KR102254450B1

KR102254450B1 - 슝기트를 이용한 타이어 조성물의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 타이어 조성물

Info

Publication number: KR102254450B1
Application number: KR1020200028767A
Authority: KR
Inventors: 김지영
Original assignee: 김지영
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2021-05-20

Abstract

본 발명은 슝기트를 이용한 타이어 조성물의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 슝기트로부터 플로렌을 추출하여 타이어 조성물로 이용하는 방법에 관한 것입니다. 본 발명을 이용함으로써, 카본블랙의 사용량을 감소시킬 수 있으며, 동시에 제조된 타이어 조성물의 물성을 증가시킬 수 있다는 장점이 있습니다.

Description

슝기트를 이용한 타이어 조성물의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 타이어 조성물{MANUFACTURING METHOD OF TIRE COMPOSITION USING SHUNGITE AND TIRE COMPOSITON MANUFACTURED BY THE SAME}

본 발명은 타이어 조성물의 제조방법에 관한 것으로서, 슝기트를 이용하여 타이어 조성물의 물성을 향상시키기 위한 방안에 관한 것이다.

자동차의 패러다임이 내연기관 자동차에서 전기차나 수소차로 바뀌고, AI의 발전으로 자율주행에 대한 관심이 높다. 하지만 이러한 변화에도 자동차에서 바뀌지 않는 것 중에 하나가 바로 타이어이다.

자동차의 타이어는 조정 안정성, 승차감, 연비성능, 스노우 성능, 제동 성능, 내마모성 등이 요구된다. 타이어 조성물에는 이러한 성능을 만족시키기 위해 다양한 물질들이 이용된다. 특히, 카본블랙은 타이어의 전반적인 성능을 향상시키기 위한 대표적인 구성에 해당한다. 다만, 카본 블랙은 많이 사용할 경우 제조된 타이어의 강도가 저하되며, 석유계 물질에 해당하여 환경오염의 문제가 있다.

따라서 카본블랙의 사용량을 증가시키지 않고도 동시에 타이어의 물성을 향상시킬 수 있는 방안이 필요하다.

본 발명은 슝기트를 이용하여 카본블랙의 사용량을 증가시키지 않으면서도, 동시에 카본블랙을 사용할 경우와 동등 이상의 성능을 가지는 타이어 조성물의 제조방법과 이로써 제조된 타이어 조성물을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

위와 같은 과제를 달성하기 위해 본 발명의 일 예는 슝기트를 이용한 타이어 조성물의 제조방법으로서: 슝기트를 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 슝기트를 톨루엔과 알코올의 혼합액에 첨가하고 초음파 처리하는 단계; 초음파처리된 혼합액을 여과하는 단계; 여과된 혼합액을 원심분리하여 플러렌을 추출하는 단계; 및 원료고무 및 첨가제에 상기 플러렌을 혼합하여 타이어 조성물을 마련하는 단계;를 포함한다.

일 예에 있어서, 상기 톨루엔과 알코올의 혼합비는 부피를 기준으로 3:1 내지 5:1인 것을 특징으로 한다.

일 예에 있어서, 상기 초음파처리하는 단계는 톨루엔이 완전히 증발될 때까지 수행된다.

일 예에 있어서, 상기 첨가제는 상기 여과하는 단계에서 남은 여과잔류물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 예에 있어서, 상기 슝기트는 셰일 슝기트인 것을 특징으로 한다.

또한, 이상에서 설명한 본 발명의 일 예의 타이어 조성물의 제조방법으로 타이어 조성물을 제조할 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 타이어 조성물의 제조방법은 세일 슝기트를 분쇄한 후 톨루엔과 알코올의 혼합물에 첨가하고, 혼합물에서 톨루엔이 완전히 증발될 때까지 초음파를 가하여 처리한 후 혼합물을 여과하고 원심분리하여 획득한 플러렌을 원료고무, 그리고 첨가제와 혼합하여 타이어 조성물을 제조한다. 이로써 카본블랙의 첨가량을 20% 이상 감소시키더라도 본 발명의 타이어 조성물로 제조된 타이어는 인장강도와 신율이 증가되고, 다른 물성도 동등 이상을 유지한다.

