KR101397117B1 - 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 원료고무 100중량부에 대하여 황토 단섬유를 5 내지 15 중량부로 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 황토 단섬유로 보강되어 물성 향상뿐 아니라 타이어 자체의 원적외선 방출, 냄새 제거 및 습도 조절 등의 효과를 가진다.

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, 승용차용 타이어의 트레드용 고무 조성물에 사용될 수 있다.
종래 타이어 트레드 고무 물성 강화를 위하여 타이어용 트레드에 각종 천연, 합성 단섬유를 함께 배합하는 연구들이 진행되었고, 최근에는 나노 스케일의 섬유가 많이 개발되어 이를 타이어 고무에 적용하는 연구가 활발하게 진행되고 있으나, 이러한 고가의 신소재 섬유를 적용한 타이어를 대량생산 하기에는 아직 어려움이 있다.
또한 최근 환경에 대한 의식이 고조되고, 웰빙 열풍과 함께 친환경 재료를 이용하여 타이어를 제조하는 연구도 활발하게 진행되고 있으나, 친환경 재료를 포함하면서도 타이어의 성능을 유지 및 향상하는데 많은 어려움이 있다.
황토는 함수 산화철과 무수 산화철을 함유한 규토와 흙으로 이루어진 자연 상태의 흙을 의미하며, 표면의 10%를 덮고 있고, 반건조 지역에 가장 널리 분포하고 있다. 황토 속에는 규석과 장석이 많이 혼합되어 있으며, 황토 입자의 크기는 주로 0.02 내지 0.05mm 정도로 미세하다.
황토 한 스푼에는 약 2억 마리의 미생물이 있어서 다양한 효소들이 순환작용을 일으킨다고 알려져 있으며, 예로부터 무병장수의 흙으로 사용될 정도로 건강에 대한 의식의 고조와 함께 주목받고 있는 대표적인 친환경 재료이다.
황토에는 카탈라아제, 디페놀 옥시다아제, 사카라제, 프로테아제 등 4 가지의 효소 성분이 포함되어 있다. 이 효소들은 각기 독소 제거, 분해력, 비료 요소, 정화 작용의 역할을 하며, 곰팡이 균과 세균을 억제하는 데 도움을 준다. 또한 황토는 높은 습도에서는 수분을 흡수하고, 건조하면 수분을 발산하는 습도 조절 능력이 매우 우수하고, 다량의 원적외선을 방사하고, 유해한 전자파를 차단해 주는 효과도 있다. 또한 탈취 효과가 있어 식기, 의류, 건물의 내장제 및 외장재 등에 다양한 용도로 사용되어왔고, 다른 재료와 혼합하여 사용하는 경우 각 재료의 효능을 모두 발현할 수 있어 복합재료로도 많이 사용되고 있다.
따라서 고가의 재료를 사용하지 않으면서도 타이어 고무의 물성을 개선시키면서 최근의 웰빙 분위기에 맞추어 친환경 재료를 포함하는 트레드 고무 조성물의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 타이어의 물성이 개선되면서도 친환경적이고 건강친화적인 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어 트레드를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원료고무 100중량부에 대하여 황토 단섬유를 5 내지 15 중량부로 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.
상기 황토 단섬유는 단섬유를 황토로 염색한 것 일 수 있고, 상기 황토 단섬유는 단섬유 100 중량부에 대하여 황토를 10 내지 100 중량부로 포함하는 것 일 수 있다.
상기 단섬유는 나일론 단섬유일 수 있고, 상기 단섬유는 평균 길이가 0.2 내지 5.0 ㎜ 이고, 평균 직경이 10 내지 30 ㎛인 것 일 수 있다.
상기 고무 조성물은 스티렌 부타디엔(SBR) 고무 및 부타디엔(BR) 고무를 포함하는 원료고무와 질소흡착 비표면적(nitrogen surface area per gram, N2SA)이 30 내지 300 ㎡/g이고, DBP(n-dibutyl phthalate) 흡유량이 60 내지 180 cc/100g인 카본블랙을 더 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어를 제공한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 황토 단섬유를 포함한다.
