KR101752790B1 - 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 명세서에는 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이의 제조방법이 개시된다. 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 용액 중합 SBR을 포함하는 타이어 트레드용 습식 마스터 배치를 포함함으로써 카본블랙 및 실리카를 포함하는 충진재의 배합량을 극대화하면서도 충진재와 고무와의 상용성이 저하되지 않는 동시에 충진재의 분산성이 향상되는 효과가 있다. 또한, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 레이싱 타이어에 필요한 우수한 제동력 및 회전 저항과 고내열성, 고내마모성을 갖는 효과가 있다.

Description

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이의 제조방법{RUBBER COMPOSITION FOR TIRE TREAD AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 명세서에는 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이의 제조방법이 개시된다.
자동차 경주에서 머신은 한 경기를 몇일 동안 보통 300km를 달리는데, 달리는 동안 타이어는 최고 속도 330km/hr 이상(F1은 360km/hr 이상)의 직선 주행 및 시속 200km/hr가 넘는 속도로 코너링 및 급제동, 급가속을 반복해야 하는 극한의 상황에 놓이게 된다. 따라서 타이어는 매우 가볍고 랩 타임을 지속할 수 있는 내구성, 노면 접지력 및 내마모성능이 뛰어나야 한다.
일반적으로 레이싱 타이어는 초고성능(UHP) 타이어와 비슷한 구조로 이루어져 있다. 하지만 중요한 것은 저 중량이면서 차중, 드라이버의 체중과 한계 속도에서 가혹한 사용 조건을 견딜 수 있어야 하기 때문에 타이어 뼈대를 이루는 구조 설계, 재료의 개발과 선택은 매우 중요하다. 일반 타이어와는 달리 대상 경주에 필요한 특정 성능만을 극대화하여 설계 제조되며, 특수한 구조와 재료를 필요로 한다. 즉, 일반 UHP용 타이어보다 각 부위별 재질의 강도와 탄성이 훨씬 높고, 사용할 재료의 양도 최소화시켜야 하는 컴팩트 기술이 필요하다.
타이어는 천연고무, 합성고무, 코드지, 케미칼 등 150여 종의 원재료로 구성되어 있다. 특히 노면에 직접 맞닿는 타이어 트레드는 타이어에서 큰 비중을 차지한다. 레이싱용 타이어에서는 일반 승용차용 타이어 트레드보다 훨씬 부드러우면서 강한 컴파운드를 사용한다. 레이싱용 타이어 트레드의 컴파운드는 일반 승용차용 타이어와 달리 손톱으로 눌러도 그 흔적이 오랫동안 유지될 수 있도록 아주 부드럽다. 타이어 사용목적(경기 종류, 노면, 기후 등)에 따라 딱딱한 타입에서부터 아주 부드러운 타입까지 사용하기도 한다. 레이싱용 타이어 트레드의 컴파운드는 마른 노면과 젖은 노면에 따라 다르고, 노면의 거칠기와 온도에 따라 물성을 다르게 하여 적용하여야 한다.
종래의 레이싱 타이어 트레드 고무의 내마모 성능 개선을 통한 내구력 증가와 낮은 온도에서의 제동력 및 접지력을 유지시키기 위한 방법으로 원료 고무의 조성비를 조절하여 고무의 유리 전이 온도를 높이는 방법, 노화 후의 모듈러스 및 인장강도를 유지시키기 위한 방편으로 카본블랙의 첨가량을 증가시키는 방법, 입자가 작고 구조가 발달한 카본블랙을 사용하는 방법 및 공정 조제와 공정 오일의 함량을 증가시키는 방법 등이 주로 사용되어 왔다.
