KR20200134691A - 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어 - Google Patents

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어 Download PDF

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Abstract

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것으로서, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무 100 중량부, 그리고 보강성 충진제 70 내지 120 중량부를 포함하며, 상기 원료고무는 천연고무 0 내지 50 중량부, 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무 20 내지 100 중량부 및 부타디엔 고무 0 내지 30 중량부를 포함함으로써, 회전저항과 내마모 성능을 향상시키고, 젖은 노면 및 빙설 노면에서의 핸들링과 제동성능이 동시에 향상시킬 수 있다.

Description

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어{RUBBER COMPOSITION FOR TIRE TREAD AND TIRE MANUFACTURED BY USING THE SAME}
본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것으로서, 회전저항과 내마모 성능을 향상시키고, 젖은 노면 및 빙설 노면에서의 핸들링과 제동성능이 동시에 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것이다.
석유 고갈로 인한 고유가 문제와 더불어 지구 온난화 및 미세 먼지 등으로 인하여 전세계적으로 환경 문제가 큰 이슈가 되고 있다. 이에 자동차 산업에서는 이러한 환경 문제를 개선하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있다. 연비 향상 및 환경오염 물질의 배출량을 감소하기 위하여 자동차 제조사들은 하이브리드 자동차와 전기 자동차의 개발과 함께 출시를 하고 있으며, 기존 자동차 제조사가 아닌 새로운 전기차 제조사들도 생겨나고 있다. 타이어 업계에서는 타이어의 구름 저항에 의한 에너지 손실을 줄여 차량의 연비를 높이기 위해 노력 중이다.
2012년부터 유럽을 시작으로 전 세계적으로 라벨 표기 제도가 시행됨에 따라 젖은 노면에서의 제동성능, 연비 성능, 소음에 대한 등급을 표기하여 소비자들에게 제공하고 있으며, 국내 시장 또한 이러한 세계적인 추세에 맞추어 에너지 소비효율등급제를 실시하고 있다.
이에 타이어 업계에서는 라벨 표기 성능 위주로 제품 개발에 주력하다보니, 한가지 성능의 향상을 위해 다른 성능이 불리해지는 트레이드-오프 (trade-off) 경향이 나타나게 된다. 이러한 성능으로는 소비자의 구매 주기에 영향을 줄 수 있는 내마모 성능, 겨울철 빙설 제동 및 핸들링 성능을 좌우하는 스노우(snow) 성능과 타이어의 장기 안정성을 결정짓는 내피로 성능이 해당된다.
타이어 산업은 유럽 시장의 경우에는 여름용(summer) 타이어와 겨울용 (winter) 타이어로 나누어져 있으며, 북미와 국내는 주로 사계절용(all season) 타이어가 주 판매 시장이다. 최근에는 여름용과 겨울용으로 이분화 되어 있던 환경에서 북미 시장의 발달과 함께 점차 사계절용 타이어로 성장하고 있다. 사계절용 타이어는 여름 뿐만 아니라, 겨울에도 타이어 교체없이 사용하기 때문에 젖은 노면에서의 제동성능과 마모 성능뿐만 아니라 빙설 노면에서의 제동성능이 모두 요구된다. 하지만 이러한 젖은 노면 제동성능 및 마모 성능과 빙설 노면에서의 제동성능은 상반된 성능으로, 젖은 노면에서의 제동성능 향상을 위해 고무 조성물의 유리전이온도를 높이거나 보강제 함량을 높이게 되면 고무 조성물의 기계적 물성은 향상되지만 빙설 노면에서의 제동성능은 저하된다.
일반적인 타이어의 사용 온도 범위는 -20℃ 내지 40 ℃로써 사용 온도 영역대가 넓다. 그러나 이는 고무의 가공을 용이하게 하기위해 사용되는 합성오일이 한여름에 40 ℃까지 올라가는 고온 아스팔트에서 장기 주행 시 트레드 내부에서 용출될 수 있으며, 최종적으로 고무의 탄성적 성질에 변화를 초래하게 되어 타이어 주행 안정성에 위험 요소로 인식되고 있다.
이러한 종래 기술이 가지고 있는 문제점을 극복하기 위하여, 회전저항, 내마모 성능, 젖은 노면 및 빙설 노면에서의 핸들링과 제동성능을 동시에 향상시킬 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물에 대한 기술 개발이 필요하다.
한국공개특허공보 제10-2016-0124822호(2016.10.28)
본 발명의 목적은 회전저항과 내마모 성능을 향상시키고, 젖은 노면 및 빙설 노면에서의 핸들링과 제동성능을 동시에 향상시킨 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 원료고무 100 중량부, 그리고 보강성 충진제 70 내지 120 중량부를 포함하며, 상기 원료고무는 천연고무 0 내지 50 중량부, 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무 20 내지 100 중량부 및 부타디엔 고무 0 내지 30 중량부를 포함하는 것인 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.
