KR20050120027A - Rubber composition for tire tread - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리카를 보강제로 포함하며, 다음 화학식 1로 표시되는 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체가 부타디엔부의 고무 사슬에 꿰어진 폴리로탁세인(polyrotaxane) 형태를 갖는 용액중합 스티렌-부타디엔 고무를 원료고무로 포함하여 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체가 갖고 있는 -OH기 또는 -OR기(여기서, R=알킬기 또는 하이드록시알킬기)가 보강제로 첨가되는 실리카와 강하게 결합하고 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체의 중공 내부에 삽입된 부타디엔부 고무 사슬은 외부 변형에 따른 유동성을 가질 수 있어 고무 자체의 특성을 나타낼 수 있음에 따라 젖은 노면에서의 제동성능을 유지하면서 회전저항의 감소 및 내마모 성능을 향상시킬 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다. The present invention includes silica as a reinforcing agent, and includes a solution-polymerized styrene-butadiene rubber having a polyrotaxane form in which the cyclodextrin or its derivative represented by Chemical Formula 1 is sewn on the rubber chain of the butadiene moiety. -Butadiene moiety inserted into the hollow interior of the cyclodextrin or derivative thereof by strongly bonding to the silica to which -OH group or -OR group (herein, R = alkyl group or hydroxyalkyl group) possessed by the cyclodextrin or derivative thereof is added as a reinforcing agent The rubber chain may have fluidity due to external deformation, and thus may exhibit characteristics of the rubber itself. Thus, a rubber composition for tire treads may be used to improve rolling resistance and wear resistance while maintaining braking performance on wet road surfaces. to provide.
Description
본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원료고무로서 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체가 부타디엔부의 고무 사슬에 꿰어져 있는 폴리로탁세인(polyrotaxane) 형태의 용액중합 스티렌-부타디엔 고무를 포함하고 실리카를 보강제로 사용함으로써 고무와 보강제의 상호작용력이 향상되어 회전저항의 감소 및 내마모 성능이 향상된 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a rubber composition for tire treads, and more particularly, to a raw material rubber, a solution-polymerized styrene-butadiene rubber in the form of polyrotaxane in which a cyclodextrin or a derivative thereof is sewn on the rubber chain of the butadiene portion. By using silica as a reinforcing agent, the interaction force between the rubber and the reinforcing agent is improved, thereby reducing the rolling resistance and improving the wear resistance of the tire tread.
최근 타이어 산업의 개발 방향은 낮은 회전저항에 따른 저연비 및 주행 후 제동시의 안정성 확보에 목적을 두고 실리카를 보강제로 사용하고, 극성인 실리카와 비극성인 고무와의 상호작용력을 높이기 위해 결합제를 포함한 고무 조성물에 초점이 맞춰져 오고 있다.Recently, the development direction of the tire industry uses silica as a reinforcing agent for the purpose of securing low fuel consumption due to low rolling resistance and stability during braking after driving, and rubber containing binder to increase the interaction force between polar silica and nonpolar rubber. There has been a focus on compositions.
그러나, 실리카 고무 조성물의 경우, 고무와의 상호작용력이 높은 카본블랙을 포함하는 고무 조성물에 비해 타이어의 내마모 성능이 저하되는 문제가 있다.However, in the case of the silica rubber composition, there is a problem in that the wear resistance of the tire is lowered as compared with the rubber composition including carbon black having high interaction force with rubber.
한편, 지금까지 실리카 고무 조성물에 사용되는 스티렌-부타디엔 고무는 유화중합된 고무 또는 유기리튬 개시제를 사용하여 얻은 용액중합된 고무 등으로서, 실리카와의 상호작용력을 향상시키기 위하여 고무 사슬 말단에 극성기를 도입한 연구가 진행되어 왔으나 극성인 실리카의 특성상 고무와의 상호작용력을 향상시키는 데 한계가 있다.On the other hand, styrene-butadiene rubbers used in silica rubber compositions so far are emulsion-polymerized rubbers or solution-polymerized rubbers obtained by using an organolithium initiator, and a polar group is introduced at the end of the rubber chain to improve the interaction force with silica. Although one study has been conducted, there is a limit in improving the interaction force with rubber due to the nature of the polar silica.
