KR101661155B1

KR101661155B1 - 탄소나노튜브를 함유한 타이어트레드 고무조성물

Info

Publication number: KR101661155B1
Application number: KR1020150111736A
Authority: KR
Inventors: 이수민; 고현옥
Original assignee: 금호타이어 주식회사
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2016-09-29

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 함유한 타이어트레드 고무조성물을 개시한다.
본 발명에 따르는 탄소나노튜브를 함유한 타이어트레드 고무조성물은 원료고무 100 중량부에 대하여 카르복실기로 표면개질된 탄소나노튜브와 축중합된 액상 아이소프렌고무 1 내지 15 중량부를 포함하는 특징이 있는데, 이에 의할 때, 분진 발생을 방지하는 등의 설비 추가에 따른 제조비용을 상승을 방지할 수 있고, 동시에 배합공정을 원할하게 할 수 있고 분산성이 우수한 제조공정 구성으로 제조된 고무의 인장특성, 내피로특성과 내마모특성이 향상될 수 있다.

Description

탄소나노튜브를 함유한 타이어트레드 고무조성물{Rubber composite of tyre tread comprising carbon nano tube}

본 발명은 탄소나노튜브를 함유한 타이어트레드 고무조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분진 발생을 방지하는 등의 설비 추가에 따른 제조비용을 상승을 방지할 수 있고, 동시에 배합공정을 원할하게 할 수 있고 분산성이 우수한 제조공정 구성으로 제조된 고무의 인장특성과 마모특성이 향상된 탄소나노튜브를 함유한 타이어트레드 고무조성물에 관한 것이다.

차량에 대한 소비자의 요구사항이 다양해지면서 차량을 지지하면서 이동하는 수단인 타이어에 대한 요구사항 또한 증가하고 있다.

특히 도시와 도시를 연결하는 고속도로와 도시내에서의 자동차 전용도로의 증가로 인해 차량의 고속주행이 증가하고 있으며, 이러한 차량의 고속주행에 따른 조정 안정성 확보가 중요하다.

또한 최근 환경에 대한 관심이 증가하면서 환경영향 관련 자동차의 연비특성 개선을 위해서 타이어의 경량화에 많은 연구가 이루어지고 있다.

타이어의 경량화를 위해서는 타이어 제조시 사용하는 고무조성물의 원재료의 대체 및 타이어의 각종 부위에 대한 두께감소를 통한 경량화가 이루어져야 한다.

특히, 타이어 구조상 제일 중요한 부분은 지면과 직접적으로 접촉하여 타이어 성능을 구현하는 트레드(Tread) 고무이며, 이러한 트레드 고무조성물은 균일한 혹은 가혹한 차량 운행 조건에서도 안정적인 수준의 내마모성, 회전저항, 피로인성, 인장강도를 가져야 한다.

이러한 트레드 고무조성물에 사용되는 보강제 중에서 Carbon은 내마모성, 인장강도 측면의 장점을 가지고 있으며, 특히 탄소나노튜브(CNT)는 전자궤도 sp2 전자배열을 갖고 수십 나노미터의 지름을 가지는 원통형 튜브형태의 물질로, 흑연의 음극상에서 형성된 신소재로서 타노소나노튜브(CNT)는 탄성률은 1~2 TPa(강철의 7배), 인장강도는 30~180 GPa(강철의 100배), 전기전도도는 6,000 S/cm(구리선의 1,000배), 열전도도는 6,000 W/mK(다이아몬드의 2배)의 뛰어난 기계적 물성을 보인다.

타이어 트레드는 거친 주행조건에 안정적인 발열성, 피로특성, 인장강도를 가지는 고무조성물이 적용되어야 하며 CNT는 Carbon 보강제로써 이러한 성능을 향상시킬 수 있고, 고무조성물의 중량감소를 통해 회전저항을 낮추고 연비를 높일 수 있다.

