KR20190105816A

KR20190105816A - 고무 보강용 알루미노실리케이트 나노입자, 이의 제조 방법 및 상기 알루미노실리케이트 나노입자를 포함한 타이어용 고무 조성물

Info

Publication number: KR20190105816A
Application number: KR1020180026389A
Authority: KR
Inventors: 최권일; 성은규; 이하나; 김우석; 오명환
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2019-09-18
Also published as: KR102361619B1

Abstract

본 발명은 고무 보강용 알루미노실리케이트 나노입자, 이의 제조 방법 및 상기 알루미노실리케이트 나노입자를 포함한 타이어용 고무 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 나노입자는, 고무 조성물 내에서 우수한 분산성을 나타내면서도 고무 조성물의 가공성을 저해하지 않아, 향상된 고무 보강 효과를 갖는 고무 보강재로서 바람직하게 적용될 수 있다.

Description

고무 보강용 알루미노실리케이트 나노입자, 이의 제조 방법 및 상기 알루미노실리케이트 나노입자를 포함한 타이어용 고무 조성물{ALUMINOSILICATE NANOPARTICLES FOR RUBBER REINFORCEMENT, A METHOD FOR PREPARING THE ALUMINOSILICATE NANOPARTICLES, AND A RUBBER COMPOSITION FOR A TIRE INCLUDING THE ALUMINOSILICATE NANOPARTICLES}

본 발명은 고무 보강용 알루미노실리케이트 나노입자, 이의 제조 방법 및 상기 알루미노실리케이트 나노입자를 포함한 타이어용 고무 조성물에 관한 것이다.

지구 온난화와 환경 문제에 대한 우려가 확산되면서 에너지 효율을 높여 탄소 배출량을 감축시키는 환경 친화적 개념이 다방면에서 강조되고 있다. 이러한 환경 친화적 개념은 타이어 산업 분야에서 고효율의 친환경 타이어의 개발과 폐타이어의 재활용 방법 모색 등으로 가시화되고 있다.

친환경 타이어(혹은 그린 타이어)는 고무의 구름 저항(rolling resistance)을 낮추어 고효율과 고연비 특성을 부여하여, 결과적으로 탄소 배출량의 감축을 가능하게 하는 타이어를 말한다. 이러한 친환경 타이어를 제조하기 위하여 개질된 고무 재료 및 고무 보강용 백색 첨가제(예를 들어 침강 실리카(precipitated silica)) 등이 주로 사용되고 있다.

일반적으로 실리카 소재는 고무 조성물 내에서 분산성이 낮아, 내마모성이 손실되는 등의 문제가 있다. 이를 보완하기 위해 특정 조건의 고분산성 침강 실리카를 실란 커플링제(silane coupling agent)와 함께 활용하여 양호한 내마모성을 가지는 친환경 타이어용 소재를 만들 수 있음이 알려져 있다.

한편 고분산성 침강 실리카처럼 서로 상반되는 특성(구름 저항력과 내마모성 등의 기계적 강도)들을 양호하게 가질 수 있는 첨가제에 대한 관심 또한 높다. 고무 보강용 백색 첨가제로 알루미나, 점토, 카올린 등을 적용하는 경우에도 구름 저항을 낮추어 친환경 타이어용 소재로 활용될 수 있음이 알려져 있다. 그러나, 이러한 고무 보강용 백색 첨가제는 강한 응집체 형성 등으로 분산성이 감소하며, 이에 따른 기계적 강도 저하 등의 문제점이 나타날 수 있다.

Kay Saalwachter, Microstructure and molecular dynamics of elastomers as studied by advanced low-resolution nuclearmagneticresonance methods, RubberChemistryand Technology, Vol. 85, No. 3, pp. 350-386 (2012).

본 발명은 타이어에 대한 우수한 보강 효과와 가공성을 부여할 수 있는 고무 보강용 알루미노실리케이트 나노입자를 제공하기 위한 것이다.

그리고, 본 발명은 상기 알루미노실리케이트 나노입자의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 알루미노실리케이트 나노입자를 포함한 타이어용 고무 조성물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따르면,

하기 화학식 1의 조성 및 일차 입경 15 내지 25 nm인 입자가 전체 입자의 60 중량% 이상인 입도 분포를 가지며,

상기 입자에 대해 X-선 회절(XRD)에 의해 수득된 데이터 그래프에서, 2θ의 23° 내지 37° 범위에서의 최대 피크의 반가폭(full width at half maximum, FWHM)이 5° 내지 7° 이고, 23° 이상 26° 미만의 2θ 범위에서 최대 피크 강도(maximum peak intensity, I_max)를 가지는,

고무 보강용 알루미노실리케이트 나노입자가 제공된다:

[화학식 1]

[(M_aAl_xO_2x)·(Si_yO_2y)]·m(H₂O)

상기 화학식 1에서,

상기 M은 Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Fr, Ca, Zn, 및 Mg로 이루어진 군에서 선택된 원소 또는 이들의 이온이고,

a ≥ 0, x > 0, y > 0, 및 m ≥ 0 이고,

a/x < 1.2 이고,

3.0 < y/x < 20.0 이다.

또한, 본 발명에 따르면,

75 내지 85 ℃의 온도 하에서 알칼리성의 실리콘 소스와 산성의 알루미늄 소스의 중화 반응에 의해 알루미노실리케이트 염을 포함한 pH 6 내지 pH 10의 반응 용액을 얻는 단계,

상기 알루미노실리케이트 염을 세척하는 단계,

세척된 상기 알루미노케이트 염을 원심분리하여 침강된 고형분을 제거하고 그 여액을 얻는 단계, 및

상기 여액을 건조하여 알루미노실리케이트 나노입자를 얻는 단계

를 포함하는, 상기 알루미노실리케이트 나노입자의 제조 방법이 제공된다.

그리고, 본 발명에 따르면, 알루미노실리케이트 나노입자를 포함하는 타이어용 고무 조성물이 제공된다.

이하, 발명의 구현 예들에 따른 고무 보강용 알루미노실리케이트 나노입자, 이의 제조 방법 및 상기 알루미노실리케이트 나노입자를 포함한 타이어용 고무 조성물에 대하여 설명한다.

본 명세서 명시적인 언급이 없는 한, 전문용어는 단지 특정 구현예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다.

본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 '포함'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 또는 성분의 부가를 제외시키는 것은 아니다.

I. 고무 보강용 알루미노실리케이트 나노입자

발명의 일 구현 예에 따르면,

고무 보강용 알루미노실리케이트 나노입자가 제공된다

[화학식 1]

[(M_aAl_xO_2x)·(Si_yO_2y)]·m(H₂O)

상기 화학식 1에서,

a ≥ 0, x > 0, y > 0, 및 m ≥ 0 이고,

a/x < 1.2 이고,

3.0 < y/x < 20.0 이다.