이에 착안하여 본 발명에서는 실리카와 공유결합이 가능한 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체가 스티렌-부타디엔 고무 사슬에 꿰어져 있는 폴리로탁세인(polyrotaxane) 형태의 고무를 사용한 결과, 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체가 갖고 있는 -OH기 또는 -OR기(여기서, R= 알킬기 또는 하이드록시알킬기)가 보강제로 첨가되는 실리카와 강하게 결합하여 회전저항의 감소 및 내마모 성능을 향상시킬 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하게 되었다.In view of this, in the present invention, a cyclodextrin or a derivative thereof which is covalently bonded to silica is used as a polyrotaxane-type rubber in which a styrene-butadiene rubber chain is sewn, resulting in cyclodextrin or a derivative thereof. The present invention has been completed by knowing that an OH group or an -OR group (here, R = alkyl group or hydroxyalkyl group) can be strongly combined with silica added as a reinforcing agent to reduce the rolling resistance and improve the wear resistance.
따라서, 본 발명의 목적은 회전저항이 감소되고 내마모 성능이 향상된 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a rubber composition for tire treads with reduced rolling resistance and improved wear resistance.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 용액중합 스티렌-부타디엔 고무를 원료고무 중 포함하고 실리카를 보강제로 포함하는 것으로서, 이때 용액중합 스티렌-부타디엔 고무는 다음 화학식 1로 표시되는 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체가 부타디엔부의 고무 사슬에 꿰어진 폴리로탁세인 형태를 갖는 것임을 그 특징으로 한다. The rubber composition for tire treads of the present invention for achieving the above object comprises a solution-polymerized styrene-butadiene rubber in the raw rubber and silica as a reinforcing agent, wherein the solution-polymerized styrene-butadiene rubber is represented by the following formula (1) The cyclodextrin or derivative thereof is characterized in that it has a polyrotaxane form sewn on the rubber chain of the butadiene moiety.
화학식 1Formula 1
이와 같은 본 발명을 상세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at the present invention in detail as follows.
본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무로서 용액중합 스티렌-부타디엔 고무를 포함하는 바, 구체적으로는 부타디엔부의 고무 사슬에 상기 화학식 1로 표시되는 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체가 꿰어진, 이른바 폴리로탁세인 형태를 갖는 것이다.The rubber composition for tire treads of the present invention includes a solution-polymerized styrene-butadiene rubber as a raw material rubber, specifically, a cyclodextrin or a derivative thereof represented by Formula 1 on the rubber chain of the butadiene part, so-called polyrotaxane It has a form of phosphorus.
이같은 폴리로탁세인 형태의 용액중합 스티렌-부타디엔 고무를 제조함에 있어서 첨가되는 사이클로덱스트린은 글루코스 단위수 6 내지 8을 포함하는 고리형 올리고당으로서, 반복되는 글루코스 단위는 다음 화학식 2로 나타내어진다. 글루코스 단위의 α-1,4 결합 및 배열에 의해 사이클로덱스트린은 중공 내부를 갖는 원뿔형 분자 구조를 갖는다. 중공 내부는 수소원자와 글루코스 단위를 연결하는 산소 원자를 포함하므로 비교적 소수성이고 외부는 -OH기로 둘러 싸여 있어 친수성을 나타낸다. The cyclodextrin added in preparing the solution-polymerized styrene-butadiene rubber in the form of such polyrotaxane is a cyclic oligosaccharide including 6 to 8 glucose units, and the repeating glucose unit is represented by the following Chemical Formula 2. By α-1,4 binding and arrangement of glucose units, cyclodextrins have a conical molecular structure with a hollow interior. The hollow interior is relatively hydrophobic because it contains a hydrogen atom connecting a hydrogen atom and a glucose unit, and the outside is surrounded by an -OH group to exhibit hydrophilicity.
따라서 스티렌-부타디엔의 용액 중합시 형성된 탄화수소 사슬은 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체의 중공 내부로 삽입되어 폴리로탁세인(polyrotaxane) 형태를 갖게 되고, 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체가 갖고 있는 -OH기 또는 -OR기(여기서, R=알킬기 또는 하이드록시알킬기)가 보강제로 첨가되는 실리카와 강한 결합을 형성할 수 있다.Therefore, the hydrocarbon chain formed during the solution polymerization of styrene-butadiene is inserted into the hollow interior of the cyclodextrin or its derivatives to have a polyrotaxane form, and -OH or -OR group of the cyclodextrin or its derivatives. (Where R = alkyl group or hydroxyalkyl group) can form a strong bond with the silica added as a reinforcing agent.
