KR101918174B1 - 나노 충진제가 내포된 nsbr 고무를 이용한 타이어 트레드 고무 조성물 - Google Patents

나노 충진제가 내포된 nsbr 고무를 이용한 타이어 트레드 고무 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타이어 트레드용 고무조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 대한 것으로서, 나노카본을 내포하는 합성고무인 나노카본-고무복합체를 원료고무의 일부로 포함한다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 타이어의 연비성능의 하락없이 제동성능과 마모성능이 향상되는 우수한 효과가 있다.

Description

나노 충진제가 내포된 NSBR 고무를 이용한 타이어 트레드 고무 조성물 {Tire tread rubber composition using NSBR containing Nano Materials}
본 발명은 나노카본-고무복합체를 포함하는 타이어 트레드용 고무조성물에 관한 것이다.
타이어는 타이어를 구성하는 부위에 따라 서로 다른 특성이 있어야 하는데 지면에 접촉하여 차량의 이동, 제동 등에 직접적인 영향을 미치는 타이어의 트레드 부위는 주행성능과 제동성능이 중요하며, 타이어의 내마모성, 연비에 영향을 주는 회전저항, 그리고 인장강도 등의 특성이 우수해야 한다.
타이어 트레드 컴파운드에 사용되는 합성고무는 통상적으로 스티렌 부타디엔고무(Styrene Butadiene Rubber ;SBR)로 스티렌과 부타디엔의 중합방법에 따라 조성을 다양하게 변화시킬 수 있어 제동, 마모와 연비 특성이 우수하도록 다양하게 설계되어 왔다. 그런데, SBR은 스티렌과 부타디엔의 비닐 함량이 증가할수록 제동성능은 우수해지지만, 이와 상반되는 마모와 연비 특성은 하락하게 되는 문제가 있다.
근래에는 제동 성능이 우수한 합성고무와 마모와 연비성능이 우수한 합성고무를 혼용하여 타이어 성능을 향상시키는 기술이 다수 개시되어 있다. 그러나 스티렌과 비닐의 함량에 따라 고무간 혹은 고무와 충진제간 상용성에 영향을 주어 혼합이 어렵고, 오히려 제동특성이 하락하며, 마모와 연비성능이 급격하게 떨어지기도 한다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 다양한 연구가 이루어지고 있으며, 혼합성을 향상시킨 변성 SBR 제품과 첨가제를 사용하여 타이어 고무 제조에 활용하고 있다. 그러나, 원하는 성능을 맞추기 위해 많은 재료가 사용되면서 재료비뿐만 아니라 배합 작업이 어려워지며, 실제 원하는 성능에 부응하기도 어려워 요구하는 성능 중 한가지 이상은 포기해야 하는 경우가 생긴다. 예를 들어, 스티렌과 부타디엔으로 이루어진 SBR에 니트릴(Nitrile)을 첨가하여 중합한 NSBR이 활용되고 있는데(특허문헌 0001) NSBR의 CN기의 극성에 의한 충전제인 실리카의 분산력 향상과 유리 전이 온도의 상승으로 인하여 제동 성능은 크게 향상되는 반면에 마모 성능과 연비 성능에 불리하게 작용 되는 문제점이 있다. 또한, 타이어 고무의 마모 성능 향상을 위하여 니트릴 부타디엔 고무(Nitrile Butadene Rubber ; NBR)를 적용하기도 하지만, 배합 과정 중 점도 상승에 의한 가공성이 불리하게 작용 되는 문제점이 있다.