본 발명자들의 계속적인 연구 결과, 상술한 특성을 충족하는 알루미노실리케이트 나노입자는, 고무 조성물 내에서 우수한 분산성을 나타내면서도 고무 조성물의 가공성을 저해하지 않아, 향상된 고무 보강 효과를 갖는 고무 보강재로서 바람직하게 적용될 수 있음이 확인되었다.

그리고, 상기 알루미노실리케이트 나노입자는 입자 내부의 미세기공의 형성이 억제됨에 따라, 상술한 물성들을 만족하지 못하는 보강재들에 비하여 고무 조성물 내에서 우수한 기계적 물성(예를 들어, 우수한 내구성, 내마모성, 압축 강도 등)을 나타낼 수 있다.

기존의 알루미노실리케이트는 분산성 향상을 위한 커플링제를 활용하여도 고무 조성물 내 분산시 입자간 응집이 강하게 일어나 분산이 용이하지 않았다. 그러나, 상술한 특성을 충족하는 알루미노실리케이트 나노입자는 실리카와 유사한 수준의 우수한 분산성을 확보할 수 있으면서도 보강 효과의 향상과 구름 저항의 저하를 가능하게 한다.

발명의 구현 예에 따르면, 상기 알루미노실리케이트 나노입자는 10 내지 50 nm의 평균 일차 입경을 가진다.

구체적으로, 상기 알루미노실리케이트 나노입자는 10 nm 이상, 혹은 15 nm 이상, 혹은 20 nm 이상이고; 50 nm 이하, 혹은 45 nm 이하, 혹은 40 nm 이하, 혹은 35 nm 이하의 평균 일차 입경을 가질 수 있다.

일반적으로 고무 보강재는 입경이 작을수록 우수한 보강 효과를 나타낼 수 있지만, 입경이 작을수록 고무 조성물 내에서 입자들간의 응집 현상이 쉽게 나타나 분산성이 떨어지게 된다. 이러한 응집 현상이 심해지면 고무 보강재와 고무 성분들 사이의 상 분리가 발생할 수 있고, 결과적으로 타이어의 가공성이 저하되며 목표로 하는 보강 효과도 얻기 어려워질 수 있다.

특히, 발명의 구현 예에 따르면, 상기 알루미노실리케이트 나노입자는, 일차 입경 15 내지 25 nm인 입자가 전체 입자의 60 중량% 이상인 입도 분포를 가진다.

구체적으로, 상기 알루미노실리케이트 나노입자는, 일차 입경 15 내지 25 nm인 입자가 전체 입자의 60 중량% 이상, 혹은 65 중량% 이상, 혹은 70 중량% 이상, 혹은 75 중량% 이상이고; 85 중량% 이하, 혹은 80 중량% 이하인 입도 분포를 가질 수 있다.

바람직하게는, 상기 알루미노실리케이트 나노입자는, 일차 입경 15 내지 25 nm인 입자가 전체 입자의 60 내지 85 중량%, 혹은 65 내지 85 중량%, 혹은 70 내지 80 중량%, 혹은 75 내지 80 중량%인 입도 분포를 가질 수 있다.

여기서, 상기 알루미노실리케이트 나노입자의 입도 분포는 본 발명이 속하는 기술분야에서 잘 알려진 나노입자 사이즈 분석기(예를 들어, CPS Disc Centrifuge^TM)를 이용하여 통상적인 조건 하에서 측정될 수 있다.

그리고, 상기 알루미노실리케이트 나노입자의 이차 입자(secondary particle), 즉 응집체는 입도 분석기(PSA)를 이용하여 증류수 하에서 측정된 1 내지 25 ㎛의 체적 평균 입경(D_mean), 1 내지 20 ㎛의 기하 표준 편차(geometric standard deviation), 및 1 내지 50 ㎛의 90% 누적 입경(D₉₀)을 나타내는 입자 크기 분포를 가질 수 있다.

구체적으로, 상기 알루미노실리케이트 나노입자의 이차 입자는 증류수 하에서 측정된 1 ㎛ 이상, 혹은 2.5 ㎛ 이상, 혹은 5 ㎛ 이상, 혹은 7.5 ㎛ 이상, 혹은 10.0 ㎛ 이상; 그리고 25.0 ㎛ 이하, 혹은 22.5 ㎛ 이하, 혹은 20.0 ㎛ 이하, 혹은 17.5 ㎛ 이하의 체적 평균 입경(D_mean)을 가질 수 있다.

그리고, 상기 알루미노 실리케이트 입자의 이차 입자는 증류수 하에서 측정된 1.0 ㎛ 이상, 혹은 2.5 ㎛ 이상, 혹은 5.0 ㎛ 이상, 혹은 7.5 ㎛ 이상; 그리고 20 ㎛ 이하, 혹은 15 ㎛ 이하, 혹은 10 ㎛ 이하의 기하 표준 편차(geometric standard deviation)를 가질 수 있다.

그리고, 상기 알루미노 실리케이트 입자의 이차 입자는 증류수 하에서 측정된 1 ㎛ 이상, 혹은 5 ㎛ 이상, 혹은 10 ㎛ 이상, 혹은 15 ㎛ 이상, 혹은 20 ㎛ 이상; 그리고 50 ㎛ 이하, 혹은 40 ㎛ 이하, 혹은 30 ㎛ 이하, 혹은 25 ㎛ 이하의 90% 누적 입경(D₉₀)을 가질 수 있다.

한편, 발명의 구현 예에 따른 알루미노실리케이트 나노입자는 비정질(amorphous)이다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질의 알루미노실리케이트 나노입자는, X-선 회절(XRD)에 의해 수득된 데이터 그래프에서 2θ의 23° 내지 37° 범위에서의 최대 피크의 반가폭(full width at half maximum, FWHM)이 5°내지 7°인 것을 충족하여, 고무 보강재로써 우수한 물성을 나타낼 수 있다.

바람직하게는, 상기 최대 피크의 반가폭(FWHM)은 5.0°이상, 혹은 5.5°이상, 혹은 6.0°이상이다. 또한, 바람직하게는, 상기 최대 피크의 반가폭(FWHM)은 7.0°이하 혹은 6.5°이하이다.

보다 바람직하게는, 상기 최대 피크의 반가폭(FWHM)은 5° 내지 7°, 혹은 5.5° 내지 7°, 혹은 5.5° 내지 6.5°, 혹은 6.0° 내지 6.5°일 수 있다.

