KR102025298B1

KR102025298B1 - 전도성 친수성 타이어 조성물

Info

Publication number: KR102025298B1
Application number: KR1020180000217A
Authority: KR
Inventors: 이현창
Original assignee: 이현창
Priority date: 2018-01-02
Filing date: 2018-01-02
Publication date: 2019-09-25
Also published as: KR20190082519A

Abstract

본 발명은 카르복실화-아크릴로니트릴-부타디엔 고무(XNBR), 플루오로 탄성중합체(FKM), 및 에피클로로히드린 폴리에틸렌옥시드 알릴 글리시딜 에테르(GECO)로부터 선택된 1종 이상의 극성 고무와 특정 수-팽창 물질을 포함하는 전도성 친수성 타이어 조성물을 제공함으로써 지하의 결함으로부터 생성된 전류를 쉽게 통과시켜 누전 센서가 누전원을 감지할 수 있다.

Description

전도성 친수성 타이어 조성물{CONDUCTIVE HYDROPHILIC TIRE COMPOSITION}

본 발명은 타이어 조성물에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 전도성 친수성 타이어 조성물에 관한 것이다.

지하에 매설된 케이블로부터의 누전은 진단되고 수리되지 않으면 환경에 위협을 줄 수 있다. 특히 누전은 갑작스런 인간/동물의 감전을 발생시켜 죽음에 이르게 할 수 있고, 매설된 전기 시스템을 완전히 손상시킬 수도 있다(Norell et al., Trans. ASAE, 26(1983), 제1506 내지 1511면, Appleman et al., Journal of Dairy Science, 68(1985), 제1554 내지 1567면 및 USDA 핸드북 제696면). 누전의 원인을 보면 전선로 자체의 손상 따른 누전, 나무 뿌리나 전선로의 노화에 따른 손상에 의한 누전, 시공 불량에 의한 누전 등을 들 수 있으며, 대부분의 누전은 지중 매설 구간에서 발생된다. 지중에 매설된 전선로는 항상 지반 침하에 대한 장력 스트레스와 수시로 발생되는 굴착공사로 인한 손상의 위험이 늘 존재하게 되며, 특정 구간에서의 누전 발생으로 인한 안전사고와 간접사고의 위험성이 존재한다.

그런데 일반적으로 지면상의 노출이 바람직하지 않아 선택적으로 지중 설치된 전선 케이블의 경우 케이블의 누전 발생시, 비가시성과 적합한 가용장비의 미비로 인해 누전 위치를 정확히 찾아낼 수 없어 누전이 의심되는 케이블을 전면 교체하는 작업으로 보수되어 왔다. 그 일례로서 가로등용 지중매설 전선의 누전발생시 메가 테스터기로 누전 여부를 확인한 후 관련 테스터 장비로 누전 케이블의 한끝에서 시작하여 케이블 끝까지 누전선을 탐사해야 하는 어려움이 있었고, 그 경로의 정확성이 떨어져 방향설정에 혼선을 가져왔으며, 이는 손상되지 않은 전선까지 교체가 되므로 비경제적이고 비합리적인 작업으로 인해 많은 물질적, 시간적 손실을 가져오는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위해 효율적으로 누전점을 탐지하는 여러 방법들이 소개되고 있으나 그 효율성과 실효성을 가지지 못했다. 예를 들어 미국 농림부에서 발간한 SDA 핸드북 제696면에 소개된 적외선 탐지 방법은 온도 기록 분석을 적용하여 누전을 탐지하는 방법은 측정된 온도 기록 분석을 할 수 있는 상당한 전문가가 필요하다는 문제점이 있었고, 비교적 최근 기술인 미국 특허 제5352984호에 기술된 TDR(Time Domain Reflectometry)은 지하 누전을 추적하고 탐지할 수 있는 기술이지만 사용하기가 어렵고 시간 소요가 많이 되었으며 측정 결과가 부정확하다는 단점이 있었다. PCT 국제 공개 공보 제2015076555호에서는 전압 감지 전자기 센서에 연결된 금속 고리와 소수성 섬유 물질로 강화된 이동식 타이어를 통해 지하 누전원을 찾는 방법을 소개하고 있다. 위 발명에서는 금속 전극을 감싸는 섬유 물질은 물의 공급으로 누전점의 지표면과 전극 사이의 계면 전기 저항을 감소시키는 기술을 이용한다. 그러나 위 발명은 계면 전기 저항을 감소시킬 만큼 섬유 물질이 그 표면 상에서 물을 보유하는 것이 불가능하였고, 금속 고리 전극, 섬유물질, 및 지상과의 마찰로 인해 마모성이 심하다는 문제점이 존재하였다. 이러한 문제들은 누전점과 전극 사이에 불규칙한 전기 저항을 야기하였고, 작동 동안 섬유질의 마모로 인하여 타이어/트레드의 불균형한 움직임이 나타났으며, 타이어의 소모로 인한 신호 간섭 및 신호 손실은 더욱 커져 효율성이 떨어졌다. 즉 일정한 금속 고리 전극에 연결된 타이어 및 소수성 섬유의 조합은 지하로부터의 누전을 탐지하기 위한 방안으로는 불만족스러운 실정이다.

