KR101316764B1 - 타이어 사이드월용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어 - Google Patents

타이어 사이드월용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타이어 사이드월용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것으로서, 천연고무 30 내지 70 중량부, 및 부타디엔 고무 30 내지 70 중량부를 포함하는 원료고무 100 중량부, 그리고 요오드흡착 비표면적이 22 내지 28mg/g이고, DBP 흡유량이 115 내지 130cc/100g인 카본블랙 30 내지 60 중량부를 포함한다.
상기 타이어 사이드월용 고무 조성물은 타이어의 회전 저항 성능을 크게 하락시키지 않으면서 모듈러스를 증가시켜 타이어의 핸들링 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

타이어 사이드월용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어{RUBBER COMPOSITION FOR TIRE SIDE WALL AND TIRE MANUFACTURED BY USING THE SAME}
본 발명은 타이어 사이드월용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 타이어의 회전 저항 성능을 크게 하락시키지 않으면서 모듈러스를 증가시켜 타이어의 핸들링 성능을 향상시킬 수 있는 타이어 사이드월용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것이다.
최근 타이어는 드라이와 웨트 핸들링, 제동성, 마모성능, 내구성능 등 다양한 타이어의 성능이 요구되고 있다. 특히, 환경문제가 대두되면서 타이어의 저연비 성능으로 인한 원료 절감이 중요해지고 있으며 승용차의 고성능화로 인해 소비자들은 타이어의 고성능화를 요구하면서 타이어의 조종안정성에 대한 요구가 높아지고 있다.
이와 같이, 타이어의 연비 향상에 대한 요구가 대두되면서 사이드월 고무의 저연비 성능에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만 알려진 바와 같이 타이어의 성능은 한가지 성능을 향상시킬 이에 따라 경우 하나 이상의 다른 성능은 저하된다.
즉, 타이어의 한 성능을 향상키는 것과 다른 성능 향상시키는 것 사이에 트레이드 오프(trade off) 현상이 발생하게 되어 사이드월 고무의 저연비 성능을 향상시킬 경우 핸들링 및 제동성이 저하된다.
따라서, 사이드월 고무의 제동성을 확보하고 케이스 컴파운드에서 저연비 성능이 향상된 컴파운드의 개발이 요구되고 있다. 종래에 타이어의 저연비성을 동시에 만족시키기 위해서 카본블랙의 양을 감소시키거나 입자 크기가 큰 카본블랙을 사용한다.
그러나, 이러한 컴파운드는 기존의 컴파운드에 비해 경도와 모듈러스가 낮아 높은 핸들링 성능을 요구하는 타이어의 경우 부적합하다. 따라서, 핸들링 성능을 만족하면서 회전 저항이 낮은 사이드월 컴파운드의 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 타이어의 회전 저항 성능을 크게 하락시키지 않으면서 모듈러스를 증가시켜 타이어의 핸들링 성능을 향상시킬 수 있는 타이어 사이드월 고무 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 타이어 사이드월용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 사이드월 고무 조성물은 천연고무 30 내지 70 중량부, 및 부타디엔 고무 30 내지 70 중량부를 포함하는 원료고무 100 중량부, 그리고 요오드흡착 비표면적이 22 내지 28mg/g이고, DBP 흡유량이 115 내지 130cc/100g인 카본블랙 30 내지 60 중량부를 포함한다.
상기 타이어 사이드월용 고무 조성물은 가공오일 2 내지 9 중량부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 타이어는 상기 타이어 사이드월용 고무 조성물을 이용하여 제조한 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
상기 타이어 사이드월용 고무 조성물은 천연고무 30 내지 70 중량부, 및 부타디엔 고무 30 내지 70 중량부를 포함하는 원료고무 100 중량부, 그리고 요오드흡착 비표면적이 22 내지 28mg/g이고, DBP 흡유량이 115 내지 130cc/100g인 카본블랙 30 내지 60 중량부를 포함한다. 상기 타이어 사이드월용 고무 조성물은 상기 구성을 통하여 타이어의 회전 저항 성능을 크게 하락시키지 않으면서 고무 조성물의 모듈러스를 증가시켜 타이어의 핸들링 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 천연고무는 일반적인 천연고무 또는 변성 천연고무일 수 있다.
