KR100962630B1 - 저발열 타이어 언더트레드용 고무 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원료 고무; 및 천연 고무 70 내지 80 중량% 및 마이크로 캡슐 20 내지 30 중량%를 포함하는 혼합 마스터 배치;를 포함하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물로서, 상기 마이크로 캡슐은 하나 이상의 셀로 이루어지고, 상기 셀 내부에 상전이 물질을 포함하는 코어를 형성하며, 상기 마이크로 캡슐의 함량이 원료 고무 100 중량부 대비 1 내지 20 중량부인 것을 특징으로 하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 타이어 언더트레드용 고무 조성물은 고무의 인장 강도 및 저발열 성능의 향상의 효과를 동시에 얻을 수 있다.
타이어, 언더트레드, 저발열

Description

저발열 타이어 언더트레드용 고무 조성물{Rubber composition for low heat build up under tread}
본 발명은 타이어 언더트레드용 고무 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 우수한 고무의 인장 강도 및 우수한 저발열 성능의 타이어 언더트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.
타이어에서 언더트레드는 트레드부와 벨트부 사이에 위치하면서 벨트와의 접착성이 낮은 캡 트레드를 대신하여 접착층을 형성하여 캡 트레드 블록의 움직임을 방지하고 승차감을 향상시킨다. 또한 트레드 및 벨트부에서 발생하는 발열을 방지하여 타이어의 내구성을 향상시키고, 열에너지 손실을 줄여 회전저항을 감소시킴으로써 연비 성능을 향상시키는 역할을 한다.
언더트레드 고무를 포함하는 타이어의 고속 주행시 언더트레드의 발열을 억제시키기 위해서는 모폴로지 발달이 적은 카본블랙을 사용하거나 카본블랙의 양을 상대적으로 줄이는 방법이 있지만 이것은 언더트레드의 강성을 저하시키는 문제가 있다. 저발열성과 높은 강성을 동시 고려한 종래 기술로는 상전이 물질과 접착 증진제를 첨가하는 기술이 있지만 가공 과정에서 분산성이 매우 안 좋아 큰 효과를 발휘하지 못하는 단점이 있다. 이외에도 섬유 강화재로서 펄프화된 고 모듈러스의 경질봉 액정 섬유를 사용하는 기술과 보강 충전제로서 카본블랙의 일부를 실리카로 대체한 기술도 있지만 고무 조성물의 첨가량을 변화시켜 저발열 성능을 개선하려고 노력하였으나 주행시 트레드 부와 벨트 부의 온도 상승으로 인한 언더트레드의 고발열을 근본적으로 해결할 수 없었다.
따라서, 본 발명의 목적은 고무의 인장 강도 및 저발열 성능의 향상의 효과를 동시에 얻을 수 있는 타이어 언더트레드용 고무 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고무의 인장 강도 및 저발열 성능이 향상된 타이어 언더트레드를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원료 고무; 및 천연 고무 70 내지 80 중량% 및 마이크로 캡슐 20 내지 30 중량%를 포함하는 혼합 마스터 배치;를 포함하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물로서, 상기 마이크로 캡슐은 하나 이상의 셀로 이루어지고, 상기 셀 내부에 상전이 물질을 포함하는 코어를 형성하며, 상기 마이크로 캡슐의 함량이 원료 고무 100 중량부 대비 1 내지 20 중량부인 것을 특징으로 하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물을 제공한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 타이어 언더트레드용 고무 조성물로부터 제조된 타이어 언더트레드를 제공한다.
본 발명에 따른 타이어 언더트레드용 고무 조성물은 고무의 인장 강도 및 저발열 성능의 향상의 효과를 동시에 얻을 수 있다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 원료 고무; 및 천연 고무 70 내지 80 중량% 및 마이크로 캡슐 20 내지 30 중량%를 포함하는 혼합 마스터 배치;를 포함하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물을 제공한다.
상기 마이크로 캡슐은 하나 이상의 셀로 이루어지고, 상기 셀 내부에 상전이 물질을 포함하는 코어를 형성한다.
상기 본 발명에 따른 타이어 언더트레드용 고무 조성물에 포함되는 마이크로 캡슐은 천연 고무로 전처리되어 혼합 마스터 배치를 형성한 다음, 이를 원료 고무와 혼합함으로써 타이어 언더트레드용 고무 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 타이어 언더트레드용 고무 조성물은 원료 고무의 혼합성이 우수하여 마이크로 캡슐 사용시 발생하는 분산성의 저하로 인한 물성 저하를 보완할 수 있다.
