KR20200005265A - 핸들링 성능 및 전기전도성이 향상된 승용차 타이어용 언더트레드 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 타이어 언더트레드용 고무 조성물에 관한 것으로서, 특히, 고무 조성물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부의 다중벽 탄소나노튜브를 포함하며, 상기 상기 다중벽 탄소나노튜브는 지름이 2.5 ㎛ 이하이고, 길이가 30 ㎛ 이하이고, 밀도가 0.090 g/cm3이하이고, 카본 순도가 95 이상인 것을 특징으로 하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 이러한 타이어 언더트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조된 타이어에 관한 것이다.

Description

핸들링 성능 및 전기전도성이 향상된 승용차 타이어용 언더트레드 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어{An under-tread rubber composition for car tires with improved handling performance and electrical conductivity, and tires manufactured by using the same}
본 발명은 타이어 언더트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것이다.
타이어는 지면에 접촉하는 트레드(Tread)와 트레드 하부 고무층인 언더트레드(under tread)를 포함한다. 트레드는 지면과 직접적으로 접촉하므로 마모되는 부분으로서, 마모성능/주행성능/연비성능 등의 핵심 성능을 좌우하는 부분이다. 종래에는 주로 타이어 트레드의 고무 조성 변화를 통해 타이어의 다양한 성능을 개선시키고자 하는 연구가 이루어졌는데, 최근에는 언더트레드의 고무 조성 변화를 통해 전체적인 타이어의 성능을 개선시키고자 하는 연구가 이루어지고 있다.
언더트레드의 고무 조성에 다양한 첨가제를 추가하여 성능을 개선하고자 하는 시도가 이루어졌는데, 일례로 언더트레드 고무 조성물에 전기전도성을 향상시키기 위해 카본블랙의 함량을 증가시키거나 Fine grade 카본블랙을 적용할 수 있다. 그러나 이 경우, 조성물의 히스테리시스(hysteresis)가 증가하여 연비 성능이 저하되는 문제점이 있다.
히스테리시스(hysteresis)를 유지하면서, 경도 상승과 전도성을 동시에 확보한 타이어 언더트레드용 고무 조성물을 제공함으로써 핸들링 성능과 전기전도성이 모두 향상된 타이어를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예는, 고무 조성물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부의 다중벽 탄소나노튜브를 포함하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는, 고무 100 중량부; 상기 고무 100 중량부에 대하여 카본 블랙 40 내지 70 중량부 및 상기 고무 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부의 다중벽 탄소나노튜브를 포함하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물을 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예는, 상기 고무 조성물을 이용하여 제조된 타이어를 제공한다.
히스테리시스(hysteresis)를 유지하면서, 경도 상승과 전도성을 동시에 확보한 타이어 언더트레드용 고무 조성물을 제공함으로써 핸들링 성능과 전기전도성이 모두 향상된 타이어를 제공할 수 있다.
도 1은 다중벽 탄소나노튜브의 주사전자현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 타이어 고무 조성물에 분산된 다중벽 탄소나노튜브의 형상을 현미경으로 촬영한 사진을 나타낸 것이다.
이하에서 본 발명의 구현예들을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 구현예는, 고무 조성물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부의 다중벽 탄소나노튜브를 포함하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon NanoTube)는 지름이 2.5 ㎛ 이하이고, 길이가 30 ㎛ 이하이고, 밀도가 0.090 g/cm3이하이고, 카본 순도가 95 이상일 수 있다.
본 발명의 구현예들에서 적용가능한 탄소나노튜브는, 고강성 및 고전도성을 갖는다. 탄소나노튜브는 하나의 탄소 원자에 이웃하는 3개의 탄소 원자가 결합되어 있으며, 이러한 탄소 원자 간의 결합에 의해서 육각환형이 이루어지고, 이들이 튜브 형태를 이룬 물질이다. 이러한 탄소나노튜브의 표면적은 수십 내지 수백 m2/g 범위이다.
