KR920004783B1 - 저연비성 타이어 트레드용 고무 조성물 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

저연비성 타이어 트레드용 고무 조성물

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 타이어의 회전저항을 감소시키는데 효과적인 히스테리시스(Hysteresis)가 적은 저연비성 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 타이어의 특성은 타이어트레드부에 사용되는 고무재료의 에너지 손실 특성에 의존하는 것이 상당하다고 여겨지고 있으므로 타이어의 회전저항을 감소시키기 위해서는 트레드부에 사용되는 고무의 물성중 히스테리시스를 감소시키기 위한 연구가 이루어지고 있는 설정이다.

따라서 최근 자동차의 저연비성, 특히 타이어의 회전저항을 감소시킬 수 있는 방법이 강력하게 대두되고 있다.

타이어의 회전저항을 감소시키는데 사용되는 타이어의 트레드부에 사용되는 고무는 차량의 주행시 타이어가 받는 동적응력에 의한 에너지의 손실을 적게하여야 하는 것이 필수적이므로 이에 적합한 특성들은 고무재료 시험으로써 반발탄성을 포함한 각종 동적특성으로 회전저항을 예측하여 평가할 수 있고 이러한 반발특성이나 동적특성을 50-70℃의 온도에서 평가한 특성치가 실제 차량의 주행상태를 고려할 때 회전저항과 가장 타당성이 있는 것으로 평가되고 있다.

상술한 바와같이 고무의 물성이 개선되어 별도의 특성이 부여된 고무의 제조를 위한 종래의 방법으로는 Improve of Tire Traction with Chloro-butyl Rubber(Tire Science and Technology, May 1973, 190-210면)에서 R.C.Keller가 밝힌 할로겐 함유 폴리이소부틸렌이소프렌 고무와 천연고무 및 디엔계 합성고무의 혼합물중 할로겐화 부틸고무와 천연고무 또는 시스 1, 4 결합단위가 적어도 90%이상인 폴리이소프렌고무와 1, 2결합단위가 20%이하인 폴리부타디엔 고무를 주재로한 일정한 비율의 고무 브렌드가 진동저항 및 웨트제동성 성능이 높고 내마모성도 우수하다는 것을 이용한 일본국 특허출원 제79-42011호가 있으나, 이 방법은 트레드부 사용 고무 재료의 물성을 어느 정도 개선한 것이기는 하나 히스테리시스에 관해서는 더욱 개선 시킬 필요가 있는 것이고, 또 다른 방법으로는 염소 또는 브롬을 함유하는 폴리이소부틸렌이소프렌고무와 폴리부타디엔 고무의 혼합물 합계 100중량부에 대하여 카본블랙 40-70중량부와 가황촉진제, 황등을 배합, 혼련하여 타이어트레드용 고무 조성물을 제조하는 방법에 있어서, 제 1단 혼련으로 고무성분 40-70중량부를 사용하고 이 고무성분이 염소 또는 브롬을 함유한 폴리이소부티렌이소프렌 고무와 함께 폴리부타디엔 고무의 전배합량중 적어도 5%를 포함하고 이 고무성분에 대하여 카본블랙을 90%이상 첨가하여 혼련한 다음, 2단 혼련으로서 상기 고무성분과 함께 카본블랙 잔량을 1단 혼합물에 첨가함으로써 반발탄성과 웨트스키드 저항을 향상시킨 국내특허공고번호 제 84-1191호가 있다.

그러나 이 방법에서도 웨트스키드 저항과 마모저항은 어느정도 해결된 것이나 히스테리시스에 대해서는 더욱 개선의 필요가 있는 것이었다.

