KR20040023663A - 타이어용 런플랫 인서트 및 그 재료 - Google Patents

타이어용 런플랫 인서트 및 그 재료 Download PDF

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KR20040023663A
KR20040023663A KR10-2004-7000874A KR20047000874A KR20040023663A KR 20040023663 A KR20040023663 A KR 20040023663A KR 20047000874 A KR20047000874 A KR 20047000874A KR 20040023663 A KR20040023663 A KR 20040023663A
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KR10-2004-7000874A
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티모시 비. 라이네
케네스더블유. 데미노
스티븐엠. 크론
마이클디. 그레어
Original Assignee
소시에떼 드 테크놀로지 미쉐린
미쉐린 러쉐르슈 에 떼크니크 에스.에이.
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Abstract

본 발명은 a) 타이어의 공압소실상태 동작 동안 타이어의 내면과 접촉하는 엘라스토머성 외부 접촉부, b) 외부 접촉부의 반경방향 내측에 배치된 보강 환형 밴드로서, 엘라스토머성 전단층, 이 엘라스토머성 전단층의 반경방향 내향 지역에 부착된 적어도 하나의 제 1 막 및 엘라스토머성 전단층의 반경방향 외향 지역에 부착된 적어도 하나의 제 2 막을 포함하는 보강 환형 밴드, c) 인서트를 림에 고정하기 위해 휠 림 둘레에 끼워진 베이스 부재에 환형 밴드를 연결하기 위해 접촉부로부터 반경방향 내향으로 연장하는 적어도 하나의 측벽부, 및 d) 환형 밴드에 부착된 적어도 하나의 카커스층으로서, 카커스가 상기 환형 밴드로부터 반경방향 내향 연장하고 베이스 부재에 고정되는 카커스층을 포함하고, 전단층은 카르복실산의 금속염을 포함하는 엘라스토머성 구성물을 포함한다.

Description

타이어용 런플랫 인서트 및 그 재료{Runflat insert for tires and materials therefor}
공기 타이어의 팽창압 소실 이후, 지속적인 차량 이동성을 제공하기 위해, 다수의 해결 방법이 제안되어 왔다. 일 부류의 해법은 휠 림과 타이어 내측에 강성 또는 반-강성 인서트를 고착하는 것을 포함한다. 팽창압의 소실시, 타이어 내측에 접촉하는 인서트의 일부로부터 직접적으로 인서트 구조를 통해 휠 림으로의 하중 전달에 의해 차량이 지지된다. 그러나, 공기 타이어 같은 성능을 전달하는 구조적으로 지지된 런플랫 인서트를 가지는 해법은 양호한 성능 개선이 된다.
발명의 분야
본 발명은 런플랫 타이어 분야에 관한 것이다.
관련 출원
본 출원은 소시에테 드 테크놀로지 미쉐린(Societe de Technologie Michelin)(캐나다, 멕시코 및 미국 제외), 미쉐린 러쉐르슈 에 떼크니크 에스.에이(Michelin Recherche et Technique S.A.)(미국 제외) 및 티모시 비. 라이네(Timothy B. Rhyne), 케네스 더블유. 데미노(Kenneth W. Demino) 및 (스티븐 엠. 크론(Steven M. Cron)(미국)을 출원인으로하여, 2001년 7월 19일자로 출원된, 발명의 명칭이 "타이어용 런플랫 인서트"인 PCT/US01/23163에 대한 우선권을 주장한다.
도 1은 타이어 내측 및 휠 림상에 장착된 런플랫 인서트(100)를 포함하는 조립체의 반경방향 단면을 도시하는, 타이어가 공압소실 상태인 상태로 하중된 조립체를 도시하는 도면.
도 2는 제 2 막과 중첩하는 고 턴업 카커스(high turnup carcass)를 가지는 런플랫 인서트(100)의 부분적 반경방향 단면을 도시하는 도면.
도 3은 압축하에 외향 굴곡되도록 편의된 측벽부를 가지는, 제 1 막에 부착된 단일 카커스층을 구비한 런플랫 인서트(200)의 부분적 반경방향 단면을 도시하는 도면.
도 4는 압축하에 외향 굴곡되도록 편의된 측벽부를 가지는, 카커스층이 환형 밴드에 부착된 불연속 세그먼트인 런플랫 인서트(300)의 부분적인 반경방향 단면을도시하는 도면.
도 5는 단체형 보강재를 가지는 런플랫 인서트의 베이스 부재의 부분적인 반경방향 단면을 도시하는 도면.
본 발명은 하중 지지, 차량 조종, 질량 및 충격 전달에서 개선된 특성을 가지는 런플랫 인서트이며, 여기서, 외부 보강 환형 밴드는 압축 하중에 대한 근소한 저항을 가지는 측벽 구조체와 결합된다. 차량이 공압소실 타이어(deflated tire)상에서 한정된 기간 동안 주행할 수 있게 하기 위한 이런 런플랫 인서트는 공기 타이어와 휠 림을 포함하는 조립체에 장착되고, 상기 인서트는 타이어의 공동(air cavity) 내측에 장착되어 휠 림에 고정되며, 상기 인서트는
a) 타이어의 공압소실상태 동작 동안 타이어의 내부면과 접촉하는 엘라스토머성 외부 접촉부,
b) 상기 외부 접촉부의 반경방향 내측에 배치된 보강 환형 밴드로서, 엘라스토머성 전단층(elastomeric shear layer), 상기 엘라스토머성 전단층의 반경방향 내향 지역에 부착된 적어도 하나의 제 1 막 및 상기 엘라스토머성 전단층의 반경방향 외향 지역에 부착된 적어도 하나의 제 2 막을 포함하는 보강 환형 밴드,
c) 상기 인서트를 림에 고정하기 위해 휠 림 둘레에 끼워진 베이스 부재에 상기 환형 밴드를 연결하기 위해 상기 접촉부로부터 반경방향 내향 연장하는 적어도 하나의 측벽부, 및
d) 상기 환형 밴드에 부착된 적어도 하나의 카커스 층으로서, 카커스가 상기 환형 밴드로부터 반경방향 내향 연장하고, 상기 베이스 부재에 고정된, 상기 환형 밴드에 고착되어 있는 카커스 층을 포함하고,
상기 전단층은 카르복실산의 금속염을 포함하는 엘라스토머성 조성을 포함한다. 전단층은 카르복실 산의 금속염을 포함하면서 바람직하게는 과산화물 경화제로 경화되는 디엔 엘라스토머성 조성을 포함하는 것이 적합하다. 본 발명의 일 실시예에서, 카르복실산의 금속염은 아연 디아크릴레이트 또는 아연 디메타크릴레이트이다.
차량 타이어가 공압소실 및/또는 타이어가 현저히 손상되었을 때, 인서트는 타이어의 내면에 접촉한다. 인가되는 하중은 환형 밴드를 평탄화한다. 밴드의 변형은 타이어와 접촉하지 않는 타이어의 부분에 인장력이 발생되게 한다. 휠은 이 측벽부에 의해 환형 밴드로부터 효과적으로 현가(hang)되게 된다. 측벽부는 인장에 대해 실질적인 비신장성이지만, 압축성 뒤틀림에 대해서는 미소한 저항을 갖는다. 반대로, 강성 또는 반-강성 인서트에서, 인서트는 타이어의 내면과 접촉하는 인서트의 부분에서 압축에 의한 하중을 지지한다.
런플랫 인서트는 휠 림에 견고히 고착될 수 있거나, 림상의 인서트의 적절한 측방향 위치를 유지하기 위해 잉여 재료나 스페이서의 사용을 필요로 할 수 있다. 본 발명에서, 베이스 부재는 종축 둘레의 회전에 대해 높은 저항을 갖는다. 베이스 부재는 인서트의 단면폭의 약 5%를 가지는 실질적인 직사각형 단면을 포함하는 단체형 코어를 가질 수 있고, 이 코어는 그 폭의 약 50%와 같은 높이를 가진다. 대안적으로, 코어는 보강 와이어의 몇몇 배열 중 하나를 포함할 수 있다. 그 베이스 부재 구조가 반경방향 배향 측벽부와 결합할 때, 인서트는 림상에 안정한 정렬을 유지하는 장점을 갖는다.
압축 하중을 받을 때, 바람직하게는 축방향 외향 방향의 버클로 측벽부가 편의될 때 인서트의 성능이 향상된다. 본 발명에서, 측벽은 제 1 막과 베이스 부재 사이의 실질적인 중간에 배치된 엘라스토머성 웨지에 의해 측벽이 편의된다. 웨지는 카커스층의 프로파일에 곡율을 강요한다. 웨지가 카커스 층 외측의 적절한 두께의 고무와 조합될 때, 본 발명은 타이어와 접촉하는 영역의 측벽의 일정한 외향 굴곡의 양호한 결과를 얻는다.