일반적으로, 탄소나노튜브는 표면적 및 강도가 크기 때문에, 동일량을 균일하게 분산시켰을 경우 높은 열적, 기계적 및/또는 물리적 특성의 향상 효과가 크게 나타난다. 하지만, 탄소나노튜브 간의 강한 인력으로 인해 고무 매트릭스 내에 고르게 분산시키는 것이 곤란하므로, 분산의 문제를 해결하기 위한 물리적 또는 화학적 방법들이 많이 소개되어 있으나, 그 공정이 복잡하고 많은 시간이 소요되기에 생산 현장에 적용되기에는 무리가 있다. 따라서, 본 발명에서는 별도의 분산을 위한 공정을 거치지 않고도 고무 매트릭스 내에서 분산이 고르게 되며, 방전성능에 유리한 특정한 형태의 다중벽 탄소나노튜브를 적용하였다.
본 발명에서 사용되는 다중벽 탄소나노튜브는,탄소나노튜브가 여러 겹의 번들로 이루어진 것을 의미하며, 번들의 지름이 2.5 ㎛ 이하이고, 길이가 30 ㎛ 이하이고, 밀도가 0.090 g/cm3이하이고, 카본 순도가 95 이상일 수 있다.
고무 매트릭스 내에서 탄소나노튜브가 서로 맞닿아 전도성 네트워크를 구성하는 경우에만 정전기를 방출할 수 있으므로, 탄소나노튜브의 직경은 작고 그의 길이는 길수록, 즉 종횡비가 클수록 유리하며, 고무 내 응집체의 분리가 용이한 형태가 유리할 것이다.
본 발명에서 사용한 탄소나노튜브는, 그 응집체의 형태가 길게 배향되고, 밀도가 낮아 응집체의 응집력이 낮아져서 고무 매트릭스 내에 탄소나노튜브 개개로 또는 여러 가닥의 단위로 분리 및 분산되기가 용이하며 분리되지 않은 응집체 자체도 길게 배향되어 있기에, 종횡비가 낮거나 응집체 형태가 구형이고 밀도가 높은 탄소나노튜브에 비해 전도성 네트워크 구조를 형성하기가 용이하며 소량을 적용하여도 그 효과가 우수하다.
도 1은 본 발명에서 사용한 다중벽 탄소나노튜브의 주사전자현미경 사진이고, 도 2는 타이어 고무 조성물에 분산된 다중벽 탄소나노튜브의 형상을 현미경으로 촬영한 사진이다. 고무 조성물 내에 다중벽 탄소나노튜브가 고르게 분산되어 있음을 확인할 수 있다.
본 발명의 구현예들에서, 고무 100 중량부에 대하여 상기 언급한 탄소나노튜브를 0.1 내지 10 중량부로 사용할 수 있으며, 0.1 내지 7 중량부, 0.1 내지 5 중량부로 사용할 수도 있다. 또한 필요에 따라 탄소나노튜브의 분산성 향상을 위한 분산제를 추가로 사용할 수도 있다.
본 발명은 베이스가 되는 고무 원료로 타이어용 언더트레드 고무 조성물의 원료로서 사용할 수 있는 원료라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다.
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. 특히 상기 합성고무는 네오디움 부타디엔 고무, 코발트 부타디엔 고무 또는 니켈 부타디엔 고무로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 고무는 천연고무 50 내지 80 중량부 및 합성 고무 20 내지 50 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 구현예들에서 사용할 수 있는 카본블랙은 질소 흡착 비표면적이 120 내지 140m2/g이고, 디부틸프탈레이트 (DBP) 흡유량이 120 내지 150cc/100g이고, 요오드가가 90 내지 140m2/g이고, 질소흡착가와 요오드가의 차이가 10 내지 30이고, 응집체 크기 분포가 40 내지 70nm일 수 있다.
