KR101007983B1

KR101007983B1 - 승용차용 타이어 트레드 고무조성물

Info

Publication number: KR101007983B1
Application number: KR1020070124674A
Authority: KR
Inventors: 나육열; 전일환
Original assignee: 한국타이어 주식회사
Priority date: 2007-12-04
Filing date: 2007-12-04
Publication date: 2011-01-14
Also published as: KR20090058060A

Abstract

본 발명은 친환경 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물에 관한 것으로, 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 고무(E-BR) 70~90 중량부 및 부타디엔 고무(BR) 10~30 중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대해, 카본 블랙 60~80 중량부, 친환경 연화제 1~10 중량부를 포함하는 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물이다.

본 발명에 의한 고무조성물은 친환경적인 연화제를 이용하여 제조한 고무를 사용하여 마모와 기타 성능의 하락 없이 RR 성능 및 웨트 제동 성능이 향상된다.

친환경*타이어 트레드*PAH*polycyclic aromatic hydrocarbon

Description

승용차용 타이어 트레드 고무조성물{Rubber composition for tire tread of passenger car}

본 발명은 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 친환경적인 연화제를 이용하여 제조한 고무를 사용하여 마모와 기타 성능의 하락 없이 RR 성능은 및 웨트 제동 성능을 향상시킨 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물에 관한 것이다.

차량 보급율 증가에 따른 소비자들의 의식 수준 향상 및 차량의 고성능화와 더불어 운전자들은 타이어에 대한 관심과 중요성을 인식하고, 보다 향상된 타이어 성능을 요구하고 있다. 특히 조종 안정성과 저연비성이 양립하는 타이어에 대한 요구로 신소재의 응용을 적극적으로 검토하고 있다.

이러한 타이어의 조정 안정성과 저 연비성을 동시에 만족하게 하는 타이어 기술은 재료분야의 진보를 통해 발전하게 되었다. 예를 들면, 기존의 유화중합으로 생산하던 스타이렌-부타디엔 공중합 고무를 용액 중합방식으로 변경 생산함에 따라 미세구조를 조정하는 기술이 상용화 되었으며, 이로 인해 안정성과 저연비성을 동시에 높이는 타이어 기술이 진일보하는 기회가 되었으며, 실리카라는 무기보강제의 출현으로 카본블랙으로 대표되던 유기 보강 충진제의 한계를 극복하여 타이어의 고성능화를 위한 또 한 번의 벽을 허물게 되었다. 이러한 재료 이외에도 수많은 재료들이 타이어의 성능 증가를 위해 사용되고 있다.

승용차용 타이어의 트레드 고무조성물의 첨가제 중에서 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 함량(Polycyclic Aromatic Hydrocarbone, 이하 PAH라 한다.)이 3 중량% 이상일 때는 암 유발 가능성이 높은 것으로 알려져 유럽 고무협회 (BRIC) 에서는 이에 대한 대책 마련에 나섰으며, EU에서도 구체적인 사용 규제 방안을 마련하였다.

그에 대한 구체적인 내용은 다음과 같다. DMSO (Dimethylsulfoxide) 추출법에 의해 추출하여 오일 내 폴리사이클릭 아로마틱 함량이 3중량% 이상일 경우 2010. 01. 01 이후부터 판매를 금지한다는 내용이다. 이로써 모든 타이어 메이커는 이에 대한 사태의 심각성을 느껴 시급히 해결해야 할 문제로 여기고 있다.

현재 유럽지역은 단일 통화를 사용하고 있으며, 동물 및 환경 문제에 매우 민감하기 때문에 유독 물질을 함유한 제품은 2010. 01. 01 이후 판매가 금지 되기 때문에 타이어 제조에 있어서 Low PAH Compound 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

그래서 구름저항(Rolling resistance) 성능은 동등으로 유지 하면서 웨트 제동 및 조정 안정 성능을 향상시키기 위해 Tg(유리전이온도)가 높은 스타이렌-부타디엔 고무를 사용하거나, 카본블랙과 같은 보강제의 사용량을 줄여서 문제 해결을 시도하였으나 이것 역시 제동 및 조종 안정성능을 크게 향상시키지는 못하였다.

상기한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 친환경적인 연화제를 사용하면서도 구름저항 성능은 동등으로 유지 하면서 웨트 제동 및 조정 안정 성능을 향상시킨 승용차용 타이어 트레드 고무조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 고무(E-SBR) 70~90 중량부 및 부타디엔 고무(BR) 10~30 중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대해, 카본 블랙 60~80 중량부, 친환경 연화제 1~10중량부를 포함하는 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물을 제공한다.

