KR100846361B1 - 타이어 트레드 고무조성물 - Google Patents

타이어 트레드 고무조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것으로 보다 상세하게는 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란(Dimethyl-dichlorosilane, DMDCS)으로 처리한 나노 필러를 포함하도록 하여 내마모특성 및 회전저항 특성을 향상시킬 수 있는 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
다이메틸-다이클로로실란, 실리카, 표면 처리, 트레드, 고무, 타이어

Description

타이어 트레드 고무조성물{Rubber composition for tire tread}
본 발명은 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것으로 보다 상세하게는 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란(Dimethyl-dichlorosilane, DMDCS)으로 처리한 나노 필러를 포함하도록 하여 내마모특성 및 회전저항 특성을 향상시킬 수 있는 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
종래 타이어 산업은 타이어 트레드의 연비저하와 낮은 회전저항 및 환경 친화적인 제품을 생산하기 위하여 트레드 고무조성물 내에 셀룰로오스와 같은 섬유질을 함유한 분체 가공품을 첨가하거나 보강제로 카본블랙을 사용하여 물성을 높이는 방법 등으로 발전해 왔다.
그러나 트레드 고무조성물에 포함된 셀룰로오스 분체가 고무성분과 화학적 결합을 형성하지 못하여 트레드 표면에서 석출되거나 보강성이 큰 카본블랙만을 첨가하는 경우 차량 주행 중 고무 발열을 증가시켜 타이어 내구성을 저하시킬 뿐만 아니라 타이어 제조 중에 고온을 발생시켜 고무의 점착성을 감소시키는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 고무조성물중에 충진제로서 카본블랙 대신 실리카를 적용하고 있다. 충진제로서 실리카를 적용하는 경우 회전저항 성능과 젖은 노면에서의 제동성능이 향상되지만 반면 실리카는 실리카 표면의 실라놀기가 고무와의 반응성이 낮을 뿐만 아니라 실리카는 응집성이 강하여 분산성이 낮고, 타이어의 내마모성이 저하되는 문제가 있다. 따라서 보강충진제로 실리카를 사용하는 경우 고분산성 실리카를 첨가하거나 실리카와 고무성분과의 결합력 향상을 위해 실란커플링제나 아민류를 첨가하여 실리카의 분산성을 개선하고 있다.
본 발명은 상기에서 언급한 일반 실리카를 고무조성물에 적용하였을 때 발생되는 마모문제를 해결하고 물성향상, 그리고 회전저항성능의 향상을 위하여 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란(Dimethyl-dichlorosilane, DMDCS)으로 처리한 나노 필러를 사용하여 내마모특성 및 회전저항 특성을 향상시킬 수 있는 타이어 트레드 고무조성물의 제공을 목적으로 한다.
한편 본 발명은 상기의 트레드 고무조성물로 이루어진 고무를 포함하여 내마모특성 및 회전저항 특성이 향상된 타이어의 제공을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란(Dimethyl-dichlorosilane, DMDCS)으로 처리한 나노 필러를 포함하 는 타이어 트레드 고무조성물을 나타낸다.
상기에서 나노 필러는 평균입경 1∼10nm, 비표면적 300∼380m2/g인 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란으로 처리하여 평균입경이 10∼30nm, 비표면적이 105∼145m2/g인 나노 필러를 얻을 수 있다.
상기에서 나노 필러는 평균입경 7nm, 비표면적 380m2/g인 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란으로 처리하여 평균입경이 27nm, 비표면적이 105∼145m2/g인 나노 필러를 얻을 수 있다.
상기에서 나노 필러는 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 용매에 실리카를 넣고 교반을 시키며 용매의 온도를 40∼50℃가 되도록 한 후 다이메틸-다이클로로실란을 상기 용매에 넣어 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란으로 처리하여 얻을 수 있다. 이때 미반응된 다이메틸-다이클로로실란은 에탄올로 세척하여 제거할 수 있다.