적절히 팽창된 공기 타이어는 도로면에 대하여 비교적 균일한 접촉 압력을 작용한다. 강성 또는 반-강성 인서트가 휠을 지지하도록 하중하에 변형할 때, 타이어의 내부와의 접촉 압력은 비균일하다. 그러나, 본 발명에 따른 인서트는 공압소실 타이어의 내측에 대하여 편향될 때, 비교적 균일한 접촉 압력 및 공기 타이어의 것과 유사한 접촉 면적을 나타낸다. 이 속성은 전단층의 전단 계수에 대한 각 막의 종방향 인장 및 압축 계수의 비율이 적어도 100:1일 때 나타난다. 즉, 막은 실질적인 비신장성으로서 거동하고, 환형 밴드의 변형은 엘라스토머성 전단층의 전단 변형에 의해 수용된다.
본 발명의 일 실시예에서, 각 막(membrane)은 인서트의 중심선과 약 10° 내지 약 20°의 각도로 배열된 코드를 가지는 한 쌍의 편의코드-보강층(biased cord-reinforced layer)으로 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서, 엘라스토머성 전단층은 약 3MPa와 약 20MPa 사이의 전단 탄성 계수를 가진다. 전단층은 약 0.1 이하의 탄젠트 델타를 가지는 낮은 수준의 히스테리시스를 갖는 것이 적합하다.
본 발명은 설계자가 인서트의 설계 파라미터로서 유효 접촉 압력을 조절할수 있게 한다. 접촉 압력은 전단층의 분해성(clasticity)의 전단 계수와, 제 1 막의 최외부 지역의 반경으로 나누어진 환형 밴드의 반경방향 두께를 승산한 적(product)에 의해 근사화된다. 접촉 압력은 일반적으로 약 2bar 내지 약 6bar의 범위이다. 약 3bar의 접촉 압력은 차량 성능과 인서트의 크기 및 질량 사이의 양호한 절충성을 초래한다.
하중 용량의 관점에서, 이상적인 인서트는 정상 동작 동안 타이어와 접촉하지 않는 요구조건에 의해서만 한정되는 단면 폭 및 단면 높이를 가질 수 있다. 본 발명의 양호한 형태에서, 인서트는 타이어 단면 폭의 약 50% 내지 약 70% 사이의 단면폭과 타이어 단면 높이의 약 40% 내지 약 60% 사이의 단면 높이를 가진다.
본 발명은 하중 지지, 차량 조종, 질량 및 충격 전달에서 개선된 특성을 가지는 런플랫 인서트가며, 여기서, 외부 보강 환형 밴드는 압축 하중에 대한 근소한 저항을 가지는 측벽 구조체와 결합된다. 차량이 공압소실 타이어상에서 한정된 기간 동안 주행할 수 있게 하기 위한 이런 런플랫 인서트는 공기 타이어와 휠 림을 포함하는 조립체에 장착되고, 상기 인서트는 타이어의 공동 내측에 장착되어 휠 림에 고정되며, 상기 인서트는
a) 타이어의 공압소실상태 동작 동안 타이어의 내부면과 접촉하는 엘라스토머성 외부 접촉부,
b) 상기 외부 접촉부의 반경방향 내측에 배치된 보강 환형 밴드로서, 엘라스토머성 전단층, 상기 엘라스토머성 전단층의 반경방향 내향 지역에 부착된 적어도 하나의 제 1 막 및 상기 엘라스토머성 전단층의 반경방향 외향 지역에 부착된 적어도 하나의 제 2 막을 포함하는 보강 환형 밴드,
c) 상기 인서트를 림에 고정하기 위해 휠 림 둘레에 끼워진 베이스 부재에 상기 환형 밴드를 연결하기 위해 상기 접촉부로부터 반경방향 내향 연장하는 적어도 하나의 측벽부, 및
d) 상기 환형 밴드에 부착된 적어도 하나의 카커스 층으로서, 카커스가 상기환형 밴드로부터 반경방향 내향 연장하고, 상기 베이스 부재에 고정된, 상기 환형 밴드에 고착되어 있는 카커스 층을 포함하고,
상기 전단층은 카르복실산의 금속염을 포함하는 엘라스토머성 조성을 포함한다. 전단층은 카르복실 산의 금속염을 포함하면서 바람직하게는 과산화물 경화제로 경화되는 디엔 엘라스토머성 조성을 포함하는 것이 적합하다. 본 발명의 일 실시예에서, 카르복실산의 금속염은 아연 디아크릴레이트 또는 아연 디메타크릴레이트이다.
하기의 명칭 및 정의는 여기에 기술된 본 발명의 모든 변형들에 대하여 공통적이다. 동일 구성요소 또는 재료는 전반에 걸쳐 동일 참조 번호를 사용하여 설명된다. 본 발명의 후속 변형을 설명할 때는 동일 구성요소에 대해서는 세부적으로 설명하지 않는다.
용어의 정의 :
"내부" 또는 "내향"은 인서트의 안쪽을 향한 것을 의미한다.
"외부" 또는 "외향"은 인서트의 바깥쪽을 향한 것을 의미한다.
"축방향"은 인서트의 회전축에 평행한 방향을 지칭한다.
"반경방향"은 타이어의 회전축에 수직인 방향이다.
탄성 재료의 "계수"는 10% 신장에서 측정된 인장 탄성 계수를 의미한다.
막의 "계수"는 막의 유효 두께로 곱해진, 1% 신장에서의 분해성의 인장 계수를 의미한다.
엘라스토머성 재료의 "전단 계수"는 전단 탄성 계수를 의미하며, 10% 신장에서 측정된 인장 탄성 계수의 1/3과 같은 것으로 규정된다.
"히스테리시스(hysteresis)"는 30Hz, 50% 피크-대-피크 동적 전단 변형하에서, 100℃에서 측정된 탄젠트 델타를 의미한다.
도 1은 공압소실상태의 타이어상에서 차량이 주행할 수 있게 하기 위한 특수 림(10) 및 타이어(20)를 구비한 조립체로서 장착된 런플랫 인서트(100)를 도시한다. 타이어가 완전히 팽창되었을 때, 타이어는 공압적으로 차량 하중을 지지하며, 인서트는 타이어의 내면에 연속적으로 접하지 않는다. 그러나, 타이어(20)의 팽창압이 정상 동작 상태로부터 감소할 때, 타이어(20)의 수직 편향은 인서트(100)가 타이어(20)의 내면과 접촉하는 지점까지 증가한다. 도 1은 런플랫 인서트(100)의 변형부가 전체 차량 하중을 실질적으로 지지하는 미팽창 타이어를 가진 동작 상태를 도시한다. 완전히 공압소실된 타이어는 더 이상 충분한 하중 지지를 제공할 수 없으며, 인서트가 하중을 구조적으로 지지한다.
도 2는 인서트(100)의 상세도를 도시한다. 인서트(100)는 전체 단면 폭(W) 및 단면 높이(H)를 가지며, 후자는 휠(10)의 장착면(11)과 인서트의 외부 접촉면 사이의 거리로서 규정된다. 인서트(100)는 인서트의 반경방향 내면과 반경방향 외향 지역 비드 코어(141) 사이에서 측정된 측벽 높이(HS)를 갖는다. 여기에 기술된 본 발명의 변형에 따라서, 측벽 높이(HS)의 반경방향 외향 지역은 제 1 막(121) 또는 카커스층(131) 중 어느 하나에 대응할 수 있다. 외부 접촉부, 막 및 전단층을 위한 두께 측정은 반경방향을 기준으로 한다. 외부 접촉점(110)은 두께(T1)를 가지고, 전단층(125)은 두께(T2)를 가지며, 전단층 및 제 1 및 제 2 막을 포함하는 환형 밴드는 두께(T3)를 갖는다.
인서트(100)는 도 2에 도시된 구조를 포함한다. 엘라스토머성 외부 접촉부(110)는 타이어의 내면과 접촉하기 위한 하중-지지면을 제공한다. 보강 환형 밴드(120)는 엘라스토머성 전단층(125)의 내면에 부착된 제 1 막(121)과, 엘라스토머성 전단층(125)의 외면에 부착된 제 2 막(123)을 포함한다. 측벽부(130)는 접촉부(110)와 환형 밴드(120)로부터 반경방향 내향 연장한다. 비드 코어(141)를 포함하는 베이스 부재(140)는 휠 림면(11) 둘레에 끼워지고, 팽창 및 공압소실상태 동작 양자 모두시 인서트를 림에 고정한다.
런플랫 인서트(100)는 제 1 막(121)의 반경방향 내면에 부착된 주부(131)를 구비하고, 비드 부재(140) 사이에서 연장하는 카커스층을 추가로 포함한다. 카커스층은 비드 코어(141) 둘레로 절첩된 턴업부(132)를 구비한다. 보강 환형 밴드(120)의 굴곡 강성은 카커스의 턴업부(132)가 밴드의 축방향 외면에 부착될 때 증가한다. 런플랫 인서트(100)에 대응하는 본 발명의 형태에서, 턴업부(132)는 베이스 부재(140)로부터 반경방향 외향 연장하고, 밴드의 축방향 외면에 부착되며, 제 2 막(123)과의 축방향 중첩부에서 종결한다. 이 중첩은 종래의 타이어 건조 장비상에서의 인서트의 제조를 용이하게 한다. 중첩부는 제 2 막의 극단으로부터 내향으로 약 10mm의 축방향 거리(L)를 연장한다. 본 발명의 다른 형태에서, 턴업부(132)는 제 2 막(123)의 축방향 극단 또는 측벽(130)이나 비드 부재(140)내의 소정의 보다 낮은 반경방향 위치에서 중첩부 없이 종결한다.
