KR20060073320A - 승용차 타이어용 트레드 고무조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 승용차 타이어용 트레드 고무조성물에 관한 것으로 보다 상세하게는 실리카를 보강제로 사용하는 고무조성물에 있어서, 실리카의 보강성을 향상시키고 친환경적인 고무조성물을 얻기 위해 나트륨솝/칼륨솝 및 지방산 에스테르가 혼합된 혼합물 분산제로 사용하는 승용차 타이어용 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
본 발명은 아연솝/칼륨솝, 탄화수소로 이루어진 실리카 분산제에 있어서 환경 유해성 논란이 되고 있는 아연 대신에 나트륨을 사용하여 나트륨솝/칼륨솝, 지방산 에스테르로 이루어진 실리카 분산제를 제공하여 종래 실리카 분산제에 비교시 기능 및 물성은 동등수준 이상을 유지하고 친환경성 재료의 실리카 분산제 제공을 목적으로 한다.

Description

승용차 타이어용 트레드 고무조성물{Tread rubber composition for passenger car tire}
본 발명은 승용차 타이어용 트레드 고무조성물에 관한 것으로 보다 상세하게는 실리카를 보강제로 사용하는 고무조성물에 있어서, 실리카의 보강성을 향상시키고 친환경적인 고무조성물을 얻기 위해 나트륨솝/칼륨솝 및 지방산 에스테르가 혼합된 혼합물 분산제로 사용하는 승용차 타이어용 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
승용차용 트레드 고무는 주로 카본블랙과 실리카를 각각 단독으로 사용하거나 또는 혼용하여 보강제로 사용하고 있으며, 트레드 고무의 웨트 트랙션(wet traction) 성능과 낮은 회전저항 특성을 갖기 위하여 카본블랙 단독으로 사용하기보다는 실리카를 단독으로 사용하거나 실리카와 카본블랙을 혼용하는 것이 증가하고 있는 실정이다.
실리카는 강한 친수성기를 가지고 있으며, 실리카 상호간에 서로 결합하려는 성질이 강해 분산성이 낮아 완제품 타이어에서 불규칙한 마모양상을 보이는 단점이 있다. 또한 실리카의 함량이 증가할수록 실리카 상호간에 서로 응집하려는 성질 역시 증가하므로 분산성이 하락하는 경향이 뚜렷해진다.
이러한 문제를 해결하기 위해 실리카와 고무배합물간의 결합력을 증대시키기 위해 커플링제를 적용하고 실리카 분산제를 사용하고 있다.
현재 실리카 분산제는 아연솝(zinc soap)/칼륨솝(칼륨염 또는 칼륨비누) 및 탄화수소로 이루어진 혼합물로 이중의 금속이온들이 극성을 띠는 실리카의 표면에너지를 낮추어 실리카 상호간에 서로 응집하려는 성질을 감소시켜 고무배합물 내에서 실리카가 잘 분산되도록 하고, 탄화수소들은 고무와의 친화성을 높여주는 일종의 가소제 역할을 하여 공정성을 향상시키고 있다.
그러나 이러한 실리카 분산제의 경우 아연이 함유되어 있어 환경 유해성 논란이 있는 실정이다.
타이어 고무 산업은 특히 오염물질을 많이 배출하고 있기 때문에 특히 환경 유해성 문제에 타이어 제조사가 자주 언급되면 타이어 제조회사의 이미지가 나빠지고, 또한 환경에 관심을 기울이는 국가에 대해 타이어의 공급에 문제가 발생하므로 타이어 관련 산업에서 환경 유해성에 대한 논란은 가급적 회피하는 것이 바람직하다.
상기에서 언급한 종래 실리카 분산제의 환경 유해성 논란을 해결하기 위한 안출된 본 발명은 아연섭/칼륨솝, 탄화수소로 이루어진 실리카 분산제에 있어서 환 경 유해성 논란이 되고 있는 아연 대신에 나트륨을 사용하여 나트륨솝/칼륨솝, 지방산 에스테르로 이루어진 실리카 분산제를 제공하여 종래 실리카 분산제에 비교시 기능 및 물성은 동등수준 이상을 유지하고 친환경성 재료의 실리카 분산제 제공을 목적으로 한다.
상기에서 언급한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실리카를 보강제로 사용하는 승용차 타이어용 트레드 고무조성물에 있어서, 원료고무 100중량부에 대하여 실리카 10∼50중량부와 나트륨솝(sodium soap)/칼륨솝(potassium soap) 및 지방산 에스테르( Esters of fatty Acids)의 혼합물로 이루어진 분산제 0.5∼6중량부 포함한다.
