KR101077582B1 - 실리카 에어로겔을 포함하는 타이어 트레드 고무조성물 - Google Patents

실리카 에어로겔을 포함하는 타이어 트레드 고무조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리카 에어로겔을 포함하는 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것으로 보다 상세하게는 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 실리카 에어로겔을 포함하도록 하여 발열 특성 및 회전저항 특성을 향상시켜 연비를 개선시킨 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
실리카 에어로겔, 회전저항, 연비, 고무조성물, 타이어

Description

실리카 에어로겔을 포함하는 타이어 트레드 고무조성물{Tire tread rubber composition comprising silica aerogel}
본 발명은 실리카 에어로겔을 포함하는 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것으로 보다 상세하게는 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 실리카 에어로겔을 포함하도록 하여 발열 특성 및 회전저항 특성을 향상시켜 연비를 개선시킨 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
최근 환경문제 및 고유가(高油價)가 지속됨에 따라 타이어 업계에서도 저연비, 친환경 제품 개발을 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
타이어의 연비를 향상시키기 위해서는 타이어, 특히 지면과 직접 접촉하는 트레드 부위를 이루는 타이어 트레드 고무의 회전저항 특성이 우수해야 한다.
타이어의 회전저항을 줄이기 위해서 구조적인 측면에서는 타이어 접지면적을 조절하고 비드(bead)부의 강성을 조절하는 등의 노력을 하는 한편, 고무조성물 측면에서는 히스테리시스(hysteresis) 손실을 줄이기 위한 노력이 진행되고 있다.
일반적으로 히스테리시스 손실을 줄이기 위하여 카본블랙의 사용량을 줄이거나 입자가 큰 카본블랙을 사용하는 방법이 있으나, 이는 회전저항 특성은 향상되나 마모성능이 하락하는 단점이 있다.
따라서 회전저항 특성과 마모성능을 동시에 향상시키려는 연구가 많이 이루어지고 있으나, 일반적으로 회전저항 특성이 향상되면 마모성능이 감소하고, 마모성능이 향상되면 회전저항 특성이 감소하기 때문에 회전저항 특성과 마모성능을 동시에 만족시킬 수 있는 연구에 대해서는 만족할 만한 결과가 부족한 실정이다.
본 발명과 관련된 선행기술로서 마모성능은 유지하면서 회전저항을 개선하기 위한 방법으로 국내특허공개공보 제2002-37590호에서는 표면적이 적고 구조가 덜 발달한 특성을 가지는 카본블랙을 사용하는 내용이 있으나, 이 경우 마모성능이 하락하는 문제가 있다.
또한 국내특허공개공보 제2003-96856호의 경우에는 변성 스티렌 부타디엔 고무(SBR)를 사용함으로써 내마모성능을 유지하면서 회전저항 특성을 향상시키고자 하였으나 변성 스티렌 부타디엔 고무를 적용하여 회전저항 특성을 향상시키면 발열특성이 하락하여 내구성이 하락하는 문제가 있다.
한편, 저연비 특성 향상을 위해 타이어 트레드 고무조성물에서 발열 및 회전저항 성능을 올리기 위해 필러(filler)를 줄이는 것은 타이어 내구성에 심각한 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 마모성능이 종래의 타이어 트레드 고무조성물과 대비시 동등 수준 이상을 유지하면서 회전저항 특성 및 발열 성능을 향상시켜 연비를 개선시킨 타이어 트레드 고무조성물을 제공하고자 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 적용된 초경량, 고비표면적, 우수한 단열성 및 방음성, 구조적 안정성, 내열성, 보강성 등 매우 우수한 물성을 지닌 환경 친화형 실리카 에어로겔을 적용하여 마모성능이 종래의 타이어 트레드 고무조성물과 대비시 동등 수준 이상을 유지하면서 회전저항 특성 및 발열 성능을 향상시켜 연비를 개선시킨 타이어 트레드 고무조성물을 제공하고자 한다.
본 발명은 마모성능이 종래의 타이어 트레드 고무조성물과 대비시 동등 수준 이상을 유지하면서 회전저항 특성 및 발열 특성을 향상시켜 연비를 개선시킨 타이어 트레드 고무조성물을 제공할 수 있다.
