KR101299945B1 - 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어 - Google Patents

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것으로서, 천연고무 45 내지 75 중량부, 및 무니점도가 60 미만이고, 중량 평균 분자량이 7.0x105 내지 9.0x105g/mol이고, 분자량 분포도가 3.2 내지 3.5인 네오디뮴 부타디엔 고무 25 내지 55 중량부를 포함하는 원료고무를 포함한다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 내마모 성능을 유지시키면서 내발열 성능을 향상시킬 수 있으며, 저회전 저항에 의한 연비 성능과 내마모 성능을 함께 개선시킬 수 있다.

Description

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어{RUBBER COMPOSITION FOR TIRE TREAD AND TIRE MANUFACTURED BY USING THE SAME}
본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저회전 저항에 의한 연비 성능과 내마모 성능을 함께 개선한 저연비성 트럭-버스용 타이어 트레드 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것이다.
실제로 지면과 직접 접촉하는 부위인 타이어 트레드는 타이어의 성능을 크게 지배하는 부위이며, 트레드 고무 조성물은 주행 중 타이어의 반복 변형에 의한 발열로 인해 차량의 연비에 영향을 미치게 된다.
특히, 트럭-버스용 타이어 트레드의 경우에는 고하중을 감당하는 특성상 주행 중 열이 다량으로 발생하게 되는데, 이는 타이어 내구 성능과도 직결되므로, 트럭-버스용 타이어 트레드의 발열을 줄여주는 것이 매우 중요하다. 또한, 고무 조성물의 손상은 타이어의 수명과 직결되기 때문에 발열 성능과 내마모 성능은 트레드 고무 조성물에 있어서 가장 중요한 성능이다.
따라서, 종래에는 타이어 트레드용 고무 조성물의 경우 내마모 성능을 향상시키기 위해 카본블랙이라는 충전제를 증량하는 것이 일반적이나, 카본블랙을 증량하게 되면 연비가 상대적으로 불리해지는 단점이 있다. 또한, 내마모성을 높이기 위한 방법으로 폴리부타디엔 고무를 일정 부분 첨가하는 방법을 사용하고 있지만, 폴리부타디엔 고무의 경우 합성 방법 및 원료 특성에 따라 발열 성능이 달라지기 때문에 연비에 유리한 고무로 선별하여 사용할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 내마모 성능을 유지시키면서 내발열 성능을 향상시킬 수 있으며, 저회전 저항에 의한 연비 성능과 내마모 성능을 함께 개선시킬 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 천연고무 45 내지 75 중량부, 및 무니점도가 60 미만이고, 중량 평균 분자량이 7.0x105 내지 9.0x105g/mol이고, 분자량 분포도가 3.2 내지 3.5인 네오디뮴 부타디엔 고무 25 내지 55 중량부를 포함한다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 카본블랙 24 내지 60 중량부, 및 실리카 15 내지 95 중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 카본블랙은 요오드 흡착량이 55 내지 165mg/g이고, 질소흡착 비표면적이 105 내지 157m2/g이고, DBP 흡유량이 105 내지 155cc/100g이고 틴트값이 115 내지 155일 수 있다.
상기 실리카는 BET 비표면적이 100 내지 225m2/g이고, CTAB흡착 비표면적이 105 내지 195m2/g이고, DOP 흡유량이 140 내지 285㎖/100g일 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 비스(3-트리에톡시실릴프로필)테트라설파이드 0.6 내지 21 중량부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 타이어는 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무로 천연고무 45 내지 75 중량부 및 네오디뮴 부타디엔 고무 25 내지 55 중량부를 포함한다.
트럭-버스용 타이어의 연비 성능을 향상시키기 위해서는 발열이 적은 트레드 고무 조성물을 사용해야 하는데, 이를 위해서 카본블랙 이외에 실리카를 사용하게 된다. 그러나, 실리카를 함유한 고무 조성물의 경우 내마모 성능의 저하가 우려되기 때문에 트럭-버스용 타이어 트레드의 마모 성능 저하 없이 최적의 저연비 특성을 가지는 고무 조성물을 얻기 위해서 천연고무를 포함한 원료 고무에 분자량이 크고 선형성이 큰 네오디뮴 부타디엔(Nd-BR) 고무를 적정량 첨가한 고무 조성물을 사용한다.
