KR100889788B1 - 금속이 담지된 실리카를 포함하는 타이어 트레드고무조성물 - Google Patents

금속이 담지된 실리카를 포함하는 타이어 트레드고무조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속이 담지된 실리카를 포함하는 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것으로서 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 금속이 담지된 실리카를 포함하도록 하여 전기전도성을 향상시켜 정전기를 방지할 수 있는 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
금속 담지 실리카, 니켈, 고무조성물, 타이어

Description

금속이 담지된 실리카를 포함하는 타이어 트레드 고무조성물{Tread rubber composition comprising silica filled metal}
본 발명은 금속이 담지된 실리카를 포함하는 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것으로서 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 금속이 담지된 실리카를 포함하도록 하여 전기전도성을 향상시켜 정전기를 방지할 수 있는 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
최근 소비자들의 다양한 요구를 충족시키기 위하여 회전저항 및 젖은 노면에서의 제동 성능이 향상된 타이어를 제조하기 위하여 보강충전제로서 카본블랙보다는 실리카의 사용량이 급격히 증가하고 있다.
기존의 타이어 트레드 고무조성물의 주된 보강제인 카본블랙은 전기전도체로서 차량에서 발생하는 정전기에 대한 방전 능력을 가지고 있지만, 전기적으로 절연체인 실리카의 경우 회전저항이나 젖은 노면에서의 제동성능 및 친환경 재료라는 측면에서 많은 이점을 가지고 있다.
그러나 실리카의 사용량이 많아짐에 따라 트레드 고무조성물 또한 전기적 저항이 높아지게 되고 이로 인해 주유중 화재와 같은 문제를 야기시킬 수 있다.
상기한 실리카로 보강된 트레드 고무조성물의 정전기 특성을 보완시키기 위해 몇 가지 방법들이 제안되어 있다. 첫 번째 방법으로 전기 전도도가 우수한 카본블랙을 일정량 투입하여 정전기 방출 특성을 개선하는 방법이 제안되었으나, 전도성 카본블랙의 경우 원가 상승의 문제점을 갖고 있다. 두 번째 방법으로 트레드 고무 조성물의 전도성 향상을 위하여 트레드부 가장자리를 카본블랙 베이스 고무조성물로된 시트를 부착하거나 트레드부에 전도성 물질을 삽입하여 정전기 방출 특성을 개선하는 방법이 제안되었으나, 제조 공정이 복잡해지고 타이어의 안정성이 떨어지는 문제점을 갖고 있다.
본 발명은 전기전도성을 향상시켜 정전기를 방지할 수 있는 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
본 발명은 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 금속이 담지된 실리카를 포함하도록 하여 전기전도성을 향상시켜 정전기를 방지할 수 있는 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
본 발명의 타이어 고무조성물은 전기전도성이 향상되어 본 발명의 고무조성물로 이루어진 고무를 타이어에 사용시 정전기를 방지할 수 있다.
본 발명은 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 원료고무 100중량부에 대하여 금속이 담지된 실리카 5∼20중량부 포함하는 타이어 트레드 고무조성물을 나타낸다.
본 발명에서 원료고무는 천연고무 또는 합성고무 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명에서 원료고무는 천연고무와 합성고무가 1:9∼9:1의 중량비로 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.
본 발명에서 원료고무는 천연고무와 2종 이상의 합성고무가 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.
본 발명에서 원료고무는 2종의 서로 다른 합성고무가 1:9∼9:1의 중량비로 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.
본 발명에서 원료고무는 3종 이상의 서로 다른 합성고무가 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.
상기에서 합성고무는 스티렌 부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 부틸고무, 이소프렌 고무, 에피클로로 히드린고무, 니트릴고무, 수소화된 니트릴고무, 이소프렌부타디엔고무, 폴리우레탄고무, 불소고무, 실리콘고무, 에틸렌프로필렌고무, EPDM고무, 하이팔론고무, 클로로프렌고무, 에틸렌비닐아세테이트고무, 아크릴고무 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기에서 원료고무의 일예로 스티렌 30∼50중량％, 비닐 10∼30중량％ 및 아로마틱 오일 20∼50중량％를 포함하는 유화중합 스티렌-부타디엔 고무와 스티렌 15∼40중량％를 포함하는 유화중합 스티렌-부타디엔 고무가 10:90∼90:10의 중량비로 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.