본 발명에서 코팅은 바탕이 되는 재료의 표면에 그것과 다른 성분의 엷은 막을 씌워 표면의 질을 바꾸는 것을 의미하고, 본 발명에서 염색은 염료를 사용하여 실에 물을 들이는 일을 의미하는바 본 발명에 있어서 코팅 또는 염색은 단섬유에 황토로 표면을 씌워서 단섬유의 표면의 질을 바꾸거나 단섬유에 황토 물을 들이는 모든 방법을 의미한다.
상기 원료고무는 통상의 타이어 트레드용 고무 조성물에서 사용되는 것이면 어느 것이나 가능하며, 예를 들어 천연고무, 합성고무 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 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.
상기에서 합성고무는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 변성 스티렌 부타디엔 고무, 부타디엔 고무(BR), 변성 부타디엔 고무, 클로로 술폰화 폴리에틸렌 고무, 에피클로로 하이드린 고무, 불소 고무, 실리콘 고무, 니트릴 고무, 수소화된 니트릴 고무, 니트릴 부타디엔 고무(NBR), 변성 니트릴 부타디엔 고무, 클로리네이티드 폴리에틸렌 고무, 스티렌 에틸렌 부틸렌 스티렌(SEBS) 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 에틸렌 프로필렌디엔(EPDM) 고무, 하이팔론 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌 비닐아세테이트 고무, 아크릴 고무, 히드린 고무, 비닐 벤질 클로라이드 스티렌 부타디엔 고무, 브로모 메틸 스티렌 부틸 고무, 말레인산 스티렌 부타디엔 고무, 카르복실산 스티렌 부타디엔 고무, 에폭시 이소프렌 고무, 말레인산 에틸렌 프로필렌 고무, 카르복실산 니트릴 부타디엔 고무, 브로미네이티드 폴리이소부틸 이소프렌-코-파라메틸 스티렌(brominated polyisobutyl isoprene-co-paramethyl styrene, BIMS) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 원료고무는 바람직하게 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 70 내지 90 중량부 및 부타디엔 고무 10 내지 30 중량부를 포함하고, 더욱 바람직하게는 스티렌 부타디엔 고무 70 내지 85 중량부 및 부타디엔 고무 15 내지 30 중량부를 포함하며, 더욱 바람직하게 스티렌 부타디엔 고무 75 내지 85 중량부 및 부타디엔 고무 15 내지 25 중량부를 포함하고, 더 더욱 바람직하게 스티렌 부타디엔 고무 78 내지 82 중량부 및 부타디엔 고무 18 내지 22 중량부를 포함할 수 있다.
상기 원료고무는 내커트-치핑성 향상을 위하여, 기계적 강성이 높은 상기 스티렌 부타디엔 고무를 70 내지 90 중량부로 사용할 수 있고, 내마모성 향상을 위하여 상기 부타디엔 고무를 10 내지 30 중량부로 사용할 수 있다. 상기 부타디엔 고무의 함량이 30 중량부를 초과하면 내커트-치핑성이 저하될 수 있고, 상기 부타디엔 고무의 함량이 10 중량부 미만이면 내마모성이 저하될 수 있다.
상기 스티렌 부타디엔 고무는 스티렌과 부타디엔의 공중합으로 얻어지는 합성 고무의 일종으로, 구체적으로 스티렌 함량이 22 내지 28중량%이고, 부타디엔 내 비닐 함량이 55 내지 75 중량%, 바람직하게는 스티렌 함량이 24 내지 26 중량%이고, 부타디엔 내의 비닐 함량이 65 내지 70 중량%인 것일 수 있다.
또한, 상기 부타디엔 고무는 시스-1,4 부타디엔의 함량이 96중량% 이상이고, 유리전이온도(Tg)가 -85 내지 -70℃, 바람직하게는 -80 내지 -75℃인 고시스 부타디엔 고무(High Cis-Butadiene rubber)일 수 있다. 상기 고시스 부타디엔 고무를 사용하는 경우에는 내마모 성능 및 동적 스트레스(Dynamic Stress)하에서의 열축적 제어(Heat Build Up) 면에서 유리한 효과가 있다.
