KR102457812B1 - 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어 - Google Patents

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원료고무 100 중량부, 실리카 55 내지 85 중량부, 카본 블랙 10 내지 55 중량부 및 설프히드릴기를 포함하는 스티렌-부타디엔 고무 겔 5 내지 10 중량부를 포함하고, 상기 원료고무는 스티렌 함량이 5 내지 20 중량% 및 비닐 함량이 35 내지 50 중량%인 스티렌-부타디엔 고무를 포함하는 것인 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다

Description

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어{RUBBER COMPOSITION FOR TIRE TREAD AND TIRE MANUFACTURED BY USING THE SAME}
본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것이다.
최근 전기 자동차(EV)의 출시가 급증하면서 자동차 제조사 및 소비자의 타이어 성능에 대한 요구 수준이 매우 높아지고 있다. 전기 자동차의 경우 차량의 주행 시 고속에서의 제동 성능이 가장 중요하며, 마른 노면뿐만 아니라 젖은 노면에서의 제동 성능 또한 확보해야 한다. 또한 고하중 조건에서의 주행 내구성을 확보해야 하며, 국내 및 유럽의 라벨링 규제로 인한 타이어의 회전 저항 성능까지 만족해야 한다.
그러나 타이어 트레드에 있어 마른 노면 제동 성능 및 젖은 노면 제동 성능, 그리고 타이어의 회전 저항은 서로 양립할 수 없는 트레이드 오프(trade-off) 관계에 있으며, 이를 해결하기 위한 연구가 오래 전부터 지속적으로 이루어져 왔다.
종래에는 타이어 트레드용 고무 조성물에 스티렌의 함량이 높은 스티렌-부타디엔 고무(SBR)를 사용함으로써 고무 조성물의 유리전이온도를 상승시켜 마른 노면 또는 젖은 노면에서의 제동 성능을 향상시키고, 보강제로서 카본 블랙 대신 실리카를 사용함으로써 회전 저항 성능을 보완하는 방법을 주로 사용하였다.
그러나 실리카를 보강제로 사용할 경우, 마른 노면 제동 성능을 향상시키는데 한계가 있을 뿐만 아니라, 고속, 고하중의 조건에서 타이어 트레드의 고무 일부가 뜯겨 나가는 현상이 발생하는 등, 제동 성능 및 회전 저항 성능이 동시에 개선된 우수한 타이어의 개발이 여전히 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 타이어 트레드의 회전 저항 성능 저하 또는 마모없이 마른 노면 및 젖은 노면에서의 제동 성능이 향상된 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어를 제공하는 것이다.
일 구현예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은, 원료고무 100 중량부, 실리카 55 내지 85 중량부, 카본 블랙 10 내지 50 중량부 및 설프히드릴기를 포함하는 스티렌-부타디엔 고무 겔 5 내지 10 중량부를 포함하고, 상기 원료고무는 스티렌 함량이 5 내지 20 중량% 및 비닐 함량이 35 내지 50 중량%인 스티렌-부타디엔 고무를 포함한다.
상기 스티렌-부타디엔 고무 겔은 설프히드릴기를 10 내지 25 mg KOH/g gel로 포함할 수 있다.
상기 스티렌-부타디엔 고무 겔의 입경이 10 내지 25 nm 이고, 유리전이온도(Tg)가 -20 ℃ 내지 -10 ℃ 일 수 있다.
상기 실리카는 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 비표면적이 160 내지 180 m2/g이고, DBP 흡유량이 180 내지 200 cc/100g 일 수 있다.
상기 카본 블랙은 요오드 흡착량이 200 내지 300 mg/g이고, DBP 흡유량이 120 내지 140 cc/100g 일 수 있다.
다른 일 구현예는 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어를 제공한다.
본 발명은 타이어 트레드의 마모 또는 회전 저항 성능 저하 없이 마른 노면 및 젖은 노면에서의 제동 성능이 향상된 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
이하 일 구현예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물에 관하여 설명한다.