상기 일반적인 천연고무는 천연고무로서 알려진 것이면 어느 것이라도 사용될 수 있고, 원산지 등이 한정되지 않는다. 상기 천연고무는 시스-1,4-폴리이소프렌을 주체로서 포함하지만, 요구 특성에 따라서 트랜스-1,4-폴리이소프렌을 포함할 수도 있다. 따라서, 상기 천연고무에는 시스-1,4-폴리이소프렌을 주체로서 포함하는 천연고무 외에, 예컨대 남미산 사포타과의 고무의 일종인 발라타 등, 트랜스-1,4-이소프렌을 주체로서 포함하는 천연고무도 포함할 수 있다.
상기 변성 천연고무는, 상기 일반적인 천연고무를 변성 또는 정제한 것을 의미한다. 예컨대, 상기 변성 천연고무로는 에폭시화 천연고무(ENR), 탈단백 천연고무(DPNR), 수소화 천연고무 등을 들 수 있다.
상기 천연고무는 상기 원료고무 100 중량부 중 30 내지 70 중량부로 포함될 수 있다. 상기 천연고무의 함량이 30 중량부 미만일 경우 저연비 성능과 가공성이 저하될 수 있고, 70 중량부를 초과하는 경우 내오존성이 매우 저하될 수 있다.
상기 부타디엔 고무는 타이어용 고무 조성물에 사용되는 부타디엔 고무는 모두 사용할 수 있다. 상기 부타디엔 고무는 상기 원료고무 100 중량부 중 30 내지 70 중량부로 포함될 수 있다. 상기 부타디엔 고무의 함량이 30 중량부 미만일 경우 내오존성이 매우 저하될 수 있고, 70 중량부를 초과할 경우에는 저연비 성능과 가공성이 저하될 수 있다.
상기 타이어 사이드월용 고무 조성물은 보강성 충진제로 카본블랙을 단독으로 포함한다. 상기 카본블랙은 요오드흡착 비표면적이 22 내지 28mg/g이고, DBP 흡유량이 115 내지 130cc/100g이다. 상기 요오드흡착 비표면적이 22 내지 28mg/g이고, DBP 흡유량이 115 내지 130cc/100g인 카본블랙은 입자 크기가 크고 구조가 발달한 것으로서, 회전 저항 특성에 유리하여 회전 저항 성능을 크게 하락시키지 않으면서, 모듈러스를 증가시킬 수 있다.
상기 카본블랙은 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 30 내지 60 중량부, 바람직하게 50 내지 55 중량부로 포함될 수 있다. 상기 카본블랙의 함량이 30 중량부 미만일 경우 경도와 모듈러스가 낮아 핸들링 성능이 불리해질 수 있고, 피로 성능이 감소하며 가공성이 저하될 수 있으며, 60 중량부를 초과하는 경우 회전 저항 성능이 감소할 수 있다.
상기 타이어 사이드월용 고무 조성물은 선택적으로 추가적인 가류제, 가류촉진제, 가류촉진조제, 노화방지제 또는 가공오일 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 사이드월용 고무 조성물에서 사용되는 배합비에 따르는 바, 특별히 한정되지 않는다.
상기 가류제로는 유황계 가류제를 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 유황계 가류제는 분말 황(S), 불용성 황(S), 침강 황(S), 콜로이드(colloid) 황 등의 무기 가류제와, 테트라메틸티우람 디설파이드(tetramethylthiuram disulfide, TMTD), 테트라에틸티우람 디설파이드(tetraethyltriuram disulfide, TETD), 디티오디모르폴린(dithiodimorpholine) 등의 유기 가류제를 사용할 수 있다. 상기 유황 가류제로는 구체적으로 원소 유황 또는 유황을 만들어 내는 가황제, 예를 들면 아민 디설파이드(amine disulfide), 고분자 유황 등을 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 가류촉진제는 가류 속도 촉진을 통한 생산성 증진 및 고무 물성의 증진을 극대화시키기 위하여 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 0.5 내지 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 무기계 가류촉진조제로는 산화아연(ZnO), 탄산아연(zinc carbonate), 산화마그네슘(MgO), 산화납(lead oxide), 수산화 칼륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 유기계 가류촉진조제로는 스테아르산, 스테아르산 아연, 팔미트산, 리놀레산, 올레산, 라우르산, 디부틸 암모늄-올레이트(dibutyl ammonium oleate), 이들의 유도체 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.
