KR102548319B1 - 회전저항이 향상된 다중오일을 포함하는 타이어 트레드 고무 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것으로서, 다중오일을 적용하여 회전저항, 마모 성능을 향상시킨 타이어 고무 조성물과 이를 트레드에 적용한 타이어에 관한 것이다.

Description

회전저항이 향상된 다중오일을 포함하는 타이어 트레드 고무 조성물 {Tire tread rubber compound including multiple process oil}

본 발명은 프로세스 오일을 포함하는 타이어 트레드 고무 조성물에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 아로마틱계 오일과 파라핀계 오일을 포함하는 다중오일을 적용하여 타이어 고무의 경도와 모듈러스를 향상시키며, 회전저항 성능을 향상시키고 그와 동시에 마모 성능과 공정성이 향상된 타이어 고무 조성물에 관한 것이다.

환경 문제에 대한 규제는 세계적으로 점점 강화되고 있는 상황 속에서, 차량 배출가스에 대한 규제도 유럽을 중심으로 대두되고 있다. 특히, WLTP (Worldwide Harmonized Light vehicles Test Procedure)라는 새로운 연비 측정 방식이 도입됨에 따라 2017년 9월 이후 변경된 방식을 적용하게 되었다.

WLTP 평가법은 기존 NEDC (New European Driving Cycle) 방식에 비하여 측정 주행시간이 길고, 급가속, 감속은 물론 초고속 주행 구간에서 평가를 진행하기 때문에 기존 평가법 대비 배기가스가 더 많이 배출되게 된다.

이러한 이유로 연비를 개선하기 위해 지면에 바로 접촉하여 차량의 주행성능에 직접적인 영향을 주는 트레드 고무 조성물에 관한 연구가 진행되고 있다. 종래에는 트레드 고무 조성물의 히스테리시스(Hysteresis)를 감소시키는 원리를 이용하여 보강재의 투입량을 줄이거나 개질된 구조의 실리카의 사용, 카본 블랙의 입자경 변경에 따른 특성에 기인하는 방식을 주로 사용해 왔다.

그러나 타이어 트레드 조성물에 대한 보강재 투입량 감소는 타이어 강성을 저하시켜 차량 하중을 버티기 힘들 뿐 아니라 마모 성능이 하락하는 문제점이 있었다. 즉, 카본블랙과 새로운 실리카의 특성 변화 이용 및 투입량 감소를 이용하는 종래의 타이어 트레드 고무 조성물은 회전저항 성능과 내마모성을 동시에 향상시키기에는 한계가 있었다. 따라서 내마모성과 회전저항 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 접근 방식의 기술이 필요하다.

일반적으로 타이어용 고무 조성물에는 점도 및 발열 하락을 유도하여 가공 품질을 높이기 위해 프로세스 오일을 첨가하여 사용하게 되는데, 이러한 프로세스 오일로는 정제과정에 의해 파라핀계, 나프텐계 또는 아로마틱계 오일이 있다.

이때, 상기 아로마틱계 오일의 경우, 방향족 함량이 높아 상용성과 가공성이 특히 우수하나, 회전 저항 성능과 마모 성능을 하락시키는 문제가 있었으며, 상기 파라핀계 오일의 경우, 반응기를 적게 포함하고 있어 안정성이 높고 회전 저항 성능과 마모 성능을 향상되나, 고무 배합 시, 믹서 내 전단력을 약화시켜 분산성과 가공성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는, 아로마틱 오일과 파라핀 오일로 이루어지는 다중오일을 포함하는 고무 조성물을 통해, 타이어 회전저항 성능을 향상시키면서, 그와 동시에 마모 성능과 공정성을 향상시킬 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.

본 발명과 관련된 선행기술로서 유채 오일(rape oil)을 포함하여 열노화 및 물성 저하 문제점을 개선한 타이어 트레드용 고무 조성물 (KR 10-1132811 B1), 에폭시기를 포함하는 팜오일 (Palm oil)을 적용하여 내마모성과 회전저항 성능을 향상시킨 타이어 트레드 고무 조성물(KR 10-2009-0103684 A)을 참고할 수 있다.

대한민국 특허등록공보 10-1132811 B1 대한민국 특허공개공보 2009-0103684 A

따라서, 본 발명은 기존의 석유계 오일인 파라핀계 오일에 아로마틱 오일을 특정 비율로 조합함으로써 공정성 개선뿐 아니라 회전 저항, 내마모성이 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.

본 발명의 다른 목적은 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어를 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 원료고무에 다중오일을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전저항 특성이 향상된 타이어 고무 조성물을 제공한다.