상기 단섬유는 스티플(staple) 1줄의 평균 길이가 짧은 것을 의미하여, 바람직하게는 평균 길이가 2.0 내지 5.0 ㎜인 것일 수 있다. 상기 단섬유의 평균 길이가 2.0㎜ 미만인 경우 타이어 고무의 보강성에 문제가 있을 수 있고, 상기 단섬유의 평균 길이가 5.0 ㎜ 초과하는 경우 섬유의 분산에 불리한 효과가 발생할 수 있다. 또한 상기 단섬유는 평균 직경이 10 내지 30 ㎛, 바람직하게는 13 내지 18 ㎛인 것 일 수 있다. 상기 단섬유의 평균 직경이 10 ㎛ 미만인 경우 타이어의 보강성이 불리할 수 있고, 상기 단섬유의 평균 직경이 30 ㎛ 초과하는 경우 단섬유의 성능 발휘에 불리할 수 있다.
상기 단섬유는 천연 단섬유 및 합성 단섬유로 이루어진 군에서 선택된 어느하나 일 수 있다. 천연 단섬유의 일 예로 면화 또는 양모가 있고, 합성 단섬유에는 나일론, 폴리에스테르, 아크릴, 비닐론 또는 아라미드 섬유 등이 있다. 본 발명에서 단섬유의 보강 효과를 상승시킨다는 점에서 나일론 단섬유가 바람직하다.
상기 단섬유는 바람직하게는 황토로 염색된 황토 단섬유 일 수 있다.
상기 황토는 함수 산화철과 무수 산화철을 함유한 규토와 흙으로 이루어진 자연 상태의 흙을 의미하며, 0.02 내지 0.05mm 정도의 미세한 입자크기를 가지고, 염료로 사용될 수 있다. 규석과 장석이 많이 혼합되어 있고, 산화철을 많이 함유할수록 붉은 색이 강하게 나타난다.
상기 황토 단섬유는 상기 단섬유를 황토로 염색하는 통상의 방법에 의하여 제조 할 수 있다. 일 예로 체로 거른 고운 황토가루에 물을 넣어 잘 섞고, 수 시간 동안 침전한 후, 황토만 남기고 상층부의 불순물과 물을 제거하는 과정을 약 3 내지 4회 반복하여 만든 겔상태의 황토에 염화나트륨을 교반하여 황토염료를 제조하고, 상기 황토염료에 상기 단섬유를 넣고 교반하여 염색하는 과정을 3 내지 4회 한 후 건조하는 방법으로 황토 단섬유를 제조할 수 있다.
상기 황토 단섬유는 단섬유 100 중량부에 대하여 황토를 10 내지 100 중량부로 포함할 수 있고, 바람직하게는 20 내지 50 중량부로 포함하는 것일 수 있다. 상기 황토 단섬유 내 황토의 함량이 10 중량부 미만인 경우 염색이 잘 되지 않는 문제가 있고, 100 중량부 초과하는 경우 코팅이 과다하게 되어 단섬유에 남아있는 문제가 있을 수 있다.
황토로 단섬유를 염색 또는 코팅한 황토 단섬유를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물을 사용하여 제조한 타이어의 경우 단섬유의 보강효과에 의하여 타이어의 물성이 뛰어날 뿐만 아니라, 황토의 탈취효과에 의하여 타이어 고무의 냄새를 완화할 수 있고, 타이어 스스로 습도를 조절할 수 있으며, 원적외선을 방출하는 효과가 있어, 자동차가 주차된 실내의 공기의 질을 개선할 수 있는 타이어 사용자의 건강에 친화적인 타이어를 생산할 수 있게 한다.
상기 황토 단섬유는 원료고무 100중량부에 대하여 5 중량부 내지 40 중량부, 바람직하게 5 중량부 내지 15 중량부로 포함될 수 있다. 상기 황토 단섬유가 5 중량부 미만인 경우 타이어의 보강성이 약해지는 문제가 있고, 40 중량부 초과인 경우 타이어의 강성이 너무 강해져서 딱딱해지는 문제가 있을 수 있다.