한편, 상기 SBR, NSBR과 같은 합성고무에 충진제를 첨가하여 타이어의 성능을 더욱 향상시킬 수 있으며, 내마모성 및 인장강도를 향상시키기 위해 사용하는 보강충진제는 통상적으로 카본블랙(carbon black)이 사용되어 왔으나, 타이어의 특성 중 연비 및 젖은 노면 제동성능 개선이 중요한 이슈로 부각되면서 실리카의 사용량이 증가되었으며, 최근에는 나노재료를 적용하여 재료의 보강성을 높인다는 측면에서 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT) 및 나노클레이(nano clay) 사용량이 점차 증가되고 있는 추세이다. 카본블랙이나 실리카 등의 보강성 충진제의 첨가량을 많게 할 경우 제동 및 핸들링시의 그립성능은 향상시키는 반면 지속적인 발열 증대로 인해 주행 중 타이어의 내구 성능 및 마모 성능은 현저히 저하되는 단점이 있다.
한편, 탄소나노튜브(CNT)는 sp2(C=C)의 전자 배열을 갖는, 즉 하나의 탄소 원자에 이웃하는 다른 세 개의 탄소 원자가 결합되어 육각형 벌집 무늬로 말려진 원통형 튜브형태의 물질로 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100배 뛰어나지만, 상기 형상학적 특징에서 기인하는 강한 정전기적 인력으로 인해 고무 내 고른 분산이 매우 어려워 오히려 마모성능이 하락하는 문제점을 가지고 있다(특허문헌 0002).
본 발명자는 타이어 트레드의 물성을 향상시키기 위해 연구하던 중 타이어 제조시 공정성이 하락하지 않으면서 타이어 트레드에 필요한 물성인 안정적인 발열성, 피로특성, 인장강도 및 회전저항 특성이 향상될 수 있는 재료로서 나노카본을 내포하는 아크릴로니트릴 스티렌 부타디엔 고무를 타이어 트레드 고무조성물에 사용시 상기와 같은 타이어 트레드의 특성이 향상됨을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
한국공개특허공보 특2002-0076062 한국공개특허공보 제10-2014-0069584호
본 발명의 목적은 고무 내 분산 문제를 해결하여 타이어의 마모성능과 제동성능을 향상시킬 수 있도록 나노 충진제와 고분자가 잘 분산된 고형화된 합성고무를 원료고무로 포함하는 타이어 트레드용 고무조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 나노 충진제 또는 합성고무의 함량 조절을 통하여 연비성능을 유지하면서 마모성능 및 제동성능을 향상시킬 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기에서 언급한 고무조성물을 타이어 트레드에 적용한 타이어를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 이하의 발명이 제공된다.
1) 원료고무로 나노카본-고무복합체를 포함하되, 상기 나노카본-고무복합체는 스티렌-부타디엔 라텍스 고무, 아크릴로니트릴 및 나노카본을 포함하는 것인, 타이어 트레드용 고무조성물.
2) 나노카본-고무복합체 100 중량부에 대하여, 상기 아크릴로니트릴은 3~5 중량부, 나노카본은 1~5 중량부로 포함되는 것인, 타이어 트레드용 고무조성물.
3) 상기 나노카본-고무복합체는 원료고무 중 10 내지 20 중량%로 포함되는 것인, 타이어 트레드용 고무조성물.
4) 상기 고무조성물은 제동용 레진을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무조성물.
5) 상기 고무조성물을 사용하여 제조된 타이어.
본 발명에 의한 타이어 트레드용 고무조성물은 극성이 높은 아크릴로니트릴 스티렌-부타디엔 고무를 적용하여 충진제의 분산성을 향상시킴으로써 제동성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 아크릴로니트릴 스티렌-부타디엔 고무의 유화중합 과정에 나노카본을 도입함으로써 제동성능 향상으로 하락할 수 있는 마모성능까지도 동시에 향상되는 우수한 효과가 있다.
또한, 나노카본-고무복합체의 제조과정에서 아크릴로니트릴과 나노카본의 함량 조절을 통하여 연비성능을 유지하면서 제동성능 및 마모성능을 향상시킬 수 있으며, 점도를 조절하여 공정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 유화중합 과정 중 나노카본이 유화제 안의 반응상에서 폴리머와 함께 성장하는 것을 나타낸 것이다.
