KR101457861B1 - 타이어 이너라이너용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어 - Google Patents

타이어 이너라이너용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타이어 이너라이너용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 대한 것으로서, 상기 타이어 이너라이너용 고무 조성물은 원료고무 100 중량부, 그리고 BET 비표면적이 60 내지 90m2/g이고, 평균 입경이 10 내지 20nm인 나노 산화아연 1 내지 6 중량부를 포함한다.
상기 타이어 이너라이너용 고무 조성물은 산화아연의 사용량을 감소시키면서도 내공기 투과성 및 저온 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

타이어 이너라이너용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어{RUBBER COMPOSITION FOR TIRE INNERLINER AND TIRE MANUFACTURED BY USING THE SAME}
본 발명은 타이어 이너라이너용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화아연의 사용량을 감소시키면서도 내공기 투과성 및 저온 특성을 향상시킬 수 있는 타이어 이너라이너용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것이다.
타이어 이너라이너용 고무 조성물은 내공기 투과에 대한 특성이 좋은 부틸고무 또는 천연고무와 이의 혼합 고무를 원료고무로 하고, 이러한 원료고무에 대하여 카본블랙, 무기 충진제, 산화아연, 스테아린산, 공정오일, 노화방지제, 산화방지제와 같은 소정의 첨가제로 구성되어 있는 것이 일반적이다.
상기 이너라이너용 고무의 여러 가지 중요한 특성 중의 하나가 내공기 투과성이다. 상기 이너라이너용 고무의 내공기 투과성을 향상시키기 위한 방법으로는 부틸고무 함량을 높이는 방법, 카본블랙이나 무기 충진제 함량을 낮추는 방법, 무기 충진제로 탄산칼슘을 사용하는 방법, 표면적이 작고 구조가 발달한 특수 카본블랙을 사용하는 방법 등이 있다.
그러나, 위와 같은 방법으로도 이너라이너용 고무의 내공기 투과성 개선에는 한계가 있으며, 또한 이너라이너용 고무의 두께가 두꺼워져 타이어의 중량이 증가하는 문제가 있다.
대한민국 특허공개 제2003-0090286호(공개일: 2003.11.28) 대한민국 특허공개 제2011-0071606호(공개일: 2011.06.29) 대한민국 특허공개 제2005-0121322호(공개일: 2005.12.27)
본 발명의 목적은 산화아연의 사용량을 감소시키면서도 내공기 투과성 및 저온 특성을 향상시킬 수 있는 타이어 이너라이너용 고무 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 타이어 이너라이너용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 이너라이너용 고무 조성물은 원료고무 100 중량부, 그리고 BET 비표면적이 60 내지 90m2/g이고, 평균 입경이 10 내지 20nm인 나노 산화아연 1 내지 6 중량부를 포함한다.
상기 원료고무는 천연고무 및 부틸고무 또는 할로겐화 부틸고무를 포함할 수 있다.
상기 천연고무와 상기 부틸고무 또는 할로겐화 부틸고무의 중량비는 1:9 내지 9:1일 수 있다.
상기 타이어 이너라이너용 고무 조성물은 카본블랙 30 내지 80 중량부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 타이어는 상기 타이어 이너라이너용 고무 조성물을 이용하여 제조한 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 이너라이너용 고무 조성물은 원료고무 100 중량부, 그리고 BET 비표면적이 60 내지 90m2/g이고, 평균 입경이 10 내지 20nm인 나노 산화아연 1 내지 6 중량부를 포함한다.
상기 원료고무는 종래 타이어 이너라이너용 고무 조성물의 원료고무로서 사용할 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 상기 원료고무의 일예로서 천연고무, 부틸고무 또는 할로겐화 부틸고무를 각각 사용하거나 또는 이들의 둘 이상을 혼합시킨 혼합고무를 사용할 수 있다.
또한, 상기 원료고무는 상기 천연고무와 상기 부틸고무 또는 할로겐화 부틸고무를 함께 포함할 수 있고, 이 경우 상기 천연고무와 상기 부틸고무 또는 할로겐화 부틸고무의 중량비는 1:9 내지 9:1일 수 있다. 상기 천연고무와 상기 부틸고무 또는 할로겐화 부틸고무의 중량비가 상기 범위 내인 경우 타이어 이너라이너용 고무 조성물의 내공기 투과성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 할로겐화 부틸고무는 부틸고무에 할로겐 원소가 치환된 것이며, 구체적으로 클로로 부틸고무 또는 브로모 부틸고무 등일 수 있다.
상기 타이어 이너라이너용 고무 조성물은 내공기 투과성 및 저온 특성을 향상시키기 위해 기존의 활성제인 산화아연과 비교해 입자의 크기가 매우 작고 표면적이 큰 나노 크기의 산화아연을 포함한다.