본 발명은 타이어 트레드의 회전 저항 성능 저하 없이 마른 노면 및 젖은 노면에서의 제동 성능이 향상된 타이어 트레드용 고무 조성물, 그리고 이러한 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어에 관한 것이다.
구체적으로, 일 구현예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무 100 중량부, 실리카 55 내지 85 중량부, 카본 블랙 10 내지 50 중량부 및 설프히드릴기를 포함하는 스티렌-부타디엔 고무 겔 5 내지 10 중량부를 포함하고, 상기 원료고무는 스티렌 함량이 5 내지 20 중량% 및 비닐 함량이 35 내지 50 중량%인 스티렌-부타디엔 고무를 포함한다.
상기 일 구현예에 따른 조성물은 표면에 다량의 설프히드릴기(-SH)를 포함하는 스티렌-부타디엔 고무 겔을 포함함에 따라 원료고무와 커플링제를 통한 화학적 결합을 함으로써 고도로 크로스 링크(Cross-link)된 코어 부분에 의해 0 내지 40 ℃의 낮은 온도 영역에서의 히스테리시스(Hysteresis)가 높아지게 됨에 따라 마른 노면 또는 젖은 노면에서의 제동 성능이 향상되는 효과가 있다. 또한 상기 스티렌-부타디엔 고무 겔은 원료고무와 커플링제를 통한 화학적 결합을 하게 되므로, 50 내지 80 ℃의 높은 온도 영역에서의 히스테리시스는 크게 영향 받지 않음에 따라 타이어의 회전 저항 성능을 유지할 수 있는 효과도 있다.
상기 원료고무인 스티렌-부타디엔 고무는 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무(S-SBR)일 수 있고, 또는 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무(E-SBR)일 수 있으며, 상기 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무와 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무의 혼합물일 수 있다.
상기 스티렌-부타디엔 고무는 스티렌 함량이 5 내지 20 중량% 및 비닐 함량이 35 내지 50 중량%일 수 있다. 만일 상기 스티렌-부타디엔 고무에서 스티렌의 함량이 5 중량% 미만인 경우, 고무의 히스테리시스가 낮아져 마른 노면 또는 젖은 노면에서의 제동 성능이 불리해질 수 있으며, 스티렌의 함량이 20 중량%를 초과하면 반대로 고무의 히스테리시스가 높아져 타이어의 회전 저항 성능이 감소할 수 있다.
한편, 일 구현예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무로써 스티렌-부타디엔 고무를 사용하는 동시에 실리카 및 카본 블랙을 보강성 충진제로 포함하여, 고무의 히스테리시스 감소에 의해 타이어의 내구성과 내발열 성능 및 내마모 성능 등을 향상시킬 수 있다.
상기 실리카는 단독으로 사용할 수 있으며, 실리카의 분산성 향상을 위해 실란 커플링제를 사용할 수 있다.
상기 실리카는 상기 원료고무 100 중량부를 기준으로 55 내지 85 중량부로 포함될 수 있다. 상기 실리카의 함량이 55 중량부 미만인 경우 보강성이 저하되며 젖은 노면에서의 제동 성능과 핸들링 성능이 저하되는 문제가 있고, 85 중량부를 초과하는 경우 가공성 및 내발열성이 저하되는 문제가 있다.
상기 실리카는 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 비표면적이 160 내지 180 m2/g이고, DBP(dibutyl phthalate) 흡유량이 180 내지 200 cc/100g 인 것일 수 있다. 상기 실리카의 BET 비표면적이 160 m2/g 미만이면 보강성이 낮아 내마모 성능이 저하되는 문제가 있고, 180 m2/g을 초과하는 경우 고무의 히스테리시스가 증가하여 내발열 성능이 저하되는 문제가 있다. 또한, 상기 BET 비표면적과 DBP 흡유량이 상기 범위 내에 있는 경우 고무의 내뜯김성을 극대화하고 내마모 성능과 젖은 노면 제동 성능을 향상시키는 장점이 있다.
상기 카본 블랙은 상기 원료고무 100 중량부를 기준으로, 10 내지 50 중량부로 포함될 수 있다. 상기 카본 블랙의 함량이 10 중량부 미만인 경우 내마모 성능이 저하될 수 있고, 50 중량부를 초과하면 내발열 성능과 가공성이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.
