KR101119601B1 - 트레드 고무 조성물 및 그를 포함하는 트레드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면이 수산화기로 개질된 카본블랙을 포함하는 트레드 고무 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 조성물로부터 제조되는 트레드를 이용하는 타이어는 고속 주행시 그립 성능이 우수하고 젖은 노면에서의 제동성능이 뛰어나 고성능 자동차 또는 레이싱용 타이어 등으로 적합하다.

트레드 고무 조성물, 타이어, 원료 고무, 표면개질 카본블랙, 수산화기, 그립성, 제동성능

Description

트레드 고무 조성물 및 그를 포함하는 트레드{Tread Composition and a Tread comprising the same}

본 발명은 타이어용 트레드 고무 조성물 및 그를 포함하는 트레드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면이 수산화기로 개질된 초미립자 카본블랙을 포함하여, 고속 주행시 타이어의 그립성능 및 젖은 노면에서의 제동성능을 향상시킬 수 있는 트레드 고무 조성물 및 그를 포함하는 트레드에 관한 것이다.

차량에 있어서 연료 소모량과 자동차에 의해 방출되는 오염물을 감소시키기 위해, 타이어 설계자들은 구름 저항(rolling resistance)이 매우 낮고, 건조 지면 및 노면에 대한 그립성(grip)이 향상되며 내마모성(wear resistance)이 우수한 타이어를 개발하기 위해 노력하고 있다.

통상적으로 고속 경주용 자동차의 타이어 트레드용 고무 조성물은 입경이 작은 카본블랙을 사용하여 발열 속도의 향상을 통하여 노면에서의 그립 성능 향상을 이루어 내고 있다. 그러나 다량의 카본블랙을 충진할 경우 타이어의 중량 증대 및 내열성, 내마모성이 저하되며, 특히 고속주행성에 목적을 두고 있는 경우 더욱 미세한 카본블랙을 사용하게 되며, 그에 대한 단가 및 지속적인 생산적 측면에 있어 많은 문제를 안고 있다.

한편, 고성능 승용차의 타이어 또는 레이싱용 타이어의 그립 성능을 향상시키기 위한 다른 방법으로 트레드용 고무 조성물에 스티렌 성분을 다량 함유하는 원료고무를 사용함으로써 고무의 유리전이온도(Tg)를 높이고 이로 인해 노면에서의 동적 손실 계수(Tan δ)를 증대시키는 방안이 있으나, 이러한 방법은 스티렌 부타디엔 고무의 함량이 일정 수준을 넘을 경우 트레드부의 그립성능이 대폭적으로 저하되고, 또한 주행 중 발열 증대로 인해 타이어의 내구성능 및 마모 성능의 저하를 초래하는 문제점이 있다.

　

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 고속 주행시 타이어 트레드부의 초반 빠른 발열을 유도하여 그립성능을 향상시키고 고무 조성물의 물성감소에 걸리는 시간을 늘려 경기력 향상을 유도하며, 표면이 수산화기로 개질되어 기존의 타이어용 트레드 대비 젖은 노면에서의 제동성능을 향상시킬 수 있는 트레드 고무 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 그립성 및 젖은 노면에서의 제동성능이 우수하고 제조 원가가 저렴하며 타이어의 중량 감소로 연비를 향상시킬 수 있는 자동차용 트 레드 및 이러한 트레드가 혼입된 타이어를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 원료고무와 표면이 수산화기로 개질된 카본블랙을 포함하는 트레드 고무 조성물에 관한 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은 상기 고무 조성물을 포함하는 타이어용 트레드에 관한 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양상은 상기 트레드 고무 조성물이 타이어 트레드(tire tread) 구조물에 혼입된 타이어에 관한 것이다.

본 발명에 의한 타이어용 트레드 고무 조성물은 수산화기로 표면이 개질된 초미립자 카본블랙을 포함하므로, 이러한 트레드 고무 조성물로부터 제조되는 타이어용 트레드는 고속 주행시 초기 빠른 발열을 유도하여 우수한 그립성능 및 경기력 향상 효과를 제공할 수 있다. 또한 표면의 수산화기로 인해서 젖은 노면에서의 향상된 제동성능을 제공한다. 더욱이, 기존에 사용되었던 카본블랙의 충진량 대비 1/4 정도의 양으로 감량을 해도 동등 이상의 성능을 제공하므로 타이어의 무게 감소를 가능하게 하여 원가 절감, 오염물 감소 및 자동차의 연비 향상 효과를 제공할 수 있다.