상기 최대 피크의 반가폭(FWHM)은 상기 알루미노실리케이트 나노입자의 X-선 회절에서 얻은 2θ의 23° 내지 37° 범위에서의 최대 피크 세기의 1/2 위치에서의 피크 폭을 수치화한 것이다.

상기 최대 피크의 반가폭(FWHM)의 단위는 2θ의 단위인 도(°)로 나타낼 수 있으며, 결정성이 높은 화합물일수록 반가폭의 수치가 작을 수 있다.

동시에, 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질의 알루미노실리케이트 나노입자는 X-선 회절(XRD)에 의해 수득된 데이터 그래프에서 23° 이상 26° 미만의 2θ 범위에서 최대 피크 강도(maximum peak intensity, I_max)를 나타낼 수 있어, 고무 보강재로써 보다 향상된 물성을 나타낼 수 있다.

바람직하게는, 상기 최대 피크 강도(I_max)는 2θ의 23.0°이상, 혹은 23.5°이상, 혹은 24.0°이상, 혹은 24.5°이상이다. 또한, 바람직하게는, 상기 최대 피크 강도(Imax)는 2θ의 26.0°미만, 혹은 25.9°이하, 혹은 25.8°이하, 혹은 25.5 °이하이다.

보다 바람직하게는, 상기 최대 피크 강도(I_max)는 2θ의 23° 이상 26° 미만, 혹은 23.5° 내지 25.9°, 혹은 24.0° 내지 25.9°, 혹은 24.5° 내지 25.8°, 혹은 24.5° 내지 25.5°일 수 있다.

참고로, amorphous silica는 20° 내지 25°의 2θ 범위에서 I_max를 보이며, amorphous alumina는 30° 내지 40°의 2θ 범위에서 I_max를 보이는 것이 일반적이다.

한편, 상기 알루미노실리케이트 나노입자는 하기 화학식 1의 조성을 가진다:

[화학식 1]

[(M_aAl_xO_2x)·(Si_yO_2y)]·m(H₂O)

상기 화학식 1에서,

a ≥ 0, x > 0, y > 0, 및 m ≥ 0 이고,

a/x < 1.2 이고,

3.0 < y/x < 20.0 이다.

상기 알루미노실리케이트 나노입자는 금속 원소(M) 또는 이들의 이온으로 알칼리 금속 또는 이들의 이온을 포함하고, 특히 3.0 < y/x < 20.0 및 a/x < 1.2 인 조성을 충족한다.

구체적으로, 상기 화학식 1에서 y/x 는 3.0 초과, 혹은 3.1 이상, 혹은 3.2 이상, 혹은 3.3 이상, 혹은 3.5 이상, 혹은 3.6 이상이고; 20.0 미만, 혹은 15.0 이하, 혹은 10.0 이하, 혹은 5.0 이하, 혹은 4.5 이하, 혹은 4.4 이하, 혹은 4.3 이하, 혹은 4.2 이하인 것이 본 발명에 따른 제반 특성의 발현에 유리할 수 있다.

바람직하게는, 상기 화학식 1에서 y/x 는 3.0 초과 20.0 미만, 혹은 3.1 내지 10.0, 혹은 3.2 내지 5.0, 혹은 3.3 내지 4.5, 혹은 3.5 내지 4.2일 수 있다.

또한, 구체적으로, 상기 화학식 1에서 a/x 는 1.2 미만, 혹은 1.00 이하, 혹은 0.90 이하, 혹은 0.80 이하, 혹은 0.70 이하, 혹은 0.60 이하이고; 0.01 이상, 혹은 0.05 이상, 혹은 0.10 이상, 혹은 0.20 이상, 혹은 0.30 이상, 혹은 0.40 이상, 혹은 0.50 이상인 것이 본 발명에 따른 제반 특성의 발현에 유리할 수 있다.

바람직하게는, 상기 화학식 1에서 a/x 는 0.01 내지 1.00, 혹은 0.05 내지 0.90, 혹은 0.10 내지 0.80, 혹은 0.30 내지 0.70, 혹은 0.50 내지 0.60일 수 있다.

발명의 구현 예에 따르면, 상기 알루미노실리케이트 나노입자는 질소 흡착/탈착 분석에 의한 120 내지 350 m²/g의 브루너-에메트-텔러 비표면적(S_BET)과 100 내지 300 m²/g의 외부 비표면적(external specific surfacearea,S_EXT)을 가진다.

구체적으로, 상기 S_BET는 120 m²/g 이상, 혹은 130 m²/g 이상, 혹은 140 m²/g 이상, 혹은 150 m²/g 이상, 혹은 160 m²/g 이상, 혹은 170 m²/g 이상, 혹은 180 m²/g 이상, 혹은 190 m²/g 이상, 혹은 200 m²/g 이상이고; 350 m²/g 이하, 혹은 325 m²/g 이하, 혹은 300 m²/g 이하, 혹은 275 m²/g 이하, 혹은 250 m²/g 이하, 혹은 240 m²/g 이하, 혹은 230 m²/g 이하, 혹은 220 m²/g 이하, 혹은 210 m²/g 이하이다.

바람직하게는, 상기 S_BET는 120 내지 350 m²/g, 혹은 130 내지 300 m²/g, 혹은 140 내지 275 m²/g, 혹은 150 내지 250 m²/g, 혹은 160 내지 240 m²/g, 170 내지 230 m²/g, 혹은 180 내지 210 m²/g일 수 있다.

그리고, 상기 S_EXT는 100 m²/g 이상, 혹은 110 m²/g 이상, 혹은 120 m²/g 이상, 혹은 130 m²/g 이상, 혹은 140 m²/g 이상, 혹은 150 m²/g 이상, 혹은 160 m²/g 이상, 혹은 170 m²/g 이상이고; 300 m²/g 이하, 혹은 280 m²/g 이하, 혹은 260 m²/g 이하, 혹은 240 m²/g 이하, 혹은 220 m²/g 이하, 혹은 200 m²/g 이하, 혹은 190 m²/g 이하이다.

바람직하게는, 상기 S_EXT는 100 내지 300 m²/g, 혹은 110 내지 280 m²/g, 혹은 120 내지 260 m²/g, 혹은 130 내지 240 m²/g, 혹은 140 내지 220 m²/g, 혹은 160 내지 200 m²/g, 혹은 170 내지 190 m²/g일 수 있다.

특히, 상기 알루미노실리케이트 나노입자가 갖는 상기 브루너-에메트-텔러 비표면적(S_BET) 및 상기 외부 비표면적(S_EXT)은 0.80 < S_EXT/S_BET < 0.90 인 값을 충족하는 것이 본 발명에 따른 제반 특성의 발현에 보다 유리할 수 있다.