본 발명에서 충전제로서 금속이 담지된 실리카를 사용할 수 있다.
본 발명에서 충전제로서 금속이 담지된 실리카를 원료고무 100중량부에 대하 여 5∼20중량부를 사용할 수 있다.
상기에서 금속이 담지된 실리카를 원료고무 100중량부에 대하여 5중량부 미만 사용하면 고무조성물의 전기전도도 향상 효과가 미미하고, 20중량부 초과하여 사용하면 과량의 금속이 담지된 실리카의 사용에 의해 고무조성물의 물성이 오히려 감소할 우려가 있다. 따라서 충전제로서 금속이 담지된 실리카를 원료고무 100중량부에 대하여 5∼20중량부를 사용하는 것이 좋다.
상기에서 금속이 담지된 실리카는 실리카에 실리카 중량 대비 1∼20％의 금속이 담지된 것을 사용할 수 있다.
상기 금속이 담지된 실리카에서 금속 함량이 실리카 중량 대비 1％ 미만 사용하면 고무조성물의 전기전도도 향상 효과가 미미하며, 상기 금속이 담지된 실리카에서 금속 함량이 실리카 중량 대비 20％ 초과하여 사용하면 실리카 비표면적 감소에 따라 고무조성물의 물성이 감소할 우려가 있다. 따라서 금속이 담지된 실리카는 실리카에 실리카 중량 대비 1∼20％의 금속이 담지된 것을 사용하는 것이 좋다.
상기에서 금속이 담지된 실리카는 실리카 수용액에 금속을 첨가하고 300∼500℃에서 소성하여 금속을 실리카에 담지한 것을 사용할 수 있다. 이때 금속을 실리카 수용액에 첨가하고 소성시 소성온도가 300℃ 미만이면 실리카에 금속의 담지가 이루어지지 않으며, 소성온도가 500℃ 초과하여 사용되는 경우 금속 입자간의 응집이 발생하고, 실리카의 비표면적이 발생하여 고무조성물의 물성이 감소할 우려가 있다.
상기 금속이 담지된 실리카는 BET값이 100∼200m2/g, DBP흡착량이 240∼300ml/100g인 실리카에 금속을 담지시킨 것을 사용할 수 있다.
상기 금속이 담지된 실리카에서 실리카에 담지할 수 있는 금속은 니켈(Ni),철(Fe), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt) 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명에서 금속이 담지된 실리카의 일예로 니켈이 담지된 실리카를 사용할 수 있다.
본 발명에서 금속이 담지된 실리카는 공침법을 이용하여 얻은 것을 사용할 수 있다.
본 발명에서 금속이 담지된 실리카는 하기의 (1)단계 내지 (5)단계를 포함하는 공침법에 의해 얻을 것을 사용할 수 있다.
(1)공침 단계
. 금속 질화물(Nickel nitrate)을 실리카가 담긴 증류수에 넣고 용해시킨다. 이 수용액을 80∼100℃ 유지하면서 12∼24시간 교반을 실시한다.
. 이상의 단계가 완료되면 침전물이 생기는데 이 침전물을 여과지(filter paper)를 사용하여 여과해 준다. 여과된 침전물은 뜨거운 증류수로 여러 번 세척과 여과를 반복한다.
(2)건조
. 여과된 침전물을 90∼100℃ 정도의 온도에서 건조한다.
(3)소성
. 300∼500℃의 전기로에서 산소를 주입하거나 또는 대기중에서 3∼5시간 정도 하소를 시켜준다. 이 단계에서 금속은 금속산화물로 변하며 질산기가 제거된다.
(4)환원
. 300∼500℃의 전기로에서 수소와 아르곤을 공급하면서 20∼24시간 정도 환원을 시켜준다. 이 단계에서 금속산화물은 순수한 금속으로 만든다.
(5)부동태화
. 환원단계인 (4)단계가 끝나면 아르곤을 주입하면서 전기로의 온도를 상온으로 떨어뜨린다. 상온이 되면 산소와 아르곤을 공급하면서 3∼5시간 정도 유지시켜 준다.
본 발명에서 충전제는 상기에서 언급한 금속이 담지된 실리카 이외에 카본블랙, 실리카, 탄산칼슘(CaCO3), 클레이(Clay), 탈크(Talc), 신디오탁틱-1,2-폴리부타디엔(syndiotactic-1,2-polybutadiene, SPB) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 추가로 더 사용할 수 있다.