한편 기존의 CNT는 분말상으로 생산되어 낮은 밀도(<0.14 g/mL)와 분진에 대한 배합공정의 영향을 최소화하기 위하여 추가 설비가 필요하는 비용부담이 있었으며, 구체적인 예로, 한국특허등록 제0635603에서는 탄소나노튜브(CNT)를 첨가하여 열전도도 향상을 꾀하였으나 고가의 탄소나노튜브 소재를 사용해야 하는 단점이 있으며 후처리가 안된 응집된 탄소나노튜브 분말은 탄소나노튜브 다발(bundles of CNT) 구조를 그대로 유지하고 있어 이의 분산성 향상을 위해서 기존의 카본블랙 배합공정에 분산첨가제나 가공 조건 등을 변경해야 하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 분진 발생을 방지하는 등의 설비추가에 따른 제조비용을 상승을 방지할 수 있고, 동시에 배합공정을 원할하게 할 수 있고 분산성이 우수한 제조공정 구성으로 제조된 고무의 내피로특성, 인장특성과 내마모특성이 향상된 탄소나노튜브를 함유한 타이어트레드 고무조성물을 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 원료고무 100 중량부에 대하여 카르복실기로 표면개질된 탄소나노튜브와 축중합된 액상 아이소프렌고무 1 내지 15 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 함유한 타이어트레드 고무조성물을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 탄소나노튜브와 액상 아이소프렌고무의 중량비는 0.05:1 내지 0.5:1인 것일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 탄소나노튜브는 그 입자평균지름 1~50㎚, 장방향 길이 0.1 ~ 10㎛, 부피밀도 1.0 ~ 2.0 g/㎤인 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 분진 발생을 방지하는 등의 설비 추가에 따른 제조비용을 상승을 방지할 수 있고, 동시에 배합공정을 원할하게 할 수 있고 분산성이 우수한 제조공정 구성으로 제조된 고무의 인장특성과 마모특성이 향상될 수 있다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

그러나, 이하에서 기재되는 실시예는 본 발명을 설명하는데에 필요한 적절한 내용으로 본 발명에 이에 의하여 한정되게 해석되어서는 아니되며, 당업자의 용이하게 수정, 치환, 변경할 수 있는 범위내에 본 발명이 있음은 자명하다.

본 발명에 따르는 탄소나노튜브를 함유한 타이어트레드 고무조성물은 원료고무 100 중량부에 대하여 카르복실기로 표면개질된 탄소나노튜브와 축중합된 액상 아이소프렌고무 1 내지 15 중량부를 포함하는 특징이 있다.

상기 액상 아이소프렌고무는 탄소나노튜브와 균일한 배합이 용이하여 이후 타이어트레드 원료고무와 혼합시 균일하고 안정적으로 탄소나노튜브를 혼입할 수 있는 웨트마스터배치(Wet master batch)로 이용될 수 있다.

또한, 상기 액상 아이소플렌고무는 호모고분자 형(Homopolymer type)으로 사용되며, 수평균분자량(Mn)이 35000 내지 50000, 유리전이온도(Tg) -60 내지 -70 ℃, 비중 2.0 내지 0.5 g/cc를 사용하며, 이 범위에서 탄소나노튜브와 균일한 혼합이 유리하다.

한편, 상기 표면개질된 탄소나노튜브는 먼저 카르복실기가 첨가되는데, 탄소나노튜브를 부피비 1:2인 질산/황산(HNO₃/H₂SO₄)에 첨가하고, 초음파(Sonication)로 75℃까지 승온시켜 탄소나노튜브 표면을 카르복실화시켜(carboxylation) 준비하고, 이를 액상 이소프렌 고무와 85~90℃분위기에서 축합반응 후 고형화시키고 60℃에서 증류(Evaporation)과정을 거쳐 정제하여 수득하게 된다(Purification).

이를 통하여, 종래 이소프렌 고무가 가지는 낮은 불포화도로 인한 타이어용 원료고무인 천연고무나 합성고무와의 낮은 상용성을 향상시키게 되서, 원료고무, 보강재, 기타 첨가제를 혼합하는 공정에서 균일하게 배합분산이 되어 내피로특성, 인장강도와 마모성능을 향상시킬 수 있게 된다.

상술한 이소프렌 액상 고무는 상기 탄소나노튜브와 1:0.05 내지 1:0.5의 중량비로 혼합될 수 있는데, 1:0.05 미만이면, 타이어 트레드 고무의 다양한 특성 발현이 어려울 수 있으므로, 반대로 1:0.5를 초과하면 특성 발현에 유리할 수 있으나, 비용 증가가 문제될 수 있다.

또한, 상기 탄소나노튜브는 그 단방향 입자평균지름 1 내지 50㎚, 장방향 길이 0.1 ~ 10㎛, 부피밀도 1.0 ~ 2.0 g/㎤인 것일 수 있는데, 이 범위를 벗어나면, 타이어 트레드 고무의 다양한 특성 발현이 어려울 수 있다.

