KR20080026975A - 타이어 인너라이너 고무조성물 - Google Patents

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KR20080026975A KR1020060092281A KR20060092281A KR20080026975A KR 20080026975 A KR20080026975 A KR 20080026975A KR 1020060092281 A KR1020060092281 A KR 1020060092281A KR 20060092281 A KR20060092281 A KR 20060092281A KR 20080026975 A KR20080026975 A KR 20080026975A
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Abstract

본 발명은 나노클레이를 포함하는 타이어 인너라이너용 고무조성물에 있어서, 주쇄, 측쇄 또는 말단 중 어느 하나 이상의 부위에 양이온기를 가지고, 이온쌍 그물망 구조를 가지며, 상기 그물망 구조내에 지방산금속염, 4급암모늄염, 이미다졸륨염에서 선택되는 1종 이상의 물질을 내포하는 이오노머를 포함하는 타이어 인너라이너용 고무조성물을 제공한다.

Description

타이어 인너라이너 고무조성물{Innerliner Rubber Composition for Tire}
도 1은 타이어 인너라이너 고무조성물 내에서의 충진제의 분포형태도이다.
도 2는 통상의 나노클레이 Closite 15A의 X선회절분석자료이다.
도 3은 본 발명 실시예 고무를 대상으로 하여 실시한 실시예12의 X선회절분석의 실험결과 그래프이다.
도 4는 본 발명 실시예 고무를 대상으로 하여 실시한 실시예10의 X선회절분석의 실험결과 그래프이다.
도 5는 본 발명 실시예 고무를 대상으로 하여 실시한 실시예17 조성물의 X선회절분석의 실험결과 그래프이다.
본 발명은 나노클레이를 포함하는 타이어 인너라이너 고무조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분산성, 내공기 투과성의 개선은 물론 상대적으로 저온의 조건에서 가공성을 현저히 개선시킨 타이어 인너라이너 고무조성물에 관한 것이다.
나노 클레이를 사용하여 기체내투과성을 향상시키는 기술에 대하여 수많은 사람들에 의해 연구가 진행되었고, 보다 개선된 결과를 얻기 위해 현재까지 많은 연구가 수행되어 오고 있다. 종래 알려져 있는 나노 클레이 응용기술로는 층상구조를 갖는 클레이에 다양한 방법으로 유기물질을 층간에 삽입시켜 고분자와의 친밀성을 증가시켜 나노 분산을 유도하는 기술이 보편적이다. 여기에 일부 클레이 제조 회사들이 클레이에 적정한 유기물질을 삽입하여 Cloisite 시리즈처럼 상용화하고 있다.
이러한 수많은 노력에도 불구하고 나노클레이 적용 기술은 단순히 유기화처리된 나노클레이 또는 이를 변성한 나노클레이를 첨가하여 배합 또는 용액분산하는 기술에 국한되어 있다.
고무의 측쇄 또는 주쇄에 양이온성기를 부여하면 나노클레이와의 친화성이 증가되며, 또한 나노클레이의 층간의 카운터 양이온과 이온교환을 통해 보다 쉽게 나노 클레이의 내부에 삽입될 수 있다. 따라서, 가능한 많은 양의 양이온기를 고무의 측쇄 또는 주쇄에 부여할수록 나노 클레이의 분산을 효과적으로 수행할 수 있다.
국제공개특허 WO 02/100936, WO 02/100935는 할로겐화된 고무를 이용하여 배합중에 나노클레이를 첨가하고, 나노분산 첨가제(exfoliating addtive)를 첨가하여 내공기 투과성을 향상하는 내용이 공개되어 있다. 이들은 BIMS(brominated polyisobutyl isoprene-co-paramethyl styrene) 고무에 배합 중 3급아민과 같은 나노분산 첨가제를 첨가하여 나노클레이를 분산하는 것에 의해 고 내공기 투과성 인 너라이너 고무 조성물을 얻는 기술을 개시하고 있다.
