KR20160120240A - 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조된 타이어 - Google Patents

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조된 타이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로서, 특히, 원료 고무와, 상기 원료 고무 100중량부에 대하여 5 내지 15중량부를 포함하는 액상 스티렌-부타디엔 폴리머를 포함하며, 상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머의 수평균 분자량은 8,000g/mol 이상 15,000g/mol 이하인 것을 특징으로 하며, 상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 스티렌의 함량이 35% 이상 55% 이하인 하이 스티렌 고무 조성물이며, 상기 하이 스티렌 고무 조성물에 의해 유리 전이 온도를 조절 가능한 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 이러한 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조된 타이어에 관한 것이다.

Description

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조된 타이어{Composition for tire of tread and tire using the same of}
본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공정 가공유의 사용량을 줄이면서 타이어 트레드용 고무의 그립 성능, 내구성, 피로 특성 및 마모 성능을 향상시킬 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조된 타이어에 관한 것이다.
일반적으로 타이어의 트레드용 고무는 우수한 그립(Grip) 성능, 경도 및 강도와 같은 내구성, 피로 특성, 마모 성능이 요구된다.
이러한 이유로, 타이어 트레드용 고무의 그립 성능, 내구성, 피로 특성 및 마모 성능을 높이기 위한 방법이 요구되었다.
타이어 트레드용 고무의 그립 성능, 내구성, 피로 특성 및 마모 성능을 높이기 위한 방법으로는 타이어 트레드용 고무 조성물에 충전제(充塡劑)(Filler)를 포함시키는 방법이 있다.
구체적으로, 한국공개특허공보 제10-2011-0072253호에 개시된 바와 같은 타이어 트레드용 고무 조성물에 원료고무와 원료 고무 100 중량부에 대하여 5~40 중량부의 고반응성 폴리부텐(HRPB)을 포함시키는 방법이 있다. 그리고 한국등록특허공보 제10-0894452호에 개시된 바와 같은 타이어 트레드용 고무 조성물에 원료 고무와 연화점이 90 내지 100℃이고 원료 고무 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부의 제1점착제 및 연화점이 135 내지 150℃이고 원료 고무 100 중량부에 대하여1 내지 10 중량부의 제2점착제를 포함시키는 방법이 있다. 그리고 한국공개특허공보 제10-2013-0076398호에 개시된 바와 같은 타이어 트레드용 고무 조성물에 원료 고무 100 중량부에 대하여 부타디엔이 포함하는 비닐기 함량이 60 내지 80 중량%이고 유리전이온도가 -40℃ 내지 -20℃인 5 내지 20 중량부의 액상 스티렌-부타디엔 폴리머를 포함시키는 방법이 있다.
그런데 한국공개특허공보 제10-2011-0072253호와 한국등록특허공보 제10-0894452호에 개시된 방법은 타이어 트레드용 고무의 그립 성능을 향상시킬 수 있으나 타이어 트레드용 고무의 마모 성능을 향상시키는 데에 한계가 있는 문제점이 있다. 그리고 한국공개특허공보 제10-2013-0076398호에 개시된 방법은 타이어 트레드용 고무의 그립 성능을 향상시킬 수 있으나 타이어 트레드용 고무의 경도와 강도를 향상시키는 데에 한계가 있는 문제점이 있다.
그리고 상기 공보에 개시되는 바와 같은 타이어 제조용 고무 조성물에 충전제를 포함시키는 방법은 조성물의 강성 균형을 조절하고 공정성 유지를 위해 공정 가공유도 포함시켜야 한다. 그런데, 공정 가공유는 원료 고무보다 작은 분자량을 가져 온도 및 노화 조건에서 특성변화가 크게 일어남으로써 고속 및 고 가혹 조건에서 운용되는 타이어의 내구성에 나쁜 영향을 줄 수 있는 문제점이 있다.
