트 고무조성물을 나타낸다.
본 발명의 타이어용 벨트 고무조성물에서 원료고무는 천연고무, 합성고무, 천연고무와 합성고무가 혼합된 혼합고무 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기에서 천연고무와 합성고무가 혼합된 혼합고무를 원료고무로 사용하는 경우 원료고무 100중량부 중에서 천연고무 5∼95중량부 및 합성고무 5∼95중량부가 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.
상기에서 합성고무는 한 종류의 합성고무를 원료고무로 사용할 수 있고, 둘 이상의 합성고무가 혼합된 혼합 합성고무를 원료고무를 사용할 수 있다.
상기에서 합성고무는 스티렌 부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 부틸고무, 할로겐화 부틸 고무, 이소프렌이 함유된 스티렌 부타디엔 고무, 니트릴을 포함하는 스티렌 부타디엔 고무, 네오프렌 고무 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기에서 원료고무의 일예로 비닐함량이 50∼60％, 스티렌 함량이 10∼15％인 스티렌 부타디엔 고무(SBR)를 사용할 수 있다.
상기에서 원료고무의 일예로 비닐함량이 65∼75％, 스티렌 함량이 20∼25％인 스티렌 부타디엔 고무를 사용할 수 있다.
상기에서 원료고무의 일예로 비닐함량이 50∼60％, 스티렌 함량이 10∼15％인 스티렌 부타디엔 고무(SBR)와 비닐함량이 65∼75％, 스티렌 함량이 20∼25％인 스티렌 부타디엔 고무의 혼합고무를 사용할 수 있다.
상기에서 원료고무의 일예로 원료고무 100중량부 중에 비닐함량이 50∼60％, 스티렌 함량이 10∼15％인 스티렌 부타디엔 고무(SBR)와 비닐함량이 65∼75％, 스티렌 함량이 20∼25％인 스티렌 부타디엔 고무를 1:9∼9:1의 중량비로 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.
본 발명의 타이어용 벨트 고무조성물은 원료고무 100중량부에 대하여 셀룰로오스 섬유 1∼10중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 벨트 고무조성물에 있어서 원료고무 100중량부에 대하여 셀룰로오스 섬유 1중량부 미만 및/또는 10중량부를 초과하는 경우 본 발명의 목적에 부합하는타이어용 벨트 고무조성물을 얻기 어려운 문제가 있다. 따라서 본 발명의 타이어용 벨트 고무조성물은 원료고무 100중량부에 대하여 셀룰로오스 섬유 1∼10중량부 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 타이어용 벨트 고무조성물에서 상기에서 언급한 셀룰로오스 섬유 보강제 이외에 카본블랙을 사용할 수 있다.
본 발명의 타이어용 벨트 고무조성물에서 카본블랙은 원료고무 100중량부에 대하여 50∼70중량부를 사용할 수 있다.
상기에서 카본블랙의 일예로 요오드 흡착가가 70∼120mg/g, DBP 흡착가가 80∼130mg/100g인 것을 사용할 수 있다.
상기에서 카본블랙의 일예로 요오드 흡착가가 76∼84mg/g, DBP 흡착가가 89∼106mg/100g인 카본블랙(N330)을 사용할 수 있다.
본 발명의 타이어용 벨트 고무조성물에서 상기에서 언급한 셀룰로오스 섬유 보강제 이외에 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)를 추가로 더 사용할 수 있다.
본 발명의 타이어용 벨트 고무조성물에서 상기에서 언급한 셀룰로오스 섬유 보강제 이외에 탄소나노튜를 원료고무 100중량부에 대하여 0.5∼5중량부를 추가로 더 사용할 수 있다.
상기에서 탄소나노튜브의 일예로 단층벽 탄소 나노튜브 또는 다층벽 탄소 나노튜브를 사용할 수 있다.
상기에서 탄소나노튜브의 일예로 관의 지름이 1∼100nm인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 타이어용 벨트 고무조성물에 있어서, 다양한 성분, 함량 등의 조건에 의해 타이어용 고무조성물을 적용한바, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 상기에서 언급한 조건의 타이어용 벨트 고무조성물이 바람직함을 알 수 있었다.
본 발명의 타이어용 벨트 고무조성물은 상기에서 언급한 원료고무, 셀룰로오스 섬유, 카본블랙 이외에 종래 타이어용 고무조성물에 사용되는 보강충진제, 활성제, 노화방지제, 공정유, 가류제, 가류촉진제와 같은 각종 첨가제를 필요에 따라 적의 선택하여 소정의 함량으로 사용할 수 있다. 그러나 이들은 종래 타이어용 벨트 고무조성물에 사용되는 일반적인 성분으로서 본원발명의 필수 구성성분이 아니므로 이하 자세한 내용은 생략하기로 한다.