적절한 가류촉진조제로서의 역할을 위하여 상기 가류촉진조제는 원료고무 100 중량부에 대하여 1.5 내지 8 중량부로 포함할 수 있고, 상기 산화아연과 상기 스테아르산을 함께 사용하는 경우 상기 산화아연 1 내지 5 중량부 및 상기 스테아르산 0.5 내지 3 중량부로 포함할 수 있다.
상기 가공오일은 고무에 가소성을 부여시켜 가공을 용이하게 하기 위하여 또는 가황 고무의 경도를 저하시키기 위하여 고무 조성물에 첨가될 수 있다.
상기 가공오일로는 파라핀계 가공오일, 나프텐계 가공오일, 방향족계 가공오일 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.
특히, 상기 가공오일로서 사용하는 가공오일은 상기 가공오일 전체에 대하여 PAHs 성분의 총 함량이 3중량% 이하이고, 동점도가 95 이상(210 ℉ SUS), 가공오일 내의 방향족 성분이 15 내지 25중량%, 나프텐계 성분이 27 내지 37중량% 및 파라핀계 성분이 38 내지 58중량%인 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 가공오일은 상기 가공오일을 포함한 타이어 사이드월의 저온 특성, 연비 성능을 우수하게 하면서도 PAHs의 암 유발 가능성 등의 환경적 요인에 대해서도 유리한 특성을 갖는다.
상기 식물유지로는 피마자유, 면실유, 아마인유, 카놀라유, 대두유, 팜유, 야자유, 낙화생유, 파인유, 파인타르, 톨유, 콘유, 쌀겨기름, 홍화유, 참기름, 올리브유, 해바라기유, 팜핵유, 동백유, 호호바유, 마카다미아너트유, 사플라워 오일, 동유 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 가공오일은 상기 원료고무의 가공성을 우수하게 하기 위하여 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 2 내지 9 중량부로 포함할 수 있다. 상기 가공오일의 함량이 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 2 중량부 미만인 경우 가공성에 문제가 있을 수 있고, 9 중량부를 초과하는 경우 저연비 성능에 문제가 있을 수 있다.
상기 노화방지제는 산소에 의해서 타이어가 자동 산화되는 연쇄반응을 정지시키기 위하여 사용되는 첨가제이다. 상기 노화방지제로는 아민계, 페놀계, 이미다졸계, 카르밤산 금속염 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) 및 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 0 내지 10 중량부로 포함될 수 있다.
상기 타이어 사이드월용 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 및 가교결합 시스템이 혼합되는 피니싱 단계 동안, 전형적으로 110℃ 미만, 예를 들면 40 내지 100℃의 저온에서 기계적 처리하는 제2 단계를 사용하여 적당한 혼합기 속에서 제조할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 타이어 사이드월용 고무 조성물은 사이드월에 한정되지 않고, 타이어를 구성하는 다양한 고무 구성 요소에 포함될 수 있다. 상기 고무 구성 요소로는 트레드(트레드 캡 및 트레드 베이스), 에이펙스(apex), 채퍼(chafer), 와이어 코트 또는 이너라이너 등을 들 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 타이어는 상기 타이어 사이드월용 고무 조성물을 이용하여 제조된다. 상기 타이어 사이드월용 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. 또한, 상기 타이어는 레디얼(radial) 타이어 또는 바이어스(bias) 타이어일 수 있으며, 레디얼 타이어인 것이 바람직하다.
본 발명의 타이어 사이드월용 고무 조성물은 타이어의 회전 저항 성능을 크게 하락시키지 않으면서 모듈러스를 증가시켜 타이어의 핸들링 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]
하기 표 1과 같은 조성을 이용하여 하기의 실시예 및 비교예에 따른 타이어 사이드월용 고무 조성물을 제조하였다. 상기 고무 조성물의 제조는 통상의 고무 조성물의 제조 방법에 따랐다.
비교예 1 실시예 1 비교예 2 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
천연고무(1) 50 50 50 50 50 50 50
BR(2) 50 50 50 50 50 50 50
카본블랙1(3) 55 - - - - - -
카본블랙2(4) - 55 - 50 60 55 50
카본블랙3(5) - - 55 - - - -
산화아연 3 3 3 3 3 3 3
스테아린산 2 2 2 2 2 2 2
노화방지제 5 5 5 5 5 5 5
가공오일(6) 10 10 10 10 10 5 5
유황 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
촉진제 1 1 1 1 1 1 1
(단위: 중량부)
(1) 천연고무: 자연에서 얻어지는 고무로서 화학명은 폴리 아이소프렌.
