KR101314208B1 - 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 것으로, 원료고무 100 중량부, 카본블랙 40 내지 55 중량부, 그리고 연화점이 100 내지 120℃이고, 프리-페놀 함량이 0.5 중량% 이하인 페놀 포름알데히드 노볼락 레진을 1 내지 6 중량부로 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다. 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 가공성이 우수하면서도 내구성, 내마모성, 내컷칩 성능이 모두 우수할 수 있다.

Description

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어{TREAD RUBBER COMPOSITION AND TIRE MANUFACTURED BY USING THE SAME}
본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것으로서, 가공성이 우수하면서도 내구성, 내마모성, 내컷칩 성능이 모두 우수한 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것이다.
타이어에서 트레드는 타이어 가장 바깥에 위치하는 부위로 직접 지면과 접촉하기 때문에 마모가 발생하거나 지면의 조건에 따라 컷칩(Cut-Chip)현상이 발생하기도 한다. 트레드 부분은 차량의 운행에 따라 트레드의 고무와 그 내부의 충진제 사이에 움직임이 많아지면서 발열 현상이 발생하는 부분이기도 하다.
타이어의 내구성능은 차량 탑승자의 운전에 직결되는 중요한 성능인데, 실제 주행중인 타이어는 반복적인 변형에 의하여 발열이 발생하고, 이러한 발열로 인하여 타이어의 고무가 손상되면서 내구 성능의 저하가 생길 수 있다.
특히, 트럭이나 버스용 타이어 트레드의 경우에는 차량 자체뿐만 아니라 적하물에 의한 고하중을 견뎌내야 하기 때문에 열이 다량으로 발생하게 되므로 트럭, 버스용 타이어의 경우에는 트레드의 발열을 줄여주는 것이 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서 중요한 기술 중의 하나이다.
트럭, 버스용 타이어는 주로 영업용 차량에 취부되어 운행되어서 일반 승용차용 타이어의 사용자에 비하여 타이어의 수명에 민감한 편이기도 하기 때문에, 더욱 트럭, 버스용 타이어의 트레드는 내마모 성능 및 내컷칩 성능을 확보하는 것도 필요하다.
종래에는 황(Sulfur)에 의한 가교 결합을 가지는 고무 조성물에서 내마모 성능 및 내컷칩 성능을 확보하기 위하여 트럭, 버스용 타이어 트레드용 고무 조성물에 입자경이 작은 카본 블랙을 다량 사용하였다.
이러한 경우에는 보강성이 증가하여 타이어 트레드용 고무 조성물의 내마모, 내컷칩 성능을 향상하는 것에는 효과적이지만, 고무와 카본 블랙 간의 발열로 인해 내구 성능이 저하되고 가공성 또한 저하된다는 단점이 있다. 이때 가공성을 향상시키기 위하여 프로세스 오일 등의 가공조제를 사용하게 되면, 내마모 및 내컷칩 성능 향상 효과가 떨어지며, 내구 성능이 더 저하되기 때문에 무한정 카본 블랙의 양을 늘리는 것은 불가능하다.
이처럼 가공성의 저하 없이 내구성, 내마모성, 내컷칩 성능을 동시에 향상시키기는 어렵다.
본 발명의 목적은 가공성이 우수하면서도 내구성, 내마모성, 내컷칩 성능이 모두 우수한 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 원료고무 100 중량부, 카본블랙 40 내지 55 중량부, 그리고 연화점이 100 내지 120℃이고, 프리-페놀 함량이 0.5 중량% 이하인 페놀 포름알데히드 노볼락 레진을 1 내지 6 중량부로 포함한다.
상기 카본블랙은 질소흡착 비표면적이 120 내지 155mg/g이고, DBP 흡유량이 130 내지 160cc/100g이며, 틴트(TINT)값이 115 내지 140인 것일 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 헥사 메톡시 메틸 멜라민, 헥사 메틸렌 테트라 아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 0.5 내지 10 중량부 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 상기 원료고무 100중량부에 대하여 가류제 0.5 내지 4 중량부, 가류촉진제 0.3 내지 3 중량부, 가류촉진조제 3 내지 10 중량부를 더 포함하고, 상기 원료고무는 천연고무인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어를 제공하는 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무, 카본블랙, 페놀 포름알데히드 노볼락 레진을 포함한다.
