KR101225863B1 - 나노 실리카-나노 은 복합체를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물 및 그를 이용한 타이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물 및 그를 이용한 타이어에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 원료고무에 나노 실리카-나노 은 복합체를 포함하여 이루어지므로써, 분산 안정성, 접착성, 내마모성, 전기 전도성, 회전저항 및 제동성능이 향상된 타이어 트레드용 고무 조성물 및 그를 이용한 타이어에 관한 것이다.

Description

나노 실리카-나노 은 복합체를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물 및 그를 이용한 타이어{Tire tread rubber composition comprising nano-silica/nano-silver composite and tire using the same}

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물 및 그를 이용한 타이어에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 원료고무에 충전제로서 나노 실리카-나노 은 복합체를 포함하여 이루어지므로써, 분산 안정성, 접착성, 내마모성, 전기 전도성, 회전저항 및 제동성능이 향상된 타이어 트레드용 고무 조성물 및 그를 이용한 타이어에 관한 것이다.

최근 타이어 산업에 있어 친환경 제품 개발에 대한 주요 관심사항으로 타이어의 회전저항 감소 및 내마모 성능 향상을 위한 기술들이 지속적으로 개발되고 있다.

타이어에 있어서, 트레드용 고무 조성물은 타이어의 마모특성, 연비에 영향을 주는 회전저항, 안정성 등의 성능에 직접적인 영향을 미친다. 이러한 트레드용 고무 조성물에 사용되는 저연비 보강제는 대표적으로 실리카와 카본블랙이 사용되고 있는 추세이다.

그런데, 고무 조성물에 실리카와 카본블랙 같은 보강제를 배합할 때, 각 재료들의 컴파운딩 기술에서 한계에 부딪침에 따라, 분산 안정성의 문제가 있고, 특히 보강성 실리카는 표면화학적 특성이 극성이므로 고무와의 혼합이 용이하지 않아 분산 안정성에서 굉장히 불리한 측면이 있어서 실란 커플링제 및 실리카 방출 시스템 등을 이용하여 이러한 문제점을 해결해 나가고 있다.

상기와 같은 보강제의 분산 안정성의 문제 해결을 위하여, 특화된 나노 재료들의 적용이 상용화되었고, 표면적이 넓은 나노 재료를 적용하여 보강성을 높이는 나노 클레이, 탄소 나노 섬유, 나노 층상 화합물 등이 대표적으로 쓰이고 있다.

대한민국 특허공개공보 10-2010-0075219호에서는 트레드용 고무 조성물에 나노 다이아몬드를 첨가함으로써, 인장강도, 젖은 노면에서의 제동 성능을 향상시키고, 또한 타이어 회전저항의 감소로 인한 자동차 연비 및 내마모 성능을 향상시키는 기술을 개시하고 있다. 하지만 상기 특허에 따른 트레드 고무 조성물은 분산 안정성 및 소음 특성이 불리한 문제점이 있다.

한편, 대한민국 특허공개공보 10-2009-0044637호는 탄소나노튜브의 표면을 개질하여 고무 매트릭스 내에 고르게 분산시켜 보강성과 전기 전도성을 향상시킨 타이어 트레드 고무 조성물에 관한 것이지만, 상기 특허에 따른 트레드 고무 조성물은 타이어 회전저항 및 젖은 노면에서의 제동 특성 개선이 이루어지기 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술들의 문제점을 해결하기 위하여, 원료고무에 충전제로서 나노 실리카-나노 은 복합체를 첨가함으로써, 분산 안정성, 접착성, 내마모성, 전기 전도성, 회전저항 및 제동성능이 향상된 타이어 트레드용 고무 조성물 및 그를 이용한 타이어를 제공하는 것이다.

본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무 100중량부에 대해서 나노 실리카-나노 은 복합체를 1~70중량부 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 사용하는 원료고무는 그 종류에 특별히 제한이 없이, 천연고무, 합성고무 또는 천연고무와 합성고무의 혼합고무를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 천연고무와 합성고무 중에서 스티렌 부타디엔 고무 또는 부타디엔 고무를 혼합하여 사용할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 나노 실리카-나노 은 복합체는 나노 실리카 표면에 나노 은이 코팅되어 이루어지는 복합 나노 재료이다.