도 2는 비교예1과 실시예1의 DMA 그래프를 나타낸 것이다. 0℃ 근처와 20℃ 부근의 그래프 값이 높으면 제동성능이 우수하다고 판단할 수 있고, 60 ~ 70℃ 영역에서의 값이 낮을수록 연비 특성이 우수하다고 할 수 있다.
본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무조성물은 원료고무로 나노카본-고무복합체를 포함하되, 상기 나노카본-고무복합체는 스티렌-부타디엔 라텍스 고무, 아크릴로니트릴 및 나노카본을 포함한다.
본 발명의 상기 나노카본-고무복합체는 나노카본과 고분자가 잘 분산된 고형화된 합성고무로서, 고무의 중합과정에 아크릴로니트릴 및 나노카본을 첨가한 후 가능한 일정한 온도 조건에서 최적화된 교반 속도로 특정시간 동안 혼합하여 제조된 고형화된 합성고무이다.
본 발명의 나노카본-고무복합체의 제조방법을 구체적으로 설명하면, 스티렌-부타디엔 라텍스의 중합과정 중 아크릴로니트릴을 첨가하여 니트릴기를 도입하고, 수상에 유화제(Emulsifier)를 넣고 교반하여 마이셀(Micelle)을 형성하도록 하고, 나노카본을 첨가하여 수용액상에서 분산이 잘 이루어질 수 있게 교반하여 상기 마이셀 안에서 성장하는 모노머(Monomer)와 함께 열에 의해 고분자화시켜 고형화함으로써 분산이 잘된 나노카본과 극성 니트릴기를 포함하는 합성고무를 제조할 수 있다. (도 1).
상기 나노카본-고무복합체에 사용되는 고무는 스티렌-부타디엔 라텍스로 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무의 라텍스를 사용하고, 스티렌 함량이 40~ 45 중량%일 수 있다. 상기 스티렌-부타디엔 고무는 높은 스티렌 함량으로 제동성능이 우수하다.
한편, 스티렌 함량이 높은 고무의 적용으로 제동성능이 어느 정도 향상되더라도, 고무조성물에 배합시 보강제인 실리카와 원료고무 간의 분산성 결여로 제동성능과 연비성능이 하락될 수 있다.
이에, 본 발명자는 스티렌-부타디엔 라텍스의 유화중합 과정에 아크릴로니트릴을 첨가하여 제동성능을 향상시키고자 하였다. 본 발명의 나노카본-복합체는 니트릴기를 포함하고 있어 실리카 표면의 수산화기와 수소결합을 형성하여 실리카의 뭉침을 방지하고 이로 인해 고무조성물 내에서 실리카의 분산성을 향상시킴으로써 제동성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 제동성이 우수하다는 것은 타이어와 노면의 부착력이 높아 코너링이나 정차시 제동성이 좋은 것을 의미한다. 물리적인 의미에서 보면 타이어 조성물의 히스터리시스(Hysteresis)가 높아 외부로부터 받은 변형 에너지를 흡수하여 열에너지로 많이 소모시킨다는 것이다. 반면, 열에너지로 소모된 만큼 구동력으로의 전환율은 떨어지게 되고, Rolling Resistance(R/R, 구름저항)는 커지게 되고 마모성능은 하락하게 된다. 이처럼 타이어는 제동성을 확보하면서 R/R을 줄여 마모성능과 연비를 향상시켜야 하는 모순적인 면을 만족시켜야 한다.
이에, 본 발명은 나노카본을 도입하되, 나노카본의 고무 내 분산 문제를 해결하기 위하여 폴리머의 유화중합 과정 중에 나노카본을 첨가하였다. 수상에서 나노카본을 고르게 분산시킴으로써 일부 나노카본은 마이셀 내부로 들어가서 마이셀 내에서 성장하는 모노머와 함께 고분자화 및 고형화될 수 있다. 이렇게 제조한 나노카본-고무복합체를 원료고무로 사용하면 유리전이온도의 이동없이 마모성능을 향상시킬 수 있다.