또한, 타이어 트레드용 고무의 그립 성능, 내구성, 피로 특성 및 마모 성능을 높이기 위한 방법으로는 타이어 트레드용 고무 조성물에 스티렌과 비닐을 포함시켜 히스테리시스(Hysteresis)를 높이는 방법이 있다. 이러한 히스테리시스(Hysteresis)를 높이는 방법은 타이어 트레드용 고무의 발열을 높여 마찰력을 향상시킬 수 있으나, 지속적인 발열로 인하여 타이어 트레드용 고무의 피로 특성 및 마모 성능을 현저히 저하시키는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2011-0072253호(발명의 명칭: 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 사용하여 제조되는 공기입 타이어, 공개일: 2011년6월29일) 한국등록특허공보 제10-0894452호(발명의 명칭: 타이어 트레드용 고무 조성물, 등록일: 2009년4월15일) 한국공개특허공보 제10-2013-0076398호(발명의 명칭: 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어, 공개일: 2013년 7월8일)
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 타이어 트레드부의 그립 성능을 향상시키고, 고온과 노화 조건에서의 고무 강도 및 피로 특성을 향상시킬 수 있으며, 이러한 향상된 고무 특성을 지속적으로 유지되도록 하는 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조된 타이어를 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은, 원료 고무와, 상기 원료 고무 100중량부에 대하여 5 내지 15중량부를 포함하는 액상 스티렌-부타디엔 폴리머를 포함하며, 상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머의 수평균 분자량은 8,000g/mol 이상 15,000g/mol 이하인 것을 특징으로 하며, 상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 스티렌의 함량이 35% 이상 55% 이하인 하이 스티렌 고무 조성물이며, 상기 하이 스티렌 고무 조성물에 의해 유리 전이 온도를 조절 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 부타디엔을 포함한 비닐기 함량이 35중량% 이상 50중량% 이하이고, 상기 유리전이온도는 -20도에서 0도 범위인 것을 특징으로 한다.
상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 가공유로 대체할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 원료 고무 100중량부 대비 40중량부 이상 100중량부 이하의 실리카를 첨가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 타이어는 이러한 타이어 조성물을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조된 타이어에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
원료 고무와, 상기 원료 고무 100중량부에 대하여 5 내지 15중량부를 포함하는 액상 스티렌-부타디엔 폴리머를 포함하며, 상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머의 수평균 분자량은 8,000g/mol 이상 15,000g/mol 이하인 것을 특징으로 하며, 상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 스티렌의 함량이 35% 이상 55% 이하인 하이 스티렌 고무 조성물이며, 상기 하이 스티렌 고무 조성물에 의해 유리 전이 온도를 조절 가능한 것을 특징으로 하여, 높은 함량의 스티렌(하이 스티렌)에 의해 액상 폴리머를 사용함에도 불구하고 경도와 강도를 유지할 수 있으며, 노화 후 인장강도의 변화 또한 유지할 수 있다. 또한, 노화 후 내피로 및 내크랙성 또한 유지되어 타이어 성능을 지속할 수 있다.
상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 부타디엔을 포함한 비닐기 함량이 35중량% 이상 50중량% 이하이고, 상기 유리전이온도는 -20도에서 0도 범위인 것을 특징으로 하여, 타이어의 주행 횟수가 늘어나서 타이어가 뜨거워져도 그립력을 유지할 수 있다.
상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 가공유로 대체할 수 있는 것을 특징으로 하여, 가공성의 보존은 물론 고무 조성물의 경도 저하 없이 그립 성능과 피로 특성을 향상시킬 수 있으며, 그 특성을 고온 및 노화 시에도 지속적으로 유지할 수 있다.
상기 원료 고무 100중량부 대비 40중량부 이상 100중량부 이하의 실리카를 첨가하는 것을 특징으로 하여, 타이어를 보강할 수 있으며, 발열 특성을 유지하여 마모 성능을 유지시킬 수 있다.
본 발명의 타이어는 이러한 타이어 조성물을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하여, 고무 조성물의 경도 및 가공성 및 마모 성능의 저해요소 없이 향상된 그립성능과 피로 특성을 장기간 유지할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
참고로, 이하에서 설명될 본 발명의 구성들 중 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 전술한 종래기술을 참조하기로 하고 별도의 상세한 설명은 생략한다.
< 제조 예 1 >
본 발명의 제조 예 1의 타이어 트레드용 고무 조성물은, 원료 고무와, 상기 원료 고무 100중량부에 대하여 5 내지 15중량부를 포함하는 액상 스티렌-부타디엔 폴리머를 포함하며, 상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머의 수평균 분자량은 8,000g/mol 이상 15,000g/mol 이하인 것을 특징으로 하며, 상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 스티렌의 함량이 35% 이상 55% 이하인 하이 스티렌 고무 조성물이며, 상기 하이 스티렌 고무 조성물에 의해 유리 전이 온도를 조절 가능한 것을 특징으로 한다.
원료 고무는 천연고무 또는 합성고무 또는 천연고무와 합성고무의 조합 중 하나를 선택할 수 있다.
상기 천연고무는 일반적인 천연고무 또는 변성 천연고무일 수도 있다.
상기 합성고무는 유화 또는 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 변성 스티렌-부타디엔 고무, 부타디엔 고무(BR), 변성 부타디엔 고무, 또는 이들의 조합 중 하나를 선택할 수 있다.