본 발명은 상기의 고무조성물로 이루어진 고무를 포함하여 연비가 향상된 타이어를 제공할 수 있다.
본 발명은 마모성능이 종래의 타이어 트레드 고무조성물과 대비시 동등 수준 이상을 유지하면서 회전저항 특성 및 발열 특성을 향상시켜 연비를 개선시킨 타이어 트레드 고무조성물을 나타낸다.
본 발명은 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 원료고무 100중량부에 대하여 실리카 에어로겔(silica aerogel) 1∼20중량부 포함하도록 하여 마모성능이 종래의 타이어 트레드 고무조성물과 대비시 동등 수준 이상을 유지하면서 회전저항 특성 및 발열 특성을 향상시켜 연비를 개선시킨 타이어 트레드 고무조성물을 나타낸다.
본 발명에서 원료고무는 천연고무를 사용할 수 있다.
본 발명에서 원료고무는 합성고무를 사용할 수 있다.
본 발명에서 원료고무는 천연고무와 합성고무가 1:9∼9:1의 중량비로 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.
본 발명에서 원료고무는 천연고무와 2종 이상의 합성고무가 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.
본 발명에서 원료고무는 2종의 서로 다른 합성고무가 1:9∼9:1의 중량비로 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.
본 발명에서 원료고무는 3종 이상의 서로 다른 합성고무가 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.
상기에서 합성고무는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 부타디엔 고무(BR), 부틸 고무, 이소프렌 고무, 에피클로로 히드린고무, 니트릴고무, 수소화된 니트릴고무, 이소프렌 부타디엔 고무, 폴리우레탄 고무, 불소고무, 실리콘고무, 에틸렌프로필렌고무, EPDM 고무, 하이팔론고무, 클로로프렌고무, 에틸렌비닐아세테이트고무, 아크릴고무의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명에서 실리카 에어로겔은 기공율이 95％ 이상인 실리카 에어로겔을 사용할 수 있다.
본 발명에서 실리카 에어로겔은 기공율이 95∼99％인 실리카 에어로겔을 사용할 수 있다.
본 발명에서 실리카 에어로겔은 기공율이 95∼99％이고, 표면에 하이드록시기(-OH)를 가진 친수성 실리카 에어로겔을 사용할 수 있다.
상기에서 실리카 에어로겔은 기공율이 95∼99％이고, 표면에 알킬(alkyl)기 또는 아릴록시(aryloxy)기를 가지는 소수성 실리카 에어로겔을 사용할 수 있다.
상기에서 알킬기는 탄소수가 1 내지 10개인 알킬기 중의 어느 하나 이상을 나타낸다.
본 발명에서 실리카 에어로겔과 원료고무와의 상용성 및 분산성 향상을 위해 커플링제를 사용할 수 있다.
본 발명에서 실리카 에어로겔과 원료고무와의 상용성 및 분산성 향상을 위해 커플링제를 원료고무 100중량부에 대하여 0.5∼5중량부를 사용할 수 있다.
상기에서 커플링제(coupling agent)는 다이메틸 아미노 에탄올(Dimethyl amino ethanol, DMAE), 구조식(2)의 헥사메틸다이실라잔(Hexamethyldisilazane, HMDZ), 비스-(3-트리에톡시실릴프로필)테트라설판(Bis-(3-triethoxysilylpropyl)tetrasulfane, TESPT), 비스-(3-에톡시실릴프로필)다이설판(Bis-(3-ethoxysilylpropyl)disulfane, TESPD), 트리메톡시실리프로필메타크릴레이트(trimethoxysilylpropylmethacrylate, TPMA), 3-티오시아네이토프로필-트리에톡시 실란(Si-264, 독일 데구사 아게 제품), g-메르캅토프로필-트리메톡시 실란 (A189, 미국, 유니온 카바이드사 제품), 지르코늄 디네오알칸올레이토디(3-메르캅토)프로피오네이토-O(NZ 66A, 미국 켄리치 페트로케미칼사 제품), N,N'-비스(2-메틸-2-니트로프로필)-1,6-디아미노헥산(수미파인 1162, 일본 스미또모 메디칼사 제품)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
삭제
(CH3)3Si-HN-Si(CH3)3....구조식(2)
본 발명의 타이어 트레드 고무조성물은 고무조성물의 보강성 향상을 위해 보강제를 원료고무 100중량부에 대하여 보강제 5∼60중량부를 사용할 수 있다.