카커스층의 인장 저항은 측벽의 중앙 높이에서 측정된, 카커스 보강재 및 주변 엘라스토머성 층의 단위 원주 당 선형 강성이 적어도 100daN/mm일때 충분하다. 런플랫 인서트(100)에서, 폴리에스터 코드는 카커스층의 보강재(131, 132)를 포함하지만, 타이어 보강재료로서 적절한 소정의 재료가 사용될 수 있다. 여기에 기술된 런플랫 인서트 같은 비공압식 구조에서, 카커스 보강 코드 각각에서의 평균 인장력은 팽창된 공압식 타이어에서 보다 현저히 낮다. 따라서, 접촉 영역의 내외측에서 측벽의 세그먼트가 회전할 때, 카커스층에 압축 응력이 발생할 가능성이 증가한다. 이 때문에, 카커스 보강재 재료를 위한 가장 유리한 선택은 주기성 압축 하중에 양호한 저항을 가지는 것이다.
런플랫 인서트(100)를 사용한 실험은 상부 측벽부의 이중층 카커스의 제거가 내구성을 향상시키는 것을 나타내었다. 도 3은 이런 본 발명의 개선된 버전을 도시한다. 엘라스토머성 외부 접촉부(210)는 타이어의 내면과 접촉하기 위한 하중-지지면을 제공한다. 보강된 환형 밴드(220)는 접촉부(210)로부터 반경방향 내향 배치된다. 보강 환형 밴드(220)는 엘라스토머성 전단층(225)의 내면에 부착된 제 1 막(221)과, 엘라스토머성 전단층(225)의 외면에 부착된 제 2 막(223)을 포함한다. 측벽부(230)는 접촉부(210)와 환형 밴드(220)로부터 반경방향 내향 연장한다. 비드 코어(241)를 포함하는 베이스 부재(240)는 휠림면(11) 둘레에 끼워지고, 팽창 및 공압소실상태 동작 양자 모두시 림에 인서트를 고정한다.
본 발명자는 직조형 카커스 재료의 주기성 응력하의 성능이 카커스 인장이 각 응력 사이클 전반에 걸쳐 유지될 때 향상된다는 것을 인지하였다. 공기 타이어에서, 팽창 응력은 카커스를 인장 편의시킨다. 여기에 기술된 런플랫 인서트 같은비공압 구조에서, 어떠한 인장 편의도 존재하지 않는다. 따라서, 인서트의 내구성은 타이어에 대해 하중되는 인서트의 부분내의 카커스층의 변형이 카커스가 주기성 압축 응력을 받게되는 경향을 최소화할 때 향상된다.
이 성능 개선을 달성하기 위한 제 1 조치로서, 런플랫 인서트(200)는 상부 측벽부에 단지 단일 카커스층만을 가진다. 런플랫 인서트(200)는 제 1 막(221)의 반경방향 내부에 부착된 주부(231)를 구비하고, 비드 부재(240) 사이에서 연장하는 카커스층을 추가로 포함한다. 카커스층은 비드코어(241) 둘레로 절첩된 턴업부(232)를 구비한다. 턴업부(232)는 베이스 부재(140)로부터 반경방향 외향으로 연장하고, 비드 코어(241) 위의 반경방향 거리(HC)에서 종결한다. 런플랫 인서트(200)는 카커스층(231)에 미소한 외향 변위(C)를 도입함으로써 내구성이 추가로 향상된다. 이 변위는 카커스층(231)의 축방향 내면에 여분의 엘라스토머성 웨지(235)를 적용하고, 웨지(235)의 상부 및 하부 지역에서의 측벽 두께의 적절한 지정에 의해 보증된다. 따라서, 측벽부(230)가 수직 압축 하중을 받을 때, 카커스는 축방향 외향 방향으로 일관성있게 굴곡하도록 편의된다. 웨지 및 측벽 두께의 영향은 주기성 압축 응력을 받는 카커스의 경향을 최소화하도록 기능한다.
웨지(wedge:235)는 측벽 높이(HS)의 약 50% 내지 약 80% 사이, 바람직하게는 약 65%인 높이(HG)를 갖는다. 웨지(235)는 측벽부(230)내의 대략 중앙에 위치된다. 카커스층(231)의 변위(C)는 카커스층(231)의 중앙선과, 웨지(235)의 상부 및 하부 지역을 연결하는 코드 사이의 축방향 거리로서 규정된다. 변위(C)는 0보다 크고 측벽 높이의 약 8% 이하이다. C는 측벽 높이(HS)의 약 5%인 것이 적합하다.웨지(235)는 측벽 높이(HS)의 약 4%와 약 10% 사이, 바람직하게는 약 7%이다. 두께 측정치(TB, TT)는 카커스의 외부에 대한 측벽 재료의 두께를 지정한다. TB는 웨지의 반경방향 최내부 지역에서 측정된다. TT는 웨지(235)의 반경방향 최외부 지역에서 측정된다. TB 및 TT는 각각 측벽 높이(HS)의 약 4%와 약 10% 사이, 바람직하게는 약 8%이다. 런플랫 인서트(200)는 30mm과 같은 HS, 1.5mm과 같은 C, 20mm과 같은 HG, 및 2mm과 같은 TT, TB 및 TG를 사용하여 성공적으로 구성 및 평가된다.
도 4는 하중을 지지하기에 최적화된 본 발명의 버전, 즉, 개선된 하중/공압소실 강성을 가지는 인서트를 도시한다. 런플랫 인서트(300)는 이미 설명된 런플랫 인서트(100) 및 런플랫 인서트(200)와 공통적인 보강 환형 밴드(325) 구조를 공유한다. 그러나, 런플랫 인서트(300)는 적어도 베이스 부재(34)에 고정된 불연속 카커스 세그먼트(331)를 포함하고, 제 2 막(321)에 대해 반경방향 외향으로 연장하는 유일 카커스층을 가진다. 카커스 세그먼트(331)는 보강 환형 밴드(320)의 축방향 최외부 지역에 부착된다. 즉, 카커스 세그먼트(331)는 적어도 제 2 막(321)의 축방향 극단까지 반경방향 외향 연장한다. 도 3에 도시된 런플랫 인서트(200)에 비교시, 런플랫 인서트(300)를 위해 도 4에 도시된 카커스 세그먼트는 환형 밴드(320)의 하중/공압소실 강성을 향상시킨다. 제조의 용이성을 위해, 카커스 세그먼트(331)는 또한 도 2에 도시된 런플랫 인서트(100)를 위해 이미 설명된 바와 같이, 거리(L)만큼 제 2 막(321)과 중첩한다.
본 발명의 상세한 설명의 하기의 양태는 소정의 인서트의 변형(100, 200 또는 300)에 공통적인 것이다. 단순화를 위해, 각 구조 소자는 인서트(100)를 인용하지만, 이 축약은 본 내용의 범주를 어떠한 방식으로든 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 런플랫 인서트는 종축 둘레에서의 회전에 대해 높은 저항을 가지는 베이스 부재를 구비한다. 회전에 대한 저항은 휠면(11)상에서의 안정한 축방향 정렬 및 측벽부의 굴곡에 대한 양호한 내구성을 제공한다. 도 5는 적어도 2mm의 높이와 적어도 4mm의 폭을 가지는 실질적인 직사각형 단면으로 이루어진 단체형 보강재(141)를 구비한 양호한 형태를 도시한다. 본 발명에서, 비드 보강재(141)를 위해 적합한 재료는 적어도 약 100GPa의 인장 계수와, 적어도 약 10GPa의 인장 항복 강도를 가져야 한다.
런플랫 인서트(100, 200 또는 300)는 엘라스토머성 전단층에 부착된 제 1 및 제 2 막을 포함하는 환형 밴드를 구비한다. 밴드의 양호한 변형은 전단층의 전단 계수에 대한 각 막의 종방향 인장 계수의 비율이 적어도 100:1일 때 발생한다. 본 발명의 일 형태에 따라서, 제 1 및 제 2 막은 종방향 배향 코드 보강재를 가진다. 각 막(121 또는 123)은 약 10°내지 약 20° 사이의 타이어 원주방향과의 각도를 형성하는 실질적인 경사 코드 보강재로 이루어진 적어도 두 개의 층을 포함한다. 하기의 수학식 1은 종래의 타이어 벨트 재료를 사용하는 막의 종방향 탄성 인장 계수를 추산한다.
여기서, Erubber= 엘라스토머성 코팅 재료의 인장 계수
P=코드 방향에 수직으로 측정된 코드 페이스(코드 중심선 간격)
D=코드 직경
ν=엘라스토머성 코팅 재료의 포아송의 비(Poisson'a ratio)
α=적도 평면에 관한 코드 각도
ι=인접층의 케이블 사이의 고무 두께
E'는 막의 탄성 계수 곱하기 막의 유효 두께임을 인지하여야 한다.