충진재를 고무와 혼합하기 위해서 건식 혼합 및 습식 마스터 배치 등 많은 기술이 개발되어 왔다. 건식 혼합 방법은 반바리 믹서를 사용하여 고형 고무를 용융시킨 다음, 카본블랙이나 실리카를 가황촉진제 및 기타 고무 첨가제들을 투입하여 강제 혼합하는 방법이지만 충진재의 분산도가 불균일하고 충진재의 사용량에도 제한이 있다. 습식 혼합 방법은 카본블랙 또는 실리카를 유화 중합 고무 라텍스 상에 수분산시킨 다음 응고 및 건조시키는 방법으로서 건식 혼합 방법에 비해 충진재의 분산도가 균일하고 충진재의 사용량도 많아졌다. 하지만 카본블랙 또는 실리카를 단독으로 사용하거나, 또는 카본블랙과 실리카를 함께 적용시키더라도 고무와 배합시키는 충진재의 양에는 한계가 있었다.
또한, 기존 습식 마스터 배치에 사용된 유화 중합으로 제조된 SBR은 고분자 연쇄에 가지가 많아 충진재 표면의 미세 구멍에 잘 스며들지 못하고 SBR 자체의 유화 중합 제조 공정이나 유화 중합 SBR을 적용한 습식 마스터 배치 제조 중에 잔류되어 있는 유화제 등이 히스테리시스를 높이는 문제점을 갖고 있다.
타이어 제조 시 사용되는 화학 제품은 수 가지에서 수십 가지로 다양하다. 이러한 케미컬 등은 타이어 제조 시 정련 공정에서 반바리 믹서에 천연고무와 합성고무, 충진재, 오일 등과 함께 혼합된다. 하지만 고무 대비 충진재의 배합량이 많아진다면 고무와 충진재 및 화학 제품간의 상용성이 저하되고 충진재뿐만 아니라 이러한 케미컬들의 분산성도 떨어지고 혼합 시간도 지연될 수 밖에 없다.
한국 공개특허 제10-2012-0010468호
일 측면에서, 본 명세서는 카본블랙 및 실리카를 포함하는 충진재의 배합량을 극대화하면서도 충진재와 고무와의 상용성이 저하되지 않는 동시에 충진재의 분산성이 우수한 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물 및 이를 포함하는 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다른 측면에서, 본 명세서는 레이싱 타이어에 필요한 우수한 제동력 및 회전 저항과 고내열성, 고내마모성을 갖는 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물 및 이를 포함하는 고무 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 측면에서, 본 명세서는 상기 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 용액 중합 스티렌 부타디엔 합성고무(SBR, Styrene Butadien Rubber) 라텍스, 카본블랙, 실리카, 오일, 황 변성 테르펜 페놀릭 수지 및 실란 커플링제를 포함하는 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물을 제공한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 카본블랙 및 실리카는 용액 중합 SBR 라텍스 전체 중량을 100 중량부로 할 때 1 내지 40 중량부로 포함될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 카본블랙 및 실리카는 5 내지 10 : 1의 중량비로 포함될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 용액 중합 SBR은 SBR 전체 중량을 기준으로 스티렌(Styrene) 함량이 10 내지 30 중량%이며 비닐(Vinyl) 함량이 25 내지 65 중량%인 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 카본블랙은 요오드 흡착량(Iodine Adsorptitotn Number)이 100 내지 350 m2/g인 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 카본블랙은 흡유량(Oil Adsorptitotn Number)이 50 내지 250 cc/100g인 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 실리카는 질소 흡착법에 의한 BET 비표면적이 70 내지 250 m2/g인 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 황 변성 페놀릭 수지는 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112015067623172-pat00001
(상기 식에서, n은 1 내지 2의 정수, m은 1 내지 10의 정수이다.)