상기 보강성 충진제는 카본블랙, 실리카 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 1종 이상으로, 그 함량은 상기 원료 고무 100 중량부 대비 10 내지 100 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 카본블랙은 질소흡착 비표면적(nitrogen surface area per gram, N2SA)이 30 내지 300 ㎡/g일 수 있고, DBP(n-dibutyl phthalate) 흡유량이 60 내지 180 cc/100g 일 수 있으며, 바람직하게는 질소흡착 비표면적 80 내지 100 ㎡/g일 수 있고, DBP 흡유량이 60 내지 90 cc/100g 일 수 있으며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 카본블랙의 질소흡착 비표면적이 300 ㎡/g을 초과하면 타이어용 고무 조성물의 가공성이 불리해질 수 있고, 30 ㎡/g 미만이면 충진제인 카본블랙에 의한 보강 성능이 불리해질 수 있다. 또한, 상기 카본블랙의 DBP 흡유량이 180 cc/100g을 초과하면 고무 조성물의 가공성이 저하될 수 있고, 60 cc/100g 미만이면 충진제인 카본블랙에 의한 보강 성능이 불리해질 수 있다.
상기 카본블랙의 대표적인 예로는 N110, N121, N134, N220, N231, N234, N242, N293, N299, S315, N326, N330, N332, N339, N343, N347, N351, N358, N375, N539, N550, N582, N630, N642, N650, N683, N754, N762, N765, N774, N787, N907, N908, N990 또는 N991 등을 들 수 있다.
상기 실리카는 질소흡착 비표면적(nitrogen surface area per gram, N2SA)이 100 내지 180 ㎡/g이고, CTAB(cetyl trimethyl ammonium bromide)흡착 비표면적이 110 내지 170 ㎡/g일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 실리카의 질소흡착 비표면적이 100㎡/g 미만이면 충진제인 실리카에 의한 보강성능이 불리해질 수 있고, 180㎡/g을 초과하면 고무 조성물의 가공성이 불리해질 수 있다. 또한, 상기 실리카의 CTAB흡착 비표면적이 110 ㎡/g 미만이면 충진제인 실리카에 의한 보강성능이 불리해질 수 있고, 170 ㎡/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 타이어 트레드용 고무 조성물을 선택적으로 추가적인 가류제, 가류촉진제, 가류촉진조제, 연화제, 노화방지제 또는 점착제 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 가류제를 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 유황계 가류제는 분말 황(S), 불용성 황(S), 침강 황(S), 콜로이드(colloid) 황 등의 무기 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 4.0 중량부로 포함되는 것이 적절한 가류 효과로서 원료고무가 열에 덜 민감하고 화학적으로 안정하게 해준다는 점에서 바람직하다.
상기 가류촉진제는 가류 속도를 촉진하거나 초기 가류 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 술펜아미드계 가류촉진제로는, 예컨대 N-시클로헥실-2-벤조티아질술펜아미드(CBS), N-tert-부틸-2-벤조티아질술펜아미드(TBBS), N,N-디시클로헥실-2-벤조티아질술펜아미드, N-옥시디에틸렌-2-벤조티아질술펜아미드, N,N-디이소프로필-2-벤조티아졸술펜아미드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 술펜아미드계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 티아졸계 가류촉진제로는, 예컨대 2-머캅토벤조티아졸(MBT), 디벤조티아질디설파이드(MBTS), 2-머캅토벤조티아졸의 나트륨염, 2-머캅토벤조티아졸의 아연염, 2-머캅토벤조티아졸의 구리염, 2-머캅토벤조티아졸의 시클로헥실아민염, 2-(2,4-디니트로페닐)머캅토벤조티아졸, 2-(2,6-디에틸4-모르폴리노티오)벤조티아졸 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 티아졸계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 티우람계 가류촉진제로는, 예컨대 테트라메틸티우람디설파이드(TMTD), 테트라에틸티우람디설파이드, 테트라메틸티우람모노설파이드, 디펜타메틸렌티우람디설파이드, 디펜타메틸렌티우람모노설파이드, 디펜타메틸렌티우람테트라설파이드, 디펜타메틸렌티우람헥사설파이드, 테트라부틸티우람디설파이드, 펜타메틸렌티우람테트라설파이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 티우람계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 티오우레아계 가류촉진제로는, 예컨대 티아카르바미드, 디에틸티오요소, 디부틸티오요소, 트리메틸티오요소, 디오르토톨릴티오요소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 