한편, W.M.Hess 및 W.K.Klamp 등은 Amercian Chemical Society(ACS) 122TH Meeting Paper No. 64에서 카본블랙 특성중 요오드흡수가 증가하면 히스테리시스는 커지나 일정한 에너지 입력(input)에 대한 효과는 크지 않았으며 일정한 강도(Stress)에서 카본블랙의 구조가 커질수록 히스테리시스는 작아진다고 밝힌바 있어, 결국 고무조성물의 히스테리시스는 사용되는 고무원료 뿐만 아니라, 카본블랙의 표면 특성 및 콜로이달(Colloidal) 특성에 좌우되며 카본블랙 입자가 커질수록, 또한 구조가 커질수록 반발특성은 작아진다는 것이며 W.K.Klamp는 Society of Automotive engineering(SAE) conference proc. 1977. 4에서 승용차 주행시 타이어 부분에서 소비되는 연료는 전체 연료소모량의 20%정도이며 타이어 트레드부의 회전 저항에 미치는 영향은 30-70%정도로 결국 타이어의 트레드가 차량의 연료소모에 최고 14%까지 점유한다고 밝히고 있어 타이어트레드부에 사용하는 고무의 중요성을 강조한 바 최근에는 히스테리시스가 적은 타이어트레드의 조성물을 얻기 위해서 용액 중합된 SBR 및 비닐함량이 높은 부타디엔 고무를 사용하여 히스테리시스가 적으면서 스키드 저항이 큰 조성물을 얻기 위한 연구가 진행되고 있는 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 종래의 방법만으로는 정도의 한계가 있고 정도 이상의 저연비용 타이어 트레드를 얻을 수 없었던 것을 본 발명에서는 특수한 특성을 가진 배합조성비 및 특수한 배합재료를 사용하여 고무조성물을 제조함으로써 종래의 방법보다는 현저히 타이어의 회전저항을 감소시킬 수 있는 고무조성물을 제공하는데 있는 것이다.

즉, 본 발명은 용액 중합된 스티렌 부타디엔 고무와 비닐함량이 높은 부타디엔 고무 및 천연고무를 주원료로 한 원료고무 성분과 카본블랙 및 실리카로 구성되는 고무 조성물중 특수한 물성을 갖는 카본블랙 및 실란 커블링 에이전트(Silane Coupling agent)를 적당 비율 혼합한 비율 혼합한 실리카를 사용하여 히스테리시스가 적은 고무 조성물을 제공코저한 것이다.

다음에서 본 발명을 좀더 구체적으로 기술한다.

일단 고무 조성물을 얻기 위하여 천연고무 10-50중량부, 용액중합된 스틸렌 부타디엔고무 10-50중량부, 비닐함량이 40-70%인 부타디엔고무 30-50중량부와 전체 고무성분에 대하여 요오드가 50-90㎖/g이고, DBP가 120-150cc/g이며, 틴트(Tint)강도(IRB#3비교)가 90-100인 카본블랙을 30-80중량부, 실리카를 5-30중량부를 사용하여 이에 상응하는 10-15%의 실란 커플링 에이전트를 첨가하여 트레드용 고무조성물을 얻고 그것을 시험한 결과, 통상 배합물에 비하여 히스테리시스를 낮게 할 수 있었다.

즉, 상기에서 비닐함량 40-70%인 부타디엔고무(BR)를 사용하므로서 회전저항도 감소시킬 수가 있고, 웨트 스키드(Wet Skid)의 감소를 막을 수가 있는 특징을 부여하기 위한 것이었다. 또 실리카는 회전저항이 적은 장점 때문에 소량 사용한 것이며, 커플링 에이전트는 실리카의 보강작용을 위하여 첨가한 것이다.

본 발명에서 카본블랙을 30-80중량부로 한정하는 것은 30중량부 이하일 경우 카본블랙의 농도가 낮아져서 트레드고무 조성물로 합당치 못하며 80중량부 이상일 경우에는 히스테리시스가 상승하여 본 발명의 효과가 상실되었고 사용된 카본블랙의 특성중 요오드가가 50㎎/l 이하이거나 DBP가가 120cc/g이하인 경우에는 마모특성이 현저히 증가하는 단점이 발견되었고, 요오드가가 90㎎/l 이상이고 DBP가가 150cc/g 이상인 경우에는 히스테리시스가 커지는 단점이 있었다.

또 필요에 따라서는 프로세스유를 최고 30중량부까지 첨가하므로서 혼련조작을 용이하게 할 수 있으나, 이 양을 초과하면 본 발명의 효과가 상실되었다.

상술한 고무성분의 적합한 사용범위는 타이어 트레드 조성물이 적절한 스키드 저항의 평형을 유지하면서 내마모성을 크게 해치지 아니하고 높은 회전 저항의 감소를 얻을 수 있는 범위이며 여기에 회전저항을 크게 감소시킬 수 있는 특성을 가진 보강제를 첨가한 것이다.

본 발명의 성분비율을 식으로 나타내면 다음과 같다.

즉, 고무성분중 천연고무를 X, 용액중합된 스티렌 부타디엔고무를 Y, 비닐함량이 높은 부타디엔을 Z로 하면

10

X

50………………………………………………………………(1)

10

Y

50………………………………………………………………(2)

0＜Z

50…………………………………………………………………(3)

X+Y+Z=100………………………………………………………………(4)

상기 관계식을 만족하는 고무의 범위가 본 발명을 구성하는 원로고무에 적합한 범위이다.

