KR20140018777A - Nano zinc oxide immobilized nanoporous silica composite material and a rubber composition comprising the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a nano zinc oxide immobilized nanoporous silica composite material and a rubber composition containing the same. By adding the nanoporous silica composite material to the rubber composition for tires for reinforcing, crosslinking efficiency and dispersing properties are improved, abrasion properties are remarkably improved compare to a case of adding regular nanoporous silica, the production costs for the tires are reduced by remakly reducing the usage of zinc oxide, and the exposure of heavy metal by the abrasion of the tires are reduced.

Description

나노 산화아연 고정화된 나노기공 실리카 복합체 및 그를 포함하는 고무 조성물{NANO ZINC OXIDE IMMOBILIZED NANOPOROUS SILICA COMPOSITE MATERIAL AND A RUBBER COMPOSITION COMPRISING THE SAME}Nano zinc oxide-immobilized nano-porous silica composite and rubber composition comprising the same {NANO ZINC OXIDE IMMOBILIZED NANOPOROUS SILICA COMPOSITE MATERIAL AND A RUBBER COMPOSITION COMPRISING THE SAME}

본 발명은 나노 산화아연이 고정화된 나노기공 실리카 복합체, 및 그를 포함하는 고무 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노기공 실리카의 표면에 산화아연 나노입자가 고정화되어 타이어용 고무 조성물에 혼입시 타이어의 마모 성능을 향상시킬 수 있는 나노 산화아연이 고정화된 나노기공 실리카 복합체, 및 그를 포함하는 고무 조성물에 관한 것이다.
The present invention relates to a nanoporous silica composite in which nano zinc oxide is immobilized, and a rubber composition comprising the same. More specifically, zinc oxide nanoparticles are immobilized on a surface of nanoporous silica to be incorporated into a rubber composition for a tire. The present invention relates to a nanoporous silica composite immobilized with nano zinc oxide capable of improving wear performance, and a rubber composition comprising the same.

화석연료의 연소에서 발생하는 지구 온난화 가스인 CO2 배출량 저감을 요구하는 국내외적인 환경규제 압력과 에너지 절감 필요성에 따라 친환경 타이어의 성능에 저연비성 및 자원 절감을 위한 저중량 타이어에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. Research on domestic and international environmental regulations that require the reduction of CO 2 emissions, the global warming gas generated from the burning of fossil fuels, and the necessity of energy saving. It is becoming.

기존에는 타이어의 보강충진제로 카본블랙이 많이 사용되고 있으나, 카본블랙은 저온에서의 탄성 유지가 불가능하고, 상호간의 인력으로 인해 탄성중합체 매트릭스 속에서 서로 응집하려는 경향을 나타내어 충진제의 분산이 제한되며, 따라서 강화 특성이 이론적으로 수득할 수 있는 수준 보다 저하된다. 이로 인해서 비경화된 상태의 고무 조성물의 농도를 증가시키고, 카본블랙이 존재하는 경우 가공성이 떨어져 제조를 어렵게 하는 경향이 있다. 따라서 카본블랙은 원가 및 저연비 타이어 제조에 상대적으로 경쟁력이 없다. Conventionally, carbon black is widely used as a reinforcing filler for tires, but carbon black is unable to maintain elasticity at low temperatures, and due to mutual attraction, it tends to agglomerate with each other in an elastomer matrix, thereby restricting dispersion of fillers. The reinforcing properties are lower than the theoretically obtainable level. This tends to increase the concentration of the rubber composition in an uncured state, and when carbon black is present, it tends to be difficult to manufacture due to poor workability. Therefore, carbon black is relatively uncompetitive for producing low cost and low fuel consumption tires.

보강 무기충진제로 젖은 노면에서의 제동력, 회전저항 특성이 우수한 실리카를 카본블랙과 혼용하여 사용하거나 실리카를 단독으로 사용하는 고무조성물이 증가하고 있다. 그러나 실리카는 강한 친수성기를 가지고 있어 실리카 간의 상호작용으로 인해 응집성이 커서 분산성이 낮아 고무 조성물에 사용시 분산불량에 의한 점도상승 및 장기 방치시 겔화 반응에 의한 고무 물성 하락을 초래할 수 있다. 또한 실리카의 낮은 분산성으로 인해서 실리카를 적용하는 고무조성물로 이루어진 완제품 타이어에서 마모현상이 나타나는 문제가 발생하고 있다.As a reinforcing inorganic filler, rubber compositions using silica having excellent braking force and rotational resistance on wet roads and carbon black or silica alone are increasing. However, since silica has a strong hydrophilic group, it has high cohesion due to interactions between silica and low dispersibility, so that it may lead to a viscosity increase due to dispersion failure when used in a rubber composition and a drop in rubber properties due to a gelation reaction during long-term storage. In addition, due to the low dispersibility of silica, there is a problem that wear phenomenon occurs in the finished tire made of a rubber composition to which silica is applied.

한편, 보강충진제로서 실리카를 포함하는 고무 조성물 중에 포함되는 가류촉진제는 실리카 표면과 반응성이 커 실리카의 분산성이 떨어지며 가류촉진제의 가교 효율을 저하시키는 단점이 있다. 고무 조성물 중 가황활성제로서 산화아연(zinc oxide)이 이용되고 있지만 기존의 일반 산화아연을 첨가하는 경우, 낮은 비표면적으로 인한 낮은 활성도와 가교 속도가 늦은 단점이 있고, 산화아연화의 평균 입자경이 크고 정전기를 띠고 있어 응집현상에 의해 과량 사용시 고무 조성물 내에서 분산도가 저하되고, 산화아연의 분산도 저하에 의해 고무 조성물 내에서 가황속도가 늦어 생산성이 저하될 수 있다.On the other hand, the vulcanization accelerator contained in the rubber composition containing silica as the reinforcing filler has a disadvantage in that the dispersibility of the silica is low due to the high reactivity with the silica surface and the crosslinking efficiency of the vulcanization accelerator is lowered. Although zinc oxide is used as a vulcanizing agent in rubber compositions, when conventional zinc oxide is added, it has disadvantages of low activity and low crosslinking rate due to low specific surface area. In the case of excessive use due to the flocculation phenomenon, the dispersibility in the rubber composition is lowered, and the dispersibility of zinc oxide is lowered, so that the vulcanization rate is slow in the rubber composition, thereby lowering the productivity.

연료 절약 및 환경 보호의 필요성이 중대됨에 따라서, 내마모성에 대한 부작용이 없는 감소된 구름 저항 및 우수한 노면 접지력을 갖는 타이어의 개발이 절실하게 요구되고 있다.
As the need for fuel saving and environmental protection is critical, there is an urgent need for the development of tires with reduced rolling resistance and good road grip without the side effects of wear resistance.

본 발명은 상술한 기술적 요구에 부응하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 실리카의 분산성 향상으로 마모성을 향상시키고 나노 산화아연의 가교효율 증대 및 기존 산화아연 대비 사용량을 줄여 타이어 마모에 의한 아연 중금속의 노출을 감소시킬 수 있는 나노 산화아연이 고정화된 나노기공 실리카 복합체 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다. The present invention is to meet the technical requirements described above, one object of the present invention is to improve the dispersibility of silica and improve the wear properties, increase the cross-linking efficiency of nano zinc oxide and reduce the amount of zinc zinc due to tire wear compared to conventional zinc oxide The present invention provides a nanoporous silica composite having a nano zinc oxide immobilized to reduce the exposure of heavy metals and a method of manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 나노 산화아연이 고정화된 나노기공 실리카 복합체의 제조방법에 의해 제조된 나노 산화아연이 고정화된 나노기공 실리카 복합체를 타이어 트레드 고무 조성물의 성분으로 사용하여 젖은 노면에서 접지 성능, 회전저항 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 마모성능이 향상되는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to use a nano zinc oxide immobilized nano-porous silica composite prepared by the method for preparing nano-porous silica composites immobilized nano zinc oxide as a component of the tire tread rubber composition, grounding performance, wet rotation It is to provide a rubber composition for tire tread that not only improves the resistance performance but also improves the wear performance.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 침강형 나노기공 실리카, 및 상기 침강형 나노기공 실리카의 표면에 나노 산화아연이 고정되어 있는 나노 산화아연이 고정화된 나노기공 실리카 복합체로서, 상기 침강형 나노기공 실리카는 BET 표면적이 50~700 m2/g이고, 세공 크기는 0.5~40 nm이며, 세공 용적은 0.5~2.4 ㎤/g이고, 입도 크기는 10~150 ㎛이며, 상기 나노기공 실리카의 표면에 존재하는 실라놀기가 nm2 당 2~8개인 것을 특징으로 하는 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체에 관한 것이다.One aspect of the present invention for achieving the above object is a precipitated nano-porous silica, and nano-zinc oxide-fixed nano-porous silica composite in which nano zinc oxide is fixed on the surface of the precipitated nano-porous silica, Precipitated nanoporous silica has a BET surface area of 50-700 m 2 / g, pore size of 0.5-40 nm, pore volume of 0.5-2.4 cm 3 / g, particle size of 10-150 μm, and the nano-pores The present invention relates to a nanoporous silica composite having a nano zinc oxide fixed thereon, wherein the silanol groups present on the surface of the silica are 2 to 8 per nm 2 .

