KR102011978B1 - 내마모성이 향상된 건설차량용 타이어 트레드 고무조성물 - Google Patents

내마모성이 향상된 건설차량용 타이어 트레드 고무조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내마모성이 향상된 건설차량용 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리트랜스옥테나머를 포함되도록 하여 점도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 가공성 및 내마모성이 향상된 건설차량용 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 천연고무 50~70중량부와, 시스 함량이 94~98wt%인 부타디엔고무 20~35중량부를 포함하는 원료고무 100중량부에 대하여, 요오드 흡착가가 116~121g/kg이고, 디부틸프탈레이트 흡착가가 109~114cc/100g인 카본블랙 50~60중량부를 포함하여 형성되는 것으로, 원료고무는, 폴리트랜스옥테나머(poly transoctenamer) 5~20중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 향상된 건설차량용 타이어 트레드 고무조성물을 기술적 요지로 한다.

Description

내마모성이 향상된 건설차량용 타이어 트레드 고무조성물{Tire tread rubber compound for construction vehicle with improved wear resistance}
본 발명은 내마모성이 향상된 건설차량용 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리트랜스옥테나머를 포함되도록 하여 점도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 가공성 및 내마모성이 향상된 건설차량용 타이어 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
일반적으로 타이어의 마모 성능은 타이어의 구조, 노면의 형태, 운전자의 습관 및 노면과 직접 접촉하는 트레드 고무 물성 등에 의해 영향을 받는다.
통상 타이어의 마모 현상은 타이어와 노면 사이에서 발생하는 마찰력에 의해 지면과 접지되는 트레드 고무의 표면이 닳는 현상을 말하는 것으로, 특히 외부 마찰에도 닳지않도록 하는 내마모성은 타이어 트레드에 중요하게 요구되는 주요 특성이라 할 수 있다.
종래에는 이러한 마모 현상을 방지하기 위하여, 낮은 유리전이온도를 가지는 고무를 사용하거나, 카본블랙의 첨가량을 증가시켜 모듈러스를 증가시키거나, 입자경이 작은 카본블랙을 사용하거나, 공정조제 및 오일의 함량을 줄이는 방법이 주로 적용되었다.
하지만 입자경이 작은 카본블랙을 사용하거나, 카본블랙의 첨가량을 증가시키는 방법으로는 내마모성이 향상될지는 모르나, 반발탄성의 감소를 야기시킬 뿐만 아니라 고무조성물의 가공성 및 분산성을 저하시키는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 보완하기 위하여 고무조성물에 프로세스 오일을 첨가하여 고무조성물의 점도를 하락시키고자 하는 방법이 제시되었으나, 많은 양의 프로세스 오일은 오히려 고무조성물의 인장강도 및 내마모성에 손실을 유발하므로, 이를 해결하기 위한 기술개발 연구가 절실히 요구되는 시점이다.
국내 등록특허공보 제10-1000813호, 2010.12.07.자 등록.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 폴리트랜스옥테나머를 포함되도록 하여 점도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 가공성 및 내마모성이 향상된 건설차량용 타이어 트레드 고무조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 타이어 트레드 고무조성물에 있어서, 천연고무 60중량부와, 시스 함량이 94~98wt%인 부타디엔고무 25중량부를 포함하는 원료고무 100중량부에 대하여, 요오드 흡착가가 116~121g/kg이고, 디부틸프탈레이트 흡착가가 109~114cc/100g인 카본블랙 56중량부를 포함하여 형성되는 것으로, 상기 원료고무는, 폴리트랜스옥테나머(poly transoctenamer) 15중량부를 더 포함하되, 상기 타이어 트레드 고무조성물은 상기 폴리트랜스옥테나머가 포함되지 않은 고무조성물에 비하여 낮은 점도를 가지고, 타이어 마모시험에 의해, 상기 타이어 트레드 고무조성물을 타이어 트레드로 한 타이어를 제조한 다음, 125psi의 공기압, 93.1kN의 하중 및 10km/h의 속도로 100시간 주행한 후 타이어 트레드의 그루브 높이를 측정한 평균값이 121(Index)이고, 상기 폴리트랜스옥테나머가 포함되지 않은 고무조성물을 타이어 트레드로 한 타이어를 제조한 다음, 125psi의 공기압, 93.1kN의 하중 및 10km/h의 속도로 100시간 주행한 후 타이어 트레드의 그루브 높이를 측정한 평균값이 100(Index)으로써, 상기 폴리트랜스옥테나머가 포함되지 않은 고무조성물보다 상기 타이어 트레드 고무조성물의 내마모성이 우수한 것을 특징으로 하는 내마모성이 향상된 건설차량용 타이어 트레드 고무조성물을 기술적 요지로 한다.
