KR101910178B1 - Rubber composite for tread part of tyre - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 타이어트레드 고무조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 오가노실란으로 보강재 필러와의 가교밀도를 증가시키고 저연비 성능을 향상시키는 동시에 가공성, 보강성을 확보할 수 있는 타이어트레드 고무조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a tire tread rubber composition, and more particularly, to a tire tread rubber composition capable of increasing cross-linking density with an organosilane and reinforcing a low fuel consumption performance and ensuring workability and reinforcement property .
최근 승용차 타이어의 트레드고무의 구름 저항(rolling resistance)를 감소시키기 위해 실리카, 실란커플링제를 사용하여 구름저항을 낮추려는 연구가 꾸준히 진행되고 있다. Recently, studies are underway to reduce rolling resistance by using silica and silane coupling agents to reduce the rolling resistance of tread rubber of passenger car tires.
일반적으로 타이어 트레드에 사용되는 고무조성물은 카본블랙, 실리카의 종류, 사용량에 따라 발열특성은 개선이 되지만, 구름저항의 지표인 탄델타(tanδ@70℃)값이 고무조성물의 특성에 따라 열악해지는 경향이 있다.Generally, the rubber composition used for a tire tread is improved in heat generation characteristics depending on the type and amount of carbon black and silica, but the value of tan delta (tan delta @ 70 DEG C), which is an index of rolling resistance, There is a tendency.
또한, 이러한 구름저항의 지표인 탄델타(tanδ@70℃)값이 향상되면 제동성의 지표인 탄델타(tanδ@0℃)값이 저하되는 상반된 성능을 나타내고 있다. Also, when the value of tan delta (tan? @ 70 占 폚), which is an index of the rolling resistance, is increased, the tan delta (tan? @ 0 占 폚) value of the braking performance is lowered.
이때 주로 사용되는 고무조성물은 스타이렌-부타디엔 고무 블렌드로 실리카 성분과의 친화도가 떨어짐에 따라 분산이 최대로 이루어지지 못해 고무조성물의 물성이 최대로 발휘되지 못하는 문제점이 있었다.As the affinity of the styrene-butadiene rubber blend with the silica component is decreased, the rubber composition mainly used is not dispersed to the maximum and the physical properties of the rubber composition can not be exhibited at the maximum.
이들의 문제점을 해소하기 위해 각종 실란커플링제가 개발되었는데 실란커플링제를 보강제로 사용되는 것이 개발되어 왔다.Various silane coupling agents have been developed to solve these problems, and silane coupling agents have been developed as reinforcing agents.
가장 널리 이용되는 실란커플링제로 비스-(트리에톡시실릴-프로필)-테트라설파이드{(Bis-(triethoxysilyl-propyl)-tetrasulfide; 이하 TESPT}사용되고 있으나, 최근에는 성능적으로 뛰어난 메르캅토 실란이 대두되고 있다.(Bis (triethoxysilyl-propyl) -tetrasulfide; hereinafter referred to as TESPT) is used as the most widely used silane coupling agent, but in recent years, a mercapto silane excellent in performance has been used as the soybean .
이러한 메르캅토실란은 모노설파이드(Mono sulfide) 실란으로, 폴리설파이드(Poly sulfide) 실란인 TESPT와 비교하여, 보강재 필러와 폴리머 사이의 가교밀도(Crosslink-density)를 증가시키고, 타이어의 구름시 히스테리시스(Hysteresis)를 낮추어 저연비 성능을 향상시킨다.These mercaptosilanes are monosulfide silanes, which increase the crosslink-density between the stiffener filler and the polymer as compared to TESPT, which is a polysulfide silane, Hysteresis) to improve fuel efficiency performance.
하지만, 메르캅토 실란의 메르캅토기(-SH)는 스타이렌-부타디엔 고무와의 반응성이 우수하여 타이어 고무조성물 배합시 스코치(scorch)타임이 짧아 가공성이 저하되며 또한, 타이어 제품 생산과정에서 적정한 가류시간을 초과하게 되어, 보강성 역시 하락하는 문제점이 있었다.However, the mercapto group (-SH) of mercapto silane is excellent in reactivity with the styrene-butadiene rubber, so that the scorch time is shortened when the tire rubber composition is blended, and the processability is lowered. In addition, Time is exceeded, and the reinforcing property also falls.