상기 나노카본으로는 탄소나노튜브(CNT), 그래핀이 사용될 수 있으며, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노뉴브 또는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있고, 상기 탄소나노튜브는 탄소나노섬유 또는 탄소나노와이어 형태일 수도 있다. 또한, 탄소나노튜브는 섬유상 길이가 20㎛ 내지 30㎛, 섬유상 두께는 8nm 내지 25nm (평균 13nm)일 수 있다.
본 발명의 나노카본-고무복합체에 있어서, 나노카본-고무복합체 100 중량부에 대하여, 상기 아크릴로니트릴은 3 내지 5 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 아크릴로니트릴이 3 중량부 미만으로 포함되면 제동성능 개선효과가 미미하고, 5 중량부를 초과하여 포함되면 연비성능과 마모성능이 저하되고 점도가 지나치게 높아져 공정성이 하락되는 문제가 있다.
본 발명의 나노카본-고무복합체에 있어서, 나노카본-고무복합체 100 중량부에 대하여, 상기 나노카본은 1 내지 5 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 나노카본이 1 중량부 미만으로 포함되면 마모성능 개선효과가 미미하고, 5 중량부를 초과하여 포함되면 나노카본이 서로 응집되어 수용액 상에서 분산되기 어렵고 고형화된 합성고무인 나노카본-고무복합체의 물성이 낮아지기 때문에, 오히려 마모성능이 하락하게 될 수 있다.
한편, 본 발명의 나노카본-고무복합체를 타이어 트레드용 고무조성물에 적용함에 있어서, 원료고무로 나노카본-고무복합체를 단독으로 사용할 수도 있으나, 다양한 사용목적에 따라서는 원료고무로 사용되어온 다른 고무와 혼용할 수 있고, 제동성능, 연비성능 및 마모성능이 동시에 현저하게 향상될 수 있다는 측면에서 혼합해서 사용할 수 있는 고무는 유화중합 스티렌 부타디엔 고무, 용액중합 스티렌 부타디엔 고무 및 부타디엔 고무를 함께 사용하는 것이 바람직하다.
원료고무로 나노카본-고무복합체와 다른 고무를 함께 배합하여 사용하는 경우에는, 상기 나노카본-고무복합체를 원료고무 총 중량에 대하여 10 내지 20 중량%로 포함하는 것이 바람직하다. 나노카본-고무복합체가 10 중량% 미만으로 포함되면, 마모성능 개선효과가 미미하고, 20 중량%를 초과하여 포함되면, 연비성능이 하락하게 될 수 있다.
타이어 트레드용 고무조성물에있어서, 제동용 레진을 사용하는 종래 기술은 제동용 레진이 스티렌 혹은 아로마틱(Aromatic), 페놀(Phenol: styrene + 수산기(OH)) 구조로 이루어져 있어, 높은 Tg값으로 인해 제동 성능에는 우수한 효과를 보이나 반대로 마모 및 연비 성능은 하락되는 문제가 있고, 일정량 이상(Max. 6 ~ 8 phr)에서는 오히려 더딘 효과를 보이며, 원재료 가격이 비싸다. 또한, 구조적인 영향에 의해 함량이 많아질수록 배합 과정 중 가공성이 불리해지기도 한다.
본 발명의 타이어 트레드용 고무조성물은 상기 나노카본-고무복합체를 원료고무 중 일부로 사용함으로써 제동성능이 현저하게 상승하기 때문에, 제동용 레진을 사용하지 않고도 종래 타이어 트레드용 고무조성물 대비 제동성능이 월등하게 우수하다. 이에, 제동용 레진을 대체하여 상기 나노카본-고무복합체를 사용하거나, 제동용 레진을 소량 적용하여 그 사용량을 줄임으로써 종래기술의 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명의 타이어 트레드 고무조성물에 포함되는 기타의 첨가제는 공지의 성분을 사용하는 것으로 족하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 타이어는 상기 타이어 트레드용 고무조성물을 이용하여 제조한 것이다.