티오우레아계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 구아니딘계 가류촉진제로는, 예컨대 디페닐구아니딘, 디오르토톨릴구아니딘, 트리페닐구아니딘, 오르토톨릴비구아니드, 디페닐구아니딘프탈레이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 구아니딘계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 디티오카르밤산계 가류촉진제로는, 예컨대 에틸페닐디티오카르밤산아연, 부틸페닐디티오카르밤산아연, 디메틸디티오카르밤산나트륨, 디메틸디티오카르밤산아연, 디에틸디티오카르밤산아연, 디부틸디티오카르밤산아연, 디아밀디티오카르밤산아연, 디프로필디티오카르밤산아연, 펜타메틸렌디티오카르밤산아연과 피페리딘의 착염, 헥사데실이소프로필디티오카르밤산아연, 옥타데실이소프로필디티오카르밤산아연 디벤질디티오카르밤산아연, 디에틸디티오카르밤산나트륨, 펜타메틸렌디티오카르밤산피페리딘, 디메틸디티오카르밤산셀레늄, 디에틸디티오카르밤산텔루늄, 디아밀디티오카르밤산카드뮴 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 디티오카르밤산계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 알데히드-아민계 또는 알데히드-암모니아계 가류촉진제로는, 예컨대 아세트알데히드-아닐린 반응물, 부틸알데히드-아닐린 축합물, 헥사메틸렌테트라민, 아세트알데히드-암모니아 반응물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 알데히드-아민계 또는 알데히드-암모니아계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 이미다졸린계 가류촉진제로는, 예컨대 2-머캅토이미다졸린 등의 이미다졸린계 화합물을 사용할 수 있고, 상기 크산테이트계 가류촉진제로는, 예컨대 디부틸크산토겐산아연 등의 크산테이트계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 가류촉진제는 가류 속도 촉진을 통한 생산성 증진 및 고무 물성의 증진을 극대화시키기 위하여 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 0.5 내지 4.0 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.
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.
상기 산화아연과 상기 스테아르산을 함께 사용하는 경우 적절한 가류촉진조제로서의 역할을 위하여 각각 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부 및 0.5 내지 3 중량부로 사용할 수 있다. 상기 산화아연과 상기 스테아르산의 함량이 상기 범위 미만인 경우 가황 속도가 느려 생산성이 저하될 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우 스코치 현상이 발생하여 물성이 저하될 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 충진제를 더 포함할 수 있다. 상기 충진제는 탄산칼슘, 점토(수화규산알루미늄), 수산화알루미늄, 리그닌, 규산염, 활석 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 커플링제로는 설파이드계 실란 화합물, 머캅토계 실란 화합물, 비닐계 실란 화합물, 아미노계 실란 화합물, 글리시독시계 실란 화합물, 니트로계 실란 화합물, 클로로계 실란 화합물, 메타크릴계 실란 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있고, 설파이드계 실란 화합물을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 설파이드계 실란 화합물은 비스(3-트리에톡시실릴프로필)테트라설파이드, 비스(2-트리에톡시실릴에틸)테트라설파이드, 비스(4-트리에톡시실릴부틸)테트라설파이드, 비스(3-트리메톡시실릴프로필)테트라설파이드, 비스(2-트리메톡시실릴에틸)테트라설파이드, 비스(4-트리메톡시실릴부틸)테트라설파이드, 비스(3-트리에톡시실릴프로필)트리설파이드, 비스(2-트리에톡시실릴에틸)트리설파이드, 비스(4-트리에톡시실릴부틸)트리설파이드, 비스(3-트리메톡시실릴프로필)트리설파이드, 비스(2-트리메톡시실릴에틸)트리설파이드, 비스(4-트리메톡시실릴부틸)트리설파이드, 비스(3-트리에톡시실릴프로필)디설파이드, 비스(2-트리에톡시실릴에틸)디설파이드, 비스(4-트리에톡시실릴부틸)디설파이드, 비스(3-트리메톡시실릴프로필)디설파이드, 비스(2-트리메톡시실릴에틸)디설파이드, 비스(4-트리메톡시실릴부틸)디설파이드, 3-트리메톡시실릴프로필-N,N-디메틸티오카바모일테트라설파이드, 3-트리에톡시실릴프로필-N,N-디메틸티오카바모일테트라설파이드, 2-트리에톡시실릴에틸-N,N-디메틸티오카바모일테트라설파이드, 2-트리메톡시실릴에틸-N,N-디메틸티오카바모일테트라설파이드, 3-트리메톡시실릴프로필벤조티아졸릴테트라설파이드, 3-트리에톡시실릴프로필벤조티아졸테트라설파이드, 3-트리메톡시실릴프로필메타크릴레이트모노설파이드, 3-트리메톡시실릴프로필메타크릴레이트모노설파이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 머캅토 실란 화합물은 3-머캅토프로필트리메톡시실란, 3-머캅토프로필트리에톡시실란, 