KR102226736B1 - 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

천연고무, 부타디엔 고무 및 카본블랙을 포함하는 타이어 트레드(Tread)용 고무 조성물의 제조방법으로서, 천연고무와 제1카본블랙(Carbon black)을 70 내지 180초 동안 혼합하는 프리블렌딩(Pre-blending) 단계 및 상기 프리블렌딩 단계에서 얻어진 혼합물에 부타디엔 고무와 제2카본블랙을 첨가하고 200 내지 300초 동안 혼합하는 블렌딩 단계를 포함하고, 상기 제1카본블랙과 제2카본블랙은 20:80 내지 50:50의 중량비율을 가지는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법에 관한 것이다.

Description

타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING RUBBER COMPOSITION FOR TIRE TREAD}
본 발명은 천연고무, 부타디엔 고무 및 카본블랙을 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법으로서, 천연고무와 제1카본블랙(Carbon black)을 70 내지 180초 동안 혼합하는 프리블렌딩(Pre-blending) 단계 및 상기 프리블렌딩 단계에서 얻어진 혼합물에 부타디엔 고무와 제2카본블랙을 첨가하고 200 내지 300초 동안 혼합하는 블렌딩 단계를 포함하고, 상기 제1카본블랙과 제2카본블랙은 20:80 내지 50:50의 중량비율을 가지는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법에 관한 것이다.
타이어가 실제로 지면과 접촉하는 부위인 트레드(Tread)부는 마찰열에 의한 변형이나, 노면의 요철이나 외부의 온도변화 등에 의해 영향을 받으므로, 가장 변형, 손상되기 쉬운 부분이다. 이에 따라, 타이어의 성능과도 직결되는 타이어의 트레드 고무 조성물은 타이어의 수명에 큰 영향을 미치게 된다.
트럭이나 버스는 고하중으로 장시간 동안 가혹도가 높은 도로조건에서 주행하므로, 일반 승용차에 비해 마모 및 칩컷(Chip-cut) 성능이 중요시된다. 이러한 마모나 칩컷 성능은 결국 타이어 수명에 직결되므로, 트럭 타이어의 트레드의 마모 및 칩컷 성능은 타이어 성능에 있어서 가장 기본적이며, 반드시 확보되어야 하는 성능이다.
한편, 최근에는 타이어의 경량화가 이루어지고 있으며, 타이어의 2차 성능(핸들링성능/그립성능)을 만족시키기 위해 다수의 커프(Kerf)를 삽입하는 추세이다.
그러나, 경량화와 커프 삽입은 필연적으로, 마모 및 칩컷 성능의 저하를 유발하는 문제가 있는 바, 마모 및 칩컷 성능의 보완을 위해 종래의 기술에서는 카본블랙 함량을 증가시키거나, 비표면적이 높은 카본블랙을 고무 조성물에 첨가하였다.
다만, 이와 같이 필러의 함량을 증가시키거나 비표면적이 높은 카본을 첨가하는 것은 주행 중 발열량을 증가시키고, 이로 인해 트럭이나 버스와 같이 고하중으로 장거리를 주행하는 경우에는 타이어의 내구성 저하 및 LRR(Low Rolling Resistance) 성능 저하를 유발할 수 있는 문제가 있다.
마모 및 칩컷 성능이 중요시되는 트럭 또는 버스용 타이어의 경우, 타이어의 고무성분을 높은 분자량을 가지는 천연고무와 유리전이온도가 낮아 마모에 유리한 부타디엔 고무(Butadiene Rubber, BR)를 사용하는데, 카본블랙은 천연고무에 비해 부타디엔 고무와의 친화도가 높아, 천연고무, 부타디엔 고무 및 카본블랙을 혼합하는 과정에서 카본블랙이 부타디엔 고무에만 집중되는 문제가 발생된다.
일반적인 타이어용 고무 조성물의 제조과정은 천연고무, 부타디엔 고무 및 카본블랙을 동시에 넣어 혼합하는 과정을 거치는데, 이 때, 상술한 바와 같이 카본블랙이 부타디엔 고무에만 집중되어 고무 조성물 내에 카본블랙이 균일하게 분산되지 못하게 되고, 이로 인해, 카본블랙의 첨가량 대비, 마모 및 칩컷 성능이 크게 개선되지 못하는 문제가 있었다.