상기 혼합 마스터 배치는 마이크로 캡슐을 천연 고무로 전처리하여 얻은 일종의 마이크로 캡슐과 천연 고무의 혼합 조성물로서, 상기 전처리 과정의 일례를 보다 구체적으로 설명하면, 블록 상태의 천연고무를 오픈밀에서 오랫동안 돌려 쉬트 상태로 만든 후 여기에 천연 고무 70 내지 80 중량% 및 마이크로 캡슐 20 내지 30 중량%를 넣고 싸서 오픈밀에서 돌려 믹싱한다. 쉬트를 식힌 후 압출기에 넣어 마스터 배치를 고 가레떡 모양으로 길게 뽑아내고 커터가 잘라낸다.
상기 혼합 마스터 배치 내의 천연 고무는 통상적으로 타이어 언더트레드용 고무 조성물로서 사용되는 것일 수 있고, 그 예로 자연에서 얻어지는 폴리이소프렌 등이 있다.
상기 혼합 마스터 배치의 구성은 천연 고무 70 내지 80 중량% 및 마이크로 캡슐 20 내지 30 중량%를 포함하고, 마이크로 캡슐이 20 중량% 미만으로 포함되는 경우 다른 배합제와 혼합비율을 바꾸게 되어 물성 저하를 일으키는 문제점이 발생할 수 있고, 30 중량% 초과하여 포함하는 경우 마이크로 캡슐의 분산성을 향상시키지 못해 인장강도 및 저발열 성능 향상에 효과가 없을 수 있다.
이와 같이 천연 고무로 전처리된 마이크로 캡슐을 포함함으로써, 마이크로 캡슐과 고무 매트릭스와의 결합력이 증대되어 가공 과정에서 분산성이 매우 향상되며, 마이크로 캡슐의 셀 구조가 파괴될 때 상전이 물질의 분산성을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 마이크로 캡슐은 원료 고무 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부, 바람직하게는 5 내지 15 중량부로 포함될 수 있다. 마이크로 캡슐이 원료 고무 100 중량부에 대하여 1 중량부 미만으로 포함되는 경우 고온에서 타이어 언더트레드의 온도 상승 방지 효과가 없어 고무의 강성 저하 방지 및 저발열 효과를 기대할 수 없고, 20 중량부 초과하여 포함되는 경우 고무의 경도가 높아져 성능 저하가 발생할 뿐만 아니라 압출시 찢김 현상이 발생한다.
상기 원료 고무는 천연 고무, 스티렌-부타디엔 고무 등 통상의 타이어 언더트레드용 조성물에 사용되는 것으로서, 천연 고무는 자연에서 얻어지는 폴리이소프렌이 바람직하고, 상기 스티렌-부타디엔 고무의 경우, 바람직하게는 미세구조 조성 중 스티렌 함량이 20 내지 25 중량%이고, 100℃ 무늬점도가 48 내지 58인 에멀젼 중합법으로 제조된 것을 사용할 수 있다. 스티렌-부타디엔 고무의 무늬점도가 높은 경우에는 가공이 어렵고, 상기 스티렌-부타디엔 고무를 너무 많이 사용하면 벨트부와의 접착력이 저하된다. 바람직하게는, 원료 고무는 천연 고무 50 내지 80 중량% 및 스티렌-부타디엔 고무 20 내지 50 중량%를 포함한다.
이하, 상기 마이크로 캡슐에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
상기 마이크로 캡슐은 하나 이상의 셀로 이루어질 수 있고, 상기 셀 내부로 상전이 물질을 포함하는 코어를 형성한다. 상기 셀은 아크릴산 에스테르 단량체, 방향족 비닐계 단량체, 시안화 비닐계 단량체 및 말레이미드 단량체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 단량체로 제조되는 것이 바람직하다.
상기 마이크로 캡슐을 형성하는 셀의 코어에 포함되는 상전이 물질 (Phase Change Material; 통상 'PCM'으로 명칭됨)은 일정한 온도 범위에서 온도의 변화 없이 고상에서 액상으로 또는 액상에서 기상으로 또는 그 역으로 상 (phase)이 변하면서 열에너지를 흡수 또는 방출할 수 있는 물질을 의미하고, 상 변화시 동일한 온도를 유지하면서 흡수 또는 방출하는 열을 잠열이라 한다.
즉, 상전이 물질은 고체에서 액체 상태로 바뀌는 상 변화 과정을 통하여 열을 흡수하여 잠열을 축적하게 되고, 역으로 상전이 물질이 액체에서 고체상태로 바 뀌는 응결점 이하의 온도로 내려가면 저장된 잠열을 방출하여 주변의 온도를 상승시키게 된다.