상기 원료 고무는 스티렌 함량이 15중량% 내지 45중량%의 스티렌-부타디엔 고무를 사용할 수 있다.
이러한 스티렌-부타디엔 고무는 공정유의 대체 중량부로 적용할 경우 액상 스티렌-부타디엔 폴리머와의 혼화성이 우수하며, 공정 가공성의 저해 요인 없이 그립 성능을 개선할 수 있다는 이점이 있다.
상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 상기 원료 고무에 사용되는 일반적인 스티렌-부타디엔 고무와는 성상이 다른 것이며, 고체 상태의 고무가 아닌 고점도의 액상 형태이다.
상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 고무 내 배합제로 첨가되어 원료 고무와의 높은 상용성 및 혼화성을 가지며, 타이어의 그립력과 관련된 점탄성 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 인장 강도, 특히 100℃의 고온 및 노화 조건에서 기계적 강도 및 피로 특성을 크게 향상시키고 마모 성능의 저하 없이 장시간 동안 고무의 성능을 유지시키는 역할을 한다.
이러한 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 스티렌의 함량이 35중량% 내지 55중량%인 하이 스티렌이며, 부타디엔은 35중량% 내지 55중량% 함량의 비닐기를 포함하며, 유리전이온도는 -20도 내지 0도인 것이 바람직하다.
만약 액상 스티렌-부타디엔 폴리머가 35중량% 미만인 경우에는, 공정유 대체 적용 시 그립 특성 향상이 미미하고 인장물성의 감소를 발생한다는 문제점이 발생하며, 55중량% 초과인 경우 발열량의 증가가 커지게 되어 타이어의 마모 성능을 하락시킨다는 문제점이 발생한다.
이러한 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 원료 고무 100중량부에 대하여 5 내지 15중량부를 포함한다.
만약 액상 스티렌-부타디엔 폴리머가 5 중량부 미만이거나 15 중량부 초과인 경우, 타이어의 노화조건에서 기게적 강도 및 피로 특성의 향상이 미미하여 재료 사용 목적에 불합치하게 되어 재료비만 증가시킨다는 문제점이 발생한다.
이러한 액상 스티렌-부타디엔 폴리머의 수평균 분자량은 8,000g/mol 내지 15,000g/mol인 것을 포함한다.
만약 액상 스티렌-부타디엔 폴리머의 수평균 분자량이 15,000g/mol를 초과하는 경우, 원료 고무와의 혼화성이 저하되고 가공성이 나빠진다는 문제점이 발생하며, 수평균 분자량이 8,000g/mol 미만인 경우, 고무 조성물의 발열성이 높아져 피로 특성이 저하된다는 문제점이 발생한다.
이러한 원료 고무와 액상 스티렌-부타디엔 폴리머를 포함하는 고무 조성물에는 보강제를 첨가할 수 있다.
이러한 보강제는 실리카인 것이 바람직하다.
상기 실리카는 비표면적(BET) 기준 115㎡/g 이상 225㎡/g 이하인 재료를 사용할 수 있으며, 상기 원료 고무 100 중량부에 대하여 50중량부 이상 120중량부 이하로 사용하는 것이 바람직하다.
만약 실리카를 50중량부 미만으로 적용할 경우 충분한 보강효과를 기대할 수 없으며, 특히 고비표면적 165㎡/g 이상 230㎡/g 이하인 재료를 원료 고무 대비 120 중량부를 초과하여 사용하면 과량 사용에 따른 분산 가공이 어렵고 agglomeration 발생이 용이하여 혼합물의 흐름 저항(Mooney 점도)이 크게 상승하고, 물성 저하가 발생하며, 발열 특성이 저하되어 마모 성능을 하락시키는 문제점이 발생하기 때문에, 원료 고무 100 중량부 대비 120중량부 이하로 사용하는 것이 적당하다.
이러한 고무 조성물에는 연화제를 더 첨가할 수 있다.
상기 연화제는 고무 가공 간 혼합 용이성 및 고무 경도를 조절하는 것으로, 가공오일(프로세스 오일, Process Oil) 또는 기타 고무 조성물에 포함되는 오일류를 의마한다.
상기 연화제의 종류로는 석유계 오일, 식물유지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나를 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 상기 연화제로서 사용하는 오일(공정유)은 상기 오일 전체에 대하여 PAHs 성분의 총 함량이 3 중량% 이하이고, 동점도 60m㎡/s (100℃) 연화제 내의 방향족 성분이 25중량% 이상 35중량% 이하이고, 나프텐계 성분이 20중량% 이상 30중량% 이며, 파라핀계 성분이 40중량% 이상 60중량%인 RAE 오일을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 RAE 오일을 포함한 타이어 트레드는 마모 특성 및 연비 성능을 우수하게 하면서도 PAHs의 암 유발 가능성 등의 환경적 요인에 대해서도 유리한 특성을 갖는다.