상기 카본 블랙은, 보강성 및 내마모 성능을 향상시키기 위해, 요오드(I2) 흡착량이 200 내지 300 mg/g이고, DBP 흡유량이 120 내지 140 cc/100g인 것일 수 있다. 이는 보강성 및 내마모 성능을 향상시키기 위한 것으로, 요오드 흡착량과 DBP 흡유량이 상기 범위 내에 있는 경우 고무의 보강성을 충족함과 동시에 내발열 성능, 내마모 성능 및 마른 노면 제동 성능을 향상시키는 장점이 있다.
한편, 일 구현예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 설프히드릴기(-SH)를 포함하는 스티렌-부타디엔 고무 겔을 포함한다. 상기 스티렌-부타디엔 고무 겔은 원료고무와 커플링제를 통한 화학적 결합을 함으로써 타이어의 마른 노면 또는 젖은 노면에서의 제동 성능 향상과 함께 회전 저항 성능을 유지할 수 있는 효과를 위한 것으로, 바람직하게는 스티렌-부타디엔 고무 겔의 표면에 설프히드릴기가 위치한 것일 수 있다. 상기 스티렌-부타디엔 고무 겔은 원료고무와 화학적 결합을 함으로써 고도로 크로스 링크(Cross-link)된 코어 부분에 의해 0 내지 40 ℃의 낮은 온도 영역에서의 히스테리시스(Hysteresis)가 높아지게 됨에 따라 마른 노면 또는 젖은 노면에서의 제동 성능이 향상되는 효과가 있다. 또한 50 내지 80 ℃의 높은 온도 영역에서의 히스테리시스는 크게 영향 받지 않음에 따라 타이어의 회전 저항 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.
상기 스티렌-부타디엔 고무 겔은 설프히드릴기를 10 내지 25 mg　KOH/g　gel로 포함한다. 상기 설프히드릴기의 함량이 10 mg　KOH/g　gel 미만인 경우 원료고무와 커플링제의 화학적 결합이 감소함에 따라 마른 노면 또는 젖은 노면에서의 제동 성능이 저하되는 문제가 있고, 25 mg　KOH/g　gel를 초과하는 경우 가공성이 불리해지고 회전 저항 성능이 감소하는 문제가 있다.
상기 스티렌-부타디엔 고무 겔은 상기 원료고무 100 중량부를 기준으로 5 내지 10 중량부로 포함될 수 있다. 상기 스티렌-부타디엔 고무 겔의 함량이 5 중량부 미만이면 타이어의 제동 성능 향상 효과가 미미하고, 10 중량부를 초과하면 가공성이 불리해지고 회전 저항 성능이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 스티렌-부타디엔 고무 겔은 입경이 10 내지 25 nm 이고, 유리전이온도(Tg)가 -20 ℃ 내지 -10 ℃일 수 있다. 상기 스티렌-부타디엔 고무 겔의 유리전이온도가 상기 범위 내에 있는 경우 가공성 및 제동성능을 떨어뜨리지 않고 회전 저항 성능이 우수해지는 효과를 얻을 수 있고, 겔의 입경이 상기 범위 내에 있는 경우 또한 상기 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본원의 타이어 트레드용 고무 조성물은 선택적으로 추가적인 실란 커플링제, 가황제, 가황촉진제, 가황촉진조제, 노화방지제, 연화제, 지연제 또는 점착제 등의 각종의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 각종의 첨가제는 본 발명이 속하는 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 이들의 함량은 통상적인 타이어 트레드용 고무 조성물에서 사용되는 배합비에 따르는 바, 특별히 한정되지 않는다.
