KR20150079164A - 타이어 트레드용 고무 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충진제로서 그래핀 및 실란 커플링제로 처리된 실리카를 함유하여 연비 특성의 저하 없이 제동성능이 향상되며, 카본 블랙 대신 그래핀을 적용함에 따라 그래핀 고유의 고급스러운 색감을 구현할 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.

Description

타이어 트레드용 고무 조성물{Rubber Composition For Tire Tread}

본 발명은 타이어 트레드용 고무에 관한 것으로, 보다 상세하게는 타이어 트레드용 고무 조성을 변경하여 타이어의 제동 성능을 향상시키는 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.

타이어 트레드는 자동차와 노면 사이의 접지부를 형성하는 부분으로, 자동차의 제동 성능이나 연비와도 직접적인 관계가 있기에 관련 연구가 진행되고 있다. 타이어의 제동 성능을 향상시키기 위한 방법으로는 구조적인 측면에서 타이어의 접지 면적을 줄이거나 성분적인 측면에서 입자의 크기가 큰 카본 블랙 등을 이용하는 방법이 공지되어 있다.

특히, 최근 연비에 대한 수요자의 관심이 커지면서, 실리카 필러를 적용한 그린 타이어 기술 등이 도입됨에 따라, 오히려 타이어의 제동 성능이 약화되고 마모 성능이 떨어지는 등의 타이어의 기본적인 성능 측면에서 문제가 발생되고 있다.

이러한 제동 성능은 타이어가 지면과 접촉하는 트레드 부와 밀접한 관련이 있으며, 트레드 부에 적용되는 고무 조성물에 따라 타이어의 성능이 민감하게 바뀌기에 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용한 타이어 제조방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 현재 고무, 실란 커플링제, 카본블랙 등을 이용한 다양한 타이어 트레드용 고무 조성물이 개시되어 있다.

본 발명의 목적은, 실란 처리된 실리카와 그래핀을 첨가하여 연비 특성의 저하 없이 제동성능이 향상되며, 카본 블랙 대신 그래핀을 적용함에 따라 그래핀 고유의 고급스러운 색감을 구현할 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 타이어 트레드용 고무 조성물은 충진제로서 그래핀 및 실란 커플링제로 처리된 실리카를 함유하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 그래핀은 1~10 중량부 및 상기 실란 커플링제로 처리된 실리카는 50~70 중량부로 함유될 수 있으며, 상기 그래핀은 비표면적(BET)이 150~850m²/g인 것이 사용될 수 있다.

상기 실란 커플링제로 처리된 실리카는 실리카 100 중량부 대비 실란 커플링제 10~15 중량부가 포함될 수 있으며, 상기 실란 커플링제는 비스(트리에톡시실릴프로필)테트라설파이드인 것이 사용가능하다.

한편, 위와 같은 조성물은 스티렌-부타디엔 고무 및 부타디엔 고무 100~150 중량부, 가교제 1~2 중량부, 가교촉진제 3~5 중량부를 더 포함할 수 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 효과는, 일반 실리카 대신 실란 처리된 실리카를 적용하고 카본블랙 대신 그래핀을 적용함에 따라 두 재료의 시너지 효과로 인해 연비 특성의 저하 없이 제동 성능이 향상될 수 있다.

또한, 실란 처리된 실리카를 적용함에 따라 공정이 단순화되고, 카본 블랙대신 그래핀을 적용함에 따라 그래핀 고유의 고급스러운 색감이 구현되어 상품성이 증대될 수 있다.

이하, 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 살펴본다.

일 관점에서, 본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.

타이어 트레드용 고무 조성물은 일반적으로 고무, 충진제, 가류제, 가류촉진제 및 가공조제 등으로 이루어져 있으며, 이러한 조성과 제조 방법에 따라 다양한 성능을 발현한다. 최근에는 트레드용 고무 조성물로서 대부분 실리카 충진제가 적용되고 있으며, 타이어의 검은색 발현을 위해 카본블랙 필러가 적용되는 추세이다.

그러나, 본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 충진제로서 그래핀 및 실란 커플링제로 처리된 실리카를 함유하는 것을 특징으로 하며, 조성 측면에서 상기 그래핀은 1~10 중량부, 바람직하게 3~7 중량부 및 상기 실란 커플링제로 처리된 실리카는 50~70 중량부로 함유된 것이 바람직하다.

그래핀은(graphene)은 sp2 탄소원자들이 6각형의 벌집(honeycomb) 격자를 이룬 형태의 2차원 나노시트(2D nanosheet) 단일층의 탄소 구조체를 의미하며, 2004년에 영국 Geim 연구진의 기계적 박리법으로 흑연에서 그래핀을 분리한 이후 그래핀에 관한 보고들이 지속되고 있다. 그래핀은 체적 대비 매우 큰 비표면적(이론치 2600m2/g)과 우수한 전자전도 특성(양자역학적 관점에서의 전형치 8 x 105S/cm) 및 물리적, 화학적 안정성으로 인해 획기적인 신소재로 각광받고 있는 물질이다.

본 발명에서 적용되는 상기 그래핀은 비표면적(BET)이 150~850m²/g인 것이 바람직한데, 물성 보강 측면에서 BET값이 작은 것을 사용하는 것이 더 바람직하다.

실리카 충진제는 카본블랙과 달리 소수성인 고무와 잘 섞이지 않는 친수성 재질이므로, 실리카를 적용하는 경우 실리카와 폴리머의 결합을 위한 커플링제로 실란(Silane)이 필요하다. 본 발명의 경우 실란을 별도로 첨가하는 것이 아니라 실란 커플링제로 처리된 실리카를 충진제로서 함유한다.