본 발명의 승용차용 타이어 트레드용 고무 조성물은 스타이렌-부타디엔 고무 제조시 마모 및 저연비 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 친환경적인 특성을 부여하기 위한 연화제가 사용된 Rubber를 사용하며, 배합고무의 유연성 및 가공성을 위해 친환경적인 연화제를 부가적으로 사용함으로써 타이어의 내마모성, 저 연비성 및 제 동성능을 향상시킬 수 있다. 이때 사용되는 친환경적인 연화제는 PAH (Polycyclic Aromatic Hydrocarbon)의 양을 줄이기 위해 Free Oil을 사용하지 않는 대신 DMSO추출 시 PAH함량이 3중량% 이하인 Low PAH Oil 오일을 사용하였다.

본 발명의 고무조성물은 고순도, 저온특성 및 내 발열성능이 우수 하면서 친환경적인 특성을 지닌 오일을 유첨시킨 분자량이 큰 유화 중합 스타이렌 부타디엔 고무에 충진제로 보강성이 우수한 카본블랙을 적용함으로써 내마모성 및 제동성능 향상 뿐만 아니라 저연비 특성까지 개선된다.

또한, 본 발명에서는 유해물질을 최소화하기 위하여 폴리사이클릭 아로미틱 하이드로카본(PAH) 대신 이와 동등 이상의 성능을 발휘할 수 있는 친환경적인 가공 조제를 원료고무 100중량부에 대해1~10 중량부를 첨가함으로써 환경 친화적인 고무 조성물을 얻는다.

본 발명의 승용차용 타이어 트레드 고무조성물은 원료고무로서 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔은 친환경적인 특성을 지닌 오일을 유첨 시킨 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 고무를 70~90중량부 및 부타디엔 고무 10 ~30 중량부 사용한다. 사용한다.

에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 고무 함량이 70중량부 미만이면 웨트제동성이 저하되며, 90중량부 초과이면 타이어의 마모성능이 저하되는 문제가 있다.

에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 고무(E-SBR)는 스타이렌 함량 22 - 27%, 분자량이 890,000 이상, 유리전이 온도가 -51 ~ -55℃의 값을 가지는 것이 바람직하다.

카본블랙은 바람직하게는 질소 흡착 비표면적 80 ~ 100 m²/g, DBP 흡유량 115 ~ 135 cc/100g, TINT 값 85~105이 바람직하며, 원료고무 100중량부에 대하여 60~80중량부 사용하는 바, 그 함량이 60중량부 미만인 경우 구름저항이 감소하지만, 마모성능이 저하되며, 80 중량부 초과하는 경우 증가한 필러(카본블랙)에 의해 구름저항이 증가하는 문제점이 있다.

본 발명에서는 친환경 연화제를 1~10중량부 사용하는 바, 연화제 함량이 1 중량부 미만인 경우 가공성 및 웨트 트렉션이 저하되며, 10 중량부를 초과하는 경우 구름저항이 증가하는 문제점이 있다.

친환경 연화제는 DMSO측정법에 의한 시험시 PAH(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon) 성분의 총 함량이 3 중량% 이하, 동점도가 95℃, 연화제 내 아로마틱계 성분이 15 - 25 중량%, 나프텐계 성분이 27 - 37% 및 파라핀계 성분이 38 - 58 중량%인 것이 바람직하다.

이하에 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 본 발명은 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

물성 측정은 다음과 같은 방법에 의하였다.

1) 내마모지수 : 람본 마모 시험기로 시험, 지수가 클수록 내마모성이 향상된다.

2) 웨트 제동성 (WET BRAKING) 및 히스테리시스 로스 (HYSTERESIS LOSS) : RHEOMETRICS DYNAMIC SPECTROMETER로 측정, 지수 값이 클수록 제동 성능 및 내발열 성능 우수를 나타낸다.

[비교예 1]

하기의 표 1과 같이 부틸고무 25 중량부, 스타이렌 부타디엔 2 고무 103 중량부에 대하여 통상적으로 고무조성물의 첨가제로 사용하는 질소흡착 비표면적이 80 ~ 105 mg/g, DBP 흡유량이 115 ~ 135인 카본블랙 62 중량부, 아연화 2.7 중량부, 스테아린산 1.2 중량부, PAH 함량이 3.0 중량% 이상, 동점도가 90 (210 ℉ SUS), 아로마틱계 성분이 40 중량%, 나프텐계 성분이 30% 및 파라핀계 성분이 25 중량%인 폴리사이클릭 아로마틱Oil 6.5 중량부, 유황을 2 중량부의 배합비로 배합하여 고무 조성물을 제조하여 이를 160℃ 에서 가류시켜 고무 시편을 제조하였다.

[비교예 2]

PAH 함량이 3 중량% 이하, 동점도가 95 (210 ℉ SUS), 아로마틱계 성분이 20 중량%, 나프텐계 성분이 32% 및 파라핀계 성분이 48 중량%인 Low PAH Oil 6.5 중량 부 를 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 고무조성물을 제조하였다.

[실시예 1]

PAH 함량이 3.0 중량% 이하, 동점도가 95℃, 아로마틱계 성분이 20 중량%, 나프텐계 성분이 32% 및 파라핀계 성분이 48 중량%인 Oil-B 4 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 하여 시편을 제조 하였다.