즉, 상기 알루미노실리케이트 나노입자가 갖는 상기 S_BET와 S_EXT의 비(S_EXT/S_BET)는 0.80 내지 0.90 인 것이 바람직하다.

구체적으로, 상기 S_EXT/S_BET는 0.80 이상, 혹은 0.81 이상, 혹은 0.82 이상이고; 0.90 이하, 혹은 0.89 이하, 혹은 0.88 이하이다.

바람직하게는, 상기 S_EXT/S_BET는 0.80 내지 0.90, 혹은 0.81 내지 0.89, 혹은 0.82 내지 0.88일 수 있다.

고무 보강재로 적용되는 무기 소재에서 미세기공(micropore)의 함유량은 최소화되는 것이 바람직하다. 상기 미세기공은 결함(defect)으로 작용하여 고무 보강재로서의 물성을 저하시킬 수 있기 때문이다.

본 발명의 구현 예에 따르면, 상기 알루미노실리케이트 나노입자는, 상기 S_BET로부터 t-플롯법에 의해 계산된 2 nm 미만의 기공 크기를 갖는 미세기공의 체적(V_micro)이 0.05 cm³/g 미만으로 작아, 고무 보강재로서 우수한 기계적 물성의 발현을 가능하게 한다.

구체적으로, 상기 V_micro는 0.05 cm³/g 미만, 혹은 0.025 cm³/g 이하, 혹은 0.020 cm³/g 이하이고; 0.001 cm³/g 이상, 혹은 0.002 cm³/g 이상, 혹은 0.003 cm³/g 이상, 혹은 0.004 cm³/g 이상, 혹은 0.005 cm³/g 이상, 혹은 0.006 cm³/g 이상이다.

바람직하게는, 상기 V_micro는 0.001 내지 0.025 cm³/g, 혹은 0.003 내지 0.020 cm³/g, 혹은 0.005 내지 0.020 cm³/g, 혹은 0.006 내지 0.020 cm³/g일 수 있다.

II. 상기 알루미노실리케이트 나노입자의 제조 방법

발명의 다른 일 구현 예에 따르면,

상기 알루미노실리케이트 염을 세척하는 단계,

상기 알루미노실리케이트 나노입자는 알칼리성의 실리콘 소스와 산성의 알루미늄 소스의 중화 반응에 의해 알루미노실리케이트 염을 얻는 방법에 의해 제조될 수 있다.

특히, 본 발명자들의 계속적인 연구 결과, 상기 중화 반응을 75 내지 85 ℃의 온도 하에서 수행하고, 세척된 상기 알루미노실리케이트 염을 원심분리하여 침강된 고형분을 제거한 후 그 여액을 건조함으로써, 상술한 특성들을 충족하는 알루미노실리케이트 나노입자가 제공될 수 있음이 확인되었다.

발명의 구현 예에 따르면, 75 내지 85 ℃의 온도 하에서 알칼리성의 실리콘 소스와 산성의 알루미늄 소스의 중화 반응에 의해 알루미노실리케이트 염을 포함한 pH 6 내지 pH 10의 반응 용액을 얻는 단계가 수행된다.

상기 제조 방법에서, 상기 실리콘 소스는 수용성 실리콘 염을 포함한 pH 7 초과의 알칼리성 용액이다.

상기 수용성 실리콘 염으로는 수용액에서 pH 7 초과의 알칼리성을 나타낼 수 있는 실리콘 화합물이 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 수용성 실리콘 염은 소듐 실리케이트(Na₂SiO₃) 및 포타슘 실리케이트(K₂SiO₃)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물일 수 있다.

상기 제조 방법에서, 상기 알루미늄 소스는 수용성 알루미늄 염을 포함한 pH 7 미만의 산성 용액이다.

상기 수용성 알루미늄 염으로는 수용액에서 pH 7 미만의 산성을 나타낼 수 있는 알루미늄 화합물이 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 수용성 알루미늄 염은 알루미늄 클로라이드(AlCl₃), 알루미늄 나이트레이트(Al(NO₃)₃), 알루미늄 모노아세테이트((HO)₂AlCH₃CO₂), 알루미늄 디아세테이트(HOAl(CH₃CO₂)₂), 알루미늄 트리아세테이트(Al(CH₃CO₂)₃), 알루미늄 설페이트(Al2(SO₄)₃), 및 알루미늄 포타슘 설페이트(AlK(SO₄)₂)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물일 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 수용성 알루미늄 염으로 알루미늄 나이트레이트, 알루미늄 포타슘 설페이트 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 알루미노실리케이트 나노입자의 회수 과정에서 나노입자의 응집을 최소화할 수 있다는 점에서 유리할 수 있다.

상기 중화 반응은 상기 알칼리성의 실리콘 소스와 산성의 알루미늄 소스를 혼합하는 방법으로 수행되며, 이를 통해 고형분으로 알루미노실리케이트 염을 포함한 반응 용액이 얻어진다.

특히, 상기 중화 반응은 70 ℃ 초과 90 ℃ 미만의 온도 하에서 수행되는 것이 바람직하다.

구체적으로, 상기 중화 반응은 70 ℃ 초과, 혹은 75 ℃ 이상, 혹은 80 ℃ 이상; 그리고 90 ℃ 이하, 혹은 85 ℃ 이하의 온도 하에서 수행될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 중화 반응은 75 ℃ 내지 85 ℃의 온도 하에서 수행될 수 있다.

상기 중화 반응의 수행 온도가 너무 낮을 경우 실리콘 소스 및 알루미늄 소스를 포함한 무기 성분들이 중화 반응 도중에 응집되어 반응이 균일하게 진행되기 어렵다. 그에 따라, 상기 중화 반응 후 최종적으로 얻어지는 알루미노실리케이트 나노입자의 입도 제어가 어려워지고, 상기 나노입자들이 단단히 응집되어 거대한 이차 입자를 형성하며, 결과적으로 목표로 하는 고무 보강 효과를 갖는 나노입자를 얻을 수 없다. 그러므로, 상기 중화 반응은 70 ℃ 초과, 바람직하게는 75 ℃의 온도 하에서 수행되는 것이 바람직하다.

다만, 상기 중화 반응의 수행 온도가 너무 높을 경우 용매의 끓음 현상으로 인해 반응 효율이 저하될 우려가 이다. 그러므로, 상기 중화 반응은 90 ℃ 미만, 바람직하게는 85 ℃ 이하의 온도 하에서 수행되는 것이 바람직하다.

상기 중화 반응에서 실리콘 소스와 알루미늄 소스의 혼합 비율은, 각 소스에 포함된 염의 종류, 각 소스가 갖는 pH 및 상기 중화 반응의 생성물인 반응 용액이 갖는 바람직한 pH 범위를 고려하여 결정될 수 있다.