또한, 본 발명의 일 예에 따른 타이어 조성물의 제조방법은 플러렌을 획득하는 과정에서 여과되어 남은 여과잔류물을 첨가제와 혼합한다. 세일 슝기트에는 72 내지 85wt%의 실리카와 8 내지 14wt%의 산화 알루미늄이 포함되어 있는바, 여과잔류물을 폐기하지 않고 타이어 조성물로 이용함으로써 경제성을 향상시킬 수 있으며, 동시에 실리카에 의한 타이어의 회전저항을 감소 효과를 가질 수 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 조성물의 제조방법의 개략적 플로우 차트이다.
※첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

슝기트는 비정질의 탄소 매트릭스에 결정질의 실리카가 분산되어 있는 광물이다. 슝기트에 포함된 탄소 매트릭스에는 플러렌(C₆₀)이 포함되어 있다. 본 발명에서는 KOKSU 사의 셰일 슝키트를 이용한다. 셰일 슝기트는 다음의 표 1과 같은 성분으로 구성된다.

성 분	함 량 (wt%)
C	4 ~ 8
SiO₂	72 ~ 85
Al₂O₃	8 ~ 14
CaO	0.2 ~ 0.4
Fe₂O₃	2 ~ 4

종래 타이어 조성물에 포함되어 있는 카본블랙을 대체하기 위한 다양한 연구가 시도되었다. 슝기트에는 탄소성분으로 플러렌이 포함되어 있는 자연에서 채굴되는 광석이다. 슝기트를 이용하여 카본블랙의 대체가 가능하다. 다만, 슝기트에 포함된 탄소성분이 모두 플러렌에 해당하는 것이 아니기 때문에, 카본블랙을 대체할 만큼의 슝기트를 추가할 경우 다른 물질이 과량으로 포함되는 문제가 있다. 본 발명은 이러한 문제에 대한 해결방안을 제시한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 조성물의 제조방법의 개략적 플로우 차트이다.

이하, 도 1 을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 조성물의 제조방법에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 조성물은 타이어에서 이용되는 부분, 예를 들어 트레드(Tread), 사이드월(Sidewall), 또는 이너 라이너(Inner Liner) 중 어디에 이용되는지에 따라 각 구성의 함량을 달리 할 수 있다.

본 발명의 타이어 조성물의 제조방법(M100)은 슝기트로부터 플러렌을 추출하는 단계(S10) 및 타이어 조성물을 마련하는 단계(S20)를 포함한다. 슝기트로부터 플러렌을 추출하는 단계(S10)는 KOKSU 사의 셰일 슝키트를 이용하여 수행된다.

먼저, 슝기트를 분쇄하는 단계(S11)가 수행된다. 슝기트를 분쇄하는 단계(S11)는 슝기트의 표면적을 증가시키기 위한 것으로서, 통상적인 광석 파쇄기를 이용할 수 있다. 다만, 후술하는 바와 같이 플러렌을 추출하고 남은 잔여물을 첨가제로 이용할 수 있는 바, 슝기트를 분쇄하는 단계(S11)에서 입도가 40.0 ㎛ 이하, 바람직하게는 2.0 ㎛ 이하가 되도록 수행될 수 있다.

그 다음, 분쇄된 슝기트를 톨루엔과 알코올의 혼합액에 첨가하고 초음파 처리하는 단계(S12)가 수행된다. 톨루엔과 알코올의 비는 부피를 기준으로 3:1 내지 5:1 일 수 있으며, 바람직하게는 4:1로 혼합액이 준비된다. 초음파 처리는 톨루엔과 알코올의 혼합액에 분쇄된 슝기트를 추가하고, 초음파 처리장치로 초음파를 인가하여 수행된다. 초음파 처리장치는 공지의 것을 이용할 수 있다. 초음파 처리는 혼합액 내의 톨루엔이 완전히 증발할 때까지 수행된다. 슝기트에 포함되어 있는 플러렌은 물에 용해되는 FWS(water soluble fullerenes)인데, 물을 이용하여 플러렌을 추출할 수 있다. 하지만 물을 이용할 경우 플러렌의 추출효율이 떨어질뿐만 아니라 타이어 조성물로 이용하기 위하여 수분을 제거하는 과정이 요구된다. 따라서 물 대신 알코올을 이용하여 플러렌의 추출효율을 향상하고, 나아가 상온에서도 증발성이 강한 톨루엔을 알코올과 함께 이용하여 혼합액 내의 플러렌의 농도를 증가시킬 수 있다.