다른 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 상기 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물과 합성고무를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물과 합성고무는 300 내지 350 : 15 내지 25의 중량비로 혼합될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 카본블랙은 고무 전체 중량을 100 중량부로 할 때 100 내지 200 중량부로 혼합될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 실리카는 고무 전체 중량을 100 중량부로 할 때 10 내지 100 중량부로 혼합될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 오일은 고무 전체 중량을 100 중량부로 할 때 100 내지 180 중량부로 포함될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 황 변성 테르펜 페놀릭 수지는 고무 전체 중량을 100 중량부로 할 때 1 내지 5 중량부로 포함될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 실란 커플링제는 고무 전체 중량을 100 중량부로 할 때 1 내지 20 중량부로 포함될 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 상기 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물의 제조방법으로서, 상기 제조방법은 (1) 용액 중합 스티렌 부타디엔 합성고무(SBR, Styrene Butadien Rubber) 라텍스 상에 카본블랙 및 실리카를 분산시켜 분산액을 제조하는 단계; (2) 상기 분산액에 오일, 황 변성 테르펜 페놀릭 수지 및 실란 커플링제를 첨가하여 혼합액을 제조하는 단계; 및 (3) 상기 혼합액을 응고 및 건조시키는 단계를 포함하는 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물의 제조방법을 제공한다.
일 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 카본블랙 및 실리카를 포함하는 충진재의 배합량을 극대화하면서도 충진재와 고무와의 상용성이 저하되지 않는 동시에 충진재의 분산성이 우수한 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물 및 이를 포함하는 조성물을 제공하는 효과가 있다.
다른 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 레이싱 타이어에 필요한 우수한 제동력 및 회전 저항과 고내열성, 고내마모성을 갖는 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물 및 이를 포함하는 고무 조성물을 제공하는 효과가 있다.
또 다른 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 상기 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
일 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 용액 중합 스티렌 부타디엔 합성고무(SBR, Styrene Butadien Rubber) 라텍스, 카본블랙, 실리카, 오일, 황 변성 테르펜 페놀릭 수지 및 실란 커플링제를 포함하는 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물을 제공한다.
본 명세서에서 "용액 중합 SBR"은 용액 중합으로 제조된 스티렌 부타디엔 합성고무를 의미하는 것으로서, 용액 중합이란 단위체를 적당한 용제에 용해시켜 용액상태에서 중합하는 것을 말한다.
본 명세서에서 "마스터 배치"는 고무에 배합 성분 일부를 사전에 일정 비율로 혼합하여 분산성을 높인 것을 의미한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 카본블랙 및 실리카는 용액 중합 SBR 라텍스 전체 중량을 100 중량부로 할 때 1 내지 40 중량부, 또는 5 내지 40 중량부, 5 내지 30 중량부, 또는 10 내지 40 중량부, 또는 10 내지 30 중량부, 또는 10 내지 20 중량부로 포함될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 카본블랙 및 실리카는 5 내지 10 : 1의 중량비로 포함될 수 있다. 다른 측면에서, 상기 카본블랙 및 실리카는 6 내지 9 : 1의 중량비로 포함될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 용액 중합 SBR 라텍스는 오일이 첨가된 용액 중합 SBR과 오일이 첨가되지 않은 용액 중합 SBR을 사용할 수 있고, 바람직하게는 오일이 첨가되지 않은 용액 중합 SBR일 수 있으나 이에 한정된 것은 아니다.