본 발명의 다른 양상은 pH가 중성이 되는 수성 슬러리의 형태로 침강형 나노기공 실리카 슬러리를 준비하는 단계;Another aspect of the present invention comprises the steps of preparing a precipitated nanoporous silica slurry in the form of an aqueous slurry, the pH is neutral;

수성 슬러리의 형태로 나노 산화아연 슬러리를 준비하는 단계;Preparing a nano zinc oxide slurry in the form of an aqueous slurry;

상기 침강형 나노기공 실리카 슬러리와 나노 산화아연 슬러리를 혼합하여 습식반응에 의해 반응시켜 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체를 수득하는 단계;Mixing the precipitated nanoporous silica slurry and the nano zinc oxide slurry to react by a wet reaction to obtain a nanoporous silica composite having nano zinc oxide fixed thereto;

수성 매질로부터 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체를 분리하는 단계; 및 Separating the nanoporous silica composite to which nano zinc oxide is immobilized from an aqueous medium; And

분리된 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체를 건조하는 단계를 포함하는 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nanoporous silica-fixed nanoporous silica composite comprising the step of drying the nanoporous silica composite is fixed nano zinc oxide.

본 발명의 또 다른 양상은 입도 크기는 10~150 ㎛이고, 세공 크기는 0.5~40 nm이며, 침강형 다공성 실리카, 다공성 알루미나, 카본블랙, 규조토, 벤토나이트, 탈크, 마그네슘실리케이트로 구성되는 군에서 선택되는 무기 입자; 및 Another aspect of the present invention has a particle size of 10 ~ 150 ㎛, pore size of 0.5 ~ 40 nm, selected from the group consisting of precipitated porous silica, porous alumina, carbon black, diatomaceous earth, bentonite, talc, magnesium silicate Inorganic particles; And

상기 무기 입자의 표면에 고정되어 있는, 비표면적이 20~100 m2/g이고, 입자크기가 5~150 nm인 나노 산화아연을 포함하는 나노기공 무기 입자 복합체에 관한 것이다. The present invention relates to a nanoporous inorganic particle composite including nano zinc oxide having a specific surface area of 20 to 100 m 2 / g and a particle size of 5 to 150 nm, which is fixed to the surface of the inorganic particles.

본 발명의 또 다른 양상은 원료 고무, 및 하나 이상의 보강 무기 충진제를 포함하는 고무 조성물에 있어서, 상기 보강 무기 충전제는 하나 이상의 실리카를 포함하고, 이러한 실리카는 침강형 나노기공 실리카의 표면에 나노 산화아연이 고정되어 있는 나노기공 실리카 복합체인 것을 특징으로 하는 고무 조성물에 관한 것이다. Another aspect of the invention is a rubber composition comprising a raw rubber, and at least one reinforcing inorganic filler, wherein the reinforcing inorganic filler comprises at least one silica, the silica being nano zinc oxide on the surface of the precipitated nanoporous silica. It relates to a fixed nano-porous silica composite.

본 발명의 또 다른 양상은 상기 고무 조성물이 적용된 타이어 또는 타이어 생산용 고무로 만든 반가공 제품에 관한 것이다.
Another aspect of the present invention relates to a tire or a semi-finished product made of rubber for tire production to which the rubber composition is applied.

본 발명의 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체는 나노기공 실리카의 고정화에 의해 입자의 응집현상을 감소시켜 기존의 나노 산화아연 보다 분산성을 향상시켜 고무 조성물에 있어서의 가교효율을 증대시킨다. 또한 본 발명의 복합체는 나노기공 실리카의 표면에 고정화된 나노 산화아연이 실리카와 가류촉진제의 반응을 저하시켜 가류촉진제의 가교 효율을 증대시킨다. The nanoporous silica composite having the nano zinc oxide fixed according to the present invention reduces the agglomeration of particles by immobilizing the nanoporous silica to improve dispersibility than conventional nano zinc oxide, thereby increasing the crosslinking efficiency in the rubber composition. In the composite of the present invention, the nano zinc oxide immobilized on the surface of the nanoporous silica decreases the reaction between the silica and the vulcanization accelerator, thereby increasing the crosslinking efficiency of the vulcanization accelerator.

더욱이 실리카의 극성 부분이 나노 산화아연 고정화에 의해 일부 또는 전체적으로 비극성을 띄어 실리카 간의 응집현상을 억제하고 실리카와 고무와의 상호작용을 증대시켜 타이어용 조성물에 있어서 실리카의 고무 내 분산성을 향상시키며 타이어의 마모 성능을 향상시킬 수 있다. Furthermore, the polarity of the silica is partially or wholly non-polarized by the nano-zinc oxide fixation to suppress the aggregation phenomenon between the silica and increase the interaction between the silica and the rubber, thereby improving the dispersibility of the silica in the rubber in the tire composition, The abrasion performance can be improved.

또한 본 발명의 복합체를 사용하는 경우에는 나노 산화아연의 사용량을 1/2 내지 1/10 로 현저하게 줄일 수 있어. 타이어의 제조원가를 절감할 수 있고, 도로 주변의 타아어 마모로 인한 아연 중금속 노출을 감소시키는 효과를 제공한다.
In addition, when the composite of the present invention is used, the amount of nano zinc oxide used can be significantly reduced to 1/2 to 1/10. It can reduce the manufacturing cost of tires and reduce the exposure of zinc heavy metal due to tire wear around the road.

본 발명의 하나의 실시예는 나노 산화아연이 고정화된 나노기공 실리카 복합체에 관한 것이다. 이러한 복합체는 나노기공 실리카의 표면에 나노 산화아연이 고정화되어 있는 복합체이다. One embodiment of the invention relates to nanoporous silica composites in which nano zinc oxide is immobilized. Such a composite is a composite in which nano zinc oxide is immobilized on the surface of nanoporous silica.

상기 나노기공 실리카는 1차입자의 3차원 망목 구조에 의해서 나노기공 구조가 형성된 실리카로서, 3차원 기공구조를 갖는 재료이다. 이러한 나노기공 실리카는 예컨대, 문헌["Synthesis of mesoporous silica with superior properties suitable for green tire," A. Hilonga, et al., J. Ind. Eng. Chem. (2012)] 에 기재되어 있는 방법에 따라서 제조할 수 있다. 나노 산화아연은 나노기공 실리카의 표면에 불연속적으로 물리적으로 고정화되어 있다. The nano-porous silica is a silica having a nano-porous structure formed by the three-dimensional network structure of the primary particles, a material having a three-dimensional pore structure. Such nanoporous silicas are described, for example, in "Synthesis of mesoporous silica with superior properties suitable for green tire," A. Hilonga, et al., J. Ind. Eng. Chem. (2012)] can be manufactured according to the method described. Nano zinc oxide is discontinuously physically immobilized on the surface of nanoporous silica.

나노기공 실리카 표면에 나노 산화아연을 고정화하는 방법은 실리카 표면에 존재하는 실라놀기에 기인되는 음의 하전과 상대적으로 양의 하전을 띤 나노산화아연 사이에서 일어나는 전기적 인력에 의해 고정화가 일어나며 구체적으로는 나노 기공 실리카의 제조 공정에서 건조하기 전의 나노기공 하이드로겔 슬러리에 나노 산화아연 슬러리를 액체상에서 균일 혼합함으로써 음의 하전을 갖는 실리카 표면에 양의 하전을 갖는 나노 산화아연이 전기적 인력에 의해 고정화가 일어나도록 할 수 있다. The method of immobilizing nano zinc oxide on the surface of nanoporous silica is immobilized by the electrical attraction between the negatively charged and relatively positively charged nano zinc oxide due to silanol groups present on the surface of silica. By uniformly mixing the nano zinc oxide slurry in the liquid phase to the nanoporous hydrogel slurry before drying in the manufacturing process of the nanoporous silica, the nano zinc oxide having a positive charge on the surface of the silica having a negative charge is immobilized by electrical attraction. You can do that.