엘라스토머성 전단층(125)은 약 3MPa와 약 20MPa 사이의 전단 탄성 계수를 가지는 것이 적합하다. 전단층은 약 0.1 이하의 탄젠트 델타에 의해 주어진 낮은 히스테리시스를 갖는다. 본 발명의 일 실시예에서, 전단층(125)은 약 4mm와 약 20mm 사이의 두께(T2)를 갖는다.
본 발명의 장점은 인서트와 타이어 사이의 공압소실상태 동작 동안의 접촉 압력이 설계자가 조절할 수 있는 설계 파라미터라는 것이다. 인서트와 타이어 내부 사이의 접촉 압력은 전단층의 전단 탄성 계수와 제 2 막의 최외부 지역의 반경으로 나뉘어진 전단층의 반경방향 두께의 곱의 적에 의해 주어진다. 접촉 압력이 약 2bar와 약 6bar 사이일 때, 인서트는 허용가능한 성능을 전달한다. 일반적으로, 인서트의 접촉 압력은 지정된 타이어 팽창 압력 보다 비례적으로 크다.
본 발명의 타이어의 전단층에 적합한 재료
적합한 엘라스토머
전단층(125)에 사용되는 고무는 카르복실산의 금속염 및 과산화물 경화 시스템으로 경화되는 합성 고무 또는 천연 고무일 수 있다. 이런 고무의 혼합물도 사용될 수 있다. 여기에 사용될 때, "고무" 및 엘라스토머"는 동의어이다.
본 발명의 양호한 실시예에서, 전단층은 디엔 엘라스토머를 포함한다.
"디엔(diene)" 엘라스토머 또는 고무는 공지된 방식으로 적어도 부분적으로 디엔 단량체(공액이던 아니던 두 개의 이중 탄소-탄소 결합을 유지하는 단량체)로부터 초래하는 엘라스토머(즉, 호모폴리머 및 공중합체)를 의미하는 것으로 이해된다.
일반적으로, "실질적인 불포화(essentially unsaturated)" 디엔 엘라스토머는 여기서 15%(mol%) 보다 큰 디엔 원체(공액결합 디엔)의 유니트 또는 맴버의 함량을 가지는 공액결합 디엔 단량체로부터 적어도 일부 초래하는 디엔 엘라스토머를 의미한다.
따라서, 예로서, 부틸고무같은 디엔 엘라스토머 또는 디엔 및 에틸렌-프로필렌 디엔 테르폴리머(EPDM) 유형의 알파 올레핀의 공중합체는 앞선 정의에 들지 않으며, "실질적인 포화"디엔 엘라스토머(일반적으로 15% 미만의 디엔 원체의 유니트의 낮은 또는 매우 낮은 함량)로서 특별히 설명될 수 있다.
"실질적인 불포화" 디엔 엘라스토머의 범주내에서, "매우 불포화" 디엔 엘라스토머는 50% 보다 특히 큰 디엔 원체(공액결합 디엔)의 유니트의 함량을 가지는 디엔 엘라스토머를 의미하는 것으로 이해된다.
이들 정의가 주어지면, 특히 본 발명에 따른 조성에 사용할 수 있는 디엔 엘라스토머는 하기의 것들을 의미하는 것으로 이해된다.
(a) - 4 내지 12 탄소 원자를 가지는 공액결합 디엔 단량체의 중합에 의해얻어진 소정의 호모폴리머(예로서, 폴리부타디엔);
(b) - 함께 공액결합된 또는 8 내지 20 탄소 원자를 가지는 하나 이상의 비닐 방향 화합물을 가지는 하나 이상의 디엔의 공중합에 의해 얻어진 소정의 공중합체(예로서, 스티렌-부타디엔 공중합체);
(c) 이소부텐 및 이소프렌의 공중합체(부틸 고무) 및 또한, 이 유형의 공중합체의 할로겐화, 특히, 염소화 및 브롬화된 버전.
적절한 공액결합된 디엔은 특히, 1,3-부타디엔과, 2-메틸-11,3-부타디엔과, 예로서, 2,3-디메틸-1,3-부타디엔, 2,3-디에틸-1,3-부타디엔, 2-메틸-3-에틸-1,3-부타디엔, 2-메틸-3-이소프로필-1,3-부타디엔, 아릴-1,3-부타디엔, 1,3-펜타디엔 및 2,4-헥사디엔 같은 2,3-디(C1-C5알킬)-1,3-부타디엔이 있다.
상기 (b)의 공중합체는 99%와 20% 사이의 디엔 유니트의 중량부와, 1 와 80% 사이의 비닐 방향 유니트 중량부를 포함할 수 있다. 엘라스토머는 소정의 미세구조를 가질 수 있으며, 이는 사용되는 중합 조건, 특히 변형 및/또는 랜덤화 제제의 존재 또는 부재와 사용된 변형 및/또는 랜덤화 제제의 양의 함수이다. 엘라스토머는 예로서, 통계학적, 순차적 또는 미소순차적 엘라스토머일 수 있으며, 분산제 또는 용액으로 준비될 수 있고, 이들은 결합 및/또는 스타링되거나(starred) 또는 결합 및/또는 스타링이나 기능화 제제와 함께 기능화될 수 있다.
폴리부타디엔은 특히, 4%와 80% 사이의 1,2-유니트 함량을 가지는 것들 또는 80% 이상의 시스-1,4 함량을 가지는 것들, 폴리이소프렌, 부타디엔-스티렌 공중합체 및 특히, 5중량%와 50중량% 사이, 특히, 20%와 40% 사이의 스티렌 함량을 가지는 것들, 4%와 65% 사이의 부타디엔 부의 1,2-결합의 함량 및 20%와 80% 사이의 트랜스-1,4 결합의 함량, 부타디엔-이소프렌 공중합체 및 특히, 5중량%와 90중량% 사이의 이소프렌 함량 및 -40℃ 내지 -80℃의 유리 전이 온도(ASTM D3418-82에 따라 측정된 "Tg")를 가지는 것들, 이소프렌-스티렌 공중합체 및 특히, 5중량%와 50중량% 사이의 스티렌 함량과 -25℃와 -50℃ 사이의 Tg를 가지는 것들이 적합하다. 부타디엔-스티렌-이소프렌 공중합체의 경우에, 적합한 것들은 특히, 5중량%와 50중량% 사이, 특히, 10%와 40% 사이의 스티렌 함량, 15중량%와 60중량% 사이, 특히, 20%와 50% 사이의 이소프렌 함량, 5중량%와 50중량% 사이, 특히, 20%와 40% 사이의 부타디엔 함량, 4%와 85% 사이의 부타디엔의 1,2-유니트 부의 함량, 6%와 90% 사이의 부타디엔의 트랜스1,4 유니트 부의 함량, 5%와 70% 사이의 이소프렌의 1,2-플러스3,4-유니트 부의 함량 및 10%와 50% 사이의 이소프렌의 트랜스-1,4 유니트 부의 함량을 가지는 것들 및 보다 일반적으로는 -20℃와 -70℃ 사이의 Tg를 가지는 소정의 부타디엔-스티렌-이소프렌 공중합체가 적합하다.
요약하면, 본 발명에 따른 조성의 디엔 엘라스토머는 폴리부타디엔(BR), 폴리이소프렌(IR), 천연고무(NR), 부타디엔 공중합체, 이소프렌 공중합체 및 이들 엘라스토머의 혼합물로 구성되는 고 불포화 디엔 엘라스토머의 그룹으로부터 선택되는 것이 특히 적합하다.
공중합체가 사용되는 경우, 부타디엔-스티렌 공중합체(SBR), 부타디엔-이소프렌 공중합체(BIR), 이소프렌-스티렌 공중합체(SIR) 및 이소프렌-부타디엔-스티렌공중합체(SBIR)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것이 적합하다.
디엔 엘라스토머는 천연고무, 합성 시스-1,4 폴리이소프렌 및 그 혼합물로부터 선택되는 것도 보다 적합하다. 이들 합성 시스-1,4 폴리이소프렌은 90% 이상, 보다 적합하게는 98% 이상인 시스-1,4 접합율(mol%)을 갖는 것이 적합하다.
물론, 본 발명의 조성은 단일 디엔 엘라스토머 또는 다수 디엔 엘라스토머의 혼합물을 포함할 수 있으며, 디엔 엘라스토머 또는 엘라스토머들이 디엔 엘라스토머 이외의 소정 유형의 합성 엘라스토머 또는 심지어 예로서 열가소성 폴리머 같은 엘라스토머 이외의 폴리머와 연계하여 사용될 수 있다.
카르복실산의 금속염
카르복실산은 불포화 카르복실산이다. 본 발명의 실시예에서, 카르복실산은 메타그릴산, 에타크릴산, 아크릴산, 신남산, 크로톤산, 말레산, 푸마르산, 이타콘산 및 그 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 양호한 카르복실산은 아크릴산 및 메타크릴산을 포함한다.
