KR102011976B1 - 내컷앤칩 성능이 향상된 otr 트레드 고무조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내컷앤칩 성능이 향상된 OTR 트레드 고무조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 노화를 방지하고 내마모성이 우수할 뿐만 아니라 내컷앤칩 성능이 향상된 OTR 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 천연고무 및 합성고무 중 어느 하나 이상의 원료고무 100중량부에 대하여, 카본블랙 50~70중량부, 스티렌 함량이 45~60wt%인 스티렌수지 5~10중량부 및 방향족 탄소수지 3~10중량부를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 내컷앤칩 성능이 향상된 OTR 트레드 고무조성물을 기술적 요지로 한다.

Description

내컷앤칩 성능이 향상된 OTR 트레드 고무조성물{OTR tread rubber compound with improved cut and chip resistance}

본 발명은 내컷앤칩 성능이 향상된 OTR 트레드 고무조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 노화를 방지하고 내마모성이 우수할 뿐만 아니라 내컷앤칩 성능이 향상된 OTR 트레드 고무조성물에 관한 것이다.

산업의 발전이 고도화됨에 따라 도로의 포장률이 증가하고 있긴 하나, 건설 현장 또는 광산채굴 현장에서 사용하는 타이어는 차량의 높은 하중과 날카로운 돌 등에 의해 컷앤칩(cut & chip) 현상이 빈번히 발생한다.

이러한 종래의 컷앤칩 현상을 개선시키기 위하여 입자 구조가 작은 카본블랙의 투입량을 증가시킴과 동시에 실리카를 함께 사용하거나, 저발열 특성과 내컷앤칩 성능이 우수한 천연고무를 사용하여 왔다. 그리고 황의 사용량을 촉진제 사용량 대비 과량으로 사용하는 컨벤셔널 가류 시스템(conventional cure)을 사용하기도 하였다.

하지만 카본블랙을 과량 사용하게 되면 고무의 발열 증가 및 크랙(crack) 발생을 야기시키는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 배합 중 분산 불량과 높은 발열로 인한 고무 물성의 성능 저하를 야기시키는 문제점이 있다.

더구나, 실리카 및 천연고무를 사용하게 되면 컷앤칩 현상은 개선시킬 수 있으나, 내마모 특성이 저하되는 문제점이 있다.

뿐만 아니라, 유황을 과량 사용하는 가류 시스템은 폴리설파이드(polysulfide) 결합이 증가하여 피로 저항이나 동적인 성능은 향상되나, 상대적으로 내열성이 취약해 내마모 성능 저하 및 타이어의 내구성이 낮아지는 문제점이 있으므로, 컷앤칩 현상을 개선하기 위한 기술개발 연구가 절실히 요구되는 시점이다.

국내 등록특허공보 제10-1703455호, 2017.01.31.자 등록.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 종래 사용하던 카본블랙 대비 입자 크기가 크고 구조 발달이 작은 카본블랙을 사용함으로써 공정 작업성 및 내발열성이 우수하도록 할 뿐만 아니라, 특정 함량의 스티렌수지와 방향족 탄소수지를 사용함으로써 컷앤칩 개선 및 내마모성이 우수하도록 하는 내컷앤칩 성능이 향상된 OTR 트레드 고무조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 천연고무 및 합성고무 중 어느 하나 이상의 원료고무 100중량부에 대하여, 요오드 흡착가가 70~120mg/g인 카본블랙 50~70중량부, 스티렌 함량이 45~60wt%인 스티렌수지 5~10중량부 및 방향족 탄소수지 3~10중량부를 포함하여 형성되는 OTR 트레드 고무조성물인 것으로, 상기 OTR 트레드 고무조성물은, 요오드 흡착가가 145mg/g인 카본블랙이 첨가되고 상기 스티렌수지 및 상기 방향족 탄소수지가 첨가되지 않은 OTR 트레드 고무조성물에 비하여, 상기 요오드 흡착가가 70~120mg/g인 카본블랙, 상기 스티렌수지 및 상기 방향족 탄소수지에 의해 내컷앤칩 성능이 향상된 것을 특징으로 하는 내컷앤칩 성능이 향상된 OTR 트레드 고무조성물을 기술적 요지로 한다.