이러한 고무 조성물에는 선택적으로 가류제, 가류촉진제, 가류촉진조제, 충진제, 커플링제, 노화방지제, 연화제 등의 각종의 첨가제를 더 포함할 수도 있다.
이러한 각종의 첨가제는 타이어 트레드용 고무 조성물에 통상적으로 사용되는 것으로, 타이어 트레드 고무 조성물에 사용되는 일반적인 성분인 것으로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들와 비교 예들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
표 1은 본 발명에 따른 실시 예와 비교 예의 타이어 트레드용 고무 조성물의 조성을 나타낸 것이다.
비교예1 비교예2 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5
S-SBR 1) 70 70 70 70 70 70 70
BR 2) 30 30 30 30 30 30 30
산화아연 3 3 3 3 3 3 3
스테아린산 1 1 1 1 1 1 1
실리카 3) 90 90 90 90 90 90 90
실리카 커플링 에이전트 4) 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2
가공 오일 5) 20 13 13 13 7 7 　
제1노화 방지제 6) 2 2 2 2 2 2 2
제2노화 방지제 7) 1 1 1 1 1 1 1
실리카 분산제 8) 2 2 2 2 2 2 2
액상 스티렌-부타디엔 9) - 2 - 5 10 15 20
액상 부타디엔 폴리머 10) - - 5 - - - -
가황제 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
제1가류 촉진제 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
제2가류 촉진제 2 2 2 2 2 2 2
*1) S-SBR: 스티렌 함량이 21중량%인 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무
*2) BR: Cis 함량이 96%중량이고, 부타디엔 함량이 1.6%중량인 부타디엔 고무
*3) 실리카: BET 비표면적이 175㎡/g 이고, 수분함량이 5.2%인 실리카 (7,000GR)
*4) 실란 커플링 에이전트: SI69
*5) 가공오일: PAHs(PolyCyclic Aromatic Hydocarbon) 성분의 총 함량이 3중량% 이하이고, 아로마틱계 성분이 28중량%, 나프텐계 성분이 26중량%, 파라핀계 성분이 46중량%인 오일
*6) 제1노화 방지제: 6PPD
*7) 제2노화 방지제: TMQ
*8) 실리카 분산제: 아연 비누를 주 원료로 하는 지방산 유도체의 혼합물 EF44
*9) 액상 스티렌-부타디엔 폴리머 1: 액상 스티렌 및 부타디엔의 중량비가 70:30이고, 수평균 분자량이 10,000g/mol이고, 부타디엔이 포함하는 비닐기 함량이 50중량%이고, 유리전이온도가 -6℃이고, 점도가 100Pa.s (60℃)인 액상 스티렌-부타디엔 폴리머(Kurayray LSBR841)
*10) 액상 부타디엔 폴리머 1: 부타디엔이 포함하는 비닐기의 함량이 2% 이하이며, 수평균 분자량이 8,000g/mol이고, 유리전이온도가 -95℃이고, 점도가 1.5Pa.s (38℃)인 액상 부타디엔 폴리머(Kuraray LBR307)
*11) 가황제: 통상의 고무 가류제에 해당하는 유황
*12) 가류촉진제 1: CBS
*13) 가류촉진제 2: DPG
이하, 표 1과 같은 본 발명에 따른 실시 예와 비교 예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조된 고무 시편에 대한 실험결과를 설명하기로 한다.
표 2는 표 1과 같은 본 발명에 따른 실시 예와 비교 예의 타이어 트레드용 고무 조성물의 조성을 이용하여 제조된 고무 시편에 무니(Mooney) 점도, 인장물성(Tensile), GABO, 마모(Abrasion) 등의 물성을 ASTM 관련규정에 의해 측정하고 그 결과를 나타낸 것이다.