용액 중합 SBR은 고분자의 미세 구조를 자유롭게 조절할 수 있으며 고분자의 말단을 다양한 기능기를 도입할 수 있다. 특히 말단에 기능기를 도입함으로써 타이어 제조에 사용되는 실리카 및 카본블랙 표면의 기능기와 상호 작용하여 실리카 및 카본블랙과의 친화성을 증대시켜 타이어 물성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 이에 따라, 용액 중합 SBR을 이용함으로써 유화 중합으로 제조된 SBR에 비해 고성능의 타이어 트레드를 제공하는 효과가 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 용액 중합 SBR은 SBR 전체 중량을 기준으로 스티렌(Styrene) 함량이 10 내지 30 중량%이며 비닐(Vinyl) 함량이 25 내지 65 중량%인 것일 수 있다. 다른 측면에서, 스티렌 함량이 20 내지 30 중량%이고 비닐 함량이 50 내지 65 중량%일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 카본블랙은 서멀블랙(Thermal black), 퍼네스블랙(Furnace black), 채널블랙(Channel black), 가스블랙(gas black) 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 퍼네스블랙(Furnace black)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 카본블랙은 요오드 흡착량(Iodine Adsorptitotn Number)이 100 내지 350 m2/g, 또는 200 내지 300 m2/g, 또는 250 내지 290m2/g인 것일 수 있다. 고무와 배합되는 충진재의 양을 고무 100 중량%에 대하여 200 중량%까지 극대화하기 위해서는 입자경이 초미립자경인 카본블랙이 상기 범위의 요오드 흡착량을 가지는 것이 바람직하다. 카본블랙의 요오드 흡착량이 100 m2/g 이상임에 따라 카본블랙에 의한 고무 조성물의 보강 성능을 강화시킬 수 있고, 350 m2/g 이하임에 따라 고무 조성물의 가공성이 불리해지는 것을 방지할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 카본블랙은 흡유량(Oil Adsorptitotn Number)이 50 내지 250 cc/100g, 또는 70 내지 200 cc/100g, 또는 100 내지 150 cc/100g인 것일 수 있다. 카본블랙의 흡유량이 50 cc/100g 이상임에 따라 카본블랙에 의한 고무 조성물의 보강 성능을 강화시킬 수 있고, 250 cc/100g 이하임에 따라 고무 조성물의 가공성이 불리해지는 것을 방지할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 실리카는 침강실리카, 건식실리카, 졸겔법 실리카 또는 실란 커플링제를 미리 실리카 표면에 전처리하여 유기화시킨 실리카 등을 사용할 수 있고, 바람직하게 침강실리카일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 실리카는 질소 흡착법에 의한 BET 비표면적이 70 내지 250 m2/g, 또는 90 내지 200m2/g, 또는 110 내지 150 m2/g인 것일 수 있다. 실리카의 BET 비표면적이 70 m2/g 이상임에 따라 실리카에 의한 고무 조성물의 보강 성능을 강화시킬 수 있고, 250 m2/g 이하임에 따라 고무 조성물의 가공성이 불리해지는 것을 예방할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 오일은 석유계 오일일 수 있으며, 석유계 오일은 타이어용 고무 조성물에 통상적으로 사용되는 가공유이면 특별히 한정되지 않으나, 방향족계 오일, 나프탄계 오일 및 파라핀계 오일로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 사용할 수 있다. 바람직하게는 고무와의 상용성이 좋고 카본블랙의 분산성이 좋은 방향족계 오일일 수 있고, PCA(Polycyclic aromatic) 함량이 낮은 TDAE 오일 또는 RAE 오일이 더욱 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 황 변성 테르펜 페놀릭 수지는 높은 연화점을 갖는 동시에 분자량이 낮은 테르펜 페놀릭 수지 베이스에 황을 일부 변성한 수지로서, 연화점이 약 120 ℃이다. 핫 멜트용 접착제로 개발된 페놀 변성 테르펜 수지는 분자구조상 고무와의 상용성이 우수해 타이어의 노면 접지력을 10~20% 정도 향상시킬 수 있어, 본 명세서에서 상기 황 변성 테르펜 페놀릭 수지는 높은 접지력 향상 효과에 도움을 줄 수 있다. 또한, 상기 황 변성 테르펜 페놀릭 수지는 고그립용의 특성을 가진다. 따라서 본 명세서에서 고그립용 수지라고도 한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 황 변성 페놀릭 수지는 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112015067623172-pat00002
(상기 식에서, n은 1 내지 2의 정수, m은 1 내지 10의 정수이다.)