본 발명은, 원료고무 100 중량부에 대하여 아로마틱계 오일을 10 내지 50 중량부를 포함하며, 상기 아로마틱계 오일 중 중량의 10% ~ 70%를 파라핀계 오일로 대체하고,

상기 파라핀계 오일 내에 상기 파라핀계 오일 100 중량부에 대하여 나프텐계 성분은 2 중량부 초과 내지 20 중량부 미만을 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.

본 발명은, 상기 파라핀계 오일은 탄화수소를 기본 구조로 하며, 상기 파라핀계 오일 내에 파라핀 성분을 50 내지 90 중량부(탄화수소 조성 Cp 50 내지 90%)로 포함한 것이며, 내오염성, 내노화성 등이 우수한 것을 특징으로 한다.

상기 파라핀계 오일 내에 파라핀 성분을 50 내지 90 중량부 (탄화수소 조성 Cp 50 내지 90%) 포함하는 것 외에, 나프텐계 성분이 0 내지 20 중량부 이내 (탄화수소 조성 Cn 2 내지 20%)를 포함한다.

일반적으로 포함되는 나프텐계 성분의 함량 20~45중량%에서는 동점도가 높아 유동 시 강한 내부 저항을 가지고 있어 배합 공정성이 하락할 수 있다. 이에 상기 파라핀계 오일은 저(低) 나프텐계 성분(Cn 2~20%)을 포함함으로써 공정성을 보강할 수 있다.

상기 파라핀계 오일은 점도비중항수(Viscosity Gravity Constant)가 0.7 내지 0.9이며 유동점(Pour Point)이 -20 내지 -10℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 보강제를 더 포함할 수 있으며, 상기 보강제로 질소흡착 비표면적이 BET 측정값으로 90~250㎡/g인 실리카 및 DBP 흡유량이 90~200 ㎖/100g인 카본블랙을 들 수 있다.

본 발명에 의하면, 타이어 트레드 고무 조성물에 사용하는 원료고무에 아로마틱계 오일 및 파라핀계 오일을 다중오일로써 포함하여, 회전저항 성능과 내마모성을 동시에 향상시키면서 가공성을 개선시킬 수 있다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 핵심을 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 하고, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하며, 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성요소들, 또는 여러 단계 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명에 따르면 트레드 고무 조성물은 원료고무 100 중량부에 대하여 실리카 60 내지 110 중량부, 카본블랙 5 내지 15 중량부, 아로마틱계 오일(Aromatic oil)을 10 내지 50 중량부를 포함하고, 상기 아로마틱계 오일 중 중량의 10 ~ 70%를 파라핀계 오일(Paraffin)로 대체한다.

상기 파라핀계 오일 내에 파라핀 성분을 50 내지 90 중량부 (탄화수소 조성 Cp 50 내지 90%) 포함하는 것 외에, 나프텐계 성분이 2 내지 20 중량부 이내 (탄화수소 조성 Cn 2 초과 20 미만)를 포함한다.

상기 원료고무는 종래 타이어 트레드 고무 조성물에 사용하는 원료고무라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다.

상기 원료고무는 천연고무 또는 합성고무를 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 천연 고무는 천연 고무로서 알려진 것이면 어느 것이라도 사용될 수 있고 원산지 등이 한정되지 않는다. 상기 천연 고무는 시스-1,4-폴리이소프렌을 포함하지만, 요구 특성에 따라서 트랜스-1,4-폴리이소프렌을 포함할 수도 있다.

상기에서 합성고무는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 변성 스티렌 부타디엔 고무, 부타디엔 고무(BR), 변성 부타디엔 고무, 클로로술폰화 폴리에틸렌고무, 에피클로로하이드린고무, 불소고무, 실리콘고무, 니트릴고무, 니트릴 부타디엔 고무(NBR), 변성 니트릴 부타디엔 고무, 클로린네이티드 폴리에틸렌고무, 스티렌 틸렌부틸렌스티렌(SEBS)고무, 에틸렌프로필렌디엔(EPDM)고무, 하이팔론고무, 에틸렌비닐아세티에트고무, 아크릴고무, 카르복실산스티렌부타디엔고무, 에폭시이소프렌고무, 말레인산 에틸렌프로필렌고무의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.

상기 보강재로는 타이어 트레드 고무 조성물의 성능을 향상시키거나 보강할 목적으로 사용하는 것이면 종류나 재질에 한정 없이 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 타이어 트레드 고무 조성물의 보강재로는 카본블랙을 포함할 수 있고, 상기 카본블랙 함량은 5 내지 15 중량부를 포함할 수 있으며 만일 하한치 미만이면 강성 하락, 압출 공정성 하락할 수 있고, 반대로 상한치를 초과하면 회전저항 성능이 하락할 수 있다.

