KR20100123418A - 열전도도 및 기체투과도를 향상시킨 타이어 이너라이너 고무 조성물 - Google Patents

열전도도 및 기체투과도를 향상시킨 타이어 이너라이너 고무 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타이어용 이너라이너에 전도성 충전제를 혼용하고 이것을 보강 충전제로 사용하여 열전도도 및 기체투과도를 현저히 향상시킨 고무 조성물에 관한 것으로써, 범용 카본 블랙이 함유된 타이어 이너라이너에 결정화도(Lc)가 30 ~ 300㎚, 순도가 80 ~ 99 %, 열전도도가 100 ~ 200 W/mK(meter-Kelvin)인 천연 또는 합성 고결정형 미세흑연을 일반 충전제와 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하며, 이에 따라 기존 타이어 이너라이너의 물성을 유지하면서 열전도도 및 기체투과도가 향상된 고무 조성물에 관한 것이다.
고결정형 미세흑연, 타이어, 고무 조성물

Description

열전도도 및 기체투과도를 향상시킨 타이어 이너라이너 고무 조성물{RUBBER COMPOSITIONS FOR TIRE INNER LINER IMPROVING THERMAL CONDUCTIVITY AND AIR PERMEABILITY}
본 발명은 열전도도 및 기체투과도를 향상시킨 타이어용 이너라이너 고무 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 타이어용 이너라이너에 전도성 충전제를 혼용하고 이것을 보강 충전제로 사용하여 열전도도 및 기체투과도를 현저히 향상시킨 고무 조성물에 관한 것이다.
최근, 타이어 산업에서 생산성 향상을 위하여 여러 가지 고열전도성 블래더 등을 적용하여 가류시간을 단축시키고 있지만, 전도성 소재의 적용에 따른 블래더 물성의 저하와 타이어 내부에 가류도 차이에 의한 품질 불량이 발생하는 단점을 가지고 있다.
종래기술로 대한민국 특허 공개번호 제 10-1997-0042741 호에는 기재고무, 카본블랙, 첨가제 및 충전제로 구성된 타이어 이너라이너용 고무 조성물에 있어서, 기재고무 100 중량부에 구리 및/또는 구리합금 분말을 5 ~ 30 중량부 첨가하여 가류시 구리와 유황과의 반응에 의해 고무와 화학적 결합을 갖는 고무 조성물이 소개되고 있으나 기술적 어려움 및 적용효과가 기대에 미치지 못하고 있는 실정이다.
열전도도를 향상시키기 위한 또 다른 기술로 아세틸렌 블랙 및 전도성 카본블랙을 적용하였지만, 20 중량부 이하로 적용 시 열전도도 특성향상을 기대하기 어려울 뿐만 아니라, 피로 특성 및 물성의 감소를 초래하는 문제가 발생하였다.
또한, 자동차 산업의 발달에 따른 고성능화에 따른 차량 속도의 증가 및 가혹한 조건에 대한 소비자들의 요구를 반영하여 타이어 회사에서는 여러 가혹한 조건에서도 기체투과도를 유지하여 주행성능을 유지 할 수 있는 이너라이너 개발을 위한 연구가 진행 중에 있다.
현재, 대두되고 있는 차량연비를 위해 차량뿐만이 아니라, 타이어 또한 경량화가 요구되는 시점에서 타이어 내부의 두께를 줄여 전체적인 무게를 감소하는 것이 바람직하며 특히, 이너라이너 두께의 감소를 위해서는 기체투과도의 향상이 필수적이다. 이를 개선하기 위해 종래에 부틸고무, 부틸고무/천연고무, 부틸고무/합성고무만을 사용하던 이너라이너 고무 조성물에, 다양한 첨가제 또는 보강제를 사용하여 기체투과도를 향상시키는 연구가 진행 중이다.
종래기술로 대한민국 특허 제 10-0837864 호에 기재된 바와 같이, 부분 가교화된 부틸고무를 이용하여 기체투과도를 향상시킨 경우, 원료고무의 부분 가교화를 위한 추가공정이 필요하며 경비의 증가 및 배합공정성의 문제를 야기 시킬 수 있 다.
또 다른 종래기술로 대한민국 특허 제 10-0788033 호, 대한민국 특허 제 10-2007-0037216 호에 기재된 바와 같이 나노클레이 또는 나노충전제를 적용하여 기체투과도를 향상시키는 경우, 친수성기인 나노클레이 및 나노충진제를 유기화 시키기 위해 커플링제를 적용하거나 유기화를 시키기 위한 특별한 공정이 필요하며 나노클레이를 유기화시켜도 분산성이 일반 보강제 대비 상당히 떨어지는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 종래의 특정 고무배합물의 혼입 및 금속분말 적용기술 등의 기술적 문제를 극복하기 위하여 전도성 충전제를 적용하여 열전도도를 향상시킨 이너라이너 고무 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 기체투과도를 향상시키기 위해 보강제 또는 원료고무 개질 없이 천연 또는 합성 미세흑연의 적정량을 적용할 수 있는 기술적 지침을 제공하고 추가적인 제조공정의 변경 없이 생산성을 유지할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 원료고무 100 중량부에 대하여, 범용 카본 블랙 20 ~ 70 중량부 및 고결정형 미세흑연 5 ~ 30 중량부를 포함하는 이너라이너 고무 조성물을 제공함으로써, 상기 과제를 해결한다.