2-머캅토에틸트리메톡시실란, 2-머캅토에틸트리에톡시실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 비닐계 실란 화합물은 에톡시실란, 비닐트리메톡시실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 아미노계 실란 화합물은 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-(2-아미노에틸)아미노프로필트리에톡시실란, 3-(2-아미노에틸)아미노프로필트리메톡시실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 글리시독시계 실란 화합물은 γ-글리시독시프로필트리에톡시실란, γ-글리시독시프로필트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필메틸디에톡시실란, γ-글리시독시프로필메틸디메톡시실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 니트로계 실란 화합물은 3-니트로프로필트리메톡시실란, 3-니트로프로필트리에톡시실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 클로로계 실란 화합물은 3-클로로프로필트리메톡시실란, 3-클로로프로필트리에톡시실란, 2-클로로에틸트리메톡시실란, 2-클로로에틸트리에톡시실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 메타크릴계 실란 화합물은 γ-메타크릴록시프로필 트리메톡시실란, γ-메타크릴록시프로필 메틸디메톡시실란, γ-메타크릴록시프로필 디메틸메톡시실란 및 이들의 조합로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 커플링제는 상기 실리카의 분산성 향상을 위하여 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부로 포함될 수 있다. 상기 커플링제의 함량이 1 중량부 미만일 경우 실리카의 분산성 향상이 부족하여 고무의 가공성이 저하되거나 저연비 성능이 저하될 수 있으며, 20 중량부를 초과하는 경우 실리카와 고무의 상호작용이 너무 강하여 저연비 성능은 우수할 수 있으나 제동 성능이 매우 저하될 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 연화제는 가공오일(Process oil) 또는 기타 고무 조성물에 포함되는 오일류를 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.
상기 파라핀계 오일의 대표적인 예로 미창 오일 주식회사의 P-1, P-2, P-3, P-4, P-5, P-6 등을 들 수 있고, 상기 나프텐계 오일의 대표적인 예로는 미창 오일 주식회사의 N-1, N-2, N-3 등을 들 수 있으며, 상기 방향족계 오일의 대표적인 예로는 미창 오일 주식회사의 A-2, A-3 등을 들 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 연화제로서 사용하는 오일은 상기 오일 전체에 대하여 PAHs 성분의 총 함량이 3중량% 이하이고, 동점도가 95 이상(210℉ SUS), 연화제 내의 방향족 성분이 15 내지 25중량%, 나프텐계 성분이 27 내지 37중량% 및 파라핀계 성분이 38 내지 58중량%인 TDAE 오일을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 TDAE 오일은 상기 TDAE 오일을 포함한 타이어 트레드의 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 연화제는 상기 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 아민계 노화방지제로는 N-페닐-N'-(1,3-디메틸)-p-페닐렌디아민, N-(1,3-디메틸부틸)-N'-페닐-p-페닐렌디아민, N-페닐-N'-이소프로필-p-페닐렌디아민, N,N'-디페닐-p-페닐렌디아민, N,N'-디아릴-p-페닐렌디아민, N-페닐-N'-사이클로헥실 p-페닐렌디아민, N-페닐-N'-옥틸-p-페닐렌디아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 페놀계 노화방지제로는 페놀계인 2,2'-메틸렌-비스(4-메틸-6-tert-부틸페놀), 2,2'-이소부틸리덴-비스(4,6-디메틸페놀), 2,6-디-t-부틸-p-크레졸 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 퀴놀린계 노화방지제로는 2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린 및 그 유도체를 사용할 수 있고, 구체적으로 6-에톡시-2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린, 6-아닐리노-2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린, 6-도데실-2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 왁스로는 바람직하게 왁시 하이드로카본을 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 점착제는 고무와 고무 사이의 접착(tack) 성능을 더욱 향상시켜 주고, 충전제와 같은 기타 첨가제들의 혼합성, 분산성 및 가공성을 개선시켜 고무의 물성 향상에 기여한다.
