KR20110091254A - 기계적 물성 및 전기 전도도를 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물 - Google Patents

기계적 물성 및 전기 전도도를 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전기 방지용 트레드 고무조성물에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 실리카가 충진된 트레드 고무조성물에 그라펜(박리된 흑연) 또는 팽창된 흑연을 첨가하여 전기 전도도가 향상된 타이어의 전기 전도성 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 보강충진제로서 전기적 절연체인 실리카가 충진된 트레드용 고무조성물에 높은 전기 전도성을 갖는 소량의 그라펜(박리된 흑연) 또는 팽창된 흑연을 첨가하여 트레드 고무조성물의 고유물성을 동등 수준 이상으로 유지할 수 있고, 동시에 전기 전도성이 향상된 트레드 고무조성물을 제공함에 있다.
따라서, 본 발명은 보강제로 실리카 70 중량부에 카본블랙 10중량부가 함유된 트레드 고무조성물에 1 ~ 20 중량부의 그라펜(박리된 흑연) 또는 팽창된 흑연이 첨가된 정전기 방지용 트레드 고무조성물임을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 트레드 고무조성물을 이용하여 전기전도도가 향상된 타이어를 제조할 수 있다.

Description

기계적 물성 및 전기 전도도를 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물{RUBBER COMPOSITIONS FOR TIRE TREAD IMPROVING MECHANICAL PROPERTIES AND ELECTRICAL PROPERTIES}
본 발명은 기계적 물성 및 전기 전도도를 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다. 보다 상세하게는 그라펜(박리된 흑연) 또는 팽창된 흑연을 보강 충전재로 적용시킨 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 실리카로 보강된 트레드 고무조성물로서, 보다 상세하게는 트레드 고무조성물의 전기 전도도를 개선하기 위해 특정조건의 그라펜(박리된 흑연) 또는 팽창된 흑연을 보강충진제인 실리카와 병행적용하여 실리카 적용시 수반되는 제반물성을 향상시켜면서도 전도성을 개선하는 트레드 고무조성물에 관한 것이다.
현재까지는 타이어 트레드용 고무조성물 제조 시 대부분 카본블랙을 주된 충진제로 사용되어 왔다. 카본블랙이 충진된 고무조성물은 인장강도가 높고, 반발탄성이 우수하며, 우수한 동적 특성을 갖는다. 그러나, 특별히 여러 가지 물성 중, 저연비 성능과 연관된 우수한 동적 물성을 얻기 위해서는 카본블랙을 대체하여 실리카를 많이 사용하는 실정이다. 오늘날의 지구환경보호를 위한 다양한 규제로 인하여 저연비 타이어의 개발이 가속화되면서 타이어 트레드에 있어서 실리카의 사용량이 나날이 증가하고 있다. 또한 실리카는 표면구조상으로 볼 때 카본블랙 보다 친수성을 띤다. 즉 실리카 적용 타이어의 경우 저연비 특성과 젖은 노면 및 빙판 노면에서 견인력을 점진적으로 개선할 수 있다. 그러나 실리카를 보강 충진제로 사용하는 경우 고무 제조공정에서 실리카들이 서로 응집하려는 특성 때문에 고무조성물 내에 실리카가 고루 분산되지 못해 분산성이 떨어지는 공정문제가 있다. 또한 실리카는 절연성이 매우 커서 실리카를 포함하는 고무로 타이어 제조하고 이 타이어를 차량에 장착하는 경우 차량에서 발생하는 정전기가 타이어를 통해 외부로 방출하지 못한다. 이와 같은 전기적 절연체는 타이어의 마찰 등에 의해 유도된 정전기를 방전하지 못하고 축적되어 주유 중 화재 및 문 개폐시 불쾌감을 주게 된다. 특히 건조한 겨울철에는 대기 중의 습도가 낮기 때문에 방전성능이 낮아 문제가 된다.
일반적으로 카본블랙을 적용한 트레드의 경우에는 체적 저항율이 108Ω·CM이거나 그 이하인 반면 실리카를 100% 적용한 경우 1013Ω·CM 이상의 매우 높은 전기저항성을 가지게 되어 전도성을 전혀 발휘할 수 없다.
