KR100906734B1

KR100906734B1 - 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 포함하는 공기압타이어

Info

Publication number: KR100906734B1
Application number: KR1020070110815A
Authority: KR
Inventors: 이화정; 김학주
Original assignee: 한국타이어 주식회사
Priority date: 2007-11-01
Filing date: 2007-11-01
Publication date: 2009-07-07
Also published as: KR20090044637A

Abstract

본 발명은 고무 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물성의 저하를 방지하면서도 전기전도성을 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 포함하는 공기압 타이어에 관한 것이다.

본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무와 보강성 충진제를 포함하고, 원료고무 100 중량부에 대하여 유기물로 개질된 탄소나노튜브를 1 내지 10 중량부를 함유한다.

본 발명의 고무 조성물에 따르면 인장물성, 회전 저항 성능을 동등 수준 이상으로 유지할 수 있고, 동시에 고무 매트릭스내의 분산의 문제를 해결하여 전기전도성을 향상시킬 수 있다.

탄소나노튜브*타이어*트레드

Description

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 포함하는 공기압 타이어{Rubber composition for tire tread and pneumatic tire containing thereof}

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물성의 저하를 방지하면서도 전기전도성을 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 포함하는 공기압 타이어에 관한 것이다.

최근에 저연비 타이어의 개발이 주요관심사로 대두되고 있으며 타이어의 회전저항 감소를 실현시키기 위해 고무의 충진제로 널리 사용되어 오던 카본블랙 대신 실리카를 적용시키는 기술이 개발되고 있다.

실리카는 온도나 날씨 변화에 덜 민감하고 회전 저항이 적어 연비를 향상시키며 웨트 트렉션(wet traction) 성능을 향상시킬 수 있다. 하지만 실리카를 적용할 경우 실리카들이 서로 응집하려는 특성으로 인해 고무 매트릭스(matrix) 내의 고른 분산이 어려우며 절연성이 커서 차량에 발생하는 정전기를 외부로 배출하지 못하는 문제가 있다.

이러한 정전기 발생문제를 해결하기 위해 종래에 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT)를 적용한 고무조성물이 소개된 바 있었다. 탄소나노튜브는 강도, 전기 및 열 전도성 및 자성과 관련된 독특한 화학적 및 물리적 특성을 나타내기 때문에 관심이 커지고 있다. 탄소나노튜브를 첨가하면 튜브의 끝이 서로 맞닿아 하나의 큰 그물망을 형성하므로 정전기를 용이하게 방출시킬 수 있다. 그러나 탄소나노튜브가 가지는 강한 정전기적 인력으로 고무 매트릭스 내의 고른 분산이 어려우므로 탄소나노튜브를 첨가하기 위해서는 우선적으로 분산의 문제를 해결해야 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 탄소나노튜브의 표면을 개질하여 고무 매트릭스 내에 고르게 분산시켜 보강성과 전기전도성을 향상시킨 타이어 트레드 고무 조성물 및 이를 포함한 공기압 타이어에 관한 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

본 발명에 따른 고무 조성물은 원료고무와 보강성 충진제를 포함하고, 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 유기물로 개질된 탄소나노튜브를 1 내지 10 중량부를 함유한다.

이론적으로 예견되는 탄소나노튜브의 우수한 성질에도 불구하고, 제조된 탄소나노튜브 복합 재료의 물리적, 전기적 성질이 예견되는 정도에 못 미치는 이유는 다음의 두 가지를 들 수 있다.

가장 큰 문제점으로 튜브간의 강한 정전기적 인력으로 인하여 탄소나노튜브를 용매에 녹이거나 고분자로의 고른 분산이 어렵다. 또한 매끈한 튜브의 표면 때문에 튜브표면과 고분자간의 상호인력이 약할 경우 보강효과가 크지 않다.

따라서 본 발명에서는 고무 matrix 내에 탄소나노튜브의 고른 분산을 위해 탄소나노튜브 표면을 하기 [반응식 1]과 같은 방법으로 개질하여 사용한다.

[반응식 1] 탄소나노튜브의 표면 개질 반응

반응매질 및 촉매로서 폴리인산(polyphosphoric acid; PPA)을 사용하였으며 반응 중에 발생하는 수분을 제거하기 위한 탈수제로써 오산화인(phosphorus pentoxide; P₂O₅)을 사용한다. 고무와의 친화성을 높이기 위해 탄소나노튜브 표면은 벤조산(benzoic acid)을 가지고 있는 유기물을 이용해 개질한다.

한편, 상기 유기물은 벤조산(4-benzoic acid) 유도체인 화합물을 사용할 수 있으며, 본 발명의 예로써는 4-아미노 벤조산을 이용하여 탄소나노튜브의 표면을 개질한다.