이하 본 발명에 대해서 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 발명에서 원료고무는 종래 승용차용 타이어 트레드 고무조성물의 원료고무로서 사용할 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 이러한 원료고무의 일예로서 본 발명에서는 천연고무나 용액중합 스티렌 부타디엔 고무, 유화중합 스티렌 부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌이 함유된 스티렌 부타디엔 고무와 같은 합성고무를 각각 단독으로 사용하거나 또는 둘 이상의 합성고무가 1:9∼9:1의 비로 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다. 또한 상기의 천연고무와 합성고무가 1:9∼9:1의 비로 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.
본 발명의 트레드 고무조성물에 있어서 보강제로 사용하는 실리카는 종래 트 레드 고무의 보강제로 사용할 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 본 발명에서 이러한 실리카의 일예로서 DBP 흡유량 110∼200ml/100g, BET 표면적 150∼170m2/g, 미세공극 부피 0.005∼0.020cc/g의 특성을 가진 실리카를 사용할 수 있다.
본 발명에서 보강제로 사용하는 실리카는 원료고무 100중량부에 대해 10중량부 미만 사용하면 고무의 보강성을 향상시킬 수 없고, 50중량부 초과 사용하면 과량의 보강제가 고무배합물 내에서 균일하게 분산되지 않고 서로 응집하여 고무배합물 내에서 균일한 보강제의 분산이 이루어지지 않아 고무의 물성이 감소할 우려가 있다. 따라서 본 발명에서 보강제로 사용되는 실리카는 원료고무 100중량부에 대해 10∼50중량부 포함되는 것이 좋다.
한편 본 발명에서 보강제로 실리카 이외에 카본블랙을 추가로 포함할 수 있다. 이때 카본블랙은 종래 승용차용 타이어용 트레드 고무에 보강제로 사용하는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 본 발명에서 이러한 카본블랙의 일예로서 DBP 흡착가 70∼130mg/100g, 요오드 흡착가 60∼150mg/g, TINT(％ of IRB#3) 90∼130인 특성을 가지는 카본블랙을 원료고무 100중량부에 대하여 40∼80중량부 사용할 수 있다.
이러한 카본블랙은 타이어용 트레드 고무의 보강성을 향상시키기 위해 실리카 이외에 추가로 사용할 수 있다.
본 발명에서 필수 구성성분인 실리카 이외에 추가로 포함할 수 있는 카본블 랙에 대하여 다양한 특성을 지닌 카본블랙을 타이어용 트레드 고무조성물에 적용한바 전술한 수치범위의 특성과 함량을 지닌 카본블랙을 추가로 첨가시 본 발명에 목적에 부합하는 트레드 고무조성물을 얻을 수 있다.
본 발명에서 보강제인 실리카와 고무의 결합력을 향상시키기 위해 사용하는 커플링제는 종래 실리카와 고무배합물과의 결합력을 향상시킬 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 본 발명에서 이러한 커플링제의 일예로서 SI69의 상품명으로 널리 알려진 비스-(3-트리에톡시실릴)-프로필-테트라설파이드(bis-(3-triethoxisilyl)-propyl-tetrasulfide, TESPT)를 사용할 수 있다.
본 발명에서 고무배합물내에서 보강제의 분산성을 향상시키기 위해 적용할 수 있는 분산제는 분산제 전체 중량을 기준으로 나트륨솝 0.5∼5％, 칼륨솝 5∼10％ 및 잔부의 지방산 에스테르가 혼합된 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명에서 나트륨솝/칼륨솝, 지방산 에스테르의 혼합물로 이루어진 분산제를 원료고무 100중량부에 대하여 0.5중량부 미만 사용하면 보강제의 분산성을 향상시킬 수 없고, 6중량부 초과하여 사용하면 분산제의 뚜렷한 효과 상승이 없어 본 발명에서 분산제는 100중량부에 대하여 0.5∼6중량부 포함되는 것이 좋다.
본 발명의 분산제에 있어서 다양한 혼합조건으로 이루어진 것을 적용한바 본 발명의 목적을 달성하기 위해 분산제는 분산제 전체 중량을 기준으로 나트륨솝 0.5∼5％, 칼륨솝 5∼10％ 및 잔부의 지방산 에스테르가 혼합된 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명의 분산제에 있어서 지방산 에스테르는 메틸 올레이트(methyl oleate), 메틸 라우레이트(methyl laurate), 메틸 팔미테이트(methyl palmitate), n-부틸 올레이트(n-butyl oleate), n-부틸 스테아레이트(n-butyl stearate), iso-부틸 올레이트(iso-butyl oleate), iso-부틸 스테아레이트(iso-butyl stearate), iso-옥틸 올레이트(iso-octyl oleate), iso-옥틸 스테아레이트(iso-octyl stearate), iso-옥틸 팔미테이트(iso-octyl palmitate), 트리메티올 프로판 트리올레이트(trimethyol propane oleate) 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명은 상기에서 언급한 원료고무, 보강제, 분산제 이외에 종래 타이어 트레드 고무조성물에 사용되는 활성제, 노화방지제, 공정유, 가류제 및 가류촉진제와 같은 각종 첨가제를 필요에 따라 적의 선택하여 소정의 함량으로 사용할 수 있다. 그러나 이들은 종래 승용차 타이어용 트레드 고무조성물에 사용되는 일반적인 성분으로서 본원발명의 필수 구성성분이 아니므로 이하 자세한 내용은 생략하기로 한다.