여기서 고무에 사용하는 보강성 충전제의 기능과 본 발명에서 달성하고자 하는 담지체로의 역할을 동시에 수행하기 위해서는 나노기공 실리카는 기공의 크기가 0.5-40 nm 정도의 것이 좋고, 나노기공 실리카의 기공이의 크기가 0.5 nm 보다 기공이 작을 경우에는 고무분자와의 사이에 인터록킹이 일어나기 어렵고 또한 실라놀기의 밀도가 상대적으로 너무 높아서 상대적으로 부의 하전의 절대값이 크게 되고 양의 하전을 띤 나노 산화아연과의 고정화 효율이 높아지지만 친수성이 높아서 고무에 분산성을 저하하게 되는 문제가 있을 수 있다. 이와 반대로 나노기공 실리카의 기공의 크기가 40 nm 보다 클 경우에는 실라놀기 밀도가 상대적으로 너무 낮아서 분산성에는 도움이 되지만 음의 하전의 절대값이 낮아서 고정화 효율이 낮아지는 문제가 있다. 그러므로 실리카 표면에 존재하는 실라놀기의 음의 하전과 나노산화아연의 양의 하전 사이에서 고정화 효율을 높게 하기 위해서는 적절한 실라놀기의 밀도가 필요하게 되고 이러한 의미에서 실라놀기는 2-8개/nm2 사이로 조절되는 것이 바람직하다.In order to simultaneously perform the function of the reinforcing filler used in the rubber and the role of the support to be achieved in the present invention, it is preferable that the pore size of the nanoporous silica is about 0.5-40 nm, When the pore size is smaller than 0.5 nm, the interlocking between the rubber molecule and the silanol group is relatively difficult, and the absolute value of the negative charge is relatively large, and the positively charged zinc oxide Although the immobilization efficiency is high, there is a problem that the hydrophilicity is high and the dispersibility of the rubber is deteriorated. On the contrary, when the pore size of the nanoporous silica is larger than 40 nm, the silanol group density is relatively too low to help dispersibility, but there is a problem in that the immobilization efficiency is lowered because the absolute value of the negative charge is low. Therefore, in order to increase the immobilization efficiency between the negative charge of the silanol groups present on the silica surface and the positive charge of the nano zinc oxide, an appropriate density of silanol groups is required. In this sense, the silanol groups are 2-8 atoms / nm 2. It is preferable to adjust between.

상기 나노기공 실리카는 입도 크기는 10~150 ㎛이고, BET 표면적은 50~700 m2/g이며, 세공 크기는 0.5~40 nm이고, 세공 용적은 0.5~2.4 ㎤/g이다. 상기 나노기공 실리카의 물성은 나노기공 실리카 제조 시에 공정 조건을 제어함으로써 조절할 수 있다. 본 발명에서 상기 나노 산화아연의 입자 크기는 나노기공 실리카의 세공의 크기 보다 큰 것이 바람직하다. 나노기공 실리카의 기공이 너무 큰 경우에는 상대적으로 실리놀기의 밀도가 낮아져서 음의 하전이 낮아지며 이로 인한 나노 산화아연과의 고정화 효율이 저하되는 문제가 있고 이와 반대로 기공크기가 너무 작을 경우 일반적인 침강형 실리카의 경우 실라놀기의 밀도가 증가하여 상대적으로 친수성이 강하여 소수성인 고무 분산에 역효과를 줄 수 있다 The nanoporous silica has a particle size of 10-150 μm, a BET surface area of 50-700 m 2 / g, a pore size of 0.5-40 nm, and a pore volume of 0.5-2.4 cm 3 / g. The physical properties of the nanoporous silica can be controlled by controlling the process conditions in the production of nanoporous silica. In the present invention, the particle size of the nano zinc oxide is preferably larger than the size of the pores of the nano-porous silica. When the pore size of the nanoporous silica is too large, the density of the silyl group is lowered, and the negative charge is lowered. As a result, the immobilization efficiency with the nano-zinc oxide is lowered. On the contrary, when the pore size is too small, , The density of the silanol group is increased, which is relatively hydrophilic, which may adversely affect the hydrophobic rubber dispersion

한편, 상기 나노기공 실리카의 BET 표면적이 50 m2/g 미만인 경우 실리카와 고무와의 결합의 수가 감소되어 고무와의 결합 수준이 미흡할 수 있고, 이와 반대로 나노기공 실리카의 BET 표면적이 700 m2/g을 초과하는 경우에는 충전제 사이의 상호작용이 증가되어 고무 매트릭스 내의 분산성이 저하되고 가공성이 저하될 수 있다. On the other hand, when the BET surface area of the nanoporous silica is less than 50 m 2 / g, the number of bonds between the silica and the rubber is reduced, so that the level of bonding with the rubber may be insufficient, on the contrary, the BET surface area of the nanoporous silica is 700 m 2 If it exceeds / g, the interaction between the fillers is increased, so that the dispersibility in the rubber matrix may be lowered and the processability may be lowered.

본 발명의 나노기공 실리카의 표면에 존재하는 실라놀기는 nm2 당 2~8개인 것이 바람직하다. 나노기공 실리카의 표면에 존재하는 실라놀기의 밀도가 2 미만인 경우에는 상대적으로 고무와의 가교 결합시 커플링제와 결합해야 할 반응기인 실라놀기의 저하로 고무 분자와 무기고분자인 실리카의 화학적 결합이 약화되어 결과적으로 저연비와 관련한 히스테리시스 손실 문제로 구름저항에 영향을 미쳐 달성하고자 하는 물성 개선이 어렵게 되고, 이와 대조적으로 nm2 당 실라놀기의 밀도가 8을 초과하는 경우에는 실리카 표면의 친수성의 증가로 소수성이 고무탄성체에 분산성의 저하 문제를 야기시킨다. 따라서 고정화에 필요한 담지체인 나노기공 실리카의 표면에 존재하는 실라놀기의 밀도는 nm2 당 2~8 개의 범위에서 제어되어 사용되어야 한다 The silanol group present on the surface of the nanoporous silica of the present invention is preferably 2 to 8 per nm 2 . On the surface of nanoporous silica If the silanol group has a density of less than 2, the chemical bond between the rubber molecule and the inorganic polymer silica is weakened due to the lowering of the silanol group, which is a reactor to be bonded to the coupling agent when crosslinking with rubber, resulting in low fuel consumption and associated hysteresis loss. It is difficult to improve the properties to be achieved due to the problem of rolling resistance.In contrast, when the density of silanol groups per nm 2 exceeds 8, the hydrophilicity of the silica surface increases, so that hydrophobicity decreases dispersibility in rubber elastomer. Cause. Therefore, the density of silanol groups present on the surface of nanoporous silica, which is required for immobilization, should be controlled and used in the range of 2 to 8 per nm 2 .

나노기공 실리카의 표면의 실라놀기 개수 제어 방법은 일반적으로 규산나트륨 (Sodium silicate : Na2OxSiO2, x=1~3.7)를 황산으로 산분해 반응에 의해 합성되면, 합성시 아래와 같은 방법에 의해서 실라놀기 밀도를 제어할 수 있다. The method for controlling the number of silanol groups on the surface of nanoporous silica is generally synthesized by acid decomposition reaction of sodium silicate (Na 2 OxSiO 2 , x = 1 ~ 3.7) with sulfuric acid. Play density can be controlled.

1)One) 나노기공Nano pore 실리카 반응공정에서의  In the silica reaction process 실라놀기Silanol 밀도 제어방법 Density Control Method

황산(10-98%) 및 규산나트륨([SiO2]/[Na2O] =1~ 3.7mole, 10-30%)을 인젝션 펌프를 통해 중간 저장 포트로 옮기고 펌프가 부착된 노즐을 통하여 균일하게 혼합 반응시킨다. 겔화(gelation) 반응이 진행된 슬러리에서 Na+ 및 SO4 2 - 이온을 제거함과 동시에 실리카 표면의 실라놀기를 제어하기 위해서 일반적인 졸겔 이론에 의해 실라놀기의 밀도를 낮게 하기 위해서는 상대적으로 높은 온도(50~150℃)와 염기성 조건(pH 7-10)에서 축 중합을 진행하고, 실라놀기의 밀도를 높게 하기 위해서는 상대적으로 저온(40℃ 이하)과 산성(pH 1-5) 조건에서 축중합시키기게 된다. Sulfuric acid (10-98%) and sodium silicate ([SiO 2 ] / [Na 2 O] = 1 to 3.7 mole, 10-30%) are transferred via the injection pump to the intermediate storage port and uniformly through the pumped nozzle Mixed reaction. In order to remove the Na + and SO 4 2 - ions from the slurry in which the gelation reaction proceeds, and to control the silanol groups on the silica surface, the general sol-gel theory lowers the density of the silanol groups. Condensation polymerization at 150 ℃) and basic condition (pH 7-10), and condensation polymerization at relatively low temperature (below 40 ℃) and acidic condition (pH 1-5) to increase the density of silanol groups .

