KR101701848B1 - 분산성이 우수한 타이어용 고무 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 보강재로 사용되는 실리카와의 혼화성과 원료 고무와의 혼화성이 동시에 충족되어 분산성이 개선되고, 아울러 보강 성능까지 개선되는 타이어용 고무 조성물에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 상기 타이어용 고무 조성물의 필러(filler) 분산성 및 보강성 향상을 통하여, 궁극적으로는 완제품 타이어의 마모 성능이 개선되는 효과를 지닌다.

Description

분산성이 우수한 타이어용 고무 조성물{Rubber composition for tire with an excellent dispersive property}
본 발명은 분산성이 우수한 타이어용 고무 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보강재로 사용되는 실리카와의 혼화성과 원료 고무와의 혼화성이 동시에 충족되어 분산성이 개선되고, 아울러 보강 성능까지 개선되는 타이어용 고무 조성물에 관한 것이다.
차량의 이동은 타이어의 품질에 전적으로 달려 있어 보다 좋은 조건에서 차량을 운전하기 위하여, 차량의 지지 및 이동 수단인 타이어에 있어서도 고성능(High Performance) 타이어의 개발이 요구되고 있다.
또한, 전 세계적인 고유가 및 환경 규제에 따라 타이어의 회전저항의 감소를 통한 저연비 타이어의 개발과 타이어 고무 조성물에 대한 기술들이 지속적으로 개발되고 있다.
이에 최근 타이어 제조업체들은 고무에 있어서 보강성 이외에 회전저항 특성 향상을 위하여, 보강재로서 실리카(silica)를 적용하는 고무 조성물이 증가하고 있다.
그러나, 일반적으로 타이어의 각 성능들은 한 가지 성능을 향상시키면 다른 한 가지 성능은 저하되는 현상을 보이기 때문에 (한국공개특허 제10-2011-0072268호), 한 가지 성능을 향상시키면서 다른 한 가지 성능 저하를 최소화시키거나 나아가 동시에 성능을 향상시킬 필요가 있다.
그런데, 타이어용 고무 조성물의 보강성 향상을 위한 첨가제로서 실리카를 적용하는 경우, 실리카의 높은 극성도 및 친수성기에 의하여 비극성인 고무와의 혼화성이 떨어지고, 실리카 상호간의 응집력이 강하여 실리카의 분산성이 감소하는 문제가 발생하고 있다.
이러한 문제 때문에, 실리카가 원료 고무에 고르게 분산되도록 실란 커플링제 및 분산제를 사용하고 있는데, 상기 분산제로서 알콕시 변성 실리콘 오일을 사용한 타이어용 고무 조성물(공개특허공보 제10-1999-0067093호), 디페닐 디설퍼 변성 실리콘 오일을 사용한 타이어용 고무 조성물(공개특허공보 제10-2012-0095740호) 등이 개시되어 있으나, 상기 종래기술들은 보강성 및 분산성이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 상기와 같은 보강성 및 분산성이 저하되는 문제점을 해결하기 위한 분산제의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 보강재로 사용되는 실리카와의 혼화성과 원료 고무와의 혼화성이 동시에 충족되어 분산성이 개선되고, 아울러 보강 성능까지 개선되는, 분산성이 우수한 타이어 고무 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 고무 조성물을 포함하는 타이어를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 원료 고무, 실리카, 실란 커플링제 및 분산제를 포함하는 타이어 고무 조성물로서, 상기 분산제가 하기 화학식 1로 표기되는 실리콘 분산제인, 분산성이 우수한 타이어용 고무 조성물을 제공한다.
<화학식 1>
Figure 112015108431412-pat00001
(상기 화학식 1에서, n은 3,000~10,000의 정수이고, m은 1~50의 정수이다.)
또한, 본 발명은 상기 고무 조성물을 포함하는 타이어를 제공한다.