본 발명에서 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란으로 처리하여 얻은 나노 필러의 평균입경이 10nm 미만인 것을 사용하면 나노 필러의 분산성이 향상되지 못하고, 30nm 초과한 것을 사용하면 나노 필러의 분산성 향상에 대해 뚜렷한 효과의 상승이 없다. 따라서 본 발명에서 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란으로 처리하여 얻은 나노 필러는 평균입경 10∼30nm인 것을 사용하는 것이 좋다.
또한 본 발명에서 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란으로 처리하여 얻은 나노 필러의 비표면적이 105m2/g 미만인 것을 사용하면 충진제로서의 역할이 미미하고, 145m2/g 초과한 것을 사용하면 충진제로서의 뚜렷한 효과의 상승이 없다.
따라서 본 발명에서 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란으로 처리하여얻은 나노 필러는 평균입경 10∼30nm이고, 비표면적이 105∼145m2/g인 것을 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 타이어 트레드 고무조성물은 원료고무 100중량부에 대하여 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란으로 처리한 나노 필러 5∼35중량부를 포함할 수 있다.
본 발명에서 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란으로 처리하여 얻은 나노 필러를 원료고무 100중량부에 대하여 5중량부 미만 사용하면 충진제로서의 역할이 미미하고, 35중량부 초과하여 사용하면 충진제로서 뚜렷한 효과의 상승이 없이 과량의 나노 필러의 사용으로 인해 도리어 고무의 물성이 하락할 우려가 있다.
따라서 본 발명에서 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란으로 처리하여 얻은 나노 필러는 원료고무 100중량부에 대하여 5∼35중량부 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 타이어용 고무조성물에서 원료고무는 천연고무, 합성고무 및 천연고무와 합성고무가 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.
상기에서 천연고무와 합성고무가 혼합된 혼합고무를 원료고무로 사용하는 경 우 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 고무조성물에 있어서, 다양한 성분, 함량 등의 조건에 의해 타이어용 고무조성물을 적용한바, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 상기에서 언급한 조건의 타이어용 고무조성물이 바람직함을 알 수 있었다.
본 발명의 타이어용 고무조성물은 상기에서 언급한 원료고무, 나노 필러 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 고무조성물에 사용되는 일반적인 성분으로서 본원발명의 필수 구성성분이 아니므로 이하 자세한 내용은 생략하기로 한다.
한편 본 발명은 상기에서 언급한 타이어용 고무조성물에 의해 제조된 고무를 포함한다.
본 발명은 상기에서 언급한 타이어용 고무조성물에 의해 제조된 고무를 함유하는 타이어를 포함한다.
본 발명은 상기에서 언급한 타이어용 고무조성물에 의해 제조된 고무를 트레드를 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>
용액 중합 스티렌 부타디엔 고무(S-SBR1) 30중량부, 용액 중합 스티렌 부타디엔 고무(S-SBR2) 40중량부 및 천연고무(NR) 30중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여 카본블랙(N330) 32.4중량부, 실리카(Z-175) 30중량부, 공정오일(A#2) 12중량부, 실란커플링제(bis-(3-triethoxisilyl)-propyl-tetrasulfide, Si-69) 2.4중량부, 산화아연 3중량부, 스테아린산 2중량부를 밴버리 믹서에서 배합하여 고무배합물을 얻었다.
상기의 고무배합물에 가류제로서 유황 1.8중량부, 가류촉진제(N-cyclohexyl-2-benzothiazolsulfen amide, CZ) 1.5중량부를 첨가하고 160℃에서 30분 동안 가류하여 고무시편을 제조하였다.
하기 표 1에 비교예의 고무조성을 나타내었다.
<실시예>
