KR101640668B1 - 이트리아 안정화 지르코니아 분말을 포함하는 마스터 배치 및 상기 마스터 배치를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용한 타이어 - Google Patents

이트리아 안정화 지르코니아 분말을 포함하는 마스터 배치 및 상기 마스터 배치를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용한 타이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원료고무 및 고체 전해질 소결체인 이트리아 안정화 지르코니아 분말을 포함하는 마스터 배치를 보강 충전제인 실리카와 병행적용하여 실리카 적용시 수반되는 제반물성을 향상시키면서도 전기 전도성을 개선하고, 내열성 및 내식성능이 향상된 마스터 배치를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용한 타이어에 관한 것이다.

Description

이트리아 안정화 지르코니아 분말을 포함하는 마스터 배치 및 상기 마스터 배치를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용한 타이어{MASTER BATCH COMPRISING YTTRIA-STABILIZED ZIRCONIA PARTICLE AND TIRE TREAD RUBBER COMPOSITIONS THEREOF AND TIRE USING THE SAME}
본 발명은 이트리아 안정화 지르코니아 분말(이하, YSZ라 칭하기도 함.)을 포함하는 마스터 배치 및 상기 마스터 배치를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용한 타이어에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원료고무 및 고체 전해질 소결체인 이트리아 안정화 지르코니아 나노 분말을 포함하는 마스터 배치를 보강 충전제인 실리카와 병행적용하여 실리카 적용시 수반되는 제반물성을 향상시키면서도 전기 전도성을 개선하고, 내열성 및 내식성능이 향상된 마스터 배치 및 상기 마스터 배치를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용한 타이어에 관한 것이다.
현재까지는 타이어 트레드용 고무 조성물 제조 시 대부분 카본블랙을 주된 충전제로 사용하여 왔다. 카본블랙이 충전된 고무 조성물은 인장강도가 높고, 반발탄성이 우수하며, 우수한 동적 특성을 갖는다.
그러나, 특별히 여러 가지 물성 중, 저연비 성능과 연관된 우수한 동적 물성을 얻기 위해서는 카본블랙을 대체하여 실리카를 많이 사용하는 실정이다. 오늘날의 지구환경보호를 위한 다양한 규제로 인하여 저연비 타이어의 개발이 가속화되면서 타이어 트레드에 있어서 실리카의 사용량이 나날이 증가하고 있다. 또한 실리카는 표면구조상으로 볼 때 카본블랙 보다 친수성을 띤다. 즉, 실리카 적용 타이어의 경우, 저연비 특성과 젖은 노면 및 빙판 노면에서 견인력을 점진적으로 개선할 수 있다. 그러나 실리카를 보강 충전제로 사용하는 경우, 실리카는 절연성이 매우 커서 실리카를 포함하는 고무로 타이어를 제조하고, 이 타이어를 차량에 장착하는 경우 차량에서 발생하는 정전기가 타이어를 통해 외부로 방출하지 못한다. 이와 같은 전기적 절연체는 타이어의 마찰 등에 의해 유도된 정전기를 방전하지 못하고 축적되어 주유 중 화재 및 문 개폐시 불쾌감을 주게 된다. 특히, 건조한 겨울철에는 대기 중의 습도가 낮기 때문에 방전성능이 낮아 문제가 된다.
일반적으로 카본블랙을 적용한 트레드의 경우에는 체적 저항율이 108Ω·CM이거나 그 이하인 반면 실리카를 100% 적용한 경우 1013Ω·CM 이상의 매우 높은 전기저항성을 가지게 되어 전도성을 전혀 발휘할 수 없다.
따라서, 이러한 정전기 문제를 해결하기 위해 한국 특허 공개공보 제2012-0053192호에서는 실리카를 사용한 고무 조성물에 있어서 전기 전도성이 뛰어난 전도성 카본블랙을 일정량 이상 사용하거나, 정전기 발생을 억제하는 대전방지제를 사용하거나 실리카 트레드의 일부를 카본블랙으로 충전된 고무 조성물로 구성하거나, 정전기를 방출할 수 있도록 타이어의 구조변경을 하는 경우가 대부분이다. 그러나, 실리카의 사용량이 많아지거나, 충전제 전체를 실리카로만 사용할 경우, 상기와 같은 방법을 이용하더라도 정전기 발생 방지효과가 급격히 떨어져 많은 양을 사용해야 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전기 전도도를 향상시키면서 우수한 내마모 및 기계적 물성을 발현하는 이트리아 안정화 지르코니아 나노 분말을 포함하는 마스터 배치 및 상기 마스터 배치를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 마스터 배치는 원료고무 100중량부에 대하여 이트리아 안정화 지르코니아 분말 1~10중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 사용되는 원료고무는 타이어 트레드용 고무 조성물의 원료로서 사용할 수 있는 원료라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 상기 원료고무는 천연고무 및 합성고무 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있는데, 