상기 트레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무는 유화 중합 또는 용액 중합 스티렌-부타디엔을 이용하여 퍼옥사이드와 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계 기능기를 도입할 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무는 스티렌 함량이 20 내지 50 중량%이고 부타디엔이 포함하는 비닐 함량이 10 내지 40 중량%일 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무는 유리전이온도가 -50 내지 -10℃이고, 상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무 100 중량부에 대하여 10 내지 40 중량부의 오일을 포함할 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 아크릴레이트계 기능기는 2-카복시에틸아크릴레이트(2-carboxyethyl acrylate), 메틸아크릴레이트(methyl acrylate), 에틸아크릴레이트(ethyl acrylate), 에틸렌글리콜메틸에테르아크릴레이트(ethylene glycol methyl ether acrylate), 비닐아크릴레이트(vinyl acrylate), 2-하이드록시에틸아크릴레이트(2-hydroxyethyl acrylate), 이소옥틸아크릴레이트(isooxtyl acrylate), 옥틸아크릴레이트(octyl acrylate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, 상기 메타아크릴레이트계 기능기는 메틸메타아크릴레이트(methyl methacrylate), 2-디에틸아미노데틸메타아크릴레이트(2-(diethylamino)ethyl methacrylate), 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리에틸렌글리콜메타아크릴레이트(poly(ethylene glycol)methacrylate), 하이드록시프로필메타아크릴레이트(hydroxypropylmethacrylate), 에틸렌글리콜메틸에테르메타아크릴레이트(ethlyene glycol methyl ether methacrylate), 2-디메틸아미노에틸메타아크릴레이트(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate), 2-디에틸아미노에틸메타아크릴레이트(2-(diethylamino)ethyl methacrylate), 글리시딜메타아크릴레이트(glycidyl methacrylate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 부타디엔 고무는 시스-1,4-부타디엔 함량이 90 중량% 이상이고, 유리전이온도가 -100 내지 -120℃일 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 보강성 충진제는 카본블랙 5 내지 20 중량부 및 실리카 65 내지 100 중량부를 포함할 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 실리카는 질소 흡착 비표면적인 160 내지 180㎡/g이고, CTAB 흡착 비표면적이 150 내지 170 ㎡/g 인 고분산성 실리카일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 회전저항과 내마모 성능을 향상시키고, 젖은 노면 및 빙설 노면에서의 핸들링과 제동성능이 동시에 향상된 타이어를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어, 정도의 용어 '약', '실질적으로', '정도' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무, 그리고 보강성 충진제를 포함할 수 있다. 특히, 원료고무로 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔를 포함함으로써, 스티렌-부타디엔 고무의 체인에 극성 기능기를 도입하여 스티렌-부타디엔 고무와 실리카 간의 친화력을 높여 실리카 재응집 현상을 방지하여 실리카의 분산성을 향상시켜 충진제 간의 마찰에 의한 에너지 손실 감소를 유도하여 제반 물성의 악화 없이 구름저항 특성과 타이어 내마모 성능을 향상시킬 수 있다.
이하, 타이어 트레드용 고무 조성물의 각 성분별로 상세히 설명한다.
(1) 원료고무
상기 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 상기 원료 고무는 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무를 포함할 수 있다.
상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무는 그라프팅 에이전트인 퍼옥사이드와 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계 기능기를 사용하여 스티렌-부타디엔 고무를 멜트 그라프팅 하여 기능화한 고무이다.
상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무는 스티레-부타디엔 고무를 고무용 혼합기에 투입하여 혼련 후 라디칼을 공급할 수 있는 퍼옥사이드와 중합금지제를 정제처리한 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계의 기능기를 투입하여 150℃ 이상의 온도에서 5분 내지 10분 가량 혼련을 통한 멜트 그라프팅 방법을 통해 제조할 수 있다.
최근 저연비 타이어를 개발하기 위하여 실리카의 분산성을 향상시키고자 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무가 많이 사용되고 있으며, 그 중에서 특히 말단에 극성기를 부여한 기능화 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무의 사용이 활발하다. 이러한 기능화 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무의 경우 한 쪽 말단 혹은 양쪽 말단에만 극성 기능기를 부여하여 실리카와의 친화력을 높이는 효과로 고분자 체인 말단에서 발생하는 히스테레시스를 감소시킬 수 있다. 하지만 기술적 한계로 말단에만 기능기를 부여할 수 있어 실리카 충진제의 분산을 극대화하기에는 한계가 있다.
본 발명의 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무는 멜트 그라프팅 방법을 이용하여 스티렌-부타디엔 고분자 체인의 중간에 극성 기능기를 부여한 것이다. 멜트 그라프팅 방법을 이용할 경우 실리카와 친화성을 가지는 극성 기능기를 멜트 그라프팅을 통한 스티렌-부타디엔 고무 제조 시 투입량에 따라 다양한 함량의 기능기를 부여할 수 있다는 장점이 있다.
멜트 그라프팅 방법을 통한 스티렌-부타디엔 고분자 체인에 극성 기능기를 도입하면, 친수성 실리카와 친유성 고무 간에 극성 차이로 인한 분산성 저하를 기능기 도입을 통하여 고무와 실리카 간의 친화력을 높일 수가 있다. 친화력이 향상된 실리카 고무 조성물의 경우 고무와 실리카 간의 결합력 상승으로 인하여 고무 조성물을 보관중이거나 가류 초기에 발생하는 실리카의 재응집 현상을 방지하여 실리카의 분산성을 향상시킬 수 있다. 실리카의 분산성이 향상되면 충진제 간의 마찰에 의한 에너지 손실 감소를 유도하여 타이어 조성물의 제반 물성의 악화 없이 구름저항 특성과 타이어 내마모 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 스티렌-부타디엔 고무는 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무(Emulsion-polymerized Styrene Butadiene Rubber, 이하 'E-SBR'라 한다) 또는 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무(Solution-polymerized Styrene Butadiene Rubber, 이하 'S-SBR'라고 한다)를 사용할 수 있다.
상기 아크릴레이트계 기능기는 2-카복시에틸아크릴레이트(2-carboxyethyl acrylate), 메틸아크릴레이트(methyl acrylate), 에틸아크릴레이트(ethyl acrylate), 에틸렌글리콜메틸에테르아크릴레이트(ethylene glycol methyl ether acrylate), 비닐아크릴레이트(vinyl acrylate), 2-하이드록시에틸아크릴레이트(2-hydroxyethyl acrylate), 이소옥틸아크릴레이트(isooxtyl acrylate), 옥틸아크릴레이트(octyl acrylate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 메타아크릴레이트계 기능기는 메틸메타아크릴레이트(methyl methacrylate), 2-디에틸아미노데틸메타아크릴레이트(2-(diethylamino)ethyl methacrylate), 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리에틸렌글리콜메타아크릴레이트(poly(ethylene glycol)methacrylate), 하이드록시프로필메타아크릴레이트(hydroxypropylmethacrylate), 에틸렌글리콜메틸에테르메타아크릴레이트(ethlyene glycol methyl ether methacrylate), 2-디메틸아미노에틸메타아크릴레이트(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate), 2-디에틸아미노에틸메타아크릴레이트(2-(diethylamino)ethyl methacrylate), 글리시딜메타아크릴레이트(glycidyl methacrylate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무는 상기 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계 기능기를 상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무 100 중량부에 대하여 0.5 내지 5.0 중량부를 포함할 수 있다. 상기 기능기가 0.5 중량부 미만일 경우 물성에 큰 차이가 없을 수 있고, 5.0 중량부를 초과하는 경우 컴파운드 가공성에 문제가 있을 수 있다.