용액 중합 스티렌 부타디엔 고무(S-SBR1) 30중량부, 용액 중합 스티렌 부타디엔 고무(S-SBR2) 40중량부 및 천연고무(NR) 30중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여 카본블랙(N330) 32.4중량부, 나노 필러 30중량부, 공정오일(A#2) 12중량부, 실란커플링제(Si-69) 2.4중량부, 산화아연 3중량부, 스테아린산 2중량부를 밴버리 믹서에서 배합하여 고무배합물을 얻었다.
상기의 고무배합물에 가류제로서 유황 1.8중량부, 가류촉진제(CZ) 1.5중량부를 첨가하고 160℃에서 30분 동안 가류하여 고무시편을 제조하였다.
상기에서 나노 필러는 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 용매에 평균입경 7nm, 비표면적 380m2/g인 실리카를 넣고 교반을 시키며 용매의 온도를 45℃가 되도록 한 후 다이메틸-다이클로로실란을 상기 용매에 넣어 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란으로 처리하여 평균입경이 27nm, 비표면적이 130±5m2/g인 것을 사용하였다.
하기 표 1에 비교예의 고무조성을 나타내었다.
표 1. 비교예 및 실시예의 고무 조성(단위 : 중량부)
항목 비교예 실시예
S-SBR1 30 30
S-SBR2 40 40
NR 30 30
카본블랙(N330) 32.4 32.4
실리카(Z-175) 30 -
나노 필러 - 30
공정오일(A#2) 12 12
커플링제(Si-69) 2.4 2.4
산화아연 3 3
스테아린산 2 2
유황 1.8 1.8
가류촉진제 1.5 1.5
* S-SBR1 : 스티렌 함량이 25%, 비닐 함량이 50%, 유리전이온도(Tg) -20℃인 용액 중합 스티렌 부타디엔 고무.
* S-SBR2 : 스티렌 함량이 21%, 비닐 함량이 58%, 유리전이온도(Tg) -27℃인 용액 중합 스티렌 부타디엔 고무.
<시험예>
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 고무시편에 대해 ASTM 관련 규정에 의해 경도, 300%모듈러스, 인장강도(Tensile strength), 신율(Elongation) 등의 인장물성, 발열성능, 컷/칩 특성 및 마모성능에 대한 물성을 측정하고 그 결과를 아래의 표 2에 정리하여 나타내었다.
표 2. 비교예 및 실시예 고무시편의 물성
항목 비교예 실시예
경도(shore A) 64 65
300%모듈러스(kg/cm2) 125 135
인장강도(kg/cm2) 160 196
신율(%) 350 440
유리전이온도(Tg)(℃) -23 -23
Tanδ0℃ 0.280 0.281
Tanδ70℃ 0.115 0.085
마모(DIN)(g) 0.138 0.101
* tan δ 0℃는 웨트 그립을 평가하는 지표로서 수치가 높을수록 웨트 그립 특성이 우수함을 의미한다.
* tan δ 70℃는 회전저항을 평가하는 지표로서 수치가 낮을수록 회전저항이 낮아 회전저항 특성이 우수함을 의미한다.
* 마모(DIN)는 수치가 낮을 수로 내마모특성이 우수함을 의미한다.
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.
상기 표 2의 시험예의 결과에서처럼 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란으로 처리한 나노 필러를 포함하는 본 발명의 실시예 고무는 단순히 실리카를 첨가한 고무에 비해 물성이 우수할 뿐만 아니라, 내마모특성과 회전저항 특성이 향상됨을 알 수 있다.

Claims (4)

  1. 타이어 트레드 고무조성물에 있어서,
    원료고무 100중량부에 대하여 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란으로 처리한 나노 필러 5∼35중량부를 포함하되, 상기 나노 필러는 평균입경이 10∼30nm, 비표면적이 105∼145m2/g이고, 하기의 (1)단계 내지 (2)단계로부터 얻을 수 있는 것 임을 특징으로 하는 타이어 트레드 고무조성물.
    (1)테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 용매에 평균입경 1∼10nm, 비표면적 300∼380m2/g인 실리카를 넣고 교반을 시켜 용매의 온도를 40∼50℃가 되도록 가열하는 단계,
    (2)상기 (1)단계에서 용매의 온도가 40∼50℃가 되면, 다이메틸-다이클로로실란을 상기 용매에 넣어 실리카의 표면을 다이메틸-다이클로로실란으로 처리한 나노 필러를 얻는 단계.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 특허청구범위 제1항의 고무조성물로 이루어진 고무를 포함하는 타이어.
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