KR101061956B1

KR101061956B1 - 타이어 트레드용 고무 조성물

Info

Publication number: KR101061956B1
Application number: KR1020080135269A
Authority: KR
Inventors: 정재욱; 전일환
Original assignee: 한국타이어 주식회사
Priority date: 2008-12-29
Filing date: 2008-12-29
Publication date: 2011-09-05
Also published as: KR20100077352A

Abstract

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 천연고무 15 내지 35 중량부; 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무 38.64 내지 48.64 중량부; 및 부타디엔 고무 26.36 내지 36.36 중량부를 포함하는 원료고무; 및 상기 원료고무 100 중량부를 기준으로 하여 연화제 35 내지 45 중량부를 포함하고, 상기 연화제는 PAH(PolyCyclic Aromatic Hydocarbo) 성분이 3 중량% 미만이고, 동점도가 95 (210 ℉ SUS), 연화제 내 방향족 성분이 15 내지 25 중량%, 나프텐계 성분이 27 내지 37 중량% 및 파라핀계 성분이 38 내지 58 중량%인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 친환경적인 연화제를 사용함으로써 Snow 성능, 마모 성능, 연비 성능 및 제동 성능을 동시에 향상시키는 장점이 있다.

타이어 트레드, 고무 조성물, 연화제, 친환경

Description

타이어 트레드용 고무 조성물{RUBBER COMPOSITION FOR TIRE TREAD}

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 친환경적이고 Snow 성능, 마모 성능, 연비 성능 및 제동 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 고무 조성물에 관한 것이다.

현재 승용차의 고성능화로 인해 소비자들은 타이어의 고성능화를 요구하고 있고, 특히 안정성(제동성)과 저 연비성을 동시에 겸비하고 있는 스노우(Winter) 타이어에 대한 요구로 타이어 업계에서는 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 연비 성능을 동시에 높이는 기술에 진일보를 가져왔다.

일반적으로 유리전이온도(Tg)가 낮은 고무를 사용하게 되면 타이어의 마모 성능 및 연비 성능을 향상시킬 수 있다고 알려져 있으나 안정성(제동 성능)은 오히 려 저하되는 것으로 인식되고 있다. 이러한 타이어의 안정성 저하를 보완하기 위해서 유화중합 스타이렌 부타디렌 고무 대신에 고무의 미세구조 조정이 가능한 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무를 사용하였다. 하지만 스타이렌 함량 및 비닐 함량을 늘리게 되면 제동 성능은 향상되지만 마모 성능 및 연비 성능은 저하되는 문제가 있다.

이와 같이 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 성능들을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 바로 또 한 번의 진보에 중요한 관건이 될 것이다.

한편, 최근 유럽지역에서는 환경규제와 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 하이드로카본(polycyclic Aromatic Hydrocarbon; PAH) 함량이 3 중량%를 초과하면 암 유발 가능성이 높은 것으로 알려진바 유럽 고무협회(BRIC)에서 이 결과를 수용하여 대책 마련에 나섰으며 EU에서도 구체적인 사용 규제 방안을 마련하여 DMSO(Dimethylsulfoxide) 추출법에 의해 추출하여 오일 내 폴리사이클릭 아로마틱 함량이 3중량% 이상일 경우 2010. 01. 01 이후부터 판매를 금지한다는 제도를 2010년 1월 1일 이후부터 시행하는 것을 법규화 함으로써 모든 타이어 제조회사는 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 기술 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명의 목적은 환경친화적이며 타이어의 마모 성능, 연비 성능 및 제동 성능을 동시에 향상시키는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 것이다.

다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 평균적 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 천연고무 15 내지 35 중량부; 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무 38.64 내지 48.64 중량부; 및 부타디엔 고무 26.36 내지 36.36 중량부를 포함하는 원료고무; 및 상기 원료고무 100 중량부를 기준으로 하여 연화제 35 내지 45 중량부를 포함하고, 상기 연화제는 PAH(PolyCyclic Aromatic Hydocarbo) 성분이 3 중량% 미만이고, 동점도가 95 (210 ℉ SUS), 연화제 내 방향족 성분이 15 내지 25 중량%, 나프텐계 성분이 27 내지 37 중량% 및 파라핀계 성분이 38 내지 58 중량%인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.

본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 친환경적인 연화제를 사용함으로써 마모 성능, 연비 성능 및 제동 성능을 동시에 향상시키는 장점이 있다.