따라서, 이러한 정전기 문제를 해결하기 위해 실리카를 사용한 고무조성물에 있어서 전기 전도성이 좋은 금속분말을 첨가하는 방법을 도입하고 있으나 금속재료는 고분자와 비중 차가 커 균일한 분산을 얻기 힘들고, 가공 시 마모가 발생하는 문제가 있다. 또한 인장물성, 내 마모특성 그리고 특히 인열강도가 현저하게 하락하는 단점을 나타내고 있다. 또한, 고무조성물에 전기 전도성이 뛰어난 전도성 카본블랙을 일정량 이상 사용하거나, 정전기 발생을 억제하는 대전방지제를 사용하거나 실리카 트레드의 일부를 카본블랙으로 충진된 고무조성물로 구성하거나, 정전기를 방출할 수 있도록 타이어의 구조변경을 하는 경우가 대부분이다. 그러나, 실리카의 사용량이 많아지거나, 충진제 전체를 실리카로만 사용할 경우 상기와 같은 방법을 이용하더라도 정전기 발생 방지효과가 급격히 떨어져 많은 양을 사용해야 하는 문제가 있다.
이에 본 발명자들은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 보완할 수 있는 방법을 연구하면서, 그라펜(박리된 흑연) 또는 팽창된 흑연을 보강 충전재로 타이어 트레드 고무 조성물에 적용하는 경우, 소량의 첨가로도 기계적 물성뿐만 아니라 전기 전도성을 향상시킬 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 그라펜(박리된 흑연) 또는 팽창된 흑연을 보강 충전재로 적용시켜 기계적 물성뿐만 아니라 전기 전도도를 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 원료고무 100중량부에 보강 충전재로서 그라펜(박리된 흑연) 또는 팽창된 흑연 또는 이들의 조합물을 1 내지 20중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드 고무 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 그라펜(박리된 흑연) 또는 팽창된 흑연은 10 내지 3000m2/g 표면적을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 원료고무는 합성고무, 천연고무, 또는 합성고무와 천연고무의 혼합물이 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명은 종래의 타이어 트레드용 고무 조성물에 평판 구조를 갖는 그라펜(박리된 흑연) 또는 팽창된 흑연을 보강 충전재로 적용시킴에 따라 기계적 물성 및 전기 전도도를 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 기계적 물성 및 전기 전도도가 향상된 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공함에 따라서 타이어의 성능을 증대 및 중량을 감소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물에 보강 충전재로 사용되는 박리된 흑연 (그라펜, Graphene) 혹은 팽창된 흑연을 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 원료고무 100중량부에 보강 충전재로서 그라펜(박리된 흑연) 및 팽창된 흑연 또는 이들의 조합물을 1 내지 20중량부를 포함한 것이다.
본 발명에서 보강 충전제로 사용되는 그라펜(박리된 흑연) 또는 팽창된 흑연은 도 1에 보여지는 바와 같이 판상의 구조를 갖는다. 상기 박리된 흑연으로 대표적인 것은 그라펜(Graphene)이 있으며, 팽창된 흑연은 초기 부피보다 수백 배 팽창된 흑연을 말한다. 상기 박리된 흑연 또는 팽창된 흑연은 카본블랙과 동소체로써 강도는 카본블랙과 비교가 되지 않을 정도로 우수하고 동일한 질량에서 인장강도, 고탄성, 고전도성 등이 매우 우수한 물성을 나타낸다.
상기 그라펜(박리된 흑연) 및 팽창된 흑연은 하나의 탄소 원자에 이웃하는 세 개의 탄소 원자가 결합되어 있으며, 이러한 탄소 원자간의 결합에 의해서 육각환형이 이루어지고, 이들이 벌집형태로 반복된 평면을 이룬 물질이다. 이러한 박리된 흑연 또는 팽창된 흑연은 큰 표면적을 가지며, 그의 표면적은 10~3000 m2/g 범위이며, 표면적이 크기 때문에 동일량을 균일하게 분산시켰을 경우 높은 열적, 기계적, 물리적 특성의 향상효과가 크게 나타난다.
