KR100984773B1 - 승용차용 타이어 트레드용 고무조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 친환경 타이어 트레드 고무 조성물에 관한 것으로, 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 (E-SBR) 고무 30~45 중량부, 용액 중합 스타이렌 부타디엔 (S-SBR) 고무 30~45 중량부 및 네오디미움 부타디엔 고무(BR) 10~25 중량부를 포함하는 원료고무 100중량부에 대해, 보강성 충진제로 실리카 25 - 45 중량부, 카본 블랙 30 - 60 중량부, 연화제 20 - 40 중량부 포함하는 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물이다.
본 발명에 의한 고무조성물은 Handling 성능, 마모 성능, 연비 성능 및 제동 성능이 향상된다.
친환경 타이어*타이어 트레드*PAH*polycyclic aromatic hydrocarbon

Description

승용차용 타이어 트레드용 고무조성물{Rubber composition for tire tread of Passenger car}
본 발명은 친환경 타이어 트레드 고무 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스타이렌 부타디엔 고무 제조시 마모 및 연비 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 친환경적인 특성을 지닌 연화제에 마모 성능 및 제동 성능을 향상 시킬 수 있는 최적의 충진제 사용 및 배합고무의 유연성 및 가공성을 위해 친환경적인 연화제를 부가적으로 사용함으로써 Handling 성능, 마모 성능, 연비 성능 및 제동 성능을 향상시킨 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물에 관한 것이다.
승용차의 고성능화로 인해 소비자들은 타이어의 고성능화를 요구하고 있다. 특히 안정성과 저 연비성을 동시에 겸비하고 있는 타이어에 대한 요구로 새로운 신 개념 소재의 응용을 적극적으로 검토하고 있다. 이러한 타이어의 안정성과 저 연비성을 동시에 겸비한 타이어 기술은 특히 재료분야에서 상당한 진보를 가져왔다. 예를 들면, 기존의 유화중합으로 생산하던 스타이렌-부타디엔 공중합 고무를 용액 중합방식으로 생산하여 그 미세구조를 조정하는 기술이 상용화됨에 따라 안정성과 연 비 성능을 동시에 높이는 기술에 진일보를 가져왔다.
일반적으로 Tg(유리전이온도)가 낮은 고무를 사용하게 되면 타이어의 마모 성능 및 연비 성능을 향상시킬 수 있다고 알려져 있다. 허나 안정성(제동 성능)은 오히려 저하된다고 알려져 있다. 이러한 타이어의 안정성 저하를 보완하기 위해서 첫번째 보강성 충진제 사용량을 늘리게 되면 제동 성능은 향상되지만 연비 성능이 불리하게 되며, 둘째 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무의 미세구조 조정 즉 스타이렌 함량 및 비닐 함량을 늘이게 되면 제동 성능은 향상되지만 마모 성능이 불리하게 된다. 이렇게 타이어의 각 성능들은 한 가지 성능을 향상시키면 다른 한 가지 성능은 저하되는 현상을 보이기 때문에 한 가지 성능을 향상시키면서 다른 한 가지 성능 저하를 최소화 시키거나 나아가 동시에 두 가지 성능을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 바로 또 한 번의 진보에 중요한 관건이 될 것이다.
한편, 최근 유럽지역에서는 환경규제 관련하여 친환경적인 물질 사용에 대한 요구가 증대 되고 있다. 승용차용 타이어의 트레드 고무조성물의 첨가제 중 연화제는 여러 종류가 있으나, 일반적으로 방향족 오일(Aromatic Oil)이 정련 및 압출 공정에서 가공성 향상 및 최적의 물성을 구현하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 최근 환경의식 고조와 함께 방향족 오일 안에 폴리사이클릭 아로마틱 함량이 3 중량% 이상일 때는 암 유발 가능성이 높은 것으로 알려진바 유럽 고무협회 (BRIC) 에서 이 결과를 수용하여 대책 마련에 나섰으며, EU에서도 구체적인 사용 규제 방안을 마련하여, Benzo(a)pyrene함량이 1mg/kg, 8개 주요 PAH 물질 전체량이 10 mg/kg 보다 많거나, Polycyclic Aromatic 총 함량이 3 중량% 이상일 때는 판매를 금지하는 제도를 2010년 1월 1일 이후부터 시행하는 것을 법규화 함으로써 모든 타이어 제조사는 이를 시급히 해결해야 할 문제로 여기고 있다.