한편, 상기 [반응식 1]의 MWNT는 다중벽나노튜브(Multi walled nanotube)를 의미한다.

그리고, 탄소나노튜브는 길이가 10 내지 100 ㎛ 인 것이 바람직하다. 탄소나노튜브의 길이가 10㎛미만이면 그 길이가 짧아 그물망처럼 넓게 퍼지기 어려워 전도도의 향상을 기대하기 어렵고 100 ㎛ 초과하게 되면 분산성의 어려움이 있다.

상기와 같은 방법으로 제조된 개질된 탄소나노튜브가 고무조성물에 첨가시 고른 분산으로 인해 정전기 방지 및 보강효과를 기대 할 수 있다.

본 발명의 고무 조성물은 원료고무에 보강제로서 실리카, 카본블랙, 커플링제, 연화제, 산화아연, 스테아린산, 가황제 및 가류촉진제를 첨가한 고무 조성물에 본 발명의 제조방법에 따라 제조한 탄소나노튜브를 첨가한 것이다.

본 발명에 사용되는 고무로는 합성고무, 천연고무와 합성고무의 혼합물로 된 배합고무 어느 것이나 사용이 가능하고 개질된 탄소나노튜브의 함량비율은 원료고무 100 중량부에 대하여 1~10중량부를 사용하여 고무 matrix내의 분산성을 향상시켜 보강성 및 전기전도도를 향상시킬 수 있다.

상기 개질된 탄소나노튜브를 1 중량부 미만으로 사용하면 보강성과 전기전도도의 향상 효과를 기대하기 어려우며 10 중량부를 초과하여 사용하면 고무조성물에 있어서 보강성 및 전기전도도 향상이 거의 이루어지지 않는다.

또한, 상기 보강성 충진제는 원료고무 100 중량부에 대하여 카본블랙 1 내지 100 중량부 포함되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기와 같이 유기물로 개질된 탄소나노튜브를 포함한 고무 조성물을 타이어 트레드에 사용하여 제조된 공기압 타이어는 차량에서 발생하는 정전기를 외부로 용이하게 배출할 수 있다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이상과 같은 본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 다음과 같은 효과를 제공한다.

탄소나노튜브의 표면을 개질하여 고무 매트릭스 내에 고르게 분산시켜 보강성과 전기전도성을 향상시킬 수 있다.

이하, 하기 실시예에 의해 본 발명을 보다 자세하게 설명하도록 하나, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것이 아님을 주지하여야 할 것이다.

< 실시예1 >

하기 [표 1]에 기재된 배합비와 같이 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 20 중량부와 천연고무 80 중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대해서 카본블랙 54중량부, 유기물로 개질된 탄소나노튜브 1중량부, 실란 커플링제 8중량부, 공정오일 8중량부, 산화아연 3중량부, 스테아린산 1중량부, 황 2.8중량부 및 가황촉진제 1중량부를 첨가하여 반바리 믹서에서 배합하여 고무조성물을 제조하였다.

< 실시예2 >

원료고무 100중량부에 대해서 카본블랙 50중량부, 개질된 탄소나노튜브 5중량부 사용하는 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 조건하에 고무조성물을 제조하였다.

< 실시예3 >

원료고무 100중량부에 대해서 카본블랙 45중량부, 개질된 탄소나노튜브 10중량부 사용하는 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 조건하에 고무조성물을 제조하였다.

< 비교예1 >

원료고무 100중량부에 대해서 실리카 55중량부를 사용하고, 탄소나노튜브를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예1과 동일한 조성 및 방법에 의해 고무조성물을 제조하였다.

< 비교예2 >

원료고무 100중량부에 대해서 카본블랙을 55중량부 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예1과 동일한 조성 및 방법에 의해 고무조성물을 제조하였다.

< 비교예3 >

원료고무 100중량부에 대해서 카본블랙을 50중량부 및 개질되지 않은 상태의 탄소나노튜브 5 중량부를 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예1과 동일한 조성 및 방법에 의해 고무조성물을 제조하였다.

비교예 및 실시예의 고무조성(단위: 중량부)

항목	비교예1	비교예2	비교예3	실시예1	실시예2	실시예3
스티렌 부타디엔 고무(SBR)	20	20	20	20	20	20
천연고무(NR)	80	80	80	80	80	80
실리카	55	-	-	-	-	-
카본블랙	-	55	50	54	50	45
탄소나노튜브	-	-	5	-	-	-
개질된 탄소나노튜브⁽¹⁾	-	-	-	1	5	10
실란커플링제	8	-	-	-	-	-
공정오일	8	8	8	8	8	8
산화아연	3	3	3	3	3	3
스테아린산	1	1	1	1	1	1
유황	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8
가황촉진제	1	1	1	1	1	1

㈜

(1) : 탄소나노튜브는 일진나노텍社의 CM-95 이고, 유기물인 4-아미노 벤조산에 의해 표면이 개질되었다.