이 때, 상기 실란 커플링제로 처리된 실리카는 실리카 100 중량부 대비 실란 커플링제 10~15 중량부가 포함된 것이 바람직하며, 상기 실란 커플링제는 유기관능기로서 설파이드기를 가지고, 가수분해기로 에톡시기를 가진 것을 사용할 수 있있는데,비스(트리에톡시실릴프로필)테트라설파이드(bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide, Si69) 등을 사용하는 것이 가능하다.

위와 같은 충진제를 사용하는 고무 조성물은 스티렌-부타디엔 고무 및 부타디엔 고무 100~150 중량부, 가교제 1~2 중량부, 가교촉진제 3~5 중량부를 더 포함할 수 있다.

이러한 개별적 성분들은 통상적으로 타이어 드레드 고무 조성물로 사용하는 것이며, 스티렌-부타디엔 고무는 50 이상의 무늬점도(MI 1+4 100 ℃)를 가지고 있어야 그래핀의 믹싱에 유리하며, 부타디엔 고무는 네오듐 촉매를 사용하여 만들어진 타입을 적용하는 것이 구름저항 측면에서 유리하다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 실란 처리된 실리카와 그래핀의 믹싱을 통한 시너지 효과로 인해 제동 성능이 우수하며, 카본블랙이 아닌 그래핀이 적용되기 때문에 기존의 검은색이 아닌 회색 및 흑연 색상의 컴파운드가 생성되어 상품성이 증대될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

[표 1]

표 1에 나타난 바와 같이, 비교예 1은 일반 실리카에 카본블랙을 첨가하였고, 비교예 2는 일반 실리카에 그래핀을 첨가한 것이다. 비교예 3은 실란 커플링제로 처리된 실리카를 단독으로 적용하였고, 비교예 4는 실란 커플링제로 처리된 실리카 및 카본블랙을 적용하였다.

실시예 1 내지 6은 모두 실란 커플링제로 처리된 실리카와 그래핀을 적용한 것인데, 실시예 1 내지 3은 비표면적이 대략 165.8 m²/g인 그래핀을 적용하였고, 실시예 4 내지 6은 비표면적이 대략 810.5 165.8 m²/g인 그래핀을 적용하였다.

비교예 1 및 2의 경우 일반 실리카를 적용하였기 때문에 실란을 별도로 각각 5 중량부 투입하였으며, 그에 따라 믹싱 공정이 달라지는데 하기 표 2에 나타내었다. 비교예 3 및 4와 실시예 1 내지 6은 실란 커플링제로 처리된 실리카를 사용하였고 이 공정은 하기 표 3에 나타내었다.

충진제로 실란 처리되지 않은 실리카를 사용하는 경우 믹싱시 실란 반응 활성화를 위한 일정 온도 이상 조건에서 믹싱하는 단계가 필요하며 믹싱 후 알코올 등의 생성물로 인해 최소 8시간 방치 후 황과 촉진제를 투입하기 때문에 믹싱 공정이 길어지는 단점이 있다.

반면, 실란 커플링제로 처리된 실리카를 사용하는 경우 온도 조절 단계 없이 지속적으로 믹싱할 수 있으며, 대신 황 및 촉진제 등을 투입하는 믹싱롤 작업시 실리카와 그래핀의 완벽한 믹싱을 위해 추가로 3분 정도 믹싱을 실시하였다.

[표 2]

[표 3]

[표 4]

상기 표 4는 전술한 공정에 의해 제조된 트레드의 물성을 비교한 표인데, 점탄성 평가에서 유리전이온도(Tg)를 손실계수(tan delta) 최대값으로 나타내었다.

점탄성 평가는 ARES 장비를 이용하여 비틀림 모드로 동변형 0.5% 조건으로 가진하여 평가하였다. 경도 측정은 KS M 6784에 준하여 수행하였다. 인장강도 측정은 KS M 6782에 따라 아령형 3호로 수행하였다.

0℃에서의 손실계수(Tanδ@0℃)가 높을수록 제동이 유리하며, 60℃에서의 손실계수(Tanδ@60℃)가 낮을수록 연비가 유리한 것으로 알려져 있는데, 결과에서 확인할 수 있듯이, 실시예의 경우 비교예와 비교하여 0℃에서의 손실계수가 상승한 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명의 의한 트레드가 연비 특성의 저하 없이 제동성이 향상된 것을 의미한다.

또한, 실란 커플링제로 처리된 실리카와 그래핀 두 재료의 시너지 효과로 인해 제동특성이나 강도 및 인장강도 등의 전체적인 물성이 크게 증가된 것을 확인할 수 있었으며, 종래에 사용되던 카본블랙이 적용되지 않고, 그래핀이 적용되기 때문에 흑연 색상의 고급스러운 색감이 구현된 트레드를 제조할 수 있었다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (6)

1. 충진제로서 그래핀 및 실란 커플링제로 처리된 실리카를 함유하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 그래핀은 1~10 중량부 및 상기 실란 커플링제로 처리된 실리카는 50~70 중량부로 함유된 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 그래핀은 비표면적(BET)이 150~850m²/g인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 실란 커플링제로 처리된 실리카는 실리카 100 중량부 대비 실란 커플링제 10~15 중량부가 포함된 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 실란 커플링제는 비스(트리에톡시실릴프로필)테트라설파이드인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
   
6. 제2항에 있어서,
   상기 조성물은 스티렌-부타디엔 고무 및 부타디엔 고무 100~150 중량부, 가교제 1~2 중량부, 가교촉진제 3~5 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.