전술한 바와 같이 시장은 타이어의 고성능화와 친환경 재료 사용을 동시에 요구하고 있어 친환경 재료의 발굴과 이를 이용한 타이어 성능 향상에 관한 기술이 최근 업계의 화두로 떠오르고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 친환경적인 연화제를 사용하면서도 타이어의 내마모성, 제동성능 및 저연비 성능을 향상시킨 친환경 타이어트레드 고무조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 (E-SBR) 고무 30~45 중량부, 용액 중합 스타이렌 부타디엔 (S-SBR) 고무 30~45 중량부 및 네오디미움 부타디엔 고무(BR) 10~25 중량부를 포함하는 원료고무 100중량부에 대해, 보강성 충진제로 실리카 25 - 45 중량부, 카본 블랙 30 - 60 중량부, 연화제 20 - 40 중량부 포함하는 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물을 제공한다.
본 발명은 친환경 재료를 응용한 타이어 고성능화 기술 개발을 위하여 연구 한 결과, 고순도, 저온특성 및 연비 성능이 우수 하면서 친환경적인 특성을 지닌 오일을 사용하여 제조한 스타이렌-부타디엔 고무 내 스타이렌 및 비닐함량이 높은 고무와 선형도(Linearity)가 높은 부타디엔 고무에 저온 특성 및 연비 성능이 우수한 친환경적인 오일을 추가 유첨시키고 보강 충진제로 최적의 실리카 및 카본 블랙 함량을 적용함으로써 조정안정 성능, 마모 성능 및 제동 성능 향상된다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 조정안정성, 제동 성능, 마모 성능 및 연비 성능이 우수한 타이어 트레드 고무조성물은 공지의 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 원료고무 100 중량부 중에서 스타이렌 및 비닐 함량이 높은 용액 중합 스타이렌 부타디엔 고무(S-SBR) 30~45 중량부에 Tg가 낮은 특성을 지닌 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 고무 30 ~ 45 중량부, 내 마모성능이 우수한 부타디엔 고무(BR) 10~25 중량부, 실리카 20 - 40 중량부, 보강성이 우수한 카본블랙 40 ~ 60 중량부를 혼용함으로써 조정안정 성능, 연비 성능, 마모 성능 향상 및 제동 성능까지 동시에 향상 시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 고순도, 저온특성 및 연비 성능이 우수하면서 유해물질 함량이 최소화된 친환경적인 오일을 연화제로 사용함으로써 환경 친화적인 고무 조성물을 얻고자 한다
본 발명의 원료고무로서 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔(E-SBR) 고무는 바람직하게는 스타이렌 함량 22 - 27%, 비닐 함량 16% 이상, 유리전이 온도 -50 ~ -53℃인 것을 사용한다.
본 발명의 원료고무로서 용액 중합 스타이렌 부타디엔 (S-SBR) 고무는 바람직하게는 스타이렌 함량 40 - 45%, 비닐 함량 43% 이상, 유리전이온도 -29 ~ -32℃인 것을 사용한다.
본 발명의 원료고무로서 네오디미움 부타디엔 고무는 바람직하게는 유리전이온도는 -108 ~ -110℃, 시스함량 98% 이상, 분자량 분포도 2.1~3.1인 것을 사용한다.
그 함량은 10 내지 25 중량부 사용하는 것이 바람직한 바, 10 중량부 미만이면 마모성능이 저조한 문제가 있고, 25중량부 초과이면 가공성 저하 및 제동성능이 불리한 문제가 있다.
본 발명의 친환경 연화제는 바람직하게는 다음 표 1에 표시된 것과 같이Benzo(a)pyrene함량이 1mg/kg, 8개 주요 PAH 물질 전체량이 10 mg/kg 보다 적고, 동점도 98℃, 연화제 내 아로마틱계 성분 25 중량%, 나프텐계 성분 36% 및 파라핀계 성분 39 중량%인 것을 사용한다.
그 함량은 바람직하게는 20 내지 40 중량부 사용하는 바, 그 함량이 20 중량부 미만인 경우 가공성 및 제동 성능이 저조한 문제점이 있고, 40 중량부 초과하는 경우 가공성 및 마모 성능이 불리해지는 문제점이 있다.
표 1. 연화제내 포함되어 있는 유해성 PAH(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon) 성분
PAH 성분 화학기호 PAH 성분 화학기호
Benzo (a) Pyrene BaP C20 H12 Benzo (b) Fluoranthene BbFA C20 H12
Benzo (e) Pyrene BeP C20 H12 Benzo (j) Fluoranthene BjFA C20 H12
Benzo (a) Anthracene BaA C18 H12 Benzo (k) Fluoranthene BkFA C20 H12
Chrysene CHR C18 H12 Dibenzo (a,h) Anthracene BbFA C20 H12
카본블랙은 바람직하게는 30 내지 60 중량부 사용하는 바, 그 함량이 30 중량부 미만인 경우 마모 성능이 저조한 문제점이 있고, 60 중량부 초과하는 경우 가공성 및 제동성능이 불리해지는 문제점이 있다.