할로겐회된 부틸고무 특히, BIMS와 같은 할로겐화된 고무에 3급아민을 투입하면 고무 분자의 측쇄에 양이온기를 부여할 수 있다. 이에 의해 고무에 있는 이온쌍이 결집되어 이온쌍 덩어리가 형성된 열가소성 그물망 구조를 갖게 된다.(R.C.T., 1984. 07-08, VOL. 57, NO. 3, PP 652-663). 위와 같이 BIMS에 3급아민의 첨가로 인해 고무가 양이온기를 갖게 되면 배합시에 배합기의 토크가 급격히 상승하여(Polymer, 2004, 45, PP 3163-3173) 겔화되는 등 가공성에 있어서 극한 제한이 따른다.
또한 J. Scott Parent 등은 Macromolecules 2004, 37, 7477-7483에서 반응온도에 따라서 3급아민을 사용할 때 고무 측쇄에 양이온기를 부여하는 것 외에 부반응으로 디엔이 형성된다는 것을 공지한 바 있다.
따라서, 기 공지된 WO 02/100936, 또는 WO 02/100935 등에서와 같이 나노분산 첨가제로 3급 아민을 사용하여 배합시 배합과정 중에 발생하는 열에 의해 고온에서 원치않는 디엔이 형성되고 양이온기가 적게 도입되는 등의 문제가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술이 가지는 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 상기 종래 기술이 가지는 문제가 없으며, 분산성, 내공기 투과성의 개선은 물론 상대적으로 저온의 조건에서 가공성을 현저히 개선시킨 타이어 인너라이너 고무조성물을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 나노클레이를 포함하는 타이어 인너라이너용 고무조성물에 있어서, 주쇄, 측쇄 또는 말단 중 어느 하나 이상의 부위에 양이온기를 가지고, 이온쌍 그물망 구조를 가지며, 상기 그물망 구조내에 지방산금속염, 4급암모늄염, 이미다졸륨염에서 선택되는 1종 이상의 물질을 내포하는 이오노머를 포함하는 타이어 인너라이너용 고무조성물을 제공한다.
이하, 본 발명의 내용을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 기체내투과성 개선을 위해 나노클레이를 고무조성에 포함하는 타이어 인너라이너용 고무조성물로서, 사용가능한 이오노머의 종류에는 당해 사용되어질 이오노머가 주쇄, 측쇄 또는 말단 중 어느 하나 이상의 부위에 양이온기를 가지고, 이온쌍 그물망 구조를 가지는 것으로 타이어 고무조성에 적합한 것인 한 특별한 한정은 요구되지 않는다. 예를 들면, 상기 이오노머는 수평균분자량이 10,000∼5,000,000이며, 0.1∼15몰%의 양이온기를 가지는 것을 들 수 있다. 보다 구체적인 예로는 하기 화합물 1 내지 4에서 선택되어지는 이오노머를 들 수 있다.
Figure 112006068724748-PAT00001
... 화합물 1
Figure 112006068724748-PAT00002
... 화합물 2
Figure 112006068724748-PAT00003
... 화합물 3
Figure 112006068724748-PAT00004
... 화합물 4
상기 화합물 1 내지 4에서 R1, R2 및 R3는 C1∼C24의 알킬 또는 벤질기이고, A는 할로겐 원소이며, n, m은 양수로서 적절히 선택되어질 수 있다.
상기 화합물 1 내지 4에서 A는 할로겐 원소로서 염소 또는 브롬을 사용할 수 있다.
이온쌍이 결집되어 이온쌍 덩어리가 형성된 그물망 구조는 지방산금속염, 암모늄염, 이미다졸륨염에서 선택되는 1종 이상의 물질을 상기 그물망 구조내로 침투시켜 느슨하게 할 수 있다. 결과적으로 느슨해진 이오노머의 그물망 구조는 일반적인 고무 가공 온도의 시작온도인 100℃ 정도에서도 충분한 가공성을 부여한다.
