KR102546469B1

KR102546469B1 - 내구성과 내마모성이 우수한 공기입 타이어

Info

Publication number: KR102546469B1
Application number: KR1020210061663A
Authority: KR
Inventors: 김청수
Original assignee: 금호타이어 주식회사
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2023-06-22
Also published as: KR20220153973A

Abstract

본 발명은 내구성과 내마모성이 우수한 공기입 타이어를 개시한다.
본 발명에 따르는 내구성과 내마모성이 우수한 공기입 타이어는 원료고무, 실리카 및 실란커플링제를 포함하는 트레드고무를 포함하고, 상기 실란커플링제는 아래 화학식 1로 나타내는 것을 특징으로 하는데, 이에 의할 때 가공성 및 보강성을 향상시켜서 고무조성물의 가교밀도를 증가시키는 동시에 마모성능을 확보하여 내구력과 마모성능이 향상되는 효과를 발휘한다.
<화학식 1>

Description

내구성과 내마모성이 우수한 공기입 타이어{Pneumatic tire with excellent durability and wear-resistance}

본 발명은 내구성과 내마모성이 우수한 공기입 타이어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가공성 및 보강성을 향상시켜서 고무조성물의 가교밀도를 증가시키는 동시에 마모성능을 확보하여 내구력과 마모성능이 향상된 내구성과 내마모성이 우수한 공기입 타이어에 관한 것이다.

타이어 트레드 부위는 차량이 이동하면서 지면과 직접 접촉하는 부위로서 타이어와 타이어의 내마모성, 연비에 영향을 주는 회전저항, 인장강도 등의 특성이 우수할 필요가 있다.

이러한 타이어 트레드 고무조성물에 사용되는 다양한 첨가제 중에서 내마모성 및 인장강도를 향상시키기 위해 카본블랙(Carbon black)을 주된 충진제로서 사용하였다.

그러나, 저연비 성능 및 젖은 노면 제동성능 저감의 문제가 있어 이를 개선하기 위하여 카본블랙을 대체하여 실리카를 많이 사용하고 있다.

이러한 실리카를 보강재로 타이어 고무조성물에 사용할 경우, 젖은 노면 마찰력을 향상시키고 회전 저항이 감소하는 이점이 있지만, 강한 극성기(-OH) 때문에 비극성 고무와의 혼화성이 나쁘고, 실리카 사이의 응집력이 강해서 가공 측면에서 불리한 단점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 실란 커플링제가 개발되어 이를 사용하게 되었고 가장 널리 이용되는 실란커플링제로 Bis(triethoxysilypropyl)tetrasulfide; 이하 TESPT)를 사용되고 있으나 최근에는 성능적으로 뛰어난 메르캅토실란이 사용되고 있는 추세이다.

메르캅토실란은 휘발성 유기화합물(VOC) 방출을 감소시키고, 필러의 분산성을 향상시킬 수 있으며, 회전 저항, 발열 특성 및 마모 성능을 향상시키는 장점이 있다.

그러나 이러한 메르캅토실란의 메르캅토기(-SH) 특성상 폴리머와의 반응이 100%라고 알려져있어, 스코치(Scorch)타임이 짧아 가공성이 저하되고 보강성 역시 하락하는 문제점이 있다.

일본국 공개특허공보 제2020-83976호(2020.06.04)

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 가공성 및 보강성을 향상시켜서 고무조성물의 가교밀도를 증가시키는 동시에 마모성능을 확보하여 내구력과 마모성능이 향상된 내구성과 내마모성이 우수한 공기입 타이어를 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 원료고무, 실리카 및 실란커플링제를 포함하는 트레드고무를 포함하고, 상기 실란커플링제는 아래 화학식 1로 나타내는 것을 특징으로 하는 내구성과 내마모성이 우수한 공기입 타이어를 제공한다.
<화학식 1>

(R1는 탄소수 5 내지 20의 알킬기이고, n은 1 내지 3이며, x는 1 내지 5인 정수이며, R3는 에톡시임)

삭제

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 상기 실란커플링제 1 내지 20 중량부를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 실란커플링제에는 아래 화학식 2에 의한 화합물을 더 포함하는 것일 수 있다.