상기 박리된 흑연 또는 팽창된 흑연은 원료고무 100중량부에 대하여 1 내지 20중량부로 사용하는 것이 바람직하다. 1 중량부 미만으로 평판 구조를 갖는 박리된 흑연 또는 팽창된 흑연이 첨가되는 경우, 이들을 첨가함에 따른 고무의 전기 전도도 향상을 기대할 수 없고, 20 중량부를 초과하여 사용하는 경우에는 과량 첨가에 따른 분산성 및 물성의 저하가 생길 우려가 있다.
본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 원료고무는 타이어용 트레드 고무 조성물의 원료로서 사용할 수 있는 원료라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 상기 원료고무는 천연고무 및 합성고무 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 사용할 수 있는데, 상기 합성고무는 디엔계 중합체 합성고무, 디엔계 공중합체 합성고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 우레탄 고무 및 에틸렌-프로필렌 고무 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 합성고무는 폴리부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무 및 폴리이소프렌 고무 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 일반적으로 원료고무는 천연고무, 스티렌-부타디엔 고무, 부틸 고무에 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무조성물은 아연화, 스테아린산, 노화방지제, 가공오일, 가류제, 가류촉진제 등을 필요에 따라 적절히 혼합하여 첨가할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
이하 본 발명을 다음의 실시예 및 비교예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명의 실시예로서 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
유화 중합 스티렌-부타디엔 고무 20중량부, 용액중합 스티렌-부타디엔 고무 80중량부로 구성된 원료고무 100중량부를 기준으로 범용실리카를 70중량부, 카본블랙 N234 10중량부, 그라펜을 5중량부를 투입하고, 나머지 첨가제들은 하기 표 1에 나타낸 함량을 참조하여 투입하여 고무 시편을 제조하였다. 이때, 그라펜은 엔바로테크 사에서 제조된 박리된 흑연 또는 팽창된 흑연을 사용하였다.
비교예 1
유화 중합 스티렌-부타디엔 고무 20중량부, 용액중합 스티렌-부타디엔 고무 80중량부로 구성된 원료고무 100중량부를 기준으로 범용카본블랙 중 기계적 물성이 우수한 N234를 10중량부 투입하고, 나머지 첨가제들은 하기 표 1에 나타낸 함량을 참조 투입하여 고무 시편을 제조하였다.
비교예 2
유화 중합 스티렌-부타디엔 고무 20중량부, 용액중합 스티렌-부타디엔 고무 80중량부를 기준으로 범용카본블랙 중 기계적 물성이 우수한 N234 15중량부 투입하고, 나머지 첨가제들은 하기 표 1에 나타낸 함량을 참조하여 투입하여 고무 시편을 제조하였다.
비교예 3
유화 중합 스티렌-부타디엔 고무 20중량부, 용액중합 스티렌-부타디엔 고무 80중량부를 기준으로 범용카본블랙 중 기계적 물성이 우수한 N234 10중량부, 탄소나노튜브를 5중량부 투입하고, 나머지 첨가제들은 하기 표 1에 나타낸 함량을 참조하여 투입하여 고무 시편을 제조하였다.
비교예 4
유화 중합 스티렌-부타디엔 고무 20중량부, 용액중합 스티렌-부타디엔 고무 80중량부를 기준으로 범용카본블랙 중 기계적 물성이 우수한 N234 10중량부, 그라파이트를 5중량부 투입하고, 나머지 첨가제들은 하기 표 1에 나타낸 함량을 참조하여 투입하여 고무 시편을 제조하였다.