이를 해결하기 위해 본 발명자들은 신호 손실을 최소화하고 오랫동안 내구성을 갖게 하기 위해서는 금속 전극과 전기 전도성이 있으면서도 친수성이며 탄성이 있는 소재를 이용하는 것에 착안하였다. 이러한 소재로 제조된 타이어는 누전 센서에 연결되어 누전을 감지하는 이동식 트레일러로 기능할 수 있다. 이를 위해 발명자들은 광범위한 탄성 중합체에 대해 실험을 하였다. 통상적으로 타이어 제조를 위한 물질로는 천연 고무(NR)가 사용되는데 천연 고무는 최종 타이어 생성물에 높은 생강도(green strength)와 탄성을 부여하지만, NR은 NR의 골격에 존재하는 이중결합이 산화되어 분해될 수 있다는 단점이 있다(Polymer handbook. Vol. 7(1989)). 미국 특허 제006326424호는 높은 유리 전이 온도를 갖는 이소프렌-부타디엔 고무(IBR) 공중합체를 타이어 트레드용 고무에 사용하였는데, 이는 에멀전화 등을 위한 두 번째 매트릭스, 예컨대 스티렌-부타디엔 고무(SBR)가 없이도 실리카와 배합하여 사용 가능하다는 장점이 있다. 미국 특허 제2821232호는 SAF(super abrasion furnace) 카본 블랙 또는 SAP와 실리카의 조합으로만 강화된 타이어 트레드용 NR을 개시하고 있다. 그러나 당업계에 잘 알려진 바와 같이 에너지 손실을 일으키는 마모성, 견인력, 구름 저항성은 한 종류의 고무 매트릭스만 존재할 경우 더욱 불량해지기 때문에 상기 개시된 타이어 트레드용 고무는 적합하지 않았다.

이에 NR과 다른 합성 탄성 중합체의 블렌드, 예컨대 시스 1,4-폴리부타디엔 고무(BR), 시스 1,4-폴리이소프렌 고무(IR), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 아크릴로니트릴 고무(NBR), 및 에틸렌-프로필렌 공중합체(EPDM) 등을 도입하고 보강재를 포함시켜 타이어의 물성의 균형을 맞추려는 시도가 있어왔다. 예컨대 보강재의 종류로는 현재까지 모노 또는 하이브리드 탄소 기재 필러, 예컨대 카본 블랙, 나노 튜브, 그래핀 등을 실란화-실리카와 조합하여 사용하는 것이 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. 대부분의 성분들은 극성 내지 비극성으로 다양할 수 있지만, 통상적인 타이어 트레드 조성물은 전체적으로 소수성이기 때문에 본 발명자가 추구하는 전도성 친수성 타이어에는 적합하지 않았다.