한편 본 발명은 상기의 타이어용 트레드 고무조성물로 이루어진 트레드를 가지는 타이어를 포함한다. 이때 타이어는 승용차용 타이어, 트럭용 타이어, 버스용 타이어 중에서 선택된 어느 하나를 포함하며, 보다 바람직하게는 승용차용 타이어를 포함한다.
이하 본 발명을 다음의 비교예, 실시예, 시험예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명의 일실시예로서 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
<비교예>
하기의 표 1의 조성과 같이 용액중합 스티렌 부타디엔 고무 85중량부, 부타디엔 고무 15중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여 카본블랙(N330) 50중량부, 실리카(Z-175) 25중량부, 실란커플링제(SI-69) 2.0중량부, 산화아연(ZnO) 2중량부, 스테아린산(stearic acid) 2중량부, 노화방지제 2중량부, 분산제(1) 2.0중량부를 밴버리 믹서에 넣어 혼합하고 140℃에서 5분 동안 반응시킨 후 방출하여 고무배합물을 얻었다.
이 고무배합물에 가류제(유황) 2중량부, 가류촉진제로서 N-시클로헥실-2-벤조티아졸설펜아미드(N-cyclohexyl-2-benzothiazolsulfen amide, CZ) 1.9중량부, 디페닐구아니딘(Diphenyl guanidine, DPG) 0.4중량부를 첨가하여 90℃에서 배한한 후 방출하여 가류제가 함유된 고무배합물을 얻고, 이 고무배합물을 160℃에서 15분 동안 가류시켜 고무를 제조하였다.
상기에서 분산제(1)는 분산제 전체 중량을 기준으로 아연솝 0.5％, 칼륨솝 15％및 지방산 탄화수소 84.8％가 혼합된 혼합물을 사용하였다. 이때 지방산 탄화수소는 글리세롤 지방산을 사용하였다.
상기에서 실리카는 DBP 흡유량 191ml/100g, BET 표면적 161m2/g, 미세공극 부피 0.018cc/g인 것을 사용하였다.
상기에서 카본블랙은 DBP 흡착가 101mg/100g, 요오드 흡착가 82mg/g, TINT(％ of IRB#3) 104인 것을 사용하였다.
<실시예 1>
하기의 표 1의 조성과 같이 용액중합 스티렌 부타디엔 고무 85중량부, 부타디엔 고무 15중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대하여 카본블랙(N330) 50중량부, 실리카(Z-175) 25중량부, 실란커플링제(SI-69) 2.0중량부, 산화아연(ZnO) 2중량부, 스테아린산(stearic acid) 2중량부, 노화방지제 2중량부, 분산제(2) 2.0중량부를 밴버리 믹서에 넣어 혼합하고 140℃에서 5분 동안 반응시킨 후 방출하여 고무배합물을 얻었다.
이 고무배합물에 가류제(유황) 2중량부, 가류촉진제로서 N-시클로헥실-2-벤조티아졸설펜아미드(CZ) 1.9중량부, 디페닐구아니딘(DPG) 0.4중량부를 첨가하여 90℃에서 배한한 후 방출하여 가류제가 함유된 고무배합물을 얻고, 이 고무배합물을 160℃에서 15분 동안 가류시켜 고무를 제조하였다.
상기에서 분산제(2)는 분산제 전체 함량을 기준으로 나트륨 1.5％, 칼륨솝 7.5％, 지방산 에스테르 91％가 혼합된 혼합물을 사용하였다. 이때 지방산 에스테르는 최대 산가(Max acid value) 5.0, 최대 요오드가(Max Iodine value) 9.5, 최대 수분함량이 0.5％인 메틸 올레이트를 사용하였다.
<실시예 2>
분산제(2) 4.0중량부를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고무를 제조하였다.