본 발명의 타이어 트레드용 고무조성물을 이용하여 제조한 타이어는 극성기가 도입된 나노카본-고무복합체를 원료고무로 사용하여 보강제 및 충진제의 분산성을 높임으로써 회전저항성능과 제동성능이 향상되고, 나노카본을 폴리머 내에 적용함으로써 유리전이온도의 이동없이 물성을 향상시켜 제동성능을 확보하면서 마모성능을 향상시킬 수 있으며, 상기 극성기와 나노카본의 함량 조절을 통하여 연비성능 저하를 방지하고, 점도를 조절하여 공정성을 개선할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 비교예 및 실시예에 의하여 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
제조 예 1 . 나노카본 -고무 복합체의 제조
도 1에 나타낸 바와 같이, 스티렌 함량이 40 중량%인 유화중합 스티렌-부타디엔 고무의 유화중합 과정 중 수상에 유화제(Emulsifier)를 넣고 교반하여 마이셀(Micelle)을 형성하도록 하고, 스티렌과 부타디엔 모노머(Monomer)를 첨가하여 마이셀 안에서 열에 의해 고분자화 되는 과정 중에 아크릴로니트릴(-CN) 모노머를 첨가하여 니트릴기를 포함하는 니트릴로-스티렌-부타디엔 고분자를 유도한다. 또한, 고형화하기 전 액상 상태에서 나노 카본을 첨가한 후, 수용액 상에서 분산이 잘 이루어질 수 있게 교반한 후, 고형화하여 분산이 잘된 나노카본과 극성 니트릴기를 포함하는 나노카본-고무복합체를 제조하였다. 사용된 고무와 제조된 고무의 조성은 하기 표 1에 나타내었다.
스티렌함량
(중량%)		 비닐함량
(Vinyl% in butadiene)		 니트릴
(중량%)		 탄소나노튜브
(중량%)		 그래핀
(중량%)		 Oil
(중량%)
SBR 11) 25 55 - - - -
SBR 22) 40 17 - - - 37.5
NSBR 13) 40 17 5 - - 37.5
NSBR 24) 40 17 5 5 - 37.5
NSBR 35) 40 17 5 - 5 37.5
1) SBR1: 스티렌 함량이 25 중량%인 용액중합 스티렌-부타디엔 고무, 유리전이온도는 -30℃.
2) SBR2: 스티렌 함량이 40 중량%인 유화중합 스티렌-부타디엔 고무(TDAE 오일 37.5 중량부 포함, 유리전이온도는 -41℃.
3) NSBR1: 스티렌 함량이 40 중량%인 유화중합 스티렌-부타디엔 고무의 중합과정 중 아크릴로니트릴(-CN)을 첨가하여 중합시킨 후 고형화하여 제조한 극성 니트릴기를 가지는 아크릴로니트릴 스티렌-부타디엔 고무.
4) NSBR2: 스티렌 함량이 40 중량%인 유화중합 스티렌-부타디엔 고무의 중합 과정 중 아크릴로니트릴과 탄소나노튜브(CNT)를 첨가하여 제조한 나노카본-고무복합체.
5) NSBR3: 스티렌 함량이 40 중량%인 유화중합 스티렌-부타디엔 고무의 중합 과정 중 아크릴로니트릴과 그래핀을 첨가하여 제조한 나노카본-고무복합체.
제조예 2. 고무조성물의 제조
상기 제조예에서 제조된 NSBR 2 또는 NSBR 3을 하기 표 2의 배합비에 따라 반바리 믹서에서 혼합하여 타이어 고무 복합물로 배합하여, 나노카본-고무복합체의 적용 여부에 따른 타이어 고무의 제동 성능, 마모 성능과 연비 성능을 비교하였다.