전도성 친수성 타이어 조성물을 제조하기 위해서는 수-팽윤성/수분-흡수성 물질인 극성 탄성 중합체를 포함시키는 것이 바람직할 것이다. 이러한 물질로는 가교 폴리비닐 알콜, 가교 폴리아크릴레이트, 가교 녹말-아크릴레이트 공중합체, 가교 카르복시메틸셀룰로스 또는 수-팽창 우레탄 수지가 있다. 그러나 수-팽창성 또는 수분 흡수 탄성 중합체 화합물은 여러 문제를 안고 있는데, 가교 소듐 폴리아크릴레이트와 같은 수분 흡수성 중합체는 물을 흡수하면 가황물 표면에 미끄러운 젤을 형성할 수 있다. 그러한 경우 기계적 강도 및 다른 물리-기계적 특성이 상당히 감소될 수 있으며 이는 종래 타이어 특성(마모성, 견인력, 및 탄성)을 감소시킬수 있다.

본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 본 발명의 다양한 목적들 중 하나는, 물을 흡수할 수 있고 건조시 이의 원래 무게를 되찾을 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 타이어 조성물이 갖는 기계적 특성, 예컨대 마모성, 견인력, 인장 강도를 갖는 물질로 이루어진 타이어를 제공하고, 이를 이용하여 지하 누전을 감지하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 타이어 조성물은 카르복실화-아크릴로니트릴-부타디엔 고무(XNBR), 플루오로 탄성중합체(FKM), 및 에피클로로히드린 폴리에틸렌옥시드 알릴 글리시딜 에테르(GECO)로부터 선택된 1종 이상의 극성 고무와 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 및 폴리에틸렌옥시드(PEO)로부터 선택된 1종 이상의 수-팽창 물질을 포함함으로써 전기 전도성 및 수-팽창성 특징을 가지면서, 종래의 타이어의 기계적 물성을 갖는다. 본 발명에 따른 타이어 조성물은 물과 접촉할 때 팽창하고 타이어와 지면의 계면에 습기를 공급함으로써 지하의 결함으로부터 생성된 전류를 쉽게 통과시켜 누전 센서가 전기 신호를 감지할 수 있다.

본 발명에 따른 다양한 효과 중 하나는, 전도성 타이어 조성물은 전기 전도성이 매우 높으면서도 종래의 타이어의 특성을 모두 구비한다는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 타이어 조성물로 타이어를 제작하는 모식도이다.
도 2는 특정 회로가 배열된 타이어의 평면도이다.
도 3은 본 발명과(Y) 종래의 기술(X)을 비교하는 측면도이다.

다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다.

더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는 A 또는 B를 이용한다"가 이들 경우들 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나 이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 달리 특정되지 않거나 단수 형태를 지시하는 것으로 문맥상 명확하지 않은 경우에, 본 명세서와 청구범위에서 단수는 일반적으로 "하나 또는 그 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.

본 개시내용은 지하 누전을 감지하기 위한 센서에 연결되어 이동식 전극으로 사용될 수 있는 우수한 전기 전도성 및 수분 흡성 특성과 향상된 내마모성을 갖는 전도성 친수성 타이어 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

도 1에서 a는 본 발명의 조성물이 경화하기 이전의 상태이고, b는 본 발명의 조성물이 적용되는 트레드 레이어의 방향이며, c는 제조된 타이어 트레드를 나타내고, d는 핫-프레스 가황 챔버이고, e는 타이어의 림이며, f는 경화 후 타이어를 지칭한다.

도 2의 배열에서 기준 타이어(T)는 세 개의 다른 전도성 타이어(T1, T2, T3)와 연결될 수 있다. 기준 타이어(T)는 각 타이어에 연결된 금속 전극으로부터 누전원(V1, V2, V3) 신호를 받아 감지할 수 있다.

도 3X는 종래의 타이어를 나타내는데 부품 b가 소수성 물질로 이루어져 있기 때문에 물이 공급될 때 계면 e는 적셔질 수 없어 누전원과 금속 전극 사이의 계면 저항이 높고 절연제로서 역할하기 때문에 전기 신호가 흐르기 어렵다. 도 3Y에서는 부품 g가 친수성이거나 수-팽창 물질이어서 물이 존재하는 경우 계면 I는 물을 흡수하여 얇은 수막을 형성할 수 있다. R1 및 R2는 지하 누전원(S)에서의 저항을 의미하고, J 및 K는 e와 I로부터 발생한 지면 저항을 의미한다.