따라서, 타이어 트레드용 고무 조성물의 카본블랙 분산성을 향상시킴으로써, 적정량의 카본블랙의 첨가만으로도 타이어의 발열성능을 유지함과 동시에 마모성능 및 칩컷 성능을 향상시킬 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명은 타이어의 발열성능은 유지하면서도 마모성능, 칩컷 성능이 향상된 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명은 타이어의 마모성능 및 칩컷 성능을 향상시킬 수 있도록 고무 조성물 내에 카본블랙이 뭉치지 않고 균일하게 분산됨으로써, 마모성능과 칩컷 성능이 우수한 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 친화도가 낮은 천연고무와 카본블랙을 프리블렌딩(Pre-blending)할 때 카본 커플링제를 첨가함으로써 블렌딩 시간을 단축함으로써 인장강도의 저하를 방지할 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법을 제공한다.
발열성능이 양호 내지 우수하면서도 마모성능 및 칩컷 성능이 우수하여 버스 또는 트럭에 사용하기에 적합한 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법으로 제조된 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조된 타이어를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법은, 천연고무, 부타디엔 고무 및 카본블랙을 포함하는 타이어 트레드(Tread)용 고무 조성물의 제조방법으로서, 천연고무와 제1카본블랙(Carbon black)을 70 내지 180초 동안 혼합하는 프리블렌딩(Pre-blending) 단계; 및 상기 프리블렌딩 단계에서 얻어진 혼합물에 부타디엔 고무와 제2카본블랙을 첨가하고 200 내지 300초 동안 혼합하는 블렌딩 단계; 를 포함하고, 상기 제1카본블랙과 제2카본블랙은 20:80 내지 50:50의 중량비율을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은, 천연고무 60 내지 80 중량부, 부타디엔 고무 20 내지 40 중량부, 제1카본블랙과 제2카본블랙의 총량을 50 내지 70 중량부로 포함하고,
상기 제1카본블랙과 제2카본블랙은 요오드 흡착가 130 내지 160 mg/g, 오일 흡착가 110 내지 150 cc/100g, 질소 흡착가 120 내지 165 cc/100g인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 프리블렌딩 단계는, 천연고무, 제1카본블랙 및 카본 커플링제(Carbon coupling agent)를 80 내지 120초 동안 혼합하는 것이고, 상기 카본 커플링제는 카본블랙 흡착부와 천연고무 흡착부를 포함하고 있고, 상기 카본블랙 흡착부는 아민기, 에폭시기 및 올레핀기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하고, 상기 천연고무 흡착부는 SSO3M기 및 α, β-불포화 카보닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 카본 커플링제는 0.5 내지 3 중량부로 포함될 수 있다.
본 발명은 또한, 본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법에 따라 제조된 타이어 트레드용 고무 조성물, 이를 포함하는 타이어를 제공한다.
상세하게는, 상기 타이어는 트럭 타이어 및 버스 타이어로 이루어진 군에서 선택된 하나 일 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용한 타이어는 타이어의 발열성능은 유지하면서도 마모성능, 칩컷 성능이 향상된 효과를 가진다.
구체적으로, 본 발명은 고무 조성물 내에 카본블랙이 뭉치지 않고 균일하게 분산시킴으로써, 마모성능과 칩컷 성능을 향상시키는 효과를 가진다.
본 발명은 또한, 친화도가 낮은 천연고무와 카본블랙을 프리블렌딩할 때 카본 커플링제를 첨가함으로써 믹싱 시간을 단축함에 따라, 마모성능 및 칩컷 성능의 향상만이 아니라, 인장강도의 저하를 방지할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명에 따라 제조된 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용한 타이어는 발열성능이 양호 내지 우수하면서도 마모성능 및 칩컷 성능이 우수하여 버스 또는 트럭에 사용하기에 적합한 특성을 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조과정에 따른 고무 조성물 내의 카본블랙의 분산도를 나타낸 모식도이다;
도 2는 본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법과 종래기술의 공정순서도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법은, 천연고무, 부타디엔 고무 및 카본블랙을 포함하는 타이어 트레드(Tread)용 고무 조성물을 제조하기 위한 것으로서, 천연고무와 제1카본블랙(Carbon black)을 70 내지 180초 동안 혼합하는 프리블렌딩(Pre-blending) 단계 및 상기 프리블렌딩 단계에서 얻어진 혼합물에 부타디엔 고무와 제2카본블랙을 첨가하고 200 내지 300초 동안 혼합하는 블렌딩 단계를 포함하고, 상기 제1카본블랙과 제2카본블랙은 20:80 내지 50:50의 중량비율을 가지는 것을 특징으로 한다.