한편 본 발명은 상기에서 언급한 타이어용 벨트 고무조성물에 의해 제조된 고무를 포함한다.
본 발명은 상기에서 언급한 타이어용 벨트 고무조성물에 의해 제조된 고무를 함유하는 타이어를 포함한다.
본 발명은 상기에서 언급한 타이어용 벨트 고무조성물에 의해 제조된 고무를 벨트층으로 함유하는 타이어를 포함한다.
본 발명은 상기에서 언급한 타이어용 벨트 고무조성물에 의해 제조된 고무를 벨트층의 코드로 함유하는 타이어를 포함한다.
상기에서 타이어는 자동차용 타이어, 버스용 타이어, 트럭용 타이어, 항공기용 타이어, 오토바이용 타이어 중에서 선택된 어느 하나를 나타낸다.
이하 본 발명을 다음의 비교예, 실시예, 시험예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명의 일실시예로서 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
<비교예>
천연고무를 원료고무로 하고, 상기 원료고무 100중량부에 대하여 카본블랙(N330) 60중량부, 산화아연 3중량부, 스테아린산 3중량부를 밴버리믹서에서 배합하여 고무배합물을 얻었다.
상기의 고무배합물에 가류제로서 유황 5.3중량부, 가류촉진제(CZ) 1.0중량부를 첨가하고 160℃에서 30분 동안 가류하여 고무시편을 제조하였다.
하기 표 1에 비교예의 고무조성을 나타내었다.
<실시예 1>
천연고무를 원료고무로 하고, 상기 원료고무 100중량부에 대하여 셀룰로오스 섬유 4중량부, 카본블랙(N330) 60중량부, 산화아연 3중량부, 스테아린산 3중량부를 밴버리믹서에서 배합하여 고무배합물을 얻었다.
상기의 고무배합물에 가류제로서 유황 5.3중량부, 가류촉진제(CZ) 1.0중량부를 첨가하고 160℃에서 30분 동안 가류하여 고무시편을 제조하였다.
하기 표 1에 실시예 1의 고무조성을 나타내었다.
<실시예 2>
셀룰로오스 섬유 8중량부를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고무시편을 제조하였다.
표 1. 비교예 및 실시예 고무시편의 조성 (단위: 중량부)
항목 비교예 실시예 1 실시예 2
원료고무 100 100 100
셀룰로오스 섬유 - 4 8
카본블랙(N330) 60 60 60
산화아연 3 3 3
스테아린산 3 3 3
유황 5.3 5.3 5.3
가류촉진제 1.0 1.0 1.0
<시험예>
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 고무시편에 대해 ASTM 관련 규정에 표 2 에 기재된 물성을 측정하고 그 결과를 아래의 표 2에 정리하여 나타내었다.
표 2. 비교예 및 실시예 고무시편의 물성
구분 비교예 실시예1 실시예2
Torque max. 55.1 57.4 59.6
Torque min. 16.7 17.6 17.9
T40 11.6 12.3 11.9
T90 25.2 25.4 25.1
End cure 27.7 28.3 27.5
T5 20 23 24
점도(Viscosity) 71 75 79
Hardness(shore A) 76 81 83
100％모듈러스(kgf/cm2) 60 69 81
300％모듈러스(kgf/cm2) 204 207 209
Tensile strength(kgf/cm2) 262 236 223
Elongation(％) 405 363 326
Heat build-up 26.8 30.1 29.7
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.
상기의 표 2의 결과와 같이, 본 발명의 셀룰로오스 섬유를 포함하는 고무는 점도와 탄성율이 상승하는 기본적인 보강 특성 이외에 100％ 모듈러스가 높아서 외부의 스트레스에 대한 초기 변형을 억제하고, 변형에 따른 300％ 모듈러스를 일정하게 유지할 수 있는 특징이 있어서, 본 발명의 고무조성물로 이루어진 고무를 벨트로 사용하거나 또는 벨트 코드로 사용하는 경우 벨트 층간 스트레스에 의한 변형 을 줄임으로서 벨트 분리를 최소화하고, 고속 주행 조건에서 타이어의 장기 내구성을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 타이어용 벨트 고무조성물에 있어서,
    비닐함량이 50∼60％, 스티렌 함량이 10∼15％인 스티렌 부타디엔 고무(SBR)와 비닐함량이 65∼75％, 스티렌 함량이 20∼25％인 스티렌 부타디엔 고무를 1:9∼9:1의 중량비로 혼합된 혼합고무를 원료고무로 하되, 상기 원료고무 100중량부에 대하여 셀룰로오스 섬유 1∼10중량부, 탄소나노튜브 0.5∼5중량부, 요오드 흡착가가 100∼120mg/g, DBP 흡착가가 120∼130mg/100g인 카본블랙 50∼70중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어용 벨트 고무조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 특허청구범위 제1항의 고무조성물로 이루어진 고무를 포함하는 타이어.
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