금속은 소듐, 포타슘, 강철, 마그네슘, 칼슘, 아연, 바륨, 알루미늄, 주석, 지르코늄, 리튬, 카드뮴 및 코발트와 그 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 금속을 포함할 수 있다. 아연이 적합하다.
양호한 금속염은 아연 디에타크릴레이트 및 아연 디아크릴레이트를 포함한다[Sartomer Co., Inc.의 "New Metallic Coagents for Curing Elastomers(1998년 4월)" 참조. 다른 적합한 아크릴레이트는 Sartomer Co., Inc.의 사토머 어플리케이션 사보(Sartomer Application Bulletin) "ChemicalIntermediates-Design Unique Polymers with Satromer's Specialty Monomers(1998년 5월)" 및 Sartomer Co., Inc.의 사토머 어플리케이션 사보 "Glass Transition Temperatures of Sartomer Products(1999년 10월)"에 개시되어 있다]
과산화물
전단층(120)의 엘라스토머의 경화를 촉진하기 위해 사용될 수 있는 과산화물은 디-쿠밀 퍼옥사이드; 테르트-부틸 쿠밀 퍼옥사이드; 2,5-디메틸-2,5 BIS (테르트-부틸 퍼옥시)헥신-3; BIS(테르트-부틸 퍼옥시 이소프로필)벤젠; 4,4-디-테르트-부틸 퍼옥시 N-부틸 바렐레이트; 1,1-디-테르트-부틸퍼옥시-3,3,5-트리메틸사이클로핵산; 비스-(테르트-부틸 퍼옥시)-디이소프로필 벤젠; 티-부틸 퍼벤조에이트; 디-테르트-부틸 퍼옥사이드; 2,5-디메틸-2,5-디-테르트-부틸퍼옥사이드 핵산 등을 비제한적으로 포함한다[또한, 참조로 통합되어 있는 Sartomer Co., Inc.의 "사토머 어플리케이션 사보 : Basic Principles of Peroxide-Coagent Curing of Elastormers(1997년 4월)" 참조]. 조성에 포함된 과산화물 경화제의 양은 사용된 엘라스토머 및 조력제 로딩에 의존한다. 일반적으로, 이런 양은 에라스토머의 100 중량당 약 0.5부 내지 엘라스토머의 100 중량당 약 5.0부의 범위일 수 있다. 보다 양호한 범위는 엘라스토머의 100 중량당 100 과산화물 당 약 0.5부 내지 엘라스토머의 100 중량당 약 5.0부이다.
자외선광, 베타 및 감마 방사선, 2',2'-아조비스이소부티로니트릴,2,2'-아조비스(2,4-디메틸펜탄니트릴),1,1'-아조비스(사이클로헥산카보니트릴),디설파이드(RS-SR) 및 테트라젠(R2N-N=N-NR2) 같은 아조 화합물 같은 다른 자유 래디칼 생성 화합물 및 메카니즘도 사용될 수 있다.
충전재
적절한 충전재는 카본 블랙 및 실리카, 알루미나, 알루미늄 하이드록사이드, 점토, 칼슘 카보네이트, 유리섬유, 마이크로스피어, 폴리에스테르, 나일론 또는 아라미드 섬유 같은 중합성 섬유 같은 무기 충전제("화이트 충전재")를 포함한다.
화이트 충전재
보강 충전재로서 사용되는 화이트 또는 무기 충전재는 총 보강 충전재의 전부 또는 단지 일부를 구성할 수 있으며, 후자는 예로서, 카본 블랙과 연계된 경우이다. 본 출원에서, 공지된 방식에서, "보강 무기 충전재"는 그 색상 및 그 근원(천연 또는 합성)에 무관하게 무기 또는 미네랄 충전재를 의미하는 것으로 이해되며, 이는 또한 카본 블랙에 대하여, "화이트" 충전재 또는 때때로 "투명" 충전재라고 지칭되며, 이 무기 충전재는 중간 결합 제 이외의 소정의 다른 수단 없이 그 자체로 타이어의 제조를 위한 고무 조성을 보강할 수 있다. 달리 말해, 이는 그 보강 기능에서 종래의 타이어-등급 카본 블랙 충전재를 대체할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 보강 무기 충전재는 실리카 또는 알루미늄형 미네랄 충전재 또는 이들 두 종의 충전재의 혼합물이다. 사용되는 실리카(SiO2)는 본 기술 분야의 숙련자들에게 공지된 소정의 보강 실리카일 수 있으며, 특히, BET 표면적 및 비 CTAB 표면적 양자 모두가 450m2/g 미만, 바람직하게는 30 내지 400m2/g인소정의 침전성 또는 화성 실리카일 수 있다. 특히, 본 발명이 낮은 롤링 저항을 가지는 타이어의 제조에 사용될 때, 고 분산성 침전성 실리카(Highly dispersible precipitated silica)("HDS"라 지칭됨)가 적합하며, "고 분산성 실리카"는 공지된 방식으로, 얇은 섹션상의 전자 또는 광학 현미경에 의해 공지된 방식으로 관찰될 수 있는 엘라스토머성 매트릭스로 분해 및 분산되는 현저한 능력을 가지는 소정의 실리카를 의미하는 것으로 이해된다. 이런 양호한 고 분산성 실리카의 비제한적인 예로서, Deguss로부터의 실리카 BV3380 및 Ultrasil 7000, Rhodia로부터의 실리카 Zeosil 1165MP 및 1115MP, 피피지 인더스트리즈 인코포레이티드(PPG Industries, Inc.)(Pittsburgh, PA 15272)로부터의 실리카 Hi-Sil 2000, 제이.엠. 후버 코포레이션(J.M. Huber Corp.)(Atlanta, GA 30327)로부터의 실리카 Zeopol 8715 또는 8745를 들 수 있다.
적합하게 사용되는 보강 알루미나(Al2O3)는 상술한 출원 EP-A-0 810 258에 기술된 바와 같이, 30 내지 400m2/g, 보다 바람직하게는 60 내지 250m2/g의 BET 표면적과, 최대 500nm, 보다 바람직하게는 200nm의 평균 입경을 가지는 고 분산성 알루미나이다. 이런 보강 알루미나의 비제한적인 예는 특히 알루미나 A125 또는 CR125(Baikowski Intl. Corp., Charlotte, NC), APA-100RDX(Condea Servo BV, Netherlands), Aluminoxid C(Degussa) 또는 AKP-G015(Sumitomo Chemical Co. Ltd., Osaka, Japan)가 있다. 본 발명은 또한, 보강 무기 충전재로서, 출원 WO99/28376에 기술된 바와 같은 비 알루미늄(옥사이드-)하이드록사이드를 사용하여 구현될 수 있다.
보강 무기 충전재가 존재하는 물리적 상태는 그것이 분말, 미소비드, 입자 또는 대안적인 볼의 형태인지 여부에 무관하다. 물론, "보강 무기 충전재"는 또한 서로 다른 보강 무기 충전재의 혼합물, 특히, 상술한 바와 같은 고 분산성 실리카 및/또는 알루미나 충전재의 혼합물을 의미하는 것으로도 이해된다.
보강 무기 충전재는 또한 카본 블랙과 혼합체(혼합물)로 사용될 수도 있다. 적절한 카본 블랙은 소정의 카본 블랙, 특히, 타이어에 종래에 사용되는 유형 HAF, ISAF 및 SAF의 블랙이다. 총 보강 충전재내에 존재하는 카본 블랙의 양은 넓은 한계내에서 변화할 수 있다.
본 명세서에서, BET 비표면적은 "The Journal of the American Chemical Society(vol. 60, page 309, February 1938)"에 기술된 Brunauer, Emmet 및 Teller의 방법과 연계하여 결정된다. CTAB 비표면적은 이 방법에 따라 결정되는 외부 표면적이다.
본 발명에 유용한 결합제
실리카 같은 무기 충전재의 경우에, 결합제는 엘라스토머를 충전재와 링크하는데 필요하다. 용어 "결합제"(무기 충전재/엘라스토머)는 공지된 방식으로, 무기 충전재와 엘라스토머 사이의 충분한 화학적 및/또는 물리적 연결을 형성할 수 있는 보조제를 의미하는 것으로 이해되며, 적어도 양방향기능성인 이런 결합제는 예로서, 단순화된 일반 구조식 "Y-T-X"를 가지며, 여기서,
-Y는 무기 충전재와 물리적 및/또는 화학적으로 결합할 수 있는 기능그룹("Y" 펑션)을 나타내고, 이런 접합은 예로서, 결합제의 실리콘 원자와 무기 충전재의 하이드록실(OH) 표면 그룹(예로서, 실리카의 경우에 표면 실라놀) 사이에 형성될 수 있으며;
-X는 예로서, 황 원자에 의해 엘라스토머와 물리적 및/또는 화학적으로 접합할 수 있는 기능 그룹("X" 펑션)을 나타내고;
-T는 Y와 X의 링크를 가능하게 하는 하이드로카본 그룹을 나타낸다.
