KR101433162B1 - 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, 본 발명에 따른 타이어 트레드 고무조성물은 원료고무 100 중량부, 및 나노 셀룰로오스 섬유 5 내지 40 중량부를 포함하는 것이다.
상기 타이어 트레드 고무 조성물을 사용하는 경우 일반적인 충진제의 사용에 따른 타이어의 내마모성 향상 정도의 한계를 넘어 우수한 기계적 물성으로 타이어의 내마모성을 극대화하고, 타이어의 물성을 전반적으로 향상시킬 수 있다.

Description

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어{RUBBER COMPOSITION FOR TIRE TREAD AND TIRE MANUFACTURED BY USING THESAME}
본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 타이어 트레드를 보강하여 타이어 트레드의 내마모성뿐만 아니라 타이어의 물성을 전반적으로 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것이다.
타이어에서 요구되는 성능은 매우 다양하며, 타이어에서의 요구되는 성능은 타이어 부분마다 다소 차이가 있다.
타이어 트레드 물성중 회전 저항, 내마모성 및 웨트 점착성은 동시에 조정되기가 어렵다. 즉, 한 물성을 개선시키면 다른 물성이 나빠지는 현상이 이 3가지 물성 사이에 존재하여 이 3가지 물성을 조정하는 것이 타이어 제조기술에 있어서 중요한 과제로 남아 있다.
타이어의 마모현상은 타이어의 트레드과 노면 사이에서 발생하는 마찰력에 의해 지면과 접하는 트레드 고무의 표면이 닳게 되는 현상으로서 타이어의 마모는 타이어의 수명, 제동성에 큰 영향을 미치게 되어 안전주행과 타이어의 비용절감 면에서 타이어 트레드는 내마모성이 우수해야 한다.
타이어 트레드용 고무 조성물에 사용되는 원료중 타이어 물성을 좌우하는 가장 중요한 원료로 폴리머와 보강제가 사용되고 있다. 이 보강제는 충진 효과도 동시에 가지고 있으며 무기 충진제인 실리카와 유기충진제인 카본블랙으로 대별될 수 있다. 이 보강제와 폴리머 사이에 결합이 강할수록 물성이 좋아져 타이어가 제기능을 발휘하게 된다. 이러한 충진제의 함량을 증가시키는 방법 이외에도 타이어 트레드 고무조성물의 조성비 조절, 보강성이 좋은 충진제의 사용, 공정조제의 함량을 감소시키는 방법이 있다.
그러나 내마모성을 향상시키기 위해 충진제의 함량을 증가시키는 경우 발열이 심해지거나 또는 타이어 공정 제조시의 문제가 발생할 수 있고 또한 타이어 승차감에도 좋지 않게 되는 문제가 발생할 수 있다.
이와 관련한 선행문헌의 기술을 보면, 특허문헌 1(10-2010-0041401 A)은 네오디움(Neodymium) 부타디엔 고무를 사용하여 내마모성 및 내발열성 등이 향상되도록 한 것이다. 다만, 상기 특허문헌 1에 개시된 발명에 의하는 경우 일정범위에서 내마모성이 향상될 뿐, 내마모성을 극대화 하는데에는 한계가 있다.
특허문헌 2는 100% 디엔계 고무인 천연고무에 부타디엔 고무가 30 중량% 이하로 포함된 원료고무 및 카본블랙을 사용하여 내마모성을 향상시킨 것이다. 다만, 상기 특허문헌 2에 개시된 발명에 의하는 경우 내마모성의 향상 정도가 작다는 문제점이 있다.
KR 1020100041401 A KR 1020000001556 A
본 발명의 목적은 충진제의 사용에 따른 내마모성 향상의 한계를 넘어 보다 우수한 기계적 물성으로 타이어의 내마모성을 극대화 하고, 타이어의 물성을 전반적으로 향상시킬 수 있는 타이어 트레드용 고무조성물을 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 및 나노 셀룰로오스 섬유 5 내지 40 중량부를 포함하는 것이다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 상기 나노 셀룰로오스 섬유 평균 직경이 5 내지 100 nm인 것일 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 상기 나노 셀룰로오스 섬유의 제형이 분말인 것일 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 상기 나노 셀룰로오스 섬유의 선팽창계수가 1ppm/K 미만인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 타이어는 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무 100 중량부, 및 나노 셀룰로오스 섬유 5 내지 40 중량부를 포함하는 것이다.
상기 원료고무는 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 나노 셀룰로오스 섬유는 직경이 1000nm 미만인 셀롤로오스 섬유를 모두 포함하는 의미이다.
일반적으로 목재는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 세 가지 주성분으로 구성된 유기복합체이다. 이 중 셀룰로오스(cellulose)는 섬유소(纖維素)라고도 하며, 독특한 구조적 특성을 가지는 글루코오스의 긴 체인으로 구성된 생체고분자이다. 상기 셀룰로오스는 식물의 세포벽에서 발견되는데 식물체를 지지하는 역할을 수행하는 일종의 골격에 해당한다. 상기 셀룰로오스는 장력에 극히 강하며 여러 가지 방식으로 화학적인 변형을 가할 수 있기 때문에, 그 특성도 이에 따라 변하게 된다.
