KR100837081B1

KR100837081B1 - 열전도도를 향상시키기 위한 가류 브래더용 고무 조성물과그 혼합 방법

Info

Publication number: KR100837081B1
Application number: KR1020070038789A
Authority: KR
Inventors: 조춘택; 강용구; 이익만; 정경훈
Original assignee: 넥센타이어 주식회사
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2008-06-11

Abstract

본 발명은 열전도성 충전제의 결정화도(Lc)가 30㎚~300㎚, 순도가 80%~99%이며, 충전제 자체의 열전도도가 100W/mK~200W/mK(meter-Kelvin)인 고결정형 미세 흑연을 일반 충전제와 혼합하여 물성의 감소없이 열전도도를 향상시킨 고무조성물에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 원료 고무에 상기와 같은 특별한 특성을 가진 고결정형 미세 흑연을 15~60 중량부를 투입하여 열전도도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 특히 타이어용 가류 브래더용으로 사용 가능한 고무조성물에 관한 것이다.

또한, 이를 효과적으로 배합하기 위해서는 첫번째 작업시 고무(Polymer), 가공조제, 열전도성 첨가제, 오일 순으로 투입하는 단계와, 두번째 혼합시 첫번째 마스터 배치와 네오프렌(Neoprene)을 혼합한 후 일반 충전제 순으로 투입하는 단계와, 세번째 혼합시, 두번째 마스터 배치(Master Batch)와 레진, ZnO순으로 혼합하는 3차례의 혼합방식을 적용하여 가류 브래더용 고무 조성물을 제조한다.

이와 같은 본 발명으로 원활한 가류 브래더 제조 공정 및 작업공정 및 열전도도를 현저히 향상시켜 가류 공정 시간을 단축시킬 수 있는 가류브래더용 조성물을 얻을 수 있다.

Description

열전도도를 향상시키기 위한 가류 브래더용 고무 조성물과 그 혼합 방법{Rubber composition and mixing method thereof for cure bladder improving Thermal Conductivity}

본 발명은 고결정형 미세흑연을 일반 충전제와 혼용하고 이것을 보강 충전제로 사용하여 열전도도(Thermal Conductivity)를 현저히 향상시킨 가류 브래더용 고무 조성물 및 그 혼합 방법에 관한 것이다.

가류 브래더는 타이어내부의 외관의 형태 결정과 열전달을 위해 가류공정에 사용되어진다. 가류 브래더는 열원 공급의 매개체로서, 가류 시간의 단축을 통한 생산성 향상을 위해 우수한 열전도도가 요구된다.

종래의 가류 브래더 조성물은 원료고무에 충전제(Filler)를 첨가하여 증기(Steam) 또는 열수(Hot Water)를 견딜 수 있게 만들어 졌으며, 현재는 여러 첨가물들을 사용하여 가류 브래더의 열전도도를 향상시켜 생산성을 향상시키고 있지만 고무자체가 매우 낮은 열전도도를 가지고 있고, 높은 열전도도를 가진 충전제와의 배합 공정성이 저하되어 물성의 저하를 야기시키는 어려움이 있다.

열전도도의 향상을 위하여 대한민국 특허출원 제1999-20743호(1999년 6월 4일)에 개시된 바와 같이, 케트젠 블랙(Ketjen Black)을 일반 충전제와 혼용하여 사용하면 현저히 열전도도를 향상시킬 수는 있으나, 고무의 물성이 너무 높아져 브래더의 역할을 제대로 수행하지 못할 뿐만 아니라, 피로특성의 감소, 가격의 상승, 분산의 어려움이 있다. 또한, 고무 조성물의 경도가 너무 높아지면 가류기(Cure Press)에 취부가 힘들어져 작업성이 저하되는 단점을 가지고 있다.