즉, 타이어용 고무는 배합시(최대 160도)부터 가류시(최대 185도)까지 꾸준히 열이력을 받으므로 배합고무는 열적 안정성을 가져야 하며, 특히 배합 중 실란과 폴리머의 반응이 일어나면 이후 가류 과정에서 과가류(스코치)가 되어 타이어의 인장물성 및 마모 성능이 하락하게 되는데, 기존의 메르캅토 실란은 이러한 열적 안정성이 부족하여 고무 배합 중 실란과 폴리머의 결합이 미리 일어나므로 가류과정에서 스코치가 발생하여 보강성 저하가 발생되는 것이다.That is, since rubber for tire receives heat history continuously from mixing (maximum 160 ° C) to vulcanization (maximum 185 ° C), the rubber compound should have thermal stability. Especially, when the reaction between silane and polymer occurs, , The tensile properties and the abrasion performance of the tire are lowered because of the lack of the thermal stability of the conventional mercapto silane, so that the bonding of the silane and the polymer in the rubber compound occurs beforehand, And the reinforcing property is lowered.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 오가노실란으로 보강재 필러와의 가교밀도를 증가시키고 저연비 성능을 향상시키는 동시에 보강재 혼화 가공성, 보강성, 특히 분산성을 확보할 수 있는 타이어트레드 고무조성물을 제공하는 것이다.Accordingly, a technical problem to be solved by the present invention is to provide a tire tread rubber composition which can increase cross-linking density with a reinforcing material filler by an organosilane and improve a low fuel consumption performance and at the same time ensure reinforcement workability, reinforcing property, .
본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 원료고무에 배합할 보강재로 실리카 또는 카본블랙을 포함하며, 원료고무와 보강재의 커플링을 위하여 <화학식1>에 의한 오가노실란을 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어트레드 고무조성물을 제공한다. In order to solve the above-mentioned technical problem, the present invention is characterized in that it comprises silica or carbon black as a reinforcing material to be mixed with a raw material rubber, and contains organosilane of the following formula (1) By weight based on the total weight of the tire tread rubber composition.
<화학식 1>≪ Formula 1 >
(R1은 탄소수 1개 내지 8개(C1 내지 C8)의 하이드로알콕시(Hydro-alkoxy)이고, R2는 각각 탄소수 1개 내지 12개(C1 내지 C12)의 알킬 에틸렌 다이아민(Alkyl ethylenediamine), 알킬 메타크릴레이트(Alkyl methacrylate) 또는 아미노 알콜(Amino alcohol)이며, R3은 탄소수 1 내지 12의 알킬(Alkyl)인 탄화수소기이고, R4는 탄소수 1개 내지 12개의 티오기(Thioic group)임)(R1 is a hydro-alkoxy having 1 to 8 carbon atoms (C1 to C8), R2 is an alkyl alkylene group having 1 to 12 carbon atoms (C1 to C12) R3 is an alkyl (Alkyl) group having 1 to 12 carbon atoms, and R4 is a thioic group having 1 to 12 carbon atoms)
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 오가노실란은 <화학식2>에 의한 실란과 탄소수 1개 내지 12개의 카르복시계 화합물(Carboxyl group)을 탈수축합시킨 것일 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the organosilane may be one obtained by dehydration condensation of a silane of Formula 2 and a carboxy group of 1 to 12 carbon atoms.
<화학식 2> (2)
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 오가노실란은 화학식 3로 표현되는 화합물일 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the organosilane may be a compound represented by the general formula (3).
<화학식 3>(3)
본 발명에 따르는 타이어트레드 고무조성물에 의하면, 오가노실란으로 보강재 필러와의 가교밀도를 증가시키고, 보강재의 특정 작용기의 활성을 방지하여 분산성을 높여서 저연비 성능을 향상시키는 동시에 가공성, 보강성을 확보할 수 있는 효과가 있다.According to the tire tread rubber composition of the present invention, the cross-linking density with the reinforcing material filler is increased by the organosilane and the activity of the specific functional group of the reinforcing material is prevented to improve the dispersibility, thereby improving the low fuel consumption performance and securing the workability and reinforcement There is an effect that can be done.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 하고, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. It is to be noted that the technical terms used in the present invention are used only to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention, and the technical terms used in the present invention are defined in the present invention in a different sense It is to be understood that the present invention should not be construed in an overly broad sense or in an excessively reduced sense by a person having ordinary skill in the art to which the present invention belongs.
