KR20130021030A - 열전도도 및 내피로도를 향상시킨 타이어 이너라이너용 고무조성물 - Google Patents

열전도도 및 내피로도를 향상시킨 타이어 이너라이너용 고무조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고열전도도 및 내피로도를 향상시킨 고무조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 타이어용 이너라이너에 전도성 충전제를 혼용하고 이것을 보강 충전제로서 사용함으로써 열전도도 및 내피로도를 현저히 향상시킨 고무조성물에 관한 것이다. 본 발명은, 범용 카본블랙이 특정 중량부로 함유된 타이어 이너라이너에 열전도도 및 내피로도의 개선을 위해서 비표면적 50 내지 100 mg/g 및 구조발달도 100 내지 130 ml/100g을 갖고 결정화도(Lc)가 300 내지 500 % 향상된 고결정형 카본블랙을 일반 충전제와 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하며, 이에 따라 본 발명은 기존 타이어 이너라이너의 물성들을 유지하면서 열전도도 및 내피로도를 현저히 향상시키는 고무조성물을 얻었다.

Description

열전도도 및 내피로도를 향상시킨 타이어 이너라이너용 고무조성물{RUBBER COMPOSITIONS FOR TIRE INNER LINER IMPROVING THERMAL CONDUCTIVITY AND FATIGUE RESISTANCE}
본 발명은 열전도도 및 내피로도를 향상시킨 타이어 이너라이너용 고무조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 타이어 이너라이너에 전도성 충전제를 혼용하고 이것을 열전도도 및 내피로도를 위한 보강 충전제로서 사용함으로써, 기체투과도를 향상 또는 유지하면서 열전도도 및 내피로도를 현저히 향상시킨 고무조성물에 관한 것이다.
최근, 타이어 산업에서 생산성 향상을 위하여, 여러 고열전도도 블래더(bladder) 등을 적용함으로써 가류 시간을 단축시키고 있지만, 전도성 충전제의 적용에 따른 블래더 물성(예컨대, 모듈러스(Modulus), 인장강도와 같은 기계적 성질)의 저하 및 타이어 내부에서의 가류도 차이에 의한 품질 불량이 발생하는 단점을 가지고 있다.
종래 기술에서는 열전도도를 향상시키기 위하여 금속 분말을 포함하거나, 또는 일정 방향으로 전도성 충전제를 적용한 고무조성물을 적용하는 방법이 소개되고 있으나, 기술적 어려움 및 적용 효과가 기대 수준에 미치지 못하고 있는 실정이다(대한민국 특허 공개번호 1997-0042741 참조).
아세틸렌 블랙 및 전도성 카본블랙을 적용하면, 이들을 20중량부 이하로 적용할 경우 열전도도의 향상을 기대하기 어려울 뿐만 아니라, 피로 특성과 같은 물성의 감소를 초래할 수 있다.
또한, 자동차 산업의 발달에 따라, 타이어 제조회사에서는 고성능화에 따른 차량 속도의 증가 및 가혹한 조건에 대한 소비자들의 요구를 반영하여, 여러 가혹한 조건에서도 내피로도를 유지하면서 주행 성능을 유지할 수 있는 타이어 이너라이너의 개발을 위한 연구가 진행 중에 있다.
현재, 생산 공정성의 개선을 위해 최소한의 공정 및 현업에 즉시 적용 가능하면서 추가의 경비가 들지 않는 소재의 적용이 필요한 시점이다.
종래의 타이어 이너라이너용 고무조성물은 부틸고무, 부틸고무/천연고무, 부틸고무/합성고무를 사용하고 있으며, 최근에는 다양한 첨가제 또는 보강제를 사용함으로써 열전도도, 기체투과도 및 내피로도를 향상시키는 연구가 진행 중이다.
대한민국 특허 10-0746335에서는, 표면적이 작고 구조발달도가 미약한 써멀 카본블랙을 사용할 경우, 기체투과도를 향상시킬 수 있지만, 매트릭스와의 결합력이 떨어져서 내피로도가 떨어지는 단점을 가진다.
대한민국 특허 공개번호 1997-0042741 대한민국 특허 10-0746335
본 발명은, 종래 기술의 특정 고무배합물의 혼입 및 금속 분말의 적용기술 등의 기술적 문제를 극복하기 위하여, 전도성 충전제를 적용함으로써 열전도도를 향상시킨 타이어 이너라이너용 고무조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.
내피로도를 향상시키기 위해, 보강 충전제 또는 원료고무의 개질없이 적정량의 고결정형 카본블랙을 적용할 수 있는 기술적 지침을 제공하고, 제조공정의 추가 변경없이 생산성을 유지할 수 있는 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 열전도도 및 내피로도를 개선을 위한 본 발명의 타이어 이너라이너용 고무조성물은, 부틸고무 및 할로 부틸고무로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 부틸계 고무 단독, 또는 천연고무, 합성고무 또는 천연고무와 합성고무의 혼합물과 조합하여 포함하는 원료고무 100중량부를 기준으로, 부틸계 고무 30중량부 이상, 범용 카본블랙 20 내지 70중량부 및 고결정형 카본블랙 5 내지 30 중량부를 포함한다.
또한, 열전도도 및 내피로도를 개선시키기 위해, 본 발명의 타이어 이너라이너용 고무조성물은, 비표면적 50 내지 100 mg/g 및 구조발달도(Structure, DBP) 100 내지 130 ml/100g을 갖고 결정화도(Lc)가 300 내지 500 % 향상된 고결정형 카본블랙을 첨가한다. 여기서, 구조발달도(Structure, DBP)는 카본블랙의 기본단위인 응집체(Aggregate)의 상태를 나타내는 용어이다.
다르게는, 비표면적 50 내지 100 mg/g 및 구조발달도 100 내지 130 ml/100g의 카본블랙을 열처리시킴으로써 결정화도(Lc)를 300 내지 500 % 향상시킨 고결정형 카본블랙을 범용 카본블랙으로 보강된 고무조성물에 적용한 것을 특징으로 하는 타이어 이너라이너용 고무조성물을 제시한다.
또한, 본 발명은 타이어 이너라이너용 고무조성물의 모든 성분의 함량에 따라 하기 수학식 1에 대입하여 예상 열전도도 값을 예측할 수 있는 타이어 이너라이너용 고무조성물을 제시한다.
Figure pat00001
상기 식에서,
FC는 범용 카본블랙의 투입 중량부이고,
FG는 고결정형 카본블랙의 투입 중량부이다.
또한, 일반적으로 충전되는 범용 카본블랙의 a의 계수는 0.3 내지 0.6이고, 고결정형 카본블랙의 b의 계수는 0.1 내지 0.9이다.