기존의 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법은, 2종 이상의 고무를 혼합한 후, 카본블랙 등의 충진제 및/또는 기타 첨가제를 첨가하였으나, 이 경우, 카본블랙과의 친화도(Affinity)가 높은 특정 고무에 카본블랙이 뭉쳐지거나, 이러한 뭉침을 풀기 위해 장시간 믹싱해야 하는 문제가 있었다.
카본블랙은 타이어의 마모성능 및 칩컷(Chip-cut)성능을 향상시키기 위해 첨가되나, 카본블랙이 고무 조성물 내에 균일하게 분산되지 못함으로 인하여, 카본블랙의 첨가량 대비 마모성능 및 칩컷 성능이 크게 향상되지 못하는 문제가 있었고, 이를 개선하기 위해 카본블랙을 과다하게 첨가하는 경우에는 타이어 내구성이 저하되고, 저연비 성능이 떨어지는 문제가 있다.
상술한 바와 같이 카본블랙의 분산성을 향상시키기 위해 장시간 믹싱하는 방법을 사용하기도 하였으나, 이 경우, 믹싱과정에서 고무의 사슬이 끊어짐에 따라 고무의 인장강도가 크게 떨어지는 문제가 있었다.
이에 따라, 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해, 고무조성물에 첨가되는 카본블랙을 두 번에 나누어 첨가하되, 카본블랙과의 친화도가 다소 낮은 천연고무에 카본블랙을 첨가하여 프리블렌딩한 후, 여기에 나머지 카본블랙과 카본블랙과의 친화도가 높은 부타디엔 고무를 첨가하여 최종 블렌딩하는 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법을 제공한다.
먼저, 천연고무와 제1카본블랙(Carbon black)을 70 내지 180초 동안 혼합하는 프리블렌딩(Pre-blending) 단계를 수행한다.
상기 천연고무는 자연에서 얻을 수 있는 고무를 총칭하는 것으로, 원산지 등이 한정되지 않는다. 일반 천연고무 및 변성 천연고무 모두 사용할 수 있다. 시스-1,4-폴리이소프렌(cis-1,4-polyisoprene)을 주요하게 포함하고 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고, 트랜스-1,4-폴리이소프렌(trans-1,4-polyisoprene)을 포함하는 천연고무 또한 사용이 가능하다.
상기 변성 천연고무는, 상기 일반적인 천연고무를 변성 또는 정제한 것을 의미한다. 예를 들어, 상기 변성 천연고무로는 에폭시화 천연고무(ENR), 탈단백 천연고무(DPNR), 수소화 천연고무 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법에 있어서, 고무조성물에 포함되는 카본블랙을 두 번에 나누어 첨가한다. 먼저, 프리블렌딩 단계에서는 제1카본블랙을 첨가하고, 블렌딩 단계에서는 제2카본블랙을 첨가한다.
구체적으로, 상기 프리블렌딩 단계에서 얻어진 혼합물에 부타디엔 고무와 제2카본블랙을 첨가하고 200 내지 300초 동안 혼합하는 블렌딩 단계를 수행한다.
이는 최종적으로 얻어지는 타이어 트레드용 고무 조성물 내에 카본블랙이 균일하게 분산될 수 있도록, 한번에 과량으로 첨가하지 않고, 나누어 넣음으로써 보다 균일하게 분산되도록 하기 위함이다.
상기 제1카본블랙과 제2카본블랙은 바람직하게는, 요오드 흡착가 130 내지 160 mg/g, DBP(n-dibutyl phthalate) 흡유량이 110 내지 150 cc/100g, 질소 흡착 비표면적(Nitrogen surface area per gram, N2SA)이 120 내지 165 cc/100g인 것을 사용할 수 있다. 상기 조건을 만족하는 범위 내에서 제1카본블랙과 제2카본블랙은 동일 또는 상이한 물질일 수 있다.
상기 제1카본블랙과 제2카본블랙은 20:80 내지 50:50의 중량비율로 첨가될 수 있다. 바람직하게는 30:70 내지 45:55, 가장 바람직하게는 35:65 내지 42:58의 중량비율로 첨가될 수 있다.