바람직하게는 상기 카본블랙은, 디부틸프탈레이트 흡착가가 80~120ml/100g인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 스티렌수지는, 스티렌 함량이 20~25wt%인 라텍스에다가, 고스티렌수지(high styrene resin)를 혼합하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 방향족 탄소수지는, 분자량이 500~700Mw이고, 연화점은 95±5℃인 것을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명에 따른 내컷앤칩 성능이 향상된 OTR 트레드 고무조성물은, 종래 입자 크기가 작은 카본블랙의 투입량 증가를 통한 성능 향상과 달리, 고함량의 스티렌수지와 함께 방향족 탄소수지를 사용함으로써 내마모성 및 컷앤칩 특성을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예에 따른 Impact Cut 사진.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

즉 본 발명은 종래의 카본블랙과 대비하여 그 입자가 크고 구조 발달이 작은 카본블랙을 사용해 내발열성을 향상시킬 뿐만 아니라, 스티렌 함량이 45~60wt%인 스티렌수지와 방향성을 가지는 탄소수지를 사용해 내마모성 및 내컷앤칩성을 향상시킬 수 있는 OTR 트레드 고무조성물을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 원료고무는 천연고무 및 합성고무 중 어느 하나 이상인 것으로, OTR 트레드 고무조성물의 주된 성분을 이루는 구성이다.

즉 원료고무는 타이어 제조분야에서 통상적으로 사용되는 고무라면 어느 것이든 사용 가능한바, 예를 들면 천연고무, 합성고무 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

내용인즉 원료고무는 내발열성 및 내컷앤칩성이 우수한 천연고무 10~90중량부와, 내열성 및 내마모성이 우수한 합성고무 10~50중량부를 혼합하여 형성되는 것으로, OTR 트레드 고무조성물의 대부분을 차지한다.

천연고무의 경우, 10중량부 미만이면 OTR 트레드 고무조성물에 내발열성과 내컷앤칩성을 부여하기에 미미할 뿐만 아니라 카본블랙 및 방향족 탄소수지와의 혼화력이 좋지 못하고, 90중량부를 초과하여 첨가되면 그 이하의 천연고무 양을 첨가한 것과 비교하여 내마모성과 내컷앤칩성이 향상되지 못해 더 탁월한 효과가 나지 않으므로, 천연고무는 10~90중량부의 범위로 포함되도록 하는 것이 바람직하다. 단, 이러한 천연고무는 OTR 트레드 고무조성물에 내발열성과 내컷앤칩성을 부여할 수 있는 종류라면 어느 것을 사용해도 무방하다.

합성고무의 경우, 10중량부 미만이면 내열성과 내마모성을 부여하기에 미미하여 OTR 트레드 고무조성물의 기계적 물성을 만족시킬 수 없으며, 50중량부를 초가하여 첨가되면 OTR 트레드 고무조성물의 기계적 물성이 저하되므로, 합성고무는 10~50중량부의 범위로 포함되도록 하는 것이 바람직하다.

예컨대, 합성고무로는 에멀젼 스티렌-부타디엔고무(Emulsion Styrene-Butadiene Rubber), 솔루션 스티렌-부타디엔고무(Solution Styrene-Butadiene Rubber), 부타디엔고무(Butadiene Rubber) 및 네오디뮴 부타디엔고무(Neodymium Polybutadiene) 중 어느 하나 이상일 수 있다. 단, 상기에 언급된 합성고무 외에도 OTR 트레드 고무조성물에 내열성과 내마모성을 부여할 수 있는 종류라면 어느 것을 사용해도 무방하다.

본 발명의 카본블랙은 OTR 트레드 고무조성물의 발열을 감소시켜 내노화성 및 내마모성을 향상시키는 구성이다.

여기서 카본블랙은 원료고무 100중량부에 대하여 50~70중량부의 범위로 첨가될 수 있는데, 50중량부 미만으로 첨가되면 OTR 트레드 고무조성물의 발열 성능은 향상될 수는 있으나 내마모 성능과 동적 물성이 저하되는 문제점이 있고, 70중량부를 초과하면 내마모 성능이 향상될 수는 있으나 내부 발열로 인한 내구성 저하 또는 신장률의 저하로 컷앤칩 성능을 개선시키기에는 불리한 문제점이 있으므로, 원료고무 100중량부에 대해 50~70중량부로 포함되도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 카본블랙은 요오드 흡착량이 70~120mg/g일 수 있는데, 이는 70mg/g 미만이면 카본블랙에 의한 보강성능이 저하될 우려가 있고, 120mg/g을 초과하면 오히려 OTR 트레드 고무조성물의 가공성이 저하되기 때문이다.

