KR100962626B1 - 타이어 트레드용 고무 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원료 고무 100 중량부, 실리카 20 내지 90 중량부 및 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔 3 내지 10 중량부를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.

본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 저연비 특성이 우수하면서도 제반 특성이 유지된다.

타이어 트레드, 실리카, 이소시아네이트, 폴리부타디엔

Description

타이어 트레드용 고무 조성물{Rubber composition for tire tread}

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 저연비 특성이 향상된 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.

지구 온난화 문제에 대한 문제 및 원유 매장량 감소 등의 원인으로 타이어를 포함한 자동차 산업에서 CO₂ 배출량 감소, 석유에너지 사용감소 및 대체에 대한 노력이 활발히 진행되고 있다. 특히 유럽에서는 자동차의 CO₂ 배출량에 대한 법안이 준비 중이며 이에 대응하기 위한 자동차 관련 업종의 노력이 두드러진다. 이러한 이유로 인하여 타이어 산업에서는 저연비 타이어의 중요성이 크게 대두되고 있으며, 저연비 특성의 현재 실리카 (Silica) 타이어 수준에서 보다 향상시키고자 많은 개발과 연구가 진행 중이다. 타이어의 저연비 특성을 높이기 위하여는 경량화를 비롯한 구조적인 방법과 함께 배합고무 자체의 발열특성을 감소시킴으로써 실현이 가능하며 이에 대한 관련 업종들의 연구가 활발히 진행되고 있다.

카본 블랙이 보강성 충진제로 사용되는 배합고무는 카본 블랙과 배합고무간의 물리적 결합을 이루어 변형을 받을 경우에 물리적 결합의 해리 및 이동이 발생 하고 이에 의하여 히스테리시스가 생성되며 저발열 특성에 불리한 요인으로 작용한다. 이를 해결하고자, 실리카 배합고무로서 실리카를 보강성 충진제로 사용하며 고무와 실리카간의 화학적 결합을 유도하는 커플링제를 적용한다. 고무와 충진제간의 화학적 결합은 일반적인 변형이 가해졌을 때 결합의 해리 및 이동이 발생하지 않으므로 우수한 저연비 특성을 나타낸다. 하지만 카본블랙과 달리 실리카는 표면에 친수성기를 지니므로 고무와의 상용성이 떨어지고 고무 내 분산이 어려우며 분산성이 떨어질 경우 저연비 특성 등 타이어용 배합고무의 성능을 감소시키는 요인이 되므로 분산성을 향상시키는 것이 관건이다. 물론 커플링제의 사용으로 실리카 표면을 소수화시켜 분산성이 향상되나 일반적으로 사용되고 있는 설파이드계 커플링제는 실리카와 실리카간의 화학적 결합을 형성하는 일명 실란브릿지 (Silane Bridge)현상이 부반응으로 발생하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 저연비 특성을 향상시키면서도, 제반 특성이 유지된 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원료 고무 100 중량부, 실리카 20 내지 90 중량부 및 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔 3 내지 10 중량부를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.

본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 저연비 특성이 우수하면서도 제반 특성이 유지된다.

이하에서 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 원료 고무 100 중량부, 실리카 20 내지 90 중량부 및 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔 3 내지 10 중량부를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.

본 발명에서는 타이어 트레드 조성물에 대하여 저연비 특성을 향상시키고자 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔을 사용함으로써 저연비 특성이 우수하면서도 제반특성이 유지된 고무조성물을 제공한다. 즉, 본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물에서는 실리카 표면의 하이드록실기와 강한 인력을 나타내거나 화학적 반응을 통하여 우레탄 결합을 이룰 수 있는 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔을 사용함으로써 저연비 특성이 우수하면서도 제반 특성이 유지된다.

상기 원료 고무는 통상의 타이어 타이어 트레드용 고무 조성물에서 사용되는 디엔계 폴리머이며, 각별히 한정되는 것은 아니다. 구체적으로 예를 들면, 스티렌-부타디엔 고무, 부타디엔 고무 등을 들 수 있고, 이들을 적당한 혼합비로 혼합하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 60 내지 100 중량% 및 부타디엔 고무 (BR)은 0 내지 40 중량%를 포함하는 원료 고무를 사용할 수 있다.

본 발명의 타이어 타이어 트레드용 고무 조성물은 보강제로서 실리카를 사용 하고, 그 함량은 원료 고무 100 중량부에 대해 약 20 내지 약 90 중량부이다.

본 발명에서는 특별히 조성물의 저연비 특성을 향상시키고자 고무와 수지의 복합체인 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔을 사용한다. 상기 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔은 폴리부타디엔 1개의 분자의 양 끝단의 수소가 이소시아네이트로 치환된 저분자량의 폴리머로서 이소시아네이트로는 MDI (Modified diphenylmethane diisocyanate), TDI(Toluene diisocyanate) 등을 사용할 수 있으며, 이소시아네이트의 함량은 약 5 내지 약 20 중량%이 바람직하다. 만약 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔내의 아이소시아네이트의 함량이 5 중량% 미만이면 아이소시아네이트에 의한 실리카와의 친화력이 약해질 수 있으며, 20 중량% 초과하면 다른 제반물성을 떨어뜨릴 수 있다는 문제가 있다.

상기 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔은 타이어 트레드용 고무 조성물 내의 실리카 표면의 하이드록실기와 원료 고무 배합 중에 우레탄 결합을 형성할 수 있으며, 이러한 우레탄 결합을 이루지 못한 부분은 실리카와 강한 상호작용을 지니게 되어 실리카의 소수화 효율이 우수하므로 원료 고무 내의 실리카의 분산효과가 우수하다. 또한, 소수화된 실리카 표면의 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔이 가류시 원료 고무와 가교 결합을 이루는 이점이 있으며, 실란 커플링제 사용량을 감소시키거나 대체할 수 있으므로 실리카와 실란 커플링제간의 반응에서 발생하는 에틸알코올과 같은 탄화수소의 발생을 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물에 포함된 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔의 중량 평균 분자량은 약 2000 내지 10000 정도이다.