본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 천연고무와, 스타이렌 함량이 높고 분자량이 큰 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무(S-SBR)와, 내 마모성이 우수한 부타디엔 고무(BR)를 포함하는 원료고무; 및 환경 친화적인 연화제를 적용함으로써 환경 친화적이며 타이어의 마모 성능, 연비 성능 및 제동 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 장점이 있어, 타이어 트레드용 고무 조성물, 특히 스노우(winter) 타이어 트레드용 고무 조성물에 매우 적합하다.

이하에서 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 원료고무; 및 연화제를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.

상기 원료고무는 천연고무; 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무; 및 부타디엔 고무를 포함한다.

상기 천연고무는 원료고무 내 15 내지 35 중량부로 포함된다. 상기 천연고무의 함량이 15 중량부 미만이면 Snow 성능에 문제가 있고, 35 중량부를 초과하면 Wet 제동 성능이 저하되는 문제점이 있다.

상기 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무는 원료고무 내 38.64 내지 48.64 중량부로 포함된다.

상기 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무는 스타이렌 함량이 37 내지 44 중량%, 비닐 함량이 20 내지 28 중량%이고, 유리전이온도가 -31 내지 -36℃인 것이다. 또한, 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무는 중량 평균 분자량이 1,600,000인 것이 바람직하다. 상기 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무 내의 스타이렌 함량이 상기 범위를 벗어날 경우에는 연비 성능, 마모 성능 및 가공성이 불리하고, 비닐 함량이 20 내지 28 중량%를 벗어날 경우 제동 성능 및 연비성능에 불리하다.

상기 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무가 상기 조건들을 모두 충족하는 경우 제동성능과 연비성능의 향상 효과를 얻을 수 있다.

상기 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무는 처리 증류 방향족 추출물(Treated Distillate Aromatic Extracts: TDAE)을 35 내지 45 중량%로 포함한다.

상기 처리 증류 방향족 추출물의 함량이 35 중량% 미만이면 가공성에 문제가 있고, 45 중량%를 초과하면 물성 측면에 문제점이 있다.

상기 부타디엔 고무는 원료고무 내 부타디엔 고무 26.36 내지 36.36 중량부로 포함된다.

상기 부타디엔 고무는 중량평균 분자량이 700,000 이상이며 분자량 분포가 1 내지 3이고, 유리전이온도가 -105 내지 -108℃인 것이다.

상기 부타디엔 고무 내의 중량평균 분자량이 낮아지면 마모성능에 불리하며, 분자량 분포가 상기 범위를 벗어날 경우 가공성에 불리하고, 유리전이온도가 상기 범위보다 높아질 경우 마모에는 유리하나 웨트 제동성능에 불리하고 낮아지게 되면 마모성능에 불리하다.

상기 연화제는 상기 원료고무 100 중량부를 기준으로 하여 35 내지 45 중량부로 포함된다. 상기 처리 증류 방향족 추출물의 함량이 35 중량부 미만이면 가공성에 문제가 있고, 45 중량부를 초과하면 물성측면에 문제점이 있다.

상기 연화제는 PAH(PolyCyclic Aromatic Hydocarbo) 성분이 3 중량% 미만이고, 동점도가 95 (210 ℉ SUS), 연화제 내 방향족 성분이 15 내지 25 중량%, 나프텐계 성분이 27 내지 37 중량% 및 파라핀계 성분이 38 내지 58 중량%인 것이다.

본 발명에 따른 고무 조성물은 PAH 함량을 3 중량% 미만으로 감소시킨 연화제를 적용시킴으로써 친환경적인 효과를 얻을 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 타이어용 고무 조성물은 통상의 고무 배합제를 더 포함할 수 있다. 상기 고무 배합제는 프로세스 오일, 보강제 및 첨가제 등을 포함한다.

상기 첨가제로는 통상적으로 타이어용 고무 조성물에 첨가되는 카본블랙,실리카, 산화아연, 스테아린산, 유황, 촉진제, 노화방지제, 점착제, 가류촉진제 등을 들 수 있다.

상기 고무 배합제의 함량은 원하는 물성에 따라 임의로 용이하게 조절될 수 있다

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다.　 그러나 하기한 실 시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2의 고무 조성은 하기 표 1에 나타내었고, 유화중합 스타이렌 부타디엔 고무와 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무의 특성은 하기 표 2에, 부타디엔 고무의 특성은 하기 표 3에 각각 나타내었다.