상기 비율보다 제1카본블랙을 과량으로 첨가하는 경우, 천연고무와 균일하게 혼합되지 않고, 카본블랙이 일부 뭉치는 등의 문제점이 발생될 수 있고, 상기 비율보다 제1카본블랙을 소량으로 첨가하는 경우, 일반적인 타이어용 고무 조성물의 제조방법과 마찬가지로 카본블랙이 부타디엔 고무에만 뭉쳐지는 문제가 있다.
상기 부타디엔 고무(Butadiene rubber, BR)는 1,3-부타디엔(1,3-butadiene)의 단중합체로 폴리 부타디엔 고무로도 불린다. 부타디엔 고무는 시스-1,4-결합, 트랜스-1,4-결합 및 비닐1 결합을 가지나, 이의 종류나 비율에 특별히 제한되지 않고 사용이 가능하다.
본 발명에 있어서, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 천연고무 60 내지 80 중량부, 부타디엔 고무 20 내지 40 중량부, 제1카본블랙과 제2카본블랙의 총량을 50 내지 70 중량부로 포함한다.
부타디엔 고무는 낮은 전이온도로 인해, 마모에 유리한 성질을 가지는 바, 상기 함량보다 부타디엔 고무를 과량으로 첨가하는 경우에는, 부타디엔의 고탄력성으로 인해, 혼합을 위해 믹서 내에 넣어 밀링할 때, 흡착되지 않고 겉도는 문제가 발생되고, 소량으로 첨가하는 경우에는 마모 성능이 떨어지는 문제가 있다.
상기 제1카본블랙과 제2카본블랙의 총량이 상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 발열 성능 및 저연비 성능이 떨어지는 문제가 있고, 상기 함량보다 소량으로 첨가하는 경우에는, 마모성능 및 칩컷 성능이 향상되지 않는 문제가 있다.
본 발명에 있어서, 상기 프리블렌딩 단계는 천연고무, 제1카본블랙 외에 카본 커플링제를 더 포함할 수 있다.
상기 카본 커플링제는, 친화도가 낮은 천연고무와 카본블랙의 친화도를 향상시킬 수 있도록, 천연고무의 표면이 카본블랙에 친화적인 물성을 갖게 하는 역할을 한다.
이에 따라, 프리블렌딩 단계에서 80 내지 120 초 동안 혼합하더라도, 천연고무 내에 카본블랙이 균일하게 분산될 수 있으며, 상기 시간 동안 혼합함으로써, 고무 사슬의 절단으로 인한 인장강도의 저하가 방지된다.
따라서, 상기 시간보다 긴 시간동안 혼합하는 경우에는, 믹서에 의해 고무 사슬이 파괴되어, 고무의 인장강도가 저하되는 문제가 있고, 상기 시간보다 짧은 시간 혼합하는 경우에는, 카본블랙의 분산성이 다소 떨어져, 카본블랙의 첨가량 대비 마모성능 및 칩컷 성능의 향상정도가 크지 않은 문제가 있다.
상기 카본 커플링제는, 천연고무와 카본블랙의 친화도를 향상시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않고 사용이 가능하나, 예를 들면, 상기 카본 커플링제는 스페이서부, 카본블랙 흡착부와 천연고무 흡착부를 포함하고 있고, 상기 카본블랙 흡착부는 아민기, 에폭시기 및 올레핀기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하고, 상기 천연고무 흡착부는 SSO3M기(H, Na, K, Li 및 Ca 중 어느 하나) 및 α,β-불포화 카보닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 화합물 일 수 있다.
상기 스페이서부는 특별히 작용기를 가지지 않은 분자의 골격구조로서, 탄화수소 체인(-CH2-) 및/또는 방향족기(Aromatic Ring)로 구성될 수 있다.
상기 카본 커플링제를 첨가하는 경우에는, 0.5 내지 3 중량부로 첨가할 수 있다.
상기 함량보다 과량으로 첨가하는 경우에는, 점도가 상승하고 스코치 타임(Scorch time) 단축으로 인해 압출 가공성이 저하되는 문제가 있고, 상기 함량보다 소량으로 첨가하는 경우에는 바운드 고무(Bound Rubber) 생성양이 줄고, 카본분산도가 증가가 미비하여 LRR 성능 및 내마모 성능이 향상되기 어려운 문제점이 있다.