또한, 본 발명은 타이어 트래드용 고무 조성물의 모든 충전제의 함량 및 특징에 따라 아래의 식에 대입하여 예상 열전도도 값을 예측할 수 있는 이너라이너용 고무 조성물을 제공함으로써, 상기 과제를 해결한다.
Figure 112009029282961-PAT00001
본 발명은 생산을 위한 작업공정성을 유지하면서도 종래의 전도성 충전제를 사용한 것에 비해 고무 조성물의 물성을 저하시키지 않으면서, 열전도도를 현저히 높여 생산성을 향상시키고, 우수한 기체투과도를 가지는 타이어용 이너라이너 고무 조성물을 얻을 수 있었다.
본 발명의 타이어용 이너라이너 고무 조성물은 원료고무 100 중량부에 대하여, 범용 카본 블랙 20 ~ 70 중량부 및 고결정형 미세흑연 10 ~ 50 중량부를 포함한다.
상기 원료고무는 1 종 이상의 할로 부틸 고무를 포함하며, 이를 단독 또는 천연고무와 합성고무를 함께 혼합하여 사용할 수 있다. 더욱 구체적으로 본 발명의 원료고무는 할로부틸고무의 함량이 30% 이상인 것이 바람직한데, 할로부틸고무의 함량이 30 중량% 미만이면 우수한 기체투과도를 가지는 충전제를 사용한다고 해도 타이어에 적합한 기체투과를 구현하기에는 기술적 문제가 있다.
상기 범용 카본블랙은 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 20 ~ 70 중량부 포함하는데, 범용 카본블랙의 함량이 20 중량부 미만이면 이너라이너의 기본물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 70 중량부를 초과하면 내피로 특성의 저하와 같은 문제가 발생할 수 있으므로 상기의 범위가 바람직하다.
본 발명에서 열전도성 충전제의 역할을 하는 상기 고결정형 미세흑연은 결정 화도(Lc)가 30 ~ 300 ㎚, 순도가 80 ~ 99 %이며, 열전도도가 100 ~ 200 W/mK(meter-Kelvin)인 천연 또는 합성 고결정형 미세흑연을 사용한다. 이와 같은 고결정형 미세흑연은 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 5 ~ 30 중량부를 첨가하는 것이 바람직한데, 고결정형 미세흑연을 5 중량부 미만을 첨가하면 요구하는 열전도도 특성을 얻을 수 없을 뿐만 아니라 기체투과도의 효과도 볼 수 없고, 30 중량부를 초과하면 열전도도 및 기체투과도의 향상은 기대 할 수 있으나 동적 특성의 저하를 초래할 수 있으므로 상기의 범위가 적절하다.
상기 성분 이외에 본 발명의 고무 조성물은 첨가제로서 아연화(산화아연), 스테아린산, 노화방지제, 가공오일 등을 필요에 따라 적절히 혼합하여 첨가할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 타이어용 이너라이너 고무 조성물은 현업에 사용중인 일반적인 고무배합장비를 사용하여 고결정형 미세흑연을 적용하여 추가 공정 없이 기존의 범용카본블랙을 적용한 것 대비 약 15 % 이상의 열전도도를 향상시킬 수 있다. 또한, 고결정형 미세흑연은 판상형 구조를 가지고 있어 기체투과도를 현저히 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 ~ 3 및 비교예 1
다음 표 1 함량의 조성을 60 ℃하 에서 230 초 동안 혼합하여 고무 조 성물을 제조하였다.
[표 1]
구분(중량부) 비교예 1 실시예
1 2 3
원료고무 부틸고무 60 60 60 60
천연고무 40 40 40 40
충전제 범용카본블랙(N660) 70 60 60 60
고결정성미세흑연 0 15 20 25
첨가제 스테아린산 1 1 1 1
오일 10 10 10 10
아연화 5 5 5 5
1)천연고무 : SMR 20
2)고결정성 미세흑연 : 결정화도 100 nm 이상, 순도 99.4 %
시험예
상기 비교예 및 실시예 1 ~ 3에서 제조한 고무 조성물을 핫프레스(hot press)로 10 분간 누른 후 두께 3 mm의 판을 만든 다음 ASTM 관련 규정에 의해 경도, 300% Modulus, 인장강도, 신율 등을 측정 시험 실시하였고, 열전도도 및 기체투과도 시험 결과를 다음 표 2에 기술하였다.
[표 2]
구분 비교예1 실시예