상기 네오디뮴 부타디엔 고무는 코발트 부타디엔 고무(Co-BR) 또는 니켈 부타디엔 고무(Ni-BR)에 비하여 분자량 분포가 좁고 분자 구조가 선형(Linear)으로 고무의 히스테리시스가 낮아 회전저항이 우수하며, 특히 무니점도가 60 미만이고, 중량 평균 분자량이 7.0x105 내지 9.0x105g/mol이고, 분자량 분포도가 3.2 내지 3.5인 네오디뮴 부타디엔 고무는 회전저항이 우수하면서도 마모 성능이 우수하다.
또한, 상기 네오디뮴 부타디엔 고무의 중량 평균 분자량이 7.0x105g/mol 미만이면 내마모 성능 향상의 효과가 미미할 수 있고, 중량 평균 분자량이 9.0x105g/mol 초과하면 무니점도 상승으로 인하여 가공성이 불리해질 수 있다.
상기 네오디뮴 부타디엔 고무의 함량이 25 중량부 미만이면 효과적인 내마모 성능의 향상을 기대할 수 없고, 55 중량부를 초과하면 내발열 성능 저하될 수 있고, 가공성이 불리해질 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 카본블랙 24 내지 60 중량부, 및 실리카 15 내지 95 중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 카본블랙은 요오드 흡착량이 55 내지 165mg/g이고, 질소흡착 비표면적이 105 내지 157m2/g이고, DBP 흡유량이 105 내지 155cc/100g이고 틴트값이 115 내지 155일 수 있다. 상기 카본블랙의 요오드 흡착량, 질소흡착 비표면적, DBP 흡유량 및 틴트값이 상기 범위 미만인 경우 고무의 보강성 약화로 인하여 내마모 성능이 불리해질 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우 내발열 성능이 저하될 수 있다.
상기 카본블랙의 함량이 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 24 중량부 미만인 경우에는 내마모성이 저하될 수 있고, 60 중량부를 초과하는 경우 내발열성이 저하될 수 있다.
상기 실리카는 BET 비표면적이 100 내지 225m2/g이고, CTAB흡착 비표면적이 105 내지 195m2/g이고, DOP 흡유량이 140 내지 285㎖/100g일 수 있다. 상기 실리카를 사용하는 경우 실리카의 분산성 측면에서 유리하다.
상기 실리카의 함량이 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 15 중량부 미만인 경우에는 내마모성이 저하될 수 있고, 95 중량부를 초과하는 경우 내발열성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 비스(3-트리에톡시실릴프로필)테트라설파이드 0.6 내지 21 중량부를 더 포함할 수 있다. 상기 비스(3-트리에톡시실릴프로필)테트라설파이드는 실리카의 분산성을 개선하는데 도움을 준다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 선택적으로 추가적인 가류제, 가류촉진제, 가류촉진조제, 노화방지제, 연화제 등의 각종의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 각종의 첨가제는 본 발명이 속하는 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 이들의 함량은 통상적인 타이어 트레드용 고무 조성물에서 사용되는 배합비에 따르는 바, 특별히 한정되지 않는다.
상기 가류제로는 유황계 가류제, 유기 과산화물, 수지 가류제, 산화마그네슘 등의 금속산화물을 사용할 수 있고 바람직하게 유황계 가류제를 사용할 수 있다.
상기 가류제는 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 0.5 내지 2.5 중량부로 포함되는 것이 적절한 가황 효과로서 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 가류촉진제로는 바람직하게 술펜아미드계인 N-시클로헥실-2-벤조티아질술펜아미드를 사용할 수 있고, 가류 속도 촉진을 통한 생산성 증진 및 고무 물성의 증진을 극대화시키기 위하여 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 0.5 내지 3.0 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 상기 산화아연과 상기 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 원료고무 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부 및 0.5 내지 3 중량부로 사용할 수 있다.