구분
(중량부)		 실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
합성고무 1 20 20 20 20 20
합성고무 2 80 80 80 80 80
실리카 70 70 70 70 70
범용카본블랙
(N 234)		 10 10 15 10 10
카본나노튜브 0 0 0 5 0
그라펜 5 0 0 0 0
그라파이트 0 0 0 0 5
스테아린산 1 1 1 1 1
실란커플링제 11 11 11 11 11
오일 10 10 10 10 10
노화방지제 4 4 4 4 4
가공조제 8 8 8 8 8
가류촉진제 2 2 2 2 2
유황 1 1 1 1 1
아연화 5 5 5 5 5
시험예 1
상기 표 1의 고무 배합제를 사용하여 제조된 실시예 1 및 비교예 1 내지 4의 고무조성물을 핫프레스(hot press)로 15분간 누른 후 두께 2mm의 판을 만든 다음 ASTM 관련 규정에 의해 가황시간, 최대 토크, 경도, 300% 모듈러스, 인장강도, 신율, 전기전도도 등을 측정 시험 실시하였고, 시험 결과를 표 2에 기술하였다.
정전기 방지용 고무 배합물의 전기전도도(Volume resistance)는 108Ωcm이하가 바람직하고, TERAOHM, MI2077 시험기를 이용하였으며, 측정방법은 샘플 처리과정 없이 적절한 압력하에서 전기저항을 측정하였다.
실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
레오
미터		 T40(분) 8.2 11.3 11.2 10.1 10.6
T90(분) 16.8 20.7 20.6 18.9 18.7
기계적
물성		 경도(Shore A) 73 61 62 67 68
300% 모듈러스
(kgf/㎠)		 107 61 66 81 71
인장강도
(kgf/㎠)		 201 209 204 192 198
신율(%) 680 720 720 640 690
체적저항율(Ω·㎝) 1.60X106 7.68X1012 6.62X1011 5.07X1010 4.60X1010
상기 표 2에서, 경도는 높을수록 딱딱함을 의미하고, 인장물성(300％모듈러스, 인장강도, 신율)에 대한 수치는 높을수록 각각의 특성이 우수함을 의미한다. 또한, 체적저항율은 수치가 낮을수록 우수함을 의미한다.
상기 시험예의 결과인 표 2와 같이 본 발명의 트레드용 고무조성물에 의해 제조한 고무에서, 박리된 흑연 또는 팽창된 흑연을 적용한 실시예 1은 비교예 1 내지 4 고무와 대비 시 동등 수준 이상의 물성을 가지고 있으며, 특히 전기전도성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한 동일한 원료고무를 사용하였을 시, 박리된 흑연 (그라펜, Graphene) 혹은 팽창된 흑연을 소량 첨가함에 의해서도 전기전도성이 우수하므로 실리카와 병용적용 시에 우수한 물성 및 전기전도성을 발휘할 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 타이어 트레드용 고무 조성물에 박리된 흑연 (그라펜, Graphene) 혹은 팽창된 흑연을 사용하면 실리카 및 카본블랙를 대체하거나 사용량을 줄일 수 있어, 타이어의 성능을 증대하고 중량을 감소할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예로서 기계적 물성 및 전기전도도를 향상시킨 타이어용 트레드 고무조성물에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 기술적 범위 내에 포함된다 할 수 있다.
부호 없슴

Claims (4)

  1. 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서,
    천연고무 및 합성고무 중에서 선택된 단종 또는 2종 이상을 함유한 원료고무100중량부에 보강 충전제로서 박리된 흑연 (그라펜, Graphene) 혹은 팽창된 흑연 또는 이들의 조합물을 1 내지 20중량부 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기 방지용 실리카 타이어 트레드용 고무 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    실리카를 10 내지 100중량부로 보강된 트레드 고무 조성물에 있어서, 트레드 전기전도도를 개선하기 위해, 표면적이 10 내지 3000m2/g인 박리된 흑연 (그라펜, Graphene) 혹은 팽창된 흑연을 실리카와 병행적용함을 특징으로 하는 정전기 방지용 타이어 트레드용 고무 조성물.
  3. 제 1 내지 2항에 있어서,
    아연화, 스테아린산, 노화방지제, 가공오일, 가류제 및 촉진제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기 방지용 실리카 타이어 트레드용 고무 조성물.
  4. 오일(Oil) 또는 고무용 유기물로 전처리 하거나 가공 공정성 개선을 위해 펠렛화한 박리된 흑연 (그라펜, Graphene) 혹은 팽창된 흑연을 함유하는 정전기 방지용 실리카 타이어 트레드용 고무 조성물.



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