KR101133400B1 - 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 사용하여 제조되는 공기입 타이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 사용하여 제조되는 공기입 타이어에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 친환경 연화제가 포함되어 있는 스타이렌 부타디엔 고무의 사용 및 비율 변경, 충진제 및 가황제의 최적 비율 선정 및 친환경 촉진제의 사용을 통하여 자동차의 연비 성능은 동등으로 유지하면서 제동 및 마모 성능을 향상시키는 동시에 환경 친화적인 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 사용하여 제조되는 공기입 타이어에 관한 것이다.

친환경 연화제, TCA, PAH, 니트로사민, 스타이렌 부타디엔 고무, 연비 성능, 공기입 타이어.

Description

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 사용하여 제조되는 공기입 타이어 {Rubber Composition for Tire Tread and Air Injection Tire Using The Same}

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 사용하여 제조되는 공기입타이어에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 친환경 연화제가 포함되어 있는 스타이렌 부타디엔 고무의 사용 및 비율 변경, 충진제 및 가황제의 최적 비율 선정 및 친환경 촉진제의 사용을 통하여 자동차의 연비 성능은 동등으로 유지하면서 제동 및 마모 성능을 향상시키는 동시에 환경 친화적인 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 사용하여 제조되는 공기입 타이어에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 성능 향상과 함께 고성능 타이어에서 요구되는 대표적인 성능은 고속 내구성, 조종 안정성과 승차감, 소음을 들 수 있다. 또한, 근래 세계적으로 친환경 물질 개발 및 그 사용 기술에 대한 관심 및 기대가 커지고 있으며, 타이어 산업에도 예외는 없어, 업체별로 자발적인 친환경 기술 개발 노력은 물론 국가별 강제적인 법제화 등을 통한 유해물질 저감 및 이산화 탄소 발생 저감을 위한 노력 등을 실시 중이다. 따라서, 최근의 타이어 연구 개발 동향은 친환경 및 저연비 분야에 집중되고 있다.

한편, 승용차용 타이어의 트레드 고무조성물의 첨가제 중 연화제로는 여러 종류가 있으나, 일반적으로 방향족 오일(Aromatic Oil)이 정련 및 압출 공정에서 가공성 향상 및 최적의 물성을 구현하는 것으로 알려져 있다.

그러나, 최근 유럽 연합(EU, Europe Union)에서는 특정 유해 PAH(polycyclic aromatic hydrocarbons) 물질을 일정량 이상 함유하고 있는 프로세스 오일의 사용 및 이러한 오일을 사용한 타이어의 판매를 금지하는 법안을 제정하여 2010년 1월 1일부터 발효시킬 예정으로 있어, 모든 타이어 제조회사는 이를 시급히 해결해야 할 문제로 여기고 있다.

또한, 타이어 제조 공정 중 가류 공정에서 Nitrosamine이 발생하는데, 국제 암연구 기구인 IARC (international Agency for Research on Cancer)는 Nitrosamine을 발암성 물질로 규정하였고, 현재 독일 정부는 Nitrosamine 을 2.5㎍/㎥으로 규제하고 있으며, 이후 머지 않아 유럽 및 미국에서도 규제할 조짐으로 보이는 등 전세계의 고무산업 전반에 주요 문제로 등장하고 있다.

이상과 같은 이유로, 회전저항, 마모 성능은 동등으로 유지하면서 웨트 제동성을 개선하고 환경 친화적인 컴파운드의 개발을 위하여 유리전이온도가 높은 스타이렌 부타디엔 고무를 사용하거나 카본블랙과 같은 보강제의 사용량을 줄여서 이러한 문제점을 해결하고자 하였으나 제동 성능 및 조정 안정 성능에 있어서 바람직한 결과를 나타내지 못하고 있는 실정이다.