카본블랙은 pH, 비표면적, 입자구조의 중요한 세 가지 물성을 가지고 있다.
pH는 고무산업에서 사용되는 가황촉진제의 선택에 큰 영향을 미친다. 채널블랙 (Channel black)은 산성을 나타내는 반면에, 물과 함께 냉각되는 퍼니스 블랙 (furnace black)은 알칼리성을 나타낸다. 산성의 카본블랙은 가황을 억제시키는 반면, 알카리성은 가황공정을 촉진시킴으로써 초기 가황시간을 단축시키는 역할을 한다.
비표면적은 카본블랙의 표면특성을 결정하고, 기계적 물성과 관련이 있다. 일반적으로 고무 산업에서는 비표면적이 9 ~ 153 ㎡/g 사이에 분포되는 카본블랙을 사용한다. 카본블랙의 비표면적이 커질수록 내마모성은 향상되나 고무와의 혼합공정 시간과 혼합을 위한 동력소비량이 급격히 증가하는 경향이 있다.
입자구조는 탄소입자가 응집된 정도를 나타내는 것으로, 열분해 블랙은 개별입자로 구조로 구조의 발달이 낮은 반면에, 오일을 원료로 사용하여 퍼니스 (furnace) 공정으로 제조되는 퍼니스 블랙은 입자들이 사슬형태로 얽혀져 있어 비교적 잘 발달된 구조를 가진다.
본 발명에서 사용되는 카본블랙을 구체적으로 설명하면, 질소 흡착 비표면적이 120 내지 140m2/g이고, 디부틸프탈레이트 (DBP) 흡유량이 120 내지 150cc/100g이고, 요오드가가 90 내지 140m2/g이고, 질소흡착가와 요오드가의 차이가 10 내지 30이고, 응집체 크기 분포가 40 내지 70nm인 것이다.
본 발명의 구현예들에서 충진제로서 포함되는 카본블랙은 고무 100 중량부를 기준으로 40 내지 70 중량부 범위로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 타이어 언더트레드용 고무 조성물은 실리카, 카본블랙, 실란커플링제(silane coupling agent), 산화아연, 스테아린산, 노화방지제, 가공오일, 가류제(vulcanizing agent), 가류촉진제(vulcanizing accelerator) 등을 필요에 따라 적절히 선택하여 혼합할 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
이상에서 설명한 바와 같은 조성성분을 일정 함량비로 믹싱하여 본 발명의 고무 조성물을 제조하는데, 이때 믹싱온도는 고무 재료내에 카본블랙과 탄소나노튜브의 균일한 분산을 유도하기 위해 100~150 ℃ 범위를 유지하고, 믹싱시간은 최대 10분 이내로 한정하는 것이 좋다.
이하 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
표 1은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 타이어 언더트레드용 고무 조성물의 조성을 나타낸 것이다.
실시예 1 비교예 1
천연고무 80 80
BR 1) 20 20
산화아연 4 4
스테아린산 1.5 1.5
카본블랙2) 55 60
다중벽 탄소나노튜브3) 1 0
노화 방지제 4) 2 2
가황제 2.5 2.5
가류 촉진제 0.5 0.5
*1) BR: 네오디뮴(Nd) 부타디엔 고무
*2) 카본블랙: 질소 흡착 비표면적이 140m2/g이고, 디부틸프탈레이트 (DBP) 흡유량이 120cc/100g이고, 요오드가가 120m2/g이고, 응집체 크기 분포가 40 내지 70nm인 카본블랙
*3) 다중벽 탄소나노튜브: 지름이 2.5 ㎛이고, 길이가 30 ㎛이고, 밀도가 0.090 g/cm3이고, 카본 순도가 96인 다중벽 탄소나노튜브
*4) 노화 방지제: 6PPD
*5) 가황제: 통상의 고무 가류제에 해당하는 유황
*6) 가류촉진제: TBBS
이하, 표 1과 같은 본 발명에 따른 실시예와 비교예에 따른 타이어 언더트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조된 고무 시편에 대한 실험결과를 설명하기로 한다.