상기 나노 셀룰로오스 섬유는 목재 펄프 등으로부터 분리하여 얻을 수 있다. 상기 나노 셀룰로오스 섬유는 일반적인 셀룰로오스 섬유에 비하여 매우 큰 표면적을 가지고 있기 때문에 상기 원료고무와 보다 강한 물리-화학적 반응이 일어나므로 타이어 트레드부의 보강 효과를 극대화하고, 타이어의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
상기 나노 셀룰로오스 섬유는 상기 평균 직경이 1000nm 미만으로 형성되는 셀롤로오스 섬유를 말한다. 상기 나노 셀룰로오스는 셀룰로오스를 현탁액으로 제조하여 고압에서 강한 교반을 통하여 제조할 수 있다.
상기 나노 셀룰로오스 섬유는 일반적인 셀룰로오스에 비하여 비표면적인 넓어 나노 섬유 입자 간의 접촉 면적이 상대적으로 넓기 때문에 섬유간에 많은 수소 결합을 이루면서 3차원의 네트워크를 형성한다. 따라서 원료고무와의 결합성이 월등히 향상될 뿐만 아니라 적은 양으로도 타이어의 보강효과를 배가할 수 시킬 수 있다.
상기 나노 셀룰로오스 섬유는 원료고무 100 중량부에 대하여 5 내지 44 중량부로 포함할 수 있고, 바람직하게는 8 내지 42 중량부로 포함될 수 있다. 5 중량부 미만으로 포함되는 경우 타이어에 대한 보강효과가 거의 없으며, 44 중량부를 초과하는 경우 원료고무와 결합되지 않는 나노 셀룰로오스가 뭉치면서 불순물로 작용하여 오히려 타이어의 보강성을 저하시키는 문제가 생기기 때문이다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 상기 나노 셀룰로오스 섬유 평균 직경이 5 내지 100nm인 것일 수 있고, 바람직하게는 10 내지 70 nm, 더욱 바람직하게는 18 내지 62 nm, 더덕욱 바람직하게는 18 내지 42nm 일 수 있다. 상기 나노 셀룰로오스 섬유의 평균 직경이 상기 범위에 의하는 경우 원료고무에 대한 보강효과가 가장 우수하다. 이는 직경이 5nm 미만인 경우 상기 나노 셀룰로오스가 원료고무와의 결합력이 우수한 3차원의 네트워크를 형성하지 못하며, 100nm를 초과하는 경우 나노 섬유 입자 간의 접촉 면적이 상대적으로 좁아지기 때문이다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 상기 나노 셀룰로오스 섬유의 제형이 분말인 것일 수 있다.
상기 분말형태의 나노 셀룰로오스 섬유를 수득하기 위한 일 실시예의 예를 들면, 양쪽성 카복시메틸 셀룰로오스를 pH 1.5 내지 4.5이고 전해질이 양이온을 0.0001 내지 0.5M인 수성 전해질-함유 용액으로 셀룰로오스 섬유를 처리하는 단계, 상기 처리단계 이후 pH를 5 내지 13으로 조절하는 단계 및 상기 pH를 조절한 셀룰로오스를 분쇄하는 단계를 포함하는 방법으로 제조되는 것일 수 있다.
일반적인 셀룰로오스를 현탁액 상태에서 건조하게 되면 상기 셀룰로오스 상호간의 결합으로 덩어리가 형성되면서 상기 셀룰로오스는 기계적 강도가 급격하게 저하된다. 또한, 상기 현탁액을 건조시킨 셀룰로오스는 타이어 트레드부 조성물 안에서 상기 덩어리가 이물질로 작용하여 타이어의 보강성을 저하 시키는는 문제가 있다. 그러나 상기 분말형태의 제형을 가지는 나노 셀룰로오스는 셀룰로오스 상호간에 엉킴이 없으므로 기계적 강도를 그대로 유지하는 바, 작업성이 우수할 뿐만 아니라 원료고무와의 뛰어난 결합력으로 타이어의 보강효과를 배가시킬 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 상기 나노 셀룰로오스 섬유의 선팽창계수가 1ppm/K 미만인 것일 수 있다.
상기 선팽창계수가 1ppm/K를 초과하는 경우 타이어에 포함된 상기 나노 셀룰로오스 섬유가 주행 중 상기 타이어의 온도 변화에 따라 팽창 또는 수축하면서 타이어의 크랙을 발생시키거나 보강효과를 저하하는 원인일 될 수 있다.