상기 지방산금속염, 암모늄염 및 이미다졸륨염의 융점은 130℃ 이하인 것이 좋다. 지방산 금속염(R-COO-+M)은 예를 들어 R이 탄소수 8∼24인 알킬이며, M은 아연, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘에서 선택되어질 수 있다. 상기 그룹에 속하는 구체적인 예로는 스테아린산 아연을 들 수 있다. 암모늄염은 구조내 C1∼C24의 알킬기 또는 벤질기를 포함할 수 있다.
상기 지방산금속염, 암모늄염 또는 이미다졸륨염을 이온쌍 그물망 구조내 내포하고 있는 이오노머는 마스터배치로 제조되어질 수 있다. 이러한 형태의 마스터배치는 타이어 인너라이너 고무 조성의 배합단계에서 나노클레이, 기타 인너라이너 조성에 포함되어질 수 있는 첨가물과 함께 배합되어 가공되어진다.
또한 상기 마스터배치 조성내에 나노클레이를 포함하거나, 추가적인 제2의 고무를 더 포함하여도 좋다. 마스터배치내에 나노클레이를 포함하는 경우에는 분산성 개선에 더욱 효과적이며, 추가되어질 수 있는 제2의 고무는 특별한 한정을 요하지는 않으며, 예를 들어 부틸고무, 에피클로로 히드린고무, 니트릴고무, 수소화된 니트릴고무, 천연고무, 스티렌부타디엔고무, BIMS, 우레탄고무, 불소고무, 실리콘 고무, SEBS, SBS, 에틸렌프로필렌고무, EPDM고무, 부타디엔고무, 하이팔론고무, 클로로프렌고무, 에틸렌비닐아세테이트고무, 아크릴고무 등을 들 수 있다.
상기 본 발명의 고무조성물에 사용되어지는 나노클레이는 나노미터 두께의 작은 판 형태로 존재하며, 층상 규산염 부류에 속하는 결정성 점토를 포함하는 수팽윤성 점토로부터 얻어질 수 있다. 이들은 필로실리케이트로 불리우며, 스멕타이트(smectite)(예를 들면, 나트륨 몬모릴로나이트 또는 칼슘 몬모릴로나이트), 운모 및 점토의 버미큘라이트(vermiculite) 그룹을 포함한다. 이들 광물들의 입자는 규산염의 작은 판들로 이루어진 층들 또는 적층물들에 의해 형성되고 층들은 전기화학적 인력에 의해 강하게 결합되어 있다. 본 발명에 따른 나노클레이는 바람직하게는 다양한 층간 삽입물, 예를 들어 암모늄염, 이미다졸륨염 등으로 유기화처리되거나 비유기화 처리된 것으로 편평비가 50 이상, 바람직하게는 100 이상이며, 층간거리가 0.1∼7nm 정도인 층상구조의 광물이다. 상기 나노클레이의 조성내 함량은 특별한 한정을 요하는 것은 아니며, 0.5∼70phr의 범위에서 첨가하면 좋다.
도 1은 본 발명에 따른 인너라이너 고무조성물의 충진제의 분포상태도를 보여주고 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 인너라이너 고무조성물은 편평비가 20∼50인 거대 판상 충진제, 예를 들어 흑연, 탄산칼슘, 버미큘라이트, 마이카, 하이드로탈사이트 등을 단독 또는 하나 이상 혼합한 것을 0.5∼30phr 함유할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 인너라이너 고무조성물은 원료의 배합중에 발생할 수 있는 겔화, 고온가공 등의 문제점을 최소화하고 나노클레이의 분산을 최대화하는 것이 가능하다.
이하, 본 발명의 내용을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 아니된다.
<실시예>
하기 표 1의 배합비에 따라 공지된 방법에 따라 마스터배치를 제조하였다.
