KR101170415B1 - 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조된 타이어 - Google Patents

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조된 타이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조된 타이어에 관한 것으로서, 원료고무 100 중량부에 대해, 실리카 5 내지 20 중량부, 카본블랙 40 내지 60 중량부, 관능기가 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환된 페놀수지 3 내지 6 중량부, 그리고 펜타메톡시메틸멜라민 3 내지 6 중량부를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 높은 인열강도를 가져 내마모 성능 및 내구 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조된 타이어{TIRE TREAD RUBBER COMPOSITION AND TIRE MANUFACTURED BY USING THE SAME}
본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조된 타이어에 관한 것으로서, 높은 인열강도를 가져 내마모 성능 및 내구 성능을 향상시킬 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조된 타이어에 관한 것이다.
일반적으로 트럭 및 버스용 타이어의 트레드 부는 타이어에서 노면과 직접 접촉하는 두꺼운 고무층으로 된 부분으로 구동력과 제동력을 노면에 전달하고 노면으로부터의 충격을 완화하는 등 수많은 기능을 수행한다. 트레드는 카카스나 벨트층 등 타이어 내부 구조물을 보호하기 위하여 충격에 강하고, 주행 수명을 늘리기 위해 내마모성이 강한 고무 조성물을 채용하는 것이 일반적이다. 이러한 다양한 목적에 부합하도록 일반적으로 천연고무나 합성고무를 원료고무로 하여 보강제, 고무 배합제, 충진제 및 첨가물을 부가하여 배합하여 사용한다.
현재 내마모 성능과 내 찢김성 등 타이어 요구 성능을 만족시키기 위해서 일반적으로 5 내지 20 중량부 정도의 실리카를 카본블랙과 혼용 사용하는 방법이 많이 사용되고 있다. 하지만 이 방법의 경우 실리카와 천연 고무간의 친화성을 올리기 위해 커플링제인 SI-69를 적용하게 되는데, 이로 인해 인열 강도가 낮아지는 문제점이 있으며, 커플링제를 사용하지 않을 경우 실리카 사용으로 인한 공정의 어려움 및 실리카에 의한 아민계 촉진제의 흡착으로 인해 물성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 높은 인열강도를 가져 내마모 성능 및 내구 성능을 향상시킬 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조된 타이어를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무 100 중량부에 대해, 실리카 5 내지 20 중량부, 카본블랙 40 내지 60 중량부, 관능기가 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환된 페놀수지 3 내지 6 중량부, 그리고 펜타메톡시메틸멜라민 3 내지 6 중량부를 포함한다.
상기 관능기가 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환된 페놀수지는 상기 페놀수지의 전체 관능기 중 5 내지 10 몰%가 상기 하이드로젠 원소로 치환되고, 상기 페놀수지의 전체 관능기 중 10 내지 20 몰%가 상기 레조시놀로 치환될 수 있다.
상기 원료고무는 천연고무일 수 있다.
상기 타이어 트레드용 조성물은 가류제 0.5 내지 5 중량부 및 가류촉진제 0.5 내지 3 중량부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 타이어는 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조된다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무 100 중량부에 대해, 실리카 5 내지 20 중량부, 카본블랙 40 내지 60 중량부, 관능기가 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환된 페놀수지 3 내지 6 중량부, 그리고 펜타메톡시메틸멜라민 3 내지 6 중량부를 포함한다.
상기 원료고무는 천연고무이다.
상기 천연고무는 일반적인 천연 고무 또는 변성 천연 고무일 수 있다. 상기 일반적인 천연 고무는 천연 고무로서 알려진 것이면 어느 것이라도 사용될 수 있고, 원산지 등이 한정되지 않는다.