상기에서 금속이 담지된 실리카 이외의 충전제는 원료고무 100중량부에 대하여 5∼100중량부를 추가로 더 사용할 수 있다.
상기 카본블랙은 BET값이 120∼160m2/g, DBP흡착량이 110∼160ml/100g인 것을 사용할 수 있다.
상기 실리카는 상기에서 실리카는 BET값이 100∼200m2/g, DBP흡착량이 240∼300ml/100g인 것을 사용할 수 있다.
상기 신디오탁틱-1,2-폴리부타디엔(syndiotactic-1,2-polybutadiene, SPB)은 직경 0.01∼0.1㎛이고, 비표면적이 80∼90m2/g인 것을 사용할 수 있다.
상기 신디오탁틱-1,2-폴리부타디엔(SPB)은 직경 1∼10㎛이고, 비표면적이 100∼120m2/g인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 타이어 트레드 고무조성물에 대하여 다양한 성분, 함량을 적용한바, 본 발명의 목적에 부합하는 타이어 트레드 고무조성물을 얻기 위해서는 상기에서 언급한 조건의 타이어용 고무조성물이 바람직하다.
본 발명은 상기에서 언급한 원료고무, 충전제 이외에 종래 타이어 트레드 고무조성물에 사용되는 충전제, 노화방지제, 활성제, 공정오일, 가류제, 가류촉진제와 같은 각종 첨가제를 필요에 따라 적의 선택하여 소정의 함량으로 사용할 수 있다. 그러나 이들은 종래 타이어 트레드 고무조성물에 사용되는 일반적인 성분으로서 본원발명의 필수 구성성분이 아니므로 이하 자세한 내용은 생략하기로 한다.
본 발명은 상기의 타이어 트레드 고무조성물로 이루어진 고무를 포함한다.
본 발명은 상기의 타이어 트레드 고무조성물로 이루어진 고무를 함유하는 타 이어를 포함한다.
본 발명은 상기의 타이어 트레드 고무조성물로 이루어진 고무를 트레드로 함유하는 타이어를 포함한다.
상기에서 본 타이어 트레드 고무조성물로 이루어진 고무를 함유하는 타이어에 있어서, 타이어는 승용차용 타이어, 트럭용 타이어, 버스용 타이어, 오토바이용 타이어, 항공기용 타이어 중에서 선택된 어느 하나를 나타낸다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예 및 비교예에 의하여 보다 구체적으로 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 예에 지나지 않으며, 본 발명의 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
<실시예 1>
유화중합 스티렌 부타디엔 고무(E-SBR) 50중량부, 용액중합 스티렌 부타디엔 고무(S-SBR) 30중량부 및 부타디엔 고무(BR) 20중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여 실리카 55중량부, 카본블랙 5중량부, 니켈이 10wt％ 담지된 실리카 10중량부, 실란커플링제(실란(트리에톡시실리테트라설파이드, TESPT)) 5.2중량부, 산화아연(ZnO) 3중량부, 스테아린산(Stearic acid) 2중량부, 노화방지제(2,2,4-trimethyl-1,2-dihydroquinoline, RD) 4중량부를 반바리 믹서에서 배합하고 160℃ 온도에서 방출하여 고무배합물을 얻었다.
그런 다음 가류제로서 유황 2.2중량부, 가류촉진제로서 N-t-부틸벤조티아졸 설펜아미드(N-t-butylbenzothiazole sulfenamide, NS) 2.8중량부를 상기의 고무배합물에 첨가하고 110℃에서 10분 동안 가류하여 고무 시편을 제조하였다.
상기에서 카본블랙은 BET값이 140±5m2/g, DBP흡착량이 145±5ml/100g인 것을 사용하였다.
상기에서 실리카는 BET 135±5m2/g인 고분산 실리카(high dispersible silica)를 사용하였다.
상기에서 니켈이 10wt％ 담지된 실리카는 BET 135±5m2/g인 고분산 실리카에 니켈이 10wt％ 담지된 것을 사용하였다.
상기에서 니켈을 담지된 실리카는 공침법을 이용하여 니켈을 담지하였으며 담지 방법 아래의 A.단계 내지 E.단계로 실시하였다.