본 발명에 의한 분산성이 우수한 타이어 고무 조성물은, 보강재로 사용되는 실리카와의 혼화성과 원료 고무와의 혼화성이 동시에 충족되어 분산성이 개선되고, 아울러 보강 성능까지 개선되는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 상기 타이어용 고무 조성물의 필러(filler) 분산성 및 보강성 향상을 통하여, 궁극적으로는 완제품 타이어의 마모 성능이 개선되는 효과를 지닌다.
본 발명은 원료 고무, 실리카, 실란 커플링제 및 분산제를 포함하는 타이어 고무 조성물로서, 상기 분산제가 하기 화학식 1로 표기되는 실리콘 분산제인, 분산성이 우수한 타이어용 고무 조성물에 관한 것이다.
<화학식 1>
Figure 112015108431412-pat00002
(상기 화학식 1에서, n은 3,000~10,000, 바람직하게는 4,000~5,000의 정수이고, m은 1~50, 바람직하게는 5~15의 정수이다.)
본 발명의 상기 타이어용 고무 조성물의 상기 화학식 1에서, n,m의 수치가 너무 작으면 축합 반응이 잘 진행되지 않고, 반대로 그 수치가 너무 크면 분자량이 너무 상승하여 분산 효과가 떨어질 우려가 있다.
본 발명의 상기 타이어용 고무 조성물에서, 상기 분산제는 원료 고무 100 중량부에 대하여, 2 내지 4 중량부, 바람직하게는 2.5 내지 3.5 중량부가 포함될 수 있다.
본 발명의 상기 타이어용 고무 조성물에서, 원료 고무 100 중량부에 대하여, 분산제가 2 중량부 미만 포함될 경우, 분산성의 개선 효과가 발현되지 아니할 수 있고, 4 중량부를 초과하여 포함될 경우, 분산성의 효과 증가가 없이 오히려 원가 부담이 가중될 수 있다.
본 발명의 상기 타이어용 고무 조성물에서, 상기 원료 고무는 천연 고무 및 합성 고무로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 상기 타이어용 고무 조성물에서, 상기 합성 고무의 종류로는, 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들면, 스티렌부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 부틸고무, 에피클로로히드린 고무, 니트릴 고무, 수소화된 니트릴 고무, 브롬화 폴리이소부틸이소프렌-co-파라메틸스티렌(brominated polyisobutyl isoprene-co-paramethyl styrene; BIMS) 고무, 우레탄 고무, 불소 고무, 실리콘 고무, 스티렌에틸렌부타디엔스티렌 공중합체 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 에틸렌프로필렌디엔 모노머 고무, 하이팔론 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌비닐아세테이트 고무 및 아크릴 고무 등을 들 수 있다.
본 발명의 상기 타이어용 고무 조성물에서, 상기 실리카는 비표면적(BET)이 100 내지 200㎡/g, 바람직하게는 110 내지 150㎡/g, 보다 바람직하게는 110 내지 120, 가장 바람직하게는 115㎡/g일 수 있다.
본 발명의 상기 타이어용 고무 조성물에서, 상기 실리카는 타이어 고무 조성물에 보강재로 사용하는 것으로서, 그 비표면적이 100 내지 200㎡/g일 수 있는데, 100㎡/g 미만인 경우에는 비표면적이 작아 원료 고무에 분산이 어려울 수 있고, 배합 시간이 길어 공정 효율이 열악해질 수 있으며, 마모성능이 떨어질 수 있고, 반대로 200㎡/g을 초과하는 경우에는 비표면적이 커져서 배합 고무의 점도가 증가하여 배합 공정성에 문제를 일으킬 수 있다.
