KR102576859B1 - 타이어용 트레드 고무 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리카보실란 섬유를 포함하는 타이어용 트레드 고무 조성물에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 타이어 전기전도성 향상을 위해 타이어용 트레드 고무 조성물에 폴리카보실란 섬유를 첨가하여 정전기 발생을 개선시킨 타이어용 트레드 고무 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 저연비 특성은 유지하면서 전기전도성을 해결할 수 있는 전도성 재료인 고무 조성물 및 상기 고무 조성물을 포함하는 타이어를 제공할 수 있다.

Description

타이어용 트레드 고무 조성물{Tread rubber composition for tires}

본 발명은 타이어용 트레드 고무 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저연비 타이어 개발 증가 추세에 따른 실리카 사용량의 증가로 타이어 전기전도성의 저하 문제를 해결하기 위한 타이어용 트레드 고무 조성물에 관한 것이다.

대기 중 미세먼지 농도가 점차 증가함에 따라 노후 경유 자동차나 디젤 자동차에 대한 환경 규제가 점점 더 강화되고 있는 추세이며, 친환경 에너지 개발 및 전기나 수소를 에너지로 사용하는 자동차 개발에 박차를 가하고 있다. 이에 발맞추어 타이어 또한 연비 저감을 위한 저 구름저항 타이어의 비율이 높아지고 있으며, 구름저항을 낮추기 위한 기술로서 실리카 트레드 고무의 사용량이 높아지고 있다. 그러나 실리카 컴파운드는 전기전도성이 낮아 고무 내 실리카 함량이 높아질수록 타이어 전기전도성에 문제를 야기할 수 있다. 종래에는 실리카트레드의 정전기 방지 및 전기전도성을 높이기 위하여 전기전도성이 뛰어난 전도성 카본블랙을 일정량 이상 사용하거나, 정전기 발생을 억제하는 대전방지제를 사용하거나 실리카트레드의 일부를 카본블랙으로 충진된 고무조성물로 구성하거나, 정전기를 방출할 수 있도록 타이어의 구조변경을 하는 경우가 대부분이었다. 그러나, 실리카의 사용량이 많아지거나, 충진제 전체를 실리카로만 사용할 경우 상기와 같은 방법을 이용하더라도 정전기 발생 방지효과가 급격히 떨어지는 문제점이 있었다.

즉, 트레드 고무조성물에 일정량 이상의 실리카를 사용할 경우에는 실리카 자체의 강한 극성과 높은 전기저항으로 인해 정전기가 발생하고, 또한 발생된 정전기가 실리카의 낮은 전기전도성으로 인하여 지면으로 방출되지 못하는 문제점이 있으며, 자동차에서 발생하는 정전기도 타이어를 통해 지면으로 방출하는 기능이 떨어져 전자장치를 많이 사용하고 있는 최근의 자동차에 있어서는 심각한 문제를 야기시킬 가능성이 매우 높은 실정이다.

또 한가지 기술은 전기전도성이 뛰어난 탄소나노튜브나 그라파이트를 첨가함으로써 정전기 발생 문제를 개선할 수 있다는 특허들도 많이 발표되었다. 그러나 이들의 경우 매우 작은 입자로 인해 비산이 심하고 고무 제조 공정상 취급이 용이 하지 않으며 고무 내 균일한 분산을 시키는 세밀한 공정을 요구하고 있어 생산 효율이 낮아지는 단점이 있다. 또한 과량을 사용할 경우 탄소나노튜브의 자체 발열로 인한 주행시 연비 특성 저하를 야기할 수 있다.

등록특허 제10-0513239호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자들은 지속적인 연구를 수행하여 공지의 실리카트레드 고무조성물에 정전기 발생 방지가 가능하도록 전기전도성을 높여주는 전도성 재료를 첨가함으로써 트레드 고무 정전기 발생 문제를 획기적으로 개선할 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 폴리카보실란 단섬유를 함유하여 정전기의 발생을 방지하고, 저연비 타이어 개발 증가에 따른 실리카 사용량의 증가로 타이어 트레드 고무의 전기전도성의 저하 문제를 해결하기 위한 고무 조성물, 특히 타이어용 트레드 고무 조성물을 제공함에 있다.

또한, 상기 고무 조성물을 포함하는 타이어를 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 폴리카보실란 섬유를 포함하는 타이어용 트레드 고무 조성물을 제공한다.

상기 고무 조성물은 원료고무 100 중량부에 대하여 폴리카보실란 섬유 0.1 내지 20 중량부, 바람직하게는 5 내지 10 중량부를 포함한다. 상기 폴리카보실란이 상기 범위 미만일 경우 전기전도도의 개선효과가 나타나지 아니하며, 상기 범위를 초과할 경우 고무 비중 증가에 따른 타이어 중량 감소 효과가 떨어지고 고무의 인장강도, 경도 등과 같은 고무의 물성과 타이어 저연비 특성에도 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

본 발명에서의 폴리카보실란(PCS)은 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 아래와 같은 화학식의 구조를 가질 수 있다.