상기 실란 커플링제는 원료고무와 스티렌-부타디엔 고무 겔의 화학적 결합성을 향상시키기 위해 사용될 수 있고, 알콕시폴리설파이드 실란 화합물 중 비스-(트리 에톡시 실릴 프로필)다이설파이드(TESPD) 및 비스-3-트리에톡시 실릴프로필 테트라설파이드(TESPT) 등을 들 수 있으며, TESPT는 에보닉 데구사에서 상품명 Si75로 판매되며, TESPD는 에보닉 데구사에서 상품명 Si69로 카본 블랙 50%와 X50S 50% 블렌드하여 상업적으로 판매되는 것이다. 상기 실란 커플링제는 상기 원료고무 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 10 중량부로 포함된다. 상기 실란 커플링제의 함량이 상기 범위 내에 있는 경우 커플링 효율이 극대화 되는 장점이 있다.
상기 가황제로는 유황계 가황제를 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 유황계 가황제는 분말 황(S), 불용성 황(S), 침강 황(S), 콜로이드(colloid) 황 등의 무기 가황제를 사용할 수 있다. 상기 유황계 가황제로는 구체적으로 원소 유황 또는 유황을 만들어 내는 가황제, 예를 들면 아민 디설파이드(amine disulfide), 고분자 유황 등을 사용할 수 있다.
상기 가황제는 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 1 내지 2 중량부로 포함되는 것이 적절한 가황 효과로서 원료고무가 열에 덜 민감하고 화학적으로 안정하게 해준다는 점에서 바람직하다.
상기 가황촉진제는 가황 속도를 촉진하거나 초기 가황 단계에서 지연작용을 촉진하는 촉진제(accelerator)를 의미한다.
상기 가황촉진제로는 술펜아미드계, 티아졸계, 티우람계, 티오우레아계, 구아니딘계, 디티오카르밤산계, 알데히드-아민계, 알데히드-암모니아계, 이미다졸린계, 크산테이트계 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 술펜아미드계 가황촉진제로는, 예컨대 N-시클로헥실-2-벤조티아졸술펜아미드(CBS), N-tert-부틸-2-벤조티아졸술펜아미드(TBBS), N,N-디시클로헥실-2-벤조티아졸술펜아미드, N-옥시디에틸렌-2-벤조티아졸술펜아미드, N,N-디이소프로필-2-벤조티아졸술펜아미드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 술펜아미드계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 티아졸계 가황촉진제로는, 예컨대 2-머캅토벤조티아졸(MBT), 디벤조티아졸디설파이드(MBTS), 2-머캅토벤조티아졸의 나트륨염, 2-머캅토벤조티아졸의 아연염, 2-머캅토벤조티아졸의 구리염, 2-머캅토벤조티아졸의 시클로헥실아민염, 2-(2,4-디니트로페닐)머캅토벤조티아졸, 2-(2,6-디에틸4-모르폴리노티오)벤조티아졸 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 티아졸계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 티우람계 가황촉진제로는, 예컨대 테트라메틸티우람디설파이드(TMTD), 테트라에틸티우람디설파이드, 테트라메틸티우람모노설파이드, 디펜타메틸렌티우람디설파이드, 디펜타메틸렌티우람모노설파이드, 디펜타메틸렌티우람테트라설파이드, 디펜타메틸렌티우람헥사설파이드, 테트라부틸티우람디설파이드, 펜타메틸렌티우람테트라설파이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 티우람계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 티오우레아계 가황촉진제로는, 예컨대 티아카르바미드, 디에틸티오요소, 디부틸티오요소, 트리메틸티오요소, 디오르토톨릴티오요소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 티오우레아계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 구아니딘계 가황촉진제로는, 예컨대 디페닐구아니딘, 디오르토톨릴구아니딘, 트리페닐구아니딘, 오르토톨릴비구아니드, 디페닐구아니딘프탈레이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 구아니딘계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 디티오카르밤산계 가황촉진제로는, 예컨대 에틸페닐디티오카르밤산아연, 부틸페닐디티오카르밤산아연, 디메틸디티오카르밤산나트륨, 디메틸디티오카르밤산아연, 디에틸디티오카르밤산아연, 디부틸디티오카르밤산아연, 디아밀디티오카르밤산아연, 디프로필디티오카르밤산아연, 펜타메틸렌디티오카르밤산아연과 피페리딘의 착염, 헥사데실이소프로필디티오카르밤산아연, 옥타데실이소프로필디티오카르밤산아연 디벤질디티오카르밤산아연, 디에틸디티오카르밤산나트륨, 펜타메틸렌디티오카르밤산피페리딘, 디메틸디티오카르밤산셀레늄, 디에틸디티오카르밤산텔루늄, 디아밀디티오카르밤산카드뮴 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 디티오카르밤산계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 알데히드-아민계 또는 알데히드-암모니아계 가황촉진제로는, 예컨대 아세트알데히드-아닐린 반응물, 부틸알데히드-아닐린 축합물, 헥사메틸렌테트라민, 아세트알데히드-암모니아 반응물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 알데히드-아민계 또는 알데히드-암모니아계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 이미다졸린계 가황촉진제로는, 예컨대 2-머캅토이미다졸린 등의 이미다졸린계 화합물을 사용할 수 있고, 상기 크산테이트계 가황촉진제로는, 예컨대 디부틸크산토겐산아연 등의 크산테이트계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 가황촉진제는 가황 속도 촉진을 통한 생산성 증진 및 고무 물성의 증진을 극대화시키기 위하여 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 1 내지 3 중량부로 포함될 수 있다.