상기 실리카는 질소흡착 비표면적(nitrogen surface area per gram, N2SA)이 160 내지 200㎡/g이고, CTAB(cetyl trimethyl ammonium bromide) 흡착 비표면적이 150 내지 180㎡/g일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 실리카의 질소흡착 비표면적이 160㎡/g 미만이면 충진제인 실리카에 의한 보강성능이 불리해질 수 있고, 200㎡/g을 초과하면 고무 조성물의 가공성이 불리해질 수 있다. 또한, 상기 실리카의 CTAB흡착 비표면적이 150㎡/g 미만이면 충진제인 실리카에 의한 보강성능이 불리해질 수 있고, 180㎡/g을 초과하면 고무 조성물의 가공성이 불리해질 수 있다.
상기 실리카는 습식법 또는 건식법으로 제조된 것을 모두 사용할 수 있으며, 시판품으로는 울트라실 VN2(Degussa Ag사제), 울트라실 VN3(Degussa Ag사제), Z1165MP(Rhodia사제) 또는 Z165GR(Rhodia사제) 등을 사용할 수 있다.
상기 실리카는 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 5 내지 20 중량부로 포함될 수 있다. 상기 실리카의 함량이 5 중량부 미만인 경우에는 고무의 강도 향상이 부족하고 타이어의 제동 성능이 저하될 수 있으며, 상기 실리카의 함량이 20 중량부를 초과하는 경우에는 마모 성능이 저하될 수 있다.
상기 카본블랙으로는 질소흡착 비표면적이 125 내지 135m2/g이고, DBP(n-dibutyl phthalate)흡유량이 130 내지 135cc/100g인 카본블랙을 사용할 수 있다.
상기 카본블랙의 질소흡착 비표면적이 135m2/g를 초과하면 내마모성 및 내커트치핑성 면에서는 유리할 수 있으나 발열이 높아져서 내구성이 저하될 수 있고, 125m2/g 미만이면 내마모성 및 내커트치핑성이 불리해질 수 있다. 상기 카본블랙의 DBP 흡유량이 135cc/100g을 초과하면 내발열성 면에서는 유리하지만 내커트치핑성이 저하될 수 있고, 130cc/100g 미만이면 내발열성이 저하될 수 있다.
상기 카본블랙은 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 40 내지 60 중량부로 포함된다. 상기 카본블랙의 함량이 40 중량부 미만인 경우에는 내마모성이 저하될 수 있고, 60 중량부를 초과하는 경우 내발열성이 저하될 수 있다.
상기 관능기가 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환된 페놀수지는 보강성 수지로서 첨가되어, 레진 가류에 의해 고무 조성물의 경도를 향상시키는 작용을 한다.
상기 관능기가 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환된 페놀수지는 페놀수지의 관능기를 하이드로젠 원소 및 레조시놀로 치환시킨 것으로서, 상기 하이드로젠 원소는 상기 페놀수지의 전체 관능기 중 5 내지 10 몰%로 치환될 수 있고, 상기 레조시놀은 상기 페놀수지의 전체 관능기 중 10 내지 20 몰%로 치환될 수 있다. 상기 하이드로젠 원소가 5 몰% 미만으로 치환되는 경우 엑티브 사이트의 충분한 활성화가 되지 않아 반응성이 떨어질 수 있고, 10 몰%를 초과하여 치환되는 경우 과도한 반응성으로 최종 생성물이 불안정해질 수 있다. 또한, 상기 레조시놀이 10 몰% 미만으로 치환되는 경우 펜타메톡시메틸멜라민과의 충분한 반응이 일어나지 않아 인장 물성이 충분히 증가하지 않을 수 있고, 20 몰%를 초과하여 치환되는 경우 역시 입체 장애 문제로 펜타메톡시메틸멜라민과의 반응성이 떨어질 수 있다.