상기 페놀 포름알데히드 노볼락 레진은 원료고무 100 중량부에 대하여 1 내지 6 중량부로 포함할 수 있고, 바람직하게 3 내지 6 중량부로 포함할 수 있다. 상기 포름알데히드 노볼락 레진을 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 1 중량부 미만으로 포함하는 경우 보강효과가 미미할 수 있고, 6 중량부를 초과하여 포함하는 경우에는 가공성이 나빠질 수 있다.
상기 페놀 포름알데히드 노볼락 레진은 연화점(Softening Point)이 100 내지 120℃이고, 프리-페놀 함량이 0.5 중량% 이하인 것일 수 있고, 바람직하게 프리-페놀 함량이 0.0001 중량% 내지 0.5 중량%인 것일 수 있다.
상기 페놀 포름알데히드 노볼락 레진은 연화점이 100 내지 120℃인 경우에는 인장강도와 경도의 향상 효과와 동시에 가공성을 우수하게 할 수 있다. 상기 페놀 포름알데히드 노볼락 레진의 연화점이 100℃ 미만인 경우에는 인장강도와 경도의 향상 효과가 미미할 수 있으며, 상기 연화점이 120℃를 초과할 경우에는 가공성 향상 효과가 미미할 수 있다.
상기 페놀 포름알데히드 노볼락 레진으로 프리-페놀(Free Phenol) 함량이 0.5% 초과인 페놀 포름알데히드 노볼락 레진을 사용하는 경우에는 발열 성능이 떨어질 수 있고, 내구성이 저하될 수 있다.
상기 카본블랙은 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 40 내지 55 중량부로 포함될 수 있고, 바람직하게 50 내지 55 중량부로 포함될 수 있다. 상기 카본블랙을 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 40 중량부 미만으로 포함하는 경우 타이어의 내마모 성능이 떨어질 수 있고, 55 중량부를 초과하여 포함하는 경우에는 히스테리시스(Hysteresis)로 인한 내구 성능이 나빠질 수 있다.
타이어 트레드용 고무 조성물에서 충진제로 사용하는 카본블랙이라면 사용가능하나, 특정한 콜로이드 특성(Colloidal Properties)을 갖는 카본블랙을 사용하는 것이 더 바람직하다. 상기 카본블랙으로는 질소흡착 비표면적이 120 내지 155mg/g이고, DBP 흡유량이 130 내지 160cc/100g이며, 틴트(TINT)값이 115 내지 140인 것을 사용할 수 있다.
상기 카본블랙의 질소흡착 비표면적이 120mg/g 미만인 경우 보강 성능이 저하될 수 있고, 155mg/g를 초과하는 경우에는 가공성이 떨어질 수 있다. 또한 상기 카본블랙의 DBP 흡유량이 130cc/100g 미만이면 카본블랙 분산성 저하로 인한 물성저하로 이어질 수 있으며, 160cc/100g을 초과하면 가공성이 저하될 수 있다. 상기 카본블랙의 틴트(TINT)값이 115 미만이면 보강성이 부족할 수 있고, 140 초과이면 내발열성능이 저하될 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 헥사 메톡시 메틸 멜라민, 헥사 메틸렌 테트라 아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 0.5 내지 10 중량부로 더 포함할 수 있고, 바람직하게 4 내지 8 중량부로 더 포함할 수 있다.
상기 헥사 메톡시 메틸 멜라민, 헥사 메틸렌 테트라 아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 상기 중량부의 범위로 더 포함하는 경우 포름알데히드노볼락레진의 반응성을 향상시켜 보다 나은 보강성을 얻을 수 있다.
상기 원료고무는 타이어 트레드용 고무 조성물에서 원료고무로 사용하는 것이라면 사용할 수 있고, 바람직하게 천연고무, 합성고무 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게 천연고무를 사용할 수 있다.
상기 천연 고무는 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 천연 고무는 시스-1,4-폴리이소프렌을 주체로서 포함하지만, 요구 특성에 따라서 트랜스-1,4-폴리이소프렌을 포함할 수도 있다. 따라서, 상기 천연 고무에는 시스-1,4-폴리이소프렌을 주체로서 포함하는 천연 고무 외에, 예컨대 남미산 사포타과의 고무의 일종인 발라타 등, 트랜스-1,4-이소프렌을 주체로서 포함하는 천연 고무도 포함할 수 있다.