상기 범위로 카본 커플링제를 더 첨가하여 프리블렌딩 단계를 수행하면, 천연고무 내에 카본블랙이 균일하게 혼합되고, 이후 블렌딩 단계를 거쳐 최종적으로 얻어진 타이어 트레드용 고무 조성물 전체에서도 카본블랙의 분산성이 향상되는 효과가 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 블렌딩 단계는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제조함에 있어 필요한 기타첨가제를 더 첨가하여 혼합하는 단계일 수 있다.
구체적으로, 상기 기타첨가제는 가류제, 가류촉진제, 가류촉진조제, 연화제, 가공오일 및 노화방지제로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 이는 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조 시 사용되는 첨가제로서, 필요에 따라 적절히 첨가하여 사용할 수 있다.
상기 첨가제는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 이의 함량은 해당 기술분야에서 사용되는 배합비에 따라 첨가될 수 있다.
상기 가류제는 유황계 가류제, 유기 과산화물, 수지 가류제, 금속산화물등을 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 유황계 가류제는 분말 황(S), 불용성 황(S), 침강 황(S), 콜로이드(Colloid) 황 등의 무기 가류제와, 테트라메틸티우람 디설파이드(Tetramethylthiuram disulfide, TMTD), 테트라에틸티우람 디설파이드(Tetraethyltriuram disulfide, TETD), 디티오디모르폴린(Dithiodimorpholine) 등의 유기 가류제를 사용할 수 있다.
상기 유기 과산화물은 벤조일퍼옥사이드(Benzoyl peroxide), 디큐밀퍼옥사이드(Dicumyl peroxide), 디-t-부틸퍼옥사이드(Di-t-butyl peroxide), t-부틸큐밀퍼옥사이드(t-butylcumylperoxide), 메틸에틸케톤퍼옥사이드(Methylethylketone peroxide), 쿠멘 하이드로퍼옥사이드(Cumene hydroperoxide), 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산(2,5-dimethyl-2,5-di(t-butylperoxy)hexane), 2,5-디메틸-2,5-디(벤조일퍼옥시)헥산(2,5-dimethyl-2,5-di(benzoylperox)hexane), 1,3-비스(t-부틸퍼옥시프로필)벤젠(1,3-bis(t-butylperoxypropyl)benzene), 디-t-부틸퍼옥시-디이소프로필벤젠(Di-t-butylperoxy-diisopropyl benzene), t-부틸퍼옥시벤젠(t-butylperoxy benzene), 2,4-디클로로벤조일퍼옥사이드(2,4-dichlorobenzoyl peroxide), 1,1-디부틸퍼옥시-3,3,5-트리메틸실록산(1,1-dibutylperoxy-3,3,5-trimethylsiloxane), n-부틸-4,4-디-t-부틸퍼옥시발레레이트(4,4-di-t-butylperoxyvalate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 수지 가류제는 알킬 페놀 수지 등을 사용할 수 있고, 이 외에도 필요에 따라 해당 기술분야에서 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않고 사용이 가능하다.
다만, 바람직하게는, 상기 가류제는 황 및 디큐밀퍼옥사이드(Dicumyl peroxide)를 포함할 수 있다.
상기 가류제는 천연고무와 부타디엔 고무의 총량 100 중량부에 대하여 1 내지 3 중량부로 포함될 수 있고, 바람직하게는, 1.5 내지 2 중량부로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함되는 것이 적절한 가황 효과로서 고무가 열에 덜 민감하고 화학적으로 안정하게 해준다는 점에서 바람직하다.
상기 가류촉진제는 가황 속도를 촉진하거나 초기 가황 단계에서 지연작용을 촉진하는 촉진제(Accelerator)를 의미하며, 가류 속도 촉진을 통한 생산성 증진 및 고무 물성의 증진을 극대화시키기 위하여 상기 천연고무와 부타디엔 고무의 총량 100 중량부에 대하여 0.5 내지 5 중량부로 포함될 수 있다.
상기 가류촉진제로는 술펜아미드계, 티아졸계, 티우람계, 티오우레아계, 구아니딘계, 디티오카르밤산계, 알데히드-아민계, 알데히드-암모니아계, 이미다졸린계, 크산테이트계 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
각 화합물은 해당 기술분야에서 일반적으로 사용되는 것이면 특별히 제한없이 사용할 수 있고, 타이어용 고무 조성물 제조에 사용되는 성분을 필요에 따라 적절히 첨가할 수 있다.