따라서, 타이어의 고성능화와 함께 환경 문제도 해결할 수 있는 타이어 제 조 기술 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다

그러나, 일반적으로 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 또 한 번의 진보에 중요한 관건이 될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 친환경 연화제가 포함되어 있는 스타이렌 부타디엔 고무의 사용 및 비율 변경, 충진제 및 가황제의 최적 비율 선정 및 친환경 촉진제의 사용을 통하여 자동차의 연비 성능은 동등으로 유지하면서 제동 및 마모 성능을 향상시키는 동시에 환경 친화적인 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 상기와 같은 본 발명에 따른 고무 조성물을 타이어 트레드에 사용함으로서 타이어의 고성능화와 친환경성을 동시에 만족시킬 수 있는 공기입 타이어를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은, 스타이렌 부타디엔 B 고무(S-SBR B) 32 내지 42 중량부, 스타이렌 부타디엔 D 고무(S-SBR D) 72 내지 82 중량부, 부타디엔 고무(BR B) 18 내지 28 중량부를 포함하는 원료고무와 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 연화제 4 내지 10 중량부, 충진제 40 내지 100 중량부, 가황제 1.5 내지 2.0 중량부 및 가류 촉진제 0.1 내지 0.3 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 일 구현예에 따른 타이어 드레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 스타이렌 부타디엔 B 고무는 용액중합 방법에 의해 제조되며 스타이렌 함량이 20 내지 25 중량%이고, 유리전이온도(Tg)가 -53℃ 내지 -56℃이며, 친환경 오일을 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 타이어 드레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 스타이렌 부타디엔 D 고무는 용액중합 방법에 의해 제조되며 스타이렌 함량이 37 내지 45%이고, 유리전이온도(Tg)가 -37℃ 내지 -41℃이며, 친환경 오일을 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 타이어 드레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 부타디엔 고무는 수평균(중량평균) 분자량이 600,000 이상이며 분자량 분포가 4 내지 6이고, 유리전이온도가 -105℃ 내지 -108℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 타이어 드레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 가류 촉진제는 티우람이설파이드(Thiuram Disulfide)계로 끓는점(Boiling point)이 300℃ 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 타이어 드레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 연화제는 PCA(Poly Cyclic Aromatic) 성분의 총 함량이 3 중량% 이하이고, 동점도가 93℃, 아로마틱계 성분이 23 내지 33 중량%, 나프텐계 성분이 27 내지 37 중량% 및 파라핀계 성분이 42 내지 52 중량%인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 양상은 상기와 같은 본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 트레드에 사용하여 제조되는 공기입 타이어에 관한 것이다.

본 발명에 의한 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 사용하여 제조되는 공기입 타이어는, 친환경 연화제가 포함되어 있는 스타이렌 부타디엔 고무의 사용 및 비율 변경, 충진제 및 가황제의 최적 비율 선정 및 친환경 촉진제의 사용을 통하여 환경 친화적인 동시에 자동차의 연비 성능은 동등으로 유지하면서 제동 및 마모 성능을 향상시키는 효과가 있다.

이하, 실시예 등을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 타이어용 트레드 고무 조성물은, 저온 특성 및 내발열 성능이 우수하며 스타이렌 함량이 낮은 스타이렌 부타디엔 B 고무(S-SBR B) 32 내지 42 중량부와, 스타이렌 함량이 높으면서 분자량이 큰 스타이렌 부타디엔 D 고무(S-SBR D) 72 내지 82 중량부와, 유리전이온도가 낮고 분자량이 작은 부타디엔 B 고무(BR B) 18 내지 28 중량부를 포함하는 원료고무 및 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 연화제 4 내지 10 중량부, 충진제 40 내지 100 중량부, 가황제 1.5 내지 2.0 중량부 및 가류 촉진제 0.1 내지 0.3 중량부를 포함한다.

더욱 구체적으로는, 본 발명의 일 구현예에 따른 타이어용 트레드 고무 조성물에서 상기 S-SBR B 고무는 용액중합 방법에 의해 제조되며 스타이렌 함량이 20 내지 25%이고, 유리전이온도(Tg)가 -53℃ 내지 -56℃인 것이 바람직하다. 또한, 상기 S-SBR D 고무는 용액중합 방법에 의해 제조되며 스타이렌 함량이 37 내지 45%이고, 유리전이온도가 -37℃ 내지 -41℃이며, 연화제가 37.5 중량% 포함되고 중량 평균 분자량이 1,100,000이상인 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 S-SBR B 고무, S-SBR D 고무 내의 스타이렌 함량이 상기 범위를 벗어날 경우에는 연비 성능, 마모 성능 및 가공성이 불리한 문제가 발생할 수 있다. 또한 유리전이 온도가 상기 범위를 벗어날 경우에는 웨트 제동(wet grip)과 회전 저항 성능에 불리하게 나타날 수 있다