비교예1 비교예2 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5
가공성 점도 99 99 96 100 101 102 103
인장 물성 경도 77 77 76 77 77 77 77
50% Modulus (kg.f) 17 17 16 17 17 17 16
인장 강도 (kg.f) 197 195 199 204 207 210 199
고온 50% Modulus (kg.f) 17 17 16 17 17 17 16
고온 인장 강도 (kg.f) 108 107 95 109 114 115 107
노화 50% Modulus (kg.f) 23 23 23 23 23 23 23
노화 인장 강도 (kg.f) 189 190 170 215 204 210 215
피로 특성 크랙 발생 Cycle 8000 8,000 10,000 45,000 70,000 50,000 17,000
노화 크랙 발생 Cycle 1,000 1,000 6,000 3,000 3,000 3,000 7,000
점탄성 tanδ @ 0 ℃ 0.2504 0.2509 0.2337 0.2595 0.2726 0.2796 0.2890
tanδ @ 60℃ 0.1342 0.1341 0.1344 0.1395 0.1459 0.1559 0.1650
마모 Weight Loss % 0.25 0.25 0.20 0.22 0.22 0.21 0.22
*Modulus: 아령형 시편을 이용한 것이며, 인스트론사에서 제작한 인장시험시로 실시하였고, 50% 모듈러스는 시편을 50% 신장 시에 시편에 작용하는 스트레스임
*고온 모듈러스: 시험 방법은 상온 모듈러스와 동일하며 100도 조건에서 측정하는 부분 외 동일함
*노화 모듈러스: 시험 방법은 상온 모듈러스와 동일하며 100도 조건에서 24시간 강제 열화한 시편을 사용하여 노화된 물성을 측정하는 방법으로 사용함
*0℃ tanδ: 타이어의 제동 성능의 대용 수치로 이용되며, 지수가 높을수록 우수한 성능을 나타냄
*60℃ tanδ: 타이어 회전 저항값의 대용 수치로 사용되며, 지수가 낮을수록 회전저항이 우수한 것을 나타냄
*마모성능: 상온에서 미끄럼비 25%, 하중 1.5kg에서 회전시켜 마모된 고무의 손실량을 나타내는 람본 마모(Lambourn abrasion)을 의미하는 것으로, 수치가 낮을수록 마모성능이 우수함
*피로성능: UESHIMA, Demattia 굴곡시험기(Model: FT-1500 Series)를 이용하여 시편에 반복 굴신을 주고 시편에 크랙이 발생하는 시점의 굴신횟수를 카운팅하여 성능을 나타냄. 수치가 높을수록 피로성능이 우수함
표 2를 참조하면, 본 발명의 타이어 조성물은 액상 스티렌-부타디엔 폴리머를 사용한 실시 예 2 내지 4는, 액상 스티렌-부타디엔 폴리머를 사용하지 않는 비교 예 1에 비하여 점탄성과 내마모성이 향상되면서도 피로 특성이 크게 증가됨과 동시에 인장강도의 향상이 이루어져 장기간 그립력이 유지되며 제품의 안정성 또한 증대되는 것을 확인할 수 있다.
반면, 비교 예 2의 경우, 액상 스티렌-부타디엔 폴리머를 2중량부로 포함한 것으로, 그립지수의 향상이 미미하고 인장 강도 및 피로 특성 개선에도 크게 효과가 나타나지 않으며, 실시 예 1의 경우, 스티렌 및 부타디엔 함량이 본 발명에서 권고하는 수치에 도달하지 않아 그립이 오히려 저하되는 것을 확인할 수 있으며, 액상 스티렌-부타디엔 폴리머를 5 중량부 이상 적용한 실시 예 2부터 4까지는 혼합 조성물의 흐름 점도가 동등하거나 미세하게 증가하나 혼합물 내 실리카 적용량이 원료 고무 90중량부인 점을 감안할 때 미미한 수준임을 알 수 있다.
또한, 상기 실시 예에서 일반, 상온, 노화 조건에서의 경도 및 모듈러스의 저하는 나타나지 않았고, 인장강도 및 피로특성 및 그립 특성이 큰 폭으로 향상되는 것을 확인할 수 있다.
실시 예 5에서는 액상 스티렌 부타디엔 고무를 20중량부 적용하였을 때 그립 특성이 가장 크게 상승하지만 일반, 노화, 고온 조건에서의 인장 강도 및 피로특성이 실시 예 3 또는 4 대비 나쁘게 나타나 원료 고무 5 내지 15중량부의 액상 스티렌 부타디엔 고무 적용이 가장 유리한 것을 알 수 있다.
이러한 타이어 고무 조성물 및 타이어 고무 조성물로 제작한 타이어는, 경도 및 피로특성의 저하없이 그립 특성을 향상시킬 수 있으며, 고온 및 노화 조건에서의 인장 강도와 내피로성을 향상시켜 고출력, 고속 주행 특성 (handling), 장기간 사용에도 안정적인 퍼포먼스를 요구하는 고성능 차량용 타이어에 적합함을 알 수 있다.
< 제조 예 2 >
본 발명의 제조 예 2에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료 고무 및 원료 고무 100중량부에 대하여 5~15중량부의 액상 스티렌-부타디엔 폴리머(Polymer)를 포함한다. 여기서, 액상 스티렌-부타디엔 폴리머가 원료 고무 100 중량부에 대하여5 중량부 미만 또는 15중량부를 초과하는 경우에는 타이어 트레드용 고무의 노화조건에서의 강도 및 피로 특성은 미미하게 향상시키지만, 재료비가 증가시킬 수 있다.