구체적으로, 폴리로탁세인 형태의 용액중합 스티렌-부타디엔 고무 제조시 사용되는 사이클로덱스트린은 α-사이클로덱스트린 또는 이의 유도체, β-사이클로덱스트린 또는 이의 유도체, 또는 γ-사이클로덱스트린 또는 이의 유도체를 들 수 있으며, 주로 일부 -OH기가 -OR기(여기서, R=알킬기 또는 하이드록시알킬기)로 치환된 것일 수 있다. 본 발명에서 바람직하게는 디메틸-β-사이클로덱스트린을 사용하나, 이에 한정되는 것은 아니다. Specifically, cyclodextrins used in the preparation of solution-polymerized styrene-butadiene rubber in the form of polyrotaxane may include α-cyclodextrin or derivatives thereof, β-cyclodextrin or derivatives thereof, or γ-cyclodextrin or derivatives thereof. And, mainly, some -OH groups may be substituted with -OR groups, where R = alkyl group or hydroxyalkyl group. In the present invention, dimethyl-β-cyclodextrin is preferably used, but is not limited thereto.
이와같은 사이클로덱스트린을 사용하여 폴리로탁세인 형태의 용액중합 스티렌-부타디엔 고무를 제조하는 방법은 통상의 용액중합 스티렌-부타디엔 고무의 제조방법에 따르는 바, 예를 들어 중합용매에 스티렌과 부타디엔 단량체 및 극성첨가제를 주입한 후, 유기리튬개시제를 40∼50℃의 온도에서 주입하고 약 2시간 동안 중합을 진행시킨다. 그리고 나서, 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체 용액을 주입하여 약 1시간 정도 추가로 중합반응을 진행시킨 후 중합종결제로 반응을 종결시킨다.The method for preparing a solution-polymerized styrene-butadiene rubber in the form of polyrotaxane using such cyclodextrin is in accordance with a conventional method for preparing a solution-polymerized styrene-butadiene rubber, for example, styrene and butadiene monomers in a polymerization solvent and After injecting the polar additive, the organolithium initiator is injected at a temperature of 40 to 50 ° C. and polymerization is performed for about 2 hours. Then, cyclodextrin or a derivative solution thereof is injected to proceed the polymerization for about 1 hour, and then the reaction is terminated with a polymerization terminator.
이와 같이 제조된 용액중합 스티렌-부타디엔 고무는 스티렌 함량 약 10∼45중량%, 부타디엔부의 비닐 함량 25∼70중량%인 것이 바람직하다. The solution-polymerized styrene-butadiene rubber prepared as described above is preferably about 10 to 45% by weight of styrene and 25 to 70% by weight of vinyl in the butadiene portion.
만약, 스티렌 함량과 부타디엔부의 비닐 함량이 상기 범위 미만인 경우는 내마모성능 및 젖은 노면에서의 제동성능 향상을 기대할 수 없으며, 스티렌 함량과 부타디엔부의 비닐 함량이 상기 범위를 초과하는 경우는 내마모성능의 향상 및 회전저항의 감소를 기대할 수 없다. If the styrene content and the vinyl content of the butadiene portion are less than the above ranges, the wear resistance and the braking performance of the wet road surface cannot be expected to increase, and if the styrene content and the vinyl content of the butadiene portion exceed the above ranges, the wear resistance is improved and A decrease in rolling resistance cannot be expected.
용액중합시 사용할 수 있는 중합용매로는 하나 이상의 탄화수소 용매, 방향족, 파라핀계 또는 사이클로파라핀계 화합물 등을 들 수 있으며, 이 중에서는 사이클로헥산이 바람직하다.The polymerization solvent that can be used in solution polymerization may include at least one hydrocarbon solvent, aromatic, paraffinic or cycloparaffinic compound, and of these, cyclohexane is preferable.
용액중합시 사용할 수 있는 극성첨가제로는 테트라하이드로퓨란, N,N,N,N-테트라 메틸에틸렌디아민, 트리메틸아민, 트리에틸아민, 디-노르말프로필 에테르, 디-이소프로필 에테르, 디-노르말부틸 에테르, 에틸부틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 등을 사용하며, 이 중에서는 테트라하이드로퓨란이 바람직하다.The polar additives that can be used for solution polymerization include tetrahydrofuran, N, N, N, N-tetra methylethylenediamine, trimethylamine, triethylamine, di-normalpropyl ether, di-isopropyl ether, di-normal butyl Ether, ethylbutyl ether, triethylene glycol and the like are used, of which tetrahydrofuran is preferred.