또한, 보강제의 성분 비율은 카본블랙을 A, 실리카를 B, 실란 커플링 에이전트를 C로 하면

30

A

80……………………………………………………………………(5)

0

B

30………………………………………………………………………(6)

30

A+B

80…………………………………………………………………(7)

C=B×(0.1-0.15)………………………………………………………………(8)

로 표현되며 이에 속하는 조성범위가 보강제의 적합한 범위가 된다.

타이어 트레드용 고무는 경도가 55-75이어야 하므로 본 발명에서 사용되는 원료 고무 및 카본블랙의 양은 트레드 고무의 특성을 가지는 범위를 택하여 사용해야 한다. 트레드 고무의 경도가 55미만일 경우, 히스테리시스는 적으나 마모특성 및 웨트스키드 저항이 현저하게 저하되므로 적합하지 않으며 75이상일 경우 히스테리시스가 커진다.

또한 원료고무는 트레드 마모저항 및 웨트스키드 저항은 크게 저하시키지 않고 히스테리시스가 적어야 하는바, 천연고무, 용액 중합된 스티렌 부타디엔 고무, 비닐함량이 높은 부타디엔 고무 등이 적합하며 이것을 적당 비율 혼합하였을 때 큰 효과가 있는 것으로 확인되었다.

실리카 및 실란 커플링 에이전트를 사용시에는 실리카 양에 대해 10-15%정도의 실란 커플링 에이전트를 카본블랙과 적당한 비율로 혼합하여 평형된 혼련상태로 만들었을때는 마모특성 및 웨트제동성이 크게 저하되지 않고 히스테리시스가 감소되어 본 발명의 목적을 달성할 수 있었다.

본 발명에 사용하는 프로세스유의 양은 30중량부이하, 바람직하게는 20중량부이하의 양을 사용하는 것이 효과적이지만, 일반적으로 반발탄성을 감소시키기 위해서는 소량의 프로세스유를 사용하는 것이 바람직하다.

그러나 가공공정중 혼련시에 고온 발열등의 문제점들을 제거하기 위해서는 30중량부이하, 바람직하게는 20중량부 이하의 프로세스유를 단독으로 사용하여 혼련하거나 유전고무로 함유시켜 사용할 수 있다. 가능한한 히스테리시스를 감소시키기 위해서 프로세스유는 파라핀 조성이 많이 함유된 것이 좋으며 나프렌 계통의 것도 효과적이다.

그러나 방향성분이 많은 것은 히스테리시스를 증가시키는 원인이 되므로 본 발명에 사용되는 프로세스유로는 바람직하지 않다.

본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물에는 고무공업에서 널리 사용되는 배합제 예를들면, 산화아면, 가황촉진제, 가황조제, 프로세스유, 노화방지제 등을 첨가할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의해 제조된 고무조성물은 통상의 방법을 사용하여 타이어 트레드로 성형 가공할 수 있다.

다음의 실시예에서 본 발명을 좀더 구체적으로 설명한다.

[실시예]

본 발명의 타이어트레드용 고무 조성물의 효과를 분명하게 하기 위해, 사용된 원료고무의 특성을 표 1에 기재하였다.

[표 1]

카본블랙도 종래의 타이어트레드용 고무 제조방법에서 사용하던 카본블랙과는 특성이 전혀 다른 카본블랙을 사용하였으며 본 발명에 사용된 카본블랙 A와 B는 요오드가가 50-80㎖/g이고 DBP가가 120-150cc/100g이며 틴트강도가 90-100인 것이다.

대조구인 카본블랙과 본 발명에서 사용된 카본블랙의 표면특성치 및 클로이달(Colloidal)특성치를 표 2에 기재하였다.

[표 2]

각 원료 고무 배합비율은 표 3-표 9에 기재하였으며 혼련은 소형 반뷰리믹서(5리터용적)을 사용하여 실시하였다. 혼련조건은 최소 반뷰리 챔버 온도 80℃, 회전수 40rpm으로 하고 온도가 150℃가 되었을 때 고무를 꺼내어 일차 시팅하였다. 반뷰리 혼합기를 사용하는 1차 혼련은 2차 혼련에 사용하는 고무성분을 제외한 고무성분을 처음에 투입하고 30초간 혼합한 후에 가황촉진제, 지연제, 가류제를 제외하고 카본블랙 및 기타 배합제를 투입하여 6분동안 혼련을 완료하였다.