<화학식 2>

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 실란커플링제에는 아래 화학식 3에 의한 화합물을 더 포함하는 것일 수 있다.

<화학식 3>

본 발명에 따르는 내구성과 내마모성이 우수한 공기입 타이어에 의하면, 가공성 및 보강성을 향상시켜서 고무조성물의 가교밀도를 증가시키는 동시에 마모성능을 확보하여 내구력과 마모성능이 향상되는 효과를 발휘한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하며, 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

또한, 본 발명은 특정한 부분을 상세히 기술하나, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이어서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

본 발명에 따르는 내구성과 내마모성이 우수한 공기입 타이어는 원료고무, 실리카 및 실란커플링제를 포함하는 트레드고무를 포함하고, 상기 실란커플링제는 아래 화학식 1로 나타내는 것을 특징으로 한다.

<화학식 1>

삭제

상기 화학식 1에서 R1이 탄소수가 5미만이면 폴리머와의 결합 네트워크 형성이 저하되는 문제가 있고, 반대로 20을 초과하면 결합 길이가 길어져 입체장애로 인한 실란과의 반응이 저하될 수 있다.

또한, R2가 탄소수가 3개를 초과하면 결합 길이가 길어져(체인의 길이) 오히려 실리카의 표면을 물리적으로 차폐해 실란과의 반응을 저해시킬 수 있다.

아울러, R3는 에톡시기, 메톡시기를 사용할 수 있으며 메톡시기는 배합시 부산물로 나오는 메탄올의 유해성이 있으므로 이에 대한 별도의 처리가 필요하다.

예를 들어 아래 화학식 2와 같은 에스테르화 실란커플링제를 볼 수 있다.

<화학식 2>

또한, 에스테르화 실란커플링제에서 R1의 탄소수를 늘린 커플링제는 화학식 3에서 볼 수 있다.

<화학식 3>

아울러, 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 상기 실란커플링제 1 내지 20 중량부를 포함할 수 있는데, 만일 1중량부 미만이면 공정성 및 마모 특성에 대한 문제가 생길 수 있고, 반대로 20중량부를 초과하게 되면 물성이 하락할 뿐만 아니라, 회전저항 특성이 저감될 수 있다.

상기 원료고무는 천연고무, 합성고무 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.

상기 합성고무는 스티렌부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 부틸고무, 유화 중합 스티렌 부타디엔 고무(E-SBR), 용액 중합 스티렌 부타디엔 고무(S-SBR), 에피클로로히드린 고무, 니트릴 고무, 수소화된 니트릴 고무, 브롬화폴리이소부틸이소프렌-co-파라메틸스티렌(brominated polyisobutyl isoprene-co-paramethyl styrene; BIMS) 고무, 우레탄 고무, 불소 고무, 실리콘 고무, 스티렌에틸렌부타디엔스티렌 공중합체 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 에틸렌프로필렌디엔 모노머 고무, 하이팔론 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌비닐아세테이트 고무 및 아크릴 고무로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.

아울러, 상기 실리카는 BET 표면적 90~250㎡/g인 것을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르는 트레드고무에는 카본블랙을 더 포함할 수 있으며, 이러한 카본블랙은 비표면적 140㎡/g 이하의 입자를 사용하는 것이 분산 및 마모 측면에서 바람직하다.

한편, 본 발명에 따르는 트레드고무의 배합시에 원료고무, 실리카, 실란커플링제 외에 카본블랙은 물론, 노화방지제, 황, DPG, 산화아연, 스테아린산 등과 같은 기능성 첨가제를 더 포함하여 배합할 수 있음은 물론이다.