2)건조 공정에서의 2) 실라놀기Silanol 밀도 제어방법 Density Control Method

상기 1)의 반응공정에서 물성이 제어된 히드로겔은 건조 방법에 따라 실라놀기의 숫자를 제어할 수 있는데, 일반적으로 온도에 의해 제어되며 공기 중에서 200 ℃ 이하에서 건조할 경우에는 합성된 실리카 하이드로겔은 실라놀기의 밀도가 건조 후에도 큰 변화가 없으나, 200℃ 이상으로 온도가 높은 영역에서 건조하게 될 경우 실리카 표면에 존재하는 실라놀기는 열분해에 의해 실록산 구조로 변화하면서 400℃ 정도에서 지속적으로 유지할 경우 표면에 존재하는 실라놀기는 점점 소실되어 최종적으로는 실라놀기가 모두 소실되고 실록산 구조로 되어 타이어에 사용하는 보강성 충전제로서의 역할을 할 수 없게 된다. The hydrogel in which the physical properties are controlled in the reaction step 1) can control the number of the silanol groups according to the drying method. Generally, the hydrogel is controlled by the temperature, and when dried at 200 ° C or lower in the air, the synthesized silica hydrogel The silanol groups on the surface of the silica are changed into siloxane structures by pyrolysis and maintained at a temperature of about 400 ° C. When the silanol groups are dried at a temperature higher than 200 ° C., The silanol groups present on the surface gradually disappear and ultimately all the silanol groups disappear and the siloxane structure becomes unable to serve as a reinforcing filler used in the tire.

상기 나노 산화아연은 비표면적이 20~100 m2/g이고, 입자크기가 5~150 nm인 산화아연 나노입자이다. The nano zinc oxide is a zinc oxide nanoparticles having a specific surface area of 20 ~ 100 m 2 / g, particle size of 5 ~ 150 nm.

본 발명의 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카는 예컨대 고무 용도에서 가황가능한 고무 조성물 또는 가황된 고무 조성물 중의 무기충진제로서 사용될 수 있다. 타이어 트레드 내의 무기 충진제에 의해 부여되는 최적의 강화 특성 및 이에 따른 고내마모성을 수득하기 위해, 무기 충진제가 최대한 미분되고 최대한 균질하게 분포된 최종 형태로 고무 매트릭스에 존재하는 것이 바람직한데, 본 발명의 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체는 이러한 조건을 충족시킬 수 있다. The nano-oxide-fixed nanoporous silica of the present invention can be used as an inorganic filler in vulcanizable rubber compositions or vulcanized rubber compositions, for example, in rubber applications. In order to obtain the optimum reinforcing properties imparted by the inorganic fillers in the tire treads and thus high wear resistance, it is preferred that the inorganic fillers are present in the rubber matrix in the final form as finely as possible and as homogeneously distributed as possible. Nanoporous silica composites in which zinc oxide is immobilized can satisfy these conditions.

본 발명의 다른 양상은 입도 크기는 10~150 ㎛이고, 세공 크기는 0.5~40 nm이며, 다공성 실리카, 다공성 알루미나, 카본블랙, 규조토, 벤토나이트, 탈크, 마그네슘실리케이트 등으로 구성되는 군에서 선택되는 무기입자; 및 상기 무기 입자의 표면에 고정화되어 있는, 비표면적이 20~100 m2/g이고, 입자크기가 5~150 nm인 나노 산화아연을 포함하는 나노기공 무기 입자 복합체에 관한 것이다. 이러한 나노기공 실리카 복합체는 일반적으로 분말 및 입상이고, 타어어 등과 같은 고무 제품과 관련하여 충진제, 보강제, 방부제, 가황촉진제 등으로 다양하게 이용될 수 있다. 일반적인 산화아연 입자를 포함하거나, 실리카와 같은 무기충진제 입자를 포함하는 고무 조성물에 비해서, 본 발명의 상기 복합체를 포함하는 고무 조성물은 낮은 타이어의 구름 저항을 낮추고, 젖은 노면에서의 접지력을 향상시키며, 마모 성능을 향상시킬 수 있다. In another aspect of the present invention, the particle size is 10 ~ 150 ㎛, pore size is 0.5 ~ 40 nm, inorganic selected from the group consisting of porous silica, porous alumina, carbon black, diatomaceous earth, bentonite, talc, magnesium silicate and the like particle; And nano-porous inorganic particle complexes immobilized on the surface of the inorganic particles and having a specific surface area of 20 to 100 m 2 / g and a particle size of 5 to 150 nm. Such nanoporous silica composites are generally powdered and granular, and can be used in various ways as fillers, reinforcing agents, preservatives, vulcanization accelerators, and the like in connection with rubber products such as tarers. Compared to the rubber composition containing general zinc oxide particles or inorganic filler particles such as silica, the rubber composition comprising the composite of the present invention lowers the rolling resistance of low tires and improves the grip on wet roads, Abrasion performance can be improved.

본 발명의 다른 양상은 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체의 제조방법에 관한 것이다. Another aspect of the invention relates to a method for preparing nanoporous silica composites having nano zinc oxide fixed thereto.

먼저 고속정량반응시스템에 의해 나노기공 실리카 슬러리를 수득하고, 이러한 나노기공 실리카 슬러리의 pH가 중성이 되도록 수세하여, pH가 중성이 되는 수성 슬러리의 형태로 나노기공 실리카 슬러리를 준비한다. 이때 나노기공 실리카 슬러리의 pH는 통상적으로 6.0 내지 7.5, 바람직하게 6.5 내지 7.0이다. 또한 나노기공 실리카 슬러리의 pH를 조정하기 위해서 황산, 질산 또는 염산과 같은 무기산 또는 아세트산 또는 포름산과 같은 유기산 중에서 선택되는 산성화제가 선택적으로 첨가될 수 있다.First, a nanoporous silica slurry is obtained by a high-speed quantitative reaction system, and the nanoporous silica slurry is washed with water so that the pH of the nanoporous silica slurry is neutral to prepare a nanoporous silica slurry in the form of an aqueous slurry whose pH is neutral. At this time, the pH of the nanoporous silica slurry is typically 6.0 to 7.5, preferably 6.5 to 7.0. In addition, an acidifying agent selected from inorganic acids such as sulfuric acid, nitric acid or hydrochloric acid or organic acids such as acetic acid or formic acid may be optionally added to adjust the pH of the nanoporous silica slurry.

이어서 수성 슬러리의 형태로 비표면적이 20~100 m2/g이고, 입자크기가 5~150 nm인 나노 산화아연을 교반하면서 물에 분산시켜 나노 산화아연 슬러리를 준비한다. 분산 안정성을 개선하기 위해, 상기 나노 산화아연 슬러리에 벤조산, PAA, PVP, PMMA 등과 같은 여러 가지 수계 분산제를 첨가할 수 있다. 상기 나노 산화아연 슬러리는 pH 6.5-10의 범위에서 안정성을 유지한다.
Subsequently, a nano zinc oxide slurry is prepared by dispersing nano zinc oxide having a specific surface area in the form of an aqueous slurry of 20 to 100 m 2 / g and a particle size of 5 to 150 nm while stirring in water. In order to improve dispersion stability, various aqueous dispersants such as benzoic acid, PAA, PVP, PMMA, etc. may be added to the nano zinc oxide slurry. The nanofiber zinc slurry maintains stability in the pH range of 6.5-10.

*나노기공 실리카 슬러리와 나노 산화아연 슬러리를 혼합하여 습식반응에 의해 반응시켜 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체를 수득한다. 이때 나노기공 실리카 : 나노 산화아연의 함량비는 0.5:99.5 내지 99.5:0.5로 혼합할 수 있다. 혼합액을 20~90℃의 온도에서 30~120분간 교반하여 습식반응에 의한 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체를 제조할 수 있다. 이때 분산제로서 알킬 암모늄 할라이드 등의 계면활성제를 상기 혼합액에 대하여 0.01~0.5중량%의 함량으로 첨가할 수 있다. The nanoporous silica slurry and the nano zinc oxide slurry are mixed and reacted by a wet reaction to obtain a nanoporous silica composite having nano zinc oxide fixed thereto. At this time, the content ratio of nanoporous silica: nano zinc oxide may be mixed in a range of 0.5: 99.5 to 99.5: 0.5. The mixed solution is stirred at a temperature of 20 to 90 ° C for 30 to 120 minutes to prepare a nanoporous silica composite in which the nano-sized zinc oxide is fixed by a wet process. At this time, a surfactant such as alkyl ammonium halide may be added as a dispersant in an amount of 0.01 to 0.5% by weight based on the mixture.