상기에서 보강제는 실리카(silica), 카본블랙(carbon blak), 탄산칼슘(calcium carbonate), 산화티탄(titanium dioxide), 클레이(clay), 층상실리케이트(layered silicate), 중석(tungsten), 탈크(Talc), 신디오탁틱-1,2-폴리부타디엔(syndiotactic-1,2-polybutadiene, SPB), 판상흑연의 군으로부터 선택된 어느 하 나 이상의 충진제 5∼60중량부를 사용할 수 있다.
상기에서 실리카는 표면적이 160∼180㎡/g, DBP 흡착가 180∼200ml/100g인 것을 사용할 수 있다.
상기에서 실리카는 표면적이 170±5㎡/g, DBP 흡착가 190±5ml/100g인 것을 사용할 수 있다.
상기에서 카본블랙은 요오드 흡착가 135∼145g/kg, DBP 흡착가 125∼135ml/100g, 착색도 125∼130%인 것을 사용할 수 있다.
상기에서 카본블랙은 요오드 흡착가 140g/kg, DBP 흡착가 130ml/100g, 착색도 127%인 것을 사용할 수 있다.
상기에서 층상실리케이트는 층간 간격이 0.1∼10nm인 것을 사용할 수 있다.
상기에서 층상실리케이트는 두께(d)에 대한 평면폭(l)의 비를 나타낸 편평비(aspect ratio, l/d)가 5 이상인 것을 사용할 수 있다.
상기에서 층상실리케이트는 편평비가 5∼100인 것을 사용할 수 있다.
상기에서 층상실리케이트는 양이온 교환반응 및/또는 음이온 교환반응이 가능한 천연 층상실리케이트를 사용할 수 있다.
상기에서 층상실리케이트는 양이온 교환반응 및/또는 음이온 교환반응이 가능한 합성 층상실리케이트를 사용할 수 있다.
상기에서 층상실리케이트는 양이온기를 갖는 물질 및/또는 음이온기를 갖는 물질로 유기화 처리된 유기화 층상실리케이트를 사용할 수 있다.
상기에서 층상실리케이트는 몬모릴로나이트(montmorillonite), 사포나이 트(saponite), 헥토라이트(hectorite), 렉토나이트(rectorite), 버미큘라이트(vermiculite), 마이카(mica), 일라이트(illite), 카올린나이트(kaolinite), 소디움 몬모릴로나이트(sodium montmorillonite, Na-MMT) 및 클로이지트 15A(Cloisite 15A)의 군으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기에서 신디오탁틱-1,2-폴리부타디엔(SPB)은 직경 0.01∼0.1㎛이고, 비표면적이 80∼90m2/g인 것을 사용할 수 있다.
상기에서 신디오탁틱-1,2-폴리부타디엔(SPB)은 직경 1∼10㎛이고, 비표면적이 100∼120m2/g인 것을 사용할 수 있다.
상기에서 판상흑연은 입자크기가 0.1∼20㎛인 것을 사용할 수 있다.
상기에서 판상흑연은 층간 간격이 0.1∼10nm인 것을 사용할 수 있다.
상기에서 판상흑연은 두께(d)에 대한 평면폭(l)의 비를 나타낸 편평비(aspect ratio, l/d)가 5 이상인 것을 사용할 수 있다.
상기에서 판상흑연은 편평비가 5∼100인 것을 사용할 수 있다.
상기에서서 판상흑연은 입자크기가 0.1∼20㎛, 층간 간격이 0.1∼10nm, 편평비가 5∼100인 것을 사용할 수 있다.
상기에서서 판상흑연은 하기 (1)단계 및 (2)단계로부터 얻은 것을 사용할 수 있다.