본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물 중 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔의 함량은 원료 고무 100 중량부 기준으로, 3 내지 10 중량부이다. 만일 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔의 함량이 원료 고무 100중량부 기준으로 3 중량부 미만이면 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔에 의한 실리카 표면의 소수화 효율이 감소하여 분산성 향상이 미미하며 10 중량부를 초과하면 저연비 특성을 제외한 다른 제반 물성을 저하하는 문제가 있을 수 있다.

본 발명의 타이어 트레드 조성물은 고무 조성물 배합시 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔 이외에 추가적으로 통상의 커플링제, 가황제인 유황, 가류활성제인 산화아연, 스테아린산, 연화제로서 오일, 가황촉진제, 노화방지제 등을 포함할 수 있다.

이하, 실시예에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 하기와 같고 본 발명의 보호범위가 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

하기 표 1에서와 같은 조성으로 배합제를 반바리 믹서에서 배합하여 150℃에서 방출하여 고무 조성물을 제조하였으며 미가류 물성 및 얻어진 고무시편을 160℃에서 가류하여 물성시험을 하였다.

고무 조성물 배합비

	비교예	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5
S-SBR	70	70	70	70	70	70
BR	30	30	30	30	30	30
실리카	80	80	80	80	80	80
TESPT	8	8	5	5	3	-
이소시아네이트 말단변성 폴리부타디엔	-	3	3	5	5	10
가공조제	4	-	-	-	-	-
연화제	35	35	35	35	35	28
산화아연	3	3	3	3	3	3
스테아린산	1	1	1	1	1	1
노화방지제(6C)	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5
DPG	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5
유황	1.1	1.3	1.3	1.5	1.5	1.8
CBS	2	2	2	2	2	2
(주) 　　 S-SBR : Tg(유리전이온도)가 -25~20℃인 스타이렌-부타디엔 고무 　 BR : Tg(유리전이온도)가 -105~-110℃인 부타디엔 고무 　 실리카 : Ultrasil 7000Gr(Evonic AG) 　 TESPT : Si69(Degussa) 　 이소시아네이트 말단변성 폴리부타디엔(Isocyanate Teminated Polybutadiene) : 분자량 2000~10000 노화방지제(6C) : N-1,3-디메틸부틸-N-페닐-p-페닐렌디아민 　 DPG : 디페닐렌구아니딘 　 CBS : N-사이클로헥실-2-벤조티아질 설펜아마이드

상기 표 1의 비교예와 실시예에 따라 얻어진 고무시편의 물성을 나타내었고, 하기 표 2는 마모 Index는 람본 마모도비로서 상온에서 미끄럼비 25%, 하중 1.5kg에서 회전시켜 마모된 고무의 손실량을 비교예를 100으로 하여 나타낸 값으로 수치가 높을수록 우수한 마모성능을 나타낸다.

* 마모 Index = (비교예의 마모량/ 실시예의 마모량) × 100

0℃ Tan δ 는 젖은 노면 제동 성능을 나타내는 척도로서 수치가 높을수록 우수한 것을 의미하며, 60℃ Tan δ는 60℃에서의 회전저항을 나타내는 척도로서 수치가 낮을수록 우수한 저연비 특성을 나타낸다.

탄화수소 배출량은 가류된 배합고무 시편 일정량을 160℃에서 일정시간 보관하며 배출된 휘발분을 포집하여 농도를 측정하여 Index화 하였으며 수치가 낮을수록 탄화수소 배출량이 적음을 의미한다.

* 탄화수소 배출량 Index = (실시예의 휘발분 농도/ 비교예의 휘발분 농도) × 100

물성시험 결과

	비교예1	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
300% Modulus	110	110	108	112	107	106
마모 Index	100	98	102	106	105	110
0℃ Tan δ	0.255	0.262	0.258	0.263	0.259	0.261
60℃ Tan δ	0.125	0.112	0.115	0.108	0.107	0.098
탄화수소 배출량 Index	100	95	80	70	50	40

상기 표 2에 의하면 비교예 대비 이소시아네이트 말단변성 폴리부타디엔을 사용한 실시예의 물성 결과 제반물성은 유지하면서 60℃ Tan δ가 비교예 대비 우수한 특성을 나타내었다.

본 이소시아네이트 말단변성 폴리부타디엔을 사용함으로서 실리카 배합고무의 탄화수소 배출의 가장 큰 원인 중 하나인 커플링제의 사용량을 감소 또는 대체시킴과 동시에 저연비 특성을 향상시킬 수 있었다.

위에서 상세하게 설명한 바와 같이 본 발명에 따라 이소시아네이트 말단변성 폴리부타디엔을 사용함으로서 커플링제의 함량을 감소 또는 대체시키고 저연비 특성을 향상시킬 수 있으므로 타이어 트레드용 조성물로서 유용하다.

Claims (4)

1. 원료 고무 100 중량부;

   실리카 20 내지 90 중량부; 및

   이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔 3 내지 10 중량부를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔의 중량 평균 분자량은 2000 내지 10000인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
3. 제1항에 있어서, 상기 이소시아네이트 말단 변성 폴리부타디엔의 이소시아네이트의 함량이 5 중량% 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
4. 제1항에 있어서, 커플링제, 가황제인 유황, 가류활성제인 산화아연, 스테아린산, 연화제로서 오일, 가황촉진제 및 노화방지제로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.