바람직하게는 상기 폴리트랜스옥테나머(poly transoctenamer)는, 1,5-사이클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)이 개환 복분해 중합반응(ROMP, ring opening metathesis polymerization)으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 폴리트랜스옥테나머(poly transoctenamer)는, 시스 함량과 트랜스 함량이 10~30 : 70~90의 중량비율로 이루어지고, 유리전이온도가 -75~-55℃이며, 무늬점도가 1~20인 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명에 따른 내마모성이 향상된 건설차량용 타이어 트레드 고무조성물은, 폴리트랜스옥테나머(poly transoctenamer)가 포함되지 않은 고무조성물과 비교하여, 낮은 점도를 가짐과 동시에 높은 인장 물성을 가져 가공성이 우수하므로, 건설차량용 타이어 트레드 고무에 적용시 내마모성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리트랜스옥테나머.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
즉 본 발명은 천연고무 50~70중량부와, 시스 함량이 94~98wt%인 부타디엔고무 20~35중량부를 포함하는 원료고무 100중량부에 대하여, 요오드 흡착가가 116~121g/kg이고, 디부틸프탈레이트 흡착가가 109~114cc/100g인 카본블랙 50~60중량부를 포함하여 형성되는 것으로, 원료고무는 폴리트랜스옥테나머(poly transoctenamer) 5~20중량부를 더 포함함으로써, 내마모성이 향상된 건설차량용 타이어 트레드 고무조성물을 기술적 요지로 한다.
본 발명의 원료고무는 천연고무 50~70중량부와, 시스 함량이 94~98wt%인 부타디엔고무 20~35중량부를 포함하는 구성이다.
첫째, 천연고무는 우수한 인장강도 및 내마찰성을 충족시켜주는 작용을 한다.
이러한 천연고무가 50중량부 미만이면 시스 함량이 94~98wt%인 부타디엔고무와 폴리트랜스옥테나머와의 혼화력이 나빠지고, 70중량부를 초과하면 그 이하의 천연고무 양을 첨가한 것과 비교하여 더 탁월한 효과가 나타나지 않을 뿐만 아니라 오히려 물성적 특성 및 연비효율이 저하될 우려가 있으므로, 천연고무는 50~70중량부의 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.
단, 천연고무로는 일반적인 천연고무나, 일반적인 천연고무를 변성 또는 정제한 탈단백 천연고무, 수소화 천연고무 등의 변성 천연고무를 적용할 수 있으나, 상술된 종류에 한정되는 것만은 아니고, 통상 타이어 트레드 고무조성물에 사용될 수 있는 천연고무라면 특별한 제한없이 어느 것이든 사용 가능하다.
둘째, 부타디엔고무는 94~98wt%의 시스 함량을 포함하는 것으로, 타이어 트레드 고무조성물에 우수한 내마모성을 부여하는 작용을 한다.
여기서 부타디엔이 20중량부 미만이면 마모성능을 개선하기 위한 효과를 부여하기에 미미한 양이고, 35중량부를 초과하면 오히려 제동성능이 좋지 못하므로, 20~35중량부의 범위로 포함되도록 하는 것이 바람직하다.
단, 부타디엔고무는 예컨대 시스-1,4 부타디엔일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것만은 아니고 94~98wt%의 시스 함량을 포함하는 부타디엔고무라면 어느 것을 적용하여도 무방하다.
본 발명의 카본블랙은 타이어 트레드 고무조성물의 보강 성능을 향상시키는 구성이다.
우선 카본블랙은 천연가스나 중질유 등의 함탄소 물질을 불완전 연소 또는 열분해시켜 제조되는 흑색의 미분말로써, 입자경 크기 및 미세구조 등에 따라 그 종류가 다양하다.
여기서 카본블랙의 요오드 흡착가가 116g/kg 미만이면 보강 성능이 나빠지고, 반면 121g/kg을 초과하면 가공성이 나빠져 타이어 트레드 고무조성물의 물성을 만족할 수 없었다. 이러한 실험 결과에 의하면, 요오드 흡착가가 116~121g/kg인 카본블랙을 사용하는 것이 가장 바람직함을 알 수 있었다.
그리고 카본블랙의 디부틸프탈레이트 흡착가가 109cc/100g 미만이면 카본블랙에 의한 보강 성능이 나빠지고, 114cc/100g을 초과하면 오히려 타이어 트레드 고무조성물의 가공성이 나빠지므로, 디부틸프탈레이트 흡착가가 109~114cc/100g의 범위로 이루어진 카본블랙을 사용하는 것이 바람직하다.
상기한 이유로 카본블랙은 50~60중량부의 범위로 포함되는 것이 좋은데, 이는 50중량부 미만이면 카본블랙에 의한 보강 성능이 저하되고, 60중량부를 초과하면 가공성이 나빠지기 때문이다.