(1)흑연을 황산과 질산이 1:9∼9:1의 중량비로 혼합된 혼합용액에 투입하여 침지시키는 단계,
(2)침지 후 수세하고 건조한 흑연을 700∼900℃에서 1∼5분 동안 가열하는 단계.
상기 (1)단계에서 침지는 60∼80℃에서 10∼48시간 동안, 바람직하게는 70℃에서 10시간 동안 침지하여 판상흑연 층간에 상기 황산의 SO42 - 이온 또는 질산의 NO3 - 이온이 충분히 삽입되도록 한다.
본 발명의 타이어 트레드 고무조성물에 대하여 다양한 성분, 함량을 적용한바, 본 발명의 목적에 부합하는 타이어 트레드 고무조성물을 얻기 위해서는 상기에서 언급한 조건의 타이어 트레드 고무조성물이 바람직하다.
본 발명은 상기에서 언급한 원료고무, 실리카 에어로겔 이외에 종래 타이어 트레드 고무조성물에 사용되는 보강충전제, 노화방지제, 활성제, 공정오일, 가류제, 가류촉진제와 같은 각종 첨가제를 필요에 따라 적의 선택하여 소정의 함량으로 사용할 수 있다. 그러나 이들은 종래 타이어 트레드 고무조성물에 사용되는 일반적인 성분으로서 본원발명의 필수 구성성분이 아니므로 이하 자세한 내용은 생략하기로 한다.
본 발명은 상기에서 언급한 타이어 트레드 고무조성물로 이루어진 고무를 포함한다.
본 발명은 상기에서 언급한 타이어 트레드 고무조성물로 이루어진 고무를 함유하는 타이어를 포함한다.
본 발명은 상기에서 언급한 타이어 트레드 고무조성물로 이루어진 고무를 트레드로 함유하는 타이어를 포함한다.
상기에서 타이어 트레드 고무조성물로 이루어진 고무를 함유하는 타이어에 있어서, 타이어는 승용차용 타이어, 트럭용 타이어, 버스용 타이어, 오토바이용 타이어, 항공기용 타이어 중에서 선택된 어느 하나를 나타낸다.
이하 본 발명의 내용을 실시예, 비교예 및 시험예에 의해 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명의 내용을 보다 이해하기 쉽게 하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
스티렌 부타디엔 고무(SBR) 70중량부와 부타디엔 고무(BR) 30중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여 실리카 20중량부, 카본블랙 5중량부, 실리카 에어로겔 10중량부, 산화아연(ZnO) 4중량부, 스테아린산(stearic acid) 2중량부, 노화방지제(Polymerized 2,2,4-trimethyl-1,2-dihydroquinoline, TMDQ) 1중량부, 커플링제로서 다이메틸 아미노 에탄올(Dimethyl amino ethanol, DMAE) 0.5중량부를 밴버리 믹서에서 배합하여 고무배합물을 얻었다.
상기의 고무배합물에 가류제로서 유황 2중량부, 가류촉진제(N-cyclohexyl-2- benzothiazol sulfenamide, CZ) 1중량부를 첨가하고 160℃에서 30분 동안 가류하여 고무시편을 제조하였다.
삭제
하기 표 1에 고무성분의 조성을 정리하여 나타내었다.
상기에서 실리카는 표면적 170±5㎡/g, DBP 흡착가 190±5ml/100g인 것을사용하였다.
상기에서 카본블랙은 요오드 흡착가 100㎎/g이고 DBP흡착가 130㏄/100g인 것을 사용하였다.
상기에서 실리카 에어로겔은 기공율이 97±2％이고 표면에 아릴록시(aryloxy)기를 가지는 실리카 에어로겔을 사용하였다.
<실시예 2>
실리카 에어로겔 20중량부, 커플링제로서 하기 구조식(2)의 헥사메틸다이실라잔(Hexamethyldisilazane, HMDZ) 0.5중량부를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고무시편을 제조하였다.
(CH3)3Si-HN-Si(CH3)3....구조식(2)
<비교예>
실리카 에어로겔을 사용하지 않고, 실리카 50중량부를 사용하는 것을 제외하 고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고무시편을 제조하였다.