특히, 발명의 구현 예에 따르면, 상기 중화 반응의 생성물인 반응 용액은 pH 6 이상, 혹은 pH 6 내지 pH 10, 혹은 pH 6 내지 pH 8의 수소이온 농도를 갖는 것이 바람직하다.

상기 반응 용액의 수소이온농도가 pH 6 미만일 경우, 알루미노실리케이트 나노입자의 입도 제어가 어려워지고 상기 나노입자의 크기가 전반적으로 커져, 목표로 하는 고무 보강 효과가 달성되지 못할 수 있다.

나아가, 상기 반응 용액의 pH는 최종적으로 얻어지는 알루미노실리케이트 나노입자가 나타내는 pH에 영향을 미친다. 그리고, 상기 알루미노실리케이트 나노입자가 나타내는 pH는 상기 나노입자를 고무 조성물에 배합하는 과정에서 스코치 타임(scorch time)에 영향을 미친다.

상기 스코치 타임은 고무 성형 과정에서 고무 조성물의 열경화가 시작되는데 걸리는 시간을 의미한다. 일반적으로, 고무 조성물의 열경화가 시작된 이후에는 몰드에서 고무 조성물의 흐름이 멎고 프레스와 같은 성형이 어려워지기 때문에, 작업성과 생산성의 확보를 위해서는 적절한 스코치 타임이 요구된다.

그런데, 상기 알루미노실리케이트 나노입자가 나타내는 pH가 너무 낮거나 너무 높을 경우 고무 성형 과정에서 적절한 스코치 타임의 확보를 어렵게 하여, 별도의 열경화 지연제 첨가나 스코치 방지를 위한 추가적인 조치가 요구되는 등 고무 성형의 작업성과 생산성이 저하될 수 있다.

예를 들어, 상기 알루미노실리케이트 나노입자가 나타내는 pH가 너무 낮을 경우 고무 배합시 스코치 타임이 급격히 느려지고, pH가 너무 높을 경우 스코치 타임이 급격히 빨라질 수 있다.

구체적으로, 상기 나노입자의 pH는 고무 배합 과정에서 함께 혼합되는 성분들의 반응성에 큰 영향을 미치는데, 특히 아민 계열의 기능기가 반응하는 속도를 촉진 또는 완화한다. 즉, 상기 나노입자의 pH가 낮을 경우 아민 그룹의 반응성을 떨어뜨리고, 상기 나노입자의 pH가 높을 경우 아민 그룹의 반응성을 촉진한다. 고무 배합 공정상 반응성이 너무 촉진될 경우 제품 성형에 문제가 생기고, 반응성이 너무 떨어질 경우 생산성이 저하될 수 있다.

따라서, 상기 알루미노실리케이트 나노입자를 고무 보강재로 적용한 고무 성형 공정에서 적절한 스코치 타임이 확보될 수 있도록 하기 위하여, 상기 중화 반응은 알루미노실리케이트 염을 포함한 반응 용액이 pH 6 내지 pH 10의 수소이온 농도를 갖도록 수행되는 것이 바람직하다.

이어서, 상기 알루미노실리케이트 염을 세척는 단계가 수행된다.

상기 세척 단계에서는, 상기 중화 반응을 통해 얻은 반응 용액에서 고형분인 알루미노실리케이트 염을 회수하고, 이를 증류수, 탈이온수와 같은 물에 분산시킨 후 교반하는 공정이 수 회 수행된다. 또는, 상기 반응 용액에 증류수, 탈이온수와 같은 물을 넣고 수 시간 동안 교반하는 방법으로 상기 세척이 수행될 수 있다.

여기서, 세척된 상기 알루미노실리케이트 염은 pH 6 내지 pH 10의 수소이온 농도를 나타낼 수 있다.

이어서, 세척된 상기 알루미노케이트 염을 원심분리하여 침강된 고형분을 제거하고 그 여액을 얻는 단계가 수행된다.

특히, 본 발명에서는 세척된 상기 알루미노실리케이트 염을 원심분리한 후 침강된 고형분을 제거하고 그 여액을 취함으로써, 최종적으로 상술한 입도 분포를 갖는 알루미노실리케이트 나노입자를 얻을 수 있다.

상기 중화 반응에서의 온도는 상기 알루미노실리케이트 나노입자의 평균 입경에 영향을 미치는 중요한 요인 중 하나이다. 하지만, 본 발명에 따르면, 상기 중화 반응에서의 온도가 상기 알루미노실리케이트 나노입자의 입도 분포에 미치는 영향은 크지 않다. 예를 들어, 상기 중화 반응의 온도를 낮추면 상기 나노입자의 평균 입경이 작아질 수 있지만, 그 입도 분포는 거의 변화가 나타나지 않는다.

따라서, 발명의 구현 예에 따른 제조 방법에서는, 세척된 상기 알루미노실리케이트 염에 대해 원심분리를 수행하여 상대적으로 입경이 크고 무거운 입자들을 제거하고, 그 여액을 취하여 건조함으로써 상술한 입도 분포를 갖는 알루미노실리케이트 나노입자를 제공할 수 있다.

발명의 구현 예에 따르면, 세척된 상기 알루미노케이트 염에 대한 상기 원심분리는 4000 내지 7000 rpm으로 5 내지 20 분 동안 수행될 수 있다.

구체적으로, 상기 원심분리는 4000 rpm 이상, 혹은 4500 rpm 이상, 혹은 5000 rpm 이상; 그리고 7000 rpm 이하, 혹은 6500 rpm 이하, 혹은 6000 rpm 이하의 조건으로 수행될 수 있다.

상기 원심분리를 수행하는 시간은 상술한 rpm 조건에 따라 조절될 수 있다. 바람직하게는, 상기 원심분리는 상술한 rpm 조건 하에서 5 분 이상, 혹은 10 분 이상; 그리고 20 분 이하, 혹은 15 분 이하로 수행될 수 있다.

이어서, 상기 여액을 건조하여 알루미노실리케이트 나노입자를 얻는 단계가 수행된다. 상기 건조는 20 내지 150 ℃의 온도 하에서 1 내지 48 시간 동안 수행될 수 있다.

그리고, 필요에 따라, 얻어진 상기 알루미노실리케이트 나노입자를 분쇄, 분급하는 단계 등 통상적인 단계가 더욱 수행될 수 있다.

*III. 타이어용 고무 조성물

발명의 또 다른 일 구현 예에 따르면, 상기 알루미노실리케이트 나노입자를 포함하는 타이어용 고무 조성물이 제공된다.