수성 매질로부터 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체를 압축 수단을 구비한 필터(필터 프레스)를 사용하여 여과함으로써 고체와 액체를 분리한다. 분리후, 분리된 나노 산화아연 고정된 나노기공 실리카 케이크(Cake)를 물을 이용하여 현탁액으로 제조한다. The solid and liquid are separated from the aqueous medium by filtering the nanoporous silica composite having the nano zinc oxide fixed thereto using a filter (filter press) with compression means. After separation, the separated nano zinc oxide fixed nanoporous silica cake (Cake) is prepared as a suspension using water.

이어서 현탁액을 분무건조 혹은 기타의 순간건조에 의해 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체를 수득한다. 세척된 나노 산화아연이 고정화된 나노기공 실리카 고체의 점성이 높을 경우, 여과 케이크를 물과 혼합하여 현탁액을 제조한 후, 분무건조 혹은 순간 건조를 할 수 있다. The suspension is then spray dried or other instant drying to obtain a nanoporous silica composite having nano zinc oxide fixed. When the nanoporous silica solid immobilized with washed nanofiber zinc oxide has a high viscosity, the filter cake can be mixed with water to prepare a suspension, followed by spray drying or instant drying.

본 발명의 다른 양상은 타이어용으로 사용가능한 고무 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예의 고무 조성물은 원료 고무, 및 하나 이상의 보강 무기 충진제를 포함하는 고무 조성물로서, 상기 보강 무기 충전제는 하나 이상의 나노기공 실리카를 포함하고, 상기 나노기공 실리카의 표면에 나노 산화아연이 고정되어 있는 나노 산화아연 나노기공 실리카 복합체인 고무 조성물이다.Another aspect of the invention relates to a rubber composition usable for tires. The rubber composition of one embodiment of the present invention is a rubber composition comprising a raw rubber and at least one reinforcing inorganic filler, wherein the reinforcing inorganic filler comprises at least one nanoporous silica, and nano zinc oxide is formed on the surface of the nanoporous silica. It is a rubber composition which is a fixed nano zinc oxide nanoporous silica composite.

원료 고무는 천연 고무, 스티렌-부타디엔 고무 등 통상의 타이어용 고무 조성물에 사용되는 것으로서, 천연 고무는 자연에서 얻어지는 폴리이소프렌이 바람직하다. 상기 원료고무로는 천연고무와 합성고무가 50 : 50의 중량비로 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다. 원료고무는 2종 이상의 서로 다른 종류의 합성고무가 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다. 원료고무는 2종 이상의 서로 다른 종류의 합성고무가 동일한 중량비로 혼합된 혼합고무를 사용할 수 있다.The raw material rubber is used in a general rubber composition for tires such as natural rubber and styrene-butadiene rubber, and polyisoprene obtained in nature is preferred for natural rubber. As the raw material rubber, natural rubber and synthetic rubber may be mixed rubber mixed in a weight ratio of 50:50. The raw rubber may be a mixed rubber of two or more different kinds of synthetic rubbers. The raw material rubber may be a mixed rubber in which two or more different kinds of synthetic rubbers are mixed in the same weight ratio.

상기 합성고무는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 변성 스티렌 부타디엔 고무, 부타디엔 고무(BR), 변성 부타디엔 고무, 클로로술폰화 폴리에틸렌고무, 에피클로로하이드린 고무, 불소 고무, 실리콘 고무, 니트릴 고무, 수소화된 니트릴고무, 니트릴 부타디엔 고무(NBR), 변성 니트릴 부타디엔 고무, 클로리네이티드 폴리에틸렌고무,스티렌에틸렌부틸렌스티렌(SEBS) 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 에틸렌프로필렌디엔(EPDM) 고무, 하이팔론 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌비닐아세티에트 고무, 아크릴 고무, 히드린 고무, 비닐벤질클로라이드스티렌부타디엔 고무,브로모메틸스티렌부틸 고무, 말레인산스티렌부타디엔 고무, 카르복실산스티렌부타디엔 고무,에폭시이소프렌 고무, 말레인산에틸렌프로필렌 고무, 카르복실산니트릴부타디엔 고무 및 BIMS(brominated polyisobutyl isoprene-co-paramethyl styrene)로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
The synthetic rubber is styrene butadiene rubber (SBR), modified styrene butadiene rubber, butadiene rubber (BR), modified butadiene rubber, chlorosulfonated polyethylene rubber, epichlorohydrin rubber, fluorine rubber, silicone rubber, nitrile rubber, hydrogenated nitrile Rubber, Nitrile Butadiene Rubber (NBR), Modified Nitrile Butadiene Rubber, Chlorinated Polyethylene Rubber, Styrene Ethylene Butylene Styrene (SEBS) Rubber, Ethylene Propylene Rubber, Ethylene Propylene Diene (EPDM) Rubber, Chloroprene Rubber, Ethylene Vinyl acetate rubber, acrylic rubber, hydrin rubber, vinyl benzyl chloride styrene butadiene rubber, bromomethylstyrene butyl rubber, maleic acid styrene butadiene rubber, carboxylic acid styrene butadiene rubber, epoxy isoprene rubber, ethylene propylene propylene rubber, carboxyl Acid Nitrile Butadiene Rubber and Brominated Polyisobutyl at least one selected from the group consisting of isoprene-co-paramethyl styrene) can be used.

*본 발명의 타이어, 또는 타이어 생산용 고무로 만든 반가공 제품 생산용 고무 조성물은 본 발명의 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카를 포함하는 보강 무기충진제에 의해 강화된다. * The rubber composition for producing the tire of the present invention or semifinished product made of the rubber for tire production is reinforced by a reinforcing inorganic filler comprising nanoporous silica to which the nano zinc oxide of the present invention is fixed.

본 발명에서 나노기공 실리카 복합체 이외에 사용될 수 있는 무기충진제는, 예를 들어, 카본블랙, 알루미나, 알루미노실리케이트, 탄산칼슘, 규조토, 벤토나이트, 몬모릴로나이트(montmorillonite), 논트로나이트(nontronite), 베이델나이트(beidellite), 볼콘스코이트(volkonskoite), 헥토라이트(hectorite), 사포나이트(saponite), 사우코나이트(sauconite), 버미쿨라이트(vermiculite), 할로이사이트(halloisite), 세리사이트(sericite) 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다.Inorganic fillers that can be used in addition to the nanoporous silica composite in the present invention, for example, carbon black, alumina, aluminosilicate, calcium carbonate, diatomaceous earth, bentonite, montmorillonite, nontronite, nondelite (beidellite), volkonskoite, hectorite, saponite, sauconite, vermiculite, halloisite, sericite or these It can be selected from a mixture of.

본 발명에서 사용되는 "phr"이란 용어는 "고무 100 중량부당 개별적인 소정 성분의 중량부"를 의미한다. 바람직하게, 나노 산화아연 고정된 나노기공 실리카 복합체의 함량은 20 내지 120 phr, 더욱 바람직하게는 30 내지 100 phr, 보다 더욱 바람직하게는 60 내지 85 phr의 범위 내이다. 가장 바람직한 나노기공 실리카 복합체의 함량은 사용된 나노기공 실리카의 성질 및 목적하는 용도에 따라 달라질 수 있다. As used herein, the term "phr" means "parts by weight of an individual predetermined component per 100 parts by weight of rubber". Preferably, the content of nano zinc oxide fixed nanoporous silica composite is in the range of 20 to 120 phr, more preferably 30 to 100 phr, even more preferably 60 to 85 phr. The content of the most preferred nanoporous silica composite may vary depending on the nature of the nanoporous silica used and the intended use.

당연히, 본 발명의 고무 조성물은 타이어 트레드의 제조용 고무 조성물에 사용되는 일반적인 첨가제, 예를 들어, 신전유(extending oil), 가소화제, 보호제, 예를 들어 항오존 왁스, 화학적 오존방지제, 산화방지제, 피로방지제 (antifatigue agent), 접착 촉진제, 커플링활성화제, 강화 수지, 메틸렌 수용체 및/또는 공여체, 황 또는 황 공여체 및/또는 과산화물 및/또는 비스말레이미드에 기초한 가교결합 시스템, 가황 가속제 또는 가황 활성화제를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 조성물에는 백색 충진제, 예컨대, 점토 입자, 벤토나이트, 활석, 백악 또는 카올린이 첨가될 수 있다.Naturally, the rubber composition of the present invention is a general additive used in the rubber composition for the production of tire treads, such as extending oils, plasticizers, protective agents such as anti-ozone waxes, chemical ozone inhibitors, antioxidants, Crosslinking systems based on antifatigue agents, adhesion promoters, coupling activators, reinforcing resins, methylene acceptors and / or donors, sulfur or sulfur donors and / or peroxides and / or bismaleimides, vulcanization accelerators or vulcanization It may further comprise an activator. In addition, a white filler such as clay particles, bentonite, talc, chalk or kaolin may be added to the composition of the present invention.