또한, 상기 BR B 고무는 수평균(중량평균) 분자량이 600,000 이상이며 분자량 분포가 4 내지 6이고, 유리전이온도가 -105℃ 내지 -108℃인 것이 바람직하다. 상기 BR B 고무의 중량평균 분자량이 600,000 보다 낮아지면 연비 성능 및 마모성능에 불리하며, 분자량 분포가 상기 범위를 벗어날 경우에는 가공성에 불리한 문제가 있다. 또한, 유리전이온도가 -105℃ 보다 높아질 경우 마모에는 유리하나 웨트 제동성능에 불리하고, -108℃ 보다 낮아지게 되면 마모성능에 불리한 문제가 있다.

한편, 타이어 트레드용 고무 조성물에는 원료 고무와 함께 여러가지 고무 배합물이 들어가는데, 이중 프로세스 오일(연화제)는 타이어 제조 공정에서의 가공성을 좋게 하고 연화 작용(softening) 및 저온 성능 특성을 향상시키기 위하여 사용한다. 그러나 이러한 연화제에는 하기 표 1과 같이 암 유발 물질로 알려진 PCA(Poly Cyclic Aromatic)가 다량 포함되어 있다.

[표 1]연화제 내 포함되어 있는 유해성 Poly Cyclic Aromatic(PCA) 성분

따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 타이어 트레드용 고무 조성물에서, 상기 연화제는 원료고무 100 중량부에 대하여 4 내지 10 중량부 포함하되, PCA 성분의 총 함량이 3 중량% 이하인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 연화제는 동점도가 93℃(200 ℉ SUS), 연화제 내 방향족 성분이 23 내지 33 중량%, 나프텐계 성분이 27 내지 37 중량% 및 파라핀계 성분이 42 내지 52 중량%인 것이 바람직하다. 연화제의 사용량이 4 중량부 보다 낮을 경우에는 가공성이 불량하며, 10 중량부 보다 높을 경우에는 연비 성능에 불리한 작용을 나타낼 수 있다.

한편, 타이어 트레드용 고무 조성물에는 첨가제의 일종으로 가류 촉진제가 들어가는데, 많은 가류 촉진제는 혼합(Mixing)과 경화 (Curing) 작업 중에 2차 아민(secondary amine)을 발생시키며, 이에 따라 니트로사민(Nitrosamine)이 생성된다. 니트로사민은 2차 아민이 NO와 같은 니트로소화 물질(Nitrosating agent)와 반응할 때 생성된다. 이와 같은 니트로사민이 발생되지 않게 하기 위해서는 2차 아민이 발생되는 것을 억제해야 하는데, 이러한 이유에서 각 촉진제에서의 2차 아민의 끓는점(Boiling point, ℃)가 중요하게 된다. 기존의 가류 촉진제는 끓는점이 낮아서 2차 아민이 쉽게 노출되어 이로 인하여 니트로사민이 쉽게 생성된다.

따라서 본 발명에 따른 고무 조성물에서 사용되는 가류 촉진제는 끓는점이 300 ℃ 이상으로 높아 니트로사민의 발생이 억제되는 것을 특징으로 한다. 상기 가류 촉진제로는 티우람디설파이드(Thiuram Disulfide) 계열을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 보강재로 사용되는 카본 블랙은, 그 종류에 특별한 제한은 없으나, BET(Brunauer, Emmett & Teller) 비표면적이 80~90 ㎡/g 이고, DBP (DiButyl Phthlate) 흡착가가 100~110g/100g이며, 요오드 흡착가가 90~120 mg/g 범위인 것이 바람직하다. 상기 카본 블랙은 원료 고무 100 중량부에 대하여 40~100 중량부를 사용하는 것이 바람직한데, 그 사용량이 40 중량부 미만이면 충분한 보강 효과를 나타내지 못하여 바람직하지 않고, 100 중량부를 초과하면 발열 및 내마모 효과를 나타내지 못하여 바람직하지 않다.

기타 본 발명에서 사용되는 다양한 첨가제에 대하여는 타이어 트레드용 고무 조성물에 사용되는 일반적인 성분으로서 그 자세한 내용은 생략한다.