상기 가류촉진조제는 상기 가류촉진제와 병용하여 그 촉진 효과를 완전하게 하기 위해서 사용되는 배합제로서, 무기계 가류촉진조제, 유기계 가류촉진조제 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 무기계 가류촉진조제는 산화아연(ZnO), 탄산아연(ZnCO3), 산화마그네슘(MgO), 산화납(PbO), 수산화 칼륨(KOH) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 유기계 가류촉진조제로는 스테아르산(Stearic acid), 스테아르산 아연(Zinc Stearate), 팔미트산(Palmitic acid), 리놀레산(Linoleic acid), 올레산(Oleic acid), 라우르산(Lauric acid), 디부틸 암모늄-올레이트(Dibutyl ammonium oleate), 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 가공성이 우수하여 연화제를 포함하지 않아도 무방하나, 필요에 따라 연화제를 더 첨가할 수 있다.
상기 연화제는 고무에 가소성을 부여시켜 가공을 용이하게 하기 위해서나 가황 고무의 경도를 저하시키기 위해 첨가되는 첨가제로서, 가공오일(Process oil), 식물유지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있으나 해당 기술분야에서 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않고 사용이 가능하다.
상기 가공오일은 파라핀계 가공오일, 나프텐계 가공오일, 방향족계 가공오일 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
그러나, 최근 환경 의식의 고조와 함께 상기 방향족계 프로세스 오일에 포함된 폴리사이클릭 아로마틱 탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)의 함량이 3 중량% 이상일 때는 암 유발 가능성이 높은 것으로 알려진 바, 상기 연화제로서 사용하는 가공오일은 상기 가공오일 전체에 대하여 PAHs 성분의 총 함량이 3 중량% 이하이고, 동점도가 95℃ 이상(210 ℉ SUS), 연화제 내의 방향족 성분이 15 내지 25 중량%, 나프텐계 성분이 27 내지 37 중량% 및 파라핀계 성분이 38 내지 58 중량%인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물이 상기 가공오일을 포함하는 경우, 이를 이용하여 제조된 타이어의 저온 특성, 연비 성능이 향상되며, PAHs의 암 유발 가능성 등의 환경적 요인에 대해서도 유리한 특성을 갖는다.
상기 식물유지로는 피마자유, 면실유, 아마인유, 카놀라유, 대두유, 팜유, 야자유, 낙화생유, 파인유, 파인타르, 톨유, 콘유, 쌀겨기름, 홍화유, 참기름, 올리브유, 해바라기유, 팜핵유, 동백유, 호호바유, 마카다미아너트유, 사플라워 오일, 동유 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 연화제는 고무의 가공성을 우수하게 하기 위하여 천연고무와 부타디엔 고무의 총량 100 중량부에 대하여 0 내지 50 중량부로 포함할 수 있고, 20 내지 40 중량부로 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 타이어 트레드용 고무 조성물과 이를 포함하는 타이어를 제공한다.
특히, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 고무 조성물을 포함하는 타이어는, 버스, 트럭과 같이 고하중으로 장시간동안 운행되는 차량 등에 사용하기 적합하다. 이는 버스나 트럭과 같이 고하중으로 장시간동안 운행되는 차량의 경우, 고하중의 영향으로 타이어 트레드의 마모나 칩컷이 발생될 확률이 높으므로, 이러한 성능을 향상시키는 것이 필요하고, 이와 동시에 고하중으로 장시간 운행됨에 따른 발열성능이 저하되어서는 안되기 때문에, 본 발명에 의해 제조된 타이어 트레드용 고무 조성물을 포함하는 타이어와 같이 발열성능이 유지되면서도 마모성능과 칩컷 성능이 향상된 고무 조성물을 포함하는 타이어를 사용하기에 바람직하다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예 및 실험예에 대하여 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
[제조예: 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조]
하기 표 1과 같은 조성으로 실시예 및 비교예에 따른 고무 조성물을 제조하였다. 계량된 각 화합물을 반바리 믹서(Banbury Mixer)에 배합하되, 각 실시예와 비교예의 혼합조건에 따라 제조하였다.
제1블렌딩과 제2블렌딩은 하나의 믹서 내에 성분을 첨가하고 순차로 블렌딩하는 단계를 임의로 나타낸 것이다.
제조된 고무 조성물로 물성 시험을 진행하기 위해 시험편을 제작하였다.