또한, 대한민국 특허출원 제1997-40146호(1997년 8월 22일)에 개시된 바와 같이, 열전도도가 우수한 흑연을 일반 충전제와 혼합하여 사용한 경우, 5-10중량부 만을 사용하게 되면, 실질적으로 열전도도의 향상 효과를 크게 보지 못하며, 또한, 과량 사용시, 일반 충전제와 혼용하여 동시에 배합하게 되면, 공정성 저하 및 미분산에 의한 물성의 하락을 야기시킬 수 있다.

또한, 브래더용 고무화합물의 원료고무는 내열 노화특성 및 내공기 투과성이 우수한 부틸고무(butyl rubber)를 주로 사용하며, 타이어 가류시 열전도도 특성을 좋게 하기 위하여 충전제로 열전도도 특성이 우수하며 분자 표면적이 크고 분자구조가 잘 발달된 퍼니스 카본블랙(Furnace carbon black)인 N220이나 N330을 사용하고 있다. 타이어 생산성 향상을 위해 타이어의 가류시간(Cure time)을 단축하기 위한 방안이 많이 강구되고 있는데 타이어 가류시 가류온도를 180℃ 이상의 고온으로 유지하는 방법이나 혹은 열전도도 특성이 우수한 카본블랙을 충전제로 사용하는 방법이 이용되고 있다. 그러나 N330이나 N220 퍼니스 카본블랙의 사용량을 증가시켜 열전도도 현상을 향상시킬 수 있지만 분산 및 과도한 발열현상 때문에 카본블랙의 사용량을 증가시키는데는 한계가 있다. 또한 N330 이나 N220 보다 우수한 열전도도 특성이 있는 아세틸렌 블랙(Acetylene black)을 카본블랙과 혼용하여 사용하고 있지만 여기에도 몇 가지 문제점이 있다. 그 중 주요 문제점은 우수한 열전도도 특성을 유지하기 위해 아세틸렌 블랙을 최소한 원료고무 100 중량부당 25 중량부 이상을 사용해야 하는 데, 이 경우 가류속도(Cure rate)의 저하와 카본블랙에 비하여 원료고무와의 결합도(degree of bound rubber)가 낮기 때문에 185℃ 이상의 고온 조건에서 변형을 가했을 때 분자쇄(Molecular chain)의 이완현상이 현저히 증가하며, 또한 원료고무인 부틸고무가 고온고압의 증기 하에서 내열 노화 특성의 감소로 인해 물성의 하락을 초래하기도 한다.

일반 충전제가 포함된 고무 조성물에 예컨대, 보론 나이트라이드(Boron Nitride) 등의 열전도성 첨가재를 추가하게 되면 가류브래더의 열전도성을 향상시켜 타이어와의 열전달을 원활히 할 수 있지만, 열전도성 첨가재와의 고무의 결합력이 떨어져 배합의 어려움이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 본 발명의 목적은 고무조성물에 사용되는 일반 충전제와 고결정성 미세 흑연을 적용한 가류브래더의 제조방법을 제공을 목적으로 하며, 열전도성 충전제를 사용하더라도 고무조성물의 물성수준을 유지하면서 열전도도를 향상시킨 가류브래더용 고무 조성물을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명은 일반 충전제와 달리 결정화도가 높고 판상형 구조를 가진 특별히 선택된 고결정형 미세 흑연을 사용함으로써 전도성 진로(Conducting Pathway)의 구성을 용이하게 함으로써, 가류 브래더용 고무조성물의 빠른 열전달을 통한 가류 공정 시간의 단축을 기대할 수 있다.