유기리튬개시제로는 통상 용액중합 스티렌-부타디엔 고무 중합시 사용되는 것이면 되는 바, R'-Li(여기서 R은 1 내지 10개의 탄소원자를 함유하는 알킬기)로 표시되는 것, 특히 노르말부틸리튬이 바람직하다.As an organolithium initiator, what is normally used at the time of solution polymerization styrene-butadiene rubber superposition | polymerization is represented by R'-Li (where R is an alkyl group containing 1-10 carbon atoms), Especially normal butyllithium is preferable. .
사이클로덱스트린 또는 이의 유도체에 사용되는 용매는 디메틸설폭사이드가 사용된다.Dimethyl sulfoxide is used as the solvent used for the cyclodextrin or a derivative thereof.
상기와 같이 제조된 용액중합 스티렌-부타디엔 고무는 단독 또는 통상의 원료고무와 함께 사용하여 타이어 트레드용 고무 조성물에 포함되며 원료고무 중 10 내지 100중량%로 사용할 수 있다. The solution-polymerized styrene-butadiene rubber prepared as described above may be included in the rubber tread rubber composition using alone or in combination with a conventional raw rubber, and may be used in 10 to 100% by weight of the raw rubber.
만일, 원료고무 중 10중량% 미만으로 본 발명에 따른 용액중합 스티렌-부타디엔 고무를 사용하게 되면 첨가효과가 미미하다. If using the solution-polymerized styrene-butadiene rubber according to the present invention in less than 10% by weight of the raw material rubber, the addition effect is insignificant.
본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 보강제로 사용되는 실리카는 원료고무 100중량부에 대하여 100중량부 이내로 사용되는 것이 바람직하다.In the rubber composition for tire treads of the present invention, the silica used as the reinforcing agent is preferably used within 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the raw material rubber.
이와 같이 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체를 부타디엔부의 고무 사슬에 꿰어지도록 한 폴리로탁세인(polyrotaxane) 형태의 용액중합 스티렌-부타디엔 고무와 보강제로서 실리카를 사용하여 제조된 타이어 트레드용 고무 조성물은 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체가 갖고 있는 -OH기 또는 -OR기(여기서, R=알킬기 또는 하이드록시알킬기)가 보강제로 첨가되는 실리카와 강하게 결합하고 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체의 중공 내부에 삽입된 부타디엔부 고무 사슬은 외부 변형에 따른 유동성을 가질 수 있어 고무 자체의 특성을 나타낼 수 있음에 따라 젖은 노면에서의 제동성능을 유지하면서 회전저항의 감소 및 내마모 성능을 향상시킬 수 있다.The rubber composition for tire treads prepared by using a solution-polymerized styrene-butadiene rubber in the form of polyrotaxane and a reinforcing agent in which cyclodextrin or a derivative thereof is sewn on the rubber chain of the butadiene portion is cyclodextrin or The butadiene moiety rubber chain in which the -OH group or -OR group (here, R = alkyl group or hydroxyalkyl group) possessed by the derivative is strongly bonded to silica added as a reinforcing agent and inserted into the hollow interior of the cyclodextrin or a derivative thereof is As it can have the fluidity according to the characteristics of the rubber itself can be improved while reducing the rolling resistance and wear resistance while maintaining the braking performance on the wet road surface.
상기와 같은 성분 이외에 통상적으로 타이어 트레드 고무 조성물에 사용되는 배합제를 첨가할 수 있는 바, 예를 들어 실리카 결합제, 산화아연, 스테아린산, 오일, 노화방지제, 왁스, 레진, 유황, 가황촉진제 등을 첨가할 수 있다.In addition to the above components, a compounding agent usually used in a tire tread rubber composition may be added, for example, silica binder, zinc oxide, stearic acid, oil, antioxidant, wax, resin, sulfur, vulcanization accelerator, and the like. can do.
이하, 본 발명의 내용을 실시예를 통해 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in detail through examples. However, the present invention is not limited by the examples.