상기 합성고무는 디엔계 중합체 합성고무, 디엔계 공중합체 합성고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 우레탄 고무 및 에틸렌-프로필렌 고무 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 합성고무는 폴리부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무 및 폴리이소프렌 고무 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 사용되는 이트리아 안정화 지르코니아는 대표적인 고체 전해질 소결체로서, 산화지르코늄(지르코니아)에 산화이트륨(이트리아)을 첨가하여 공침법으로 합성되어 상온에서도 안정하도록 만든 세라믹 재료이다. 지르코니아에 이트리아가 첨가됨으로써 Zr4 +이온 중 일부가 Y3 +로 대체된다. 이에 따라 4개의 O2 - 이온 대신 3개의 O2 - 이온으로 대체되며, 결과적으로 산소빈자리(oxygen vacancy)가 만들어진다. 이렇게 생성된 산소빈자리 때문에 이트리아 안정화 지르코니아는 O2 -이온 전도성를 갖게 되며, 온도가 높을수록 전도도가 좋아진다.
또한, 상기 이트리아 안정화 지르코니아는 순수한 ZrO2에서 볼 수 있는 정방정과 단사정으로의 전이시의 체적변화가 없다. 상기 이트리아 안정화 지르코니아의 강도는 카본블랙과 비교가 되지 않을 정도로 우수하고, 동일한 질량에서 내열성, 화학적 안정성, 고전도성 등이 매우 우수한 물성을 나타낸다.
본 발명에 사용되는 이트리아 안정화 지르코니아는 직경이 약 0.1~1.5㎛이고, 비표면적은 10~20㎡/g인 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어나면 고무와 충전제인 실리카와의 분산이 어려워 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 마스터 배치는 원료고무 100중량부에 대하여, 이트리아 안정화 지르코니아 분말 1~10중량부를 프리 블렌딩하여 제조되는데, 이트리아 안정화 지르코니아 분말의 함량이 1중량부 미만이면 너무 소량이어서 전기 전도도 향상을 기대할 수 없고, 10중량부를 초과하여 사용하는 경우에는 과량 첨가에 따른 분산성 및 중량 증가에 의한 저연비 타이어 성능 저하를 야기할 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 상기 원료고무 및 이트리아 안정화 지르코니아를 포함하는 마스터 배치 100중량부에 대하여 실리카 30~70중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실리카의 함량이 30중량부 미만이면 연비성능저하로 바람직하지 않고, 70중량부를 초과하면 인장강도의 하락으로 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물에는 상기한 성분들 이외에, 통상적으로 타이어 트레드용 고무 조성물에 사용되는 첨가제들, 예를 들면, 아연화, 스테아린산, 노화방지제, 공정오일, 가류제 및 가류촉진제 등을 필요에 따라 적절히 혼합하여 첨가할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 타이어는 본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물로 이루어진 트레드부를 갖는다.
본 발명은 원료고무 및 이트리아 안정화 지르코니아 나노 분말을 포함하는 마스터 배치를 포함하는 타이어 고무 조성물을 제조함으로써 기계적 물성 및 전기 전도도를 향상시키는 효과가 있다.
이하 본 발명을 하기의 실시예 및 비교예에 의하여 보다 구체적으로 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 예에 지나지 않으며, 본 발명의 보호범위를 제한하는 것은 아니다.
< 실시예 1~3 및 비교예 >
< 실시예 1>
용액중합 스티렌-부타디엔 고무 100중량부에, 직경이 0.1~1.5㎛이고, 비표면적은 16㎡/g인, 공침법으로 합성된 백색분말인 이트리아 안정화 지르코니아 분말 10중량부를 프리 블렌딩하여 마스터 배치를 제조하고, 이 마스터 배치 100중량부를 기준으로, 범용 실리카 50중량부, 카본블랙 20중량부를 투입하고, 나머지 첨가제들은 하기 표 1의 조성대로 투입함으로써 고무 조성물을 제조하였다.
< 실시예 2>
마스터 배치 제조 시, YSZ을 5중량부 첨가하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건으로 고무 조성물을 제조하였다.
< 실시예 3>
마스터 배치 제조 시, YSZ을 1중량부 첨가하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건으로 고무 조성물을 제조하였다.
< 비교예 1>
마스터 배치의 제조없이, 용액중합 스티렌-부타디엔 고무 100중량부에 범용 실리카 50중량부, 카본블랙 20중량부를 투입하고, 나머지 첨가제는 실시예 1과 동일하게 투입하여 고무 조성물을 제조하였다.
< 비교예 2>
마스터 배치의 제조 시, 이트리아 안정화 지르코니아 분말 대신 일반 지르코니아를 10중량부 투입하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건으로 고무 조성물을 제조하였다.
(단위:중량부)