원료 고무는 천연 고무와 합성 고무 중 적어도 하나일 수 있다. 이때, 천연 고무는 변성 천연 고무일 수 있다. 합성 고무는 유화 또는 액상 중합 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 변성 스티렌-부타디엔 고무, 부타디엔 고무(BR) 및 변성 부타디엔 고무 중 적어도 하나일 수 있다.
또한, 원료 고무는 15~45중량%의 스티렌을 함유하는 스티렌-부타디엔 고무일 수 있다. 이에 따라, 원료 고무는 액상 스티렌-부타디엔 폴리머와의 혼화성이 우수해져 가공성의 저하 없이 타이어 트레드용 고무의 그립 성능을 개선시킬 수 있게 된다.
액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 원료 고무로 사용되는 스티렌-부타디엔 고무와 성상이 다른 것이 사용될 수 있다. 즉, 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 고체 상태의 고무가 아닌 고점도 액상인 것을 사용할 수 있다.
이러한 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 배합제로서 원료 고무와의 높은 사용성과 호환성을 갖게 된다. 또한, 타이어 트레드용 고무의 그립력과 관련된 점탄성을 향상시킨다. 또한, 타이어 트레드용 고무의 마모 성능을 희생시키지 않으면서 타이어 트레드용 고무의 인장 강도, 특히 100℃의 고온 및 노화 조건에서의 인장 강도, 피로 특성을 크게 향상 시킨다.
액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 35 내지 55 중량%의 스티렌과 35 내지 55중량%의 비닐기를 포함하는 부타다엔을 포함하고, 유리전이온도가 -20℃~ 0℃인 것일 수 있다. 여기서, 액상 스티렌-부타디엔 폴리머가 35중량% 미만의 스티렌과 35중량% 미만의 비닐기 중 적어도 하나를 포함하는 부타디엔을 포함하거나 유리전이온도가 -20℃미만인 경우에는 타이어 트레드용 고무의 그립 성능이 미미하게 향상되지만, 타이어 트레드용 고무의 경도와 강도가 감소한다. 그리고 액상 스티렌-부타디엔 폴리머가 55중량% 초과의 스티렌과 55중량% 초과의 비닐기 중 적어도 하나를 포함하는 부타디엔을 포함하거나 유리전이온도가 0℃를 초과하는 경우에는 타이어 트레드용 고무의 마모 성능이 감소한다.
액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 원료 고무 100중량부에 대하여 5~15중량부인 경우 수평균 분자량이 6,000~15,000g/mol인 것일 수 있다. 여기서, 액상 스티렌-부타디엔 폴리머의 수평균 분자량이 6,000g/mol 미만인 경우에는 타이어 트레드용 고무의 피로 특성이 저하된다. 그리고 액상 스티렌-부타디엔 폴리머의 수평균 분자량이 15,000g/mol을 초과하는 경우에는 액상 스티렌-부타디엔 폴리머와 원료고무의 혼화성이 저하되어 타이어 트레드용 고무 조성물의 가공성이 저하된다.
본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 보강제로 사용되는 실리카를 더 포함할 수 있다.
실리카는 비표면적(BET)이 115 내지 225m/g인 것일 수 있다.
*실리카는 원료 고무 100중량부에 대하여 50이상 120중량부 미만일 수 있다. 여기서, 실리카가 원료 고무 100 중량부에 대하여 50중량부 미만인 경우에는 보강효과를 기대할 수 없다. 그리고 실리카가 원료 고무 100 중량부에 대하여 120 중량부를 초과하는 경우에는 분산 가공이 어렵고, 응집 현상이 용이하게 발생하여 혼합물의 흐름저항 (Mooney 점도)이 크게 상승하고, 타이어 트레드용 고무의 마모 성능이 나빠지는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 연화제를 더 포함할 수 있다.
연화제는 고무 가공 중 혼합 용이성 및 고무 경도를 조절하는 목적으로 첨가되는 것으로 가공 오일(Process oil) 또는 고무 조성물에 포함되는 오일류일 수 있다.
이러한 연화제로는 석유계 오일, 식물 유지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 연화제로서 사용되는 오일(공정 가공유)은 오일 전체에 대하여 PAHs(PolyCyclic Aromatic Hydocarbon) 성분의 총 함량이 3 중량% 이하이고, 동점도 60mm/s (100℃) 연화제 내의 방향족 성분이 25 내지 35 중량%, 나프텐계 성분이 20 내지 30 중량% 및 파라핀계 성분이 40 내지 60 중량%인 RAE 가공 오일을 바람직하게 사용할 수 있다. RAE 가공 오일을 포함한 타이어 트레드의 마모 특성, 연비 성능을 우수하게 하면서도 PAHs의 암유발 가능성 등의 환경적 요인에 대해서도 유리한 특성을 갖는다.