그 다음, 초음파 처리된 혼합액을 여과하는 단계(S13)가 수행된다. 이 단계는 공지의 여과장치를 이용할 수 있다. 초음파 처리된 혼합액을 여과하면, 플러렌이 용해된 혼합액과 여과되지 못한 여과잔류물로 분류된다. 한편, 여과잔여물에는 실리카(SiO₂), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화칼슘(CaO) 및 산화철(Fe₂O₃)을 포함하고 있는데, 모든 성분이 타이어 조성물에 이용가능하다. 실리카는 타이어의 회전저항을 감소시킬 수 있으며, 산화알루미늄은 타이어의 내마모성을 향상시킬 수 있으며, 산화칼륨은 내노화성을 증가시킬 수 있다. 산화철은 밀도를 맞추는 충전제의 역할을 한다. 여과잔여물을 타이어 조성물의 첨가제로 이용할 경우 폐기물의 양을 최소화하고, 동시에 타이어 조성물로 제조되는 타어이의 물성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 특히, 실리카 등은 대표적인 타이어 첨가제인 카본 블랙에 비해 가격이 비싼데, 여과잔여물을 이용함으로써 타이어의 제조비용을 낮출 수 있다는 장점이 있다.

그 다음, 여과된 혼합액을 원심분리하여 플러렌을 추출하는 단계(S14)가 수행된다. 원심분리는 공지의 원심분리기를 이용할 수 있다. 여과된 혼합핵은 회갈색 및 유백색광을 가지며, 플러렌의 존재를 확인하기 위하여 혼합액의 질량분을 수행하였다. 질량분석은 여과된 혼합액을 진공하에서 건조하고, 헥산에 재용해한 뒤 측정하였다. 그 결과 m/z 720.55 에서 최대 피크를 얻을 수 있다. 질량분석의 결과는 플러렌(C₆₀)의 질량 분석결과와 일치하는 것이다.

상술한 슝기트로부터 플러렌을 추출하는 단계(S10)로부터 플러렌을 추출한 후, 원료고무 및 첨가제에 추출한 플러렌을 혼합하여 타이어 조성물을 마련하는 단계(S20)가 수행된다.

원료고무로는 타이어에 이용할 수 있는 것이라면 어느것이든 상관없다. 다만, 트레드, 사이드월, 이너라이너에 따라 원료고무가 달라질 수 있음은 당연한 것이다. 원료고무로는 천연고무 및 스티렌 부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌이 함유된 스티렌 부타디엔 고무, 니트릴을 포함하는 스티렌 부타디엔 고무, 폴리 부타디엔 고무(BR) 네오프렌 고무, BIIR(bromo isobutylene isoprene rubber)와 같은 합성고무로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 이용할 수 있다. 천연고무와 합성고무를 혼합하여 이용할 수 있다.

첨가제로는 카본블랙(carbon black), 산화아연(Zinc oxide), 산화 마그네슘(Magnesia), 스테아린산(Stearic acid), 노화방지제(Antioxidant), 실란커플링제(Silane coupling agent), 보호왁스(protecting wax), 가황제(Sulfur), 가황촉진제(Sulfur accelerator), 아로마오일(Aromatic Oil), 가류촉진제 및 여과잔류물을 이용한다.

상술한 본 발명의 일 예에 따른 타이어 조성물의 제조방법을 이용하여 트레드용 타이어 조성물(실시예 1), 사이드월용 타이어 조성물(실시예 2), 이너라이너용 타이어조성물(실시예 3)을 제조하였다. 비교예 1 내지 3은 플러렌과 여과잔류물의 유무에서만 실시예와 차이가 있다.

실시예들과 비교예들을 이용하여 각각 타이어 시편을 제조하였다. 타이어 시편은 먼저 원료고무를 믹서에 투입하여 믹싱을 하면서, 황과 가황촉진제 외의 첨가제를 투입하고, 그 다음 카본 블랙을 투입하여 수행하였다. 조성물에 오일이 있는 경우 믹싱과정에서 오일을 추가한다. 그 다음 밀링장치를 이용하여, 밀링을 수행하면서 황과 가황촉진제를 넣은 뒤 가류하여 타이어 시편을 제조한다.