바람직하게는, 상기 상전이 물질은 응결점이 44.4℃ 내지 61.4℃의 범위를 갖고 탄소수 22 내지 28의 n-파라핀계, 고리형 파라핀계, 방향족 함유 파라핀계 화합물이고, 또한, 이들 중 1종 이상의 혼합물일 수 있다. 상기 파라핀계 화합물은 타이어용 고무 조성물에 포함되는 왁스와 유사한 물질로 주행 시 마이크로캡슐의 셀 구조가 파괴되더라도 고무 속으로 잘 분산될 수 있다는 이점이 있다. 보다 구체적인 상전이 물질의 예로는 옥타코산, 헵타코산, 헥사코산, 트리코산 등의 파라핀족 탄화수소와, 칼슘 클로라이드 헥사하이드라이드(CaCl2·6H2O), 리튬 나이트라이드 트리하이드라이드(Li3N·3H2O), 아연 나이트라이드 헥사하이드라이드(Zn3N2·6H2O) 등의 무기수산화염을 들 수 있다.
본 발명의 타이어 언더트레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 상전이 물질은 순수한 단일 물질을 단독으로 사용하는 것이 가능하지만, 순수한 단일 물질을 사용할 경우 좁은 온도 범위에서 상변화를 일으키게 되므로 상기 상전이 물질을 두 종류 이상을 혼합하여 공융 혼합물을 형성하거나 수화 정도를 조절하여 넓은 온도 범위에서 높은 열량의 출입을 동반한 상변화가 가능한 상전이 물질을 수득하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 마이크로 캡슐의 구조는 다수의 강직한 (rigid) 셀로 형성될 수 있고, 상기 셀 내부로 상전이 물질을 포함하는 코어 (Core)가 형성된다.
이때, 상기 상전이 물질을 마이크로 캡슐화 (microcapsulation)하는 셀의 제조에 사용되는 단량체는 아크릴산 에스테르 단량체, 방향족 비닐계 단량체, 시안화 비닐계 단량체 및 말레이미드 단량체 등에서 선택적으로 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다.
아크릴산 에스테르 단량체의 구체적인 예는 메틸메타그릴레이트, 2-에틸헥실메타크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 그리시딜메타크릴레이트 등을 들 수 있다. 방향족 비닐계 단량체의 구체적인 예는 스티렌, t-부틸스티렌, 메틸스티렌, 비닐톨루엔, 모노클로로스티렌, 디클로로스티렌, 디브로모스티렌, 에틸스티렌, 비닐나프탈렌, 디비닐벤젠 등을 들 수 있다. 시안화 비닐계 단량체의 구체적인 예는 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, 에타크릴로니트릴 등을 들 수 있으며, 말레이미드 단량체의 구체적인 예는 말레이미드,N-메틸말레이미드, N-에틸말레이미드, N-부틸말레이미드, N-헥실말레이미드, N-디클로로헥실말레이미드, N-페닐말레이미드, N-트리말레이미드 등을 들 수 있다.
본 발명은 상전이 물질이 함유된 마이크로 캡슐을 사용하여 고온에서의 인장 강도를 유지함과 동시에 저발열 성능을 향상시킬 수 있게 됨으로써, 고무의 인장 강도 및 저발열 성능의 향상의 효과를 동시에 달성할 수 없었던 종래 기술의 문제점을 극복할 수 있게 되었고, 특히 천연 고무-마이크로 캡슐 혼합 마스터 배치를 사용할 경우 마이크로 캡슐의 분산성을 극대화함으로써 보다 더 우수한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 타이어 언더트레드용 고무 조성물은 배합제를 더 포함 할 수 있다. 상기 배합제는, 공지된 타이어 언더트레드용 고무 조성물에 통상적으로 포함되는 것들이 사용될 수 있는바, 예를 들면, 카본블랙, 실리카, 실리카 커플링제, 산화아연, 스테아린산, 오일, 노화방지제, 왁스, 레진, 유황, 가황촉진제 등이 통상적인 방법에 의해 첨가될 수 있다. 상기 배합제는 원료 고무 100 중량부 기준으로 하여 60 내지 80 중량부의 함량으로 포함될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 본 발명에 따른 타이어 언더트레드용 고무 조성물에 의해 제조된 타이어 언더트레드를 제공한다.
상기 본 발명에 따른 타이어 언더트레드는 언더트레드에 분산된 상전이 물질이 주행시 캡트레드부와 벨트부에서 발생하는 열로 인해 언더트레드의 온도가 상승하는 것을 방지하여 주행시 언더트레드 강성의 저하를 막고 저발열 성능을 높임으로써 타이어의 내구성을 향상시킬 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.