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 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 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 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 카본블랙, 탄산칼슘, 점토(수화규산알루미늄), 수산화알루미늄, 리그닌, 규산염, 활석 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 카본블랙은 질소흡착 비표면적(nitrogen surface area per gram, N2SA)이 30 내지 300m2/g일 수 있고, DBP(n-dibutyl phthalate) 흡유량이 60 내지 180cc/100g 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 카본블랙의 질소흡착 비표면적이 300m2/g을 초과하면 타이어용 고무 조성물의 가공성이 불리해질 수 있고, 30m2/g미만이면 충진제인 카본블랙에 의한 보강 성능이 불리해질 수 있다. 또한, 상기 카본블랙의 DBP 흡유량이 180cc/100g을 초과하면 고무 조성물의 가공성이 저하될 수 있고, 60cc/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 카본블랙은 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 30 내지 80 중량부로 포함될 수 있고, 45 내지 65 중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 53 내지 57 중량부로 포함되는 것이 더욱 바람직하다. 상기 카본블랙의 함량이 30 중량부 미만이면 충진제인 카본블랙에 의한 보강 성능이 저하될 수 있고, 80 중량부를 초과하면 고무 조성물의 가공성이 불리해질 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 1 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.
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 발명에 따른 타이어 트레드 고무 조성물을 사용하는 경우 일반적인 충진제의 사용에 따른 타이어의 내마모성 향상 정도의 한계를 넘어 보다 우수한 기계적 물성으로 타이어의 내마모성을 극대화 하고, 타이어의 물성을 전반적으로 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 트레드용 고무 조성물을 제조하였다. 상기 고무 조성물의 제조는 통상의 고무 조성물의 제조방법에 따랐다.
항목 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6
원료고무 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
카본블랙 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55
섬유1 - 10 - - - - - - - -
섬유2 - - 4 45 5 10 15 40 - -
섬유3 - - - - - - - - 10 -
섬유4 - - - - - - - - - 10
공정오일 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8
산화아연 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
스테아린산 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
유황 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8
가황촉진제 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
섬유1 : 일반 셀룰로오스 섬유, 콘텍SNC(주), Ultra fiber 500.
섬유2 : 나노 셀룰로오스 섬유1, 평균직경 20 내지 40nm, 분말형태.
섬유3 : 나노 셀룰로오스 섬유2, 평균직경 20 내지 60nm, 분말형태.
섬유4 : 나노 셀룰로오스 섬유3, 평균직경 20 내지 40nm인 나노 셀룰로오스 수용성 현탁액을 그대로 건조한 것.
[ 실험예 : 제조된 고무 조성물의 물성 측정]
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 고무 시편에 대하여 물성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
경도는 DIN 53505에 의해 측정하였다
300% 모듈러스(Modulus)는 300% 신장시의 인장강도로서, ISO 37 규격에 의해 측정하였고, 수치가 높을수록 우수한 강도를 나타낸다.
인장강도는 ASTM D 790 의 방법으로 측정하였고, 수치가 높을수록 우수한 강도를 나타낸다.
내마모성은 상온에서 미끄럼비 50%, 하중 1.5Kg에서 회전시켜 마모된 고무의 손실량을 추정하여 측정하였다. 지수가 클수록 내마모성이 우수함을 의미한다.
분산도는 Image Analyzer 분석방법에 의하여 가류 고무 일정면적에서의 보강재의 분산 정도를 100% 분산을 기준으로 하여 나타내는 방법에 따라 측정하였다. 측정 결과를 지수화하여 표현한 값으로 지수가 클수록 분산도가 우수함을 나타낸다.
구분 비교예1 비교예 2 비교예3 비교예4 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6
인장 물성 경도 70 72 73 75 72 74 76 76 74 73
300% 모듈러스 110 120 130 151 131 140 147 149 135 138
신율(%) 410 430 440 420 450 468 472 478 465 464
인장강도
(kgf/cm2)		 152 155 162 177 165 170 173 180 168 167
내마모성 지수 85 100 107 118 108 111 115 120 109 110
분산도(%) 88 87 88 85 88 90 95 95 88 85
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 일반 섬유(비교예2) 보다 나노 섬유를 포함(실시예1 내지 실시예6)하는 경우 300% 모듈러스, 경도 및 분산도 등에서 전반적으로 우수한 것을 확인할 수 있고, 나노 섬유를 분말형태로 포함하는 경우가 현탁액 형태로 포함하는 경우(실시예6) 보다 엉킴 현상이 감소하여 분산성, 경도 및 내마모성이 우수한 것으로 확인되었다. 이는 보강재가 타이어 고무 조성물에 고르게 분산되어 원료고무와의 결합력이 좋아져 보강효과가 증가할 수 있었기 때문이다.
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, 및
    제형이 분말이고, 평균 직경이 5nm 이상이고, 1000nm 미만인 나노 셀룰로오스 섬유 5 내지 40 중량부
    를 포함하는 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 셀룰로오스 섬유 평균 직경이 5 내지 100nm인 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 셀룰로오스 섬유의 선팽창계수가 1ppm/K 미만인 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  5. 상기 제 1항, 제 2항 및 제 4항 중 어느 한 항에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어.
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