결합제는 특히 공지된 방식으로 무기 충전재에 대하여 활성인 Y 펑션을 포함할 수 있지만, 엘라스토머에 대하여 활성인 X 펑션은 없는 무기 충전재를 포괄하기 위한 단순 보조제와 혼동되지 않아야 한다.
다양한 유효성의 이런 결합제가 본 기술 분야의 숙련자들에게 널리 알려져 있으며, 매우 많은 수의 문헌에 기술되어 있다. 사실, 상술한 X 및 Y 펑션을 지원하는 예로서, 유기실란, 특히, 폴리설퍼라이즈드 알콕시실란 또는 메르캅토실란이나 폴리오르가노실록산 같은 타이어의 제조를 위해 사용될 수 있는 디엔 고무 조성에 실리카와 디엔 엘라스토머 사이에 유효 접합 또는 결합을 보증하기 쉽거나 보증하는 것으로 알려진 소정의 결합제가 사용될 수 있다.
본 기술 분야의 숙련자는 의도된 응용분야, 사용되는 엘라스토머의 특성 및 무기 보강 충전재의 양에 따라, 본 발명의 조성의 결합제의 함량을 조절할 수 있다.
다른 재료
본 발명에 따른 고무 조성은 또한 엘라스토머(들), 보강 충전재, 황 및 하나이상의 보강 화이트 충전재/엘라스토머 결합제(들), 가소제, 염료, 산화방지제, 가황 가속제, 증량제 오일, 처리 보조제 및 알콕시실란, 폴리올 아민 등 같은 보강 화이트 충전재를 코팅하기 위한 하나 이상의 보조제 같은 고무 혼합물에 일반적으로 사용되는 다양한 다른 성분들 및 첨가제를 포함할 수 있다.
조성(Formulations)
고무 조성은 일반적으로 두 개의 연속적 준비 위상, 즉, 고온에서의 열기계적 작업의 제 1 위상 및 이어지는 보다 낮은 온도에서의 기계적 제 2 위상을 사용하여 적절한 혼합기에서 생성된다. 실리카 믹스의 경우에, 3-단계 처리가 사용될 수 있다. 일 적절한 혼합기는 Banbury 혼합기(Farrel Corp., Ansonia, CT 06401)이다.
열기계적 작업의 제 1 위상(때때로 "비생산적(non-productive)" 위상이라 지칭됨)은 조성의 다양한 성분을 레티큘레이션(경화) 시스템을 사용하지 않고 반죽에 의해 총체적으로 혼합하는 것을 목적으로 한다. 이는 혼합물에 부여되는 기계적 가공 및 높은 전단의 작용하에, 일반적으로 120℃와 190℃ 사이, 바람직하게는 130℃와 180℃ 사이의 최대 온도가 도달될 때까지 내부적 혼합기 또는 압출기 같은 적절한 반죽 장치에서 수행된다.
이 제 1 위상은 그 자체로 예로서, 하나 또는 그 이상의 중간 냉각 스테이지에 의해 분리된 단일 또는 다수의 열기계적 가공 스테이지를 포함할 수 있다. 조성의 다양한 성분, 즉, 엘라스토머(들) 보강 충전재 및 그 결합제와, 다양한 다른 성분("첨가제")이 제 1 열기계적 스테이지 동안 또는, 적용가능한 경우에, 다양한 열기계적 스테이지 동안 엇갈려 하나 이상의 단계에서 혼합기에 통합될 수 있다. 이 열기계적 가공의 총 기간(일반적으로 1과 20분 사이, 예로서, 2와 10분 사이)은 지정 동작 조건, 특히, 선택된 최대 온도, 성분의 성질 및 체적에 따라 선택되고, 상호 반응이 엘라스토머성 매트릭스내에서 얻어지는 다양한 성분이 양호하게 분산되어 먼저 미경화 상태에서 조성의 양호한 처리를 허용하고, 그 후, 경화 이후, 보강 충전재 및 그 중간 결합 보조제에 의해 충분한 수준의 보강을 허용하는 것이 중요하다.
본 발명에 따른 처리의 양호한 실시예에 따라서, 본 발명에 따른 조성의 모든 기본 성분, 즉, (i) 제 1의 소위 비생산적 위상 동안 디엔 엘라스토머내에 (ii) 보강 무기 충전재 및 그 결합제가 통합, 즉, 적어도 3개의 다른 기본 성분이 혼합기내로 도입되고 하나 이상의 스테이지에서 120℃와 190℃ 사이, 바람직하게는 130℃와 180℃ 사이의 최대 온도가 도달될 때까지 열기계적으로 반죽된다.
예로서, 제 1(비생산적) 위상은 "Banbury"형의 종래의 내부 블레이드 혼합기내에서 1 내지 5분의 기간의 두 연속 단계에서 수행되고, 그 최초 탱크 온도는 60℃의 수준이다. 무엇보다도, 엘라스토머(또는 엘라스토머들)가 도입되고, 그 후, 예로서, 1분의 혼합 이후에, 보강 충전재 및 그 결합제가 도입되며, 그후, 약 1분 후까지 반죽이 지속되며, 가황 시스템 없이 소정의 가능한 보완 피복제 또는 처리제를 포함하는 다양한 첨가제가 추가된다. 보강 충전재의(또는 다수가 사용되는 경우 보강 충전재 중 하나의) 명확한 밀도가 비교적 낮을 때(예로서 실리카가 그러한 경우이다), 엘라스토머성 매트릭스내의 그 통합을 용이하게 하기 위해 후자의 도입, 그리고, 가능하면, 그 결합시스템의 것을 몇몇 단계로 분할, 예로서, 최초 1분의 반죽 이후 충전제의 절반 또는 심지어 약 3/4를, 그리고, 2분의 반죽 이후 나머지를 도입하는 것이 적합하다. 따라서, 135℃와 170℃ 사이일 수 있는 "드롭핑" 온도라 지칭되는 최대 온도가 얻어질 때까지 열기계적 가공이 수행된다. 이렇게 얻어진 혼합물의 블록은 회수되고, 100℃ 미만의 온도로 냉각된다. 냉각 이후, 제 1 열기계적 스테이지가 동일 또는 다른 혼합기에서 수행되며, 그 목적은 혼합물을 보완적 열처리를 받게 하고, 특히, 보강 충전재의 보다 양호한 분산을 획득하며, 물론, 예로서, 스테아릭산, 안티-오존 왁스, 산화방지제, 아연 산화물 또는 다른 첨가제 같은 첨가제 중 일부는 전체 또는 부분적으로 열기계적 가공의 이 제 2 단계까지 혼합기에 도입되지 않을 수 있다. 이 결과, 제 1 열기계적 위상은 그후 낮은 온도(예로서, 30℃와 60℃ 사이)에서 외부 개방 밀상에서 취해지며, 가황 시스템이 추가되며, 그후, 전체 조성이 수 분, 예로서, 2와 5분 사이 동안 혼합된다(생산적 위상).
엘라스토머는 가장 먼저 제 1 비생산적 단계에서 혼합기에 추가된다. 충전재가 그후 추가되며(예로서, 카본 블랙), 재료는 혼합기로부터 드롭된다. 제 2 단계에서, 경화제가 보다 낮은 온도에서 추가된다. 카르복실산의 금속염이 생산적 도는 비생산적 혼합 단계에 추가될 수 있다.
실리카기 구성물(silica-based composition)에 대하여, 제 1 단계에서, 실리카 충전재 및 결합제(예로서, Si-69)가 추가되고, 실리카와 실란의 결합을 달성하기에 적합한 시간 동안 혼합된다. 혼합물은 그후 드롭된다. 그후, 실리카-실란의배치가 과산화물 및 카르복실산의 금속염(예로서, 아연 디메타크릴레이트) 및 다른 첨가제와 조합된다. 대안적으로, 과산화물 및 아연 산화물 같은 첨가제가 저온에서 밀상에 추가될 수 있다. 엘라스토머의 100 중량당 100 아연 스트레이트당 적어도 4부의 추가는 처리 장비에 대한 혼합물의 점착을 감소시킨다.
이렇게 얻어진 최종 구성물은 특히, 실험실에서의 특징화를 위해 예로서, 막 또는 박판의 형태로 캘린더링되거나, 대안적으로 본 발명의 전단층을 제조하기 위해 사용되는 고무 프로파일형 소자를 형성하기 위해 압출된다.
레티큘레이션(reticulation)(또는 경화)은 공지된 방식으로 바람직하게는 압력하에서, 일반적으로 130℃ 및 200℃ 사이의 온도로 특히 경화 온도, 적용되는 교차-결합 시스템 및 관련 조성의 가황 운동학에 의존하여 예로서 5와 90분 사이에서 변할 수 있는 충분한 시간 동안 수행된다.
본 발명의 일 실시예에서, 전단층은 약 3MPa 내지 약 20MPa의 전단 탄성 계수를 갖는다. 본 발명의 다른 실시예에서, 전단층은 하기의 근사 계수 범위를 갖는다.