한편, 상기 가황촉진조제는 상기 가황촉진제와 병용하여 그 촉진 효과를 완전하게 하기 위해서 사용되는 배합제로서, 무기계 가황촉진조제, 유기계 가황촉진조제 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 무기계 가황촉진조제로는 산화아연(ZnO), 탄산아연(zinc carbonate), 산화마그네슘(MgO), 산화납(lead oxide), 수산화 칼륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 유기계 가황촉진조제로는 스테아린산, 스테아린산 아연, 팔미트산, 리놀레산, 올레산, 라우르산, 디부틸 암모늄-올레이트(dibutyl ammonium oleate), 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
특히, 상기 가황촉진조제로서 상기 산화아연과 상기 스테아린산을 함께 사용할 수 있으며, 이 경우 상기 산화아연이 상기 스테아린산에 녹아 상기 가황촉진제와 유효한 복합체(complex)를 형성하여, 가황 반응 중 유리한 황을 만들어냄으로써 고무의 가교 반응을 용이하게 한다.
상기 산화아연과 상기 스테아린산을 함께 사용하는 경우 적절한 가황촉진조제로서의 역할을 위하여 각각 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부 및 0.5 내지 3 중량부로 사용할 수 있다. 상기 산화아연과 상기 스테아린산의 함량이 상기 범위 미만인 경우 가황 속도가 느려 생산성이 저하될 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우 스코치 현상이 발생하여 물성이 저하될 수 있다.
한편, 상기 노화방지제는 산소에 의해서 타이어가 자동 산화되는 연쇄반응을 정지시키기 위하여 사용되는 첨가제이다. 상기 노화방지제로는 아민계, 페놀계, 퀴놀린계, 이미다졸계, 카르밤산 금속염, 왁스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
상기 아민계 노화방지제로는 N-페닐-N'-(1,3-디메틸)-p-페닐렌디아민, N-(1,3-디메틸부틸)-N'-페닐-p-페닐렌디아민, N-페닐-N'-이소프로필-p-페닐렌디아민, N,N'-디페닐-p-페닐렌디아민, N,N'-디아릴-p-페닐렌디아민, N-페닐-N'-사이클로헥실 p-페닐렌디아민, N-페닐-N'-옥틸-p-페닐렌디아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 페놀계 노화방지제로는 페놀계인 2,2'-메틸렌-비스(4-메틸-6-tert-부틸페놀), 2,2'-이소부틸리덴-비스(4,6-디메틸페놀), 2,6-디-t-부틸-p-크레졸 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 퀴놀린계 노화방지제로는 2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린 및 그 유도체를 사용할 수 있고, 구체적으로 6-에톡시-2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린, 6-아닐리노-2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린, 6-도데실-2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 왁스로는 바람직하게 왁시 하이드로카본을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 노화방지제는 노화 방지 작용 이외에 고무에 대한 용해도가 커야 하고, 휘발성이 작고 고무에 대하여 비활성이어야 하며, 가황을 저해하지 않아야 한다는 등의 조건을 고려할 때, 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부로 포함될 수 있다.