비교예 1 내지 3, 실시예 1, 2

아래 표 1에서 볼 수 있는 원재료들을 배합하여 트레드고무를 제조하였다.

구분	비교예1	비교예2	비교예3	실시예1	실시예2
SBR	73	73	73	73	73
BR	27	27	27	27	27
실리카	70.0	70.0	70.0	70.0	70.0
실란 커플링제1	7.0
실란 커플링제2		7.0
실란 커플링제3				7.0
실란 커플링제4					7.0
카본블랙	4.4	4.4	4.4	4.4	4.4
산화아연	2.6	2.6	2.6	2.6	2.6
스테아린산	1.8	1.8	1.8	1.8	1.8
노화방지제	1.3	1.3	1.3	1.3	1.3
황	1.3	1.3	1.3	1.3	1.3
DPG	1.8	1.8	1.8	1.8	1.8

단위: 중량부

1. SBR : 스티렌 함량 25%, 부타디엔 함량 63%

2. BR : KBR01 (KKPC社)

3. 실리카 : 질소흡착 비표면적이 210m²/g인 실리카

4. 실란 커플링제1 : Bis-(triethoxysilyl-propyl)-tetrasulfide(TESPT, Si-69)

5. 실란 커플링제2 : 3-(Triethoxysilyl)propanethiol, reaction products with ethoxylated C13-alcohol (Mercapto Silane)

6. 실란 커플링제3 : 화학식 2로 표시되는 실란커플링제

7. 실란 커플링제4 : 화학식 3으로 표기되는 실란커플링제

8. 카본블랙 : DBP 표면적이 100m²/g인 카본블랙

9. 산화아연 : Zinc Oxide

10. 스테아린산 : LG 생활건강 (ELOFAD TH100)

11. 노화방지제 : N-(1,3-디메틸부틸)-N'-페닐-P-페닐렌디아민 (KUMANOX 13)

12. 황 : 미원화학 (MIDAS-101)

13. DPG : N,N' -diphenylguanidine

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 각각의 고무시편에 대해 무니(Mooney)점도, 인장물성(Tensile), 동적점탄성(DMA), 마모(Din Abrasion)의 물성을 ASTM 관련규정에 의해 측정하고 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.

항목		비교예1	비교예2	비교예3	실시예1	실시예2
가교밀도 (x10^-5)		9.40	9.15	9.21	9.61	9.42
무니점도	MV@125℃	57	74	-	69	63
	T05	26.1	16.3	-	25.1	25.3
	MV@100℃	64	83	100	73	70
인장물성	경도	65	65	73	66	71
	300%-M	137	132	117	139	135
	T.S	210	198	210	208	199
	E.B	362	372	366	366	376
DMA	Tg	-23	-22	-23	-23	-22
	tanδ@0℃ [Index]	0.312 [100]	0.328 [105]	0.304 [97]	0.332 [106]	0.295 [95]
	tanδ@70℃ [Index]	0.115 [100]	0.097 [116]	0.125 [91]	0.100 [113]	0.118 [97]
DIN	Loss(g) [Index]	0.120 [100]	0.141 [83]	0.159 [68]	0.111 [108]	0.120 [100]

상기 무니점도 중 MV@100℃는 원주방향으로 여러 개의 홈을 낸 상하단 로터(rotor) 사이에 배합고무를 넣어 100℃에서 회전시키면, 로터 사이에 전단 거동이 형성되고 이에 따른 토크(회전하는 로터에 대한 고무의 저항)을 측정하는 것이며 점도수치가 낮을수록 공정성에 유리하나, 너무 낮은 경우에는 탄성력이 떨어지게 되어 타이어 고무 특성을 발휘하기 어렵다.

상기 무니점도 중 MV@125℃는 125℃ 무니점도 측정에서의 점도(Viscosity) 최소 Torque값을 의미한다.

상기 무니점도 중 T05(Moonye scorch time)는 ML+5unit 때의 시간(min)을 의미하는 것으로서, 상기 ML은 5℃무니점도 측정에서의 점도 최소 Torque값을 가질 때의 시간(min)을 의미한다.