이와 같이 조제한 1차 혼련물을 100℃로 조정한 10인치로울에 감고 원료고무를 6분간에 걸쳐 2차 혼련을 행하였으며 가황촉진제와 유황은 로울로 4분간 걸려서 혼합하여 약 2.5㎜두께의 고무 시이트로 하였다.

160℃에서 핫프레스 가황을 20분동안 실시하여 인장실험, 마모실험 및 각종 동력학적인 실험을 실시하였다. 굿리치식 프렉소메타(Goodrich Flexometer)에서의 발열량과(ASTM D623) 수직형 리바운드(Rebound : ASTM D2623) 및 레오 바비이브론(Rheovibron)을 이용한 실험결과 상기에 언급한 동력학적인 실험치 상호간에는 우수한 상관관계가 있음이 확인되었다.

즉, 발열량이 높으면 리바운드는 작아지며 레오바이브론의 탄젠트 델타는 큰 것으로 분석할 수 있다. 표 3과 표 4에는 천연고무와 용액 중합된 스티렌 부타디엔 고무 및 비닐 함량이 높은 부타디엔 고무의 배합비율에 따른 조성물의 물리적인 특성을 기재하였다.

물리적인 특성에 나타난 바와 같이 용액중합된 스티렌 부타디엔 고무비율이 클수록 마모저항은 커지는 반면 천연고무나 비닐함량이 높은 부타디엔 고무 비율이 큰것에 비하여 히스테리시스는 커져서 발열량이 많으며 리바운드가 낮으며 탄젠트 델타는 커지는 현상을 알 수 있다. 따라서 적절한 고무 조성비가 요구되며 적당하게는 천연고무 10-30중량부, 용액 중합된 스티렌 부타디엔 고무 20-40중량부, 비닐 함량이 높은 부타디엔 고무 30-60중량부가 유효하다는 것을 알 수 있다. 표 5에는 카본블랙의 종류에 따른 고무의 물리적인 특성을 기재하였다.

일반적으로 카본블랙의 특성에 따라 고무의 물리적인 특성은 크게 달라지며 카본블랙의 구조가 커지고 표면적이 클수록 항장력은 커지고 신장율은 저하되며 내마모성은 우수하여 진다.

그러나 동력학적인 특성은 구조가 크고 입자가 클수록 히드테리시스가 작아져서 발열은 작아지고 리바운드는 크며 탄젠트 델타도 작어져서 우수한 것임이 확인되었다.

본 발명에 사용된 카본 블랙은 입자가 크며 구조가 커서 히드테리시스가 상당히 작아 저연비성 타이어 트레드용 고무 조성물에 아주 적합하다는 것이 확인되었다.

또한 표 6과 표 7에는 본 발명에 사용된 카본블랙 A와 B의 함량비에 따른 물리적 특성을 기재하였다. 카본블랙의 함량이 적을수록 히스테리시스는 낮아져 저연비성 타이어 트레드용 고무 조성물로 우수하나 내마모성을 고려하면 카본블랙의 유효 함량은 40-60중량부가 바람직한 것으로 확인되었다.

또한 카본블랙의 함량이 많으면 내마모성은 우수하나 히스테리시스가 커져서 적합하지가 않았다. 표 8과 표 9에는 카본블랙 A와 B를 사용하고 실리카를 10-20중량부 사용하여 제조한 조성물에 대한 물리적인 특성을 기재하였다. 실란은 실리카 대비 2.0%와 15%를 사용하여 비교하였다. 그 결과 실리카를 카본블랙 대신 10-20중량부 사용하고 실란을 15% 정도 사용하였을 때 보강성이 우수하며 히스테리시스가 작아진다는 것을 확인하였다.

[표 3]

[표 4]

[표 5]

[표 6]

[표 7]

[표 8]

[표 9]

Claims (1)

1. 천연고무 10-50중량부, 용액중합된 스티렌 부타디엔 고무 10-50중량부로 되는 타이어 트레드용 고무조성물에 있어서, 상기 고무조성물에 비닐함량이 40-70%인 부타디엔고무 30-50중량부를 첨가하고 그 전체 고무성분에 대하여 요오드흡수가가 50-90㎖/g이며, DBP흡수가가 120-150cc/g이고, 틴트강도(IRB #3 비교)가 90-100인, 통상의 트레드용 고무조성 성분인, 카본블랙을 30-80중량부를 첨가한 것에 실리카 5-30중량부 및 상기 실리카에 대하여 실란 커플링 에이전트 10-15중량%를 첨가함을 특징으로 하는 트레드용 고무조성물.