한편, 상기 연화제는 고무에 가소성을 부여시켜 가공을 용이하게 하기 위하여 또는 가황 고무의 경도를 저하시키기 위하여 고무 조성물에 첨가되는 것으로, 고무 배합시나 고무 제조시에 사용되는 오일류 기타 재료를 의미한다. 상기 연화제는 가공오일(Process oil) 또는 기타 고무 조성물에 포함되는 오일류를 의미한다. 상기 연화제로는 석유계 오일, 식물유지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 석유계 오일로는 파라핀계 오일, 나프텐계 오일, 방향족계 오일 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 파라핀계 오일의 대표적인 예로 미창 오일 주식회사의 P-1, P-2, P-3, P-4, P-5, P-6 등을 들 수 있고, 상기 나프텐계 오일의 대표적인 예로는 미창 오일 주식회사의 N-1, N-2, N-3 등을 들 수 있으며, 상기 방향족계 오일의 대표적인 예로는 미창 오일 주식회사의 A-2, A-3 등을 들 수 있다.
그러나, 최근 환경 의식의 고조와 함께 상기 방향족계 오일에 포함된 폴리사이클릭 아로마틱 탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, 이하 PAHs라 한다)의 함량이 3 중량% 이상일 때는 암 유발 가능성이 높은 것으로 알려져 있는바, TDAE(treated distillate aromatic extract) 오일, MES(mild extraction solvate) 오일, RAE(residual aromatic extract) 오일 또는 중질 나프텐성 오일을 바람직하게 사용할 수 있다.
특히, 상기 연화제로서 사용하는 오일은 상기 오일 전체에 대하여 PAHs 성분의 총 함량이 3중량% 이하이고, 동점도가 95 이상(210℉ SUS), 연화제 내의 방향족 성분이 15 내지 25중량%, 나프텐계 성분이 27 내지 37중량% 및 파라핀계 성분이 38 내지 58중량%인 TDAE 오일을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 TDAE 오일은 상기 TDAE 오일을 포함한 타이어 트레드의 저온 특성, 연비 성능을 우수하게 하면서도 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 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 40 내지 60 중량부로 사용하는 것이 원료고무의 가공성을 좋게 한다는 점에서 바람직하다.
한편, 상기 지연제로는 프탈산 무수물, 살리실산, 나트륨 아세테이트, N-시클로헥실 티오프탈이미드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 지연제는 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 0.1 내지 0.5 중량부일 수 있다.
그리고, 상기 점착제는 고무와 고무 사이의 접착(tack) 성능을 더욱 향상시켜 주고, 충진제와 같은 기타 첨가제들의 혼합성, 분산성 및 가공성을 개선시켜 고무 조성물의 물성 향상에 기여한다.
상기 점착제로는 로진(rosin)계 수지 또는 테르펜(terpene)계 수지와 같은 천연수지계 점착제와 석유수지, 콜타르(coal tar) 또는 알킬 페놀계 수지 등의 합성수지계 점착제를 사용할 수 있다.
상기 로진계 수지는 로진 수지, 로진 에스터 수지, 수소첨가 로진 에스터 수지, 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 테르펜계 수지는 테르펜 수지, 테르펜 페놀 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 석유수지는 지방족계 수지, 산 개질 지방족계 수지, 지환족계 수지, 수소첨가 지환족계 수지, 방향족계(C9) 수지, 수소첨가 방향족계 수지, C5-C9 공중합 수지, 스티렌 수지, 스티렌 공중합 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 콜타르는 쿠마론-인덴 수지(coumarone-indene resin)일 수 있다.