상기 연화제는 고무에 가소성을 부여시켜 가공을 용이하게 하기 위하여 또는 가황 고무의 경도를 저하시키기 위하여 고무 조성물에 첨가되는 것으로, 고무 배합시나 고무 제조시에 사용되는 오일류 기타 재료를 의미한다. 상기 연화제로는 석유계 오일, 식물유지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 석유계 오일로는 파라핀계 오일, 나프텐계 오일, 방향족계 오일 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
그러나, 최근 환경 의식의 고조와 함께 상기 방향족계 오일에 포함된 폴리사이클릭 아로마틱 탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, 이하 PAHs라 한다)의 함량이 3 중량% 이상일 때는 암 유발 가능성이 높은 것으로 알려진바, TDAE(treated distillate aromatic extract) 오일, MES(mild extraction solvate) 오일, RAE(residual aromatic extract) 오일 또는 중질 나프텐성 오일을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 연화제는 원료고무 100 중량부에 대하여 0 내지 150 중량부로 사용하는 것이 원료고무의 가공성을 좋게 한다는 점에서 바람직하다.
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 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 바람직하게 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 원료고무 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부로 포함될 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 통상적인 2단계의 연속 제조 공정을 통하여 제조될 수 있다. 즉, 110 내지 190℃에 이르는 최대 온도, 바람직하게는 130 내지 180℃의 고온에서 열기계적 처리 또는 혼련시키는 제1 단계(비생산 단계라고 함) 및 가교결합 시스템이 혼합되는 피니싱 단계 동안, 전형적으로 110℃ 미만, 예를 들면 40 내지 100℃의 저온에서 기계적 처리하는 제2 단계(생산 단계라고 함)를 사용하여 적당한 혼합기 속에서 제조할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 트레드(트레드 캡 및 트레드 베이스) 에 한정되지 않고, 타이어를 구성하는 다양한 고무 구성 요소에 포함될 수 있다. 상기 고무 구성 요소로는 사이드월, 사이드월 삽입물, 에이펙스(apex), 채퍼(chafer), 와이어 코트 또는 이너라이너 등을 들 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 타이어는 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조된다. 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 타이어를 제조하는 방법은 종래에 타이어의 제조에 이용되는 방법이면 어느 것이든 적용이 가능한 바, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.
상기 타이어는 트럭 타이어 또는 버스 타이어인 것이 바람직하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고 승용차용 타이어, 경주용 타이어, 비행기 타이어, 농기계용 타이어, 오프로드(off-the-road) 타이어 등일 수 있다. 또한, 상기 타이어는 레디얼(radial) 타이어 또는 바이어스(bias) 타이어일 수 있으며, 레디얼 타이어인 것이 바람직하다.
본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 내마모 성능을 유지시키면서 내발열 성능을 향상시킬 수 있으며, 저회전 저항에 의한 연비 성능과 내마모 성능을 함께 개선시킬 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]
하기 표 1과 같은 조성을 이용하여 하기의 실시예 및 비교예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 제조하였다. 상기 고무 조성물의 제조는 통상의 고무 조성물의 제조방법에 따랐다.
(실시예 1)
중량 평균 분자량이 7.0x105 내지 9.0x105g/mol인 네오디뮴 부타디엔 고무 40 중량부 및 천연고무 60 중량부를 포함하는 원료고무 100 중량부, 카본블랙 45 중량부 및 실리카 20 중량부를 사용하였다.
(비교예 1)
중량 평균 분자량이 6.0x105g/mol인 네오디뮴 부타디엔 고무를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 2)
카본블랙을 65 중량부로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(비교예 2)
카본블랙을 65 중량부로 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하였다.
배합제 실시예 1 비교예 1 실시예 2 비교예 2
부타디엔 고무1) 40 - 40 -
부타디엔 고무2) - 40 - 40
천연 고무 60 60 60 60
실리카3) 20 20 20 20
커플링제4) 1.6 1.6 1.6 1.6
카본블랙5) 45 45 65 65
산화아연 5 5 5 5
스테아린산 2 2 2 2
유황 1.8 1.8 1.8 1.8
촉진제 1.3 1.3 1.3 1.3
(단위: 중량부)
1) 부타디엔 고무(BR): 무니점도가 50 이고, 중량 평균 분자량이 8.0X105g/mol이고, 분자량 분포도가 3.3인 네오디뮴 부타디엔 고무
2) 부타디엔 고무(BR): 중량 평균 분자량이 6.0x105g/mol인 부타디엔 고무
3) 실리카: BET 비표면적이 180m2/g이고, CTAB흡착 비표면적이 172m2/g이고, DOP 흡유량이 200㎖/100g인 실리카
4) 커플링제: 비스(3-트리에톡시실릴프로필)테트라설파이드
5) 카본블랙: 요오드 흡착량이 119mg/g이고, 질소흡착 비표면적이 129m2/g이고, DBP 흡유량이 138cc/100g이고 틴트값이 123인 카본블랙
[실험예: 제조된 고무 조성물의 물성 측정]
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 고무 시편에 대하여 물성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 1 비교예 1 실시예 2 비교예 2
무니점도 67 61 70 67
경도 70 65 72 68
300% 모듈러스 165 160 169 162
인장 강도 300 294 305 296
내마모 (Wear) 100 93 99 95
내컷칩 (Cut-Chip) 100 94 96 97
내발열 (Hysteresis) 100 95 83 80
내구 시험 결과(hrs) 65 58 68 60
무니점도(ML1+4, 125℃)는 무니(Mooney) MV2000(Alpha Technology) 기기를 이용하여, 라지 로터(Large Rotor), 예열 1분, 로터 작동시간 4분, 온도 125℃에서 측정하였다. 무니점도는 수치가 높을수록 고무의 점도가 크다는 점을 의미하고, 가공성이 불리함을 나타낸다.