상기 변성 천연 고무는, 상기 일반적인 천연 고무를 변성 또는 정제한 것을 의미한다. 예컨대, 상기 변성 천연 고무로는 에폭시화 천연 고무(ENR), 탈단백 천연 고무(DPNR), 수소화 천연 고무 등을 들 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 선택적으로 추가적인 가류제, 가류촉진제, 가류촉진조제, 노화방지제 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 따르는바, 특별히 한정되지 않는다.
상기 가류제로는 유황계 가류제, 유기 과산화물, 수지 가류제, 산화마그네슘 등의 금속산화물을 사용할 수 있다.
상기 가류제는 상기 원료 고무 100 중량부에 대하여 0.5 내지 4 중량부로 포함될 수 있고, 1.5 내지 2 중량부로 포함될 수 있다. 상기 함량의 범위로 상기 가류제를 포함하는 경우 적절한 가황 효과로서 원료 고무가 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 가류촉진제는 가류 속도 촉진을 통한 생산성 증진 및 고무 물성의 증진을 극대화시키기 위하여 상기 원료 고무 100 중량부에 대하여 0.3 지 3 중량부로 포함될 수 있고, 1.0 내지 1.5 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.
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 가류촉진조제는 적절한 가류촉진조제의 역할을 위하여 상기 원료 고무 100 중량부에 대하여 3 내지 10 중량부로 사용할 수 있고, 바람직하게 5 내지 9 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 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 0 내지 10 중량부로 포함될 수 있다.
본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 적절한 범위로 황에 의한 가교 결합뿐만 아니라 레진에 의한 가교 결합을 만들어내서, 타이어 트레드용 고무 조성물의 인장강도 및 경도를 향상시키고 내마모 및 내컷칩 성능을 향상시키면서도 발열을 줄이고 내구성능을 향상시킬 수 있다.
즉, 카본블랙을 증량하는 경우에 발생하는 가공성이 나빠진다는 문제점을 해결하면서도, 본 발명의 연화점의 범위 및 프리-페놀의 함량의 범위를 갖는 페놀 포름알데히드 노볼락 레진을 특정한 함량의 범위로 이용하여서 레진이 보강성능의 향상뿐만 아니라 연화점 이하의 온도 범위에서 가공 조제로서의 역할을 할 수 있도록 한다. 따라서, 내구성, 내마모성, 내컷칩 성능이 모두 우수하면서도 우수한 가공성능도 확보할 수 있다.
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 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 고무 조성물 및 버스용 타이어 트레드 고무 조성물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 사용할 수 있다.
본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어는 가공성이 우수하면서도 내구성, 내마모성 내컷칩 성능이 모두 우수할 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 표1과 같은 조성을 이용하여 하기의 실시예 및 비교예에 따른 타이어 트레드 고무 조성물을 제조하였다. 타이어 트레드 고무 조성물의 제조는 통상의 타이어 트레드 고무의 제조방법에 따랐다.
배합제 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예4
페놀 포름 알데히드 노볼락 레진A1 5 5 2 5 - - - -
페놀 포름 알데히드 노볼락 레진B2 - - - - - - 5 -
페놀 포름 알데히드 노볼락 레진C3 - - - - - - - 5
헥사 메톡시 메틸 멜라민 - - - 6 - - - -
천연 고무 (NR) 100 100 100 100 100 100 100 100
카본 블랙4 53 - 53 53 56 56 53 53
카본 블랙5 - 53 - - - - - -
산화 아연 5 5 5 5 5 5 5 5
스테아린산 2 2 2 2 2 2 2 2
프로세스 오일 6 - - - - - 3 - -
유황 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8
촉진제 7 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2
(단위: 중량부)
1. 페놀 포름 알데히드 노볼락 레진A : 연화점 100~120℃, 프리-페놀 함량 0.5% 이하
2. 페놀 포름 알데히드 노볼락 레진B : 연화점 100~120℃, 프리-페놀 함량 0.5% 초과
3. 페놀 포름 알데히드 노볼락 레진C : 연화점 80~95℃, 프리-페놀 함량 0.5% 이하
4. 질소 흡착 비표면적이 125mg/g이며 DBP 흡유량이 135cc/100g이고 TINT값이 120인 카본 블랙
5. 질소 흡착 비표면적이 125mg/g이며 DBP 흡유량이 170cc/100g이고 TINT값이 120인 카본 블랙
6. 프로세스 오일로 쉘(Shell)사의 MES Oil을 사용함
7. 촉진제로 N-시클로헥실-2-벤조티아졸 술폰아미드(N-Cyclohexyl-2-benzothiazole sulfonamide) 사용함
상기 표1의 조성인 고무 조성물로 시편을 제조하여 그 물성 평가하였다. 또한, 시험 기준에 의한 트럭용 타이어를 제조하여 내마모 성능, 내구 성능 등을 평가하였다.