구 분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예2
용액중합 SBR - - - 100 -
마스터배치(YSZ함량) 100(10) 100(5) 100(1) - -
마스터배치
(지르코니아 함량)		 - - - - 100(10)
범용 실리카 50 50 50 50 50
범용 카본블랙 20 20 20 20 20
실란커플링제 4 4 4 4 4
가공오일 9 9 9 9 9
산화아연 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5
스테아린산 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
노화방지제1 ) 4 4 4 4 4
가공조제2 ) 5 5 5 5 5
유황 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5
가류촉진제3 ) 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2
주) 1) 6PPD(제조사 KKPC)
2) 40MS(제조사 STROKTOL)
3) NS(제조사 Flexsys)
상기 표 1에 따라 제조된 실시예 1 내지 3 및 비교예의 고무 조성물을 핫프레스(hot press)로 시험 규격에 맞게 가류하여 고무 시편을 제조한 후, ASTM 관련 규정에 의해 가황 시간, 최대 토크, 경도, 300% 모듈러스, 인장 강도, 신율, 피로파괴(DMFC 균열 발생법), 딘(DIN) 마모, 0℃ Tanδ, 70℃ Tanδ, 전기전도도 등을 평가하였고, 그 시험 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
정전기 방지용 고무 배합물의 전기전도도, 예컨대 체적 저항성(volume resistance)은 108Ω·cm 이하가 바람직하고, TERAOHM 사의 MI2077 시험기를 이용하였으며, 측정방법은 샘플 처리과정 없이 적절한 압력 하에서 전기저항을 측정하였다.
구 분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예1 비교예2
레오미터 최대토크 44.3 47.1 53.4 40.3 41.5
T90 11.5 11.4 11.3 11.7 11.9
기계적
물성		 경도(Shore A)1 ) 68 70 73 67 69
300% 모듈러스2 )
(kgf/c㎡)		 172 181 194 166 170
인장강도
(kgf/c㎡)3 ) 		210 190 182 260 205
신율(%)4 ) 345 339 320 400 370
피로파괴 발생 사이클 8,000 8,000 6,000 8,000 6,000
마모 Din(g) 0.105 0.092 0.076 0.121 0.125
동적
점탄성
 Tanδ @ 0℃ 1.104 0.960 0.895 1.122 0.998
Tanδ @ 70℃ 0.107 0.115 0.124 0.096 0.110
체적
저항율		 Ω·cm 2.3×108 5.6×106 3.4×104 1.0×1012 1.0×1010
상기 표 2에서 경도는 수치가 높을수록 딱딱함을 의미하고, 300％ 모듈러스, 인장강도, 신율 및 피로파괴 특성에 대한 수치는 높을수록 각각의 특성이 우수함을 의미하며, 또한, 마모 및 체적저항율은 수치가 낮을수록 우수함을 의미한다.
또한, Tanδ @ 0℃ 수치는 높을수록 젖은 노면에서의 제동력이 우수함을 의미하고, Tanδ @ 70℃ 수치는 낮을수록 낮은 회전저항을 나타내어 회전저항 특성이 우수함을 나타낸다.
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 고체 전해질 소결체인 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 적용한 실시예 1 내지 3은, 비교예 1 및 2의 고무와 비교할 경우, 동등한 수준 이상의 기계적 물성, 피로파괴 특성, 젖은 노면에서의 제동력 및 회전저항 특성을 유지하면서, 체적저항율이 108Ωcm 이하로서, 전기전도성이 향상되어서 우수한 방전성능을 발휘하였으며, 특히 내마모성이 크게 향상되었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시양태로서 전기전도도 및 내마모성을 향상시킨 실리카 타이어 트레드용 고무 조성물에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시양태에 국한되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 변경 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변형 또는 변경은 특허청구범위의 기술적 범위 내에 포함될 것이다.

Claims (4)

  1. 원료고무 100중량부에 대하여 이트리아 안정화 지르코니아 분말 1~10중량부를 포함하는 마스터 배치 100중량부에 대하여 실리카 30~70중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이트리아 안정화 지르코니아는 직경이 0.1~1.5㎛이고, 비표면적은 10~20㎡/g인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 기재된 타이어 트레드용 고무 조성물로 이루어지는 트레드부를 갖는 타이어.
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