예시적인 일 구현예에서, 상기 실란 커플링제는 고무와 실리카의 연결제로 사용되는 것으로, 폴리설파이드 구조의 TESPT((3-triethoxysiliylpropyl)tetrasulfide) 또는 디설파이드 구조의 TESPD((triethoxysilylpropyl)disulfide) 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다른 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 상기 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물과 합성고무를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 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 벤질클로라이드 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 및 브로미네이티드 폴리이소부틸 이소프렌-코-파라메틸 스티렌(brominated polyisobutyl isoprene-coparamethyl styrene, BIMS) 고무로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 선택적으로 추가적인 가류제, 가류촉진제, 가류촉진조제, 노화방지제 등의 각종의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 각종의 첨가제는 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 이들의 함량은 통상적인 타이어 트레드용 고무 조성물에서 사용되는 배합비에 따르는 바, 특별히 한정되지 않는다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 가류촉진조제로서 산화아연과 스테아린산을 함께 사용할 수 있으며, 이 경우 산화아연이 스테아린산에 녹아 상기 가류촉진제와 유효한 복합체(complex)를 형성하여, 가황 반응 중 유리한 황을 만들어냄으로써 고무의 가교 반응을 용이하게 하는 효과가 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물과 합성고무는 300 내지 350 : 15 내지 25의 중량비로 혼합될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 카본블랙은 고무 전체 중량을 100 중량부로 할 때 100 내지 200 중량부, 또는 140 내지 200 중량부로 혼합될 수 있다. 본 명세서에서 "고무 전체 중량"은 고무 조성물에 함유된 고무의 전체 중량을 의미하는 것으로서, 예컨대 용액 중합 SBR 및 합성고무를 포함하는 고무의 전체 중량을 의미한다. 상기 범위로 카본블랙을 배합하는 경우 얻어지는 고무 조성물은 고내열성과 내마모 성능이 우수하다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 실리카는 고무 전체 중량을 100 중량부로 할 때 10 내지 100 중량부, 또는 10 내지 50 중량부로 혼합될 수 있다. 상기 범위로 실리카를 배합하는 경우 얻어지는 고무 조성물은 고내열성과 내마모 성능이 우수하다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 오일은 고무 전체 중량을 100 중량부로 할 때 100 내지 180 중량부, 또는 130 내지 160 중량부로 포함될 수 있다. 오일이 100 중량부를 초과하여 포함됨에 따라 고무 조성물의 배합 가공이 용이하며, 180 중량부 미만으로 포함됨에 따라 고무 조성물의 점도 하락으로 물성 저하를 일으킬 수 있는 문제를 예방할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 황 변성 테르펜 페놀릭 수지는 고무 전체 중량을 100 중량부로 할 때 1 내지 5 중량부, 또는 3 내지 5 중량부로 포함될 수 있다. 황 변성 테르펜 페놀릭 수지가 1 중량부 이상 포함됨으로써 고내열성 성능 확보가 가능하고, 5 중량부 이하로 포함됨으로써 고무 조성물의 배합 가공 단계에서 가류가 발생될 가능성을 예방할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 실란 커플링제는 고무 전체 중량을 100 중량부로 할 때 1 내지 20 중량부, 또는 3 내지 15 중량부, 또는 5 내지 10 중량부로 포함될 수 있다. 실란 커플링제가 1 중량부를 초과하여 포함됨에 따라 실리카의 분산성 저하를 예방할 수 있으며 실리카와 고무와 상호 작용을 저하를 방지할 수 있고, 20 중량부 미만으로 포함됨에 따라 실리카와 고무의 강한 상호 작용으로 제품 성능이 저하될 수 있는 문제를 예방할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 및 타이어 트레드용 고무 조성물은 레이싱용인 것일 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 상기 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물의 제조방법으로서, 상기 제조방법은 (1) 용액 중합 스티렌 부타디엔 합성고무(SBR, Styrene Butadien Rubber) 라텍스 상에 카본블랙 및 실리카를 동시에 분산시켜 분산액을 제조하는 단계; (2) 상기 분산액에 오일, 황 변성 테르펜 페놀릭 수지 및 실란 커플링제를 첨가하여 혼합액을 제조하는 단계; 및 (3) 상기 혼합액을 응고 및 건조시키는 단계를 포함하는 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물의 제조방법을 제공한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (1)단계에서 분산액의 카본블랙 및 실리카의 농도는 용액 중합 SBR 라텍스 전체 중량을 기준으로 1 내지 40 중량%, 또는 5 내지 40 중량%, 5 내지 30 중량%, 또는 10 내지 40 중량%, 또는 10 내지 30 중량%, 또는 10 내지 20 중량%일 수 있다. 즉, 본 명세서에서 카본블랙-실리카 충진재의 농도는 종래에 비하여 매우 높다.