상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무는 스티렌 함량이 20 내지 50 중량%이고 부타디엔이 포함하는 비닐 함량이 10 내지 40 중량%일 수 있다. 상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무가 상기 범위의 스티렌과 부타디엔을 포함하는 경우 젖은 노면과 빙설 노면에 대한 제동성능의 향상을 기대할 수 있다는 점에서 바람직하다.
상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무는 유리전이온도가 -50 내지 -10℃일 수 있다. 상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무가 상기 범위의 유리전이온도를 가지는 경우 빙설 노면에 대한 제동성능의 향상을 기대할 수 있다는 점에서 바람직하다.
또한, 상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무는 원고무질 탄성체 100 중량부에 대하여 10 내지 40 중량부의 오일을 함유할 수 있다. 상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무가 상기 범위의 오일을 함유하는 경우 스티렌의 영향으로 저하된 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무의 유연성 상승을 기대할 수 있다는 점에서 바람직하다.
상기에서 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무와 배합될 수 있는 다른 고무로는 타이어 고무 분야에서 사용되는 고무가 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 다른 고무는, 예를 들면, 천연고무, 합성고무 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 천연고무는 일반적인 천연고무 또는 변성 천연고무일 수 있다.
상기 일반적인 천연고무는 천연고무로서 알려진 것이면 어느 것이라도 사용될 수 있고, 원산지 등이 한정되지 않는다. 상기 천연고무는 시스-1,4-폴리이소프렌을 주체로서 포함하지만, 요구 특성에 따라서 트랜스-1,4-폴리이소프렌을 포함할 수도 있다. 따라서, 상기 천연고무에는 시스-1,4-폴리이소프렌을 주체로서 포함하는 천연고무 외에, 예컨대 남미산 사포타과의 고무의 일종인 발라타 등, 트랜스-1,4-이소프렌을 주체로서 포함하는 천연고무도 포함할 수 있다.
상기 변성 천연고무는, 상기 일반적인 천연고무를 변성 또는 정제한 것을 의미한다. 예컨대, 상기 변성 천연고무로는 에폭시화 천연고무(ENR), 탈단백 천연고무(DPNR), 수소화 천연고무 등을 들 수 있다.
상기 원료고무는 상기 천연고무 0 내지 50 중량부를 포함할 수 있다. 이러한 범위에서 적절한 반발 탄성 또는 발열 등의 물성 나타내는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공할 수 있다.
상기에서 합성고무는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 변성 스티렌 부타디엔 고무, 부타디엔 고무(BR), 변성 부타디엔 고무, 클로로 술폰화 폴리에틸렌 고무, 에피클로로 하이드린 고무, 불소 고무, 실리콘 고무, 니트릴 고무, 수소화된 니트릴 고무, 니트릴 부타디엔 고무(NBR), 변성 니트릴 부타디엔 고무, 클로리네이티드 폴리에틸렌 고무, 스티렌 에틸렌 부틸렌 스티렌(SEBS) 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 에틸렌 프로필렌디엔(EPDM) 고무, 하이팔론 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌 비닐아세테이트 고무, 아크릴 고무, 히드린 고무, 비닐 벤질 클로라이드 스티렌 부타디엔 고무, 브로모 메틸 스티렌 부틸 고무, 말레인산 스티렌 부타디엔 고무, 카르복실산 스티렌 부타디엔 고무, 에폭시 이소프렌 고무, 말레인산 에틸렌 프로필렌 고무, 카르복실산 니트릴 부타디엔 고무, 브로미네이티드 폴리이소부틸 이소프렌-코-파라메틸 스티렌(brominated polyisobutyl isoprene-co-paramethyl styrene, BIMS) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
하나의 예시에서 상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무와 배합되는 고무로는 부타디엔 고무가 사용될 수 있다.
상기 부타디엔 고무는, 예를 들면, 시스-1,4 부타디엔의 함량이 90중량% 이상이고, 유리전이온도(Tg)가 -100 내지 -120℃인 고시스 부타디엔 고무(High Cis-Butadiene rubber)일 수 있다. 또한, 상기 부타디엔 고무는 100℃에서의 무니점도가 43 내지 47인 것일 수 있다. 상기 고시스 부타디엔 고무를 사용하는 경우에는 내마모 성능 및 동적 스트레스(Dynamic Stress)하에서의 열축적 제어(Heat Build Up) 면에서 유리한 효과가 있다. 즉, 상기 부타디엔 고무는 분자쇄의 선형성이 높고, 시스-1,4 부타디엔의 함량이 높으며, 분자량 분포가 좁다. 이러한 부타디엔 고무를 사용하는 경우 발열 특성 및 반발 탄성이 우수하다.
상기 부타디엔 고무는, 예를 들면, 상기 원료고무 전체 중량에 대하여 0 내지 30 중량부로 원료고무에 포함될 수 있다. 이러한 범위에서 적절한 기계적 강성 및 내마모성을 나타내는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공할 수 있다.
(2) 보강성 충진제
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 보강성 충진제를 포함할 수 있다. 상기 충진제는 카본블랙, 실리카, 탄산칼슘, 점토(수화규산알루미늄), 수산화알루미늄, 리그닌, 규산염, 활석 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 보강성 충진제는 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 70 내지 120 중량부로 포함될 수 있다. 상기 보강성 충진제가 70 중량부 미만인 경우 고무 조성물의 보강성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 120 중량부를 초과하는 경우 고무 조성물의 혼합 가공성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
(2-1) 카본블랙
상기 카본블랙은 질소 흡착 비표면적(nitrogen surface area per gram, N2SA)이 30 내지 300m2/g일 수 있고, DBP(n-dibutyl phthalate) 흡유량이 60 내지 180cc/100g 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 카본블랙의 질소 흡착 비표면적이 300m2/g을 초과하면 타이어용 고무 조성물의 가공성이 불리해질 수 있고, 30m2/g미만이면 충진제인 카본블랙에 의한 보강 성능이 불리해질 수 있다. 또한, 상기 카본블랙의 DBP 흡유량이 180cc/100g을 초과하면 고무 조성물의 가공성이 저하될 수 있고, 60cc/100g 미만이면 충진제인 카본블랙에 의한 보강 성능이 불리해질 수 있다.