본 발명의 폴리트랜스옥테나머(TOR, poly transoctenamer)는 타이어 트레드 고무조성물의 점도를 낮추는 구성이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리트랜스옥테나머이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 적용되는 폴리트랜스옥테나머의 구조를 확인할 수 있다.
말하자면, 폴리트랜스옥테나머는 1,5-사이클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)이 개환 복분해 중합반응(ROMP, ring opening metathesis polymerization)으로 형성될 수 있는데, 이렇게 형성되는 폴리트랜스옥테나머는 고리형(cyclic)의 거대분자(macromolecules)와 선형(linear)의 폴리옥테나머(polyoctenamer)로 이루어질 수 있다.
다시 말하자면, 분자의 결정성을 결정짓는 시스 및 트랜스 함량은 폴리트랜스옥테나머의 중합반응에 따라 결정되는데, 예컨대 시스 함량과 트랜스 함량이 10~30 : 70~90의 중량비율로 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 따라 시스 구조의 함량이 높은 부타디엔고무를 대신하여 타이어 트레드 고무조성물의 내마모성을 향상시키는 작용을 한다.
여기서 타이어 트레드 고무조성물의 내마모성 및 가공성 개선을 위하여 폴리트랜스옥테나머의 유리전이온도는 -75~-55℃의 범위이고, 무늬점도(mooney viscosity)는 1~20의 범위인 것이 바람직하다.
단, 폴리트랜스옥테나머는 천연고무 및 부타디엔고무와 함께 원료고무에 포함되는 것으로, 5중량부 미만이면 가공성 및 분산성의 개선효과를 기대하기 어렵고, 20중량부를 초과하면 인장강도 및 신장률이 저하되므로, 폴리트랜스옥테나머는 원료고무에 5~20중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
항목 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 비교예1
원료고무 천연고무 60 60 60 60 60 60
고Cis-BR 35 30 25 20 15 40
TOR 5 10 15 20 25 -
상용화제 1 1 1 1 1 1
카본블랙 56 56 56 56 56 56
산화아연 5 5 5 5 5 5
스테아린산 3 3 3 3 3 3
노화방지제 5 5 5 5 5 5
수지(resin) 4 4 4 4 4 4
황 2 2 2 2 2 2
촉진제 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6
지연제 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
단위: 중량부
표 1은 실시예1~5 및 비교예1에 따른 타이어 트레드 고무조성물을 이루는 성분들의 함량을 나타낸 것이다.
실시예1은 천연고무 60중량부, 시스 함량이 94~98wt%인 부타디엔고무 35중량부 및 폴리트랜스옥테나머 5중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여, 상용화제 1중량부, 카본블랙 56중량부, 산화아연 5중량부, 스테아린산 3중량부, 노화방지제 5중량부, 수지 4중량부, 황 2중량부, 촉진제 0.6중량부 및 지연제 0.2중량부를 혼합하여 타이어 트레드 고무조성물을 제조한 것이다.
실시예2는 천연고무 60중량부, 시스 함량이 94~98wt%인 부타디엔고무 30중량부 및 폴리트랜스옥테나머 10중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여, 상용화제 1중량부, 카본블랙 56중량부, 산화아연 5중량부, 스테아린산 3중량부, 노화방지제 5중량부, 수지 4중량부, 황 2중량부, 촉진제 0.6중량부 및 지연제 0.2중량부를 혼합하여 타이어 트레드 고무조성물을 제조한 것이다.
실시예3은 천연고무 60중량부, 시스 함량이 94~98wt%인 부타디엔고무 25중량부 및 폴리트랜스옥테나머 15중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여, 상용화제 1중량부, 카본블랙 56중량부, 산화아연 5중량부, 스테아린산 3중량부, 노화방지제 5중량부, 수지 4중량부, 황 2중량부, 촉진제 0.6중량부 및 지연제 0.2중량부를 혼합하여 타이어 트레드 고무조성물을 제조한 것이다.
실시예4는 천연고무 60중량부, 시스 함량이 94~98wt%인 부타디엔고무 20중량부 및 폴리트랜스옥테나머 20중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여, 상용화제 1중량부, 카본블랙 56중량부, 산화아연 5중량부, 스테아린산 3중량부, 노화방지제 5중량부, 수지 4중량부, 황 2중량부, 촉진제 0.6중량부 및 지연제 0.2중량부를 혼합하여 타이어 트레드 고무조성물을 제조한 것이다.
실시예5는 천연고무 60중량부, 시스 함량이 94~98wt%인 부타디엔고무 15중량부 및 폴리트랜스옥테나머 25중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여, 상용화제 1중량부, 카본블랙 56중량부, 산화아연 5중량부, 스테아린산 3중량부, 노화방지제 5중량부, 수지 4중량부, 황 2중량부, 촉진제 0.6중량부 및 지연제 0.2중량부를 혼합하여 타이어 트레드 고무조성물을 제조한 것이다.