본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 가류제, 가류촉진제, 가류촉진조제, 충진제, 커플링제, 노화방지제 및 연화제와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다. 여기서, 첨가제로는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이나 사용될 수 있다. 첨가제에 대한 더욱 상세한 설명은 종래 타이어 트레드용 고무 조성물에 사용되는 일반적인 성분으로서 본 발명의 일실시예에 따른 필수 구성 성분이 아니므로 이하 자세한 내용은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들와 비교예들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
표 3은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 타이어 트레드용 고무 조성물의 조성을 나타낸 것이다.
비교예1 비교예2 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5
S-SBR 70 70 70 70 70 70 70
BR 30 30 30 30 30 30 30
산화아연 3 3 3 3 3 3 3
스테아린산 1 1 1 1 1 1 1
실리카 90 90 90 90 90 90 90
실리카 커플링 에이전트 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2
가공 오일 20 13 13 13 7 7 　
제1노화 방지제 2 2 2 2 2 2 2
제2노화 방지제 1 1 1 1 1 1 1
실리카 분산제 2 2 2 2 2 2 2
액상 스티렌-부타디엔 　 2 5 10 15 20
액상 부타디엔 폴리머 5
가황제 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
제1가류 촉진제 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
제2가류 촉진제 2 2 2 2 2 2 2
표 3에서 S-SBR는 스티렌 함량이 21 중량%인 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무이고, BR은 cis 함량이 96% 부타디엔 중량이 1.6%인 부타디엔 고무이고, 실리카는 BET 비표면적이 175m2/g 이고 수분함량이 5.2%인 실리카(7000GR)이고, 실리카 커플링 에이전트는 SI69이고, 가공오일은 PAHs 성분 총함량이 3중량% 이하이고 아로마틱계 성분은 28 중량%이고 나프텐계 성분은 26중량%이고 파라핀계 성분은 46 중량%인 오일이고, 제1노화 방지제는 6PPD이고, 제2노화 방지제는TMQ이고, 실리카 분산제는 아연 비누를 주 원료로 하는 지방산 유도체의 혼합물 EF44이고, 액상 스티렌-부타디엔 폴리머 1은 액상 스티렌 및 부타디엔 70:30 중량비로 포함되고 수평균분자량이 10,000g/mol이고 부타디엔이 포함하는 비닐기 함량이 50 중량%이고 유리전이온도가 -6℃이고 점도가 100 Pa.s(60℃)인 액상 스티렌-부타디엔 폴리머(Kuraray LSBR841)이고, 액상 부타디엔 폴리머는 부타디엔이 포함하는 비닐기의 함량이 2% 이하이며 수평균분자량이 8,000g/mol이고 유리전이온도가 -95℃이고 점도가 1.5 Pa.s (38℃)인 액상 부타디엔 폴리머(Kuraray LBR307)이고, 가황제는 통상의 고무 가류제에 해당하는 유황이고, 제1가류촉진제 는 CBS이고, 제2가류촉진제는 DPG이다.
이하, 표 3과 같은 본 발명에 따른 실시예와 비교예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조된 고무 시편에 대한 실험결과를 설명하기로 한다.
표 4는 표 3과 같은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 타이어 트레드용 고무 조성물의 조성을 이용하여 제조된 고무 시편에 무니(Mooney) 점도, 인장물성(Tensile), GABO, 마모(Abrasion) 등의 물성을 ASTM 관련규정에 의해 측정하고 그 결과를 나타낸 것이다.