본 명세서에서 카본블랙-실리카 충진재는 고무 전체 중량을 기준으로 140 내지 200 중량%을 차지하여, 그 함량이 극대화될 수 있다. 카본블랙-실리카 충진재가 140 중량% 미만이면 레이싱 타이어에서 요구되는 고내열성과 고내마모성능이 충분치 않을 수 있고, 200 중량%를 초과하면 고무 조성물의 무늬 점도가 높아 배합 가공이 어려울 수 있으며 또한 카본블랙-실리카의 충진재 분산성이 저하될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 고무 조성물은 카본블랙-실리카 충진재 함량을 극대화하여 타이어 트레드 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (2)단계에서 황 변성 테르펜 페놀릭 수지는 배합을 위하여 미세 분말 형태로 분쇄하여 첨가할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (3)단계에서 혼합액은 90~100 ℃의 온도로 유지되고 일정한 속도로 교반되고 있는 온수가 담긴 응고조에 천천히 적하하여 용매를 제거함과 동시에 공응고시킬 수 있다. 본 명세서에서 "공응고"란 응고와 동일한 의미로서, 2가지 이상의 성분을 함께 응고시키는 단계 또는 공정을 의미한다.
본 명세서에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 카본블랙 및 실리카와 상용성이 우수하고 회전 저항이 낮은 용액 중합 SBR을 포함함으로써 고무와 혼합되는 충진재의 함량이 증가되고, 충진재로 카본블랙과 실리카를 함께 적용함으로써 고내열성과 내마모성을 향상시킬 수 있다. 또한, 고그립용 수지인 황 변성 테르펜 페놀릭 수지를 포함함으로써 향상된 높은 접지력을 가질 수 있어 레이싱용 타이어 트레드 고무 조성물로서 우수한 특성을 가진다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1. 용액 중합 SBR-카본블랙-실리카-오일 습식 마스터 배치의 제조
하기 표 1의 배합에 따라 마스터 배치를 제조하였다.
표 1.
Figure 112015067623172-pat00003
A. 용액 중합 SBR-카본블랙-실리카 분산액의 제조
고속 교반기가 장착된 반응기에 용액 중합 SBR 라텍스를 투입하여 교반하면서 카본블랙과 실리카를 차례대로 투입하여 카본블랙과 실리카가 잘 분산되도록 30분 동안 교반시켰다.
B. 실란 커플링제, 고그립용 수지 및 오일의 첨가
상기 용액 중합 SBR 라텍스-카본블랙-실리카 분산액에 실란 커플링제 및 미리 미세 분말로 분쇄한 황 변성 테르펜 페놀릭 수지를 차례대로 투입하며 30분 동안 교반하였다. 이후, 오일을 투입하며 30분 동안 교반하였다.
C. 공응고
상기에서 얻어진 최종 혼합물을 공응고시키기 위해 90~100 ℃의 온도로 유지 교반되고 있는 공응고 반응기로 혼합물을 천천히 적가 투입하였다. 최종 혼합물이 공응고 반응기로 투입됨과 동시에 용매는 휘발되며 고무-카본블랙-실리카-오일 공응고물이 생성되었다. 최종 혼합물이 공응고 반응기로 투입 완료되고 공응고물이 생성되면 10분 정도 추가 교반시켜 용매를 완전히 제거하고 공응고시켰다.