비교예1은 폴리트랜스옥테나머가 배제된 것으로, 천연고무 60중량부와 시스 함량이 94~98wt%인 부타디엔고무 15중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여, 상용화제 1중량부, 카본블랙 56중량부, 산화아연 5중량부, 스테아린산 3중량부, 노화방지제 5중량부, 수지 4중량부, 황 2중량부, 촉진제 0.6중량부 및 지연제 0.2중량부를 혼합하여 타이어 트레드 고무조성물을 제조한 것이다.
단, 타이어 트레드 고무조성물에 포함되는 상용화제, 카본블랙, 산화아연, 스테아린산, 노화방지제, 수지, 황, 촉진제 및 지연제는 공정보조제로써, 공정보조제는 당업계의 지식을 가진 자라면 자명한 정도에 해당되므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
항목 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 비교예1
무늬점도 74 71 69 67 64 75
인장물성 경도 65 66 67 68 68 64
300%모듈러스(kgf/㎠) 101 107 112 117 119 96
인장강도(kgf/㎠) 256 253 251 239 212 260
신장률(%) 580 560 550 520 490 600
DIN 마모시험 (Index) 102 109 116 101 95 100
표 2는 실시예1~5 및 비교예1에 따른 타이어 트레드 고무조성물의 무늬점도, 인장물성 및 DIN 마모를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
항목 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 비교예1
타이어 마모시험 (Index) 105 113 121 103 96 100
표 3은 실시예1~5 및 비교예1에 따른 타이어 트레드 고무조성물을 타이어 트레드로 하여 타이어를 제조한 후 마모시험을 진행한 것이다. 타이어 사이즈는 14.00-24이고, 타이어 마모를 측정하기 위해 공기압은 125psi, 하중은 93.1kN을 주었다. 약 10km/h 속도로 100시간 주행한 후 트레드를 8군데로 나누고, 마모 후 닳은 트레드의 남은 그루브 높이를 8군데에서 측정한 평균값을 낸 측정 결과를 표 3에 나타낸 것이다.
상기의 표 1~3의 결과를 토대로, 시스 함량이 94~98wt%인 부타디엔고무 35중량부 및 폴리트랜스옥테나머 5중량부가 혼합되는 실시예3에 따른 DIN 마모시험과 타이어 마모시험의 측정값이 가장 높으므로, 우수한 내구성을 가짐을 확인할 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 (3)

  1. 타이어 트레드 고무조성물에 있어서,
    천연고무 60중량부와, 시스 함량이 94~98wt%인 부타디엔고무 25중량부를 포함하는 원료고무 100중량부에 대하여,
    요오드 흡착가가 116~121g/kg이고, 디부틸프탈레이트 흡착가가 109~114cc/100g인 카본블랙 56중량부를 포함하여 형성되는 것으로,
    상기 원료고무는,
    폴리트랜스옥테나머(poly transoctenamer) 15중량부를 더 포함하되,
    상기 타이어 트레드 고무조성물은 상기 폴리트랜스옥테나머가 포함되지 않은 고무조성물에 비하여 낮은 점도를 가지고,
    타이어 마모시험에 의해, 상기 타이어 트레드 고무조성물을 타이어 트레드로 한 타이어를 제조한 다음, 125psi의 공기압, 93.1kN의 하중 및 10km/h의 속도로 100시간 주행한 후 타이어 트레드의 그루브 높이를 측정한 평균값이 121(Index)이고, 상기 폴리트랜스옥테나머가 포함되지 않은 고무조성물을 타이어 트레드로 한 타이어를 제조한 다음, 125psi의 공기압, 93.1kN의 하중 및 10km/h의 속도로 100시간 주행한 후 타이어 트레드의 그루브 높이를 측정한 평균값이 100(Index)으로써, 상기 폴리트랜스옥테나머가 포함되지 않은 고무조성물보다 상기 타이어 트레드 고무조성물의 내마모성이 우수한 것을 특징으로 하는 내마모성이 향상된 건설차량용 타이어 트레드 고무조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리트랜스옥테나머(poly transoctenamer)는,
    1,5-사이클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)이 개환 복분해 중합반응(ROMP, ring opening metathesis polymerization)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 내마모성이 향상된 건설차량용 타이어 트레드 고무조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리트랜스옥테나머(poly transoctenamer)는,
    시스 함량과 트랜스 함량이 10~30 : 70~90의 중량비율로 이루어지고,
    유리전이온도가 -75~-55℃이며,
    무늬점도가 1~20인 것을 특징으로 하는 내마모성이 향상된 건설차량용 타이어 트레드 고무조성물.
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