실시예
가류 전 고무 시트는 하기 표 1에 기재된 배합 비율로 고무와 첨가제를 통상적인 혼합 방법에 의해 혼합하였으며, 혼합된 고무를 160℃에서 20분 동안 가류하여 측정 시편을 준비하였다. 한편, 상기와 같이 준비된 고무 조성물의 물성 결과는 하기 표 2에 나타내었고, 하기 표 3은 상기 비교예 및 실시예의 고무 조성물을 반제품으로 만들고 이 반제품을 포함하는 205/55R16 규격의 타이어를 제조하여 이 타이어에 대한 발열에 대한 상대 비율을 나타내었다.
고무 시트 성분비 (단위: 중량부)
성분 비교예 1 비교예 2 실시예 1 실시예 2
천연 고무 80 80 60 40
스티렌-부타디엔 고무1 ) 20 20 20 20
카본블랙2 ) 55 55 55 55
마이크로캡슐13 ) - 10 5 -
천연 고무-마이크로캡슐 혼합 마스터 배치4) - - 25(5) 50(10)
산화아연 3 3 3 3
스테아린산 1 1 1 1
프로세스 오일 8 8 8 8
노화방지제 3.5 3.5 3.5 3.5
왁스 1 1 1 1
유황 2.8 2.8 2.8 2.8
가류촉진제 1 1 1 1
주)
1) 유리전이온도 -54℃, 스티렌 함량 24%
2)요오드흡착 비표면적이 35 mg/g 이상이고 DBP(DiButyl Phthalate) 흡유량이 90mL/100g이다.
3) 응결점 61.4℃ 인 n-옥타코산이 상전이 물질로 코어를 형성하고 메틸메타크릴레이트 단량체가 중합되어 셀을 형성한 미국 Outlast Technogies 사의 ThermoculesTM이다.
4) 천연 고무 80%, 마이크로 캡슐 20%의 혼합 마스터 배치로 ( )안의 숫자는 혼합 마스터 배치 내 실질적인 마이크로 캡슐의 양을 의미하며, 혼합 마스터 배치 내의 천연 고무 양을 감안하여 원료 천연 고무의 양을 조절하였음.
고무 조성물 물성 결과
비교예 1 비교예 2 실시예 1 실시예 2
경도 57 58 60 62
300% 모듈러스 145 151 158 175
파단시 신장율(%) 410 407 412 405
25℃ 인장강도(kg/㎠) 213 210 212 215
80℃ 인장강도(kg/㎠) 165 169 172 186
60℃ G' (MPa) 51.4 52.2 53.0 57.2
비교예 1 비교예 2 실시예 1 실시예 2
발열1 ) (℃) 100 99 96 89
주)
1) 비교예 1을 100으로 가정했을 때 언더트레드부의 발열 상대 비율
상기 표 2 및 표 3의 결과로부터 실시예 1 및 2에 의한 고무 조성물의 경도 및 인장 강도가 비교예 1 및 2에 비하여 동등 이상으로 유지되면서 발열 지수가 낮은 것을 알 수 있으며, 특히 천연 고무-마이크로 캡슐 혼합 마스터 배치를 사용한 실시예 1 및 2의 경우가 마이크로 캡슐을 단독으로 사용하였을 경우에 비해 80℃ 인장강도 및 발열 지수에서 더 우수한 성능을 보임으로써 결과적으로 천연 고무-마이크로 캡슐 혼합 마스터 배치에 의한 분산성이 커진 결과를 확인할 수 있다.

Claims (5)

  1. 원료 고무; 및
    천연 고무 70 내지 80 중량% 및 마이크로 캡슐 20 내지 30 중량%를 포함하는 혼합 마스터 배치;를 포함하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물로서,
    상기 마이크로 캡슐은 하나 이상의 셀로 이루어지고, 상기 셀 내부에 상전이 물질을 포함하는 코어를 형성하며, 상기 마이크로 캡슐의 함량이 원료 고무 100 중량부 대비 1 내지 20 중량부인 것을 특징으로 하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상전이 물질은 응결점이 44.4℃ 내지 61.4℃이고, n-파라핀계, 고리형 파라핀계 및 방향족 함유 파라핀계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 캡슐을 형성하는 상기 셀은 아크릴산 에스테르 단량체, 방향족 비닐계 단량체, 시안화 비닐계 단량체 및 말레이미드 단량체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 단량체로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항에 있어서, 카본블랙, 실리카, 실리카 커플링제, 산화아연, 스테아린산, 오일, 노화방지제, 왁스, 레진, 유황 및 가황촉진제로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 배합제를 원료 고무 100 중량부 기준으로 하여 60 내지 80 중량부로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물.
  5. 제1항에 따른 타이어 언더트레드용 고무 조성물로부터 제조된 타이어 언더트레드.
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