D. 건조
상기에서 얻어진 공응고물을 반응기에서 취출하여 깨끗한 물로 세척하고 탈수 후 건조기를 통하여 수분이 제거된 용액 중합 SBR-카본블랙-실리카-오일의 습식 마스터 배치를 얻었다.
비교예 1. 유화 중합 SBR-카본블랙-실리카-오일 습식 마스터 배치의 제조
하기 표 2의 배합에 따라 마스터 배치를 제조하였다.
표 2.
Figure 112015067623172-pat00004
고속 교반기가 장착된 반응기에 물과 계면활성제를 혼합하여 교반한 후, 50~60 ℃의 온도를 유지하면서 카본블랙과 실리카를 차례대로 투입하여 30분 동안 고속 교반 분산시켰다.
상기 제조된 카본블랙-실리카 혼합 분산액에 실란 커플링제와 미세 분말로 분쇄된 황 변성 테르펜 페놀릭 수지를 투입하며 10분 동안 교반하였다. 또한, 오일 에멀젼을 적가 투입하며 교반하였다. 그리고 이 혼합물에 유화 중합 SBR 라텍스를 투입하여 30분 동안 교반하였다.
상기에서 얻어진 최종 혼합물을 응고제가 일부 용해되어 있는 공응고 반응기로 천천히 적가 투입하여 공응고물을 얻을 수 있었다.
공응고된 물질을 반응기에서 취출하여 깨끗한 물로 세척하고 탈수 후 롤밀(roll mill)과 압출기(extruder)를 통하여 수분이 제거된 유화 중합 SBR-카본블랙-실리카-오일의 습식 마스터 배치를 얻었다.
비교예 2. Dry mixing 고무 조성물의 제조
하기 표 3의 배합에 따라 고무 조성물을 제조하였다.
반바리 믹서를 이용하여 합성 고형 고무(SSBR : Solution Styrene Butadiene Rubber)에 카본블랙, 실리카, 오일, 실란 커플링제, 산화아연(ZnO), 스테아린산(Stearic acis), 노화방지제(6PPD), 분산제(WB222)를 140 ℃에서 혼합하여 고무 배합물을 얻었다. 이 고무 배합물에 무기황, 가류촉진제(CZ)를 첨가하여 90 ℃에서 배합하였다. 이후 이 고무 배합물을 160 ℃에서 15분 동안 가류시켜 고무 조성물을 제조하였다.
실시예 2. 용액 중합 SBR-카본블랙-실리카-오일 습식 마스터 배치 적용 고무 조성물의 제조
하기 표 3의 배합에 따라, 상기 실시예 1에 따른 용액 중합 SBR-카본블랙-실리카-오일 습식 마스터 배치와 추가로 합성고무, 실리카, 실란커플링제를 배합하는 것을 제외하고는, 상기 비교예 2와 동일한 방법으로 고무 조성물을 제조하였다.
비교예 3. 유화 중합 SBR-카본블랙-실리카-오일 습식 마스터 배치 적용 고무 조성물의 제조
하기 표 3의 배합(배합량 : g)에 따라, 상기 비교예 1에 따른 유화 중합 SBR-카본블랙-실리카-오일 습식 마스터 배치와 추가로 합성고무, 실리카, 실란커플링제를 배합하는 것을 제외하고는, 상기 비교예 2와 동일한 방법으로 고무 조성물을 제조하였다.
표 3.
Figure 112015067623172-pat00005
실험예 .
상기 실시예 2, 비교예 2 및 3에서 제조된 고무 조성물을 대상으로 물성 실험을 실시하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
표 4.