이상과 같이 하여 제조된 본 발명에 따른 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은, PCA, 니트로사민과 같은 유해물질의 발생을 억제하면서 연비 성능은 동등 수준이며 제동 성능 및 내 마모 성능을 동시에 동시에 향상시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상은, 상기와 같은 본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 트레드에 사용하여 제조되는 공기입 타이어에 관한 것이다. 상기 본 발명에 따른 공기입 타이어는 친환경적이며 우수한 제동 성능 및 내 마모 성능을 가질 수 있다.

이하에서는 구체적인 실시예와 비교예를 들어 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 다만, 이는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

용액중합 스타이렌 부타디엔 고무 B(S-SBR B) 38.5 중량부, 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무 D (S-SBR D) 73.5 중량부, 부타디엔 고무 B(BR B) 18.5 중량부에 대하여 카본블랙 70 중량부, 노화방지제 2 중량부, 산화아연 3 중량부, 스테아린산 2 중량부, 유황 1.8 중량부, 가류촉진제 B 0.1 중량부 및 방향족 오일(Oil-B) 7 중량부의 배합비로 배합하여 고무 조성물을 제조하여 이를 160℃ 에서 가류시켜 고무 시편을 제조하였다.

[실시예 2]

용액중합 스타이렌 부타디엔 고무 B (S-SBR B) 36 중량부 및 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무 D(S-SBR D) 고무 76 중량부, 충진제 73 중량부, 가류 촉진제 B 0.2 중량부, 유황 1.6 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

[실시예 3]

가류 촉진제 B 0.25 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

[비교예 1]

용액중합 스타이렌 부타디엔 고무A (S-SBR A) 41 중량부, 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무 C (S-SBR D) 71 중량부 및 부타디엔 고무 A (BR A) 18.5 중량부를 사용하고, 방향족 오일(Oil-A) 7 중량부, 가류 촉진제 A 0.1 중량부를 사용하는 것 을 제외하고는 실시예1과 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

[비교예 2]

용액중합 스타이렌 부타디엔 고무B (S-SBR B) 41 중량부, 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무 D (S-SBR D) 71 중량부 및 부타디엔 고무 B (BR B) 고무 18.5 중량부를 사용하고, PAH 함량이 낮은 Oil-B 7 중량부, 가류 촉진제 A 0.1 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 비교예1과 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

상기 실시예 및 비교예의 조성 및 각 성분의 특성을 하기 표 2 내지 5에 나타내었다.

[표 2]비교예 및 실시예의 고무 조성물

[표 3]스타이렌 부타디엔 고무 특성 비교

S-SBR A는 용액중합 스타이렌 부타디엔 고무(Styrene Butadiene Rubber; SBR)의 한 종류(A)를 나타낸 것이다.

[표 4]부타디엔 고무 특성 비교

BR A 는 부타디엔 고무(Butadiene Rubber; BR)의 한 종류(A)를 나타낸 것이다.

[표 5]가류 촉진제 특성 비교

상기 표 2에 도시되어 있는 고무 조성물의 성능을 다음과 같은 방법으로 측정하여 하기 표 6에 도시하였다.

1) 가류 시간 : MDR을 이용하여 160℃ 온도에서 고무조성물의 가류 시간 t90을 측정하였다. t90(min)이 클수록 고무의 가류 시간이 길어지며 작을 수록 가류 시간이 짧아 진다.

2) 내 마모성 지수 : 람본 마모 시험기로 시험, 지수가 클수록 내 마모성이 양호

3) 제동성능 및 연비 특성 : Rheometrics Dynamic Spectrometer를 이용하여 0.5% strain, 10 Hz, 온도변화(Temp. sweep)를 통해 0℃ tan δ 및 60℃ tan δ를 측정하였다. 0℃ tan δ는 제동특성을 나타내는 것으로 지수 값이 클수록 제동 성능이 우수한 것을 나타내고, 60℃ tan δ는 회전저항 성능을 나타내는 것으로 지수 값이 낮을수록 연비 성능이 양호함을 나타낸다.