하기 표2에서, 무니점도는 가공성을 나타내는 지표로, 숫자가 작을수록 가공성이 유리하다.
경도(ShoreA)의 값이 높을수록 보강성이 우수함을 나타낸다.
300% 모듈러스(Modulus, kgf/㎠)는 300% 신장시의 인장강도로서, ISO 37 규격에 의해 측정하였고, 수치가 높을수록 우수한 강도를 나타낸다.
인장강도(Kgf/cm2)는 ASTM D 790 의 방법으로 측정하였다.
내마모, 내칩컷 및 내발열은 실시예1를 100 기준하여 나타낸 인덱스(Index) 값으로 수치가 클수록 효과가 우수함을 나타낸다.
내구 시험 결과는 트럭용 12R22.5 규격으로 제조하여 평가하였고, 수치가 클수록 효과가 우수하다.
배합제 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예4
무니점도1 65 68 65 65 70 63 65 60
경도 70 72 68 72 65 68 71 62
300% 모듈러스 160 170 155 165 158 150 162 140
인장강도 300 295 250 310 275 286 300 195
내마모 (Wear)2 100 96 90 105 80 95 95 75
내컷칩 (Cut-Chip) 100 96 90 105 80 93 95 75
내발열 (Hysteresis) 100 100 102 105 95 83 93 95
내구 시험 결과3 (hrs) 65 67 60 68 58 50 55 58
상기 표2를 참조하면, 실시예1에 비하여 카본블랙을 증량하여 사용한 비교예1은 무니점도가 높아서 가공성이 불리하고, 발열성능이 떨어지는 결과를 보여주었다.
비교예2는 실시예1에 비하여 카본블랙을 증량하고 프로세스 오일을 더 사용한 비교예로, 가공성은 실시예1과 유사한 수준이나 경도와 인장강도가 모두 상당히 떨어지는 결과를 보여주었다. 또한, 상기 비교예2는 내마모, 내컷칩, 내발열 성능이 모두 다 떨어지고, 내구 시험 결과도 저하되는 경향을 보여주었다.
실시예1과 달리, 프리-페놀(Free Phenol) 함량 범위가 0.5%를 초과하는 페놀 포름 알데히드 노볼락 레진을 사용한 비교예3의 경우, 내발열성능 및 내구 시험 결과가 떨어지는 결과를 보여주었다.
상기 표2를 참조하면 본 발명의 실시예가 가공성이 우수하면서도 내구성, 내마모성, 내컷칩 성능이 모두 우수함을 알 수 있었다.
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 중량부,
    질소흡착 비표면적이 120 내지 155mg/g이고, DBP 흡유량이 130 내지 160cc/100g이며, 틴트(TINT)값이 115 내지 140인 카본블랙 40 내지 55 중량부,
    연화점이 100 내지 120℃이고, 프리-페놀 함량이 0.5 중량% 이하인 페놀 포름알데히드 노볼락 레진 1 내지 6 중량부, 그리고
    헥사 메톡시 메틸 멜라민, 헥사 메틸렌 테트라 아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 화합물 0.5 내지 10 중량부
    를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 원료고무 100중량부에 대하여
    가류제 0.5 내지 4 중량부,
    가류촉진제 0.3 내지 3 중량부,
    가류촉진조제 3 내지 10 중량부를 더 포함하고,
    상기 원료고무는 천연고무인 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  5. 제1항 또는 제4항에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어.
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