1 2 3
경도(Shore A) 59 49 53 57
300% 모듈러스 78 68 70 73
인장강도(kgf/cm2) 97 90 88 84
신율(%) 420 460 430 390
열전도도(W/mK) 0.2560 0.3456 0.4051 0.4485
기체투과량
(비교예 100기준)
100% 82% 69% 56%
여기서, 경도는 높을수록 딱딱함을 의미하고, 인장물성(300% 모듈러스, 인장강도, 신율)에 대한 수치는 높을수록 각각의 특성이 우수함을 의미하며, 기체투 과도는 비교예 1을 100으로 기준 했을 때 낮을수록 우수함을 의미한다.
물성 측정 결과, 실시예 1 ~ 3의 경우 고결정성 미세흑연 함량이 증가함에 따라 열전도도 및 기체투과도가 향상하는 것을 알 수 있었다. 하지만 일정량 이상을 사용하였을 경우 물성의 저하를 가져올 수 있으므로 고무 조성물에 따라 적정량을 적용하는 것이 바람직하다.
열전도도는 충전제간 고유 열전도도를 가지고 있기 때문에 할로 부틸고무가 포함된 고무 소재에 범용카본블랙 및 고결정성 미세흑연을 적용할 경우 아래의 식에 대입하면 열전도도를 예측할 수 있다.
Figure 112009029282961-PAT00002
여기서 FC는 범용 카본블랙의 투입 중량부를 의미하며, FG는 고결정성 미세흑연의 투입 중량부를 의미한다.
일반적으로 충전 되어지는 소재의 특징을 가진 범용카본블랙 a의 계수가 0.3 ~ 0.4, 고결정형 미세흑연 b의 계수가 0.8 ~ 1.1사이의 범위를 가진다. 본 실시예에서 적용된 범용카본블랙 a의 계수가 약 0.3 ~ 0.4 고결정형 미세흑연의 b의 계수가 0.95 ~ 1.1 값을 보였다. 따라서, 제조 되어지는 고무 조성물마다 각기 다른 물성을 요구하기 때문에 위 식의 결과 값으로 이너라이너 고무 조성물을 제조할 때 적정량을 보다 쉽게 계량하기 위한 것으로 사용량을 이에 국한하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예에 있어서 실측치와 경험식을 비교하여 나타낸 것이다. 관찰 결과, 실측치와 경험식의 값은 상당히 근사한 값을 가지며 위 식을 사용하여 열전도도를 예측할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 동일한 원료고무를 사용하였을 시, 고결정성 미세흑연을 5 중량부씩 증량할 때마다 약 10%이상의 기체투과도의 향상을 볼 수 있다.
이에 고결정성 미세흑연을 사용하면 부틸고무를 대체하거나 사용량을 줄일 수 있는 효과를 볼 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예로서 열전도도 및 기체투과도를 향상시킨 타이어용 이너라이너 고무 조성물에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 기술적 범위 내에 포함된다 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 열전도도의 실측치와 경험식을 비교하여 나타내었다.

Claims (5)

  1. 원료고무 100 중량부에 대하여,
    범용 카본 블랙 20 ~ 70 중량부;및
    고결정형 미세흑연 5 ~ 30 중량부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어용 이너라이너 고무 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    아연화, 스테아린산, 노화방지제 및 가공오일을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어용 이너라이너 고무 조성물.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 원료고무는 할로부틸 고무의 함량이 30% 이상 인 것을 특징으로 하는 타이어용 이너라이너 고무 조성물.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고결정형 미세흑연은 결정화도가 30 ~ 300 nm, 순도가 80 ~ 99 %, 열전 도도가 100 ~ 200 W/mK(meter-Kelvin)인 것을 특징으로 하는 타이어용 이너라이너 고무 조성물.
  5. 청구항 2의 고결정형 미세흑연를 적용한 타이어 이너라이너 고무 조성물에 아래의 식에 a의 계수가 0.3 ~ 0.4, b의 계수가 0.8 ~ 1.1의 범위를 가지는 결과 값을 적용하여 열전도도 값을 예측할 수 있는 고무 조성물.
    Figure 112009029282961-PAT00003
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