또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이고, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.In addition, when a technical term used in the present invention is an erroneous technical term that does not accurately express the concept of the present invention, it should be understood that technical terms that can be understood by a person skilled in the art are replaced with a technical term. Shall be construed in accordance with pre- or post-context, and shall not be construed in an excessively reduced sense.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.Furthermore, the singular expressions used in the present invention include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as "comprising" or "comprising" and the like should not be construed as encompassing various elements or various steps of the invention, Or may further include additional components or steps.
본 발명에 따르는 타이어트레드 고무조성물은 원료고무에 배합할 보강재로 실리카 또는 카본블랙을 포함하며, 원료고무와 보강재의 커플링을 위하여 <화학식1>에 의한 오가노실란을 포함하는 특징이 있다. The tire tread rubber composition according to the present invention comprises silica or carbon black as a reinforcing material to be blended with a raw material rubber and has an organosilane structure according to the following formula (1) for coupling between a raw rubber and a reinforcing material.
<화학식 1>≪ Formula 1 >
여기서, R1은 탄소수 1개 내지 8개(C1 내지 C8)의 하이드로알콕시(Hydro-alkoxy)이고, R2는 각각 탄소수 1개 내지 12개(C1 내지 C12)의 알킬 에틸렌 다이아민(Alkyl ethylenediamine), 알킬 메타크릴레이트(Alkyl methacrylate) 또는 아미노 알콜(Amino alcohol)이며, R3은 탄소수 1 내지 12의 알킬(Alkyl)인 탄화수소기이고, R4는 탄소수 1개 내지 12개의 티오기(Thioic group)를 의미한다.Wherein R 1 is a hydroalkoxy of 1 to 8 carbon atoms (C 1 to C 8), R 2 is an alkylideneediamine of 1 to 12 carbon atoms (C 1 to C 12), alkyl R3 is an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, and R4 is a thio group having 1 to 12 carbon atoms. The term " alkyl group "
특히, 상기 R4는 메캅토기에 의한 보강성의 저하를 방지하기 위하여 치환되는 구성요소로서 상기 오가노 실란은 다음에서 볼 화학식2에 의한 실란과 탄소수 1개 내지 12개의 카복시기(Carboxyl group)를 포함하는 화합물을 탈수축합시켜 제조할 수 있다.Particularly, R4 is a constituent element to be substituted for preventing degradation of reinforcing property by a mercapto group, and the organosilane includes a silane of Formula 2 and a carboxy group of 1 to 12 carbon atoms Can be prepared by dehydration condensation of the compound.
또한, 상기 원료고무는 타이어트레드에 사용되는 천연고무 또는 합성고무로 특별하게 한정하여 사용할 필요는 없이 타이어의 특성에 따라 혼합할 수 있다.Further, the raw material rubber is not particularly limited to natural rubber or synthetic rubber used for the tire tread, but may be mixed according to the characteristics of the tire.
아울러, 상기 보강재는 실리카나 카본블랙을 각각 또는 혼합하여 사용할 수 있으며 분말의 형태로 다양한 크기 입자와 특성을 나타낼 수 있으며, 상기 원료고무와 보강재의 커플링을 위하여 사용하는 오가노실란은 화학식 1로 나타낼 수 있으며, 이는 <화학식2>에 의한 실란과 탄소수 1개 내지 12개의 카르복시계 화합물(Carboxyl group)을 탈수축합시킨 것일 수 있다. In addition, the reinforcing material may be silica or carbon black, and may exhibit various sizes of particles and characteristics in the form of powders. The organosilane used for coupling the raw rubber to the reinforcing material may be represented by the general formula , Which may be obtained by dehydration condensation of silane of Formula 2 and 1 to 12 carbon-carbon compounds (Carboxyl Group).