본 발명에 사용되는 폴리카보실란 단섬유는 밀도가 2.5±0.5 g/㎤, 전기저항 10^-3∼10^-4 Ω/㎝, 직경 0.1∼10 μm 인 것이 바람직하다. 상기 밀도, 전기저항 또는 직경을 벗어나는 경우 타이어에서 요구하는 적정 수준의 전기전도도에 미달할 수 있다.

본 발명에 사용되는 폴리카보실란 단섬유는 적은 양으로도 넓은 면적에 분산시킬 수 있으며, 분산된 폴리카보실란 단섬유는 고무와 레진에 포함되어있는 탄화수소와 인력을 생성하여 발생된 정전기를 용이하게 방출할 수 있게 된다.

상기 폴리카보실란 섬유는 중량평균분자량이 1500 내지 4500일 수 있다. 이때 중량평균 분자량이 1500미만이면 보강재로서의 역할을 수행하지 못해 고무 조성물 인장특성이 저하될 수 있고, 4500을 초과하면 고무 배합 과정에서 분산이 되지 않아 공정성이 저하될 수 있다. 상기 폴리카보실란 섬유는 당업계에서 통상적으로 구입할 수 있는 것일 수 있으나 바람직하게는 1500~2500일 수 있다.

본 발명의 고무 조성물은 폴리카보실란 섬유 외에 추가적으로 실리카를 추가적으로 더 포함할 수 있으며, 이때 실리카는 원료고무 100 중량부에 대하여 5∼100 중량부, 바람직하게는 10 내지 40 중량부, 더욱 바람직하게는 20 내지 30 중량부 포함할 수 있다. 실리카나 상기 범위 미만으로 포함되면 타이어 회전저항이 높아질 수 있고, 상기 범위를 초과하여 포함되면 전기 저항성이 높아질 수 있다.

본 발명에 사용되는 원료고무로는 합성고무 또는 천연고무와 합성고무의 혼합물로 된 배합고무 어느 것이나 사용이 가능하다. 상기 합성 고무의 종류로는, 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들면, 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, 브롬화 폴리이소부틸이소프렌-코-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 고무 등을 들 수 있다.

또한, 상기 고무 조성물은 기타 성분 예를 들면, 실란커플링제, 산화아연, 스테아린산, 노화방지제, 유황, 가류촉진제 등 당업계에서 고무 조성물을 제조하는 데 통상적으로 사용할 수 있는 고무 조성물의 첨가제들을 추가적으로 더 포함할 수 있으며, 이들 각각은 이미 알려진 첨가량의 범위에 따라 적의 선택하여 실시하는 것으로 충분하므로 이들에 관한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 저연비 타이어 개발 증가에 따른 실리카 사용량의 증가로 타이어 트레드 고무의 전기전도성의 저하 문제를 해결하기 위한 고무 조성물을 제공할 수 있다. 또한, 상기 고무 조성물을 포함하는 타이어를 제공할 수 있다.

본 발명은 저연비 특성은 유지하면서 전기전도성을 해결할 수 있는 전도성 재료인 고무 조성물 및 상기 고무 조성물을 포함하는 타이어를 제공할 수 있다.

이하 본 발명을 하기의 실시예, 실험예에 의하여 보다 구체적으로 설명한다. 하기의 실시예, 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 보호범위를 제한하는 것은 아니다.

<실시예 1~3 및 비교예 1~2>

<실시예 1>

천연 고무 100중량부에, 직경이 0.1~10㎛이고, 밀도는 2.5 ±0.5 g/㎤이며 중량평균분자량이 2000±200, 전기저항이 10^-3∼10^-4 Ω/㎝인 전구체법으로 제조된 폴리카보실란 단섬유(이하 PCS) 5중량부를 투입하여 마스터 배치를 제조하고, 이 마스터 배치 100중량부를 기준으로, 범용 실리카 25중량부, 카본블랙 25중량부를 투입하고, 나머지 첨가제들은 하기 표 1의 조성대로 투입함으로써 고무 조성물을 제조하였다. PCS를 마스터 배치로 제조한 것은 고무와의 분산성 향상에 따른 동적점탄성 및 마모 특성에 유리하여 본 발명에서 적용하였지만, 일반적인 타이어 고무 배합 과정으로 투입하여 제조시에도 비교예 1보다 전기전도도 향상이 되므로 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다.

<실시예 2>

마스터 배치 제조 시, PCS를 10중량부 첨가하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건으로 고무 조성물을 제조하였다.

<실시예 3>

마스터 배치 제조 시, 실리카 50 중량부, 실란커플링제 5 중량부 첨가하는 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 조건으로 고무 조성물을 제조하였다.

<비교예 1>

마스터 배치의 제조없이, 천연 고무 100중량부에 범용 실리카 25중량부, 카본블랙 25중량부를 투입하고, 나머지 첨가제는 실시예 1과 동일하게 투입하여 고무 조성물을 제조하였다.