본 설명에 따른 타이어용 고무 조성물에는 실리카는 40 내지 110 중량부 포함할 수 있는데, 40 중량부 미만이면 회전저항 성능이 하락하여 바람직하지 않다. 상기 보강재로 사용되는 실리카의 비표면적은 90~250㎡/g이 적합한데, 비표면적이 90㎡/g 미만일 경우 원료고무와의 결합력이 떨어져 분산이 어려울 수 있고, 한 250㎡/g을 초과하는 경우에도 실리카의 응집 때문에, 회전저항 성능을 기대하기 어려운 문제가 있다.

상기 고무 조성물에서 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, 방향족계 오일의 대표적인 예로는 미창 오일 주식회사의 A-2, A-3 등을 들 수 있다. 일반적으로 나프텐계 오일은 점도비중항수가 0.85 내지 0.95 이며, 유동점이 -40 내지 -30 ℃이고, 탄화수소 조성 Cn 20 내지 50%를 포함한다.

상기 아로마틱계 오일이 10 중량부 일 때, 오일 내 파라핀 오일이 10% 미만이면 사용에 의하여 나타나는 효과가 미미하고 반대로 80%를 초과하면 회전저항 성능과 배합 공정성이 저하될 수 있다.

상기 파라핀 오일은 점도비중항수가 0.7 내지 0.9이며, 유동점이 -20 내지 -10℃이고, 탄화수소 조성 Cp 50 내지 90%를 포함하며, 아래 화학식 1로서 일반화할 수 있거나,

(상기 식에서 R은 탄소수 1 내지 10 이하 알킬기다.)

상기 파라핀계 탄화수소(Paraffinic Hydrocarbons)는 C_nH_2n+2 (식 중 n은 4 내지 15의 정수이다)의 일반식을 가지는 탄화수소다.

또한, 본 발명의 타이어 트레드 고무

조성물은 상기에서 언급한 원료고무, 보강재 이 외에 종래 타이어 트레드 고무 조성물에 사용되는 활성제, 노화방지제, 가류제, 가류촉진제와 같은 첨가제를 통상적인 방법에 의해 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

본 발명은 상기에서 언급한 타이어 트레드 고무 조성물에 의해 제조된 고무를 포함한다.

본 발명은 상기에서 언급한 타이어 고무 조성물에 의해 제조된 고무를 트레드로 함유하는 타이어를 포함한다.

상기에서 타이어는 자동차용 타이어, 버스용 타이어, 트럭용 타이어, 항공기용 타이어, 오토바이용 타이어 중에서 선택된 어느 하나를 나타낸다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[제조예: 고무 조성물의 제조]

상기 원료고무로 스티렌부타디엔 고무(스티렌 40중량%, 부타디엔 60중량%) 60 중량부, 부타디엔 고무 40 중량부, 실리카 100 중량부, 카본블랙 10 중량부, 노화방지제(TMDQ : 폴리머화된 2,2,4-트리메틸-1,2-하이드로퀴놀린(Polymerized 2,2,4-trimethyl-1,2-dihydroquinoline)) 1.75 중량부, 스테아린산 2 중량부를 첨가하였으며, 가황시스템으로는 황 1.5 중량부, 가류촉진제(CZ : 시클로헥실 벤조티아졸 설펜아미드(cyclohexyl benzothiazol sulfenamide, Flexsis사제 : 1차 촉진제)) 2 중량부, 활성화제(DPG : 디페닐 구아니딘(diphenyl guanidine, Akrochem사제 : 2차 촉진제)) 2 중량부를 배합하였다.

상기 제조예의 고무 조성물에, 실시예에서는 파라핀 오일의 비율로 10, 30, 50, 70%을 적용하여 평가하였다. 이때 파라핀 오일 내 나프텐계 탄화수소 조성(Cn)은 2 초과 20 %미만으로, 보다 바람직하게는 10 %이다.

각 고무 조성물의 조성은 하기 표 1에 나타내었다.

주) 1) 6-PPD (KKPC, Kumanox-13)

2) DPG (Sunsine, DPG)

3) CZ (Sunsine, CBS)

상기에서 BR 고무는 시스 함유량 96%, 트랜스 함유량이 2%인 KKPC사 KBR-01이다.

상기에서 카본블랙은 요오드 흡착가 140g/kg, DBP 흡착가 130ml/100g인 것을 사용하였다.

상기에서 실리카는 BET 비표면적이 200㎡/g인 것을 사용하였다.

[실험예: 제조된 고무 조성물의 물성 측정]

상기 실시예 및 비교예의 조성을 포함하는 각 고무 조성물을 160℃에서 15분 가류하여, 고무 시편을 제조하였으며, 상기 고무 시편의 300% 모듈러스, 인장강도, 신장율, 회전저항 특성, 내마모 특성 등을 ASTM 관련 기준에 따라 측정 및 평가하고, 그 결과를 하기 표 2에 함께 나타내었다.