비교예
1		 비교예
2		 비교예
3		 비교예
4		 비교예
5		 비교예
6		 비교예
7		 실시예1 실시예
2
SBR1 20 20 20 20 20 20 20 20 20
SBR2 60 60 60 40 40 40 40 40 40
NSBR1 - - - 20 20 20 20 - -
NSBR2 - - - - - - - 20 -
NSBR3 - - - - - - - - 20
BR 20 20 20 20 20 20 20 20 20
실리카1) 60 60 60 60 60 60 60 60 60
실란 2) 6 6 6 6 6 6 6 6 6
카본블랙3) 30 28 28 30 30 28 28 30 30
탄소나노튜브4) - 1 - - - 1 - - -
그래핀5) - - 1 - - - 1 - -
제동용 레진6) 5 5 5 5 - - - - -
(단위: 중량부)
1) 실리카 : SOLVAY사의 Zeosil®Premium 200MP /질소흡착표면적 BET(m2/g) 215
2) 실란 : EVONIK사의 Si-69 Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide
3) 카본블랙 : Orion Engineered Carbon 사의 CORAX®HP 130 HP /질소흡착표면적 BET(m2/g) 127
4) 탄소나노튜브 : 금호석유화학의 Carbon Nano tube / 100 Grade CNT / 길이20 ~ 30㎛/ 겉보기 밀도(Bulk density) 0.025 g/ml
5) 그래핀 : Haydale 사의 HDPlas®GNP / 100 Grade Graphene / 직경 10 ~ 15㎛
6) 제동용레진 : YASUHARA CHEMICAL 사의 Terpene Phenolic Resin
<비교예 1>
상기 표 2에 개시된 배합비와 같이, 마모성능과 연비성능이 우수한 SBR 1과 제동성능이 우수한 SBR 2 및 마모성능이 우수한 BR을 원료고무로 하여 타이어 트레드용 고무조성물을 제조하였다.
<비교예 2 내지 3>
비교예 1과 원료고무를 동일하게 하되 보강 충진제로 탄소나노튜브 또는 그래핀을 추가적으로 포함하여 타이어 트레드용 고무조성물을 제조하였다.
<비교예 4>
SBR 2의 중합과정 중 아크릴로니트릴과 반응시켜 제조한 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 고무(NSBR 1)을 원료고무로 포함하여 타이어 트레드용 고무조성물을 제조하였다.
<비교예 5 내지 7>
상기 표 2에 개시된 배합비와 같이 NSBR 1을 원료고무로 포함하되, 제동용 레진은 사용하지 않는 것을 제외하고는 각각 비교예 1, 2, 3과 동일한 조성으로 타이어 트레드용 고무조성물을 제조하였다.
<실시예 1 내지 2>
상기 표 2에 개시된 배합비와 같이 나노 충진제가 내포된 나노카본-고무 복합체 NSBR 2 또는 NSBR 3을 원료고무로 포함하여 타이어 트레드용 고무조성물을 제조하였다.
실험예: 제조된 고무조성물의 물성 측정
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 각각의 고무시편에 대해 동적점탄성(DMA), 마모(Din Abrasion), RTMs(Rotational Traction Measuring system)의 물성을 ASTM 관련규정에 의해 측정하고 그 결과를 아래의 표 3에 나타내었다.
항목
(상대지수)		 비교예
1 		비교예
2 		비교예
3 		비교예
4 		비교예
5 		비교예
6 		비교예
7 		실시예1 실시예
2

DMA		 Tg -5℃ -5℃ -5℃ -4.5℃ -5.5℃ -5.5℃ -5.5℃ -5.5℃ -5.5℃
Tanδ0℃ 100 100 100 107 105 105 105 105 105
Tanδ25℃ 100 100 100 108 105 105 105 105 105
Tanδ70℃ 100 100 100 100 100 100 100 100 100
마모 DIN 100 98 95 90 98 97 95 105 103
FPS 100 98 95 90 98 96 95 105 102
RTMs Dry μ 100 99 98 105 103 102 101 104 103
Wet μ 100 99 98 105 102 101 101 104 102
1) Tg 는 고분자 물질이 온도에 의해 고분자 가지들이 활성을 가지며 움직이기 시작하는 온도를 의미한다.