그리고 카본블랙의 디부틸프탈레이트 흡착량은 80~120ml/100g일 수 있다. 만약 80ml/100g 미만이면 카본블랙에 의한 보강 성능이 불리해지고, 120ml/100g를 초과하면 OTR 트레드 고무조성물의 가공성이 저하되기 때문에 카본블랙의 디부틸프탈레이트 흡착량은 80~120ml/100g인 것이 바람직하다.

본 발명의 스티렌수지는 배합 가공성을 개선시킴으로써, 배합 가공성을 향상시키고 내마모성, 인열저항성, 컷앤칩성을 향상시키는 구성이다.

상세하게는 스티렌수지는 스티렌 함량이 20~25wt%인 라텍스에다가, 고스티렌수지(high styrene resin)를 혼합하여 형성되는 것으로, OTR 트레드 고무조성물 형성시 가공성을 향상시킴과 동시에 인열저항성 및 내굴곡성이 우수하도록 하는 작용을 한다.

더욱 상세하게는, 상술된 방법에 의해 제조된 스티렌수지가 원료고무 100중량부에 대하여 5중량부 미만이면 내마모성 및 내컷앤칩성을 향상시키기에는 미미한 양이고, 10중량부를 초과하면 내마모성은 향상되나 인장강도 및 신장률이 저하되어 외부 충격에 의한 컷앤칩 현상을 개선시키기 어려울 뿐만 아니라 카본블랙과 방향족 탄소수지와의 혼화력도 좋지 못하므로, 스티렌수지는 원료고무 100중량부에 대해 5~10중량부의 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.

본 발명의 방향족 탄소수지는 원료고무와의 혼용성을 증가시키는 구성이다.

즉 방향족 탄소수지는 분자량이 500~700Mw, 연화점이 90~100℃인 것이 바람직하며, 원료고무 100중량부에 대하여 3~10중량부의 범위로 포함될 수 있다. 예컨대, 3중량부 미만이면 최대 인장강도 및 신장률의 성능 향상이 미미하여 내컷앤칩성 향상을 기대할 수 없을 뿐만 아니라, 혼용성이 저하된다. 반대로, 10중량부를 초과하면 경도 및 내마모성 불량으로 물성 저하를 초래하게 되므로, 상기의 임계적 의의는 중요하다할 것이다.

본 발명의 OTR 트레드 고무조성물은 원료고무, 카본블랙, 스티렌수지 및 방향족 탄소수지 외에도, 활성제, 노화방지제, 프로세스 오일(process oil), 가류제, 가류촉진제와 같은 기타 공정보조제를 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

구분		실시예1	실시예2	실시예3	비교예1
천연고무(natural rubber)		70.0	70.0	70.0	70.0
유화중합 스티렌-부타디엔고무 (Emulsion Styrene-Butadiene Rubber)		30.0	30.0	30.0	30.0
고스티렌수지(high styrene resin)		5.0	7.0	10.0	-
카본블랙-1 (요오드 흡착가 145mg/g) (디부틸프탈레이트 흡착가 113ml/100g)		-	-	-	70.0
카본블랙-2 (요오드 흡착가 70~120mg/g) (디부틸프탈레이트 흡착가 80~120ml/100g)		60.0	60.0	60.0	-
방향족 탄소수지		3.0	4.0	5.0	-
기타배합제	(N-phenyl-N' (1,3-dimethylbutyl)-P-phenylene diamine(6PPD)	1.5	1.5	1.5	1.5
	2,4-trimethyl-1,2-dihydroquinoline (RD)	1.0	1.0	1.0	1.0
	Zinc oxide	4.0	4.0	4.0	4.0
	Stearic acid	2.0	2.0	2.0	2.0
	Process Oil (RAE Type)	5.0	5.0	5.0	5.0
	Vulcanization accelerator NS	1.7	1.7	1.7	1.7
	Sulfur	2.0	2.0	2.0	2.0
(단위: 중량부)

표 1은 실시예1~3 및 비교예1에 따른 OTR 트레드 고무조성물을 이루는 성분들의 함량을 나타낸 것이다.