본 발명에서 사용되는 나노 실리카-나노 은 복합체에 있어서, 나노 실리카는 평균직경 5~500nm의 실리카 나노 입자인 것이 바람직한데, 상기 나노 실리카의 평균직경이 5nm 미만인 경우에는 나노 은을 코팅하는데 어려움이 있어 바람직하지 않고, 500nm를 초과하는 경우에는 고무 조성물의 인장 물성이 하락하여 바람직하지 않다.

본 발명에서 사용되는 나노 실리카-나노 은 복합체에 있어서, 나노 은은 평균직경 1~5mm의 은 나노 입자인 것이 바람직한데, 상기 나노 은의 평균직경이 1nm 미만인 경우에는 코팅이 부족하여 분산도가 떨어져 바람직하지 않고, 5nm를 초과하는 경우에는 나노 실리카 표면에 단일층 코팅이 어려워 바람직하지 않다.

상기 실리카 나노 입자와 은 나노 입자는 높은 표면 장력으로 인하여 입자 간의 응집을 통하여 표면에너지를 낮추려는 경향이 있기 때문에, 이를 방지하기 위해서 나노 입자 형성시 높은 표면 장력을 낮추기 위해 고분자 또는 계면활성제 등을 나노 입자 표면에 흡착시켜 표면 개질함으로써 나노 입자 간의 응집력을 차폐하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 상기 실리카 나노 입자는 실리카 표면 개질용의 대표적 계면 활성제인 CTAB(Cetyltrimethylammonium Bromide)로 표면개질된 것이 바람직하고, 상기 은 나노 입자는 아세트산 용액을 이용하여 친수성으로 표면 개질된 것이 바람직하다. 이러한 표면 개질에 의해 나노 입자의 응집을 최소화할 수 있다.

본 발명에 사용되는 나노 실리카-나노 은 복합체는, 예를 들어 하기와 같은 방법으로 제조될 수 있다.

<나노 실리카-나노 은 복합체 제조방법>

교반기 하층부에는 은 나노 입자를 500~800rpm의 속도로 혼입시켜 가며, 상층부로부터 나노 실리카 용액을 0.3~0.5L/hours의 속도로 떨어뜨리며 반응시킨다. 이때 초음파기로 충격을 준 후 계속 교반시킨다. 제조된 나노 실리카-나노 은 복합체를 여과하고, 진공오븐에 방치하여 수분을 제거한다.

제조된 상기 나노 실리카-나노 은 복합체에 있어서, 5~15중량%의 나노 은을 함유하고 있는 것이 바람직한데, 나노 은이 5중량% 미만인 경우 나노 실리카 코팅이 부족하여 분산도가 떨어져 바람직하지 않고, 15중량%를 초과하는 경우에는 나노 실리카 표면에 다층의 나노 은이 코팅되어 고무 조성물의 물성을 하락시켜 바람직하지 않다.

상기 나노 실리카-나노 은 복합체는 원료고무 100중량부에 대하여 1~70중량부 사용되는 것이 바람직한데, 1중량부 미만인 경우에는 고무 보강 특성이 하락하여 바람직하지 않고, 70중량부를 초과하는 경우에는 인장 물성이 하락하여 바람직하지 않다.

상기와 같은 나노 실리카-나노 은 복합체는 고무와의 혼합시, 분산성을 향상시킨다.

본 발명의 고무 조성물에는 통상의 고무 조성물용 첨가제들, 예로서 탄산칼슘, 스테아린산, 공정오일, 접착제, 공정조제, 노방제, 가류제, 활성제, 촉진제 등의 첨가제들을 적절히 선택하여 첨가할 수 있으며, 이들 첨가제들의 선택 및 사용량은 당 분야에서는 공지이다.

본 발명의 타이어는 상기와 같은 본 발명의 트레드용 고무 조성물로 이루어진 트레드부를 가지며, 회전저항 및 제동 성능이 향상된 타이어이다.

본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무에 나노 실리카-나노 은 복합체를 포함하여 이루어지므로써, 가황 반응의 안정성과 고무와 복합체의 혼합시 분산력을 향상시켜 공정성에 도움이 되고, 접착력 하락 방지 효과를 얻을 수 있고, 이를 타이어 제조에 적용시 전기전도성, 젖은 노면 제동특성, 회전저항 및 마모특성이 개선될 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예 및 비교예에 의하여 보다 구체적으로 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 실시하기 위한 예에 지나지 않으며, 본 발명의 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 및 비교예

하기 표 1에 나타낸 조성에 따라 각 성분을 배합하여, 고무 조성물을 제조하고, 이를 이용하여 시편을 제조한 후 ASTM 규격에 따라 물성 및 전기전도도 평가를 실시하여, 그 평가결과를 하기 표 2에 나타내었다.