본 발명의 또 다른 양상은 본 발명의 고무 조성물을 포함하는 타이어, 및 타이어용 고무로 만든 반가공 제품, 특히 타이어 트레드에 관한 것이다. 본 발명의 고무 조성물을 포함하는 타이어 트레드는 높은 내마모성과 낮은 구름 저항 및 모든 노면 유형에 대한 높은 노면 접지력을 시현하여 자동차 타이어에 뛰어난 수준의 주행 성능과 경제성을 부여한다. 따라서 유럽 등 국내외에서 시행될 라벨링 제도 하에서 요구되는 엄격한 타이어 성능 조건을 만족시킬 수 있다.
Another aspect of the invention relates to tires comprising the rubber composition of the invention and to semifinished products made from rubber for tires, in particular tire treads. Tire treads comprising the rubber compositions of the present invention exhibit high wear resistance, low rolling resistance and high road traction for all road types, giving automobile tires excellent levels of running performance and economy. Therefore, it is possible to meet the stringent tire performance conditions required under the labeling system to be implemented at home and abroad, such as Europe.

실시예Example

이하에서 본 발명을 실시예에 의하여 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명의 일실시예로서 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples. However, these are not limited to the scope of the present invention by these as an embodiment of the present invention.

제조예Manufacturing example 1 One

고속정랑반응시스템에 의해 5-10% 황산(H2SO4)과 SiO2/Na2O 몰비가 3.4이고 SiO2함량이 10-15%인 규산나트륨을 고속 순간 노즐을 이용하여 와류를 발생시켜 황산:규산나트륨=1:3당량 비로 혼합하여 연속 중합기를 이용하여 25℃ 반응온도에서 반응 pH가 9.5가 되도록 중합하여 나노기공 실리카 슬러리를 수득하였다. 수득된 나노기공 실리카는 BET 표면적이 165~175 m2/g이고, 세공크기는 29~30nm이며, 세공용적은 0.85 m3/g이고, 입도 크기는 18~20 ㎛의 조건을 만족하였다. By the high-speed rectification system, 5-10% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and sodium silicate with a SiO 2 / Na 2 O molar ratio of 3.4 and a SiO 2 content of 10-15% are generated by using a high-speed instantaneous nozzle. Sulfuric acid: sodium silicate = 1: 3 equivalent ratio was mixed and polymerized so that the reaction pH was 9.5 at 25 ° C using a continuous polymerization reactor to obtain a nanoporous silica slurry. The obtained nanoporous silica had a BET surface area of 165 to 175 m 2 / g, a pore size of 29 to 30 nm, a pore volume of 0.85 m 3 / g, and a particle size of 18 to 20 μm.

수득된 나노기공 실리카 슬러리 내의 SO4 -2, Na+ 1이온 제거를 위해 필터프레스로 여과한 후 물로 수세하고, 수세된 나노기공 실리카 케이크를 반응조에 넣고 고형분 15%가 되도록 물을 투입하여 교반하였다. To remove the SO 4 -2 , Na + 1 ions in the obtained nanoporous silica slurry, the solution was filtered with a filter press and then washed with water. The washed nanoporous silica cake was put into a reactor, and water was added thereto so as to have a solid content of 15% .

비표면적이 27~28.5 m2/g이며, 입자크기는 90~110 nm를 가지는 나노 산화아연 분말을 다른 반응조에 고형분 5%가 되도록 물에 첨가하고 25℃ 온도에서 30분간 교반하여 나노 산화아연 슬러리를 제조하였다. Nano zinc oxide powder having a specific surface area of 27 to 28.5 m 2 / g and a particle size of 90 to 110 nm was added to water so as to have a solid content of 5% in another reactor and stirred for 30 minutes at a temperature of 25 ° C. Was prepared.

나노기공 실리카 슬러리 반응조에 상기 나노 산화아연 슬러리를 나노기공 실리카:나노 산화아연의 비가 =99.5:0.5의 비로 혼합하고, 여기에 분산제로서 알킬 암모늄 할라이드 계면활성제를 0.05%를 가하여 25℃의 온도에서 90분간 교반하여 습식반응에 의해 반응시켰다.The nano zinc oxide slurry was mixed in a nanoporous silica slurry reactor in a ratio of nanoporous silica: nano zinc oxide = 99.5: 0.5, and 0.05% of alkyl ammonium halide surfactant was added thereto as a dispersant, and the mixture was heated at a temperature of 25 ° C. Stirred for a minute and reacted by a wet reaction.

반응 완료후, 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 슬러리를 필터 프레스를 이용하여 여과하였다. 이어서 여과된 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 케이크를 고형분 15%가 되도록 물을 투입하여 교반한 후, 수분을 제거하는 2~5 kgf/cm2 노즐분사 압력, 50℃ 이상의 온도를 가지는 분무 건조기(spray dryer)를 이용하여 건조하였다.
After completion of the reaction, the nanoporous silica slurry to which the nano-zinc oxide was fixed was filtered using a filter press. Subsequently, the filtered nano-porous silica cake having the nano zinc oxide fixed on it is added with water to a solid content of 15% and stirred, followed by a spray dryer having a temperature of 2 to 5 kgf / cm 2 nozzle spray pressure and a temperature of 50 ° C. or higher to remove moisture. It was dried using a spray dryer.

제조예Manufacturing example 2 2

제조예 1과 동일하게 실시하여 나노기공 실리카 슬러리를 수득한 후, 건조기를 이용하여 건조시켰다. 한편, 비표면적이 27~28.5m2/g이며, 입자크기는 90~110nm인 건조된 나노 산화아연을 상기 건조된 나노기공 실리카와 혼합하되, 나노기공 실리카:나노 산화아연= 99.5:0.5의 비율로 건조된 상태에서 반응조에 투입하였다. 이어서 상온에서 60분간 교반하면서 반응시켜 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체를 수득하였다.
In the same manner as in Preparation Example 1 to obtain a nano-porous silica slurry, it was dried using a dryer. On the other hand, the specific surface area is 27 ~ 28.5m 2 / g, the particle size of the mixed nano zinc oxide dried 90 ~ 110nm with the dried nanoporous silica, the ratio of nanoporous silica: nano zinc oxide = 99.5: 0.5 It was put into the reactor in the dried state. Subsequently, the reaction was stirred at room temperature for 60 minutes to obtain a nanoporous silica composite having nano zinc oxide fixed thereto.

실시예 1Example 1

하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 원료고무 100 중량부에 대해서 상기 제조예 1에서 제조된 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체 85중량부를 첨가하고, 기타 실란커플링제, 스테아린산, 가공조제, 프로세스 오일, 노화방지제, 가황제(sulfur) 및 가류촉진제를 첨가하여 배합하여 고무 조성물을 수득하였다. 하기 표 1에서, 고무 이외의 각 성분의 함량은 phr 단위로 표시하였다. As shown in the following Table 1, 85 parts by weight of the nanoporous silica composite having the nano-oxide-fixed zinc oxide prepared in Preparation Example 1 was added to 100 parts by weight of the raw rubber, and other silane coupling agent, stearic acid, , An antioxidant, a sulfur vulcanizing agent and a vulcanization accelerator were added and mixed to obtain a rubber composition. In Table 1 below, the content of each component other than rubber is expressed in phr units.

이와 같이 하여 배합된 고무 조성물을 밴버리 믹서를 이용하여 가황제와 가류촉진제를 제외하고 1차 혼합 후 오픈 밀(open mill)을 통하여 60℃ 이하의 온도에서 5~10분간 혼련한 후 시트를 제조하였다. 제조된 시트와 가황제 및 가류촉진제를 밴버리 믹서를 통하여 2차 혼합한 후 오픈 밀을 이용하여 60℃ 이하의 온도에서 5~10분 동안 혼련하고, 핫 프레스(Hot press)에서 160℃에서 10분간 가류하여 두께 20mm의 고무 시편을 제조하였다.The rubber composition blended in this way was first mixed with a Banbury mixer, except for the vulcanizing agent and the vulcanization accelerator, and then kneaded at an temperature of 60 ° C. or lower for 5 to 10 minutes through an open mill to prepare a sheet. . The prepared sheet, the vulcanizing agent and the vulcanization accelerator are mixed secondly through a Banbury mixer, and then kneaded for 5 to 10 minutes at a temperature of 60 ° C. or less using an open mill, and 10 minutes at 160 ° C. in a hot press. It was vulcanized to prepare a rubber specimen having a thickness of 20 mm.