표 1. 비교예 및 실시예 고무의 조성(단위 : 중량부)
항목 비교예 실시예 1 실시예 2
원료고무 100 100 100
카본블랙 50 50 50
실리카 25 25 25
실란커플링제 2.0 2.0 2.0
산화아연 2 2 2
스테아린산 2 2 2
노화방지제 2 2 2
분산제 1 2.0 - -
분산제 2 - 2.0 4.0
가류제 2.0 2.0 2.0
가류촉진제 1* 1.9 1.9 1.9
가류촉진제 2* 0.4 0.4 0.4
*가류촉진제 1 : N-시클로헥실-2-벤조티아졸설펜아미드(CZ)
**가류촉진제 2 : 디페닐구아니딘
<시험예 1>
상기 비교예 및 실시예의 고무에 대하여 100℃ 점도, 125℃ 점도, 스코치타임, 최대토크, 최소토크, 가류시간과 같은 공정성, 경도, 300%모듈러스, 인장강도, 신율과 같은 인장물성, 발열, 리바운드, 피코(PICO)마모 및 딘(DIN)마모와 같은 내마모특성의 물성을 ASTM 관련 규정에 의해 측정하고 그 결과를 아래의 표 2에 정리하여 나타내었다.
표 2. 물성결과
항목 비교예 실시예 1 실시예 2
100℃ 점도 98 101 98
125℃ 점도 70 70 68
스코치타임(t5) 19.5 20.9 18.5
최대토크 42.8 42.2 41.2
최소토크 15.0 15.0 14.9
가류시간(t90,min) 7.7 8.5 7.9
경도 68 68 68
300％ 모듈러스 136 143 143
인장강도 191 211 205
신율 402 426 410
발열(온도차,℃) 26.7 25.9 23.5
리바운드(1st) 30.8 31.4 30.5
피코마모 손실량(mg) 33 31 28
딘마모 손실량(mg) 203 199 198
<시험예 2>
상기 비교예 및 실시예 1,2의 고무를 트레드로 하는 승용차용 타이어(195/70R14)를 제조한 후 이 타이어에 대해 유럽규정의 속도 내구력(ECE-R30, 규정시간 1시간 20분)을 측정하고 그 결과를 아래의 표 3에 나타내었다.
표 3. 내구력 측정결과
항목 비교예 실시예 1 실시예 2
ECER-30(시간:분) 1:52 1:57 2:19
상기 표 3의 결과에서처럼 본 발명의 고무조성물로 제조한 트레드 고무를 적용한 타이어가 종래 비교예의 고무조성물로 제조한 트레드 고무를 적용한 타이어에 비해 내구력이 우수함을 알 수 있었다.
<시험예 3>
상기 비교예 및 실시예 1,2의 고무를 트레드로 하는 승용차용 타이어 (195/70R14)를 제조한 후 실차 테스터기를 이용하여 이 타이어의 주행거리를 측정하고 그 결과를 아래의 표 4에 나타내었다.
표 4. 주행거리 측정결과
항목 비교예/실시예 1 비교예/실시예 2
WI* WI％ ESt-M** WI WI％ ESt-M
평균(비교예/실시예) 15,796 100.0 75,180 16,176 100.0 95,080
16,052 101.6 76,383 16,752 102.4 97,378
실제 주행거리 39,114km 46.726km
*WI는 마모지수(Wear Index)를 의미한다.
** ESt-M는 추정거리(Estimated mileage)를 의미한다.
상기 시험예의 결과에서처럼 본 발명의 고무조성물에 의해 실시예에서 제조한 고무의 물성은 미가류특성 및 기본물성인 인장강도, 300％모듈러스는 종래 고무조성물인 비교예에서 제조한 고무의 물성에 비해 동등 수준 이상을 보이고 있으며, 발열, 리바운드 및 마모특성이 보다 향상되었음 알 수 있다(표 2 참조).
특히 완제품 타이어에서의 내구력은 물론 실차 마모 결과에서도 특성이 개선되는 수준이 보이고 있다(표 3, 4 참조).
한편 본 발명의 고무조성물은 환경유해성 문제가 있다고 지적되는 아연을 사용하지 않기 때문에 오염물질의 배출을 감소시킬 수 있는 친환경적인 고무를 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해 당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (2)

  1. 실리카를 보강제로 사용하는 승용차 타이어용 트레드 고무조성물에 있어서,
    원료고무 100중량부에 대하여 실리카 10∼50중량부, 나트륨, 칼륨솝 및 지방산 에스테르의 혼합물로 이루어진 분산제 0.5∼6중량부 포함함을 특징으로 하는 승용차 타이어용 트레드 고무조성물.
  2. 제1항에 있어서, 분산제는 분산제 전체 중량을 기준으로 나트륨 0.5∼5％, 칼륨솝 5∼10％ 및 잔부의 지방산 에스테르가 혼합된 혼합물 임을 특징으로 하는 승용차 타이어용 트레드 고무조성물.
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