상기 카본블랙의 대표적인 예로는 N110, N121, N134, N220, N231, N234, N242, N293, N299, N315, N326, N330, N332, N339, N343, N347, N351, N358, N375, N539, N550, N582, N630, N642, N650, N683, N754, N762, N765, N774, N787, N907, N908, N990 또는 N991 등을 들 수 있다.
상기 카본블랙은 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 5 내지 20 중량부로 포함될 수 있으며, 상기 카본블랙의 함량이 5 중량부 미만이면 충진제인 카본블랙에 의한 보강 성능이 저하될 수 있고, 20 중량부를 초과하면 고무 조성물의 가공성이 불리해질 수 있다.
(2-2) 실리카
상기 실리카는 질소 흡착 비표면적(nitrogen surface area per gram, N2SA)이 160 내지 180㎡/g이고, CTAB(cetyl trimethyl ammonium bromide) 흡착 비표면적이 150 내지 170㎡/g일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 실리카의 질소 흡착 비표면적이 160㎡/g 미만이면 충진제인 실리카에 의한 보강성능이 불리해질 수 있고, 180㎡/g을 초과하면 고무 조성물의 가공성이 불리해질 수 있다. 또한, 상기 실리카의 CTAB 흡착 비표면적이 150㎡/g 미만이면 충진제인 실리카에 의한 보강성능이 불리해질 수 있고, 170㎡/g을 초과하면 고무 조성물의 가공성이 불리해질 수 있다.
상기 실리카는 습식법 또는 건식법으로 제조된 것을 모두 사용할 수 있으며, 시판품으로는 울트라실 VN2(Degussa Ag사제), 울트라실 VN3(Degussa Ag사제), Z1165MP(Rhodia사제) 또는 Z165GR(Rhodia사제) 등을 사용할 수 있다.
상기 실리카는 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 65 내지 100 중량부로 포함될 수 있다. 상기 실리카의 함량이 65 중량부 미만인 경우에는 고무의 강도 향상이 부족하고 타이어의 제동 성능이 저하될 수 있으며, 상기 실리카의 함량이 100 중량부를 초과하는 경우에는 마모 성능이 저하될 수 있다.
(3) 커플링제
상기 보강성 충진제로서 사용되는 실리카의 분산성 향상을 위하여 커플링제를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 커플링제로는 설파이드계 실란 화합물, 머캅토계 실란 화합물, 비닐계 실란 화합물, 아미노계 실란 화합물, 글리시독시계 실란 화합물, 니트로계 실란 화합물, 클로로계 실란 화합물, 메타크릴계 실란 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있고, 설파이드계 실란 화합물을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 설파이드계 실란 화합물은 비스(2-트리메톡시실릴에틸)테트라설파이드, 비스(3-트리메톡시실릴프로필)테트라설파이드, 비스(4-트리메톡시실릴부틸)테트라설파이드, 비스(2-트리에톡시실릴에틸)테트라설파이드, 비스(3-트리에톡시실릴프로필)테트라설파이드, 비스(4-트리에톡시실릴부틸)테트라설파이드, 비스(2-트리메톡시실릴에틸)트리설파이드, 비스(3-트리메톡시실릴프로필)트리설파이드, 비스(4-트리메톡시실릴부틸)트리설파이드, 비스(2-트리에톡시실릴에틸)트리설파이드, 비스(3-트리에톡시실릴프로필)트리설파이드, 비스(4-트리에톡시실릴부틸)트리설파이드, 비스(2-트리메톡시실릴에틸)디설파이드, 비스(3-트리메톡시실릴프로필)디설파이드, 비스(4-트리메톡시실릴부틸)디설파이드, 비스(2-트리에톡시실릴에틸)디설파이드, 비스(3-트리에톡시실릴프로필)디설파이드, 비스(4-트리에톡시실릴부틸)디설파이드, 3-트리메톡시실릴프로필-N,N-디메틸티오카바모일테트라설파이드, 3-트리에톡시실릴프로필-N,N-디메틸티오카바모일테트라설파이드, 2-트리메톡시실릴에틸-N,N-디메틸티오카바모일테트라설파이드, 2-트리에톡시실릴에틸-N,N-디메틸티오카바모일테트라설파이드, 3-트리메톡시실릴프로필벤조티아졸릴테트라설파이드, 3-트리에톡시실릴프로필벤조티아졸테트라설파이드, 3-트리메톡시실릴프로필메타크릴레이트모노설파이드, 3-트리에톡시실릴프로필메타크릴레이트모노설파이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 머캅토 실란 화합물은 3-머캅토프로필트리메톡시실란, 3-머캅토프로필트리에톡시실란, 2-머캅토에틸트리메톡시실란, 2-머캅토에틸트리에톡시실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 비닐계 실란 화합물은 에톡시실란, 비닐트리메톡시실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 아미노계 실란 화합물은 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-(2-아미노에틸)아미노프로필트리메톡시실란, 3-(2-아미노에틸)아미노프로필트리에톡시실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 글리시독시계 실란 화합물은 γ-글리시독시프로필트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필트리에톡시실란, γ-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, γ-글리시독시프로필메틸디에톡시실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 니트로계 실란 화합물은 3-니트로프로필트리메톡시실란, 3-니트로프로필트리에톡시실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 클로로계 실란 화합물은 3-클로로프로필트리메톡시실란, 3-클로로프로필트리에톡시실란, 2-클로로에틸트리메톡시실란, 2-클로로에틸트리에톡시실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 메타크릴계 실란 화합물은 γ-메타크릴록시프로필 트리메톡시실란, γ-메타크릴록시프로필 메틸디메톡시실란, γ-메타크릴록시프로필 디메틸메톡시실란 및 이들의 조합로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 커플링제는 상기 실리카의 분산성 향상을 위하여 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부로 포함될 수 있다. 상기 커플링제의 함량이 1 중량부 미만일 경우 실리카의 분산성 향상이 부족하여 고무의 가공성이 저하되거나 저연비 성능이 저하될 수 있으며, 20 중량부를 초과하는 경우 실리카와 고무의 상호작용이 너무 강하여 저연비 성능은 우수할 수 있으나 제동 성능이 매우 저하될 수 있다.