<표 1> 마스터배치 조성 (단위: phr)
구 분 마스터A-1 마스터A-2 마스터A-3 마스터A-4 마스터A-5 마스터A-6
이오노머 100 100 100 100 100 100
지방산금속염 - 5 10 15 20 -
P#2 오일 - - - - - 10
가공성
가공성: △: 취약, ○: 양호, ◎:매우 양호
마스터배치는 130℃, 40 rpm으로 배합기(Kneader)에서 5분간 수행하였으며,펠렛타이저(pelletizer)를 이용하여 펠렛으로 가공하였다. 각각의 펠렛은 시차주사열량계(DSC)를 이용하여 용융온도를 확인한 결과 스테아린산 아연을 15 phr 이상 사용하면 약 70℃에서 부터 용융변형되는 것으로 확인되었으며, 파라핀오일 단독으로 과량사용하는 것보다 지방산 금속염을 적어도 5 phr 혼용시 고온가공, 130℃ 이상에서도 겔화되는 것을 방지할 수 있었으며, 가공성이 매우 우수하였다. 마스터A-1은 순수 이오노머 그대로이다.
상기 본 발명에서 사용한 물질들은 다음과 같다.
Exxpro3745 : Exxon
이오노머(ionomer elastomer) : Exxpro3745의 화합물 1과 같이 개질되어 정제된 것으로 R1, R2는 메틸, R3는 스테아릴로 개질되고, A-는 Br-이며, 1.2 mol%의 양이온기를 갖는 이오노머.
스테아린산 아연 : 플레이크(Flake) 타입, 단석산업.
P#2 오일 : 파라핀 # 2 오일.
카본블랙 : N660, KCB.
나노 클레이 : Cloisite 15A, SCP
커플링제 : SI-69, Degussa
스테아린산 : LG화학
DM : vulkacit DM
실리카 : Z-115, Rhodia
유황 : 미원상사
NS : Santocure NS
ZnO : KS-2 특호, 한일화학공업
Butyl 268 : Exxon
SBR1500 : 금호석유화학
천연고무 : STR 10K
히드린 : Hydrin-H, Zeon Chem.
<표 2> 인너고무 조성물 (단위: phr)
구 분 대조군 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 실시예7 실시예8
Exxpro 3745 100
마스터A-1 100
마스터A-2 - - 105 - - - - 52.5
마스터A-3 - - 110 - - - - 55
마스터A-4 - - - 115 - - - -
마스터A-5 - - - - 120 - 60 -
마스터A-6 - - - - - 110 - 60
나노클레이 50 40 40 50 50 50 50 50 0
카본블랙 10 10 10 10 10 10 10 10 10
커플링제 1 1 1 1 1 1 1 1 1
판상 충진제 5 5 5 5 5 5 5 5 5
스테아린산 1 1 1 1 1 1 1 1 1
DM 1 1 1 1 1 1 1 1 1
P#2 오일 5 5 5 5 5 5 5 5 5
실리카 5 5 5 5 5 5 5 5 5
유황 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65
NS 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7
ZnO 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0
GPT지수 100 x 35 32 17 18 88 18 22
분산성 x
GPT지수 : 실시예 인너라이너의 투과도 / 대조군의 투과도,
대조군의 투과도는 1.75E-17 m4/sec.N ,
Phr : per hundred rubber.
분산성의 기준:
x: 배합불가 및 측정불가, △: 취약, ○: 양호, ◎: 매우 양호
본 발명은 상기 <표 2> 언급한 조성물로 한정하지 않으며, 일반적인 타이어 산업에서 사용하는 약품을 추가 또는 포함할 수 있음은 물론이다. 시편을 제작하기 위해 180℃에서 15분간 가류하였다. 그러나, 지방산염이 없이 배합된 실시예1은 유황배합이 불가능하였으나, XRD용 시편은 제작을 위해 180℃에서 30분간 가압프레스로 가공하였다.