본 발명의 상기 타이어용 고무 조성물에서, 상기 실란 커플링제는 특별히 제한은 없는데, 예를 들면, 비스-(3-트리에톡시실릴프로필)-테트라설판(Bis-(3-triethoxysilylpropyl)-tetrasulfane; TESPT), (비스-3(-에톡시실릴프로필)디설판(Bis-(3-ethoxysilylpropyl)disulfane; ESPD), N-[2(비닐벤질아미노)-3-아미노프로필트리메톡시실란(N-[2(vinylbenzylamino)-aminopropyltrimethoxysilane) 등으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 상기 타이어용 고무 조성물에서, 상기 타이어는 공기입 타이어를일컬을 수 있으며 구체적으로는 승용차용, SUV용, 버스용, 트럭용 등을 들 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 상기 타이어용 고무 조성물에는 통상적인 고무 조성물용 첨가제, 예컨대 노화방지제, 산화아연, 스테아린산, 가황제, 가황 촉진제, 활성제 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 상기 타이어용 고무 조성물에서, 상기 가황제로서는, 유기 과산화물 또는 유황계 가황제를 사용하는 것이 가능하고, 유기 과산화물로서는, 예컨대, 벤조일 퍼옥사이드, 디쿠밀 퍼옥사이드, 디-t-부틸 퍼옥사이드, t-부틸쿠밀 퍼옥사이드, 메틸 에틸 케톤 퍼옥사이드, 쿠멘 하이드로퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(벤조일퍼옥시)헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥신-3 또는 1,3-비스(t-부틸퍼옥시프로필)벤젠, 디-t-부틸퍼옥시-디이소프로필벤젠, t-부틸퍼옥시벤젠, 2,4-디클로로벤조일 퍼옥사이드, 1,1-디-t-부틸퍼옥시-3,3,5-트리메틸실록산, n-부틸-4,4-디-t-부틸퍼옥시발레레이트 등을 사용할 수 있다.
이들 중에서, 디쿠밀 퍼옥사이드, t-부틸퍼옥시벤젠 및 디-t-부틸퍼옥시-디이소프로필벤젠이 바람직하다. 또한, 유황계 가황제로서는, 예컨대, 유황, 모르폴린디설파이드 등을 사용할 수 있다. 이들 중에서는 유황이 바람직하다. 이들 가황제는, 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 조합하여 이용해도 좋다.
본 발명의 상기 타이어용 고무 조성물에서, 상기 가황 촉진제로서는, 설펜아미드계, 티아졸계, 티우람계, 티오우레아계, 구아니딘계, 디티오카르바민산계, 알데히드-아민계 또는 알데히드-암모니아계, 이미다졸린계, 또는, 크산테이트계 가황 촉진제 중 적어도 하나를 함유하는 것을 사용하는 것이 가능하다.
상기 설펜아미드계로서는, 예컨대 CBS(N-시클로헥실-2-벤조티아질설펜아미드),TBBS(N-tert-부틸-2-벤조티아질설펜아미드), N,N-디시클로헥실-2-벤조티아질설펜아미드, N-옥시디에틸렌-2-벤조티아질설펜아미드, N,N-디이소프로필-2-벤조티아졸설펜아미드 등의 설펜아미드계 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 티아졸계로서는, 예컨대 MBT(2-메르캅토벤조티아졸), MBTS(디벤조티아질 디설파이드), 2-메르캅토벤조티아졸의 나트륨염, 아연염, 구리염, 시클로헥실아민염, 2-(2,4-디니트로페닐)메르캅토벤조티아졸, 2-(2,6-디에틸-4-모르폴리노티오)벤조티아졸 등의 티아졸계 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 티우람계로서는, 예컨대 TMTD(테트라메틸티우람 디설파이드), 테트라에틸티우람 디설파이드, 테트라메틸티우람 모노설파이드, 디펜타메틸렌티우람 디설파이드, 디펜타메틸렌티우람 모노설파이드, 디펜타메틸렌티우람 테트라설파이드, 디펜타메틸렌티우람 헥사설파이드, 테트라부틸티우람 디설파이드, 펜타메틸렌티우람 테트라설파이드 등의 티우람계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 티오우레아계로서는, 예컨대 티아카르바미드, 디에틸티오요소, 디부틸티오요소, 트리메틸티오요소, 디오르토톨릴티오요소 등의 티오요소 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 