(2) BR: 부타디엔 고무.
(3) 카본블랙 1: 요오드흡착 비표면적이 110 내지 121mg/g이고, DBP 흡유량이 100 내지 125cc/100g인 카본블랙.
(4) 카본블랙 2: 요오드흡착 비표면적이 22 내지 28mg/g이고, DBP 흡유량이 115 내지 130cc/100g인 카본블랙.
(5) 카본블랙 3: 요오드흡착 비표면적이 29 내지 36mg/g이고, DBP 흡유량이 70 내지 95cc/100g인 카본블랙.
(6) 가공오일: PAHs 함량이 0.3 중량% 이하이고, 동점도가 95이고, 아로마틱계 성분이 20 중량%, 나프텐 성분이 32% 및 파라핀계 성분이 48 중량% 함유된 TDAE 오일.
[실험예: 제조된 고무 조성물의 물성 측정]
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 고무 시편에 대하여 물성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
비교예 1 실시예 1 비교예 2 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
무니점도 48 42 46 40 44 47 45
경도 55 60 53 58 62 63 61
300% 모듈러스 77 68 73 62 74 75 72
신장률 (%) 619 608 631 621 586 583 598
60℃ tanδ 0.167 0.125 0.133 0.113 0.117 0.116 0.109
피로(F-F) (Kcycle) 49 56 65 53 62 52 50
- 무늬점도(ML1+4(125℃))는 ASTM 규격 D1646에 의해 측정하였다.
- 경도는 DIN 53505에 의해 측정하였다
- 300% 모듈러스(kgf/cm), 신장율은 ISO 37 규격에 의해 측정하였다.
- 신장률(%)은 파단 시 신장률을 의미하는 것으로 인장 시험기에서 시험편이 끊어질 때까지의 Strain 값을 %로 나타내는 방법으로 측정하였다.
- 점탄성은 DMTS 측정기를 사용하여 60℃, 10Hz Frequency 하에서 0 내지 10% 변형 (strain)까지 tan δ를 측정하였다.
- 피로는 50% 잔존율로 데이터를 계산하였다.
상기 표 2에서 상기 무니점도는 미가류 고무의 점도를 나타내는 값으로 수치가 낮을수록 미가류 고무의 가공성이 우수한 것을 나타낸다. 60℃ tanδ는 회전저항 특성을 나타내는 것으로서 수치가 낮을수록 성능이 우수함을 나타낸다. 경도는 조정 안정성을 나타내는 것으로 수치가 높을수록 조정 안정성능이 우수한 것을 나타낸다. 300% 모듈러스와 신장율은 수치가 높을수록 인장특성이 우수함을 나타낸다. 피로는 수치가 높을수록 타이어의 내구성이 우수함을 나타낸다.
상기 표 2를 참조하면, 카본블랙 입자 크기가 크고 구조가 발달한 카본블랙을 사용한 실시예 1이 비교예 1보다 회전저항 특성이 유리하고, 비교예 2보다 경도나 모듈러스에서 유리한 것을 알 수 있다. 다만, 실시예 2 및 3에서는 카본블랙의 함량이 증가할 경우 조종 안정성은 향상되지만 회전 저항 특성이 저하되는 것을 알 수 있다. 그러나, 실시예 4 및 5는 저연비 성능도 유리하고 조종 안정성도 모두 우수함을 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 (3)

  1. 천연고무 30 내지 70 중량부, 및 부타디엔 고무 30 내지 70 중량부를 포함하는 원료고무 100 중량부, 그리고
    요오드흡착 비표면적이 22 내지 28mg/g이고, DBP 흡유량이 115 내지 130cc/100g인 카본블랙 30 내지 60 중량부, 그리고
    가공오일 2 내지 9 중량부를 포함하며,
    상기 가공오일은 상기 가공오일 전체에 대하여 폴리사이클릭 아로마틱 탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs) 성분의 총 함량이 3중량% 이하이고, 동점도가 95 이상(210 ℉ SUS), 가공오일 내의 방향족 성분이 15 내지 25중량%, 나프텐계 성분이 27 내지 37중량% 및 파라핀계 성분이 38 내지 58중량%인 것인 타이어 사이드월용 고무 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 따른 타이어 사이드월용 고무 조성물을 이용하여 제조된 타이어.
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