상기 비교예 및 실시예에서 제조한 고무 시편의 평과 결과는 <표 2>와 같으며 하기의 방법에 따라 측정하였다.

(1) 인장 물성: 인스트롱 (Instron)시험기를 이용하여 ASTM D412 시험법에 따라 측정하였다.

(2) 점탄성 물성: DMTS(Dynamic Material Testing System) 시험기를 이용하여 10Hz, 정적 변형(static strain) 5%, 동적 변형(dynamic strain) 0.5%조건으로 -60℃에서 80℃까지 온도 변화(Temperature Sweep)를 측정하였다.

(3) 저항: 한국산업규격 ISO 2878에 준하여 측정하였다.

물성 측정 결과

구분		비교예1	비교예2	비교예3	실시예1	실시예2	실시예3
인장물성	경도	52	54	61	60	67	62
	100% 모듈러스(kgf/cm²)	20	21	23	32	34	35
	300% 모듈러스(kgf/cm²)	80	97	100	102	107	114
	신율(%)	532	498	480	461	464	388
	인장강도(kgf/cm²)	155	197	200	208	220	225
점탄성물성	0℃ tan δ	0.238	0.240	0.241	0.242	0.250	0.252
점탄성물성	60℃ tan δ	0.133	0.150	0.147	0.146	0.134	0.132
저항 (KΩ)	1KV	4.08E+04	264	77	43	5.4	4.9

상기 <표 2>의 결과에서처럼 개질된 탄소나노튜브에 의해 제조된 고무 조성물의 물리적 성질 및 전기 전도도는 향상되었으며 개질되지 않은 탄소나노튜브에 의해 제조된 비교예 3의 고무조성물의 경우 전기전도도를 나타내는 저항은 약간 감소하였으나 인장물성 및 점탄성 물성은 개선되지 않음을 알 수 있다.

비교예 1과 비교예 2를 비교할 때 실리카를 사용한 비교예1의 경우가 저항값이 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 실리카가 고무 매트릭스 내에서 서로 응집하려는 성질 때문이라고 볼 수 있다. 인장물성의 경우 비교예 1 과 비교예 2에 비해 개질된 탄소나노튜브를 사용한 실시예 1 내지 3의 경우가 경도 및 모듈러스, 인장강도 측면에서 우수한 성능을 나타내고 있다. 이에 반해 개질되지 않은 탄소나노튜브를 사용한 비교예 3의 경우 비교예 1, 2와 별다른 차이가 없음을 알 수 있다. 이는 탄소나노튜브가 고무 내에서 분산이 되지 않아 보강제로서의 역할을 하지 못했기 때문이라고 볼 수 있다.

점탄성 물성의 경우 실시예 2 와 실시예 3의 경우가 비교예 1 과 비교예 2의 경우보다 낮은 60℃ tan δ값을 가지거나 비슷한 수준을 보이므로 회전저항 성능이 향상되는 결과를 나타내고 있다. 저항 특성의 경우 실시예1 내지 2의 경우가 비교예1 내지 3에 비해 저항값이 현저히 낮아지는 것을 알 수 있으며 실시예 3의 경우 실시예 2와 비교시 저항값의 뚜렷한 감소가 나타나지 않았다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 개질된 탄소나노튜브의 함량이 5 중량부를 초과하면 전기전도도를 나타내는 저항값의 뚜렷한 감소를 기대할 수는 없지만, 10 중량부 이하로 사용시 인장물성 및 회전저항 성능의 개선을 기대할 수 있다.

따라서, 본 발명에서 개질된 탄소나노튜브는 원료고무 100 중량부 중에 1~10 중량부를 사용하는 것이 바람직하다.

Claims

원료고무와 보강성 충진제를 포함하고, 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 유기물로 개질된 탄소나노튜브를 1 내지 10 중량부를 함유하고,

상기 유기물은 벤조산 유도체인 것을 특징으로 하는 고무 조성물.
제1항에 있어서,

상기 벤조산 유도체는 4-아미노 벤조산인 것을 특징으로 하는 고무 조성물.
제1항에 있어서,

상기 탄소나노튜브는 촉매인 폴리인산(polyphosphoric acid)과 탈수제인 오산화인(phosphorous pentoxide)을 사용하여 표면이 개질되는 것을 특징으로 하는 고무 조성물.
제1항에 있어서,

상기 보강성 충진제는 원료고무 100 중량부에 대하여 카본블랙 1 내지 100 중량부 포함되는 것을 특징으로 하는 고무 조성물.
제1항에 있어서,

상기 탄소나노튜브는, 길이가 10 내지 100 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 고무 조성물.
제1항의 고무 조성물을 타이어 트레드에 사용하여 제조된 공기압 타이어.