본 발명에 의한 고무조성물은 마모 성능에 유리한 시스함량이 98% 이상인 네오디미움 부타디엔 고무를 사용하고 유연성 및 가공성을 위해 친환경적인 연화제로 Benzo(a)pyrene함량이 1mg/kg, 8개 주요 PAH 물질 전체량이 10 mg/kg 보다 적은 오일을 사용하여 Handling 성능, 마모 성능, 연비 성능 및 제동 성능이 향상된다.
이하에 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 본 발명은 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
표 2. 비교예 및 실시예의 고무 조성물
항목 비교예1 비교예2 비교예 3 실시예1 실시예2
E-SBR 1 - 55 - - -
E-SBR 2 - 55 - - -
E-SBR 3 55 - - - -
E-SBR 4 55 - - - -
E-SBR 5 - - 55 55 57
E-SBR 6 - - 55 - -
S-SBR 1 - - - 55 53
BR-1 - 27.5 - - -
BR-2 20 20 20 20
실리카 37 37 37 35 37
카본블랙 48 48 48 50 50
Oil 5 5 6.5
내마모성 101 100 102 104 107
연비특성 101 100 103 104 106
제동특성 98 100 103 106 107
Handling 성능 5.75 5.75 6.0 6.25+ 6.75
* 노화방지제 : 4, 산화아연 : 2.7, 스테아린산 : 1.7, 유황 : 1.7, 가류촉진제 : 1.7은 모든 비교예 및 실시예에 공통으로 사용하였으며, 상기 스타이렌 부타디엔 고무는 고무내 Oil이 함유된 것임.
표 2에 명시되어 있는 고무 조성물의 성능은 다음과 같은 방법으로 비교하였다.
1) 내 마모성 지수 : 람본 마모 시험기로 시험, 지수가 클수록 내 마모성이 양호
2) 제동성능 및 연비 특성 : Rheometrics Dynamic Spectrometer로 측정, 지수 값이 클수록 제동 성능 및 연비 성능 양호
3) Handling 특성 : 발명에 제시된 고무 조성물을 타이어 트레드부에 적용하여 시험 타이어를 준비하고 준비된 시험 타이어를 차량에 직접 장착하여 여러 가지 조종성 및 안정성을 평가한 결과로 수치가 높을수록 양호(규격 : 195/65R15T).
[비교예 1]
부타디엔 2 고무 20 중량부, 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 3 (E-SBR 3) 고무 55 중량부 및 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 4 (E-SBR 4) 고무 55 중량부에 대하여 실리카 37 중량부, 질소 흡착 비표면적이 135 ~ 155 mg/g, DBP 흡유량이 125 ~ 145 cc/100g, TINT 값이 125 ~ 145 이고 ASD가 21 ~ 31인 카본 블랙 48 중량부, 노화방지제 4 중량부, 산화아연 2.7 중량부, 스테아린산 1.7 중량부, 유황 1.7 중량부, 가류촉진제 1.7 중량부의 배합비로 배합하여 고무 조성물을 제조하여 이를 160℃ 에서 가류시켜 고무 시편을 제조하였다.
[비교예 2]
표 2와 같이 부타디엔 1 고무 27.5 중량부, 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 1 (E-SBR 1) 고무 55 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 하여 시편을 제조하였다.
[비교예 3]
부타디엔 2 고무 20 중량부, 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 5 (E-SBR 5) 고무 55 중량부 및 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 6 (E-SBR 6) 고무 55 중량부에 연화제내Benzo(a)pyrene함량이 1mg/kg, 8개 주요 PAH 물질 전체량이 10 mg/kg 보다 적고, 동점도가 98℃, 아로마틱계 성분이 25 중량%, 나프텐계 성분이 36% 및 파라핀계 성분이 39 중량%인 Low PAH (Polycyclic Aromatic Hydrocarbon) Oil 5.0 중량부 사용하는 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 하여 시편을 제조하였다.
[실시예 1]
에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 5 (E-SBR 5) 고무 55 중량부 및 용액 중합 스타이렌 부타디엔 1 (S-SBR 1) 고무 55 중량부에 보강 충진제로 실리카 35 중량부, 카본 블랙 50 중량부 사용하는 것을 제외하고는 비교예 3과 동일하게 하여 시편을 제조하였다.
[실시예 2]
에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 5 (E-SBR 5) 고무 57 중량부 및 용액 중합 스타이렌 부타디엔 1 (S-SBR 1) 고무 53 중량부에 보강 충진제로 실리카 37 중량부에 연화제내Benzo(a)pyrene함량이 1mg/kg, 8개 주요 PAH 물질 전체량이 10 mg/kg 보다 적은 LPAH Oil 6.5 중량부 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 시편을 제조하였다.