실시예 및 비교예

아래 표1에서와 같은 조성으로 혼합하고 압출하여 타이어트레드 고무를 제조하였다.

(단위: 중량부)

항목	비교예1	비교예2	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
원료고무(NR)	100	100	100	100	100	100	100
카본블랙(filler)	46	46+2(분말 CNT)	46	41	41	41	41
CNT함유 액상 이소프렌 고무	-	-	2	2	2	5	10
산화아연	3	3	3	3	3	3	3
스테아린산	3	3	3	3	3	3	3
노화방지제	1.75	1.75	1.75	1.75	1.75	1.75	1.75
유황	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5
가류촉진제	1	1	1	1	1	1	1
가류지연제	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1

* 비표면적 140 m²/g 이하인 카본블랙 사용

* 액상 이소프렌 고무에 함유된 CNT 복합체에서 복합체에 대하여 CNT 20중량% 사용

* 지름 50 nm 이하, 섬유 길이 10 um 이하, 부피밀도 1.8 g/cm3 이하 CNT 사용

* Homopolymer type으로 수평균분자량 41000, Tg -63℃ 이하, 비중 1.0 g/cc 이하인 LIR 사용

상기 표 1에서 제조한 각각의 고무시편에 대해 무니(Mooney)점도, 가공성(MDR), 인장물성(Tensile), 분산도(Payne Effect), 동적점탄성(DMA), 마모(DIN Abrasion)의 물성을 ASTM 관련규정에 의해 측정하고 그 결과를 아래의 표 2에 정리하여 나타내었다.

항목		비교예1	비교예2	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
무니점도	MV@125℃	58	68	73	63	65	85	109
	T05	25.2	22.5	23.2	23.4	23.5	21.8	14.2
	MV@100℃	73	83	89	78	80	101	123
가공성 (MDR)	TOQ(MAX)	22.7	25.0	25.5	23.1	23.7	28.4	35.8
	T40	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
	T90	1.6	1.6	1.6	1.6	1.6	1.6	1.6
분산도	MaxG	1,571	2,179	2,166	1,695	1,861	2,693	4,346
분산도	△G	996	1,532	1,484	1,083	1,316	1,995	3,563
인장물성	경도	65	68	68	67	67	72	77
	M-300%	141	165	173	149	158	199	248
	T.S	301	307	312	311	319	312	307
	E.B	525	500	494	524	517	467	390
DMA	Tg	-47	-49	-47	-49	-49	-49	-49
	Tand@0℃	0.157	0.169	0.170	0.166	0.158	0.166	0.181
	Tand@70℃	0.127	0.142	0.132	0.138	0.116	0.138	0.166
	E"@22℃	2.4	3.4	3.0	4.9	2.8	4.9	9.3
마모	Loss(g)	0.103	0.106	0.107	0.122	0.111	0.091	0.078
마모	Index	100%	97%	96%	84%	93%	113%	132%
전기전도도	GΩ	137	127	95.2	79.8	87.2	52.6	15.6

상기 표 2를 참고하면, 실시예 1 내지 5에 의한 타이어트레드 고무가 비교예1, 2보다 Modulus가 높으며, 특히 실시예 4,5에서 처럼 5중량부 이상 적용시에 T.S 하락이 없고 마모지수가 향상하며, 비교예1에서 카본블랙만 적용한 고무조성물에 비해서 마모성능이 향상되며, CNT 함량이 높을수록 전기전도도 성능 향상됨을 알 수 있다.

Claims

삭제
원료고무 100 중량부에 대하여 카르복실기로 표면개질된 탄소나노튜브와 축중합된 액상 아이소프렌고무 1 내지 15 중량부를 포함하고,
상기 탄소나노튜브와 액상 아이소프렌고무의 중량비는 0.05:1 내지 0.5:1이며,
상기 액상 아이소프렌고무는 호모고분자형으로, 수평균분자량(Mn)이 35000 내지 50000, 유리전이온도(Tg) -60 내지 -70 ℃, 비중 2.0 내지 0.5 g/cc인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 함유한 타이어트레드 고무조성물.
제 2 항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 그 입자평균지름 1~50㎚, 장방향 길이 0.1 ~ 10㎛, 부피밀도 1.0 ~ 2.0 g/㎤인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 함유한 타이어트레드 고무조성물.