수득된 시편에 대해서 아래의 방법으로 스코치, Rheometer, 마모도, 점탄성 특성 등의 제반 물성을 평가하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
With respect to the obtained specimens, various properties such as scorch, rheometer, wear degree, viscoelastic properties, etc. were evaluated by the following method, and the results are shown in Table 2 below.

실시예 2Example 2

하기 표 1의 배합비와 같이 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체를 86 중량부로 증량한 것을 제외하고 실시예1과 동일하게 실시하여 고무 조성물 및 물성 측정용 고무 시편을 제조하고, 스코치, Rheometer, 마모도, 점탄성 특성을 측정하여 그 결과를 하기 표2에 함께 나타내었다.
To prepare a rubber composition and the measurement of the physical properties of the rubber specimens were prepared in the same manner as in Example 1 except that the nanoporous silica composite having the nano zinc oxide fixed as shown in Table 1 was increased to 86 parts by weight, scorch, Rheometer, Abrasion, viscoelastic properties were measured and the results are shown in Table 2 together.

실시예3Example 3

하기 표 1의 배합비와 같이, 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체를 86.5 중량부로 증량한 것을 제외하고 실시예1와 동일하게 실시하여 고무 조성물 및 물성 측정용 고무 시편을 제조하고, 제반 물성을 평가하여 그 결과를 하기 표2에 함께 나타내었다.
As in the mixing ratio of Table 1, except that the nanoporous silica composite in which nano zinc oxide is fixed was increased to 86.5 parts by weight, the same procedure as in Example 1 was carried out to prepare a rubber composition and a rubber specimen for measurement of physical properties, and overall physical properties The results of the evaluation are shown in Table 2 together.

비교예1Comparative Example 1

하기 표 1의 배합비와 같이, 원료고무에 대하여 무기충진제로서 카본블랙 및 실리카를 사용하고, 가류촉진제로서 기존의 산화아연을 사용한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 고무 조성물 및 물성 측정용 고무 시편을 제조하고, 제반 물성을 평가하여 그 결과를 하기 표2에 함께 나타내었다.
In the same manner as in Table 1, except that carbon black and silica were used as inorganic fillers for the raw material rubber, and conventional zinc oxide was used as a vulcanization accelerator. Rubber specimens were prepared, the overall physical properties were evaluated, and the results are shown in Table 2 together.

비교예Comparative Example 2 2

기존 산화아연 대신 나노 산화아연을 50% 감량한 것을 제외하고는 비교 예1과 동일하게 실시하여 고무 조성물 및 물성 측정용 고무 시편을 제조하고, 물성을 평가하여 그 결과를 하기 표2에 함께 나타내었다. Except for reducing 50% of nano zinc oxide instead of conventional zinc oxide was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 to prepare a rubber composition and rubber specimens for measuring the physical properties, the physical properties were evaluated and the results are shown in Table 2 below. .

구분division 비교예1Comparative Example 1 비교예2Comparative Example 2 실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 S-SBR1 ) S-SBR 1 ) 8585 8585 8585 8585 8585 BR2 ) BR 2 ) 1515 1515 1515 1515 1515 카본블랙3 ) Carbon Black 3 ) 2020 2020 2020 2020 2020 실리카Silica 8585 8585 -- -- -- 나노 ZnO+나노기공 실리카 복합체Nano ZnO + Nanoporous Silica Composite -- -- 85.585.5 8686 86.586.5 실란커플링제4 ) Silane Coupling Agents 4 ) 13.613.6 13.613.6 13.613.6 13.613.6 13.613.6 스테아린산Stearic acid 1One 1One 1One 1One 1One 기존 ZnO5 ) Existing ZnO 5 ) 33 -- -- -- -- 나노 ZnO6 ) Nano ZnO 6 ) -- 1.51.5 -- -- -- 프로세스오일(RAE)Process oil (RAE) 4242 4242 4242 4242 4242 가공조제(A-60)7 ) Processing aid (A-60) 7 ) 22 22 22 22 22 노화방지제 6PPD8 ) Antioxidant 6PPD 8 ) 2.52.5 2.52.5 2.52.5 2.52.5 2.52.5 왁스Wax 22 22 22 22 22 노화방지제(TMQ)9 ) Antioxidant (TMQ) 9 ) 1.51.5 1.51.5 1.51.5 1.51.5 1.51.5 황(sulfur)Sulfur 1.51.5 1.51.5 1.51.5 1.51.5 1.51.5 가류촉진제(CBS)10 ) Vulcanization Accelerator (CBS) 10 ) 1.51.5 1.51.5 1.51.5 1.51.5 1.51.5 가류촉진제(MBTS)11 ) Vulcanization Accelerator (MBTS) 11 ) 1.61.6 1.61.6 1.61.6 1.61.6 1.61.6

1)S-SBR : 스티렌 함량 및 비닐 함량이 30% 이상인 스타이렌-부타디엔 고무 1) S-SBR: Styrene-butadiene rubber with styrene content and vinyl content of more than 30%

2)BR : 네오디뮴 부타디엔 고무 2) BR: Neodymium Butadiene Rubber

3)카본블랙 : N-134(콜럼비안 케미컬즈㈜) 3) Carbon black: N-134 (Columbian Chemicals Co., Ltd.)

4)실란커플링제 : X-50 S® Bis(triethoxysilylpropyl)polysulfide 4) Silane coupling agent: X-50 S ® Bis (triethoxysilylpropyl) polysulfide

5)기존 ZnO : 한일합성화학 5) Existing ZnO: Hanil Synthetic Chemistry

6)나노 ZnO : 100nm의 입자크기를 가지는 나노 산화아연 6) Nano ZnO: Nano Zinc Oxide with Particle Size of 100nm

7)가공조제 : STRUKTOL®A 60, 불포하 지방산의 아연비누 7) Processing aid: STRUKTOL ® A 60, zinc soap of unsaturated fatty acids

8)노화방지제 : 6PPD, N-(1,3-Dimethybutyl)-Nphenyl-p-phenylenediamine 8) Antioxidant: 6PPD, N- (1,3-Dimethybutyl) -Nphenyl-p-phenylenediamine

9)노화방지제, TMQ : Polymerized dihydroquinoline 9) Anti aging agent, TMQ: Polymerized dihydroquinoline

10)가류촉진제, CBS : N-Cyclohexylbenzo thiazole 10) Vulcanization accelerator, CBS: N-Cyclohexylbenzo thiazole

11)가류촉진제, MBTS : 2-mercapto-benzothiazole 11) Vulcanization accelerator, MBTS: 2-mercapto-benzothiazole

구분division 비교예1Comparative Example 1 비교예2Comparative Example 2 실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 스코치
(at 125℃)
Scotch
(at < RTI ID = 0.0 &
t5
[min-sec]
t 5
[min-sec]
27.527.5 24.524.5 28.628.6 29.229.2 29.929.9
레오미터
(at 160℃)
Rheometer
(at 160 ℃)
T40
[min-sec]
T 40
[min-sec]
5.45.4 5.45.4 5.25.2 5.05.0 4.94.9
인장
물성
Seal
Properties
경도Hardness 7070 7171 7272 7272 7272
M-300%[kgf/cm2]M-300% [kgf / cm 2 ] 102102 101101 109109 115115 119119 인장강도[kgf/cm2]Tensile Strength [kgf / cm 2 ] 203203 201201 213213 220220 225225 신장율[%]Elongation rate [%] 500500 480480 530530 540540 540540 인열강도[kgf/mm]Tear strength [kgf / mm] 4444 4343 4747 4848 4949 마모 인덱스Wear Index 100100 9696 115115 123123 125125 점탄성Viscoelastic tanδ at 0℃tanδ at 0 ℃ 0.4920.492 0.4900.490 0.5090.509 0.5130.513 0.5150.515 tanδ at 60℃tanδ at 60 ℃ 0.2060.206 0.2100.210 0.2010.201 0.1990.199 0.1930.193

[물성 평가 방법][Property evaluation method]

* 경도는 표준 DIN 53505에 쇼어 A 경도로 측정* Hardness is measured with Shore A hardness to standard DIN 53505

* M-300%, 인장강도, 신장율, 인열강도는 Instron社 인장시험기를 이용하여 ASTM D412 시험법에 의해 측정* M-300%, tensile strength, elongation and tear strength are measured by ASTM D412 test method using Instron tensile tester.