상술한 방법에 의해 제조되어 상기 특성들을 충족하는 알루미노실리케이트 나노입자는, 고무 조성물 내에서의 우수한 분산성에 따른 향상된 보강 효과를 나타낼 수 있으면서도 향상된 작업성과 생산성의 발현을 가능하게 한다.

그리고, 상기 알루미노실리케이트 나노입자는 입자 내부의 미세기공의 형성이 억제됨에 따라, 상술한 물성들을 만족하지 못하는 고무 보강재들에 비하여 우수한 기계적 물성 (예를 들어, 우수한 내구성, 내마모성, 압축 강도 등)을 나타낼 수 있다.

상기 타이어용 고무 조성물에는 통상적인 디엔 엘라스토머가 특별한 제한 없이 포함될 수 있다.

예컨대, 상기 디엔 엘라스토머는 천연 고무, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 부타디엔/스티렌 코폴리머, 부타디엔/이소프렌 코폴리머, 부타디엔/아크릴로니트릴 코폴리머, 이소프렌/스티렌 코폴리머, 및 부타디엔/스티렌/이소프렌 코폴리머로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물일 수 있다.

그리고, 상기 타이어용 고무 조성물에는 상기 알루미노실리케이트 나노입자와 디엔 엘라스토머 사이의 화학적 및/또는 물리적 결합을 제공하는 커플링제가 포함될 수 있다. 상기 커플링제로는 폴리실록산계 화합물과 같은 통상적인 성분들이 특별한 제한 없이 포함될 수 있다.

이 밖에도, 상기 타이어용 고무 조성물에는 타이어 분야에서 통상적으로 사용되는 가소제, 안료, 항산화제, 오존 열화 방지제, 가황 촉진제 등이 첨가될 수 있다.

본 발명에 따른 알루미노실리케이트 나노입자는, 고무 조성물 내에서 우수한 분산성을 나타내면서도 고무 조성물의 가공성을 저해하지 않아, 향상된 고무 보강 효과를 갖는 고무 보강재로서 바람직하게 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예들을 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 이들만으로 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

80 ℃ 하에서 0.005 M 소듐 실리케이트(Na₂SiO₃) 수용액과 0.005 M 알루미늄 나이트레이트(Al(NO₃)₃) 수용액을 pH 6.2가 되도록 혼합한 후, 오버헤드 교반기(overhead stirrer)를 이용하여 500 rpm으로 10 분간 믹싱하여 중화 반응을 수행하였다. 상기 중화 반응에 의해 알루미노실리케이트 염을 포함한 반응 용액(pH 6.2)을 얻었다.

상기 반응 용액에 상온의 증류수를 넣고 12 시간 동안 교반하는 방법으로 상기 알루미노실리케이트 염을 세척하였다.

이어서, 세척된 상기 알루미노실리케이트 염을 포함한 반응 용액을 5000 rpm으로 10 분 동안 원심분리한 후, 침강된 고형분을 제거하고 그 여액을 얻었다.

상기 여액을 70 ℃의 오븐에서 24 시간 동안 건조하여 최종적으로 알루미노실리케이트 나노입자를 얻었다.

실시예 2

이어서, 세척된 상기 알루미노실리케이트 염을 포함한 반응 용액을 6000 rpm으로 10 분 동안 원심분리한 후, 침강된 고형분을 제거하고 그 여액을 얻었다.

비교예 1

60 ℃ 하에서 0.005 M 소듐 실리케이트(Na₂SiO₃) 수용액과 0.005 M 알루미늄 나이트레이트(Al(NO₃)₃) 수용액을 pH 6.2가 되도록 혼합한 후, 오버헤드 교반기(overhead stirrer)를 이용하여 500 rpm으로 10 분간 믹싱하여 중화 반응을 수행하였다. 상기 중화 반응에 의해 알루미노실리케이트 염을 포함한 반응 용액(pH 6.2)을 얻었다.

비교예 2

70 ℃ 하에서 0.005 M 소듐 실리케이트(Na₂SiO₃) 수용액과 0.005 M 알루미늄 나이트레이트(Al(NO₃)₃) 수용액을 pH 6.2가 되도록 혼합한 후, 오버헤드 교반기(overhead stirrer)를 이용하여 500 rpm으로 10 분간 믹싱하여 중화 반응을 수행하였다. 상기 중화 반응에 의해 알루미노실리케이트 염을 포함한 반응 용액(pH 6.2)을 얻었다.

비교예 3

90 ℃ 하에서 0.005 M 소듐 실리케이트(Na₂SiO₃) 수용액과 0.005 M 알루미늄 나이트레이트(Al(NO₃)₃) 수용액을 pH 6.2가 되도록 혼합한 후, 오버헤드 교반기(overhead stirrer)를 이용하여 500 rpm으로 10 분간 믹싱하여 중화 반응을 수행하였다. 상기 중화 반응에 의해 알루미노실리케이트 염을 포함한 반응 용액(pH 6.2)을 얻었다.

이어서, 세척된 상기 알루미노실리케이트 염을 포함한 반응 용액을 5000 rpm으로 10 분 동안 원심분리한 후, 침강된 고형분을 회수하고 여액을 제거하였다.

상기 침강된 고형분을 70 ℃의 오븐에서 24 시간 동안 건조하여 최종적으로 알루미노실리케이트 나노입자를 얻었다.

비교예 4

세척된 상기 알루미노실리케이트 염을 필터로 회수한 후, 회수된 알루미노실리케이트 염을 70 ℃의 오븐에서 24 시간 동안 건조하여 최종적으로 알루미노실리케이트 나노입자를 얻었다.

제조예 1

밀폐식 혼합기에 137 g의 디엔 엘라스토머 혼합물 (SSBR 2550, LG화학), 보강재로써 실시예 1에 따른 70 g의 알루미노실리케이트 나노입자 및 11.2 g의 실란 커플링제(폴리실록산계)를 투입하였다. 이것을 150℃ 하에서 5분 동안 혼합한 후, 유황과 가황 촉진제를 첨가하여 90 초 동안 혼합하였다.

얻어진 혼합물을 두께 2 내지 3 mm의 시트 형태로 압출하였고, 이것을 160 ℃에서 vulcanization하여고무 성형물을 얻었다. 이때, 가황 시간은 상기 혼합물을 160 ℃에서 MDR (moving die rheometer)를 이용하여 측정한 데이터를 참고로 조절되었다.

제조예 2

보강재로 실시예 1의 알루미노실리케이트 나노입자 대신 실시예 2에 따른 알루미노실리케이트 나노입자를 첨가한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일한 방법으로 고무 조성물과 성형물을 얻었다.