표 3. S-SBR 특성 비교
SBR 종류 Styrene 함량(%) Vinyl 함량(%) Tg(℃) Extended Oil 종류
E-SBR 1 20~25 16 -48 ~ -51 A#2
E-SBR 2 37~43 16 -34 ~ -37 A#2
E-SBR 3 20~25 16 -48 ~ -51 TDAE
E-SBR 4 37~43 16 -34 ~ -37 TDAE
E-SBR 5 22~27 16 -50 ~ -53 TDAE
E-SBR 6 38~45 16 -36 ~ -39 TDAE
S-SBR 1 40~45 48 -29 ~ -32 TDAE
1. Oil : 연화제내 Benzo(a)pyrene함량이 1mg/kg, 8개 주요 PAH 물질 전체량이 10 mg/kg 보다 적고, 동점도가 98℃, 아로마틱계 성분이 25 중량%, 나프텐계 성분이 36% 및 파라핀계 성분이 39 중량% 함유된 것이다.
2. 제동 성능 및 연비 성능 : 0.5% strain, 10 Hz, Temp. sweep에 의하여 0℃ tanδ 및 60℃ tanδ를 측정.
부타디엔 고무 1 (분자량 1,000,000)과 2(분자량 650,000)는 분자량의 차이로 인해 고무 조성물 내에서 다른 성능을 발휘한다. 부타디엔 2 고무의 경우는 부타디엔 1 고무에 비하여 연비 성능은 우수하지만 마모 성능 및 제동 성능은 불리한 경향을 보인다.
이러한 단점을 보완하기 위해서 본 발명에서는 첫번째로, 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 고무의 미세 구조를 마모 성능, 제동 성능 및 조정안정 성능에 유리하도록 고안하여 적용하였으며 여기에 유리 전이 온도가 낮은 Oil을 적용 하여 연비 및 마모 성능을 추가적으로 보완하여 적용하였다.
비교예 3은 이러한 개선된 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 고무를 적용하였을 경우의 효과를 잘 나타내주고 있다. 두번째로, 실시예 1에서는 용액 중합 스타이렌 부타디엔 고무의 미세구조를 제동 성능에 유리하도록 고안하여 적용하였으며, 여기에 마모 성능 저하 방지를 위해 충진제의 최적 첨가량을 적용함으로써 연비 성능의 저하 없이 마모 성능, 제동 성능 및 조정안정 성능이 향상 된다는 것을 알았다.
따라서 본 발명에서는 실시예 1 대비 최적의 고무 배합비에 고무 조성물의 성능을 극대화 시키는 최적량의 충진제 사용 및 마모 성능이나 연비 성능이 우수한 Oil을 더 사용함으로써 마모 성능, 연비 성능, 제동 성능 및 조종안정 성능을 동시 에 향상시킬 수 있는 타이어 트레드 고무 조성물을 획득할 수 있었다.

Claims (5)

  1. 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 (E-SBR) 고무 30~45 중량부, 용액 중합 스타이렌 부타디엔 (S-SBR) 고무 30~45 중량부 및 네오디미움 부타디엔 고무(BR) 10~25 중량부를 포함하는 원료고무 100중량부에 대해, 보강성 충진제로 실리카 25 - 45 중량부, 카본 블랙 30 - 60 중량부, 연화제 20 - 40 중량부 포함하며,
    스타이렌 함량 22 - 27%, 비닐 함량 16% 이상, 유리전이 온도 -50 ~ -53℃인 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔(E-SBR) 고무 및 스타이렌 함량 40 - 45%, 비닐 함량 43% 이상, 유리전이 온도 -29 ~ -32℃인 용액 중합 스타이렌 부타디엔 (S-SBR) 고무를 포함하는 것을 특징으로 하는 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 네오디미움 부타디엔 고무의 유리전이 온도는 -108 ~ -110 ℃, 시스함량 98% 이상, 분자량 분포도 2.1~3.1인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드 고무 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 연화제는 다음 표 1에 표시된 것과 같이 연화제내Benzo(a)pyrene함량이 1mg/kg, 8개 주요 PAH 물질 전체량이 10 mg/kg 보다 적고 동점도 98℃, 연화제 내 아로마틱계 성분 25 중량%, 나프텐계 성분 36% 및 파라핀계 성분 39 중량%인 것을 특징으로 하는 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물.
    표 1. 연화제내 포함되어 있는 유해성 PAH(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon) 성분
    PAH 성분 화학기호 PAH 성분 화학기호 Benzo (a) Pyrene BaP C20 H12 Benzo (b) Fluoranthene BbFA C20 H12 Benzo (e) Pyrene BeP C20 H12 Benzo (j) Fluoranthene BjFA C20 H12 Benzo (a) Anthracene BaA C18 H12 Benzo (k) Fluoranthene BkFA C20 H12 Chrysene CHR C18 H12 Dibenzo (a,h) Anthracene BbFA C20 H12
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