<비교예 2>

마스터 배치의 제조 시, PCS 단섬유 대신 카본나노튜브(CNT)를 5중량부 투입하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건으로 고무 조성물을 제조하였다.

단위: 중량부

구 분	실시예1	실시예2	실시예3	비교예1	비교예2
천연고무	100	100	100	100	100
PCS1)	5	10	10	-	-
CNT	-	-		-	5
실리카	25	25	50	25	25
카본블랙	25	25	25	25	25
실란커플링제	2.5	2.5	5.0	2.5	2.5
산화아연	3	3	3	3	3
스테아린산	1	1	1	1	1
노화방지제	4	4	4	4	4
유황	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5
가류촉진제	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5

¹⁾ KORCARB社 CSC 2.5

상기 표 1에 따라 제조된 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2의 고무 조성물을 핫프레스(hot press)로 시험 규격에 맞게 가류하여 고무 시편을 제조한 후, ASTM 관련 규정에 의해 가황 시간, 최대 토크, 경도, 300% 모듈러스, 인장 강도, 신율, 피로파괴(DMFC 균열 발생법), 딘(DIN) 마모, 0℃ Tanδ, 70℃ Tanδ, 전기전도도 등을 평가하였고, 그 시험 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

중하중용 타이어 실리카 트레드 고무 배합물의 전기전도도, 예컨대 전기 저항성은 10⁸ Ω·cm 이하가 바람직하고, FLUKE 사의 1550B MEGA OHM METER 시험기를 이용하였으며, 측정방법은 샘플 처리과정 없이 적절한 압력 하에서 전기저항을 측정하였다.

구 분		실시예1	실시예2	실시예3	비교예1	비교예2
레오미터	Max Torque	32	35	40	30	34
	T90	9.4	9.3	10.1	9.5	9.2
기계적물성	경도(Shore A)	65	67	68	65	66
	300% 모듈러스(kgf/cm2)	150	155	159	145	150
	파단인장강도(kgf/cm2)	260	250	245	260	255
	파단신율(%)	455	450	450	450	445
동적점탄성	Tanδ @0℃	0.14	0.15	0.17	0.13	0.14
	Tanδ @60℃	0.05	0.06	0.08	0.06	0.07
마모특성	Loss, g	0.09	0.08	0.07	0.10	0.09
전기저항성	Ω·cm	2.7*106	1.4*105	2.6*1010	1.7*109	1.0*106
회전저항	RRc	5.0	5.2	5.7	5.5	5.8

상기 표 2에서 경도는 수치가 높을수록 딱딱함을 의미하고, 300％ 모듈러스, 인장강도, 신율에 대한 수치는 높을수록 각각의 특성이 우수함을 의미하며, 또한, 마모 및 체적저항율은 수치가 낮을수록 우수함을 의미한다.또한, Tanδ @ 0℃ 수치는 높을수록 젖은 노면에서의 제동력이 우수함을 의미하고, Tanδ @ 60℃ 수치는 낮을수록 낮은 회전저항을 나타내어 저연비 특성이 우수함을 나타낸다.

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 폴리카보실란(PCS) 단섬유를 적용한 실시예 1 내지 2는, 비교예 1 및 2의 고무와 비교할 경우, 동등한 수준 이상의 기계적 물성, 마모특성, 젖은 노면에서의 제동력 및 회전저항 특성을 유지하면서, 전기저항율이 10⁸Ωcm 이하로서, 전기전도성이 향상되어서 우수한 정전기 방지 성능을 발휘한다.

또한, 실시예 3에서 볼 수 있듯이 실리카 함량이 본 발명에 따른 범위를 초과할 경우 전기저항성이 높아져 전기전도도 개선 효과가 없으며, 보강재 함량의 증가로 회전저항 또한 높아짐을 알 수 있다.

비교예 2의 경우 전기전도도 향상 효과는 있으나, PCS와 동량의 CNT를 적용하였을 경우, 동적점탄성 및 회전저항 특성이 불리함을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시양태로서 전기전도도를 향상시킨 실리카 트레드용 고무 조성물에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시양태에 국한되지 아니하며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 변경 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변형 또는 변경은 특허청구범위의 기술적 범위 내에 포함될 것이다.

Claims (6)

1. 원료고무 100중량부에 대하여 폴리카보실란 섬유 0.1 내지 20중량부 및 실리카 10 내지 40중량부를 포함하는 타이어용 트레드 고무 조성물에 있어서,
   상기 폴리카보실란 섬유는 직경 0.1~10㎛, 밀도 2.5±0.5 g/㎤, 전기저항 10^-3∼10^-4 Ω/㎝, 중량 평균 분자량은 2000±200인 것을 특징으로 하는 타이어용 트레드 고무 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 폴리카보실란은 하기의 화학식 구조를 갖는 것을
   
   특징으로 하는 타이어용 트레드 고무 조성물.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항의 타이어 트레드용 고무 조성물을 포함하는 타이어.