3MPa 내지 5MPa
6MPa 내지 8MPa
9MPa 내지 11MPa
12MPa 내지 14MPa
14MPa 내지 16MPa
17MPa 내지 20MPa
3MPa 내지 7MPa
3MPa 내지 10MPa
11MPa 내지 20MPa
본 발명자는 종래의 고무를 위해 충분한 전단 계수를 획득하도록 수지를 추가하는 것은 전단층으로서 기능하기에 응집성이 결여된 제품을 초래할 수 있다는 것을 발견하였다. 즉, 전단층은 파열되는 경향이 있을 수 있다. 수지는 인서트에 의해 겪게되는 높은 변형 레벨에서 파괴된다. 전단층은 0.3 이상의 피크 대 피크 전단 변형에 저항할 수 있어야만 한다. 황 함량을 증가시키거나, 보다 많은 가속제를 추가하는 것 같은 이런 고무 혼합물의 응집성을 증가시키는 종래의 방법은 고무를 취성적이고, 덜 탄성적이며, 처리가 곤란하게 만든다. 또한, 이는 고무 혼합물의 히스테리시스를 증가시킬 수 있다. 다시, 이런 혼합물은 본 발명의 전단층에는 부적합하다. 본 발명자는 아크릴산의 금속염, 특히, 아연 디메타크릴레이트 및 아연 디아크릴레이트를 사용하는 것이 처리가 용이하고, 휠용 인서트를 위한 전단층을 위해 필요한 계수를 제공할 수 있으며, 높은 탄성, 높은 응집 강도 및 낮은 탄 델타(tan delta)를 갖는 조성을 초래한다는 것을 발견하였다.
일반적으로
(1) 이하는 본 발명에 따른 전단층의 일 실시예를 위한 일반 조성이다. 이는 "phr"(엘라스토머 또는 고무의 100 부 당 중량부)로 표현되어 있다. "ZDMA"는 아연 디메타크릴레이트를 의미한다.
엘라스토머 100 phr
카르복실산의 금속염 30 phr(10-60 phr)
과산화물 1 phr(0.1-5 phr)
충전재 45 phr(30-70 phr)
이하는 전단층을 위한 대안 실시예의 조성이다.
(2)
천연 고무 100 phr
아연 메타크릴레이트 또는 디메타크릴레이트 30 phr(15-40 phr)
과산화물 1 phr(0.5-2 phr)
충전재 45 phr(30-60 phr)
(3)
천연고무 35 phr (30-65 phr)
폴리부타디엔 65 phr (35-70 phr)
과산화물 1 phr(0.5-2 phr)
카본 블랙(예로서, N650) 50 phr(30-60 phr)
아연 디메타크릴레이트 15 phr(10-20 phr)
(4)
천연 고무 100 phr(80-100 phr)
폴리부타디엔 0 phr(0-20 phr)
과산화물 1 phr(0.5-2 phr)
카본 블랙 0 phr
실리카 45 phr(40-70 phr)
ZDMA 40 phr(20-50 phr)
(5)
천연 고무 80 phr(50-90 phr)
폴리부타디엔 20 phr(10-50 phr)
과산화물 1 phr(0.5-2.0 phr)
카본 블랙(예로서, N650) 30 phr(30-60 phr)
ZDMA 35 phr(20-40 phr)
본 발명은 하기의 비제한적 실시예를 참조로 추가로 이해될 수 있다.
제 1 실시예
전단층을 위한 엘라스토머성 재료가 본 발명에 따라 준비되었다.
제어1 제어2 제어3 혼합1 혼합2 혼합3 혼합4 혼합5
천연고무 35 35 100 35 80 100 100 80
폴리부타디엔 65 65 65 20 20
Zeosil1165MP(실리카) 62 45 45 45
N650(카본블랙) 65 65 50 30
X50S(실란 결합제) 9.9 5.8 5.8 5.8
과산화물(다이업40%[40%]) 5 2.5 2.5 2.5
아연 디메타크릴레이트 15 35 40 40 40
ZnO 4 4 4 4 4 4 4
[본 그림은 엘라스토머 또는 고무의 100 부당 중량부로 표현된다]
[마이크로펄의 형태로 Rhodia에 의해 제조된 고분산성 실리카 "Zeosil 1165MP"(BET 및 CTAB : 약 150-160m2/g]
[N650 카본 블랙은 Engineered Carbons, Inc.(Borger, Texas 79008) 및 기타 공급자들로부터 입수할 수 있다]
[Si69는 Si69(또는 카본 블랙상의 50중량%의 함량에서 지원될때는 X50S)라는 명칭하에 Degussa Corp.(Ridgefield Park, New Jersey)에 의한 [(C2H5O)3Si(CH2)3S2]2의 조성을 가지는 비스(3-트리에톡시시릴프로필)테트라설파이드이다]
제어1 제어2 제어3 혼합1 혼합2 혼합3 혼합4 혼합5
무니 점도(1) 83 85 83 56 93 49 48 55
MA10(MPa)(2) 12 10 12 16 21 10 17 21
MA50(MPa)(3) 9.2 7.5 6.7 12.5 11.2 4.9 7.3 9.4
MA100(MPa)(4) 9.6 6.6 6 파괴 10 4 5.7 7.3
10%전단변형의 G'(5) 4.9 3.1 4 4.9
40%전단변형의 G'(5) 글루파괴 2.9 3.1 4.5
10%전단의탄젠트델타(5) 0.045 0.046 0.077 0.041
40%전단의탄젠트델타(5) 글루파괴 0.034 0.078 0.038
P60(60℃ 반동) 9 12.5 21 12 22 27 30 29
탄성 전단 한계(%)100℃ >50% >50% >100% >50% >100% >100% >100% >100%
응집응력(MPa)100℃(6) 14.8 7.4 9.9 14.8 14.9 13.3
응집변형(MPa)100℃(7) 213 50 90 395 332 246
치수안정성(8) 2 2 2 1 1 1 1 1
에이징 안정성(9) 3 2 3 1 1 1 1 1
(1) ML(1+4) 100℃ Lower No., 보다 남은 점성
(2) 23℃ 10%에서의 인장 계수
(3) 23℃ 50%에서의 인장 계수
(4) 23℃ 110%에서의 인장 계수
(5) 10Hz, 100℃
(6) Scott 극한 응력 @100℃
(7) 100℃ 파열 까지의 Scott 극한 변형
(8) 상대(MTS 기반), "1"은 최선이며 "3"은 최악
(9) 상대성, "1"은 최상이고 "3" 최악임
동적 특성은 순수 전단 변형 모드하에서 10헤르즈에서 MTS 하중 링(MTS Systems Corp., Eden Prairie, MN 55344)상에서 측정되었다.
인장 하중하에서, 구속하의 샘플의 원 면적으로 나뉘어진 힘은 응력이라 지칭된다(메가파스칼 단위로 위에 도시됨). 재료의 변위(이동 또는 신장)는 변형이라 지칭된다. 일반적으로, 변형은 원 길이로 나뉘어진 길이의 변화로 주어지며, 단위는 무차원이다. 계수는 응력 대 변형 곡선의 경사이다(종축에 응력, 횡축에 변형). 재료의 탄성 전단 계수(G')는 변형에 대한 탄성(위상내) 응력의 비율이며, 탄성적으로 에너지를 저장하기 위한 재료의 능력에 관련한다. 재료의 로스 계수(G")는 전단 변형에 대한 점성(위상외) 성분의 비율이며, 열을 통한 응력 소산을 위한 재료의 능력에 관련한다. 이들 계수의 비율(G'/G")은 탄젠트 델타로서 규정되며, 재료의 탄성 소산 또는 댐핑을 위한 상대 점도를 나타낸다. 낮은 탄 델타는 매우 탄성적이며 덜 히스테리시스하다는 것을 의미한다.
G'는 메가 파스칼의 전단 계수를 나타내며, 탄 델타는 재료의 상대 히스테리시스를 나타낸다.
ML(1+4)100℃ Lower no.=보다 낮은 점성. 이는 보다큰 로터로 수행된 Mooney 점성 테스트이다. 이는 정지상태 동안 1분간 예열되고, 4분 테스트 시간 동안 회전된다. 값은 5분의 종점에서 판독된다.
MA10, MA50 및 MA100은 각각 10%, 50% 및 100% 신장에서의 인장 계수 테스트이다. 이들은 Instron 인장 테스터(Istron, Inc. Canton, MA 02101)를 사용하여 측정된다.
10% 전단 및 40% 전단에서의 탄젠트 델타를 위한 테스트는 MTS, Inc. 테스터기(MTS Systems Corporation, Eden Prairie, MN 55344)를 사용하여 수행된다.
P60 테스트는 고무 샘플을 가격할 때 진자의 반동각을 측정하는 히스테리시스 테스트이다. 최초 5회의 개시 충돌은 무시되고, 그후 다음 3회 충돌이 측정된다.
탄성 전단 한계 테스트는 MTS 테스터로 수행된다. 샘플은 그 응력/변형 곡선이 선형 영역 외부로 진행할 때까지 신장된다.
Scott 극한 응력 테스트에서, 샘플은 파열까지 신장된다. 샘플은 일정한 속도로 신장된다.
치수 안정성 테스트는 MTS 테스터상에서 수행된다.