또한, 상기 표 2에서 실시예 및 비교예 값은 비교예 1의 물성 시험 결과를 100으로 하였을 때 환산한 수치로 표시한 것으로써, 마모특성은 수치가 높을수록 우수한 것을 의미하고 RR은 회전저항으로 수치가 높을수록 우수한 것을 의미한다. 인장물성 (경도, 300% 모듈러스, 인장강도, 신장율)의 경우에는 타이어 트레드 사용 목적에 따라 요구하는 물성이 상이하기 때문에 참고용으로만 제시하였다.

4) 경도: Shore 경도계를 사용하여 측정하였다.

5) 300% 모듈러스: Mod 300% Tensometer(Model 3365, INSTRON)를 사용하여 평가했다. ASTM D412-06에 의거하여 MOD 300%는 시편이 초기에 비해 300% 신장했을 때의 응력이다.

상기 표 2의 결과에서처럼 아로마틱 오일 내 파라핀 오일을 일부 대체하는 실시예 1 ~ 실시예 4의 고무 시편은 파라핀 오일을 포함하지 않는 비교예 1의 고무 시편에 비해 회전저항 특성, 내마모 성능이 향상되어 본 발명의 목적에 부합하는 고무 조성물 및 고무를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

특히, 실시예 1 ~ 4를 비교할 때 회전저항 특성과 내마모성을 향상하기 위해 대체한 파라핀 오일의 함량이 증가할수록 회전 저항 성능, 마모 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 사용 목적에 맞게 파라핀 오일의 함량을 조절하여 사용하는 것을 권장한다.

상기 표의 비교예 4, 5 를 비교할 때 아로마틱 오일이 5 중량부 및 70 중량부 일 때, 파라핀 오일을 50% 대체한 경우, 전체 오일 중량이 5일 때, 회전저항 특성 및 내마모 성능이 하락하였으며 특히, 공정 조제로써 함량 미달로 공정성이 하락하였다. 전체 오일 중량이 70 일 때는, 공정성이 향상되나 트레드 컴파운드로써 요구되는 인장 물성이 하락하였다. 또한, 회전저항 특성과 내마모 성능 역시 하락하는 것을 알 수 있다.

상기 표 3에서 아로마틱 오일이 50 중량부 일 때, 파라핀 오일을 50% 대체한 경우, 파라핀 오일 내 나프텐계 성분이 5, 10, 15 일 때 공정 조제로써 비교예 9 (나프텐계 성분 30)와 비교할 때 공정성이 향상되는 것을 볼 수 있다. 일반적으로 나프텐계 성분은 높은 동점도로 인하여 유동 시 강한 저항을 가지고 있어 배합 공정성이 하락할 수 있다. 이에 파라핀계 오일 내 저(低) 나프텐계 성분을 2 초과 20% 미만을 포함하여 공정성을 보강할 수 있다.

아울러, 아로마틱 오일이 30 중량부 일 때, 오일 내 파라핀 오일이 10% 미만 일 경우, 사용에 의하여 나타나는 효과가 미미하고, 반대로 파라핀 오일이 80%를 초과하면 고무와의 혼합 등에 불리하여 오히려 회전저항 성능이 하락하는 것을 볼 수 있다. 이에 아로마틱 오일이 총 30 중량부라고 했을 때 그 중 파라핀 오일이 10% 내지 70% 인 것이 바람직하다. 추가적으로 아로마틱 오일 내 파라핀 오일이 30% 내지 50% 적용하는 것이 보다 바람직하다.

Claims (5)

1. 다중오일을 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 원료고무 100 중량부에 대하여 아로마틱계 오일을 10 내지 50 중량부를 포함하고, 상기 아로마틱 오일 중 10% 내지 70% 비율을 파라핀 오일로 대체하고,
   상기 파라핀계 오일 내에 상기 파라핀계 오일 100 중량부에 대하여 나프텐계 성분은 2 중량부 초과 내지 20 중량부 미만을 포함하는, 다중오일을 포함하고,
   상기 파라핀 오일은 점도비중항수 0.7 내지 0.9이며 유동점이 -20 내지 -10℃이고, 탄화수소조성 Cp 50 내지 90%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다중오일을 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 질소흡착 비표면적이 BET 측정값으로 90~250㎡/g인 실리카 및 DBP 흡유량이 90~200 ㎖/100g인 카본블랙인 보강제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
4. 제1항 또는 제3항의 타이어 고무 조성물로 제조한 타이어.
5. 제4항에 있어서, 상기 타이어는 자동차용 타이어, 버스용 타이어, 트럭용 타이어, 항공기용 타이어 및 오토바이용 타이어 중에서 선택된 어느 하나에 사용하는 것을 특징으로 하는, 타이어.