실시예1은 천연고무 70중량부와 유화중합 스티렌-부타디엔고무 30중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여, 스티렌수지 5중량부, (요오드 흡착가가 70~120mg/g이고, 디부틸프탈레이트 흡착가가 80~120ml/100g인) 카본블랙 60중량부, 방향족 탄소수지 3중량부, (N-phenyl-N' (1,3-dimethylbutyl)-P-phenylene diamine(6PPD) 1.5중량부, 2,4-trimethyl-1,2-dihydroquinoline (RD) 1중량부, Zinc oxide 4중량부, Stearic acid 2중량부, Process Oil (RAE Type) 5중량부, Vulcanization accelerator NS 1.7중량부, Sulfur 2중량부를 혼합하여 OTR 트레드 고무조성물을 제조하는 것이다.

실시예2는 방향족 탄소수지의 양만 4중량부로 조절하여 첨가했을 뿐, 실시예1에 제시된 다른 성분들의 첨가량과 동일하다.

실시예3은 방향족 탄소수지의 양만 5중량부로 조절하여 첨가했을 뿐, 실시예1에 제시된 다른 성분들의 첨가량과 동일하다.

비교예1은 천연고무 70중량부와 유화중합 스티렌-부타디엔고무 30중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여, (요오드 흡착가가 145mg/g이고, 디부틸프탈레이트 흡착가가 113ml/100g인) 카본블랙 70중량부가 첨가되는 것으로, 스티렌수지와 방향족 탄소수지는 첨가되지 않았다. 그리고 추가로 첨가되는 공정보조제는 실시예1과 동일하다.

이러한 표 1에 따라 제조된 실시예1~3 및 비교예1로 물성 평가를 실시하였으며, 그 결과는 하기의 표 2와 같다.

		실시예1	실시예2	실시예3	비교예1
Hardness (JIS-A)		69	71	72	70
300% Modulus (Index)		99	105	110	100
Abrasion (Index)		100	104	111	100
CUT&CHIP (Index)		104	107	113	100
Impact Cut Test (Index)		105	108	115	100
실차 평가 (Size: 35/65-33)	Number of Chip A	19	17	17	21
	Number of Chip B	13	11	9	13
	Number of Chip C	10	8	6	12

Abrasion (Index)의 경우, 마모시험을 한 것으로, 마모시험은 딘마모 테스터(DIN Abrasion Tester)를 이용하여 측정 하였다. ASTM 관련 규정에 의거하여 시험을 진행하였으며, 그 수치를 Index로 표기하여 값이 클수록 내마모 특성이 우수함을 의미한다.

이에 따라, 실시예1 및 비교예1의 값은 100인 반면, 실시예2 및 3의 경우 각각 104, 110인 것으로, 실시예3의 내마모도가 가장 우수함을 확인할 수 있다.

CUT&CHIP (Index)의 경우, 비에프 굿리치 컷앤칩 테스터(B.F. Goodrich cut & chip tester)를 이용하여 날카로운 칼날이 회전하는 시편을 일정한 속도로 내리치면서 시험하는 방법으로, 최초 시편의 무게와 시험 후 시편의 무게 차를 이용하여 구한 값을 Index로 표기하여 그 값이 클수록 컷앤칩 특성이 우수함을 의미한다.

표 2에서 알 수 있듯이, 비교예1의 컷앤칩 수치는 100인 반면, 실시예1~3의 컷앤칩 수치는 각각 104, 107, 113으로, 실시예3의 내컷앤칩 성능이 가장 우수함을 알 수 있다.

Impact Cut Test (Index)의 경우, 임팩트 컷 테스터(Impact Cut Tester)를 이용하여 나이프 형상의 칼날을 리니어 부쉬(Linear Bush)에 따라 자유낙하시켜 바닥의 시편을 내리치는 시험 방법으로, 칼날이 시편 내부로 박혀 그 깊이를 Index로 표기하여 그 값이 클수록 컷(cut) 특성이 우수함을 의미한다.