상기 페놀수지를 상기 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환시키는 방법은 상기 페놀수지를 치환시키는 종래 모든 방법이 사용될 수 있는 바, 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
상기 페놀수지는 바람직하게 p-터트-알킬 페놀 포름알데하이드 수지 또는 레조시놀 포름알데하이드 수지일 수 있고, 상기 p-터트-알킬 페놀 포름알데하이드 수지는 p-터트-부틸-페놀 포름알데하이드 수지, p-터트-옥틸-페놀 포름알데하이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환된 페놀수지는 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 3 내지 6 중량부로 사용할 수 있다. 상기 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환된 페놀수지의 함량이 3 중량부 미만이면 충분한 인열강도의 증가가 나타나지 않으며, 6 중량부를 초과하면 고무의 파단시까지의 신장율이 급격이 저하될 수 있다.
상기 펜타메톡시메틸멜라민(PMMM)은 가교제로서 첨가되어, 상기 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환된 페놀수지와 가교구조를 형성함과 동시에 고무사슬과 황으로 이루어진 가교구조와의 침투성 그물망을 형성하여 고무와의 친화성과 가교결합밀도를 증가시켜 고무 조성물의 모듈러스와 경도를 개선시킨다.
상기 펜타메톡시메틸멜라민은 통상 메틸렌 도너로서 사용되는 헥사메톡시메틸멜라민(HMMM) 또는 헥사메틸렌테트라아민(HMTA)에 비하여 타이어의 내열 노화 물성을 향상시킬 수 있다는 점에서 보다 우수하다.
상기 펜타메톡시메틸멜라민은 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 3 내지 6 중량부로 포함될 수 있다. 상기 펜타메톡시메틸멜라민의 함량이 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 3 중량부 미만인 경우 물리적 고무 가교제로서 역할을 하지 못할 수 있으며, 6 중량부를 초과하는 경우 고무의 내열노화 물성이 낮아지는 문제가 있을 수 있다.
상기 펜타메톡시메틸멜라민은 상기 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환된 페놀수지와 동일 비율로, 그 혼합비 범위가 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 타이어 트레드 고무 조성물에는 가류제, 가류촉진제, 가류촉진조제, 노화방지제, 충진제 등의 각종의 첨가제가 첨가될 수 있다. 상기 각종의 첨가제는 본 발명이 속하는 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있다.
상기 가류제로는 유황계 가류제, 유기 과산화물, 수지 가류제, 산화마그네슘 등의 금속산화물을 사용할 수 있고, 상기 가류제로는 바람직하게 유황계 가류제를 사용할 수 있다.
상기 가류제는 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 0.5 내지 5 중량부로 포함되는 경우 적절한 가류 효과를 보여 원료고무가 열에 덜 민감하고 화학적으로 안정하게 해준다는 점에서 바람직하다.
상기 가류촉진제는 가황 속도를 촉진하거나 초기 가황 단계에서 지연작용을 촉진하는 촉진제(accelerator)를 의미한다.
상기 가류촉진제로는 술펜아미드계, 티아졸계, 티우람계, 티오우레아계, 구아니딘계, 디티오카르밤산계, 알데히드-아민계, 알데히드-암모니아계, 이미다졸린계, 크산테이트계 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 가류촉진제로서 바람직하게 술펜아미드계 가황촉진제를 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게 N-시클로헥실-2-벤조티오아졸술펜아미드(N-Cyclohexyl-2-Benzothiazolesulfenamide)를 사용할 수 있으며, 가류 속도 촉진을 통한 생산성 증진 및 고무 물성의 증진을 극대화시키기 위하여 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 0.5 내지 3 중량부로 포함될 수 있다.
상기 가류촉진조제는 상기 가류촉진제와 병용하여 그 촉진 효과를 완전하게 하기 위해서 사용되는 배합제로서, 무기계 가류촉진조제, 유기계 가류촉진조제 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
특히, 상기 가류촉진조제로서 산화아연과 스테아르산을 함께 사용할 수 있으며, 이 경우 상기 산화아연이 상기 스테아르산에 녹아 상기 가류촉진제와 유효한 복합체(complex)를 형성하여, 가황 반응 중 유리한 황을 만들어냄으로써 고무의 가교 반응을 용이하게 한다.