따라서, 상기와 같은 목적을 실현하기 위하여 본 발명에 따른 열전도도를 향상시키기 위한 가류 브래더용 고무 조성물은, 흑연을 함유한 화석을 채취하여 분리, 정제되거나 2000℃이상에서 하소시킨 결정화도(Lc)가 30㎚~300㎚이상이고 순도가 80%~99%이며, 첨가물 자체의 열전도도가 100W/mK~200W/mK인 고결정성 미세 흑연을 충전제로 사용하고; 부틸고무 65~100 중량부와, 수지가류 첨가제인 네오프렌(Neoprene) 1~35 중량부를 혼합한 원료고무 100 중량부에, 일반 충전제 10~60 중량부와; 상기 고결정성 미세 흑연 20~60 중량부와; 알킬페놀 가류수지 3~15 중량부와; 케스터오일 1~20 중량부와; 수지가교를 위한 산화아연 3~10 중량부를 첨가하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 열전도도 향상을 위한 가류 브래더용 고무조성물의 혼합방법은, 첫번째 혼합 시, 고무(Polymer), 가공조제, 열전도성 첨가제, 오일 순으로 투입하는 단계와; 두번째 혼합 시, 첫번째 마스터 배치와 네오프렌(Neoprene)을 혼합한 뒤 일반 충전제 순으로 투입하는 단계와; 세번째 혼합 시, 두번째 마스터 배치(Master Batch)와 레진, 산화아연(ZnO)순으로 혼합하는 세번의 혼합방식으로 제조하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 다양한 실시 예 및 시험 예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 열전도도를 향상을 위해 사용되는 충전제는 흑연을 함유한 화석을 채취하여 분리, 정제되거나 2000℃이상에서 하소시켜 충전제의 결정화도(Lc)가 30㎚~300㎚ 이상이고 순도가 80%~99%이며, 첨가물 자체의 열전도도가 100W/mK ~ 200W/mK인 고결정성 미세 흑연을 충전제로 사용한다.

상기에서 언급한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 배합공정성이 개선되며, 열전도도의 특성이 향상되어 가류시간의 단축의 효과를 볼 수 있다.

상기 가류 브래더용 고무조성물은 부틸고무 65~100 중량부와, 수지가류 첨가제인 네오프렌(Neoprene) 1~35 중량부를 혼합한 원료고무 100 중량부에, 일반 충전제 10~60 중량부와; 상기 고결정성 미세 흑연 20~60 중량부와; 알킬페놀 가류수지 3~15 중량부와; 케스터오일 1~20 중량부와; 수지가교를 위한 산화아연 3~10 중량부를 첨가하여 사용한다.

여기서 일반 충전제라 함은 범용 카본블랙, 실리카 등의 원료고무에 사용되는 충전제를 일컬어 말하는 것으로, 일반적으로 가류 브래더용 고무조성물에는 퍼니스 블랙(Furnace Black)을 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명은 다음의 제조예, 비교예, 실시예 및 시험예를 통하여 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나 이들이 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것이 아니다.

<제조예 > 열전도성 충전제의 배합 방법

일반적으로 고무조성물을 제조할 시, 컨벤셔널 혼합방법을 사용하면, 열전도성 충전제와 고무와의 결합력이 떨어져 분산의 어려움이 따른다.

이에, 일반적인 마스터배치(Master Batch), 파이널배치(Final Batch) 순의 컨벤셔널 혼합방법이 아닌 세 번의 혼합방식을 적용하여 고무조성물을 혼합하였다.

첫번째 작업 시, 고무(Polymer), 가공조제, 열전도성 첨가제, 오일 순으로 투입하여 40~60rpm, TCU 온도 40~60℃ 조건으로 혼합한다.

두번째 혼합 시, 첫번째 마스터 배치와 네오프렌(Neoprene)을 혼합한 뒤 퍼니스 블랙(Furnace Black) 계통인 일반 충전제 순으로 투입하여 40~60rpm, TCU(Temperature Control Unit) 온도 40~60℃ 조건으로 혼합한다.

세번째 혼합 시, 두번째 마스터 배치(Master Batch)와 레진, ZnO를 40~50rpm, TCU 온도 40℃~60℃ 조건으로 혼합한다.

일반 충전제는 첫번째 내지 두번째 혼합 시에 첨가가 가능하다.