상기 알킬 페놀 수지는 p-터트-알킬 페놀 포름알데하이드 수지 또는 레조시놀 포름알데하이드 수지일 수 있고, 상기 p-터트-알킬 페놀 포름알데하이드 수지는 p-터트-부틸-페놀 포름알데하이드 수지, p-터트-옥틸-페놀 포름알데하이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 점착제는 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 2 내지 4 중량부로 포함될 수 있다. 상기 점착제의 함량이 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 2 중량부 미만이면 접착 성능이 불리해질 수 있고, 4 중량부를 초과하면 고무 물성이 저하될 수 있다.
한편, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 트레드부에만 한정되지 않고, 트레드(트레드 캡 및 트레드 베이스) 등의 타이어를 구성하는 다양한 고무 구성 요소에 포함될 수 있다. 상기 고무 구성 요소로는 사이드월, 사이드월 삽입물, 에이펙스(apex), 채퍼(chafer), 와이어 코트 또는 이너라이너 등을 들 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 타이어는 전술한 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 것을 특징으로 한다.
상기 타이어는 승용차용 타이어, 경주용 타이어, 비행기 타이어, 농기계용 타이어, 오프로드(off-the-road) 타이어, 트럭 타이어 또는 버스 타이어 등일 수 있다. 또한, 상기 타이어는 레디얼(radial) 타이어 또는 바이어스(bias) 타이어일 수 있으며, 레디얼 타이어인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[제조예: 고무 조성물의 제조]
하기 표 1과 같은 조성을 이용하여 하기의 실시예 및 비교예들에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 제조하였다. 상기 고무 조성물의 제조는 통상의 고무 조성물의 제조방법에 따랐다.
비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예 1 실시예 2
원료고무 E-SBR (1) 41.25 41.25 41.25 41.25 41.25
S-SBR -(2) 96.25 96.25 96.25 96.25 96.25
스티렌-부타디엔 고무 겔 (3) - 1 15 5 10
실리카 (4) 65 65 65 65 65
카본 블랙 (5) 25 25 25 25 25
커플링제 (6) 10.4 10.4 10.4 10.4 10.4
연화제 (7) 10 10 10 10 10
레진 (8) 10 10 10 10 10
산화아연 2 2 2 2 2
스테아린산 1 1 1 1 1
노화방지제 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5
가황제 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
가황촉진제 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5
(단위: 중량부)
(1) E-SBR: 스티렌 함량이 15중량%, 부타디엔 내의 비닐 함량이 10중량%인 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무(SBR), TDAE Oil 37.5Phr extended
(2) S-SBR: 스티렌 함량이 15중량%, 부타디엔 내의 비닐 함량이 42중량%인 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무(SBR), TDAE Oil 37.5Phr extended
(3) 스티렌-부타디엔 고무 겔: 설프히드릴기를 함유한 유리전이온도(Tg)가 20 ℃인 스티렌-부타디엔 고무 겔
(4) 실리카: BET(Brunauer-Emmett-Teller) 비표면적이 160 내지 180 m2/g이고, DBP 흡유량이 180 내지 200 cc/100g 인 침강성 실리카
(5) 카본 블랙: 요오드 흡착량이 200 내지 300 mg/g이고, DBP 흡유량이 120 내지 140 cc/100g 인 카본 블랙
(6) 커플링제: Degussa제 Si69
(7) 연화제: 동점도 98 ℃, 연화제 내 아로마틱계 성분 20 중량%, 나프텐계 성분 32 중량% 및 파라핀계 성분 48 중량%를 포함하는 가공오일(H&R제 Vivatec500)
(8) 레진: 코오롱인더스트리제 P-90 (연화점 80 내지 100 ℃)
(9) 산화아연: 한일화학공업제 ZnO
(10) 스테아린산: LG생활건강제 스테아린산
(11) 노화방지제: Lanxess제 Vulkanox HS/LG
(12) 가황제: 유황(1% oil treated sulfur)
(13) 가황촉진제: Lanxess제 NS(TBBS, N-tert-부틸-2-벤조티아졸술펜아미드)
[실험예: 제조된 고무 조성물의 물성 측정]
상기 고무 조성물로 제조된 시편에 대하여 물성 테스트를 실시하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예 1 실시예 2
무니점도(100 ℃) 80 82 105 85 92
경도 (Shore A) 72 72 76 73 74
300% 모듈러스(MPa) 18.5 18.6 19.6 18.8 19.1
0 ℃ tanδ 0.375 0.425 0.440 0.440 0.475
30 ℃ tanδ 0.279 0.311 0.373 0.323 0.348
60 ℃ tanδ 0.240 0.251 0.268 0.253 0.258
상기 표 2에서, 무니점도(ML1+4(100℃))는 ASTM 규격 D1646에 의해 측정하였다. 무니점도는 미가류 고무의 점도를 나타내는 값으로, 그 값이 낮을수록 미가류 고무의 가공성이 우수하다.