표 2는 표 1과 같은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 타이어 언더트레드용 고무 조성물의 조성을 이용하여 제조된 고무 시편에 경도, 인장물성(Tensile), 모듈러스 등의 물성을 ASTM 관련규정에 의해 측정하고 그 결과를 나타낸 것이다. 또한 그로 인해 제조된 타이어의 연비 성능, 핸들링 성능과 전기전도성을 측정하여 나타내었다.
구분 실시예 1 비교예 1
물성 경도 62 60
300% Modulus (kg.f) 110 100
인장 강도 (kg.f) 195 190
신율(%) 520 500
Tanδ60℃ 0.038 0.040
타이어성능 연비성능 100 100
핸들링 성능 106 100
전기전도성 130KΩ 60 GΩ
*Modulus: 아령형 시편을 이용한 것이며, 인스트론사에서 제작한 인장시험기로 실시하였고, 300% 모듈러스는 시편을 300% 신장 시에 시편에 작용하는 스트레스임
*60℃ tanδ: 타이어 회전 저항값의 대용 수치로 사용되며, 지수가 낮을수록 회전저항이 우수한 것을 나타냄
*연비 성능: 회전 저항을 측정하였고, ISO28580 방법에 따라 측정하였다. RRc 수치가 낮을수록 우수하며, 지수는 RRc 값에서 인덱스로 환산한 값이다.
표 2를 참조하면, 본 발명의 타이어 언더트레드 고무 조성물은 카본블랙 사용량을 줄이고, 탄소나노튜브를 사용한 실시예 1의 경우, 탄소나노튜브를 사용하지 않는 비교예 1에 비하여 연비 성능은 유지되면서도 핸들링 성능과 전기전도성이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서 경도 및 모듈러스의 저하는 나타나지 않았음을 확인할 수 있다.
이러한 타이어 언더트레드 고무 조성물 및 이를 이용하여 제작한 타이어는, 고강성 및 고전도성 다중벽 탄소나노튜브를 기존 필러인 카본블랙 함량을 소폭 감소하는 대신 소량 사용함으로써, 조성물의 히스테리시스(hysteresis)를 유지하면서도, 경도상승 및 전도성을 동시에 확보하여 타이어의 핸들링 성능과 전기전도성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

Claims (6)

  1. 고무 조성물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부의 다중벽 탄소나노튜브를 포함하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조성물이 고무 100 중량부; 상기 고무 100 중량부에 대하여 카본 블랙 40 내지 70 중량부 및 상기 고무 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부의 다중벽 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중벽 탄소나노튜브는 지름이 2.5 ㎛ 이하이고, 길이가 30 ㎛ 이하이고, 밀도가 0.090 g/cm3이하이고, 카본 순도가 95 이상인 것을 특징으로 하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 고무는 천연고무 50 내지 80 중량부 및 합성 고무 20 내지 50 중량부를 포함하되, 상기 합성 고무는 네오디움 부타디엔 고무, 코발트 부타디엔 고무 또는 니켈 부타디엔 고무로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 카본 블랙은 질소 흡착 비표면적이 120 내지 140m2/g이고, 디부틸프탈레이트 (DBP) 흡유량이 120 내지 150cc/100g이고, 요오드가가 90 내지 140m2/g이고, 질소흡착가와 요오드가의 차이가 10 내지 30이고, 응집체 크기 분포가 40 내지 70nm인 것을 특징으로 하는 타이어 언더트레드용 고무 조성물.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 타이어 언더트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조된 타이어.
KR1020180078778A 2018-07-06 2018-07-06 핸들링 성능 및 전기전도성이 향상된 승용차 타이어용 언더트레드 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어 KR20200005265A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111393723A (zh) * 2020-05-28 2020-07-10 江苏通用科技股份有限公司 一种全钢驱动轮胎胎面胶及其制备方法
CN111848849A (zh) * 2020-07-01 2020-10-30 浙江传化合成材料有限公司 镍系顺丁橡胶和稀土系顺丁橡胶的连续制备工艺

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