비교예 1

부타디엔 고무 A(BR A) 50 중량부, 유화중합 스타이렌 부타디엔 고무 (E-SBR A) 53.13 중량부, 천연고무 25 중량부 부타디엔 고무(BR A) 50 중량부에 대하여 카본블랙 70 중량부, 실리카 30 중량부, 실리카 커플링제 5 중량부, 노화방지제 2.5 중량부, 산화아연 3 중량부, 스테아린산 2 중량부, 유황 1.5 중량부, 가류촉진제 1.5 중량부 및 방향족 오일(Oil-A) 28 중량부의 배합비로 배합하여 고무 조성물을 제조하여 이를 168℃에서 가류시켜 고무 시편을 제조하였다.

비교예 2

유화중합 스타이렌 부타디엔 고무 B(E-SBR B) 53.13 중량부, 부타디엔 고무 B(BR B) 고무 36.36 중량부에 대해서 TDAE Oil-B 41.45 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.

실시예 1

용액중합 스타이렌 부타디엔 고무 (S-SBR) 66.88 중량부, 부타디엔 고무(BR B) 26.36 중량부가 사용되고, 원료고무 100 중량부에 대하여 TDAE Oil-B 37.76 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.

실시예 2

용액중합 스타이렌 부타디엔 고무 (S-SBR) 고무 60 중량부, 부타디엔 고무 31.36 중량부가 사용되고, TDAE Oil-B 39.64 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.

실시예 3

용액중합 스타이렌 부타디엔 고무 (S-SBR) 고무 53.13 중량부, 부타디엔 고무 36.36 중량부가 사용되고, TDAE Oil-B 41.51 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.

(단위: 중량부)	비교예 1	비교예 2	실시예 1	실시예 2	실시예 3
NR	25	25	25	25	25
E-SBR A	53.13	0	0	0	0
E-SBR B	0	53.13	0	0	0
S-SBR	0	0	66.88	60	53.13
BR A	50	0	0	0	0
BR B	0	36.36	26.36	31.36	36.36
Oil-A⁽¹⁾	28	0	0	0	0
Oil-B⁽²⁾	0	41.51	37.76	39.64	41.51

주)

(1) : PAH 함량이 3중량% 이상, 동점도가 95 (210 ℉ SUS), 아로마틱계 성분이 40 중량%, 나프텐계 성분이 35 중량% 및 파라핀계 성분이 25 중량% 함유된 것이다.

(2) : PAH 함량이 3중량% 미만, 동점도가 95 (210 ℉ SUS), 아로마틱계 성분이 20 중량%, 나프텐계 성분이 32 중량% 및 파라핀계 성분이 48 중량% 함유된 것이다.

SBR 종류	스타이렌 함량(중량%)	비닐 함량(중량%)	Tg(℃)	함유된 오일 종류	함유된 오일 함량(중량%)
E-SBR A	40	18	-36	Oil-A (A#2)	37.5
E-SBR B	40	18	-38	Oil-B (TDAE)	37.5
S-SBR	37 ~ 44	20 ~ 28	-33	Oil-B (TDAE)	37.5

주)

1. 상기 함유된 오일 중 Oil-A(A#2)는 방향족 오일, Oil-B(TDAE)는 처리 증류 방향족 추출물(Treated Distillate Aromatic Extracts) 오일이다.

2. 'E-SBR'은 유화중합(Emulsion) 스타이렌 부타디엔 고무(Styrene Butadiene Rubber; SBR)의 일종을 나타낸 것이다.

BR 종류	분자량	분자량 분포	Tg(℃)	함유된 오일 종류
BR A	1,300,000	4~6	-100 ~ -105	A#2
BR B	700,000	1~3	-105 ~ -108	-

주)

1.'BR A' 는 부타디엔 고무(Butadiene Rubber; BR)의 일종(A)을 나타낸 것으로 Oil-A(37.5 중량%)가 함유되어 있는 것이다.

2. 'BR B’는 부타디엔 고무(Butadiene Rubber; BR)의 일종(B)을 나타낸 것으로 Oil이 함유되지 않은 것이다.

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 고무 시편을 가지고 물성 평가를 실시하여 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

항목	비교예 1	비교예 2	실시예 1	실시예 2	실시예 3
연비특성 (60℃ tan δ)	100	106	97	100	102
제동특성 (0℃ tan δ)	100	96	106	103	100
Snow 제동 특성(-40℃ G')	100	103	95	98	102
내마모성	100	103	98	100	101

물성 평가는 다음과 같은 방법에 의해 측정되었다.