A. 공침 A계
. 금속 질화물(Nickel nitrate)을 실리카가 담긴 증류수에 넣고 용해시켰다.이 수용액을 90℃ 유지하면서 15시간 교반을 실시하였다.
. 이상의 단계가 완료되면 침전물이 생기는데 이 침전물을 여과지(filter paper)를 사용하여 여과해 준다. 여과된 침전물은 뜨거운 증류수로 3회 세척과 여과를 반복하였다.
B. 건조
. 여과된 침전물을 100℃의 온도에서 건조하였다.
C. 소성
. 400℃의 전기로에서 산소를 주입하면서 4시간 동안 하소를 실시하였다. 이 단계에서 금속은 금속산화물로 변하며 질산기가 제거된다.
D. 환원
. 450℃의 전기로에서 수소와 아르곤을 1:1의 부피비로 공급하면서 24시간 정도 환원을 시켜준다. 이 단계에서 금속산화물은 순수한 금속으로 만든다.
E. 부동태화
. 환원단계인 D단계가 끝나면 아르곤을 주입하면서 전기로의 온도를 상온으로 떨어뜨린다. 상온이 되면 산소와 아르곤을 공급하면서 4시간 정도 유지시켰다.
<실시예 2>
실리카 45중량부, 니켈이 10wt％ 담지된 실리카 20중량부를 사용하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하여 고무 조성물을 제조하였다.
<비교예 1>
실리카 65중량부를 사용하고, 니켈이 10wt％ 담지된 실리카를 첨가하지 않ㄴ는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 고무조성물을 제조하였다.
<표 1> 실시예 및 비교예의 고무조성(단위 : 중량부)
항목 비교예 실시예 1 실시예 2
E-SBR 50 50 50
S-SBR 50 50 50
BR 20 20 20
카본블랙 5 5 5
실리카 65 55 45
니켈 담지 실리카 - 10 20
커플링제 5.2 5.2 5.2
산화아연 3 3 3
스테아린산 2 2 2
노화방지제 5 5 5
가류제 2.2 2.2 2.2
가류촉진제 2.8 2.8 2.8
<시험예>
상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에서 제조한 고무시편을 ASTM 관련 규정에 의해 인장물성, 마모 및 동적특성 및 전기저항의 물성을 측정하고 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.
표 2. 실시예 및 비교예의 고무의 물성 결과
항목 비교예 실시예 1 실시예 2
경도 67 67 66
300% 모듈러스 (kg/cm2) 144 140 138
인장강도(kg/cm2) 170 173 172
신장율(%) 345 364 368
내마모특성(g) 0.112 0.116 0.113
유리전이온도 (Tg, ℃) -13 -13 -13
tanδ0℃ 0.445 0.448 0.449
tanδ70℃ 0.107 0.104 0.106
전기저항(Ω.cm) 인가전압:300V 7.68 ×1011 3.21 ×109 6.75 ×108
*Tan δ(0℃) : 타이어의 성능 중 젖은 노면 상태의 제동력(wet traction) 특성을 예측할 수 있는 값으로, 수치가 높을수록 우수하다.
*Tan δ(70℃) : 타이어의 성능 중 회전저항 특성을 예측할 수 있는 값으로, 수치가 낮을수록 우수하다.
상기 표 2에서처럼 본 발명의 니켈이 10wt％ 담지된 실리카를 첨가한 실시예1, 실시예 2의 고무조성물은 비교예의 고무조성물과 비교시 동등 수준의 인장물성, 동적점탄성 및 마모특성 등을 유지하면서, 300V 전압에 대한 전기저항이 낮아져 전기전도도가 우수한 것을 알 수 있다.
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.

Claims (4)

  1. 타이어 트레드 고무조성물에 있어서,
    원료고무 100중량부에 대하여 금속이 담지된 실리카 5∼20중량부 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드 고무조성물.
  2. 제1항에 있어서, 금속이 담지된 실리카는 실리카에 실리카 중량 대비 1∼20％의 금속이 담지된 것 임을 특징으로 하는 타이어 트레드 고무조성물.
  3. 제1항에 있어서, 금속이 담지된 실리카에서 금속은 니켈(Ni),철(Fe), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드 고무조성물.
  4. 특허청구범위 제1항의 고무조성물로 이루어진 고무를 포함하는 타이어.
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