본 발명에 따른 전도성 친수성 타이어 조성물은 하기 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.

[고무 블렌드]

본 발명에 따른 타이어 조성물에 사용되는 고무 블렌드는 1종 이상의 극성 고무의 블렌드를 사용한다.

본 발명의 제1 실시양태에서 고무 블렌드는 약한 극성인 에폭시드 천연 고무(ENR) 10 내지 90 중량부 및 강한 극성인 합성 탄성 중합체 10 내지 90 중량부의 혼합물이다. 상기 ENR과 합성 탄성 중합체의 비율은 9:1 내지 1:9이고, 바람직하게는 1:9 내지 3:7이다. 상기 ENR은 에폭시드기를 약 25 내지 40 몰%만큼 함유한다. 상기 합성 탄성 중합체는 카로븍실화-아크로니트릴 부타디엔 고무(XNBR), 플루오로 탄성중합체(FKM) 및 에피클로로히드린 폴리에틸렌 옥시드 알릴 글리시딜 에테르(GECO)로부터 선택된 1종이다. 상기 XNBR 내의 카르복실기 함량은 0.05 내지 0.085%, 바람직하게는 0.0721%이고, 아크릴로니트릴 함량은 25 내지 28%, 바람직하게는 26.43%이다. 상기 XNBR은 40 내지 55, 바람직하게는 49의 무니 점도(ML1+4)를 갖는다. 상기 GECO는 에피클로로히드린(CO), 에틸렌 옥시드(EO), 알릴 글리시딜 에테르(AGE)의 3량체로 수분 흡수 능력을 증대하기 위하여 클로린(CO 내)은 18 내지 20%, 이중 결합(AGE 내)은 6 내지 8%만큼 포함하고, EO는 10 내지 30%, 바람직하게는 약 25%만큼 포함한다. 상기 탄성 중합체의 구조에는 산소화된 기와 같은 극성기를 도입하여 탄성 중합체를 더욱 극성으로 만드는 것이 바람직하다. 산소화된 기를 함유하는 것은 탄성 중합체의 고무 블렌드 내의 분산을 촉진하고, 고무 블렌드와 보강재의 결합력을 효과적으로 증가시킬 수 있다.

본 발명의 제2 실시양태에서 고무 블렌드는 XNBR, FKM, 및 GECO로부터 선택된 2종 이상의 극성 고무의 블렌드이다. 이와 같이 2종의 합성 탄성 중합체를 포함하는 경우 종래의 소수성 합성 탄성 중합체와 비교할 때 더욱 높은 강도와 극성을 가질 수 있어 본 발명의 목적을 달성하는데 더욱 바람직하다. 상기 2종의 합성 탄성 중합체의 비율(GECO: XNBR, GECO: FKM, 또는 FKM:XNBR)은 9:1 내지 1:9, 바람직하게는 9:1 내지 7:3이다.

본 발명의 제3 실시양태는 XNBR, FKM, 및 GECO로부터 선택된 1종의 극성 고무와 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA), 폴리비닐클로라이드(PVC) 및 폴리우레탄(PU) 중에서 선택된 1종 이상의 열경화성 중합체 고무의 블렌드이다. 이와 같은 블렌드를 사용하는 경우 더 우수한 산화 저항성 및 기계적 강도를 달성할 수 있다. 이들 합성 탄성 중합체의 구조는 단단한 고체, 부드러운 탄성 중합체, 또는 발포체를 형성할 수 있지만, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 단단한 고체 또는 발포체를 형성하는 것이 바람직하다. 상기 열경화성 중합체 고무와 극성 고무의 비율(예컨대 PU:XNBR 및 PU:FKM)은 9:1 내지 1:9, 바람직하게는 1:9 내지 7:3이다.