비교제조예Comparative Production Example
스티렌 200g, 부타디엔 800g, 테트라하이드로퓨란 100g과 사이클로헥산 5000g을 10L 반응기에 주입한 후 반응기 내부온도를 50℃로 유지하면서 노르말부틸리튬 0.32g(5mmol)을 주입하여 2시간 동안 중합하였다. 반응온도가 최고온도에 도달할 시점에 소량의 부타디엔을 주입한 후 추가로 1시간 더 반응시킨 후 메틸알콜로 반응을 종결시켰다. 반응으로 얻어진 중합물을 스팀으로 가열된 온수에 넣고 교반하여 용매을 제거한 후 건조하였다.200 g of styrene, 800 g of butadiene, 100 g of tetrahydrofuran and 5000 g of cyclohexane were injected into a 10 L reactor, and 0.32 g (5 mmol) of normal butyllithium was injected for 2 hours while maintaining the reactor internal temperature at 50 ° C. When the reaction temperature reached the highest temperature, a small amount of butadiene was injected, followed by an additional 1 hour, and the reaction was terminated with methyl alcohol. The polymer obtained in the reaction was put in hot water heated with steam, stirred to remove the solvent, and dried.
제조예Production Example
상기 비교제조예와 동일한 방법으로 용액중합 스티렌-부타디엔 고무를 제조하되, 다만 디메틸-β-사이클로덱스트린 5.83g(15mmol)을 소량의 부타디엔 주입 전에 첨가하여 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체를 부타디엔부의 고무 사슬에 꿰어지도록 한 폴리로탁세인(polyrotaxane) 형태의 용액중합 스티렌-부타디엔 고무를 제조하였다.A solution-polymerized styrene-butadiene rubber was prepared in the same manner as in Comparative Example, except that 5.83 g (15 mmol) of dimethyl-β-cyclodextrin was added before the injection of a small amount of butadiene, and cyclodextrin or a derivative thereof was stitched onto the rubber chain of butadiene. A solution-polymerized styrene-butadiene rubber in the form of polyrotaxane was prepared.
상기 비교제조예 및 제조예를 통해 얻어진 용액중합 스티렌-부타디엔 고무의 물성은 다음 표 1에 나타낸 바와 같다.Physical properties of the solution-polymerized styrene-butadiene rubber obtained through the Comparative Preparation Example and Preparation Example are shown in Table 1 below.
실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples
상기 비교제조예 및 제조예를 통해 얻어진 각각의 용액중합 스티렌-부타디엔 고무, 실리카 그리고 기타 배합제를 다음 표 2에 기재된 배합 비율로 통상적인 혼합방법에 의해 혼합하였으며 혼합된 고무를 160℃에서 20분 동안 가류하여 측정시편을 준비하였다. 이와 같이 준비된 고무 조성물의 물성 결과를 다음 표 3에 나타내었다.Each solution-polymerized styrene-butadiene rubber, silica and other compounding agents obtained through the Comparative Preparation Examples and Preparation Examples were mixed by conventional mixing methods in the mixing ratios shown in Table 2 below, and the mixed rubber was mixed at 160 ° C. for 20 minutes. After quenching, the test specimen was prepared. The physical properties of the rubber composition thus prepared are shown in Table 3 below.
상기 표 3의 결과로부터 본 발명에 의한 고무 조성물은 60℃ tanδ와 람본 마모시험에 의해 회전저항의 감소 및 내마모 성능이 향상되었음을 알 수 있다.It can be seen from the results of Table 3 that the rubber composition according to the present invention has a reduction in rotational resistance and improved abrasion resistance by 60 ° C. tanδ and arambon wear test.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 사이클로덱스트린 또는 이의 유도체가 부타디엔부의 고무 사슬에 꿰어져 있는 폴리로탁세인(polyrotaxane) 형태의 용액중합 스티렌-부타디엔 고무를 포함하는 실리카 고무 조성물은 회전저항의 감소 및 내마모 성능을 향상시켜 타이어 트레드용 고무로서 유용하다.As described in detail above, according to the present invention, a silica rubber composition comprising a solution-polymerized styrene-butadiene rubber in the form of polyrotaxane, in which a cyclodextrin or a derivative thereof is sewn on the rubber chain of the butadiene portion, has a rotational resistance. It is useful as a tire tread rubber by reducing and improving wear resistance.
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