본 발명은, 생산 공정성을 유지하면서도, 전도성 충전재를 사용한 종래 기술과 비교하여 고무조성물의 물성을 저하시키지 않고, 열전도도를 현저히 증가시키고, 생산성을 향상시키고, 내피로도가 우수한 고무조성물을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예에 있어서 열전도도에 대한 실측치와 예상치를 비교하여 나타내었다.
본 발명에서 적용된 열전도도 충전제는, 비표면적 50 내지 100 mg/g 및 구조발달도 100 내지 130 ml/100g의 카본블랙을 열처리함으로써 결정화도(Lc)를 300 내지 500 % 향상시킨 고결정형 카본블랙을 사용한다. 상기 고결정형 카본블랙의 사용량은 5 내지 30중량부를 첨가하는 것이 바람직하다. 5중량부 미만을 첨가할 경우, 요구하는 열전도도 특성을 얻을 수 없을 뿐만 아니라 내피로도의 효과도 볼 수 없다. 30중량부를 초과하면, 열전도도 향상을 기대할 수 있으나 동적 특성의 저하를 초래할 수 있다.
본 발명은 현업에 사용중인 일반적인 고무배합 장비를 사용하고, 고결정형 카본블랙을 적용함으로써 추가 공정없이 기존의 범용 카본블랙을 적용한 것과 비교하여 약 15% 이상의 열전도도를 향상시킬 수 있다. 이와 동시에, 고결정형 카본블랙은 범용 카본블랙에서와 같은 제조방법으로 제조되어서 유사한 구조형태를 가지고 있으므로, 기존 카본블랙 또는 써멀 카본블랙보다 내피로도를 현저히 향상시킬 수 있다.
본 발명의 고무조성물에 사용되는 주요 성분은 합성고무, 천연고무, 또는 합성고무와 천연고무의 혼합물이며, 고무조성물의 첨가제로서는 아연화(ZnO), 스테아린산, 노화방지제, 가공오일 등을 필요에 따라 적절히 혼합하여 첨가할 수 있다.
이하 본 발명은 하기 비교예 및 실시예들을 통하여 보다 상세히 설명하고자 한다.
<비교예>
원료고무 100중량부를 기준으로, 원료고무와 비교하여 범용 카본블랙 중에서 기체투과도가 우수한 범용 카본블랙(상품명: N660)을 70중량부로 투입함으로써 비교예의 고무 시편을 제조하였다.
<실시예 1>
원료고무 100중량부를 기준으로, 범용 카본블랙 60중량부를 기준으로 하여 고결정형 카본블랙 15중량부를 투입함으로써 본 발명의 고무 시편을 제조하였다.
<실시예 2>
원료고무 100중량부를 기준으로, 범용 카본블랙 60중량부를 기준으로 하여 고결정형 카본블랙 20중량부를 투입함으로써 본 발명의 고무 시편을 제조하였다.
<실시예 3>
원료고무 100중량부를 기준으로, 범용 카본블랙 60중량부를 기준으로 하여 고결정형 카본블랙 25중량부를 투입함으로써 본 발명의 고무 시편을 제조하였다.
<시험예 1>
하기 표 1의 성분들을 사용하고, 본 시험의 혼합 방법이 적용된 비교예 및 실시예들에서 제조한 고무조성물을 핫프레스(hot press)로 10분간 누른 후, 두께 3mm의 판을 제조하고, 그 다음 ASTM 관련 규정에 의해 경도, 300% 모듈러스(Modulus), 인장강도, 신율 등을 측정하고, 열전도도 및 기체투과도의 시험 결과를 하기 표 1에 기술하였다.
고결정형 카본블랙을 적용한 고무 시편의 물성 측정시험
구분(중량부) 비교예 실시예 1 실시예 2 실시예 3
원료고무 기준
(100중량부, phr)
부틸고무 60 60 60 60
천연고무 40 40 40 40
범용 카본블랙(N660) 70 60 60 60
범용 카본블랙 기준
(중량부, phr)
고결정형 카본블랙 0 15 20 25
스테아린산 1 1 1 1
가공오일 10 10 10 10
아연화 5 5 5 5
결과치 경도(Shore A) 59 64 65 67
300% 모듈러스(kgf/cm2) 78 68 70 71
인장 강도(kgf/cm2) 97 91 93 88
신율(%) 420 450 430 410
열전도도(W/m.K) 0.2560 0.3420 0.3501 0.3539
기체투과도
(비교예 100% 기준)
100% 93% 92% 91%
내피로도
(비교예 100% 기준)
100% 260% 180% 130%
여기에서, 경도는 높을수록 딱딱함을 의미하고, 인장 물성(300% 모듈러스, 인장 강도 및 신율)에 대한 수치는 높을수록 각각의 특성이 우수함을 의미한다.
비교예 100%를 기준으로, 기체투과도는 낮을수록 우수함을 의미한다.
실시예들의 경우, 고결정형 카본블랙의 함량을 증가시킴으로써 열전도도의 향상 및 기체투과도의 향상을 관찰할 수 있다. 하지만, 특정량을 초과하여 사용하였을 경우, 물성의 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 요구되는 물성에 따라 각 성분들을 적절한 양으로 사용하는 것이 바람직하다.
열전도도는 각 성분의 고유 열전도도를 갖고 있기 때문에 각 성분의 함량을 하기 수학식 1에 대입하면 열전도도를 예측할 수 있다.
수학식 1
Figure pat00002
상기 식에서,
FC는 범용 카본블랙의 투입 중량부이고,
FG는 고결정형 카본블랙의 투입 중량부이다.
또한, 일반적으로 충전되는 범용 카본블랙의 a의 계수는 0.3 내지 0.6이고, 고결정형 카본블랙의 b의 계수는 0.1 내지 0.9이다.
제조되는 고무조성물마다 각기 다른 물성이 요구되기 때문에, 타이어 이너라이너용 고무조성물을 제조할 경우, 상기 수학식 1의 결과 값은 적정한 양을 보다 쉽게 계량하기 위한 것이므로 사용량은 이에 국한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예에 있어서 열전도도에 대한 실측치와 예상치를 비교하여 나타내었다. 실측치와 예상치의 값은 상당히 근사한 값을 가지며, 상기 수학식 1을 사용함으로써 열전도도를 예측할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예로서 열전도도 및 내피로도를 향상시킨 타이어 이너라이너용 고무조성물에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예들에 국한되지 아니하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않고서 당해 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변형이 실시 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 내에 포함될 수 있다.