구분 비교예1 비교예2 실시예1 실시예2
천연고무(NR) 70 70 70 70
부타디엔 고무(BR) 30 30 30 30
카본블랙(CB) 60 60 60 60
카본커플링제 * - - - 2
가공오일 2 2 2 2
탄화수소수지 3 3 3 3
산화아연 4 4 4 4
스테아린산 3 3 3 3
유황 1.6 1.6 1.6 1.6
촉진제 1.3 1.3 1.3 1.3
혼합
조건 		제1블렌딩
(시간) 		NR + BR + CB
+ 기타첨가제
(270초)		 BR + CB(40%)
(150초)		 NR + CB(40%)
(150초)		 NR + CB(40%)
+ 카본 커플링제
(90초)
제2블렌딩
(시간) 		- 제1블렌딩혼합물+ NR + CB(60%)
+ 기타첨가제
(270초)		 제1블렌딩혼합물+ BR + CB(60%)
+ 기타첨가제
(270초)		 제1블렌딩혼합물+ BR + CB(60%)
+ 기타첨가제
(270초)
*상기 카본커플링제는 탄소수 10-15개의 노멀탄화수소 체인의 양 말단에 아민기와 SSO3Na를 가지는 화합물을 사용하였다.
[실험예: 성능 측정]
상기 제조예에 따라 제조된 실시예 및 비교예의 시험편에 대해 다음과 같은 방법으로 물성을 측정하여 그 결과를 표 2에 나타냈다.
(1) 무니 점도: MV는 점도를 의미하며, 값이 높을수록 압출 가공성 및 스코치 안정성에 불리하다.
(2) 쇼어 경도(Shore A): 쇼어 경도기를 이용하여 DIN53505 규격에 따라 측정하였다. 고무의 단단한 정도를 표현하는 것으로, 5회 측정값의 중앙값으로 취한다.
(3) 300% 모듈러스(kgf/cm3) 및 인장강도(Tensile strength, kgf/cm3): ISO 37 규격에 따라 측정하였다. Instron 시험기로 Dumbbell 3호 type의 시편으로 3회 측정중 중앙값으로 표시하였다.
(4) 카본분산도(X-value): Dispergrader를 이용하여 측정하고, Reference 대비값을 표시하였다. 카본블랙의 분산정도를 의미하며, 값이 높을수록 분산도가 높다. Reference는 ISO 1134에 따라 빛을 조사하여 가시적으로 보이는 분산도를 기준으로 나눠진 1 내지 10 등급의 분산 평가(Dispersion Rating) 결과에 기반한 데이터 값으로, 이에 기초하여 평가하였다.
(5) G'@40%: RPA DOH 조건으로 측정한 고 신장에서의 G'값이다.
(6) Bound Rubber(Gel 양): 톨루엔 용매로 추출한 후 남은 카본 gel의 양을 계산하였다.
(7) LRR(Low Rolling Resistance): 60℃ tanδ 값을 지수화한 값이다.
(8) 내마모 성능지수: BR 마모 테스터기를 이용하여 750 rpm, 2 Hz 조건에서 10분 측정 후, 비교예 1을 기준으로 지수화한 값이다.
(9) 내칩컷 성능지수: Cut-chip 테스터기를 이용하여 750 rpm, 2 Hz 조건에서 20분 측정 후, 비교예 1을 기준으로 지수화한 값이다.
(10) 내피로 성능지수: Fatigue-Failure 측정기를 사용하여 0~10%의 strain을 10 Hz로 준 후, 60℃ tanδ를 비교예 1을 기준으로 지수화한 값이다.
구분 비교예1 비교예2 실시예1 실시예2
무니점도 80 76 76 84
경도 (shore A) 71 71 71 73
300% Mod. (kgf/㎠) 175 178 174 185
Tensile Strength (kgf/㎠) 274 254 260 284
카본분산도
(X-value) 		7 6.4 7.4 7.5
RPA(G'@40%) 0.41 0.28 0.31 0.39
Bound Rubber 65.1 65.4 68.5 73
LRR 100 92 93 100
내칩컷 성능지수 100 85 105 110
내마모 성능지수 100 85 100 110
내피로 성능지수 100 90 105 100
비교예 1은 기존의 타이어 트레드용 고무 조성물을 제조하는 방법이다. 표 1 및 2를 참고하면, 실시예 1의 경우, 비교예에 비해 내칩컷 성능 및 내피로 성능이 향상되었고, 내마모성능은 비교예 1과 동일한 수준임을 확인할 수 있다.
실시예 2의 경우에는, 내칩컷 성능과 내마모성능이 비교예 1에 비해 10%가량 증가하고, 내피로성능은 비교예 1과 유사한 수준으로 유지되었음을 확인할 수 있다.