구체적으로 상기 나노 산화아연은 BET 비표면적이 60 내지 90m2/g이고, 평균 입경이 10 내지 20nm일 수 있다. 상기와 같은 표면적이 매우 크고, 입자 크기가 수십 나노 크기를 가지는 나노 산화아연을 사용하면, 기존 대비 동일한 사용량으로 우수한 내공기 투과성이나 저온 물성을 얻을 수 있고, 동일한 물성을 유지할 경우 산화아연의 사용량을 크게 감소시킬 수 있다.
상기 나노 산화아연은 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 1 내지 6 중량부, 바람직하게 2 내지 6 중량부로 첨가될 수 있다. 상기 나노 산화아연의 함량이 2 중량부 미만이면 고무의 내공기 투과성이 향상되지 않을 수 있고, 6 중량부를 초과하는 경우 고무의 물성이 감소될 수 있다.
상기 타이어 이너라이너용 고무 조성물은 보강성 충진제로서 카본블랙을 더 포함할 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 있는데, 상기와 같은 특성을 가지는 카본블랙을 사용하는 경우 적절한 보강성과 동시에 적절한 가공성을 갖는 타이어 이너라이너용 고무 조성물을 제조할 수 있다.
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 N550, N582, N630, N642, N650, N683, N754, N762, N765, N774, N787, N907, N908, N990 또는 N991등을 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 타이어 이너라이너용 고무 조성물은 선택적으로 추가적인 가류제, 가류촉진제, 노화방지제 또는 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 이너라이너용 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 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, 상기 나노 산화아연과 함께 유기계 가류촉진조제를 더 사용할 수 있다. 상기 나노 산화아연과 상기 유기계 가류촉진조제를 함께 사용하는 경우 상기 나노 산화아연이 상기 스테아르산에 녹아 상기 가류촉진제와 유효한 복합체(complex)를 형성하여, 가황 반응 중 유리한 황을 만들어냄으로써 고무의 가교 반응을 용이하게 한다.
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.
상기 나노 산화아연과 상기 스테아르산을 함께 사용하는 경우 적절한 가류촉진조제로서의 역할을 위하여 각각 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 0.5 내지 3 중량부로 사용할 수 있다. 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 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.
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 이너라이너의 저온 특성, 연비 성능을 우수하게 하면서도 PAHs의 암 유발 가능성 등의 환경적 요인에 대해서도 유리한 특성을 갖는다.
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 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 이너라이너용 고무 조성물은 이너라이너에 한정되지 않고, 타이어를 구성하는 다양한 고무 구성 요소에 포함될 수 있다. 상기 고무 구성 요소로는 트레드(트레드 캡 및 트레드 베이스), 사이드월, 사이드월 삽입물, 에이펙스(apex), 채퍼(chafer) 또는 와이어 코트 등을 들 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 타이어는 상기 타이어 이너라이너용 고무 조성물을 이용하여 제조된다. 상기 타이어 이너라이너용 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 이너라이너용 고무 조성물은 산화아연의 사용량을 감소시키면서도 내공기 투과성 및 저온 특성을 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 이너라이너용 고무 조성물을 제조하였다. 상기 고무 조성물의 제조는 통상의 고무 조성물의 제조방법에 따랐다.
( 비교예 1)
하기 표 1에서와 같이 클로로 부틸고무 80 중량부 및 천연고무 20 중량부로 이루어진 원료고무 100 중량부에 대하여 카본블랙(N500) 70 중량부, 스테아린산(stearic acid) 2 중량부, 노화방지제 3 중량부, 산화방지제(TMDQ) 3 중량부, 연화제 8 중량부, 산화아연 4 중량부를 밴버리 믹서에 넣어 혼합하고 130℃에서 35분 동안 반응시킨 후 방출하여 고무 배합물을 얻었다.
상기 고무 배합물에 가류제(유황) 2.0 중량부, 가류촉진제로서 N-시클로헥실-2-벤조티아졸설펜아미드(N-cyclohexyl-2-benzothiazolsulfen amide, CZ) 1.5중량부를 상기의 밴버리 믹서에 넣고 110℃에서 10분 동안 가류시켜 고무 시편을 제조하였다.
상기 산화아연은 일반적으로 사용되는 공업용 산화아연이었다.
( 실시예 1)
나노 산화아연(1) 4 중량부를 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1와 동일한 조성 및 방법을 이용하여 고무 시편을 제조하였다.
상기 나노 산화아연(1)은 BET 비표면적이 65m2/g이고, 평균 입경이 15nm인 것을 사용하였다.
( 비교예 2)
클로로 부틸고무 100 중량부를 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 조성 및 방법을 이용하여 고무 시편을 제조하였다.
( 비교예 3)
비교예 1과 동일한 산화아연 6 중량부를 사용한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 조성 및 방법을 이용하여 고무 시편을 제조하였다.