2) tanδ@ 0℃는 DMA( Dynamic Mechanical Analysis) 시험기에 의해서 측정되며 11Hz로 측정한 결과이다. 젖은 노면 제동성능의 인덱스로 사용되며, 수치가 높을수록 젖은 노면 제동성능이 우수함을 의미한다.
3) tanδ@ 25℃는 DMA( Dynamic Mechanical Analysis) 시험기에 의해서 측정되며 11Hz로 측정한 결과이다. 마른 노면 제동성능의 인덱스로 사용되며, 수치가 높을수록 마른 노면 제동성능이 우수함을 의미한다.
4) tanδ@ 70℃는 DMA(Dynamic Mechanical Analysis)시험기에 의해서 측정되며 11Hz로 측정한 결과이다. 회전저항성능의 인덱스로 사용되며, 수치가 높을수록 회전저항성능이 우수함을 의미한다.
5) DIN과 FPS 마모 시험은 타이어 마모 예측을 위해 평가하는 항목으로 DIN시험의 경우는 하중의 영향을 많이 받는 마모 시험법이며, FPS는 실제 차량 평가와 가장 유사한 시험실에서 수행할 수 있는 마모 시험 평가법이다. 비교예 1을 기준으로 지수화된 수치로서 수치가 높을수록 마모특성이 우수함을 의미한다.
6) 마찰계수(μ)는 RTMs(Rotational Traction Measuring system)시험기에 의해서 측정된 결과이다. 노면 상태에 의해 마른 노면 제동성능의 인덱스 또는 젖은 노면 제동성능의 인덱스로 사용되며, 수치가 높은수록 제동성능이 우수함을 의미한다.
상기 표 3을 참조하면, 실시예 및 비교예의 연비성능은 동등 수준으로 유지되는 것으로 판단된다.
그러나 실시예 1 및 2의 제동성능과 마모성능은 비교예 1 내지 7과 비교하여, 현저하게 향상되었음을 확인할 수 있었다.
특히, 실시예 1 및 2는 제동용 레진을 사용하지 않았음에도 제동용 레진을 사용한 비교예 1 내지 4보다 제동성능이 우수하였으며, 나노카본을 단순하게 배합한 비교예 6-7보다 마모성능이 현저하게 향상되었음을 확인할 수 있다.
실시예 3-7. 니트릴과 탄소나노튜브의 최적함량 결정
탄소나노튜브를 내포한 나노카본-고무 복합체 NSBR 2를 제조함에 있어서, 하기 표 4의 조성으로 니트릴과 탄소나노튜브의 함량을 달리하여 나노카본-고무복합체를 제조한 후 하기 표 5의 배합비로 고무조성물을 제조하여 물성을 측정하였다.
스티렌함량
(중량%)		 비닐함량
(Vinyl %)		 니트릴
(중량%)		 탄소나노튜브
(중량%)		 Oil
(중량%)
NSBR 2-1 40 15 3 3 37.5
NSBR 2-2 40 15 5 1 37.5
NSBR 2-3 40 15 5 3 37.5
NSBR 2-4 40 15 5 5 37.5
NSBR 2-5 40 15 10 3 37.5
비교예8 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 실시예7
SBR2 100 - - - - -
NSBR 2-1 - 100 - - - -
NSBR 2-2 - - 100 - - -
NSBR 2-3 - - - 100
NSBR 2-4 - - - - 100 -
NSBR 2-5 - - - - - 100
실리카 60 60 60 60 60 60
실란 6 6 6 6 6 6
카본블랙 30 30 30 30 30 30
점도1) Mv 100℃ 72 75 78 80.5 83 90

DMA		 Tg - 5.5℃ - 4℃ - 2℃ - 1.9℃ - 1.6℃ - 0.2℃
Tanδ0℃ 100 101 102 105 105 107
Tanδ25℃ 100 101 103 105 105 108
Tanδ70℃ 100 100 100 100 100 97
마모성능 DIN 100 102 101 105 106 102
1) 무니점도(Mooney viscosity ; Mv)로서, 원주방향으로 여러 개의 홈을 낸 상하단 Rotor 사이에 배합고무를 넣어 100℃에서 회전시키면 로터 사이에 전단 거동이 형성되고 이에 따른 토크(Torque ; 회전하는 로터에 대한 고무의 저항)를 측정하는 것이며 점도수치가 낮을수록 공정성(가공성)에 유리하다.