1. 내 마모성 지수 : 람본 마모 시험기로 측정하여 지수가 클수록 내 마모성이 우수한 것을 나타낸다.

2. 제동성능 및 연비특성 : Rheometrics Dynamic Spectrometer를 이용하여 0.5% strain, 10 Hz, 온도변화(Temp. sweep)에 의하여 0℃ tan δ 및 60℃ tan δ를 측정하였다. 0℃ tan δ는 제동특성을 나타내는 것으로 지수 값이 클수록 제동 성능이 우수한 것을 나타내고, -40℃ G'은 Snow 제동을 나타내는 것으로 값이 작을수록 유리하며, 60℃ tan δ는 회전저항 성능을 나타내는 것으로 지수 값이 낮을수록 연비 성능이 양호함을 나타낸다.

Oil-A와 Oil-B는 구성 성분의 차이로 인해 유리전이온도(Tg)가 서로 달라 고무 조성물 내에서 서로 다른 성능을 나타내었다. Oil-B의 경우는 Oil-A에 비하여 유리전이온도가 낮아 마모 성능이나 연비 성능 측면에서 Oil-A에 비해 우수하지만 제동 성능 측면에서는 불리한 성능을 보였다. 또한 분자량 분포가 좁은 부타디엔(BR B) 고무를 사용함으로써 마모성능에 더 유리한 결과를 표 1의 비교예 1, 2의 성능 시험 결과에서 잘 나타나고 있다. 이러한 Oil-B의 장점을 살리면서 단점을 보완하기 위해서 본 발명에서는 첫번째로, 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무와 분자량 분포가 좁은 부타디엔 고무를 적용하여 연비 성능, 제동성능 마모 성능 성능에 조금 더 유리하도록 고안하여 적용하였다. 실시예 1은 유화중화 스타이렌 부타디엔 고무를 미세구조 변경이 가능한 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무로 대체 적용하고 분자량 분포가 좁은 부타디엔 고무를 사용하였다.

하지만 이 경우 제동 성능이 향상되는 효과를 나타내었지만 연비 성능과 마모성능이 저하되는 효과가 나타났다. 따라서 실시예 1대비 하여 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무의 미세구조를 연비 성능과 마모 성능에 유리하도록 실시예 2,3를 고안하여 적용하였다. 이 경우에는 제동 성능은 약간 저하되었으나 마모 성능이나 연비 성능이 향상되었고 Snow 제동 성능도 유리한 결과를 나타내었다. 그래서 본 발명에서는 비교예 1 대비 고무 조성물의 성능을 동등수준이상으로 유지하기 위해서 최적량의 용액중함 스타이렌 부타디엔 고무의 사용 및 마모 성능이나 연비 성능이 우수한 부타디엔 고무의 함량을 조절하여 사용함으로써 환경 친화적이며 마모 성능, 연비 성능, 제동 성능 및 조종안정 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 Snow 타이어 트레드 고무 조성물을 획득할 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.　

Claims

천연고무 15 내지 35 중량부; 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무 38.64 내지 48.64 중량부; 및 부타디엔 고무 26.36 내지 36.36 중량부를 포함하는 원료고무; 및

상기 원료고무 100 중량부를 기준으로 하여 연화제 35 내지 45 중량부를 포함하고,

상기 연화제는 PAH(PolyCyclic Aromatic Hydocarbo) 성분이 3 중량% 미만이고, 동점도가 95 (210 ℉ SUS), 연화제 내 방향족 성분이 15 내지 25 중량%, 나프텐계 성분이 27 내지 37 중량% 및 파라핀계 성분이 38 내지 58 중량%인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
제1항에 있어서, 상기 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무는 스타이렌 함량이 37 내지 44 중량%, 비닐 함량이 20 내지 28 중량%이고, 유리전이온도가 -31 내지 -36℃인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
제1항에 있어서, 상기 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무는 처리 증류 방향족 추출물(Treated Distillate Aromatic Extracts:TDAE)을 35 내지 45 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
제1항에 있어서, 상기 부타디엔 고무는 중량평균 분자량이 700,000 이상이며 분자량 분포가 1 내지 3이고, 유리전이온도가 -105 내지 -108℃인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
제1항에 있어서, 상기 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무는 38.64 내지 43.64 중량부이고, 상기 부타디엔 고무는 31.36 내지 36.36 중량부인 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.