제조예 3

보강재로 실시예 1의 알루미노실리케이트 나노입자 대신 비교예 1에 따른 알루미노실리케이트 나노입자를 첨가한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일한 방법으로 고무 조성물과 성형물을 얻었다.

제조예 4

보강재로 실시예 1의 알루미노실리케이트 나노입자 대신 비교예 2에 따른 알루미노실리케이트 나노입자를 첨가한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일한 방법으로 고무 조성물과 성형물을 얻었다.

제조예 5

보강재로 실시예 1의 알루미노실리케이트 나노입자 대신 비교예 3에 따른 알루미노실리케이트 나노입자를 첨가한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일한 방법으로 고무 조성물과 성형물을 얻었다.

제조예 6

보강재로 실시예 1의 알루미노실리케이트 나노입자 대신 비교예 4에 따른 알루미노실리케이트 나노입자를 첨가한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일한 방법으로 고무 조성물과 성형물을 얻었다.

시험예 1

X-ray fluorescence (XRF, Rigaku zsx primus II, wavelength dispersive type)를 이용하여 상기 실시예들과 비교예들에 따른 알루미노실리케이트 나노입자의 성분 조성을 확인하였다. 상기 XRF 측정은 Rh target을 활용하였으며, 30mm 직경의 홀더에 입자 분말을 장착하여 측정하였다.

조성 (화학식 1)	M	a/x	y/x
실시예 1	Na	0.55	4.022
실시예 2	Na	0.55	4.015
비교예 1	Na	0.49	3.966
비교예 2	Na	0.52	4.001
비교예 3	Na	0.61	4.392
비교예 4	Na	0.55	4.045

상기 표 1을 참고하면, 비교예 1의 알루미노실리케이트 나노입자는 바람직한 범위를 충족하지 못하는 상기 y/x 값을 갖는 것으로 확인되었다.

시험예 2

X-선 회절 분석기(Bruker AXS D4-Endeavor XRD)를 이용하여, 40 kV의 인가전압 및 40 mA의 인가전류 하에서, 상기 실시예들 및 비교예들의 알루미노실리케이트 나노입자에 대한 X-선 회절 분석을 실시하였다.

측정한 2θ의 범위는 10° 내지 90°이고, 0.05°의 간격으로 스캔하였다. 이때, 슬릿(slit)은 variable divergence slit 6 mm를 이용하였고, PMMA 홀더에 의한 백그라운드 노이즈(background noise)를 없애기 위해 크기가 큰 PMMA 홀더(직경=20 mm)를 이용하였다.

X-선 회절에 의해 수득된 데이터 그래프에서 2θ의 20° 내지 37° 범위에서의 최대 피크인 약 29°피크의 반가폭(full width at half maximum, FWHM)을 계산하였다.

	FWHM (°)	I_max (°)	결정형
실시예 1	6.2	25.0	Amorphous
실시예 2	6.2	25.0	Amorphous
비교예 1	6.1	24.5	Amorphous
비교예 2	6.2	24.8	Amorphous
비교예 3	6.2	25.1	Amorphous
비교예 4	6.2	25.0	Amorphous

시험예 3비표면적 분석기 (BEL Japan Inc., BELSORP-max)를 이용하여 상기 실시예들 및 비교예들에 따른 알루미노실리케이트 나노입자에 대한 질소 흡착/탈착 브루너-에미트-텔러 비표면적(S_BET) 및 2 nm 미만의 미세기공을 제외한 외부 비표면적(S_EXT)을 측정하였다. 그리고, 상기 S_BET로부터 t-플롯법에 의해 2 nm 미만의 기공 크기를 갖는 미세기공의 체적(V_micro)을 계산하였다.

상기 특성의 측정에 있어서, 대상 입자를 250 ℃ 하에서 4 시간 동안 가열하여 전처리하였고, 상기 분석기에 장착된 에어 오븐의 온도는 40 ℃로 유지되었다.

	S_BET (m²/g)	S_EXT (m²/g)	S_EXT/S_BET	V_micro (cm³/g)
실시예 1	200.15	175.63	0.88	0.015
실시예 2	219.23	180.21	0.82	0.026
비교예 1	340.31	325.48	0.96	0.003
비교예 2	270.78	259.67	0.96	0.003
비교예 3	137.52	108.45	0.79	0.144
비교예 4	187.33	169.11	0.90	0.006

상기 표 3을 참고하면, 상기 실시예들에서는 우수한 비표면적 특성을 갖는 알루미노실리케이트 나노입자를 얻을 수 있음이 확인된다.

시험예 4

나노입자 사이즈 분석기(CPS Disc Centrifuge^TM, Model DC24000, CPS Instruments, Inc.)를 이용하여 알루미노실리케이트 나노입자가 나타내는 평균 일차 입경(D^A)과 일차 입자의 입경(d) 범위별 분포(중량%)를 측정하였다.

상기 측정에는 증류수에 0.1 중량%의 상기 알루미노실리케이트 나노입자를 분산시킨 샘플이 사용되었다.

	D^A (nm)
실시예 1	19.6
실시예 2	18.3
비교예 1	15.7
비교예 2	17.2
비교예 3	37.1
비교예 4	22.3

	입경 범위별 분포 (중량%)
	15 nm 미만	15 nm 이상 25 nm 미만	25 nm 이상 35 nm 미만	35 nm 이상
실시예 1	16	75	7	2
실시예 2	19	77	4	-
비교예 1	51	46	3	-
비교예 2	34	59	6	1
비교예 3	-	7	15	78
비교예 4	10	48	33	9

상기 표 4 및 5를 참고하면, 상기 실시예들에 따른 알루미노실리케이트 나노입자는 20 nm 수준의 평균 일차 입경을 가지면서도 일차 입경 15 내지 25 nm인 입자가 전체 입자의 75 중량% 이상인 입도 분포를 갖는 것으로 확인되었다.

시험예 5

점탄성 측정기(DMTS 500N, Gabo, 독일)를 이용하여 dynamic strain 3% 및 static strain 3% 하에서 제조예들에 따른 고무 성형물에 대한 동적 손실계수(tan δ)를 측정하였다. 측정된 값은 상기 제조예 6의 고무 성형물의 값을 기준으로 normalization하여 함께 나타내었다.