또한 이종고무를 사용하여 나노 클레이 마스터 배치를 가공하여 사용할 수도 있으며, 이는 나노 클레이의 분산을 보다 효율적으로 할수 있게 한다. <표 3>의 마스터배치는 130℃, 40rpm 배합기(Kneader)에서 가공하였고 마스터배치의 충진제 투입전에 지방산 금속염을 투입하여 균일한 분산과 겔화를 방지한 펠렛으로 가공하였다.
<표 3> 이오노머 및 이종고무를 포함한 나노 클레이 마스터배치
구 분 마스터B-1 마스터B-2 마스터B-3 마스터B-4 마스터B-5 마스터B-6
이오노머 80 60 40 50 80 80
Butyl-268 20 40 60 - - -
Hydrin - - - 50 - -
SBR1500 - - - - 20 -
천연고무 - - - - - 20
나노클레이 50 50 50 50 50 50
스테아리산 아연 10 10 10 10 10 10
P#2 오일 10 10 10 10 10 10
<표 4> 인너고무 조성물 (단위: phr)
구 분 대조군 실시예9 실시예10 실시예11 실시예12 실시예13 실시예14 실시예15
Exxpro 3745 100 - - - - - - -
마스터B-1 - 170 - - - - - -
마스터B-2 - - 170 - - - - -
마스터B-3 - - - 170 - - - -
마스터B-3 - - - - 170 - - -
마스터B-4 - - - - - 170 - -
마스터B-5 - - - - - - 170 -
마스터B-6 - - - - - - - 170
카본블랙 10 10 10 10 10 10 10 10
나노클레이 50 - - - - - - -
커플링제 1 1 1 1 1 1 1 1
판상 충진제 5 5 5 5 5 5 5 5
스테아린산 1 1 1 1 1 1 1 1
DM 1 1 1 1 1 1 1 1
P#2 오일 5 5 5 5 5 5 5 5
실리카 5 5 5 5 5 5 5 5
유황 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65
NS 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7
ZnO 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0
GPT지수 100 19 15 21 23 18 18 x
분산성
분산성의 기준: △: 취약, ○: 양호, ◎:매우 양호
GPT지수 : 실시예 인너라이너 고무의 투과도 / 대조군의 투과도, x=측정불가
<표 4>에서 실시예 10의 인너고무 조성물은 약 110℃에서 배합이 시작되었고, 펠렛화된 마스터배치를 사용하였으며, 통상의 고무가공기인 밴버리 믹서(Banbury Mixer)를 사용하였다. 상기 이종고무중 천연고무와 혼용하여 나노클레이를 마스터배치화 한 마스터B-6는 수축율이 매우 심하여 GPT를 측정할 수 없었다. 나머지는 XRD를 활용하여 분산성을 측정하였다(도 2, 도 3, 도 4 참조).
또한 지방산염을 내포한 양이온기를 갖는 이오노머와 제2의 고무에 소량의 나노 클레이 적용한 결과를 <표 5>에 나타내었다.
<표 5> 인너고무 조성물(단위: phr)
구 분 대조군 실시예16 실시예17
Exxpro 3745 100 - -
마스터A-4 - 115 -
마스터C - - 144
나노클레이 50 50 -
카본블랙 10 10 10
커플링제 1 1 1
판상 충진제 5 5 5
스테아린산 1 1 1
DM 1 1 1
P#2 오일 5 5 5
실리카 5 5 5
유황 0.65 0.65 0.65
NS 0.7 0.7 0.7
ZnO 3.0 3.0 3.0
GPT지수 100 19 21
분산성
분산성의 기준: △: 취약, ○: 양호, ◎:매우 양호
마스터C: 이오노머=60phr, HT-1068=40phr, Cloisite 15A=24phr, 스테아린산 아연=10phr, 파라핀 # 2 오일=10phr를 포함한 마스터배치 가공된 것 (가공조건은 상기 마스터 배치와 동일함)
상기 실시예 17의 결과물을 대상으로 TEM을 활용한 분산성을 측정하고, x선회절분석한 결과 도5 로부터 본 발명에 따른 고무조성물은 가공성과 분산성이 매우 우수함을 확인하였다.
