KR102312184B1 - 흄드 실리카를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 타이어 트레드용 고무 조성물로서 100phr의 스티렌-부타디엔 고무에 대하여 50~120phr의 실리카, 상기 실리카 중량에 대하여 8~10%의 커플링제, 1~5phr의 산화아연, 1~3phr의 스테아린산, 5~20phr의 흄드(fumed) 실리카, 5~40phr의 오일, 0.5~3phr의 유황 및 0.5~2phr의 촉진제를 포함할 수 있다. 본 발명은, 고무와 상호작용이 없는 흄드 실리카를 적용하여 트레드 배합고무의 표면 거칠기를 증가시키고 Wet 노면에서의 마찰력을 높여 타이어의 Wet Grip 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

흄드 실리카를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물{A rubber composition for a tire tread including a fumed silica}

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로서 보다 구체적으로, 흄드 실리카를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다. 본 타이어 트레드용 고무 조성물은 승용차에 사용되는 타이어의 제조에 사용될 수 있다.

타이어의 Wet Grip (웨트 그립) 성능은, 젖은 노면에서의 타이어 마찰력에 관한 성능으로서 타이어 마찰력은 타이어와 노면의 마찰 면에서 발생하는 점착 마찰과　트레드　고무의 히스테리시스 마찰에 의하여 얻어진다. 젖은 노면에서는 물로 인하여 점착 마찰이 적어지므로 히스테리시스 손실이 큰 고무일수록 Wet Grip이 좋다.

타이어의 Wet Grip 성능은, 노면 거칠기, 트레드 패턴, 트레드 배합고무 특성 등에 영향을 받는다. 트레드 배합고무의 Wet Grip 성능은 침강 실리카(Precipitated Silica)와 같은 친수성 보강재를 적용하거나 배합고무의 히스테리시스를 증가시키는 그립 레진 등을 적용하여 향상시킬 수 있다.

타이어 트레드와 노면 간의 접촉은 타이어의 Grip 성능을 유지하는데 있어 가장 중요한 요인이다. 따라서, Wet 노면에서의 Grip 성능 향상을 위해서는 노면 위의 수막을 빠르게 제거하고 트레드와 노면 간의 직접적인 접촉을 유도하는 것이 매우 중요하다. 노면 위의 수막을 효과적으로 제거하기 위해서는 크게 두 가지 측면에서 접근이 가능하다. 첫번째는 트레드 배합고무에 극성 폴리머 또는 침강 실리카를 사용하여 물과의 상호작용을 높이는 것이다. 두번째는 물리적인 방법으로서 트레드 배합고무의 표면 거칠기를 증가시켜 수막을 제거하는 국소 압력을 높이는 방법이다.

본 발명은, 고무와 상호작용이 없는 흄드 실리카를 적용하여 트레드 배합고무의 표면 거칠기를 증가시키고 Wet 노면에서의 마찰력을 높여 타이어의 Wet Grip 성능을 향상시키고자 한다.

본 발명은, 타이어 트레드용 고무 조성물로서 100phr의 스티렌-부타디엔 고무에 대하여 50~120phr의 실리카, 상기 실리카 중량에 대하여 8~10%의 커플링제, 1~5phr의 산화아연, 1~3phr의 스테아린산, 5~20phr의 흄드(fumed) 실리카, 5~40phr의 오일, 0.5~3phr의 유황 및 0.5~2phr의 촉진제를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 흄드 실리카는, 5~50 nm의 일차 입도(primary particle size), 50~60 m²/g의 표면적, 160~190 kg/m³의 밀도를 가질 수 있다.

바람직하게, 상기 흄드 실리카는 5~15phr로 포함될 수 있다.

본 발명은, 전술한 타이어 트레드용 고무 조성물로부터 제조된 타이어일 수 있다.

바람직하게, 상기 흄드 실리카는 상기 타이어의 표면에 돌출될 수 있다.

본 발명은, 고무와 상호작용이 없는 흄드 실리카를 적용하여 트레드 배합고무의 표면 거칠기를 증가시키고 Wet 노면에서의 마찰력을 높여 타이어의 Wet Grip 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은, 본 발명인 트레드 배합고무의 표면을 나타낸다.
도 2는, 본 발명인 타이어의 Wet Grip 향상 메커니즘을 나타낸다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

본 발명인 타이어 트레드 고무 조성물(이하에서, 타이어 트레드 고무 조성물을 컴파운드로 기재할 수도 있다)은, 100phr의 스티렌-부타디엔 고무에 대하여 50~120phr의 실리카, 상기 실리카 중량에 대하여 8~10%의 커플링제, 1~5phr의 산화아연, 1~3phr의 스테아린산, 5~20phr의 흄드(fumed) 실리카, 5~40phr의 오일, 0.5~3phr의 유황 및 0.5~2phr의 촉진제를 포함할 수 있다.