이하에서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 일구현예의 트레드 고무 조성물은 원료고무와 표면이 수산화기(-OH)로 개질된 카본블랙(CB)을 포함한다. 수산화기로 표면개질된 카본블랙(CB-OH)를 포함하는 본 발명의 고무 조성물은 타이어의 트레드, 이들 트레드의 밑에 위치하는 하부층, 크라운 플라이(crown ply), 측벽, 카아커스(carcass) 플라이, 비이드, 보호구(protector), 내부 튜브 또는 튜브리스 타이어(tubeless tyre)에 적용가능하다. 또한 본 발명의 트레드 고무 조성물은 고성능 자동차용 타이어 및 레이싱용 타이어에 적합하지만, 반드시 이들에 국한되는 것은 아니고 승합차, 밴, 중기 차량, 항공기, 건설, 농업 또는 조작 기계에 적합한 타이어용 트레드의 제조에 적합하며, 이들 트레드는 새로운 타이어의 제조 또는 중고 타이어의 재생용으로도 사용할 수 있다.

본 발명의 트레드 고무 조성물에 있어서, 상기 수산화기로 표면개질된 카본블랙은 초미립자 카본블랙으로서 평균입도는 약 10 내지 약 20나노미터(nm)이다. I₂ 표면적이 1000mg/g이며, DBP 흡착량이 800ml/100g이다. 상기 I₂ 표면적이 지나치게 작은 경우에는 내마모성, 인장 강도 등이 저하되고, 이와 반대로 지나치게 높은 경우, 고무를 혼련시키는 동안 분산시키기가 어려워지므로 바람직하지 않다. 한편, DBP 오일 흡착량이 800ml/100g 미만인 경우에는 절단 저항이 감소하는 경향이 있다.

상기 수산화기로 표면개질된 초미립자 카본블랙의 첨가량은 원료고무 100 중량부에 대하여 5 ~ 50 중량부이다. 수산화기로 표면개질된 초미립자 카본블랙의 첨가량이 원료고무 100 중량부에 대하여 5 중량부 미만이면 트레드 고무 조성물의 인장 강도 등이 감소되고, 이와 대조적으로, 원료고무 100 중량부에 대하여 50 중량부를 추가하면 경도 및 변형 등을 동반하는 열 발생이 지나치게 증가하며 가황처리 전의 고무 조성물의 점도가 높아질 우려가 있다.

이러한 수산화기로 표면개질된 카본블랙은 상 이동 촉매(phase transfer catalyst)를 이용한 상온에서의 산화반응을 통하여 제조할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 표면이 수산화기로 개질된 초미립자 카본블랙은 기존에 높은 효율의 전기전도성을 위해 연료전지판 제작에 한정되어 사용되는 카본블랙을 일부 개질한 카본블랙이다. 기존에 타이어의 언더트레드 혹은 캡 트레드에 적용되어진 카본블랙의 경우 범용적으로 사용되어지는 카본블랙 대비 1.5 ~ 2배 높은 물성을 지닌 것을 사용하지만, 그보다 더욱 미세한 카본블랙을 사용할 경우 고무의 물성 및 전기 전도성의 효과가 저하되는 현상을 나타낸다. 본 발명에서 사용되어는 표면이 수산화기로 개질된 초미립자 카본블랙의 경우 초기 빠른 발열을 통한 그립성 향상을 목표로 하기에 적은 중량으로 기존대비 5배 이상의 높은 물성을 나타내며, 기존의 도전성 카본블랙 대비 표면이 개질되어 많은 수산화기를 포함하고 있기 때문에, 젖은 노면에서의 제동성능을 향상시키며, 적은 양을 충진 시에도 동등수준 이상의 결과를 보이는 장점을 지니고 있기에 다양한 목적으로 사용될 수 있다.