본 발명에 의한 타이어 인너라이너 고무조성물은 분산성, 내공기 투과성의 개선은 물론 상대적으로 저온의 조건에서 가공성을 현저하게 개선시킬 수 있다. 따라서 종래 3급아민을 배합중에 투입시 디엔이 형성되고 양이온기가 적게 도입되며, 겔화되는 등의 문제가 없다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 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 (11)

  1. 나노클레이 및 거대판상 충진제를 포함하는 타이어 인너라이너용 고무조성물에 있어서,
    주쇄, 측쇄 또는 말단 중 어느 하나 이상의 부위에 양이온기를 가지고, 이온쌍 그물망 구조를 가지며, 상기 그물망 구조내에 저분자량의 지방산금속염, 4급암모늄염, 이미다졸륨염에서 선택되는 1종 이상의 물질을 내포하는 이오노머를 포함하는 타이어 인너라이너용 고무조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 이오노머는 고무의 주쇄 및 측쇄에 각각의 벤질할로겐 그룹, 아민 그룹, 아릴 할로겐 그룹, 알킬 할로겐 그룹, 말레인산 또는 말레인산무수물 그룹으로 구성된 이온염를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 타이어 인너라이너용 고무조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 이오노머는 수평균분자량이 10,000∼5,000,000인 것을 특징으로 하는 타이어 인너라이너용 고무조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 이오노머는 0.1∼15몰%의 양이온기를 가지는 것을 특징으로 하는 타이어 인너라이너용 고무조성물.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 이오노머는 에피클로로히드린고무, 비닐피리딘에스비알고무, 비닐벤질클로라이드에스비알고무, 비닐벤질클로라이드이소프렌고무, 비닐피리딘이소프렌고무, 비닐벤질클로라이드부타디엔고무, 비닐피리딘부타디엔고무, 할로부틸고무에서 선택된 적어도 1종 이상인 것을 특징으로 하는 타이어 인너라이너용 고무조성물.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 이오노머와는 다른 제2의 고무가 더 포함되는 것으로 부틸고무, 에피클로로 히드린고무, 니트릴고무, 수소화된 니트릴고무, 천연고무, 스티렌부타디엔고무, BIMS, 우레탄고무, 불소고무, 실리콘고무, SEBS, SBS, 에틸렌프로필렌고무, EPDM고무, 부타디엔고무, 하이팔론고무, 클로로프렌고무, 에틸렌비닐아세테이트고무, 아크릴고무에서 선택되는 적어도 1종 이상인 것을 특징으로 하는 타이어 인너라이너용 고무조성물.
  7. 제 1항에 있어서, 나노클레이는 층간 거리가 0.1∼7nm이며, 유기화처리되거나 비유기화 처리된 것으로 편평비가 50 이상인 것으로 전체 인너라이너의 중량비율로 0.1% 이상 30% 이하를 사용한 것을 특징으로 하는 타이어 인너라이너용 고무조성물.
  8. 제 1항에 있어서, 지방산 금속염(R-COO-+M)은 R이 탄소수가 8∼24인 알킬이며, M은 아연, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘이온에서 선택되어지는 것을 특징으로 하는 타이어 인너라이너용 고무조성물.
  9. 제 1항에 있어서, 암모늄염은 구조내 C1∼C24의 알킬기 또는 벤질기를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 인너라이너용 고무조성물.
  10. 제 1항에 있어서, 지방산금속염, 암모늄염 및 이미다졸륨염의 융점은 130℃ 이하인 것을 특징으로 하는 타이어 인너라이너용 고무조성물.
  11. 제 1항에 있어서, 편평비가 10∼50인 거대 판상 충진제인 탈크, 그라파이트, 마이카, 하이드로탈사이트, 버미큘라이트 등에서 선택된 적어도 하나 이상을 중량비로 0.1%이상 포함되는 것을 특징으로 하는 타이어 인너라이너용 고무조성물.
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