본 발명은 50~120phr의 실리카를 포함할 수 있다. 실리카는, 카본 블랙과 같은 컴파운드 보강재(Filler)로서 흄드 실리카와 달리 표면에 많은 수산화기(-OH group)를 가지고 있다.

50phr 미만의 실리카 포함 시 컴파운드의 기계적 물성 저하 및 Wet 성능 저하의 결과가 발생할 수 있으며, 120phr 초과의 실리카 포함 시 컴파운드의 신장율 감소, 피로 특성 저하, 연비 성능 저하의 결과가 발생할 수 있다.

본 발명은 상기 실리카 중량에 대하여 8~10%의 커플링제를 포함할 수 있다. 커플링제는 친수성(hydrophilic)의 실리카 표면을 소수성화(hydrophobation) 함으로써 실리카 입자들 간의 응집 내지 뭉침을 완화하고, 고무와의 화학적 결합을 통해 실리카의 분산성을 높일 수 있으며, 컴파운드의 변형 시 에너지 손실(energy loss)를 감소시킬 수 있다.

실리카 중량에 대하여 8% 미만의 커플링제 포함 시 커플링 효과 감소로 인하여 컴파운드 내 실리카 분산성 저하, 에너지 손실 증가의 결과가 발생할 수 있으며, 실리카 중량에 대하여 10% 초과의 커플링제 포함 시 미반응 커플링제는 고무 사슬의 젤화(gelation)가 발생하여 가공성이 저하될 수 있다. 본 발명에 있어, 커플링제는 실란 커플링제일 수 있다.

본 발명은 1~5phr의 산화아연을 포함할 수 있다. 산화아연은 가교 활성화제로서 스테아린산과 반응하여 고무 가교를 활성화시킬 수 있다. 1phr 미만의 산화아연 포함 시 가교 활성화가 저하되어 고무의 가교 밀도가 저하될 수 있으며, 5phr 초과의 산화아연 포함 시 가교 속도가 지연될 수 있으며 실리카 및 실란(상기 커플링제를 말함) 간의 반응이 저해될 수 있다.

본 발명은 1~3phr의 스테아린산을 포함할 수 있다. 스테아린산은 가교 활성화제로서 산화아연과 반응하여 고무 가교를 활성화 시킬 수 있다. 1phr 미만의 스테아린산 포함 시 가교 활성화가 저하되어 고무의 가교 밀도가 저하될 수 있으며 3phr 초과의 스테아린산 포함 시 컴파운드의 노화 특성이 저하될 수 있다.

본 발명은 5~20phr의 흄드 실리카를 포함할 수 있다. 흄드 실리카는 고무와의 상호 작용이 없어 컴파운드의 표면 거칠기를 증가시킬 수 있고 젖은(wet) 노면에서의 마찰력을 증가시켜 Wet Grip 성능을 향상시킬 수 있다. 5phr 미만의 흄드 실리카 포함 시 Wet Grip 성능 개선의 효과가 미미하며, 15phr 초과의 흄드 실리카 포함 시 Wet 성능 개선율이 작고 흄드 실리카의 비 보강성으로 인해 마모 성능이 저하될 수 있다.

도 1은, 본 발명인 트레드 배합고무의 표면을 나타낸다. 여기서, 트레트 배합고무는 타이어 트레드용 고무 조성물을 말한다. 도 1을 참조하면, 흄드 실리카는 배합고무의 표면에 위치하여 트레드 배합고무의 표면 거치기를 증가시킬 수 있다.

도 2는, 본 발명인 타이어의 Wet Grip 향상 메커니즘을 나타낸다. 타이어로부터 돌출된 흄드 실리카에 의해 노면 접촉 시 국소 압력의 증가로 수막이 제거될 수 있다.

본 발명은 5~40phr의 오일을 포함할 수 있다. 오일은 컴파운드의 점도를 감소시킬 수 있으며 컴파운드의 가공성을 향상시킬 수 있다. 5phr 미만의 오일 포함 시 컴파운드의 점도가 상승하며 보강재의 분산성이 저하될 수 있으며, 40phr 초과의 오일 포함 시 컴파운드의 강성이 저하될 수 있다.

본 발명은 0.5~3phr의 유황을 포함할 수 있다. 유황은 고무 사슬을 가교시켜 컴파운드의 점탄성을 부여할 수 있다. 0.5phr 미만의 유황 포함 시, 가교 밀도 저하로 컴파운드의 기계적 물성이 저하될 수 있으며, 3phr 초과의 유황 포함 시 가교 밀도 상승으로 컴파운드의 피로특성 및 노화특성이 저하될 수 있다.

본 발명은 0.5~2phr의 촉진제를 포함할 수 있다. 촉진제는 고무와 황의 가교 반응을 촉진할 수 있다. 0.5phr 미만의 촉진제 포함 시 가교 속도 지연 및 가교 밀도 감소로 컴파운드의 기계적 물성이 저하될 수 있으며, 2phr 초과의 촉진제 포함 시 스코치 (Scorch) 안정성이 저하될 수 있다.