경도는 실수치로서 수치가 높을수록 경도가 우수함을 의미한다.

300% 모듈러스(Modulus)는 고무시편을 300% 신장시의 인장강도로서, ASTM규격에 의해 측정하였고, 수치가 높을수록 우수한 인장강도를 나타낸다.

T.S는 재료의 인장 시험에 있어서 시험편이 파단될 때까지의 최대 인장 하중을 시험 전 시험편의 단면적으로 나눈 값으로 수치가 클수록 장력 강도가 우수함을 의미한다.

E.B 는 재료의 인장시험 때 재료가 늘어나는 신장 비율로 수치가 클수록 신장율이 우수함을 의미한다.

Tg 는 고분자 물질이 열에 의해 고분자 가지들이 활성을 가지며 움직이기 시작하는 온도를 의미한다.

tanδ@ 0℃는 DMA(Dynamic Mechanical Analysis) 시험기에 의해서 측정되며 11Hz로 측정한 결과로, 젖은노면 제동성능의 인덱스로 사용되며, 수치가 높을수록 젖은 노면 제동성능이 우수함을 의미한다.

tanδ@ 70℃는 DMA(Dynamic Mechanical Analysis)시험기에 의해서 측정되며 11Hz로 측정한 결과로, 회전저항성능의 인덱스로 사용되며, 수치가 낮을수록 회전저항성능이 우수함을 의미한다.

DIN 마모 시험은 타이어 마모 예측을 위해 평가하는 항목으로 수치가 낮을수록 마모특성이 우수함을 의미한다.

상기 표 2를 참조하면, 본 발명에 따르는 실시예의 경우에 종래 비교예 보다 스코치 타임이 길어져 가공성이 매우 향상하는 것을 알 수 있으며, 그럼에도 Modulus, T.S 특성은 종래와 유사한 정도를 가짐을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예는 비교예 보다 무니점도 83인 것을 73까지 낮출 수 있었고, 가교밀도가 높아져서 RR성능 및 내마모성이 향상된 것을 확인할 수 있다.

항목		비교예1	비교예2	비교예3	실시예1	실시예2
ECE-R30	시간 Index	100	99	97	103	101
DOT-139(E)	시간Index	100	100	98	102	100
실차 마모	마모Index	100	99	95	105	102

상기 표 3은 실시예와 비교예에 따르는 트레드고무조성물을 트레드로 하여 205/60 R16 TA31 PCR 규격인 타이어를 시편으로 제작하여 타이어 완제품 내구력 및 마모시험 결과를 나타낸 표이다.

위 표 3을 보면, 본 발명에 따르는 실시예에 의한 평가 결과가 마모 성능이 가장 우수함을 알 수 있다.

따라서 본원발명에 따르는 실란커플링제를 고무조성물에 첨가하여도 기존 물성들을 유지하면서도 종래의 메르캅토실란이 가지고 있는 단점인 가공성과 마모성 저하를 방지하는 효과를 발휘함을 알 수 있다.

Claims

원료고무, 실리카 및 실란커플링제를 포함하는 트레드고무를 포함하고,
상기 실란커플링제는 아래 화학식 1로 나타내는 것이며,
상기 원료고무 100 중량부에 대하여 상기 실란커플링제 1 내지 20 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 내구성과 내마모성이 우수한 공기입 타이어.
<화학식 1>

(R1는 탄소수 5 내지 20의 알킬기이고, n은 1 내지 3이며, x는 1 내지 5인 정수이며, R3는 에톡시임)
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 실란커플링제에는 아래 화학식 2에 의한 화합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내구성과 내마모성이 우수한 공기입 타이어.
<화학식 2>
제 1 항에 있어서,
상기 실란커플링제에는 아래 화학식 3에 의한 화합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내구성과 내마모성이 우수한 공기입 타이어.
<화학식 3>