구아니딘계로서는, 예컨대 디페닐구아니딘, 디오르토톨릴구아니딘, 트리페닐구아니딘, 오르토톨릴비구아니드, 디페닐구아니딘프탈레이트 등의 구아니딘계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 디티오카르바민산계로서는, 예컨대 에틸페닐디티오카르바민산아연, 부틸페닐디티오카르바민산아연, 디메틸디티오카르바민산나트륨, 디메틸디티오카르바민산아연, 디에틸디티오카르바민산아연, 디부틸디티오카르바민산아연, 디아밀디티오카르바민산아연, 디프로필디티오카르바민산아연, 펜타메틸렌디티오카르바민산아연과 피페리딘의 착염, 헥사데실(또는 옥타데실)이소프로필디티오카르바민산아연, 디벤질디티오카르바민산아연, 디에틸디티오카르바민산나트륨, 펜타메틸렌디티오카르바민산피페리딘, 디메틸디티오카르바민산셀레늄, 디에틸디티오카르바민산텔루륨, 디아밀디티오카르바민산카드뮴 등의 디티오카르바민산계 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 알데히드-아민계 또는 알데히드-암모니아계로서는, 예컨대 아세트알데히드-아닐린 반응물, 부틸알데히드-아닐린 축합물, 헥사메틸렌테트라민, 아세트알데히드-암모니아 반응물 등의 알데히드-아민계 또는 알데히드-암모니아계 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 이미다졸린계로서는, 예컨대 2-메르캅토이미다졸린 등의 이미다졸린계 화합물 등을 사용할 수 있고, 상기 크산테이트계로서는, 예컨대 디부틸크산토겐산아연 등의 크산테이트계 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 가황 촉진 조제로서는, 예컨대 산화아연, 스테아르산 등을 사용할 수 있다.
이들 가황 촉진제는, 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 조합하여 이용해도 좋다.
본 발명의 상기 타이어용 고무 조성물의 제조방법은 통상의 방법에 따라, 상기 원료고무와 실리카, 실란 커플링제 등과 같은 첨가제를 밴버리 믹서에서 145~165℃의 온도로 혼합한 다음, 145℃~160℃에서 25분~40분 동안 가류시키는 단계를 포함하여 제조할 수 있으므로, 상기 제조방법의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명은 상기 고무 조성물을 포함하는 타이어에 관한 것이다. 상술한 타이어용 고무 조성물을 이용하여 타이어를 제조하는데, 상기 고무 조성물을 이용하는 범위에서 통상적인 타이어의 제조방법인 한, 특별히 제한되는 것은 아니므로, 통상의 방법으로 본 발명의 타이어를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예 및 비교예에 의하여 보다 구체적으로 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 실시하기 위한 예에 지나지 않으며, 본 발명의 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
<실시예 1-3 및 비교예 1-5>
하기 표 1에 나타낸 조성에 따라 각 성분을 배합하여, 타이어 고무 조성물을 제조하고, 이를 이용하여 시편을 준비한 후, ASTM 규격에 따라 물성 및 전기전도도 평가를 실시하여 그 평가 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
하기 표 1에서, 분산제 1은 상기 화학식 1의 실리콘 분산제로서, n이 4,500이고, m이 10인 실리콘 분산제를, 분산제 2는 하기 화학식 2로 표시되는 알콕시 변성 실리콘 오일을, 또한 분산제 3은 하기 화학식 3으로 표시되는 디페닐 디설퍼 변성 실리콘 오일을 사용하였다.
<화학식 2>
Figure 112015108431412-pat00003
(상기 화학식 2에서, 상기 X1은 메톡시기, R은 메틸기, p는 4,500이고, q는 10이다.)
<화학식 3>
Figure 112015108431412-pat00004
(상기 화학식 3에서, 상기 R1 및 R2는 독립적으로 메틸기이고, 상기 m은 70이며, 상기 n은 3이다.)
또한, 하기 표 2에서, 300%-모듈러스의 단위는 kg/cm2이고, 분산도의 단위는 %이며, Payne G'의 단위는 Mpa이다.