<비교예 1-3 >

아래의 표1에 예시된 배합제의 사용량을 적용하여 비교예1은 일반 퍼니스 블랙(Furnace Black)인 N220만을 사용하여 배합하고, 비교예2는 아세틸렌 블랙(Acetylene Black), 비교예3은 케트젠 블랙(Ketjen Black)을 적용하여 혼합하였다.

충전제(Filler)의 함량은 60 중량부로 고정하여 고무 조성물을 제조하였음을 알 수 있다.

<실시예1-3>

고무 100중량부에 충전제(Filler)를 60 중량부를 첨가하는 것을 기준으로 하고, 퍼니스 블랙(Furnace Black)을 10 중량부 씩 줄이고, 고결정성 미세 흑연을 10중량부씩 늘리며, 실시예1-3의 고무조성물을 제조하였다.

<표1> 가류 브래더(Cure Bladder)용 고무조성물의 배합제 사용량 (단위: 중량부)

구분	비교예1	비교예2	비교예3	실시예1	실시예2	실시예3
부틸고무	95	95	95	95	95	95
네오프렌	5	5	5	5	5	5
퍼니스 블랙(N220)	60	30	40	50	40	30
아세틸렌 블랙	0	30	0	0	0	0
케트젠 블랙	0	0	20	0	0	0
고결정성 미세 흑연	0	0	0	10	20	30
레진	8	8	8	8	8	8
산화아연	5	5	5	5	5	5
캐스터 오일	6	6	6	6	6	6

<시험예 1>

상기 <표1>의 고무배합제를 사용하여 본 연구의 혼합 방법이 적용되어진 비교예 및 실시예에서 제조한 고무조성물을 핫프레스(hot press)로 60분간 누른 후 두께 3㎜의 판을 만든 다음 ASTM 관련 규정에 의해 경도, 300% 모듈러스(Modulus), 인장강도, 신율, 측정 시험을 실시하였고, 열전도도 및 피로시험을 노화전과 100℃ ㅧ 24hr노화 분을 각각 측정하여 <표2>에 기술하였다.

<표2> 물성측정시험

구분		비교예1	비교예2	비교예3	실시예1	실시예2	실시예3
경도(Shore A)		78	70	86	70	68	66
300% 모듈러스		78	59	120	48	52	55
인장강도(kg_f/cm²)		147	135	145	147	145	141
신율(%)		620	660	380	660	680	700
열전도도		0.248	0.299	0.378	0.301	0.342	0.368
피로 시험 (Demattia)	노화전	10만회 이상	10만회 이상	10만회 이상	10만회 이상	10만회 이상	10만회 이상
	노화후 100℃× 24hrs	4만회	8만회	2만회	6만회	8만회	8만회

* 경도는 높을수록 딱딱함을 의미한다.

인장물성(300％ 모듈러스, 인장강도, 신율)에 대한 수치는 높을수록 각각의 특성이 우수함을 의미한다.

피로 시험은 횟수가 높은 수록 내구성(Fatigue Resistance)이 높음을 의미한다.

열전도도는 높을수록 열전달이 우수함을 나타낸다.

상기 <표2>에 나타낸 바와 같이, 비교예 3의 경우 경도가 너무 높아 작업성이 떨어지며, 신율이 낮아 가류 브래더용으로 사용하기에 적합하지 않다. 비교예 2 대비 비교예 3, 실시예 2, 실시예 3에서 높은 열전도도 값을 나타내고 있으며, 비교예 3의 경우, 높은 열전도도의 향상 폭을 보이나 노화 후, 피로특성이 떨어졌다. 고결정성 미세 흑연을 적용한 경우, 20중량부 이상을 사용하였을 때 높은 열전도도 상승을 기대할 수 있다. 이는 판상형 고결정성 미세 흑연이 20중량부 이상 사용 할시, 고무조성물 내에서 전도성 진로(Conducting Pathway)를 형성하여 현저한 열전도도의 향상을 보이고 있다.