경도는 쇼어 A(Shore A) 타입 경도계로 측정한 값이다. 경도는 조종 안정성을 나타내는 것으로 그 값이 높을수록 조종 안정성이 우수함을 나타낸다.
300% 모듈러스(Modulus, kgf/㎠)는 300% 신장시의 인장강도로서, ISO 37 규격에 의해 측정하였고, 수치가 높을수록 우수한 강도를 나타낸다.
인장강도(tensile strength, Kgf/cm2)는 ASTM D 790 의 방법으로 측정하였고, 수치가 높을수록 우수한 강도를나타낸다.
내마모, 내컷칩 및 내발열 성능은 고무 시편을 12R22.5 및 11R22.5 규격에 열 가류(Hot Cure) 방식으로 제조하여 내마모 성능은 실제 트럭 및 버스에 취부하여 내마모성을 평가하였고, 내발열성 및 내컷칩 성능은 실내 내구성 시험기를 이용하여 평가하였다. 상기 측정 결과를 실시예 1을 기준으로 지수화하였다. 그 값이 클수록 성능이 우수함을 나타낸다.
내구성은 트럭용 12R22.5 규격으로 고무 시편을 제조하여 측정하였으며, 수치가 클수록 성능이 우수한 것을 나타낸다.
상기 표 2를 참조하면, 실시예 1에 비하여 부타디엔 고무의 중량 평균 분자량이 감소한 비교예 1은 무니점도가 감소하여 가공성은 다소 유리하지만 경도와 인장강도가 감소하여 내마모 및 내컷칩 성능이 불리한 것을 알 수 있다.
한편, 실시예 1에 비하여 카본블랙의 함량이 20 중량부 증량된 실시예 2의 경우 경도 및 인장강도는 다소 증가하였으나 가공성이 불리한 것을 알 수 있다. 이는 카본블랙의 증량에 따라 내발열 성능이 불리해졌기 때문이다.
그러나, 실시예 1에 비하여 부타디엔 고무의 중량 평균 분자량이 감소하고, 카본블랙의 함량을 20 중량부 증량한 비교예 2의 경우 내마모 성능과 내발열 성능이 모두 감소하는 것을 알 수 있다.
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 (6)

  1. 천연고무 45 내지 75 중량부, 및
    무니점도(ML1+4, 125℃)가 60 미만이고, 중량 평균 분자량이 7.0x105 내지 8.0x105g/mol이고, 분자량 분포도가 3.2 내지 3.5인 네오디뮴 부타디엔 고무 25 내지 55 중량부
    를 포함하는 원료고무 100 중량부,
    카본블랙 24 내지 60 중량부, 및
    실리카 15 내지 95 중량부
    를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카본블랙은 요오드 흡착량이 55 내지 165mg/g이고, 질소흡착 비표면적이 105 내지 157m2/g이고, DBP 흡유량이 105 내지 155cc/100g이고 틴트값이 115 내지 155인 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실리카는 BET 비표면적이 100 내지 225m2/g이고, CTAB흡착 비표면적이 105 내지 195m2/g이고, DOP 흡유량이 140 내지 285㎖/100g인 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 비스(3-트리에톡시실릴프로필)테트라설파이드 0.6 내지 21 중량부를 더 포함하는 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  6. 제1항에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어.
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