경도는 DIN 53505에 의해 측정하였다. 조종 안정성을 나타내는 것으로 그 값이 높을수록 조종 안정성이 우수하다.
300% 모듈러스는 ISO 37 규격에 의해 측정하였다.
점탄성은 ARES 측정기를 사용하여 0.5% 변형(strain)에 10Hz Frequency 하에서 -60 ℃ 에서 60 ℃까지 tanδ를 측정하였다. 0 ℃ tanδ는 젖은 노면에서의 제동 특성을 나타내고, 30 ℃ tanδ는 마른 노면에서의 제동 특성을 나타내는 것으로, 그 수치가 높을수록 제동 성능이 우수함을 의미한다. 또한 60 ℃ tanδ는 회전 저항 특성을 나타내는 것으로, 그 수치가 낮을수록 회전 저항 성능이 우수함을 의미한다.
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 트레드 고무 조성물에 의해 제조된 실시예 1 내지 2의 고무는 종래 트레드 고무 조성물인 비교예 1 내지 비교예 3의 고무 시편에 비해 조정 안정성은 유지하면서 제동 성능과 마모 성능, 회전저항 특성이 모두 향상되었음을 알 수 있다.
[실험예: 제조된 타이어의 제동 성능 및 회전 저항 성능 측정]
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 고무로 트레드를 제조하고, 이 트레드를 반제품으로 포함하는 275/40R19 규격의 타이어를 제조한 뒤 해당 타이어의 젖은 노면, 마른 노면에서의 제동 거리 및 회전 저항 성능 테스트를 실시하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 비교예 1에 따른 고무로 트레드를 제조한 타이어의 제동 성능 및 회전 저항 성능을 100으로 하여 각각의 상대 비율을 기재하였으며, 그 값이 높을수록 각 성능이 우수함을 의미한다.
비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예 1 실시예 2
젖은 노면 제동 성능 100 103 112 105 108
마른 노면 제동 성능 100 103 111 104 107
회전 저항 성능 100 99 94 98 97
상기 표 3을 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 2에 따른 고무로 트레드를 제조한 타이어의 회전 저항의 큰 저하없이 젖은 노면 및 마른 노면에서의 제동 성능이 크게 향상됨을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (6)

  1. 원료고무 100 중량부;
    실리카 55 내지 85 중량부;
    카본 블랙 10 내지 50 중량부; 및
    설프히드릴기를 포함하고 직경이 10 내지 25 mm이며 유리전이온도(Tg)가 -20 ℃ 내지 -10 ℃인 스티렌-부타디엔 고무 겔 5 내지 10 중량부를 포함하고,
    상기 원료고무는 스티렌 함량이 5 내지 20 중량% 및 비닐 함량이 35 내지 50 중량%인 스티렌-부타디엔 고무를 포함하는 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  2. 제1항에서,
    상기 스티렌-부타디엔 고무 겔은 설프히드릴기를 10 내지 25 mg KOH/g gel로 포함하는, 타이어 트레드용 고무 조성물.
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 실리카는 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 비표면적이 160 내지 180 m2/g이고, DBP 흡유량이 180 내지 200 cc/100g 인, 타이어 트레드용 고무 조성물.
  5. 제1항에서,
    상기 카본 블랙은 요오드 흡착량이 200 내지 300 mg/g이고, DBP 흡유량이 120 내지 140 cc/100g 인, 타이어 트레드용 고무 조성물.
  6. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항 중 어느 한 항에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어.
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