<보강재>

고무 블렌드가 보강재를 포함하지 않는 경우 물리-기계적 특성이 불량하기 때문에 타이어에 사용하기 힘들다. 따라서 생강도를 증가시키고, 몇몇 경우 열적, 전기적 특성을 증가시키기 위해 보강재를 첨가하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 타이어 조성물은 총 성분의 100 중량부를 기준으로 약 5 내지 30 중량부의 보강재를 포함한다. 상기 보강재는 실란화-실리카 및 탄소-기재 필러, 예컨대 그래핀 옥시드, 카본 블랙, 탄소 나노 튜브 등을 포함할 수 있고, 이들 성분은 서로 시너지 효과를 나타낸다.

1. 카본 블랙

제1 실시양태에 포함되는 보강재는 카본 블랙이다. 카본 블랙은 1종 이상 포함할 수 있다. 제1 카본 블랙은 질소 가스를 사용하여 브루너, 엠메트, 텔러 표면적(이하 "BET 표면적")을 측정했을 때 약 1270 m2/g의 BET 표면적을 가지고, 총 고무 성분 100 중량부를 기준으로 5 내지 30 중량부, 바람직하게는 20 내지 30 중량부만큼 포함될 수 있다. 상기 카본 블랙은 480 내지 510 mL/100g, 바람직하게는 498 mL/100g의 DBP(보강충전제의 구조(structure)를 나타내는 값)를 갖는다.

제2 카본 블랙은 35 내지 45 m2/g, 바람직하게는 35 내지 40 m2/g의 BET 표면적을 가지고 총 고무 성분 100 중량부를 기준으로 5 내지 15 중량부, 바람직하게는 5 내지 10 중량부만큼 포함될 수 있다. 상기 제2 카본 블랙은 ASTM D1510에 따라 측정했을 때 약 37 내지 47 g/kg, 바람직하게는 42.5 g/kg의 I2 흡습량(보강재의 표면적(surface area)을 나타내는 요오드 흡습량)을 갖는다. 상기 제2 카본 블랙은 ASTM D6556에 따라 측정했을 때 6 내지 10, 바람직하게는 7.3의 pH와 함께 38.7 m2/g의 통계적 표면적(STSA)을 갖는다. 상기 DBP 값 및 I2 흡습량은 카본 블랙의 물리적 성질 및 화학적 성질을 결정짓는 주요 인자들이기 때문에 카본 블랙의 DBP 값 및 I2 흡습량과 첨가량이 상기 범위를 벗어나면 전기전도성 개선효과를 기대하기 어렵다.

제3 카본 블랙은 100 내지 121 m2/g의 BET 표면적을 갖는다. 상기 제3 카본 블랙은 ASTM D1510에 따라 측정했을 때 약 116 내지 126 g/kg, 바람직하게는 123.3 g/kg의 I2 흡습량을 갖는다. 제3 카본 블랙의 pH는 약 6 내지 10, 바람직하게는 약 8이다. 제3 카본 블랙이 포함되는 경우, 총 고무 성분 100 중량부를 기준으로 제1 카본 블랙은 20 내지 25 중량부, 제2 및 제3 카본 블랙은 두 성분을 합쳐서 약 5 내지 10 중량부만큼 포함될 수 있다. 제3 카본 블랙은 제2 카본 블랙을 대체하여 포함될 수도 있다. 카본 블랙의 총량이 상기 명시한 범위에 미치지 않으면 전기 전도성 개선효과를 기대하기 어렵기 때문에 바람직하지 않고, 상기 명시한 범위를 넘어서면 타이어 트레드의 보강성이 낮아지기 때문에 바람직하지 않다.

2. 실리카

제1 실시양태에 포함되는 보강재는 미세 분쇄 실리카이다. 상기 실리카는 총 고무 성분 100 중량부를 기준으로 5 내지 15 중량부, 바람직하게는 5 내지 10 중량부만큼 포함될 수 있다. 5 중량부 미만에서는 실리카의 첨가 목적인 회전저항 감소 효과가 미흡하고, 15 중량부를 초과하는 경우 본 발명에서 사용되는 카본 블랙에 의한 전기 전도성 개선 효과가 방해되므로 바람직하지 않다. 상기 실리카는 BET 표면적이 약 150 내지 200 m2/g, 바람직하게는 164 m2/g이다. 본원에서 BET 표면적은 상기 보강재의 기공률(porosity)을 포함하는 총 표면적을 의미한다. 상기 실리카는 0 내지 13, 바람직하게는 11.2의 pH를 가진다. 상기 BET 값 등은 실리카의 특성을 결정짓는 주요 인자들이기 때문에, 실리카의 BET 값 등이 상기 명시한 범위를 벗어나면 공정성이 나빠지므로 바람직하지 않다.