(4) 기타 첨가제
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 선택적으로 추가적인 가류제, 가류촉진제, 가류촉진조제, 노화방지제, 연화제 또는 점착제 등의 각종의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 각종의 첨가제는 본 발명이 속하는 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 이들의 함량은 통상적인 타이어 트레드용 고무 조성물에서 사용되는 배합비에 따르는 바, 특별히 한정되지 않는다.
상기 가류제로는 유황계 가류제, 유기 과산화물, 수지 가류제, 산화마그네슘 등의 금속산화물을 사용할 수 있다.
상기 유황계 가류제는 분말 황(S), 불용성 황(S), 침강 황(S), 콜로이드(colloid) 황 등의 무기 가류제와, 테트라메틸티우람 디설파이드(tetramethylthiuram disulfide, TMTD), 테트라에틸티우람 디설파이드(tetraethylthiuram disulfide, TETD), 디티오디모르폴린(dithiodimorpholine) 등의 유기 가류제를 사용할 수 있다. 상기 유황 가류제로는 구체적으로 원소 유황 또는 유황을 만들어 내는 가황제, 예를 들면 아민 디설파이드(amine disulfide), 고분자 유황 등을 사용할 수 있다.
상기 유기 과산화물은 벤조일퍼옥사이드, 디큐밀퍼옥사이드, 디-t-부틸퍼옥사이드, t-부틸큐밀퍼옥사이드, 메틸에틸케톤퍼옥사이드, 쿠멘 하이드로퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(벤조일퍼옥시)헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥사인-3, 1,3-비스(t-부틸퍼옥시프로필)벤젠, 디-t-부틸퍼옥시-디이소프로필벤젠, t-부틸퍼옥시벤젠, 2,4-디클로로벤조일퍼옥사이드, 1,1-디부틸퍼옥시-3,3,5-트리메틸실록산, n-부틸-4,4-디-t-부틸퍼옥시발레레이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 가류제는 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 0.5 내지 4.0 중량부로 포함되는 것이 적절한 가황 효과로서 원료고무가 열에 덜 민감하고 화학적으로 안정하게 해준다는 점에서 바람직하다.
상기 가류촉진제는 가황 속도를 촉진하거나 초기 가황 단계에서 지연작용을 촉진하는 촉진제(accelerator)를 의미한다.
상기 가류촉진제로는 술펜아미드계, 티아졸계, 티우람계, 티오우레아계, 구아니딘계, 디티오카르밤산계, 알데히드-아민계, 알데히드-암모니아계, 이미다졸린계, 크산테이트계 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 술펜아미드계 가류촉진제로는, 예컨대 N-시클로헥실-2-벤조티아질술펜아미드(CBS), N-tert-부틸-2-벤조티아질술펜아미드(TBBS), N,N-디시클로헥실-2-벤조티아질술펜아미드, N-옥시디에틸렌-2-벤조티아질술펜아미드, N,N-디이소프로필-2-벤조티아졸술펜아미드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 술펜아미드계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 티아졸계 가류촉진제로는, 예컨대 2-머캅토벤조티아졸(MBT), 디벤조티아질디설파이드(MBTS), 2-머캅토벤조티아졸의 나트륨염, 2-머캅토벤조티아졸의 아연염, 2-머캅토벤조티아졸의 구리염, 2-머캅토벤조티아졸의 시클로헥실아민염, 2-(2,4-디니트로페닐)머캅토벤조티아졸, 2-(2,6-디에틸-4-모르폴리노티오)벤조티아졸 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 티아졸계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 티우람계 가류촉진제로는, 예컨대 테트라메틸티우람디설파이드(TMTD), 테트라에틸티우람디설파이드, 테트라메틸티우람모노설파이드, 디펜타메틸렌티우람디설파이드, 디펜타메틸렌티우람모노설파이드, 디펜타메틸렌티우람테트라설파이드, 디펜타메틸렌티우람헥사설파이드, 테트라부틸티우람디설파이드, 펜타메틸렌티우람테트라설파이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 티우람계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 티오우레아계 가류촉진제로는, 예컨대 티아카르바미드, 디에틸티오요소, 디부틸티오요소, 트리메틸티오요소, 디오르토톨릴티오요소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 티오우레아계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 구아니딘계 가류촉진제로는, 예컨대 디페닐구아니딘, 디오르토톨릴구아니딘, 트리페닐구아니딘, 오르토톨릴비구아니드, 디페닐구아니딘프탈레이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 구아니딘계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 디티오카르밤산계 가류촉진제로는, 예컨대 에틸페닐디티오카르밤산아연, 부틸페닐디티오카르밤산아연, 디메틸디티오카르밤산아연, 디에틸디티오카르밤산아연, 디부틸디티오카르밤산아연, 디아밀디티오카르밤산아연, 디프로필디티오카르밤산아연, 디벤질디티오카르밤산아연, 헥사데실이소프로필디티오카르밤산아연, 옥타데실이소프로필디티오카르밤산아연, 펜타메틸렌디티오카르밤산아연과 피페리딘의 착염, 디메틸디티오카르밤산나트륨, 디에틸디티오카르밤산나트륨, 펜타메틸렌디티오카르밤산피페리딘, 디메틸디티오카르밤산셀레늄, 디에틸디티오카르밤산텔루늄, 디아밀디티오카르밤산카드뮴 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 디티오카르밤산계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 알데히드-아민계 또는 알데히드-암모니아계 가류촉진제로는, 예컨대 아세트알데히드-아닐린 반응물, 부틸알데히드-아닐린 축합물, 헥사메틸렌테트라민, 아세트알데히드-암모니아 반응물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 알데히드-아민계 또는 알데히드-암모니아계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 이미다졸린계 가류촉진제로는, 예컨대 2-머캅토이미다졸린 등의 이미다졸린계 화합물을 사용할 수 있고, 상기 크산테이트계 가류촉진제로는, 예컨대 디부틸크산토겐산아연 등의 크산테이트계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 가류촉진제는 가류 속도 촉진을 통한 생산성 증진 및 고무 물성의 증진을 극대화시키기 위하여 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 0.5 내지 4.0 중량부로 포함될 수 있다.