(단위:중량부)

구분	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예
E-SBR1)	40	40	40	40
S-SBR2)	40	40	40	40
BR3)	20	20	20	20
카본블랙4)	7	7	7	7
실리카	0	25	45	70
나노 실리카- 나노 은 복합체5)	70	45	25	0
산화아연	3	3	3	3
스테아린산	2	2	2	2
노방제6)	2	2	2	2
황	2.2	2.2	2.2	2.2
촉진제17)	2.0	2.0	2.0	2.0
촉진제28)	0.8	0.8	0.8	0.8

1) E-SBR: 유화 중합 스티렌 부타디엔 고무; 1,3-부타디엔 67.6중량% 함유

2) S-SBR: 용액 중합 스티렌부타디엔 고무; 1,3-부타디엔 73.0중량% 함유

3) BR : 폴리부타디엔 고무

4) 카본블랙: DBP 표면적 114㎡/g, CTAB 90㎡/g

5) 나노 실리카-나노 은 복합체 : 평균직경 300nm의 나노 실리카에 평균직경 3nm의 나노 은 입자가 코팅된 복합체; 나노 은 함량 10중량%

6) 노방제: N-(1,3-디메틸부틸)-N'-페닐-p-페닐렌디아민(Kumanox-13)

7) 촉진제1: N-사이클로헥실-2-벤조티아졸-설페나마이드(CZ)

8) 촉진제2: N,N-디페닐구아니딘(DPG)

구분	실시예 1	실시예2	실시예3	비교예
경도	104	102	101	100
마모 Index	105	102	101	100
접착 Index	107	104	101	100
충전제 분산도	110	105	103	100
0°C tanδ	0.61	0.52	0.45	0.43
70°C tanδ	0.072	0.092	0.103	0.112
전기저항(Ohm)	1.0×106	1.0×106	1.0×107	1.0×107

주)

1) 경도는 지수로 표시하였으며, 비교예의 100이 기준이며, 높을수록 실제 수치가 높은 값을 나타낸다.

2) 마모 Index는 상온에서 회전시켜 마모된 고무의 손실량을 비교예의 100을 기준으로 하여 나타낸 값으로, 수치가 높을수록 우수한 마모 성능을 나타낸다.

3) 접착 Index는 상온에서 접착시험기를 이용하여 측정하였으며, 비교예의 100을 기준으로 하여 나타낸 값으로, 수치가 높을수록 우수한 접착 성능을 나타낸다.

4) 충전제 분산도는 충전제 분산도 측정기를 이용하여 측정하였으며, 비교예의 100을 기준으로 하여 나타낸 값으로, 수치가 높을수록 우수한 분산성을 나타낸다.

5) 0°tanδ는 젖은 노면에서의 제동성능을 나타내는 척도로서, 수치가 높을 수록 우수한 것을 의미하고, 70°tanδ는 회전저항을 나타내는 척도로서, 수치가 낮을수록 우수한 저연비 특성을 나타낸다.

6) 전기저항은 상대습도 50±6%RH, 주위 온도 23±2℃의 조건으로, 최소 저항 측정치를 나타낸다.

상기 표 2의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 나노 실리카-나노 은 복합체를 사용한 실시예 1~3은, 상기 복합체를 사용하지 않은 비교예의 경우보다 마모 특성이 상승하고, 회전 저항 및 제동 성능이 향상되며, 접착 및 분산도가 향상되었으며, 전기저항 특성이 개선되는 것을 알 수 있다.

Claims (3)

1. 원료고무 100중량부에 대해서, 평균직경이 5~500nm인 실리카 나노 입자의 표면에 평균직경이 1~5nm인 은 나노 입자가 코팅되어 이루어진 나노 실리카-나노 은 복합체를 1~70중량부 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
2. 삭제
3. 제 1항에 따른 트레드용 고무 조성물로 이루어진 트레드부를 갖는 타이어.