상기 산화아연과 상기 스테아르산을 함께 사용하는 경우 적절한 가류촉진조제로서의 역할을 위하여 각각 원료 고무 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부 및 0.5 내지 3 중량부로 사용할 수 있다.
상기 노화방지제는 산소에 의해서 타이어가 자동 산화되는 연쇄반응을 정지시키기 위하여 사용되는 첨가제이다. 상기 노화방지제로는 아민계, 페놀계, 퀴놀린계, 이미다졸계, 카르밤산 금속염, 왁스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
상기 노화방지제로는 바람직하게, N-(1,3-디메틸부틸)-N-페닐-p-페닐렌디아민(N-(1,3-Dimethybutyl)-N-phenyl-p-phenylenediamine, 6PPD), N-페닐-n-이소프로필-p-페닐렌디아민(N-phenyl-n-isopropyl-p-phenylenediamine, 3PPD), 폴리(2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린(Poly(2,2,4-trimethyl-1,2-dihydroquinoline, RD) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 화합물을 사용할 수 있다.
상기 노화방지제는 노화 방지 작용 이외에 고무에 대한 용해도가 커야 하고, 휘발성이 작고 고무에 대하여 비활성이어야 하며, 가황을 저해하지 않아야 한다는 등의 조건을 고려할 때, 상기 원료 고무 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부로 포함될 수 있다.
상기 충진제로는 상기 본 발명에서 사용하는 실리카 및 카본블랙 이외에 탄산칼슘, 점토(수화규산알루미늄), 수산화알루미늄, 리그닌, 규산염, 활석 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
트럭 및 버스용 타이어의 경우 트레드 부위는 지면의 충격을 그대로 흡수하고 분산 시키기 때문에 충격 강도 및 인열 강도가 높아야 하며, 일반적으로 인열강도가 높을수록 내마모성능이 향상된다. 내마모 성능은 타이어 수명에 매우 밀접한 관계가 있으며, 내마모 성능이 우수할수록 수명이 길어진다.
상기와 같은 조성을 갖는 본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 관능기가 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환된 페놀수지의 낮은 연화점으로 인해 가류 이전에는 상대적으로 저강성을 가지므로 타이어 제조 공정 중에는 우수한 가공성을 나타내고, 가류 후에는 수지 가교제로 사용되는 펜타메톡시메틸멜라민과의 가교 반응하여 천연고무의 가교 구조와 함께 상호 침투 가교 구조를 형성함과 동시에, 고무 사슬과 카본 결합이 일어나 높은 인열 강도 및 높은 경도를 나타내기 때문에 종래 커플링제를 사용하지 않을 때 나타나는 인열강도 저하에 대한 우려가 없으며, 트레드의 인열 강도를 높이는 재료로서 유용하다.
본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 신품의 타이어 트레드용 고무 조성물로 사용할 수 있고, 트레드가 마모된 타이어(case)에 새로운 트레드 고무를 다시 붙여 사용하는 재생용 타이어 트레드 고무 조성물로도 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면 상기 타이어 트레드 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어를 제공한다. 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 타이어를 제조하는 방법은 종래에 타이어의 제조에 이용되는 방법이면 어느 것이든 적용이 가능한 바, 상세한 설명은 생략한다.
상기 타이어는 승용차용 타이어, 경주용 타이어, 비행기 타이어, 농기계용 타이어, 오프로드(off-the-road) 타이어, 트럭 타이어 또는 버스 타이어 등일 수 있다. 바람직하게, 중하중용 타이어, 트럭용 타이어 트레드 및 버스용 타이어 트레드로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 사용할 수 이다.
또한 상기 타이어는 마모된 타이어(case)의 트레드부를 상기 타이어 트레드용 고무 조성물로 재생한 타이어일 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 재생 타이어를 제조하는 방법은 열 가류(Hot Cure)와 냉간 가류(Cold Cure)의 방법을 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않고, 종래에 트레드가 마모된 타이어(case)에 새로운 트레드 고무를 입혀서 또는 가황에 의해 밀착시키는 방식으로 사용되는 타이어의 재생에 이용되는 방법이면 어느 것이든 적용이 가능하다.