구분 비교예 실시예
비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5 실시예 1 실시예 2 실시예 3
SBR-1712 100 100 100 100 100 100 100 100
실리카 70 70 70 70 70 70 70 70
Si-69 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5
HT-207 - 3 - - - - - -
EF-44 - - 3 - - - - -
분산제 1 - - - - - 2 3 4
분산제 2 - - - 3 - - - -
분산제 3 - - - - 3 - - -
산화아연 3 3 3 3 3 3 3 3
스테아린산 2 2 2 2 2 2 2 2
유황 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
CZ 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
DPG 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2
* SBR-1712 : 스티렌부타디엔 고무(Emulsion SBR, Oil Extended)
* Silica : Z-115(Rhodia 社), 보강재(실리카), SiO2 nH2O(BET 115㎡/g)
* Si-69 : 커플링제(Coupling Agent, Bis-(3-(triethoxylsilyl)-propyl-tetrasulphide)
* HT-207 : 금속비누(Blend of matal soaps and fatty acid ester)
* EF-44 : 지방산유도체(Blend of fatty acid derivatives)
* CZ : 가황제(N-Cyclohexyl-Benzothiazol Sulfenamide)
* DPG : 가황제(1,3-Diphenyl guanidine)
구분
 비교예 실시예
비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5 실시예 1 실시예 2 실시예 3
경도 63 65 66 65 64 66 68 69
300%-
모듈러스		 123 127 125 125 125 126 130 133
분산도 61.3 86.6 87.0 62.5 62.0 87.6 92.7 92.9
Payne G' 6.9 5.9 5.5 5.6 5.7 4.9 4.3 4.3
상기 표 2를 참조하면, 비교예 1 내지 3의 경우에는 분산제를 사용하지 않은 경우로서, 금속비누 또는 지방산 유도체를 사용한 경우가 상기 금속비누 또는 지방산 유도체를 사용하지 않은 경우에 비하여, 분산도가 증가됨을 볼 수 있으나, 본 발명에 따르는 실시예의 경우는 동일한 양인 3 중량부를 사용하는 경우에 비교예 2 및 비교예 3보다 분산도가 현저히 증가됨을 알 수 있다.
또한, 경도와 300%-모듈러스는 그 수치가 클수록 고무 조성물의 물성이 우수함을 보여주는 지표인데, 실시예의 경우가 우수함을 알 수 있다.
아울러, 분산도의 다른 측정 방법인 Payne G' 값을 보면, 비교예 1-5의 경우 보다 실시예 1-3의 값이 더 낮아, 분산 효율이 우수함을 재확인할 수 있다.
상기의 결과 값은 궁극적으로 타이어의 마모 성능 향상을 초래할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 원료 고무, 실리카, 실란 커플링제 및 분산제를 포함하는 타이어 고무 조성물로서,
    상기 분산제가 하기 화학식 1로 표기되는 실리콘 분산제이고,
    상기 원료 고무가 천연고무, 스티렌부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 부틸고무, 에피클로로히드린 고무, 니트릴 고무, 수소화된 니트릴 고무, 브롬화 폴리이소부틸이소프렌-co-파라메틸스티렌 고무, 우레탄 고무, 불소 고무, 스티렌에틸렌부타디엔스티렌 공중합체 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 에틸렌프로필렌디엔 모노머 고무, 하이팔론 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌비닐아세테이트 고무 및 아크릴 고무로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인, 분산성이 우수한 타이어용 고무 조성물:
    <화학식 1>
    Figure 112016071372034-pat00005

    (상기 화학식 1에서, n은 3,000~10,000의 정수이고, m은 1~50의 정수이다.)
  2. 제1항에 있어서, 상기 분산제는 원료 고무 100 중량부에 대하여, 2 내지 4 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 타이어용 고무 조성물.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 실리카는 비표면적(BET)이 100 내지 200㎡/g인 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 타이어용 고무 조성물.
  5. 제1항 내지 제2항 및 제4항 중 어느 한 항의 고무 조성물을 포함하는 타이어.
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