[표 6]물성 성능 평가

본 발명에서는 분자량이 큰 Low PAH Polymer인 S-SBR B 고무 및 스타이렌 함량이 높은 S-SBR D 고무, 분자량이 작은 BR B 고무, 친환경적인 Low PAH (Polycyclic Aromatic Hydrocarbon) 오일을 사용하였다. DAE(Distillate Aromatic Extract) 오일과 TDAE(Treated Distillate Aromatic Extract) 오일은 그 성분에 차이가 있으며 이로 인하여 유리전이온도(Tg)가 서로 달라 고무 조성물 내에서 서로 다른 특성을 보인다. TDAE 오일의 경우는 DAE 오일에 비하여 유리전이 온도가 낮아 연비 성능 측면에서 DAE 오일에 비해 우수하지만 제동 성능 측면에서는 불리한데 이렇게 Low PAH Polymer와 블렌딩하였을 경우의 효과를 표 1의 비교예 1과 비교예 2의 성능 시험결과에서 확인할 수 있다.

실시예 1에서 내 마모성능 및 제동성능 향상을 위하여 S-SBR A와 S-SBR B의 비율을 변경하여 실시하였으나, 마모 성능의 개선은 이루어지지 않음을 확인하였으며, 마모 성능의 개선을 위해 S-SBR B와 S-SBR D의 비율 변경 및 충진제 및 유황의 함량을 조절하여 적용하였다. 실시예 3은 이를 통하여 연비 성능은 동등 수준이면서 제동 성능, 내 마모성능이 개선된 결과를 나타내고 있다.

발암성 물질인 니트로사민을 발생하게 하는 가류 촉진제 A를 친환경 촉진제 B로 대체한 결과, 동일한 양으로 대체하였을 경우, 가류 시간이 증가하는 것을 실시예 1에서 확인하였다. 이를 개선하기 위하여 친환경 촉진제 B를 가류 촉진제 A 대비하여 증량하여 실시하였으며, 이를 통해, 동등 수준의 가류 시간을 확보할 수 있었다.

본 발명을 통해, 친환경 연화제가 포함되어 있는 스타이렌 부타디엔 고무의 사용 및 비율 변경 및 충진제와 가황제의 최적비 적용, 친환경 촉진제 사용을 통하여 친 환경적이면서 연비 성능은 동등 수준이면서 제동 성능 및 내 마모성능을 동시에 향상시킬 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물을 획득할 수 있었다.

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 기술분야의 당업자에 의해 많은 변형이 가능함은 자명할 것이다.

Claims (7)

1. 스타이렌 함량이 20 내지 25 중량%인 용액중합 스타이렌 부타디엔 B 고무(S-SBR B) 32 내지 42 중량부, 스타이렌 함량이 37 내지 45 중량%인 용액중합 스타이렌 부타디엔 D 고무(S-SBR D) 72 내지 82 중량부, 부타디엔 고무(BR B) 18 내지 28 중량부를 포함하는 원료고무; 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 연화제 4 내지 10 중량부, 충진제 40 내지 100 중량부, 가황제 1.5 내지 2.0 중량부 및 가류 촉진제 0.1 내지 0.3 중량부를 포함하며, 상기 가류 촉진제는 티우람디설파이드(Thiuram Disulfide)계로 끓는점이 300℃ 이상인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
2. 제 1항에 있어서, 상기 스타이렌 부타디엔 B 고무는 용액중합 방법에 의해 제조되며 스타이렌 함량이 20 내지 25 중량%이고, 유리전이온도(Tg)가 -53℃ 내지 -56℃이며, 친환경 오일을 함유하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
3. 제 1항에 있어서, 상기 스타이렌 부타디엔 D 고무는 용액중합 방법에 의해 제조되며 스타이렌 함량이 37 내지 45 중량%이고, 유리전이온도(Tg)가 -37℃ 내지 -41℃이며, 친환경 오일을 함유하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물
4. 제 1항에 있어서, 상기 부타디엔 고무는 수평균(중량평균) 분자량이 600,000 이상이며 분자량 분포가 4 내지 6이고, 유리전이온도가 -105℃ 내지 -108℃인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서, 상기 연화제는 PCA(Poly Cyclic Aromatic) 성분의 총 함량이 3 중량% 이하이고, 동점도가 93℃, 아로마틱계 성분이 23 내지 33 중량%, 나프텐계 성분이 27 내지 37 중량% 및 파라핀계 성분이 42 내지 52 중량%인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
7. 제1항 내지 제4항 및 제6항 중 어느 한 항의 고무 조성물을 트레드에 사용하여 제조되는 공기입 타이어.