실리카의 분산을 개선시시키기 위해 커플링제가 첨가될 수 있다. 커플링제는 실리카 입자가 고무 상에 균일하게 분산되는 것을 도와주면서, 고무와 실리카 사이의 강한 결합을 유지한다. 가장 흔하게 사용되는 커플링제는 실란 커플링제이지만 커플링제의 종류는 사용되는 물질 및 공정 조건에 따라 변할 수 있다. 실리카는 분자량이 작아 중합체 입자와 화학적 결합을 형성할 수 있기 때문에 이들은 필러와 매트릭스를 반응시키는 작용기를 포함해야 한다. 커플링제는 총 조성물 100 중량부를 기준으로 약 3 내지 12 중량부, 바람직하게는 3 내지 6 중량부만큼 포함된다.

3. 그래핀 옥시드

조성물의 강도 및 극성을 증가시키기 위해 본 발명에 따른 타이어 조성물은 그래핀 옥시드를 총 고무 성분 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 1 중량부만큼 포함할 수 있다. 상기 그래핀 옥시드는 약 450 m2/g 이상의 BET 표면적을 갖는 환원된 그래핀 옥시드(RGO)인 것이 바람직하다.

상기 기술된 제1 실시양태에 포함되는 보강재와 동일한 보강재를 포함하지만 고무 블렌드 성분 또는 배합 비율이 다른 실시양태가 존재할 수 있다.

<수-팽창 물질>

상기 고분자 물질은 가교 폴리비닐 알콜, 가교 폴리아크릴레이트, 가교 녹말-아크릴레이트 공중합체, 가교 카르복시메틸셀룰로스, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol, PVA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리에틸렌옥시드(polyethylene oxide, PEO), 폴리플루오린화비닐리덴(Polyvinylidene Fluoride, PVDF), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리우레탄(polyurethane), 또는 이들의 조합일 수 있으나 이에 제한되지 않고 당업계에 알려진 수-팽창 물질을 모두 포함한다. 이들의 수용해도 및 팽창도는 가수분해 정도, 두께 등을 고려하여 조절될 수 있다. 상기 수-팽창 물질은 총 고무 성분 100 중량부를 기준으로 20 내지 30 중량부 만큼 포함될 수 있다.

<첨가제>

본 발명에 따른 타이어 조성물은 추가로 고무/타이어 업계에 알려진 통상적인 첨가제들을 포함할 수 있다. 그러한 첨가제의 예로는 가황제(sulfur vulcanizing agent), 촉진제(accelerator), 활성화제(activator), 항산화제, 왁스, 공정 오일 등을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 이들 첨가제(들)은 고무/타이어 업계에서 바람직한 범위로 인식하는 양 만큼 포함되며 이는 공지되어있다. 예를 들어 본 발명의 조성물의 점도를 낮추고 공정에 요구되는 에너지를 줄이기 위해 본 발명의 조성물은 가소제를 포함할 수 있다. 가소제의 예로는 미네랄 오일이 있고, 이들 오일은 방향족, 나프탈레닉 및 파라핀 구조의 혼합물인 탄화수소로 이루어져 있다. 가소제는 사용되는 탄소 중합체의 극성에 따라 극성 내지 비극성의 가소화제 종류가 사용될 수 있다. 비극성 오일은 중급 추출 용매(Mild Extracted Solvent(MES)), 잔류 방향족 추출 용매(Residual Aromatic Extracted Solvent(RAE)) 및 증류 처리 방향족 추출 용매(Treated Distillate Aromatic Extracted Solvent(TDAE)) 중에서 선택될 수 있다. 친수성 오일은 미국 특허 제6248929호, 미국 특허 제6399697호, 및 미국 특허 제6410816호에 기재된 합성 오일 또는 프탈산, 아디프산 또는 세바식산의 유도체일 수 있다.