상기 점착제로는 로진(rosin)계 수지 또는 테르펜(terpene)계 수지와 같은 천연수지계 점착제와 석유수지, 콜타르(coal tar) 또는 알킬 페놀계 수지 등의 합성수지계 점착제를 사용할 수 있다.
상기 로진계 수지는 로진 수지, 로진 에스터 수지, 수소첨가 로진 에스터 수지, 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 테르펜계 수지는 테르펜 수지, 테르펜 페놀 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 석유수지는 지방족계 수지, 산 개질 지방족계 수지, 지환족계 수지, 수소첨가 지환족계 수지, 방향족계(C9) 수지, 수소첨가 방향족계 수지, C5-C9 공중합 수지, 스티렌 수지, 스티렌 공중합 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 콜타르는 쿠마론-인덴 수지(coumarone-indene resin)일 수 있다.
상기 알킬 페놀 수지는 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 있다.
상기 점착제는 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 2 내지 4 중량부로 포함될 수 있다. 상기 점착제의 함량이 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 2 중량부 미만이면 접착 성능이 불리해질 수 있고, 4 중량부 초과이면 고무 물성이 저하될 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 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 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. 또한, 상기 타이어는 레디얼(radial) 타이어 또는 바이어스(bias) 타이어일 수 있으며, 레디얼 타이어인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 황토 단섬유로 보강되어 물성 향상뿐 아니라 황토의 탈취효과에 의하여 타이어 고무의 냄새를 완화할 수 있고, 타이어 스스로 습도를 조절할 수 있으며, 원적외선을 방출하여 자동차가 주차된 실내의 공기의 질을 개선할 수 있는 타이어 사용자의 건강 친화적인 타이어를 생산할 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.
상기 황토 단섬유는 하기와 같은 방법으로 제조하였다.
체로 거른 고운 황토가루 30 내지 60g을 물 120 내지 240L에 넣고 잘 섞은 후, 약 24 내지 48 시간 동안 침전하여 황토만 남기고 상층부의 불순물과 물을 제거했다. 상기와 같은 불순물 제거 작업을 약 3 내지 4회 반복하여 겔상태의 황토가 되면 염화나트륨을 2 내지 2.5g을 넣고 교반하여 황토염료를 제조한다. 상기 제조된 황토염료를 단섬유와 함께 상온에서 약 10분간 교반하고, 약 40℃에서 건조하는 과정을 3회 이상 반복하여 황토 코팅을 입히는 방법으로 황토 단섬유를 제조하였다.
단위:중량부 비교예1 비교예2 비교예3 실시예1 실시예2 실시예3
스티렌부타디엔 80 80 80 80 80 80
부타디엔 20 20 20 20 20 20
카본블랙(1) 55 55 55 55 55 55
황토 단섬유(2) - - - 5 10 15
일반 섬유(3) - 10 - - - -
일반 단섬유(4) - - 5 - - -
연화제(5) 8 8 8 8 8 8
산화아연 3 3 3 3 3 3
스테아린산 1 1 1 1 1 1
가류제(유황) 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8
가류촉진제(6) 1 1 1 1 1 1
(1) 스티렌 부타디엔: 스티렌 함량이 24 내지 26 중량%이고, 부타디엔 내 비닐 함량이 66 중량%인 스티렌 부타디엔 고무.
(2) 부타디엔: 시스-1,4 부타디엔의 함량이 96 중량% 이고, 유리전이온도(Tg)가 -79 ℃인 고시스 부타디엔 고무.
(3) 카본블랙: N326, 질소흡착 비표면적(nitrogen surface area per gram, N2SA)이 30 내지 300 m2/g, DBP 흡유량이 67 내지 77 cc/100g.
(4) 황토 단섬유: 평균 길이 3.0㎜, 평균 직경 15㎛, 단섬유 내 황토 함량 30 중량부.