본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 높은 인열강도를 가져 내마모 성능 및 내구 성능을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[제조예: 고무 조성물의 제조]
다음 표 1과 같은 조성을 이용하여 하기의 실시예 및 비교예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 제조하였다. 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조는 통상의 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법에 따랐다.
항목 비교예 1 비교예 2 실시예 1
천연고무 100 100 100
실리카① 20 20 20
카본블랙② 50 50 50
관능기가 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환된 페놀수지③ - 5 3
PMMA - - 4
유황 5 5 5
가류촉진제④ 2 2 2
(단위: 중량부)
① : N2SA이 175㎡/g이고, CTAB 흡착 비표면적이 165㎡/g인 실리카
② : N2SA이 135㎡/g이고, DBP 흡유량이 135cc/100g인 카본블랙
③ : 하이드로젠 원소가 페놀수지의 전체 관능기 중 10 몰%로 치환되고, 레조시놀이 페놀수지의 전체 관능기 중 15 몰%로 치환된 p-터트-부틸-페놀 포름알데하이드 수지
④ : 터셔리부틸벤조티아졸술펜아미드(TBBS)
상기 제조된 실시예 및 비교예의 타이어 트레드용 고무 조성물을 150℃에서 30분간 가류시켜 시편을 제조한 후, 하기와 같은 방법으로 물성을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 단, 하기 표 2에 나타난 값은 비교예의 측정값을 기준으로 하여 상대값을 나타낸 것으로, 그 수치가 클수록 우수하다.
경도는 DIN 53505에 의해 측정하였다. 경도는 조종 안정성을 나타내는 것으로 그 값이 높을수록 조종 안정성이 우수함을 나타낸다.
100% 모듈러스(Modulus, 단위 kgf/㎠)는 100% 신장시의 인장강도로서, ISO 37 규격에 의해 측정하였고, 수치가 높을수록 우수한 강도를 나타낸다.
인장강도(Kgf/cm2)는 ASTM D 790의 방법으로 측정하였고, 수치가 높을수록 신장에 강함을 나타낸다.
신장율(%)은 파단시 신장률을 의미하며, 인장 시험기에서 시험편이 끊어질 때까지의 Strain 값을 %로 나타내는 방법으로 측정하였으며. 수치가 클수록 고무가 유연하여 신장이 많이 일어남을 나타낸다.
항목 비교예 1 비교예 2 실시예 1
인장특성 경도 100 102 104
모듈러스 100 108 112
인장강도 100 102 118
신장율(%) 100 98 96
상기 표 2를 참조하면, 천연고무에 실리카를 카본블랙과 혼용하여 사용하고 관능기가 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환된 페놀수지와 펜타메톡시메틸멜라민(PMMM)을 포함하는 실시예 1의 고무 조성물은 비교예 1 및 2에 비해 증가된 모듈러스 및 인열 강도 특성을 나타내어. 타이어 트레드부의 제조에 보다 적합함을 확인하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (5)

  1. 원료고무 100 중량부에 대해,
    실리카 5 내지 20 중량부,
    카본블랙 40 내지 60 중량부,
    관능기가 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환된 페놀수지 3 내지 6 중량부, 그리고
    펜타메톡시메틸멜라민 3 내지 6 중량부
    를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관능기가 하이드로젠 원소와 레조시놀로 치환된 페놀수지는 상기 페놀수지의 전체 관능기 중 5 내지 10 몰%가 상기 하이드로젠 원소로 치환되고, 상기 페놀수지의 전체 관능기 중 10 내지 20 몰%가 상기 레조시놀로 치환된 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원료고무가 천연고무인 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 타이어 트레드용 조성물은 가류제 0.5 내지 5 중량부 및 가류촉진제 0.5 내지 3 중량부를 더 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조된 타이어.
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