실시예 2의 경우, 비교예 1 및 실시예 1에 비해서도 더 우수한 내마모성능이 나타남을 확인할 수 있었는데, 이는, 프리블렌딩 단계에서, 천연고무와 카본블랙에 더하여 카본 커플링제를 첨가함으로써, 짧은 시간 동안만 혼합하는 것이 가능해짐에 따라, 천연고무의 분자 사슬이 덜 끊어짐에 따른 효과인 것으로 파악된다.
구체적으로, 실시예 2는 카본 커플링제의 첨가로, 혼합 시간을 단축함에 따라, 천연고무의 분자사슬 절단을 최소화하였고, 카본블랙과 천연고무 분자의 친화도는 증가시킴으로써 카본블랙의 분산성 향상 및 Bound Rubber 양(카본블랙과 고무의 결합물)을 증가시켜 발열성능(LRR성능)의 감소 없이 내마모, 내피로, 내칩컷 성능을 향상시켰다. 이는 실시예 2의 경우, G'@40% 값이 비교예 1과 유사한 반면, 비교예 1 대비 많은 양의 Bound Rubber 형성 및 카본 분산도 값을 가지는 것으로부터 확인할 수 있다.
반면, 비교예 1과 같이 카본블랙과의 친화도가 높은 부타디엔 고무를 먼저 카본블랙과 혼합하고, 이후에 천연고무를 첨가하여 혼합한 경우에는, 최종 고무 조성물 내에서 카본블랙이 부타디엔 고무에만 집중된 혼합물이 형성되고, 분산성향상을 위한 혼합시간의 증가에 의해 천연고무 분자사슬의 절단으로 LRR 성능이 저하됨을 확인할 수 있다. 또한, 내칩컷 성능, 내마모성능, 내피로 성능 모두에서 비교예 1 및 실시예들에 비해 크게 저하됨을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명은, 트럭, 버스용 타이어와 같이 고하중으로 장시간 운행되는 차량용 타이어를 제조함에 있어서, 카본블랙의 분산성을 향상시키고, 고무와 카본블랙의 친화도(결합력)을 향상시킴으로써, 발열성능을 양호한 수준으로 유지하면서도, 내칩컷, 내마모, 내피로 성능이 향상된 타이어 트레드용 고무 조성물을 제조할 수 있다.

Claims (7)

  1. 천연고무, 부타디엔 고무 및 카본블랙을 포함하는 타이어 트레드(Tread)용 고무 조성물의 제조방법으로서,
    천연고무와 제1카본블랙(Carbon black)을 70 내지 180초 동안 혼합하는 프리블렌딩(Pre-blending) 단계; 및
    상기 프리블렌딩 단계에서 얻어진 혼합물에 부타디엔 고무와 제2카본블랙을 첨가하고 200 내지 300초 동안 혼합하는 블렌딩 단계;
    를 포함하고,
    상기 제1카본블랙과 제2카본블랙은 20:80 내지 50:50의 중량비율을 가지는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 타이어 트레드용 고무 조성물은, 천연고무 60 내지 80 중량부, 부타디엔 고무 20 내지 40 중량부, 제1카본블랙과 제2카본블랙의 총량을 50 내지 70 중량부로 포함하고,
    상기 제1카본블랙과 제2카본블랙은 요오드 흡착가 130 내지 160 mg/g, 오일 흡착가 110 내지 150 cc/100g, 질소 흡착가 120 내지 165 cc/100g인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프리블렌딩 단계는, 천연고무, 제1카본블랙 및 카본 커플링제(Carbon coupling agent)를 80 내지 120초 동안 혼합하는 것이고,
    상기 카본 커플링제는 카본블랙 흡착부와 천연고무 흡착부를 포함하고 있고,
    상기 카본블랙 흡착부는 아민기, 에폭시기 및 올레핀기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하고,
    상기 천연고무 흡착부는 SSO3M기(M은 H, Na, K, Li 및 Ca 중 어느 하나임) 및 α, β-불포화 카보닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 카본 커플링제는 0.5 내지 3 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법.
  5. 제1항에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물의 제조방법에 따라 제조된 타이어 트레드용 고무 조성물.
  6. 제5항의 타이어 트레드용 고무 조성물을 포함하는 타이어.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 타이어는 트럭 타이어 및 버스 타이어로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 타이어.
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