( 실시예 2)
나노 산화아연 4 중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조성 및 방법을 이용하여 고무 시편을 제조하였다.
( 비교예 4)
BET 비표면적이 55m2/g이고, 평균 입경이 9nm인 나노 산화아연(2)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 조성 및 방법을 이용하여 고무 시편을 제조하였다.
( 비교예 5)
BET 비표면적이 95m2/g이고, 평균 입경이 25nm인 나노 산화아연(3)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 조성 및 방법을 이용하여 고무 시편을 제조하였다.
항목 비교예1 실시예1 비교예2 비교예3 실시예2 비교예4 비교예5
천연고무 20 20 - - - - -
부틸고무 80 80 100 100 100 100 100
카본블랙 70 70 70 70 70 70 70
나노 산화아연(1) - 4 - - 4 - -
나노 산화아연(2) - - - - - 4 -
나노 산화아연(3) - - - - - - 4
산화아연 4 - 4 6 - - -
스테아린산 2 2 2 2 2 2 2
노화방지제 3 3 3 3 3 3 3
산화방지제 3 3 3 3 3 3 3
연화제 8 8 8 8 8 8 8
가류제 2 2 2 2 2 2 2
가류촉진제 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
[ 실험예 : 제조된 고무 조성물의 물성 측정]
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 고무 시편에 대하여 물성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
상기 물성은 ASTM 관련 규정에 의하여 무니점도(ML1+4(125℃)), 스코치 시간(분), 최대 토크, 가류 시간(t90), 경도(Shore A), 300% 모듈러스(kg/cm2), 인장강도(kg/cm2), 신장율(%) 및 내공기 투과성(m4/sec·N, 4psi, 60℃)을 측정하였고, 50% 피로 수명(kcycles)은 Strain 118% 조건에서 100℃ 조건에서 1주일간 노화시킨 후 6개의 샘플을 피로 시험기를 이용하여 측정 후 50% 잔존율을 구하였다.
항목 비교예1 실시예1 비교예2 비교예3 실시예2 비교예4 비교예5
무니점도 46 46 40 41 42 42 41
스코치시간 11.3 10.4 13.4 13.7 14.3 13.2 14.1
최대토크 22.4 24.6 17.8 19.5 18.2 17.7 17.5
가황시간 20.6 22.3 18.6 17.5 20.3 19.5 19.5
경도 62 61 57 55 56 55 56
300% 모듈러스 67 68 52 50 42 41 42
인장강도 108 114 94 113 105 98 101
신장율 674 667 662 736 697 702 698
가스투과도 4.60E-17 3.20E-17 2.40E-17 1.96E-17 1.68E-17 1.74E-17 1.81E-17
50% 피로수명 68 71 70 54 72 68 69
상기 표 2를 참조하면, 타이어 이너라이너용 고무 조성물에서 클로로 부틸고무 80 중량부 및 천연고무 20 중량부로 이루어진 원료고무 100 중량부에 일반적으로 사용되는 공업용 산화아연이 함유된 비교예 1의 고무 시편, 클로로 부틸고무 100 중량부로 이루어진 원료고무 100 중량부에 공업용 산화아연이 함유된 비교예 2의 고무 시편 및 상기 공업용 산화아연을 증량하여 함유된 비교예 3의 고무 시편에 비하여 적절한 함량의 나노 산화아연이 함유된 실시예 1이 보다 낮은 내공기 투과도 특성을 보임을 알 수 있다.
또한, 나노 산화아연이 첨가된 실시예 1 및 실시예 2의 고무 시편은 비교예 1 내지 3의 고무 시편에 비하여 내피로 특성이 향상됨을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 BET 비표면적 및 평균 입경 범위를 벗어나는 나노 산화아연을 사용한 비교예 4 및 5에 비하여 본 발명의 BET 비표면적 및 평균 입경 범위를 가지는 나노 산화아연을 사용한 실시예 2의 경우가 기존 대비 동일한 사용량으로 우수한 내공기 투과성이나 저온 물성을 얻을 수 있고, 동일한 물성을 유지할 경우 산화아연의 사용량을 크게 감소시킬 수 있음을 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 (5)

  1. 천연고무 및 부틸고무를 포함하는 원료고무 100 중량부, 그리고
    BET 비표면적이 60 내지 90m2/g이고, 평균 입경이 10 내지 20nm인 나노 산화아연 1 내지 6 중량부를 포함하며,
    상기 천연고무와 상기 부틸고무의 중량비는 1:9 내지 9:1인 것인 타이어 이너라이너용 고무 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부틸고무는 할로겐화 부틸고무인 것인 타이어 이너라이너용 고무 조성물.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 타이어 이너라이너용 고무 조성물은 카본블랙 30 내지 80 중량부를 더 포함하는 것인 타이어 이너라이너용 고무 조성물.
  5. 제1항에 따른 타이어 이너라이너용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어.
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