<표3> 컨벤셔널 혼합방식과 본 연구의 제조 방식에 따른 물성 차이

구 분		비교예1		실시예3
구 분		컨벤셔널	본발명의 배합방법	컨벤셔널	본발명의 배합방법
노화전	경도(Shore A)	77	78	66	66
	300% 모듈러스	76	78	54	55
	인장강도(kg_f/cm²)	145	147	130	141
	신율(%)	620	620	650	700
피로시험 (Demattia)	노화전	10만 이상	10만 이상	7만5천	10만 이상
피로시험 (Demattia)	노화후100℃× 24hrs	4만	4만	2만5천	8만
열전도도		0.295± 0.005	0.299± 0.005	0.360± 0.03	0.365± 0.005
Master Batch 후, 고무조성물의 손실율(%)		1.5이하	1.5이하	3.0이상	1.5이하
(주)컨벤셔널 : 마스터 배치 + 파이널 배치로 이루어진 일반적인 배합방식 3Stage: 상기 제조 예에서 표기한 배합 방식

* 마스터 배치(Master Batch) 후, 고무조성물의 손실율(%)은 배합 시 분산이 용이치 않아 배합제가 비산되거나 분산이 잘되지 않을수록 높아진다.

<시험예 2>

상기 <표3>에서 컨벤셔널 혼합방법 대비 본 연구의 혼합방법을 적용하여 결과를 산출하였다. 퍼니스 블랙(Furnace Black)의 경우, 컨벤셔널 혼합방법과 본 발명의 배합방법과 큰 차이를 보이지 않으나, 폴리머(Polymer)와의 친화성이 상대적으로 떨어지는 고결정성 미세 흑연의 경우, 배합 시 충전제의 비산이 높아 손실이 많고, 물성의 저하를 야기시키는 것을 볼 수 있다. 분산이 제대로 되지 않아 측정부위 따라 열전도도가 상이하였다.

본 발명은 종래의 일반 충전제와 열전도성 충전제를 사용한 것에 비해 고무조성물의 물성을 저하시키지 않으면서, 원활한 배합공정을 가능하게 함으로써 작업공정성을 높이고, 열전도도를 현저히 향상시켜 가류 공정시간을 단축시킬 수 있는 고무조성물을 얻었다.

Claims

열전도도를 향상시키기 위한 가류 브래더용 고무 조성물에 있어서,

흑연을 함유한 화석을 채취하여 분리, 정제되거나 적어도 2000℃이상에서 하소시킨 결정화도(Lc)가 30㎚~300㎚이상이고 순도가 80%~99%이며, 첨가물 자체의 열전도도가 100W/mK~200W/mK인 고결정성 미세 흑연을 충전제로 사용하고;

부틸고무 65~100 중량부와, 수지가류 첨가제인 네오프렌(Neoprene) 1~35 중량부를 혼합한 원료고무 100 중량부에,

일반 충전제 10~60 중량부와;

상기 고결정성 미세 흑연 20~60 중량부와;

알킬페놀 가류수지 3~15 중량부와;

케스터오일 1~20 중량부와;

수지가교를 위한 산화아연 3~10 중량부를 첨가하여 사용하는 것을 특징으로 하는 가류 브래더용 고무 조성물.
열전도도를 향상시키기 위한 가류 브래더용 고무조성물의 혼합방법에 있어서,

첫번째 혼합 시, 고무(Polymer), 가공조제, 열전도성 첨가제, 오일 순으로 투입하는 단계와;

두번째 혼합 시, 첫번째 마스터 배치와 네오프렌(Neoprene)을 혼합한 뒤 일반 충전제 순으로 투입하는 단계와;

세번째 혼합 시, 두번째 마스터 배치(Master Batch)와 레진, ZnO순으로 혼합하는 세번의 혼합방식으로 제조하는 것을 특징으로 하는 가류 브래더용 고무 조성물의 혼합 방법.