상기 표 4 및 5를 참조하면, 서로 다른 함량의 니트릴(Nitrile)과 탄소나노튜브(CNT)를 내포하는 나노카본-고무 복합체를 원료고무로 사용한 실시예 3 내지 7의 제동성능과 마모성능이 비교예 8에 비하여 현저하게 향상되었음을 확인할 수 있었다.
구체적으로, 니트릴 함량이 증가할수록 DMA의 제동성능 지수는 상승함을 확인할 수 있었으며, CNT 함량이 증가할수록 마모성능 지수 또한 상승함을 확인할 수 있었다. 그러나, 니트릴(Nitrile)과 탄소나노튜브(CNT)함량이 증가할수록 점도가 상승하였으며 일정 수준 이상에서는 점도가 지나치게 커서 가공성에 불리할 것으로 판단되었으며, 오히려 연비성능과 마모성능이 저하되는 것으로 확인되었다(실시예 7).
실시예 8 내지 12. 나노카본-고무 복합체의 함량에 따른 물성 측정
나노카본-고무복합체(NSBR2)의 함량을 3, 5,10, 20, 25 중량부로 달리 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 실시하여 타이어 트레드용 고무 조성물을 제조하였다.
비교예1 실시예8 실시예9 실시예10 실시예11 실시예12
SBR1 20 20 20 20 20 20
SBR2 60 57 55 50 40 35
NSBR2 - 3 5 10 20 25
BR 20 20 20 20 20 20
실리카 60 60 60 60 60 60
실란 6 6 6 6 6 6
카본블랙 30 30 30 30 30 30
제동용레진 5 5 5 5 5 5

DMA

 Tg - 5℃ - 5℃ - 4.9℃ - 4.7℃ - 4.5℃ - 2℃
Tanδ0℃ 100 100 101 103 105 108
Tanδ25℃ 100 100 101 102 105 110
Tanδ70℃ 100 100 100 100 100 98
마모
 DIN 100 100 100 101 105 104
FPS 100 100 100 101 105 103
RTMs
 Dry μ 100 100 100 102 104 107
Wet μ 100 100 100 101 104 106
본 발명의 나노카본-고무복합체의 함량이 증가될수록 비교예 1 대비 제동성능과 마모성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 그러나, 일정수준 이상으로 포함하는 경우 연비성능이 저하되므로 본 발명의 나노카본-고무복합체는 원료고무 중 10 내지 20 중량%로 첨가되는 것이 바람직함을 알 수 있다.

Claims (5)

  1. 원료고무로 나노카본-고무복합체를 포함하되,
    상기 나노카본-고무복합체는 스티렌-부타디엔 라텍스 고무, 아크릴로니트릴 및 나노카본을 포함하고, 상기 나노카본-고무복합체는 원료고무 총 중량에 대하여 10 내지 20 중량%로 포함되는 것인, 타이어 트레드용 고무조성물.
  2. 제1항에 있어서, 나노카본-고무복합체 100 중량부에 대하여, 상기 아크릴로니트릴은 3~5 중량부, 나노카본은 1~5 중량부로 포함되는 것인, 타이어 트레드용 고무조성물.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 제동용 레진을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무조성물.
  5. 제1항 내지 제2항 및 제4항 중 어느 한 항의 고무조성물을 사용하여 제조된 타이어.
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