<화학식 2> (2)
예를 들어, 반응식 1과 같이, 황산, 질산과 같은 강산 환경에서 탈수축합반응이 수행되어, 화학식 2의 구조식 배열이 형성되며, 이러서 반응식 2에서 볼 수 있듯이, 탄소수 1개 내지 12개의 카르복시계 화합물(Carboxyl group)과 탈수축합 반응으로 본 발명에 따르는 화학식 3의 오가노실란 예를 제조할 수 있으며, 이에 의하여 보강재의 특정 작용기, 예컨대 실리카의 활성 Silanol기의 활성을 방해할 수 있어(Covering), 분산성을 향상시킬 수 있다.For example, as shown in Scheme 1, a dehydration condensation reaction is performed in a strong acid environment such as sulfuric acid or nitric acid to form a structural formula of Formula 2. Thus, as shown in Reaction Formula 2, By the dehydration condensation reaction with a compound (carboxyl group), an organosilane example of the formula (3) according to the present invention can be prepared. Thus, the activity of a specific functional group of the reinforcing material, for example, the active silanol group of silica, , And the dispersibility can be improved.
하기 반응식 1에서는 -Si(EtO)3 1분자와 Nonylethylenediamine alcohol 2분자가 고농도의 질산 용매에서 가열 시 direct condensation을 일으켜 EtOH 두분자와 Nonyl ethlenediamine Silane을 생성하고, 그 과정의 온도는 50도 이상 70도 이하로 유지되며, 이보다 높은 온도에서 진행할 시 용매의 과산화 불순물과 반응하여 Disulfide를 형성하여 실란의 분산성이 하락하여 LRR 효과가 하락할 수 있으며, 50도 미만에서는 반응의 속도가 급격히 느려질 수 있다. In the following reaction scheme 1, two molecules of -Si (EtO) 3 and two nonylethylenediamine alcohols cause direct condensation upon heating in a high concentration of nitric acid solvent to produce two molecules of EtOH and nonyl ethlenediamine silane, When the reaction temperature is higher than the above temperature, the reaction with the peroxide impurities of the solvent may form a disulfide to lower the dispersibility of the silane, and the LRR effect may decrease. When the reaction temperature is less than 50 ° C, the reaction rate may be drastically decreased.
<반응식 1><Reaction Scheme 1>
<반응식 2><Reaction Scheme 2>
하기 반응식 2는 옥틸-카르복실산과 탈수축합되는 반응이다.The following reaction scheme 2 is a dehydration condensation reaction with octyl-carboxylic acid.
반응식 1과 반응식 2의 반응은 연속으로 수행하는 것이 바람직하며, 반응식 1 진행 후 장기보관 시 역반응 및 Disulfide 형성이 일어날 수 있으므로 반응식 1 후 반응식 2의 과정까지 적어도 1시간이내로 수행할 수 있다.Reaction formula 1 and Reaction formula 2 are preferably performed continuously, and reverse reaction and disulfide formation may occur during long-term storage after reaction 1, so that reaction formula 1 and reaction formula 2 can be performed within at least one hour.
실시예Example 및 And 비교예Comparative Example
다음 표1에서와 같은 조성으로 고무배합물을 혼합하고 압출하여 타이어트레드 고무를 제조하였다.The rubber compound was mixed and extruded in the same composition as shown in Table 1 to prepare a tire tread rubber.
Silane coupling agent
상기 평가를 위해 표1과 같이 ISO 실리카 기본배합 과정을 이용하였으며, 실리카는 표면적이 BET 측정값으로 200±5 m2/g인 실리카를 사용하였고, 실란 커플링제로는 비교예1과 2은 Bis [3-(triethoxysilyl) propyl] Tetrasulfide (TESPT), 비Silica having a surface area of 200 ± 5 m 2 / g was used as the BET measurement value. As the silane coupling agent, Comparative Examples 1 and 2 used Bis [3- (triethoxysilyl) propyl] Tetrasulfide (TESPT),
비교예 3은 mercaptopropyltriethoxysilane, 실시예는 화학식 3의 알콕시 에틸렌 디아민계 실란을 사용하고, 카본블랙은 표면적이 N2SA 측정값으로 80±5 m2/g를 사용하였다.Comparative Example 3 used mercaptopropyltriethoxysilane, Example used alkoxyethylenediamine silane represented by Formula 3, and carbon black had a surface area of 80 ± 5 m 2 / g as measured by N 2 SA.