상기 트레드 고무 조성물의 원료고무는 바람직하게는 폴리이소프렌 고무, 폴리부타디엔 고무, 공액 디엔방향족 비닐 공중합체, 나이트릴 공액 디엔 공중합체, 수소화 NBR, 수소화 SBR, 올레핀 고무, 말레산으로 변형된 에틸렌-프로필렌 고무, 부틸 고무, 이소부틸렌과 방향족비닐 또는 디엔모노머의 공중합체, 아크릴 고무, 이오노머, 할로겐화 고무 및 클로로프렌 고무의 군에서 선택되어지는 단일 또는 2이상의 혼합고무를 원료고무로 포함한다. 2 이상의 고무를 혼합하여 사용할 경우 이들의 혼합비는 특별히 제한되지 않는다.

본 발명의 트레드 고무 조성물은 통상적으로 트레드용 고무 조성물에 사용되는 기타 모든 또는 일부 성분과 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 기타 첨가제의 예들은 가소제, 안료, 산화방지제, 오존발생억제제, 가황 촉진제, 연장 오일 등을 포함한다. 경우에 따라, 실리카 충전제 또는 통상의 백색 충전제, 예를 들면 점토, 벤토나이트, 활석, 쵸크, 카올린 또는 산화티탄이 첨가될 수 있다.

본 발명의 트레드 고무 조성물은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자들에게 알려진 기술에 따라서 제조될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 고무 조성물은 롤 등의 개방식 혼련기, 벤버리 믹서 등의 밀폐식 혼련기 등의 혼련기를 이용하여 혼련함으로써 얻어지고, 성형 가공 후에 가황을 행하여, 각종 고무 제품으로 제조가 가능하다.

본 발명의 트레드 고무 조성물은 트럭, 경트럭(Light Truck), 승용차용 및 레이싱용 차량에 장착되는 타이어의 트레드용으로 용도 전개가 가능하다.

본 발명의 고무 조성물은, 예를 들면, 타이어 트레드, 언더 트레드, 카커스, 사이드월, 비드부 등의 타이어용으로서의 용도를 비롯하여, 방진 고무, 방현재, 벨트, 호스, 그 밖의 공업품 등의 용도에 사용할 수 있지만, 특히 그립성, 제동성능, 내구성 등의 균형이 우수한 레이싱용 타이어, 저연비용 타이어, 대형 타이어, 고성능 타이어의 트레드용 고무로서 바람직하게 사용된다.

본 발명의 또 다른 양상의 타이어는 상기 고무 조성물이 타이어 트레드에 혼입된 것으로 카본블랙의 충진량이 종래의 타이어의 1/4에 불과하여 타이어의 중량이 감소되고 그에 따라 제조원가가 감소되며, 고속 주행시 그립성이 우수하고 젖은 노면에서의 제동성능이 뛰어나 고성능 타이어 또는 레이싱 타이어 등으로 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명할 것이나, 이러한 실시예들은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

실시예

실시예 　1~6

하기 표 1에 기재된 바와 같은 조성에 따라서 스티렌-부타디엔 원료고무 및 I₂ 표면적이 1000 mg/g이고 DBP 흡착량이 800ml/100g인 표면이 수산화기로 개질된 초미립자 카본블랙과 표면이 개질되지 않은 카본블랙, 산화아연, 스테아린산, 유황, 가류촉진제로서 테트라메틸티우람(Tetramethylthiuram) 및 디페닐렌구아니딘 을 혼합하여 142 내지 145℃의 밴버리 믹서에서 혼련한 후에, 168℃에서 10분간 가류하여 실시예 1 내지 실시예 6에 따른 타이어 고무 조성물을 제조하였다. 하기 표 1에서 단위는 중량부이다. 실시예 1 내지 6에 의해 제조된 트레드 고무 조성물을 이용하여 통상의 방법으로 타이어의 트레드용 고무시편으로 제조한 후 물성을 평가하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

비교예 1

표면이 수산화기로 개질된 초미립자 카본블랙을 사용하지 않은 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 아래 표 1에 기재된 바와 같은 배합 조성에 따라 트레드 고무 조성물을 제조하였다. 비교예 1에 의해 제조된 트레드 고무 조성물을 이용하여 통상의 방법으로 타이어의 트레드용 고무시편으로 제조한 후 물성을 평가하여 그 결과를 하기 표 2에 함께 나타내었다.