[실시예 2]

유황을 1.8 중량부 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

[실시예 3]

스타이렌 부타디엔 2고무 110 중량부, Oil-B 2 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

[실시예 4]

유황을 1.7 중량부 사용하는 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

표1. 비교예 및 실시예의 고무 조성물

항목	비교 예1	비교예 2	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4
E-SBR 1	-	103	-	-	-	-
E-SBR 2	103	-	103	103	110	110
BR	25	25	25	25	20	20
카본블랙	62	62	62	62	62	62
Oil-A	-	6.5	-	-	-	-
Oil-B	6.5	-	4	4	2	2
유황	2.0	2.0	2.0	1.8	1.8	1.7
경도	58	60	61	60	60	60
내마모성	101	100	103	105	107	109
연비특성⁹	103	100	104	102	102	103
제동특성	96	100	99	100	102	103

* 노화방지제 : 2.1, 산화아연 : 2.7, 스테아린산 : 1.2, 가류 촉진제 : 1.0은 모든 비교 예 및 실시 예에 공통으로 사용하였음.

표 2. E-SBR 특성 비교

E-SBR 종류	Styrene 함량(%)	분자량	Tg(℃)	Extended Oil 종류
E-SBR 1	20~25	760,000	-48 ~ -51	Aromatic oil
E-SBR 2	22~27	890,000	-51 ~ -55	TDAE

1. Oil - A : PAH 함량이 3.0 중량% 이상, 동점도가 90 (210 ℉ SUS), 아로마틱계 성분이 40 중량%, 나프텐계

성분이 35% 및 파라핀계 성분이 25 중량% 함유된 것이다.

2. Oil - B : PAH 함량이 3.0 중량% 이하, 동점도가 95 (210 ℉ SUS), 아로마틱계 성분이 20 중량%, 나프텐계 성분이 32% 및 파라핀계 성분이 48 중량% 함유된 것이다.

3. 경도 (shore-A): ASTM관련 규정에 의해 측정한 값을 기재함

4. 웨트 제동 성능 및 히스테리시스 로스 : 0.5% strain, 10 Hz, Temp. sweep에 의하여 0℃ tanδ 및 60℃ tanδ를 측정.

Oil-A (Aromatic oil)와 Oil-B (TDAE oil)는 구성 성분의 차이로 인해 유리전이 온도(Tg)가 서로 달라 고무 조성물 내에서 서로 다른 성능을 발휘한다. Oil-B의 경우는 Oil-A에 비하여 유리전이 온도가 낮아 내마모 성능이나 연비 성능 측면에서 Oil-A에 비해 우수하지만 제동 성능 및 경도 측면에서는 불리한 경향을 보인다.

이는 표 1의 비교예 1및 2의 성능 시험 결과에서 잘 나타나고 있다. 이러한 Oil-B의 장점을 살리면서 단점을 보완하기 위해서 본 발명에서는 첫번째로, Oil-B (LPAH)의 함량을 줄여, 비교 예 1 대비 제동 특성의 하락 없이 내마모성, 연비성능 및 경도가 상승됨을 알 수 있었다(실시예 1).

또한, 실시예 2에서와 같이 가류계의 조정을 통해 기존 예와 동일한 경도 값을 구현해 낼 수 있었으며, 내마모성이 향상되는 결과를 얻었다.

실시예 3은 Low_PAH Oil 이 사용된 E-SBR 2의 함량을 증가시켜, 연비특성의 저하 없이 제동특성 및 내마모성을 증가시킬 수 있었다.

그래서, 본 발명에서는 실시예 3 대비 고무 조성물의 성능을 극대화 시키는 최적량의 유황을 사용함으로써 내마모성, 연비성능 및 제동성능을 동시에 향상시킬 수 있는 친환경 타이어 트레드 고무 조성물을 획득할 수 있었다.

Claims

에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 고무(E-SBR) 70~90 중량부 및 부타디엔 고무(BR) 10~30 중량부로 이루어진 원료고무 100중량부(오일을 제외한 함량)에 대해, 카본 블랙 60~80 중량부, 친환경 연화제 1~10 중량부를 포함하고,

상기 연화제는 PAH(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon) 성분의 총 함량이 3.0 중량% 이하이고, 동점도가 95 (210 ℉ SUS), 연화제 내 아로마틱계 성분이 15~25 중량%, 나프텐계 성분이 27~37% 및 파라핀계 성분이 38~58 중량%인 TDAE(Treated Distillate Aromatic Extracts) 오일인 것을 특징으로 하는 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 고무(E-SBR)는 스타이렌 함량 22 - 27%, 분자량이 890,000 이상, 유리전이 온도가 -51 ~ -55℃의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 카본블랙은 질소 흡착 비표면적 80 ~ 100 m²/g, DBP 흡유량 115 ~ 135 cc/100g, TINT 값 85~105인 것을 특징으로 하는 승용차용 타이어 트레드 고무 조성물.
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