본 발명에 따른 타이어 조성물에서 극성 오일 또는 비극성 오일의 함량은 총 고무 성분 100 중량부를 기준으로 각각 약 5 내지 15 중량부, 바람직하게는 10 중량부이다. 상기 범위를 벗어나는 경우 기계적 특성 및 탄성이 감소될 수 있다. 예컨대 본 발명에 따른 타이어 조성물은 15℃에서의 밀도가 0.9530이고(ASTM D4052 기준) 100℃에서 점도가 19.29(ASTM D445 기준)인 방향족 오일을 총 고무 성분 100 중량부를 기준으로 5 내지 15 중량부, 바람직하게는 5 내지 10 중량부만큼 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 타이어 조성물은 25 내지 70 Ωcm, 바람직하게는 40 Ωcm의 저항을 갖고, 20 내지 70%의 팽창도, 바람직하게는 1분 이내에 40%의 팽창도를 갖는다. 본 발명에 따른 타이어 조성물은 100 내지 200 mm3, 바람직하게는 160 mm3의 마모 저항성을 갖고, 10 내지 22 MPa, 바람직하게는 12 MPa의 인장 강도를 갖는다.

<제조 방법>

본 발명에 따른 타이어 조성물을 제조하기 위해서는 먼저 촉진제, 활성화제, 및 경화제를 제외한 상기 기술한 고무 블렌드와 보강재를 혼합하고(제1 혼합 단계), 그 후 촉진제, 활성화제 및/또는 경화제를 혼합한다(제2 혼합 단계). 제1 혼합 단계는 약 90℃에서 5분, 제2 혼합 단계는 약 50℃에서 2분 동안 진행되는 것이 바람직하다.

최적의 물리-기계적 특성을 달성하고 균질한 혼합물을 얻기 위해서는 고무 성분과 다른 성분들을 조절된 시간만큼 이중-롤 밀(two-roll mill)을 거치게 하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 이중-롤 밀을 거치는 시간은 5 내지 20분이 적당하고, 10 내지 15분이 바람직하다. 이중-롤 밀에서의 온도는 원하는 조성물의 성질에 따라 결정되지만, 통상적으로 25 내지 120℃가 적당하고, 25 내지 50℃가 바람직하다.

혼합된 조성물을 그 후 시트 아웃하고 이동 다이 레오미터(rheometer)에서 100 내지 190℃, 바람직하게는 120 내지 160℃에서 가황한다. 최적의 가황 특성은 생성된 샘플이 바람직한 표준 특성을 갖도록 변형될 수 있다. 최종적으로, 핫-프레스에서 2.5 내지 5 MPa, 바람직하게는 5 MPa를 가하고, 표준 절차를 거치도록 한다.

<실시예>

하기 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 보호 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다. 하기 비교예 및 실시예에 기재된 약자들은 다음을 의미한다.

NR: 천연 고무;

BR: 시스-1,4-폴리부타디엔 고무

SBR: 스티렌-부타디엔 고무;

XNBR: 카르복실화 아크릴로니트릴 부타디엔 고무

ENR: 에폭시드 천연 고무

GECO: 에피클로로히드린 폴리에틸렌 옥시드 알릴 글리시딜 에테르

PU: 폴리우레탄

IR: 폴리이소프렌 고무

PVP: 폴리비닐피롤리돈

CSP: 가교화 소듐 폴리아크릴레이트

CF: 셀룰로스 섬유

TMTD: 테트라메틸 티우람 디술피드(Tetramethyl thiuram disulfide);

CZ: N-시클로헥실-2-벤조티아졸 술폰아미드;

S/T: 스테아릭산;

6PPD: 1,3-디메틸부틸-N'-페닐-p-페닐렌디아민;

TMQ: 2,2,4-트리메틸-1,2-디히드로퀴놀린 중합체;

1. 타이어 조성물의 제조

본 발명에 따른 타이어 조성물을 아래 표에 기재된 물질 및 조성비로 제조하였다. S1은 종래의 기술에 따른 상업용 표준 타이어 조성물에 해당하고, A1, A2, B1, B2, C1, 및 C2는 본 발명에 따른 타이어 조성물에 해당한다.