참고로, 0℃에서의 동적 손실계수(tan δ @0℃)는 타이어의 wet grip 특성과 연관되어 있으며, 그 절대값이 높을수록 wet grip 특성이 우수한 것으로 평가된다. 그리고, 60℃에서의 동적 손실계수(tan δ @60℃)는 타이어의 rolling resistance 특성과 연관되어 있으며, 그 절대값이 낮을수록 rolling resistance 특성이 우수한 것으로 평가된다.

	tanδ @0℃	tanδ @0℃ (index)	tanδ @60℃	tanδ @60℃ (index)
제조예 1	0.795	102	0.119	98
제조예 2	0.803	103	0.121	97
제조예 3	-	-	-	-
제조예 4	0.716	91	0.150	72
제조예 5	0.787	101	0.115	102
제조예 6	0.783	100	0.117	100

상기 표 6을 참고하면, 제조예 1 및 2에 따른 고무 성형물은 제조예 4 내지 6의 고무 성형물과 대비하여 동등 이상의 내마모성과 wet grip 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.상기 비교예 1에 따른 알루미노실리케이트 나노입자가 첨가된 제조예 3의 고무 성형물은 그 제조 과정에서 배합이 잘 되지 않고 고무 성분이 분해되는 문제가 발생하여 상기 특성의 측정이 불가능하였다.

시험예 6

상기 제조예들의 고무 성형물에 대해, 내마모성 측정기(abrasion tester, Bareiss GmbH)를 이용하여 DIN ISO 4649의 기준에 따라 테스트 대상 물질과 기준 물질의 mass loss 및 비중을 측정하여 마모 저항 지수(abrasion resistance index)를 계산하고 내마모성을 평가하였다.

상기 마모 저항 지수는 {[(기준 물질의 loss weight) X (기준 물질의 비중)]/[(테스트 대상 물질의 loss weight) X (테스트 대상 물질의 비중)]} X 100으로 계산되었다 (기준 물질: neutral rubber).

고무 성형물	고무 보강재	Abrasion resistance index (%)
제조예 1	실시예 1	128
제조예 2	실시예 2	132
제조예 3	비교예 1	-
제조예 4	비교예 2	130
제조예 5	비교예 3	98
제조예 6	비교예 4	114

상기 표 7을 참고하면, 제조예 1 및 2에 따른 고무 성형물은 제조예 5 및 6의 고무 성형물과 대비하여 현저히 우수한 내마모성을 나타냄을 확인할 수 있다.상기 비교예 1에 따른 알루미노실리케이트 나노입자가 첨가된 제조예 3의 고무 성형물은 그 제조 과정에서 배합이 잘 되지 않고 고무 성분이 분해되는 문제가 발생하여 상기 특성의 측정이 불가능하였다.

Claims

하기 화학식 1의 조성 및 일차 입경 15 내지 25 nm인 입자가 전체 입자의 60 중량% 이상인 입도 분포를 가지며,
상기 입자에 대해 X-선 회절(XRD)에 의해 수득된 데이터 그래프에서, 2θ의 23° 내지 37° 범위에서의 최대 피크의 반가폭(full width at half maximum, FWHM)이 5° 내지 7° 이고, 23° 이상 26° 미만의 2θ 범위에서 최대 피크 강도(maximum peak intensity, I_max)를 가지는,
고무 보강용 알루미노실리케이트 나노입자:
[화학식 1]
[(M_aAl_xO_2x)·(Si_yO_2y)]·m(H₂O)
상기 화학식 1에서,
상기 M은 Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Fr, Ca, Zn, 및 Mg로 이루어진 군에서 선택된 원소 또는 이들의 이온이고,
a ≥ 0, x > 0, y > 0, 및 m ≥ 0 이고,
a/x < 1.2 이고,
3.0 < y/x < 20.0 이다.
제 1 항에 있어서,
일차 입경 15 내지 25 nm인 입자가 전체 입자의 60 내지 85 중량% 인 입도 분포를 가지는,
고무 보강용 알루미노실리케이트 나노입자.
제 1 항에 있어서,
10 내지 50 nm의 평균 일차 입경을 가지는, 고무 보강용 알루미노실리케이트 나노입자.
제 1 항에 있어서,
질소 흡착/탈착 분석에 의한 120 내지 350 m²/g의 브루너-에메트-텔러 비표면적(S_BET) 및 100 내지 300 m²/g의 외부 비표면적(S_EXT)을 가지며,
상기 S_BET로부터 t-플롯법에 의해 계산된 2 nm 미만의 기공 크기를 갖는 미세기공의 체적(V_micro)이 0.05 cm³/g 미만인,
고무 보강용 알루미노실리케이트 나노입자.
제 4 항에 있어서,
상기 브루너-에메트-텔러 비표면적(S_BET) 및 상기 외부 비표면적(S_EXT)이 0.80 < S_EXT/S_BET < 0.90 인 값을 충족하는,
고무 보강용 알루미노실리케이트 나노입자.
75 내지 85 ℃의 온도 하에서 알칼리성의 실리콘 소스와 산성의 알루미늄 소스의 중화 반응에 의해 알루미노실리케이트 염을 포함한 pH 6 내지 pH 10의 반응 용액을 얻는 단계,
상기 알루미노실리케이트 염을 세척하는 단계,
세척된 상기 알루미노케이트 염을 원심분리하여 침강된 고형분을 제거하고 그 여액을 얻는 단계, 및
상기 여액을 건조하여 알루미노실리케이트 나노입자를 얻는 단계
를 포함하는, 제 1 항에 따른 알루미노실리케이트 나노입자의 제조 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 실리콘 소스는 수용성 실리콘 염을 포함한 pH 7 초과의 알칼리성 용액이고,
상기 수용성 실리콘 염은 소듐 실리케이트 및 포타슘 실리케이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물인,
알루미노실리케이트 나노입자의 제조 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 알루미늄 소스는 수용성 알루미늄 염을 포함한 pH 7 미만의 산성 용액이고,
상기 수용성 알루미늄 염은 알루미늄 클로라이드, 알루미늄 나이트레이트, 알루미늄 모노아세테이트, 알루미늄 디아세테이트, 알루미늄 트리아세테이트, 알루미늄 설페이트, 및 알루미늄 포타슘 설페이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물인,
알루미노실리케이트 나노입자의 제조 방법.
제 6 항에 있어서,
세척된 상기 알루미노케이트 염에 대한 상기 원심분리는 4000 내지 7000 rpm으로 5 내지 20 분 동안 수행되는,
알루미노실리케이트 나노입자의 제조 방법.
제 1 항에 따른 알루미노실리케이트 나노입자를 포함하는 타이어용 고무 조성물.
제 10 항에 있어서,
상기 알루미노실리케이트 나노입자 및
천연 고무, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 부타디엔/스티렌 코폴리머, 부타디엔/이소프렌 코폴리머, 부타디엔/아크릴로니트릴 코폴리머, 이소프렌/스티렌 코폴리머, 및 부타디엔/스티렌/이소프렌 코폴리머로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 디엔 엘라스토머
를 포함하는, 타이어용 고무 조성물.