상기 가류촉진조제는 상기 가류촉진제와 병용하여 그 촉진 효과를 완전하게 하기 위해서 사용되는 배합제로서, 무기계 가류촉진조제, 유기계 가류촉진조제 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 무기계 가류촉진조제로는 산화아연(ZnO), 탄산아연(zinc carbonate), 산화마그네슘(MgO), 산화납(lead oxide), 수산화 칼륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 유기계 가류촉진조제로는 스테아르산, 스테아르산 아연, 팔미트산, 리놀레산, 올레산, 라우르산, 디부틸 암모늄-올레이트(dibutyl ammonium oleate), 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
특히, 상기 가류촉진조제로서 상기 산화아연과 상기 스테아르산을 함께 사용할 수 있으며, 이 경우 상기 산화아연이 상기 스테아르산에 녹아 상기 가류촉진제와 유효한 복합체(complex)를 형성하여, 가황 반응 중 유리한 황을 만들어냄으로써 고무의 가교 반응을 용이하게 한다.
상기 산화아연과 상기 스테아르산을 함께 사용하는 경우 적절한 가류촉진조제로서의 역할을 위하여 각각 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부 및 0.5 내지 3 중량부로 사용할 수 있다. 상기 산화아연과 상기 스테아르산의 함량이 상기 범위 미만인 경우 가황 속도가 느려 생산성이 저하될 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우 스코치 현상이 발생하여 물성이 저하될 수 있다.
상기 연화제는 고무에 가소성을 부여시켜 가공을 용이하게 하기 위하여 또는 가황 고무의 경도를 저하시키기 위하여 고무 조성물에 첨가되는 것으로, 고무 배합시나 고무 제조시에 사용되는 오일류 기타 재료를 의미한다. 상기 연화제는 가공오일(Process oil) 또는 기타 고무 조성물에 포함되는 오일류를 의미한다. 상기 연화제로는 석유계 오일, 식물유지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 석유계 오일로는 파라핀계 오일, 나프텐계 오일, 방향족계 오일 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 파라핀계 오일의 대표적인 예로 미창 오일 주식회사의 P-1, P-2, P-3, P-4, P-5, P-6 등을 들 수 있고, 상기 나프텐계 오일의 대표적인 예로는 미창 오일 주식회사의 N-1, N-2, N-3 등을 들 수 있으며, 상기 방향족계 오일의 대표적인 예로는 미창 오일 주식회사의 A-2, A-3 등을 들 수 있다.
그러나, 최근 환경 의식의 고조와 함께 상기 방향족계 오일에 포함된 폴리사이클릭 아로마틱 탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, 이하 PAHs라 한다)의 함량이 3 중량% 초과일 때는 암 유발 가능성이 높은 것으로 알려진바, TDAE(treated distillate aromatic extract) 오일, MES(mild extraction solvate) 오일, RAE(residual aromatic extract) 오일 또는 중질 나프텐성 오일을 바람직하게 사용할 수 있다.
특히, 상기 연화제로서 사용하는 오일은 상기 오일 전체에 대하여 PAHs 성분의 총 함량이 3중량% 이하이고, 동점도가 95 이상(210℉ SUS), 연화제 내의 방향족 성분이 15 내지 25중량%, 나프텐계 성분이 27 내지 37중량% 및 파라핀계 성분이 38 내지 58중량%인 TDAE 오일을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 TDAE 오일은 상기 TDAE 오일을 포함한 타이어 트레드의 저온 특성, 연비 성능을 우수하게 하면서도 PAHs의 암 유발 가능성 등의 환경적 요인에 대해서도 유리한 특성을 갖는다.
상기 식물유지로는 피마자유, 면실유, 아마인유, 카놀라유, 대두유, 팜유, 야자유, 낙화생유, 파인유, 파인타르, 톨유, 콘유, 쌀겨기름, 홍화유, 참기름, 올리브유, 해바라기유, 팜핵유, 동백유, 호호바유, 마카다미아너트유, 사플라워 오일, 동유 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 연화제는 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 0 내지 150 중량부로 사용하는 것이 원료고무의 가공성을 좋게 한다는 점에서 바람직하다.
상기 노화방지제는 산소에 의해서 타이어가 자동 산화되는 연쇄반응을 정지시키기 위하여 사용되는 첨가제이다. 상기 노화방지제로는 아민계, 페놀계, 퀴놀린계, 이미다졸계, 카르밤산 금속염, 왁스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
상기 아민계 노화방지제로는 N-페닐-N'-(1,3-디메틸)-p-페닐렌디아민, N-(1,3-디메틸부틸)-N'-페닐-p-페닐렌디아민, N-페닐-N'-이소프로필-p-페닐렌디아민, N,N'-디페닐-p-페닐렌디아민, N,N'-디아릴-p-페닐렌디아민, N-페닐-N'-사이클로헥실-p-페닐렌디아민, N-페닐-N'-옥틸-p-페닐렌디아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 페놀계 노화방지제로는 페놀계인 2,2'-메틸렌-비스(4-메틸-6-tert-부틸페놀), 2,2'-이소부틸리덴-비스(4,6-디메틸페놀), 2,6-디-t-부틸-p-크레졸 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 퀴놀린계 노화방지제로는 2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린 및 그 유도체를 사용할 수 있고, 구체적으로 6-에톡시-2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린, 6-아닐리노-2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린, 6-도데실-2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 왁스로는 바람직하게 왁시 하이드로카본을 사용할 수 있다.