(5) 일반 섬유: 평균 길이 20 ㎜, 평균 직경 100㎛인 나일론 섬유.
(6) 일반 단섬유: 평균 길이 3.0 ㎜, 평균 직경 15 ㎛인 나일론 단섬유.
(7) 연화제: A#2 oil(상품명, 미창 석유공업)
(8)가류촉진제: 스테아릭산(stearic acid)
[ 실험예 : 제조된 고무 조성물의 물성 측정]
상기 비교예와 실시예에 따라 얻어진 고무시편의 인장 물성 및 원적외선, 탈취 시험을 다음과 같이 측정하였으며, 그 결과를 하기의 표 2에 나타내었다.
1) 탈취 시험은 가스 검지관법에 따라 측정하였다.
2) 원적외선 시험은 FT-TR Spectrometer를 이용한 Black Body 대비 측정 결과를 비교하였다.
3) 경도는 DIN 53505에 의해 측정하였다. 경도는 조종 안정성을 나타내는 것으로 마른 노면 및 젖은 노면에서는 그 값이 클수록 조종 안정성이 우수하다.
4) 모듈러스는 ISO 37 규격에 의해 측정하였으며, 300% 신장시의 인장강도를 측정 하였고, 수치가 높을수록 우수한 강도를 나타낸다.
5) 신율은 인장 시험기에서 시험편이 끊어질 때까지 스트레인 (strain) 값을 %로 나타내는 방법으로 측정하였다.
6) 인장강도는 ASTM D790의 방법으로 측정하였고, 수치가 높을수록 우수한 강도를 나타낸다.
물성 평가 비교예1 비교예2 비교예3 실시예1 실시예2 실시예3
탈취시험(탈취율, %) 10 11 11 61.3 70.2 75.1
원적외선 시험
(방사율 5~20㎛)		 0.002 0.003 0.003 0.801 0.854 0.903
인장
물성		 경도 51 54 54 53 54 56
300% 모듈러스 91 111 112 102 110 115
신율(%) 490 415 420 450 410 480
인장강도(kgf/㎠) 145 153 152 150 152 155
상기 표 2의 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 황토 단섬유를 보강한 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따른 타이어 트레드용 고무는 황토 단섬유를 보강하지 않은 비교예 1의 타이어와 비교하여 볼 때 대비 인장물성이 향상되는 동시에 원적외선 방출량이 증가하고 탈취 효과가 향상되는 결과를 보였다.
따라서 상기 황토로 단섬유를 염색 또는 코팅한 황토 단섬유를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물을 사용하여 제조한 타이어의 경우 물성이 뛰어나면서도 탈취효과에 의하여 타이어 고무의 냄새를 완화할 수 있고, 타이어 스스로 습도를 조절할 수 있으며, 원적외선을 방출하여 자동차가 주차된 실내의 공기의 질을 개선하여 타이어 사용자의 건강에 친화적인 타이어로 사용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 원료고무 100중량부에 대하여
    황토로 단섬유를 코팅 또는 염색한 황토 단섬유를 5 내지 15중량부 및
    질소흡착 비표면적이 30 내지 300㎡/g이고, DBP(n-dibutyl phthalate) 흡유량이 60 내지 90cc/100g인 카본블랙 10 내지 100중량부를 포함하고,
    상기 원료고무는 스티렌 함량이 24 내지 26중량%이고, 부타디엔 내 비닐 함량이 65 내지 70중량%인 스티렌 부타디엔 고무 70 내지 90 중량부; 및 시스-1,4 부타디엔의 함량이 96중량% 이상이고, 유리전이온도가 -85 내지 -70℃인 부타디엔 고무 10 내지 30중량부를 포함하는 것이고,
    상기 황토 단섬유는 단섬유 100 중량부에 대하여 황토를 10 내지 100 중량부로 포함하며,
    상기 단섬유는 평균 길이가 2.0 내지 5.0㎜이고, 평균 직경이 10 내지 30 ㎛이며, 상기 황토는 0.02 내지 0.05mm의 입자크기를 갖는 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 황토 단섬유는 단섬유를 황토로 염색한 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단섬유는 나일론 단섬유인 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어.
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