Claims (3)

  1. 부틸고무 및 할로 부틸고무로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 부틸계 고무 단독, 또는 천연고무, 합성고무 또는 천연고무와 합성고무의 혼합물과 조합하여 포함하는 원료고무 100중량부를 기준으로, 부틸계 고무 30중량부 이상, 범용 카본블랙 20 내지 70중량부 및 고결정형 카본블랙 5 내지 30 중량부를 포함하는 타이어 이너라이너용 고무조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    열전도도 및 내피로도를 개선시키기 위해, 비표면적 50 내지 100 mg/g 및 구조발달도(Structure, DBP) 100 내지 130 ml/100g을 갖고 결정화도(Lc)가 300 내지 500 % 향상된 고결정형 카본블랙을 첨가하는 것을 특징으로 하는 타이어 이너라이너용 고무조성물.
  3. 청구항 2에 있어서,
    하기 수학식 1에서 a의 계수가 0.3 내지 0.6이고 b의 계수가 0.1 내지 0.9인 값을 고결정형 카본블랙이 적용된 타이어 이너라이너용 고무조성물에 적용함으로써 열전도도 값을 예측할 수 있는 타이어 이너라이너용 고무조성물.
    수학식 1
    Figure pat00003

    상기 식에서,
    FC는 범용 카본블랙의 투입 중량부이고,
    FG는 고결정형 카본블랙의 투입 중량부이다.
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