실험예Experimental Example
상기 표 1에서 제조한 각각의 타이어트레드 고무 시편에 대해 무니(Mooney)점도, 인장물성(Tensile), 동적점탄성(DMA), 마모(Din Abrasion)의 물성을 ASTM관련규정에 의해 측정하고 그 결과를 아래의 표2에 정리하여 나태내었다.The properties of Mooney viscosity, tensile strength, dynamic viscoelasticity (DMA) and wear resistance (Din Abrasion) of each tire tread rubber specimen prepared in Table 1 were measured according to ASTM regulations, Table 2 summarizes the results.
인장물성
Tensile properties
DMA
DMA
상기 표 2의 실험결과에서 알 수 있듯이, 본 발명에서 따르는 타이어트레드 고무는 종래 실란커플링제를 채용한 경우와 비교하여, Modulus, T.S, E.B 특성은 유사하나, 제동성능의 지표인 tanδ@0℃는 소폭이나 향상되었고, 가공성 지표인 MV100℃가 하락하여 가공성이 우수함을 알 수 있고, 구름저항의 지표인 tanδ@70℃이 매우 향상되었음을 알 수 있다(여기서, index는 상대값으로, 비교예1의 해당 값을 100으로 정의하여 비교예2,3 그리고 실시예의 해당 값을 상대적으로 기재한 것이다).As can be seen from the test results in Table 2, the tire tread rubber according to the present invention has similar Modulus, TS and EB characteristics as those of the conventional silane coupling agent, but the tanδ @ 0 ° C , And the workability index MV100 deg. Is lowered, and the workability is excellent, and it can be seen that tan? @ 70 deg., Which is an index of rolling resistance, is greatly improved. Here, index is a relative value, Is defined as 100, and comparative examples 2, 3, and corresponding values of the embodiment are described relatively).
여기서, T05는 125℃ 무니점도 측정으로 아래와 같이 정의된다.Here, T05 is defined by the Mooney viscosity measurement at 125 DEG C as follows.
초기 점도 : 샘플을 넣은 후 열입이 완전히 일어나기 전의 초기 Torque값Initial viscosity: Initial torque value before sample is completely inserted
Mv@125℃ : 125℃ 무니점도 측정에서의 점도 최소 Torque값Mv @ 125 ° C: 125 ° C Viscosity at Mooney viscosity measurement Minimum torque value
ML : 5℃ 무니점도 측정에서의 점도 최소 Torque값을 가질때의 시간(min)ML: Viscosity at 5 ° C Mooney viscosity measurement Time (min) when having minimum torque value
x unit: Mv@125℃ 값에서 Torque가 x% 증가했을때의 시간(min)x unit: Time (min) when the torque increases x% at 125 ° C.
T05(Mooney scorch time) : ML + 5unit 때의 시간(min)T05 (Mooney scorch time): time in ML + 5unit (min)
타이어 생산 시 안정적인 가류를 위해 T05는 일반적으로 15 이상의 값이 적절하며, 15 미만일 경우 열적 안정성이 하락하여 인장물성 및 마모 성능이 현저히 하락하는 경향이 있다.For stable vulcanization in tire production, T05 is generally more than 15, and when it is less than 15, the thermal stability is lowered and the tensile properties and abrasion performance tend to decrease significantly.
이를 통하여 본 발명에 따르는 고무조성물이 종래 실란커플링제에 의하여 발생되는 문제인 낮은 가공성과 열악한 마모성능을 향상시키고, 기존 실란 TESPT 대비 구름저항(LRR) 특성을 향상시키고 있음을 알 수 있다.As a result, it can be seen that the rubber composition according to the present invention improves the low workability and poor wear performance which are caused by the conventional silane coupling agent and improves the rolling resistance (LRR) characteristic compared to the conventional silane TESPT.
Claims (3)
<화학식 3>
A tire tread rubber composition comprising silica or carbon black as a reinforcing material to be blended with a raw material rubber, and comprising organosilane represented by the following formula (3) for coupling between a raw rubber and a reinforcing material.
(3)
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