비교예1 비교예2 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5
가공성 점도 99 99 96 100 101 102 103
인장 물성 경도 77 77 76 77 77 77 77
50% Modulus (kg.f) 17 17 16 17 17 17 16
인장 강도 (kg.f) 197 195 199 204 207 210 199
고온 50% Modulus (kg.f) 17 17 16 17 17 17 16
고온 인장 강도 (kg.f) 108 107 95 109 114 115 107
노화 50% Modulus (kg.f) 23 23 23 23 23 23 23
노화 인장 강도 (kg.f) 189 190 170 215 204 210 215
피로 특성 크랙 발생 Cycle 8000 8,000 10,000 45,000 70,000 50,000 17,000
노화 크랙 발생 Cycle 1,000 1,000 6,000 3,000 3,000 3,000 7,000
점탄성 tanδ @ 0 ℃ 0.2504 0.2509 0.2337 0.2595 0.2726 0.2796 0.2890
tanδ @ 60℃ 0.1342 0.1341 0.1344 0.1395 0.1459 0.1559 0.1650
마모 Weight Loss % 0.25 0.25 0.20 0.22 0.22 0.21 0.22
표 4에서 50% Modulus 는 아령 형 시편을 인스트론사에서 제작한 인장시험기로 50% 신장 시 아령 형 시편에 작용하는 스트레스이고, 고온 50% Modulus는 섭씨 100도 조건에서 아령 형 시편을 인스트론사에서 제작한 인장시험기로 50% 신장 시 아령형 시편에 작용하는 스트레스이고, tanδ @ 0 ℃는 타이어의 제동 성능의 대용 수치로 높을수록 우수한 성능을 나타내고, tanδ @ 60℃는 타이어 회전 저항 값의 대용 수치로 낮을 수록 우수한 성능을 나타내고, 마모는 상온에서 25%의 미끄럼 비와 1.5kg의 하중 조건에서 회전시켜 마모된 고무의 손실 량을 나타내는 람본 마모(Lambourn abrasion)를 의미하는 것으로 수치가 낮을수록 마모성능이 우수함을 나타내고, 피로 특성은 UESHIMA, Demattia 굴곡시험기 (Model: FT-1500 Series)를 이용하여 시편을 반복 굴신시킨 경우 시편에 크랙이 발생하는 시점의 굴신 횟수를 나타내는 것으로 수치가 높을수록 피로 특성이 우수함을 나타낸다.
표 4를 참조하면, 타이어 트레드 제조용 조성물에 액상 스티렌-부타디엔 폴리머를 첨가한 실시예 2 내지 4는 액상 스티렌-부타디엔 폴리머를 첨가하지 않은 비교예 1 에 비하여 점탄성과 내마모성이 향상되고, 피로 특성이 증가되고, 인장강도가 향상되어 그립력이 장시간 유지됨을 확인할 수 있다. 나아가서, 제품의 안정성이 증대됨을 확인할 수 있었다.
비교예 2는 그립지수의 향상이 미미하고, 인장 강도 및 피로 특성의 개선되지 않음을 확인할 수 있었다. 실시예1는 그립 성능이 오히려 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 액상 스티렌-부타디엔 폴리머를 5 중량부 이상 적용한 실시예 2 내지 4는 혼합 조성물의 흐름 점도가 동등 또는 미소하게 증가하나 혼합물 내 실리카 적용량이 원료 고무 90 중량부인 점을 감안할 때 미미한 수준으로 확인되었다. 또한 상기 실기예에서 일반, 상온, 노화 조건에서의 경도 및 Modulus의 저하는 나타나지 않고, 인장강도, 피로 특성과 그립 특성이 큰 폭으로 향상되는 것을 확인 할 수 있다. 실시예 5에서는 액상 스티렌-부타디엔 고무를 20 중량부 적용하였을 때 그립 특성이 가장 크게 상승하지만 일반, 노화, 고온 조건에서의 인장 강도 및 피로특성이 실시예3 혹은 4대비 나쁘게 나타나 원료 고무 5 ~ 15 중량부의 액상 스티렌-부타디엔 고무 적용이 가장 유리함을 알 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 타이어 고무 조성물의 경우, 경도 및 피로특성의 저하 없이 그립 특성을 향상 시키고, 고온, 노화 조건에서의 인장 강도, 피로 특성을 향상 시켜 고출력, 고속 주행 특성(handling), 장기간 사용에 안정적인 성능을 요구하는 고성능 차량용 타이어에 적합함을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

Claims (5)

  1. 원료 고무;
    상기 원료 고무 100중량부에 대하여 5 내지 15중량부를 포함하는 액상 스티렌-부타디엔 폴리머;를 포함하며,
    상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머의 수평균 분자량은 8,000g/mol 이상 15,000g/mol 이하인 것을 특징으로 하며,
    상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 스티렌의 함량이 35% 이상 55% 이하인 하이 스티렌 고무 조성물이며, 상기 하이 스티렌 고무 조성물에 의해 유리 전이 온도를 조절 가능한 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 부타디엔을 포함한 비닐기 함량이 35중량% 이상 50중량% 이하이고, 상기 유리전이온도는 -20도에서 0도 범위인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 액상 스티렌-부타디엔 폴리머는 가공유로 대체할 수 있는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 원료 고무 100중량부 대비 40중량부 이상 100중량부 이하의 실리카를 첨가하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나에 따른 타이어 조성물을 이용하여 제조된 타이어.
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