* 점탄성기는 GABO 시험기를 이용하여 10Hz Frequency 하에서 -80~70℃에서 측정하였다. 0℃에서의 tanδ는 타이어의 젖은 노면에서의 제동성능(wet traction)의 지표로서 수치가 높을수록 젖은 노면에서의 접지력이 우수한 것을 나타낸다. 60℃에서의 tanδ는 타이어의 구름 저항성으로 자동차의 연비의 지표로 사용되며, 수치가 낮을수록 연비 성능이 우수한 것을 나타낸다. * Viscoelasticity was measured at -80 ~ 70 ℃ under 10Hz frequency using GABO tester. Tan δ at 0 ° C. is an index of wet traction on wet road surfaces of tires, indicating that the higher the value, the better the grip on wet road surfaces. The tan δ at 60 ° C is used as an index of automobile fuel economy due to the rolling resistance of the tire. The lower the value, the better the fuel efficiency.

* 마모 인덱스는 JIS K 6264에 근거한 LAMBOURN 마모 시험기기로 상온에서 미끄럼비 30%, 하중 2.0kg에서 회전시켜 마모된 고무의 손실량을 비교예1을 기준(100)으로 지수화하였으며, 수치가 높을수록 우수한 마모성능을 나타낸다.
* The wear index is a LAMBOURN wear tester based on JIS K 6264. At room temperature, 30% of the sliding ratio and 2.0kg of load were rotated and the loss of worn rubber was indexed based on Comparative Example 1 (100). It shows abrasion performance.

상기 표2를 통해서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체를 적용한 실시예의 경우 스코치 시간이 길어짐을 볼 수 있는데, 이는 스코치 안정성이 우수함을 의미한다. 고무 조성물내 실리카의 분산성이 증대되어 젖은 노면에서의 제동성능과 구름저항성이 향상되었을 뿐만 아니라 마모성이 기존 산화아연 및 실리카를 첨가한 비교예 1 보다 향상되었음을 알 수 있다. As confirmed through Table 2, in the case of applying the nano-porous silica composite of the nano-zinc oxide of the present invention can be seen that the scorch time is long, which means that the scorch stability is excellent. The dispersibility of the silica in the rubber composition was increased and the braking performance and the rolling resistance on the wet road surface were improved and the abrasion resistance was improved as compared with Comparative Example 1 in which zinc oxide and silica were added.

더욱이 고무 조성물 내 산화아연의 분산성의 증대로 활성제의 가황 반응성의 효과를 향상시켜 인장강도와 모듈러스의 물리적인 특성이 증가함을 알 수 있다. 인열강도의 증가는 고무간의 결합력이 증대되고 실리카의 응집현상이 억제되고 분산성이 향상되었기 때문이다.Furthermore, it can be seen that the physical properties of the tensile strength and modulus are increased by improving the effect of vulcanization reactivity of the active agent by increasing the dispersibility of zinc oxide in the rubber composition. The increase of the tear strength is due to the increase of the bonding force between the rubbers, the aggregation of the silica is suppressed and the dispersibility is improved.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하였지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes may be made by those skilled in the art to which the present invention pertains. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the appended claims.

Claims (10)

pH가 중성이 되는 수성 슬러리의 형태로 침강형 나노기공 실리카 슬러리를 준비하는 단계;
수성 슬러리의 형태로 나노 산화아연 슬러리를 준비하는 단계;
상기 침강형 나노기공 실리카 슬러리와 나노 산화아연 슬러리를 혼합하여 습식반응에 의해 반응시켜 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체를 수득하는 단계;
수성 매질로부터 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체를 분리하는 단계; 및
분리된 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체를 건조하는 단계를 포함하는 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체의 제조방법.
preparing a precipitated nanoporous silica slurry in the form of an aqueous slurry wherein the pH is neutral;
Preparing a nano zinc oxide slurry in the form of an aqueous slurry;
Mixing the precipitated nanoporous silica slurry and the nano zinc oxide slurry to react by a wet reaction to obtain a nanoporous silica composite having nano zinc oxide fixed thereto;
Separating the nanoporous silica composite to which nano zinc oxide is immobilized from an aqueous medium; And
A method of manufacturing a nano-zinc oxide-fixed nanoporous silica composite, comprising drying the separated nano-zinc oxide-fixed nanoporous silica composite.
제1항에 있어서, 상기 침강형 나노기공 실리카는 BET 표면적이 50~700 m2/g이고, 세공 크기는 0.5~40 nm이며, 세공 용적은 0.5~2.4 ㎤/g이고, 입도 크기는 10~150 ㎛이며, 상기 나노기공 실리카의 표면에 존재하는 실라놀기가 nm2 당 2~8개인 것을 특징으로 하는 나노 산화아연이 고정된 나노기공 실리카 복합체의 제조방법. The method of claim 1, wherein the precipitated nanoporous silica has a BET surface area of 50 ~ 700 m 2 / g, a pore size of 0.5 ~ 40 nm, a pore volume of 0.5 ~ 2.4 cm 3 / g, particle size of 10 ~ 150 μm, wherein the silanol groups present on the surface of the nanoporous silica are 2 to 8 per nm 2 of nano zinc oxide-fixed nanoporous silica composite. 제1항에 있어서, 상기 나노 산화아연은 비표면적이 20~100 m2/g이고, 입자크기가 5~150 nm인 것을 특징으로 하는 나노 산화아연이 고정화된 나노기공 실리카 복합체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the nano zinc oxide has a specific surface area of 20 to 100 m 2 / g, and has a particle size of 5 to 150 nm.
원료 고무, 및 하나 이상의 보강 무기 충진제를 포함하는 고무 조성물에 있어서, 상기 보강 무기 충전제는 하나 이상의 실리카를 포함하고, 이러한 실리카는 침강형 나노기공 실리카의 표면에 나노 산화아연이 고정되어 있는 나노기공 실리카 복합체인 것을 특징으로 하는 고무 조성물.
A rubber composition comprising a raw rubber and at least one reinforcing inorganic filler, wherein the reinforcing inorganic filler comprises at least one silica, the silica being nanoporous silica having nano zinc oxide fixed on the surface of the precipitated nanoporous silica. Rubber composition, characterized in that the composite.
제4항에 있어서, 상기 보강 무기 충진제는 카본블랙, 알루미나, 알루미노실리케이트, 탄산칼슘, 규조토, 벤토나이트, 몬모릴로나이트(montmorillonite), 논트로나이트(nontronite), 베이델나이트(beidellite), 볼콘스코이트 (volkonskoite), 헥토라이트(hectorite), 사포나이트(saponite), 사우코나이트 (sauconite), 버미쿨라이트(vermiculite), 할로이사이트(halloisite), 세리사이트(sericite)로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 추가로 포함하는 것임을 특징으로 하는 고무 조성물. The reinforcing inorganic filler according to claim 4, wherein the reinforcing inorganic filler is carbon black, alumina, aluminosilicate, calcium carbonate, diatomaceous earth, bentonite, montmorillonite, nontronite, nondelite, beidelite, volconscote ( at least one member selected from the group consisting of volkonskoite, hectorite, saponite, sauconite, vermiculite, halloisite and sericite Rubber composition, characterized in that it further comprises. 제4항에 있어서, 상기 나노 산화아연 고정된 나노기공 실리카 복합체는 20 phr 내지 120 phr의 양으로 포함되는 고무 조성물.
The rubber composition of claim 4, wherein the nano zinc oxide fixed nanoporous silica composite is included in an amount of 20 phr to 120 phr.
제4항에 있어서, 상기 나노 산화아연은 비표면적이 20~100 m2/g이고, 일차입자의 크기가 5~150 nm인 것을 특징으로 하는 고무 조성물.
The rubber composition according to claim 4, wherein the nano zinc oxide has a specific surface area of 20 to 100 m 2 / g and a primary particle of 5 to 150 nm.
제4항에 있어서, 상기 침강형 나노기공 실리카는 입도 크기는 10~150 ㎛이고, BET 표면적은 50~700 m2/g이며, 세공 크기는 0.5~40 nm이고, 세공 용적은 0.5~2.4 ㎤/g인 것 특징으로 하는 고무 조성물.
The method of claim 4, wherein the precipitated nanoporous silica has a particle size of 10 ~ 150 ㎛, BET surface area of 50 ~ 700 m 2 / g, pore size of 0.5 ~ 40 nm, pore volume of 0.5 ~ 2.4 cm 3 / g, characterized in that the rubber composition.
제4항에 있어서, 상기 나노기공 실리카의 표면에 존재하는 실라놀기가 nm2 당 2~8개인 것을 특징으로 하는 고무 조성물.
The rubber composition according to claim 4, wherein the silanol groups present on the surface of the nanoporous silica are 2 to 8 per nm 2 .
제 4항 내지 제9항 중 어느 하나의 항의 고무 조성물을 포함하는 타이어.10. A tire comprising the rubber composition of any one of claims 4-9.
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