Figure 112015067623172-pat00006
상기 표 4에서 보는 바와 같이 본 명세서에 따른 용액 중합 SBR-카본블랙-실리카-오일 습식 마스터 배치가 적용된 고무 조성물에 관한 실시예 2가 비교예 2, 3에 비하여 인장 강도(Tensile strength), 젖은 노면 접지력(Wet traction), 회전 저항(Rolling resistance) 및 마모 성능에서 향상되었음을 알 수 있다. 동적 특성은 레오비브론(Rheovibron) 시험기를 사용하여 측정한 값으로서, 0 ℃ tanδ 값이 클수록 젖은 노면에서의 제동 성능이 우수함을 의미하는 한편, 60 ℃ tanδ 값이 작을수록 회전 저항 특성이 우수함을 의미한다.
또한, 상기 실시예 2, 비교예 2 및 3에서 제조된 고무 조성물을 적용한 타이어의 성능을 알아보기 위하여 실차 테스트를 실시한 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
표 5.
Figure 112015067623172-pat00007
그 결과, 표 5에서 보는 바와 같이 본 명세서에 따른 용액 중합 SBR이 함유된 습식 마스터 배치가 적용된 고무 조성물에 관한 실시예 2가 비교예 2, 3에 비하여 높은 마모 성능을 보였으며, 랩 타임(Lap time) 또한 빨라졌음을 알 수 있다.
이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

Claims (16)

  1. 용액 중합 스티렌 부타디엔 합성고무(SBR, Styrene Butadien Rubber) 라텍스, 카본블랙, 실리카, 오일, 황 변성 테르펜 페놀릭 수지 및 실란 커플링제를 포함하고,
    상기 황 변성 테르펜 페놀릭 수지는 하기 화학식 1로 표시되는, 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물.
    [화학식 1]
    Figure 112016111436287-pat00009

    (상기 식에서, n은 1 내지 2의 정수, m은 1 내지 10의 정수이다.)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 용액 중합 SBR은 SBR 전체 중량을 기준으로 스티렌(Styrene) 함량이 10 내지 30 중량%이며 비닐(Vinyl) 함량이 25 내지 65 중량%인, 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 카본블랙은 요오드 흡착량(Iodine Adsorptitotn Number)이 100 내지 350 m2/g인, 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 카본블랙은 흡유량(Oil Adsorptitotn Number)이 50 내지 250 cc/100g인, 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 실리카는 질소 흡착법에 의한 BET 비표면적이 70 내지 250 m2/g인, 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물.
  8. 삭제
  9. 제 1항, 제 4항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물과 합성고무를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물과 합성고무는 300 내지 350 : 15 내지 25의 중량비로 혼합된, 타이어 트레드용 고무 조성물.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 카본블랙은 고무 전체 중량을 100 중량부로 할 때 100 내지 200 중량부로 혼합되는, 타이어 트레드용 고무 조성물.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 실리카는 고무 전체 중량을 100 중량부로 할 때 10 내지 100 중량부로 혼합되는, 타이어 트레드용 고무 조성물.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 오일은 고무 전체 중량을 100 중량부로 할 때 100 내지 180 중량부로 포함되는, 타이어 트레드용 고무 조성물.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 황 변성 테르펜 페놀릭 수지는 고무 전체 중량을 100 중량부로 할 때 1 내지 5 중량부로 포함되는, 타이어 트레드용 고무 조성물.
  15. 제 9항에 있어서,
    상기 실란 커플링제는 고무 전체 중량을 100 중량부로 할 때 1 내지 20 중량부로 포함되는, 타이어 트레드용 고무 조성물.
  16. 제 1항, 제 4항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물의 제조방법으로서, 상기 제조방법은
    (1) 용액 중합 스티렌 부타디엔 합성고무(SBR, Styrene Butadien Rubber) 라텍스 상에 카본블랙 및 실리카를 분산시켜 분산액을 제조하는 단계;
    (2) 상기 분산액에 오일, 황 변성 테르펜 페놀릭 수지 및 실란 커플링제를 첨가하여 혼합액을 제조하는 단계; 및
    (3) 상기 혼합액을 응고 및 건조시키는 단계를 포함하는 타이어 트레드용 습식 마스터 배치 조성물의 제조방법.
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