2. 물성 평가

상기 실시예의 타이어 조성물 및 상업용 표준 타이어 조성물의 물성을 측정하였다. 물성 평가는 제조된 각 타이어 샘플을 적절한 크기로 절단한 후, 강도 시험, 전기 저항 측정, 내마모성, 수-팽창 시험을 하였다. 수-팽창 시험에서는 샘플을 약 3 cm x 3 cm, 2 mm 두께로 절단한 후, 초기 무게를 잰 다음 물을 흡수한 이후의 무게를 쟀다. 팽창도는 다음의 식을 사용하였다.

(상기 식에서 v는 초기 무게, u는 최종 무게를 지칭함).

상기 표에서 알 수 있듯이, 종래의 기술에 따른 천연 고무 및 부타디엔 고무를 포함하는 조성물은 전기 전도성이 매우 높아 바람직하지 않았지만, 본 발명에 따른 A1, A2, B1, B2, C1, 및 C2는 전기 전도성이 매우 우수한 것으로 나타났다(낮은 전기 저항성). 특히 C2의 경우 낮은 전기저항성과 함께 수팽창도, 마모성 등의 물성도 우수하게 나타였는바, 본 발명의 목적을 가장 잘 만족시킨 것을 알 수 있다.

이로써 본 발명에 따른 타이어 조성물을 이용하여 타이어를 제조하는 경우 지하 누전원의 측정이 효과적으로 가능하고, 타이어의 수명이 다할 때까지 센서 작용이 유지될 수 있고, 누전원을 직접적이면서 전면적으로 측정이 가능하여 종래보다 현저하게 정확한 측정이 가능하다는 우수한 효과를 가진다.

상기 제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims

카르복실화-아크릴로니트릴-부타디엔 고무(XNBR) 및 에폭시드 천연 고무;
폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 및 폴리에틸렌옥시드(PEO)로부터 선택된 1종 이상의 수-팽창 물질 20 내지 30 중량부(총 고무 성분 100 중량부 기준);
1종 이상의 카본 블랙 5 내지 30 중량부(총 고무 성분 100 중량부 기준); 및
실리카 5 내지 15 중량부(총 고무 성분 100 중량부 기준);
를 포함하는, 전도성 친수성 타이어 조성물.
삭제
제1항에 있어서, 상기 에폭시드 천연 고무 대 XNBR의 비율이 1:9 내지 3:7인(질량비) 전도성 친수성 타이어 조성물.
삭제
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제1항에 있어서, 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA), 폴리비닐클로라이드(PV) 및 폴리우레탄(PU)로부터 선택된 1종 이상의 열가소성 중합체를 추가로 포함하는 전도성 친수성 타이어 조성물.
제6항에 있어서, 상기 열가소성 중합체는 PU이고, XNBR 대 PU의 비율은 1:9 내지 3:7인(질량비) 전도성 친수성 타이어 조성물.
제1항, 제3항, 제6항, 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 카본 블랙의 함량이 총 고무 성분 100 중량부를 기준으로 20 내지 30 중량부인 전도성 친수성 타이어 조성물.
제1항, 제3항, 제6항, 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리카의 함량이 총 고무 성분 100 중량부를 기준으로 5 내지 10 중량부인 전도성 친수성 타이어 조성물.
제1항, 제3항, 제6항, 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 총 고무 성분 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 1 중량의 그래핀 옥시드를 추가로 포함하는 전도성 친수성 타이어 조성물.
제1항, 제3항, 제6항, 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수-팽창 물질이 PVP인 전도성 친수성 타이어 조성물.
제1항, 제3항, 제6항, 및 제7항 중 어느 한 항에 따른 전도성 친수성 타이어 조성물로 제조한 타이어.
제12항에 따른 타이어로 지하 누전 상태 및 누전원을 실시간으로 측정하는 방법.