	비교예1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6
원료고무 (1)	125.5	125.5	125.5	125.5	125.5	125.5	125.5
카본블랙	73.7	5.7	5.7	5.7	5.7	5.7	5.7
표면개질 카본블랙	--	38.0	33.0	28.0	23.0	18.0	13.0
산화아연	3.0
스테아린산	1.0
유황	1.0
가류촉진제	2.5
디페닐렌구아니딘	2

	비교예	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6
ML1+4(125℃)	71	73	75	78	81	85	88
경도 (Shore A)	82	67	72	75	77	83	90
300% 모듈러스(Mpa)	53.5	48.4	53.5	54.7	59.3	73.5	75.4
신장율 (%)	684.3	735.5	684.3	707.5	668.9	638.5	591.4
0℃ tan δ	0.2868	0.3031	0.3308	0.3269	0.3463	0.3558	0.4057
60℃ tan δ	0.2504	0.2554	0.2644	0.2638	0.2641	0.2649	0.2748

*물성 평가 방법

- 무늬점도(ML1+4(125℃))는 ASTM 규격 D1646에 의해 측정하였다.

- 경도는 DIN 53505에 의해 측정하였다

- 300% 모듈러스, 신장율은 ISO 37 규격에 의해 측정하였다.

- 점탄성은 RDS 측정기를 사용하여 0.1% 변형(strain)에 10Hz 주파수 하에서　-60℃에서 80℃까지 tanδ를 측정하였다.

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 트레드 고무 조성물에 의해 제조된 실시예 1~6의 고무는 종래의 트레드 고무 조성물인 비교예 1의 고무 시편에 비해 0℃ tanδ 및 60℃ tanδ 값이 전반적으로 증가되었음을 알 수 있다. 초미립자 카본블랙의 중량을 기존 카본블랙 중량 대비 1/4까지 줄여도 초반 발열 측면 물성이 향상되었고, 이에 따라서 내구성 측면 및 발열특성 그리고 젖은 노면에서의 제동성능 측면에서 매우 유리한 특성을 나타내었다.

이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나 본 발명은 상술한 구현예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 많은 변형이 가능함은 자명할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에서 청구하는 범위 및 그의 균등한 범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

1. 원료고무와 표면이 수산화기로 개질된 카본블랙을 포함하며,

   상기 표면개질된 카본블랙은 평균입경이 10 내지 20 nm이고, I₂ 표면적이 1000 mg/g이며, DBP 흡착량이 800 ml/100g 인 것을 특징으로 하는 트레드 고무 조성물.
2. 제 1항에 있어서, 상기 조성물이 원료고무 100중량부에 대하여 수산화기로 개질된 카본블랙을 5 내지 50중량부 포함하는 것을 특징으로 하는 트레드 고무 조성물.
3. 제 1항에 있어서, 상기 원료고무는 폴리이소프렌 고무, 폴리부타디엔 고무, 공액 디엔 방향족 비닐 공중합체, 나이트릴 공액 디엔 공중합체, 수소화 부타디엔아크릴로니트릴고무(NBR), 수소화 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 올레핀 고무 말레산으로 변형된 에틸렌-프로필렌 고무, 부틸 고무, 이소부틸렌과 방향족비닐 또는 디엔모노머의 공중합체, 아크릴고무, 이오노머, 할로겐화 고무 및 클로로프렌 고무의 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 트레드 고무 조성물.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서, 상기 수산화기로 표면개질 카본블랙은 상 이동 촉매(phase transfer catalyst)를 이용한 상온에서의 산화반응을 통하여 제조되는 것임을 특징으로 하는 트레드 고무 조성물.
6. 제 1항에 있어서 상기 트레드 고무 조성물이 트럭, LTR(Light Truck Radial), 승용차용 또는 레이싱용 차량 중 어느 하나에 장착되는 타이어의 트레드용인 것을 특징으로 하는 트레드 고무 조성물.
7. 제 1항 내지 제 3항, 제5항 내지 제6항 중 어느 하나의 항의 트레드 고무 조성물을 포함하는 타이어용 트레드.
8. 제 1항 내지 제 3항, 제5항 내지 제6항 중 어느 하나의 항의 트레드 고무 조성물이 타이어 트레드(tire tread) 구조물에 혼입되는 것을 특징으로 하는 타이어.