실시예와 비교예의 조성은 다음의 표 2 내지 4와 같다.

구성	트레드용 타이어 조성물
구성	비교예 1(phr)	실시예 1(phr)
천연고무	100	100
스테아린산	1	1
산화아연	4	4
카본블랙	38	38
실리카	15	0
실란커플링제	15	15
아로마오일	5	5
노화방지제	3	3
보호왁스	1.5	1.5
황	1.8	1.8
가황촉진제	1.5	1.5
플러렌	0	2
여과잔류물	0	15

구성	사이드월용 타이어 조성물
구성	비교예 2(phr)	실시예 2(phr)
천연고무	50	50
BR	50	50
스테아린산	1	1
산화아연	4	4
카본블랙	50	50
아로마오일	5	5
노화방지제	3	3
보호왁스	1.5	1.5
황	1.2	1.2
가황촉진제	0.6	0.6
플러렌	0	5

구성	이너라이너용 타이어 조성물
구성	비교예 3(phr)	실시예 3(phr)
BIIR 2222	100	100
스테아린산	2	2
산화아연	3	3
산화마그네슘	0.5	0.5
카본블랙	60	60
가류촉진제	1.5	1.5
황	1.2	1.2
균질제	5	5
플러렌	0	0

표 2 내지 4의 실시예들과 비교예들을 이용하여 타이어 시편을 제조한 후 각 시편에 대해 성능테스트를 수행하였다. 각 성능테스트는 경도, 절단신율, 인장강도, 300%, 500% 모듈러스 등을 ASTM 규격에 맞춰 수행하였다. 그 결과를 표 5 내지 7에 나타내었다.

구성	트레드용 타이어 조성물
구성	비교예 1	실시예 1
경도(shore) [degree]	64	65
300% 모듈러스 [MPa]	11.6	11.1
300% 모듈러스 [MPa]	22.3	21.8
인장강도 [MPa]	27.1	27.3
절단신율 [%]	600	607
탄성 [%]	56	54
tear strength [kN/m]	109	106
Abrasion loss [cm ³ ]	0.289	0.263

구성	사이드월용 타이어 조성물
구성	비교예 2	실시예 2
경도(shore) [degree]	56	56
300% 모듈러스 [MPa]	5.5	6.03
300% 모듈러스 [MPa]	11.7	12.6
인장강도 [MPa]	20.2	19.3
절단신율 [%]	755	705
탄성 [%]	89	85

구성	사이드월용 타이어 조성물
구성	비교예 3	실시예 3
경도(shore) [degree]	55	56
300% 모듈러스 [MPa]	4.53	6.03
300% 모듈러스 [MPa]	7.46	12.6
인장강도 [MPa]	9.83	19.3
절단신율 [%]	734	705
Gas Permeability coefficient	0.917 ×10^-17	1.058 ×10^-17
Related coefficient	0.99872	0.99972

표 5 내지 표 7을 참조하면, 실시예의 경우 대부분의 물성이 비교예과 동등한 수준을 나타냄을 알 수 있다. 특히, 실시예 1의 Abrasion loss의 경우에는 실시예 1이 10% 정도 개선되었음을 알 수 있다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims

슝기트를 이용한 타이어 조성물의 제조방법으로서:
슝기트를 분쇄하는 단계;
상기 분쇄된 슝기트를 톨루엔과 알코올의 혼합액에 첨가하고 초음파 처리하는 단계;
초음파 처리된 혼합액을 여과하는 단계;
여과된 혼합액을 원심분리하여 플러렌을 추출하는 단계; 및
원료고무 및 첨가제에 상기 플러렌을 혼합하여 타이어 조성물을 마련하는 단계;를 포함하는 타이어 조성물의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 톨루엔과 알코올의 혼합비는 부피를 기준으로 3:1 내지 5:1인 것을 특징으로 하는 타이어 조성물의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 초음파처리하는 단계는 톨루엔이 완전히 증발될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 타이어 조성물의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 첨가제는 상기 여과하는 단계에서 남은 여과잔류물을 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 조성물의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 슝기트는 셰일 슝기트인 것을 특징으로 하는 타이어 조성물의 제조방법.
삭제