상기 노화방지제는 노화 방지 작용 이외에 고무에 대한 용해도가 커야 하고, 휘발성이 작고 고무에 대하여 비활성이어야 하며, 가황을 저해하지 않아야 한다는 등의 조건을 고려할 때, 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부로 포함될 수 있다.
상기 점착제는 고무와 고무 사이의 접착(tack) 성능을 더욱 향상시켜 주고, 충진제와 같은 기타 첨가제들의 혼합성, 분산성 및 가공성을 개선시켜 고무의 물성 향상에 기여한다.
상기 점착제로는 로진(rosin)계 수지 또는 테르펜(terpene)계 수지와 같은 천연수지계 점착제와 석유수지, 콜타르(coal tar) 또는 알킬 페놀계 수지 등의 합성수지계 점착제를 사용할 수 있다.
상기 로진계 수지는 로진 수지, 로진 에스터 수지, 수소첨가 로진 에스터 수지, 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 테르펜계 수지는 테르펜 수지, 테르펜 페놀 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 석유수지는 지방족계 수지, 산 개질 지방족계 수지, 지환족계 수지, 수소첨가 지환족계 수지, 방향족계(C9) 수지, 수소첨가 방향족계 수지, C5-C9 공중합 수지, 스티렌 수지, 스티렌 공중합 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 콜타르는 쿠마론-인덴 수지(coumarone-indene resin)일 수 있다.
상기 알킬 페놀 수지는 p-터트-알킬 페놀 포름알데하이드 수지 또는 레조시놀 포름알데하이드 수지일 수 있고, 상기 p-터트-알킬 페놀 포름알데하이드 수지는 p-터트-부틸-페놀 포름알데하이드 수지, p-터트-옥틸-페놀 포름알데하이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 점착제는 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 2 내지 4 중량부로 포함될 수 있다. 상기 점착제의 함량이 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 2 중량부 미만이면 접착 성능이 불리해질 수 있고, 4 중량부 초과이면 고무 물성이 저하될 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 통상적인 2단계의 연속 제조 공정을 통하여 제조될 수 있다. 즉, 110 내지 190℃에 이르는 최대 온도, 바람직하게는 130 내지 180℃의 고온에서 열기계적 처리 또는 혼련시키는 제1 단계 및 가교결합 시스템이 혼합되는 피니싱 단계 동안, 전형적으로 110℃ 미만, 예를 들면 40 내지 100℃의 저온에서 기계적 처리하는 제2 단계를 사용하여 적당한 혼합기 속에서 제조할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 트레드(트레드 캡 및 트레드 베이스)에 한정되지 않고, 타이어를 구성하는 다양한 고무 구성 요소에 포함될 수 있다. 상기 고무 구성 요소로는 사이드월, 사이드월 삽입물, 에이펙스(apex), 채퍼(chafer), 와이어 코트 또는 이너라이너 등을 들 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 타이어는 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조된다. 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 타이어를 제조하는 방법은 종래에 타이어의 제조에 이용되는 방법이면 어느 것이든 적용이 가능한 바, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.
상기 타이어는 승용차용 타이어, 경주용 타이어, 비행기 타이어, 농기계용 타이어, 오프로드(off-the-road) 타이어, 트럭 타이어 또는 버스 타이어 등일 수 있다. 또한, 상기 타이어는 레디얼(radial) 타이어 또는 바이어스(bias) 타이어일 수 있으며, 레디얼 타이어인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[제조예: 고무 조성물의 제조]
하기 표 1과 같은 조성을 이용하여 하기의 실시예 및 비교예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 제조하였다. 상기 고무 조성물의 제조는 통상의 고무 조성물의 제조방법에 따랐다.
　 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예4 비교예 1
NR1) 10 10 10 10 10
SBR2 ) - - - - 70
MG-SBR-0.23) 70 - - - -
MG-SBR-0.54) - 70 - - -
MG-SBR-1.05) - - 70 - -
MG-SBR-2.06) - - - 70 -
BR7) 20 20 20 20 20
카본블랙8 ) 5 5 5 5 5
실리카9 ) 90 90 90 90 90
커플링제 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2
합성오일10 ) 20 20 20 20 -
아연화 2 2 2 2 2
노화방지제 6 6 6 6 6
가황제 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7
촉진제 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3
단위: 중량부
1) 천연고무 : 자연에서 얻어지는 고무로서, 화학명은 폴리아이소프렌
2) SBR : 스티렌 함량이 35%, 부타디엔 내의 비닐 함량이 25%이며, Tg가 -35 ℃인 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무(S-SBR), SRAE Oil 37.5 중량부 포함
3) MG-SBR-0.2: 0.2wt% Glycidyl methacrylate(GMA) 도입된 멜트 그라프팅 스티렌-부타디엔 고무
4) MG-SBR-0.5: 0.5wt% Glycidyl methacrylate(GMA) 도입된 멜트 그라프팅 스티렌-부타디엔 고무
5) MG-SBR-1.0: 1.0wt% Glycidyl methacrylate(GMA) 도입된 멜트 그라프팅 스티렌-부타디엔 고무
6) MG-SBR-2.0: 2.0wt% Glycidyl methacrylate(GMA) 도입된 멜트 그라프팅 스티렌-부타디엔 고무
7) BR: 네오디움 촉매로 제조한 부타디엔 고무
8) 카본블랙: 질소흡착가 140 ㎡/g, CTAB값 130 ㎡/g인 카본블랙
9) 실리카:질소흡착가가 175 ㎡/g, CTAB값 160 ㎡/g인 고분산성 실리카
10) 합성 오일: PAHs 성분 총 함량이 3 중량% 이하이고, 동점도가 95 SUS(210 ℉ SUS), 연화제 내 방향족 성분이 20 중량%, 나프텐계 성분이 30 중량% 및 파라핀계 성분이 40 중량% 인 합성 오일
[실험예 1: 제조된 고무 조성물의 물성 측정]
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 고무 조성물을 사용하여 제작한 시트 고무에 대해 그 물성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1
무니점도 88 94 108 115 85
경도 (Shore A) 67 68 70 73 66
300% 모듈러스 (kgf/cm2) 125 129 135 155 120
파단에너지 (kgf/cm2) 290 295 280 265 280
Tg(℃) -19 -19 -19 -19 -19
0 ℃ tanδ 0.365 0.368 0.379 0.382 0.354
60 ℃ tanδ 0.097 0.091 0.088 0.087 0.102
- 무니점도(ML1+4(125 ℃)): Mooney MV2000(Alpha Technology) 기기를 이용하여, 라지 로터(Largy Rotor), 예열 1분, 로터 작동시간 4분, 온도 125 ℃에서 ASTM 규격 D1646에 의해 측정하였다.