구분	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3
스티렌-부타디엔 고무	100	100	100	100
실리카	60	60	60	60
커플링제	6	6	6	6
산화아연	2	2	2	2
스테아린산	2	2	2	2
흄드 실리카	-	5	10	15
오일	20	20	20	20
유황	1.2	1.2	1.2	1.2
촉진제	2	2	2	2

표 1은, 비교예 1 및 실시예 1 내지 3의 조성으로 각 조성은 고무 조성물에 관한 조성이다. 표 1에서 커플링제를 제외한 나머지 구성요소의 단위는 phr이며, 커플링제의 단위는 실리카의 중량부에 대한 중량%이다. 표 1에서 사용된 흄드 실리카는, 일차 입도(primary particle size)가 5~50 nm이고, 표면적은 50~60 m²/g이고, 밀도는 160~190 kg/m³이다.

표 2는, 비교예 1 및 실시예 1 내지 3의 물성 평가 결과로서 평가 대상 물성은 Shore A Hardness, 300%-모듈러스(kgf/cm²), 인장강도(kgf/cm²), 신장율(%), 마모(Index), Wet 마찰 계수(Index)이다.

여기서, Shore A Hardness는 쇼어 A 타입(shore A type) 경도기에 의해 측정된 경도이며, 경도는 시편의 딱딱한 정도로 조종 안정성을 나타내는 것으로 그 값이 높을수록 조종 안정성이 우수하다.

여기서, 300%-모듈러스(kgf/cm²)는 시편을 300% 신장 시에 시편에 작용하는 스트레스로 아령형 시편을 이용하였으며 인스트론사에서 제작한 인장시험기로 실시하였다.

여기서, 인장강도(kgf/cm²)는 인장시험기에서 시편이 끊어질 때까지의 스트레스 값을 나타낸 값으로 단위면적당 받는 힘을 측정한다.

여기서, 신장률은 인장 시험기에서 시편이 끊어질 때까지의 스트레스인 값을 %로 나타내는 방법으로 측정한다.

여기서, 마모(Index)는, 내마모성을 의미하며 William 마모 시험기를 사용하여 하중 1kg 및 회전 속도 75rpm에서 10분 동안 평가하였다. 마모 Index는 마모 시험 전, 후의 시편 무게 차이인 weight loss (%)를 이용하여 비교예의 weight loss %를 Index 100으로 하여 실시예의 weight loss %를 Index로 나타내었다. Weight loss %가 작을수록 높은 Index를 나타낸다.

여기서, Wet 마찰 계수(Index)는, Wet(습식) 마찰 특성을 확인하기 위해 노면과 고무 시편 사이의 직접적인 마찰 계수 측정이 가능한 Rotational Traction Measuring System (RTMS, FR-7225, Ueshima, Japan)을 사용하였다. Wet 마찰 계수는 상온(25℃)에서 원형(직경 80mm)의 고무 시편을 사용하여 하중(70N), 유수(water flow, 5min/L), 속도(30km/h), 미끄럼율(slip ratio, 최대 95 %), 아스팔트 노면 조건에서 측정하였다. Wet 마찰 계수 Index는 비교예의 마찰 계수(μ값)을 Index 100으로 하여 실시예의 μ값을 Index로 나타내었다. μ값이 높을수록 높은 Index를 나타낸다.

구분	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3
Shore A Hardness	60	60	61	61
300%-모듈러스(kgf/cm2)	112	114	115	111
인장강도(kgf/cm2)	222	209	207	204
신장율(%)	490	460	460	450
마모(Index)	100	102	102	81
Wet 마찰 계수(Index)	100	105	121	128

표 2를 참조하면, 흄드 실리카를 포함하지 않는 비교예 1을 기준으로 흄드 실리카를 각각 5phr, 10phr, 15phr을 포함하는 실시예 1 내지 3의 Wet 마찰 계수가 향상되었음을 알 수 있다.

표 2를 통해, 흄드 실리카를 트레드 배합고무에 적용하여 Wet 노면의 수막 제거 효과를 향상시키고, 트레드 배합고무와 노면 요철과의 마찰력을 증가시켜 타이어의 Wet Grip 성능을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

Claims (5)

1. 타이어 트레드에 있어서,
   100phr의 스티렌-부타디엔 고무에 대하여 50~120phr의 실리카, 상기 실리카 중량에 대하여 8~10%의 커플링제, 1~5phr의 산화아연, 1~3phr의 스테아린산, 5~15phr의 흄드(fumed) 실리카, 5~40phr의 오일, 0.5~3phr의 유황 및 0.5~2phr의 촉진제를 포함하며,
   상기 흄드 실리카는, 5~50 nm의 일차 입도(primary particle size), 50~60 m²/g의 표면적, 160~190 kg/m³의 밀도를 가지며,
   상기 흄드 실리카는 상기 타이어 트레드의 표면에 돌출되는, 타이어 트레드.
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