에이징 테스트는 77℃에서 7, 14 또는 28일 동안 샘플을 에이징한 이후, MTS 기계상에서 수행된다.
표들은 카본 블랙 또는 실리카 같은 충전재와 함께 자유 라디칼 생성기(과산화물을 가진 ZDMA)와 함께 카르복실산의 금속염을 사용함으로써, 종래의 고무 시스템의 것 보다 우월한 일련의 특성이 얻어질 수 있다는 것을 예시한다. 즉, 본 발명은 높은 계수, 낮은 히스테리시스 및 높은 응집 강도에 대하여 런플랫 인서트의 전단층을 위한 최상의 특성을 달성할 수 있다.
본 기술 분야의 숙련자들은 본 명세서, 도면 및 첨부된 청구항을 읽은 이후, 본 발명의 다양한 변형 및 변경을 명백히 알 수 있다. 이들 변형 및 변경은 첨부된 청구항의 범주내에 포함된다.

Claims (29)

  1. 공기 타이어와 휠 림을 포함하는 조립체에 장착되고, 타이어의 공동 내측에 장착되어 상기 휠 림에 고정되는, 차량이 공압소실 타이어상에서 주행할 수 있게 하기 위한 런플랫 인서트에 있어서,
    a) 타이어의 공압소실상태 동작 동안 상기 타이어의 내부면과 접촉하는 엘라스토머성 외부 접촉부,
    b) 상기 외부 접촉부의 반경방향 내측에 배치된 보강 환형 밴드로서, 엘라스토머성 전단층, 상기 엘라스토머성 전단층의 반경방향 내향 지역에 부착된 적어도 하나의 제 1 막 및 상기 엘라스토머성 전단층의 반경방향 외향 지역에 부착된 적어도 하나의 제 2 막을 포함하는 보강 환형 밴드,
    c) 상기 인서트를 림에 고정하기 위해 휠 림 둘레에 끼워진 베이스 부재에 상기 환형 밴드를 연결하기 위해 상기 접촉부로부터 반경방향 내향 연장하는 적어도 하나의 측벽부, 및
    d) 상기 환형 밴드에 부착된 적어도 하나의 카커스 층으로서, 상기 환형 밴드로부터 반경방향 내향 연장하고, 상기 베이스 부재에 고정되어 있는 카커스 층을 포함하고,
    상기 전단층은 카르복실산의 금속염을 가지는 엘라스토머성 조성을 포함하며,
    상기 카르복실 산은 불포화 카르복실산으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는런플랫 인서트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전단층의 전단 계수에 대한 상기 막 각각의 종방향 인장 계수의 비율은 적어도 100:1인 런플랫 인서트.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 엘라스토머성 전단층은 약 4mm과 약 20mm 사이의 두께를 가지는 런플랫 인서트.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 엘라스토머성 전단층은 약 3MPa와 약 20MPa 사이의 전단 탄성 계수를 가지는 런플랫 인서트.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 엘라스토머성 전단층은 약 3MPa 내지 약 10MPa의 전단 탄성 계수를 가지는 런플랫 인서트.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 엘라스토머성 전단층은 약 3MPa 내지 약 7MPa의 전단 탄성 계수를 가지는 런플랫 인서트.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 엘라스토머성 전단층은 약 0.1 이하의 탄젠트 델타를 가지는 런플랫 인서트.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 막의 외최부 지역의 반경으로 나뉘어진 상기 전단층의 반경방향 두께와 상기 전단층의 전단 탄성 계수의 곱의 적은 약 2bar과 약 6bar 사이인 런플랫 인서트.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 막의 외최부 지역의 반경으로 나뉘어진 상기 전단층의 반경방향 두께와 상기 전단층의 전단 탄성 계수의 곱의 적은 약 3bar인 런플랫 인서트.
  10. 제 1 항의 런플랫 인서트와 공기 타이어를 포함하는 휠 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 엘라스토머성 조성은 천연 및 합성 엘라스토머 및 그 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 런플랫 인서트.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전단층의 엘라스토머성 조성은 디엔 엘라스토머로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 런플랫 인서트.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 디엔 엘라스토머는 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 부타디엔 공중합체, 이소프렌 공중합체 및 그 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 런플랫 인서트.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전단층의 상기 엘라스토머성 조성은 천연고무, 합성 폴리이소프렌, 스티렌-부타디엔 공중합체, 부타디엔-이소프렌 공중합체, 이소프렌-부타디엔-스티렌 공중합체 및 그 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 런플랫 인서트.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 디엔 엘라스토머는 천연 고무, 합성 시스-1,4 폴리이소프렌 및 그 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 런플랫 인서트.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 카르복실산은 불포화 카르복실산으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 런플랫 인서트.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 카르복실산은 메타크릴산, 에타크릴산, 아크릴산, 신남산, 크로톤산, 말레산, 푸르마르산, 이타콘산 및 그 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 런플랫 인서트.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 금속염의 금속은 소듐, 포타슘, 강철, 마그네슘, 칼슘, 아연, 바륨, 알루미늄, 주석, 지르코늄, 리튬, 카드뮴, 코발트 및 그 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 런플랫 인서트.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 금속염은 아연 디아크릴레이트 및 아연 디메타크릴레이트로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 런플랫 인서트.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 전단층의 상기 엘라스토머성 조성은 자유 라디칼을 생성하는 조성을 포함하는 경화제를 추가로 포함하는 런플랫 인서트.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 경화제는 과산화물, 아조 콤파운드, 디설파이드 및 테트라아젠으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 런플랫 인서트.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 경화제는 과산화물인 런플랫 인서트.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 과산화물은 디-쿠밀 퍼옥사이드; 테르트-부틸 쿠밀 퍼옥사이드; 2,5-디메틸-2,5 BIS (테르트-부틸 퍼옥시)헥신-3; BIS(테르트-부틸 퍼옥시 이소프로필)벤젠; 4,4-디-테르트-부틸 퍼옥시 N-부틸 바렐레이트; 1,1-디-테르트-부틸퍼옥시-3,3,5-트리메틸사이클로핵산; 비스-(테르트-부틸 퍼옥시)-디이소프로필 벤젠; 티-부틸 퍼벤조에이트; 디-테르트-부틸 퍼옥사이드; 2,5-디메틸-2,5-디-테르트-부틸퍼옥사이드 핵산 및 그 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 런플랫 인서트.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 전단층은
    (a) 100phr 엘라스토머에 대하여,
    (b) 약 10 내지 60phr의 카르복실산의 금속염,
    (c) 약 30 내지 70phr의 충전재, 및
    (d) 약 0.5 내지 2phr의 퍼옥사이드를 포함하는 런플랫 인서트.
  25. 제 1 항에 있어서, 상기 전단층은
    (a) 100phr 천연 고무에 대하여,
    (b) 아연 디아크릴레이트와 아연디메타크릴레이트로 구성되는 그룹으로부터 선택된 약 15 내지 40phr,
    (c) 약 30 내지 60phr의 충전재, 및
    (d) 약 0.5 내지 2phr의 퍼옥사이드를 포함하는 런플랫 인서트.
  26. 제 1 항에 있어서, 상기 전단층은
    (a) 30-65phr 천연 고무에 대하여,
    (b) 약 35 내지 70phr의 폴리부타디엔,
    (c) 아연 디아크릴레이트와 아연 디메타크릴레이트로 구성되는 그룹으로부터 선택된 약 10 - 20 phr,
    (d) 약 30 내지 60phr의 카본 블랙, 및
    (e) 약 0.5 내지 2phr의 퍼옥사이드를 포함하는 런플랫 인서트.
  27. 제 1 항에 있어서, 상기 전단층은
    (a) 80-100phr 천연 고무에 대하여,
    (b) 약 0 내지 20phr의 폴리부타디엔,
    (c) 아연 디아크릴레이트와 아연 디메타크릴레이트로 구성되는 그룹으로부터 선택된 약 20 - 50 phr,
    (d) 약 40 내지 70phr의 실리카, 및
    (e) 약 0.5 내지 2phr의 퍼옥사이드를 포함하는 런플랫 인서트.
  28. 제 1 항에 있어서, 상기 전단층은
    (a) 50-90phr 천연 고무에 대하여,
    (b) 약 10 내지 50phr의 폴리부타디엔,
    (c) 아연 디아크릴레이트와 아연 디메타크릴레이트로 구성되는 그룹으로부터 선택된 약 20 - 40 phr,
    (d) 약 30 내지 60phr의 카본 블랙, 및
    (e) 약 0.5 내지 2phr의 퍼옥사이드를 포함하는 런플랫 인서트.
  29. 제 1 항에 있어서, 상기 전단층은
    (a) 80-100phr 천연 고무에 대하여,
    (b) 약 0 내지 20phr의 폴리부타디엔,
    (c) 아연 디아크릴레이트와 아연 디메타크릴레이트로 구성되는 그룹으로부터 선택된 약 30 - 50 phr,
    (d) 약 30 내지 70phr의 실리카, 및
    (e) 약 0.5 내지 2phr의 퍼옥사이드를 포함하는 런플랫 인서트.
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