- 경도: Shore A 경도계를 사용하여 DIN 53505에 의해 측정하였다.
- 300 % 모듈러스: 300 % 모듈러스는 300 % 신장시의 인장강도로서, ISO 37 규격에 의해 측정하였다.
- 파단에너지: ISO 37 규격에 따라 고무가 파단될 때 에너지를 의미하는 것으로서, 인장시험기에서 시험편이 끊어질 때까지의 변형(Strain) 에너지를 수치로 나타내는 방법으로 측정하였다.
- 점탄성: 점탄성은 ARES 측정기를 사용하여 0.5% 변형에 10Hz Frequency 하에서 -60 ℃에서 70 ℃까지 G＇, G〃, tanδ를 측정하였다.
무늬점도는 고무 복합체의 가공성을 나타내는 지표로, 수치가 높을수록 고무의 점도가 크다는 점을 의미하고, 수치가 낮을수록 미가류 고무의 가공성이 우수함을 나타낸다. 경도는 조정 안정성을 나타내는 것으로 수치가 높을수록 조정 안정성능이 우수한 것을 나타낸다. 300% 모듈러스는 수치가 높을수록 인장특성과 강도가 우수함을 나타낸다. 파단에너지는 수치가 높을수록 마모 성능이 우수함을 나타낸다. Tg는 빙설 노면에서의 제동 특성을 나타내는 것으로 수치가 낮을수록 우수함을 나타낸다. 0 ℃ tanδ는 마른 노면 또는 젖은 노면에서의 제동 특성을 나타내는 것으로 수치가 높을수록 제동 성능이 우수함을 나타내며, 60 ℃ tanδ는 회전저항 특성을 나타내는 것으로서 수치가 낮을수록 저연비 특성이 우수함을 나타낸다.
상기 표 2의 결과를 살펴보면, 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무를 포함하는 실시예 1 내지 4가 멜트 그라프팅으로 기능화 되지 않은 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무를 포함하는 비교예 1에 비해서 300 % 모듈러스가 증가하여 인장특성과 강도가 향상될 것임을 알 수 있으며, 0 ℃ tanδ가 증가하여 마른 노면 또는 젖은 노면에서의 제동 성능이 향상될 것임 알 수 있고, 60 ℃ tanδ가 감소하여 저연비 특성이 향상될 것임을 알 수 있다.
[실험예 2: 타이어 적용시 성능평가]
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 고무 시편에 대하여 물성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
　 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1
회전저항 103 109 111 112 100
젖은 노면 제동성능 106 107 110 111 100
내마모 성능 115 118 118 119 100
상기 표 3의 결과를 살펴보면, 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무를 적용하여 제조한 실시예 1 내지 4는 비교예 1에 비하여 회전저항, 젖은 노면 제동성능, 내마모 성능에서 모두 향상된 효과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 원료고무 100 중량부, 그리고
    보강성 충진제 70 내지 120 중량부를 포함하며,
    상기 원료고무는 천연고무 0 내지 50 중량부, 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무 20 내지 100 중량부 및 부타디엔 고무 0 내지 30 중량부를 포함하는 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무는 유화 중합 또는 용액 중합 스티렌-부타디엔을 이용하여 퍼옥사이드와 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계 기능기를 도입한 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무는 스티렌 함량이 20 내지 50 중량%이고 부타디엔이 포함하는 비닐 함량이 10 내지 40 중량%인 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무는 유리전이온도가 -50 내지 -10℃이고, 상기 멜트 그라프팅 기능화 스티렌-부타디엔 고무 100 중량부에 대하여 10 내지 40 중량부의 오일을 포함하는 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 아크릴레이트계 기능기는 2-카복시에틸아크릴레이트(2-carboxyethyl acrylate), 메틸아크릴레이트(methyl acrylate), 에틸아크릴레이트(ethyl acrylate), 에틸렌글리콜메틸에테르아크릴레이트(ethylene glycol methyl ether acrylate), 비닐아크릴레이트(vinyl acrylate), 2-하이드록시에틸아크릴레이트(2-hydroxyethyl acrylate), 이소옥틸아크릴레이트(isooxtyl acrylate), 옥틸아크릴레이트(octyl acrylate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고,
    상기 메타아크릴레이트계 기능기는 메틸메타아크릴레이트(methyl methacrylate), 2-디에틸아미노데틸메타아크릴레이트(2-(diethylamino)ethyl methacrylate), 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리에틸렌글리콜메타아크릴레이트(poly(ethylene glycol)methacrylate), 하이드록시프로필메타아크릴레이트(hydroxypropylmethacrylate), 에틸렌글리콜메틸에테르메타아크릴레이트(ethlyene glycol methyl ether methacrylate), 2-디메틸아미노에틸메타아크릴레이트(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate), 2-디에틸아미노에틸메타아크릴레이트(2-(diethylamino)ethyl methacrylate), 글리시딜메타아크릴레이트(glycidyl methacrylate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 부타디엔 고무는 시스-1,4-부타디엔 함량이 90 중량% 이상이고, 유리전이온도가 -100 내지 -120℃인 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보강성 충진제는 카본블랙 5 내지 20 중량부 및 실리카 65 내지 100 중량부를 포함하는 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 실리카는 질소 흡착 비표면적인 160 내지 180㎡/g이고, CTAB 흡착 비표면적이 150 내지 170 ㎡/g 인 고분산성 실리카인 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어.
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