표 1. 비교예 및 실시예의 고무조성물 (단위 : 중량부)
구분 비교예 실시예 1 실시예 2
원료고무 100 100 100
카본블랙 5 5 5
실리카(Zeosil-115) 50 20 20
실리카 에어로겔 - 10 20
커플링제 - 0.5 0.5
산화아연 4 4 4
스테아린산 2 2 2
노화방지제 1 1 1
황 2 2 2
가류촉진제 1 1 1
<시험예 1>
상기 비교예 및 실시예에서 제조한 고무시편에 대해 ASTM 관련 규정에 의해 경도, 300% 모듈러스, 인장강도, 신장율, 마모특성, 발열특성 및 회전저항 특성과 같은 물성을 측정하고 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.
표 2. 비교예 및 실시예 고무시편 물성시험 결과
구분 비교예 실시예 1 실시예 2
인장물성 경도 100 102 103
300% 모듈러스 100 101 103
인장강도 100 105 106
신장율 100 100 101
마모특성 100 106 108
발열특성 100 95 93
회전저항(RRC) 특성 100 135 141
*상기 실시예 1, 실시예 2의 측정값은 비교예의 고무시편의 값을 100으로 하였을 때 환산한 수치로서 경도, 300% 모듈러스, 인장강도, 신장율, 마모특성, 회전저항(RRC) 특성에 대한 물성 값은 수치가 높을수록 우수한 결과를 의미하고, 발열특성에 대한 물성 값은 수치가 낮을수록 물성이 우수한 것을 의미한다.
상기 표 2처럼 본 발명의 실시예와 같이 실리카 에어로겔을 적용한 실시예 1,2의 고무는 실리카 에어로겔을 적용하지 않은 비교예 고무와 비교시 내마모성에 대한 특성은 동등 수준 이상을 나타내고 내발열성 특성 및 회전저항 특성이 우수함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 타이어 트레드 고무조성물에 있어서,
    원료고무 100중량부에 대하여 기공율이 95∼99％이고 표면에 아릴록시(aryloxy)기를 가지는 실리카 에어로겔 1∼20중량부,
    다이메틸 아미노 에탄올(Dimethyl amino ethanol, DMAE), 구조식(2)의 헥사메틸다이실라잔(Hexamethyldisilazane, HMDZ)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 커플링제 0.5∼5중량부 및
    클레이(clay); 몬모릴로나이트(montmorillonite), 사포나이트(saponite), 헥토라이트(hectorite), 렉토나이트(rectorite), 버미큘라이트(vermiculite), 마이카(mica), 일라이트(illite), 카올린나이트(kaolinite), 소디움 몬모릴로나이트(sodium montmorillonite, Na-MMT) 및 클로이지트 15A(Cloisite 15A)의 군으로부터 선택된 어느 하나의 층상실리케이트(layered silicate); 중석(tungsten); 탈크(Talc); 신디오탁틱-1,2-폴리부타디엔(syndiotactic-1,2-polybutadiene, SPB); 흑연을 황산과 질산이 1:9∼9:1의 중량비로 혼합된 혼합용액에 투입하여 60∼80℃에서 10∼48시간 동안 침지시켜 흑연 층간에 상기 황산의 SO4 2- 이온 또는 질산의 NO3 - 이온이 삽입되도록 한 후 수세하고 건조한 흑연을 700∼900℃에서 1∼5분 동안 가열하여 얻은 것으로서 입자크기가 0.1∼20㎛, 층간 간격이 0.1∼10nm, 편평비가 5∼100인 판상흑연의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 충진제 5∼60중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드 고무조성물.
    (CH3)3Si-HN-Si(CH3)3....구조식(2)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 제1항의 고무조성물로 이루어진 고무를 포함하는 타이어.
KR1020080098284A 2008-10-07 2008-10-07 실리카 에어로겔을 포함하는 타이어 트레드 고무조성물 KR101077582B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20030216489A1 (en) * 2002-05-17 2003-11-20 Meng-Jiao Wang Elastomeric compositions containing surface-modified silica gels
WO2006114125A1 (en) * 2005-04-28 2006-11-02 Pirelli Tyre S.P.A. Tire and crosslinkable elastomeric composition

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