Impact Cut Test의 결과값을 살펴보면, 비교예1의 경우 100인 반면, 실시예1~3의 경우 각각 105, 108, 115이므로, 실시예3이 컷(cut) 특성이 가장 우수함을 알 수 있다.

실차 평가의 경우, 상기의 표 1에서와 동일한 조성으로 배합된 OTR 트레드 고무조성물로 제작된 광산용 타이어로 진행하였으며, 그 사이즈는 35/65-33으로, 6개월간 사용 후 표면의 칩(chip) 발생 개수를 확인하여 컷앤칩(cut & chip) 성능을 확인한 것이다.

Number of Chip A는 폭이 10mm 이하, 깊이가 5mm 이하인 것으로, 비교예1의 칩 발생 개수는 21개인 반면, 실시예1~3의 칩 발생 개수는 각각 19개, 17개, 17개로 실시예2 및 3의 칩 발생 개수가 가장 적음을 알 수 있다.

Number of Chip B는 폭이 10~15mm 이하, 깊이가 5~10mm 이하인 것으로, 실시예1 및 비교예1의 칩 발생 개수는 13개인 반면, 실시예2 및 3의 칩 발생 개수는 각각 11개, 9개로써, 실시예2 및 3의 칩 발생 개수가 가장 적음을 알 수 있다.

Number of Chip C는 폭이 15mm 초과, 깊이 10mm 초과인 것으로, 비교예1의 칩 발생 개수는 12개인 반면, 실시예1~3의 칩 발생 개수는 각각 10개, 8개, 6개로써, 실시예3의 칩 발생 개수가 가장 적음을 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예에 따른 Impact Cut 사진이다. 도 1-(a)는 실시예1에 따른 Impact Cut Test의 Impact Cut 사진이고, 도 1-(b)는 실시예2에 따른 Impact Cut Test의 Impact Cut 사진이고, 도 1-(c)는 실시예3에 따른 Impact Cut Test의 Impact Cut 사진이며, 도 1-(d)는 비교예1에 따른 Impact Cut Test의 Impact Cut 사진이다. 이러한 도 1을 참조하면, 실시예3의 상태가 가장 양호함을 확인할 수 있다.

이런 실험결과들에 의하면, 실시예3의 함량으로 이루어진 OTR 트레드 고무조성물이 본 발명의 물성을 가장 만족함을 알 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다.

본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 천연고무 및 합성고무 중 어느 하나 이상의 원료고무 100중량부에 대하여,
   요오드 흡착가가 70~120mg/g인 카본블랙 50~70중량부, 스티렌 함량이 45~60wt%인 스티렌수지 5~10중량부 및 방향족 탄소수지 3~10중량부를 포함하여 형성되는 OTR 트레드 고무조성물인 것으로,
   상기 OTR 트레드 고무조성물은,
   요오드 흡착가가 145mg/g인 카본블랙이 첨가되고 상기 스티렌수지 및 상기 방향족 탄소수지가 첨가되지 않은 OTR 트레드 고무조성물에 비하여, 상기 요오드 흡착가가 70~120mg/g인 카본블랙, 상기 스티렌수지 및 상기 방향족 탄소수지에 의해 내컷앤칩 성능이 향상된 것을 특징으로 하는 내컷앤칩 성능이 향상된 OTR 트레드 고무조성물.
2. 제1항에 있어서,
   상기 카본블랙은,
   디부틸프탈레이트 흡착가가 80~120ml/100g인 것을 특징으로 하는 내컷앤칩 성능이 향상된 OTR 트레드 고무조성물.
3. 제1항에 있어서,
   상기 스티렌수지는,
   스티렌 함량이 20~25wt%인 라텍스에다가, 고스티렌수지(high styrene resin)를 혼합하여 형성되는 것을 특징으로 하는 내컷앤칩 성능이 향상된 OTR 트레드 고무조성물.
4. 제1항에 있어서,
   상기 방향족 탄소수지는,
   분자량이 500~700Mw이고, 연화점은 95±5℃인 것을 특징으로 하는 내컷앤칩 성능이 향상된 OTR 트레드 고무조성물.

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