KR102191448B1 - 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어 - Google Patents

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것으로서, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무(Emulsion-polymerized Styrene Butadiene Rubber) 30 중량부 내지 60 중량부를 포함하는 원료 고무 100 중량부, 실리카를 포함하는 보강성 충진제 90 중량부 내지 140 중량부, 천연 오일 5 중량부 내지 30 중량부, 그리고 방향족 수지 10 중량부 내지 30 중량부를 포함한다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 사계절용 컴파운드 특성에 맞게 모든 성능이 균형을 이루면서도, 트레이드오프(trade-off) 관계에 있는 웨트 그립(wet grip) 성능과 마모 성능을 극대화할 수 있다.

Description

타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어{RUBBER COMPOSITION FOR TIRE TREAD AND TIRE MANUFACTURED BY USING THE SAME}
본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사계절용 컴파운드 특성에 맞게 모든 성능이 균형을 이루면서도, 트레이드오프(trade-off) 관계에 있는 웨트 그립(wet grip) 성능과 마모 성능을 극대화할 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물 및 이를 이용하여 제조한 타이어를 제공하는 것이다.
타이어의 기술 발전으로 인하여 여름(Summer)용 타이어, 겨울(Winter)용 타이어, 및 사계절(All Season)용 타이어 등 각 계절 및 사용 조건에 맞게 타이어가 개발 및 출시되고 있다.
특히, 사계절용 타이어의 경우 여름 타이어의 성능과 겨울 타이어의 중간 적 성질을 나타내기 때문에 모든 성능적 면에서 균형을 이루는 것이 중요하며, 어느 특정 한 가지 성능이라도 나쁠 경우에는 상품성이 떨어질 수 밖에 없다.
또한, 현재 사계절용 타이어를 장착하는 차량 트렌드를 볼 때 SUV 차량의 수요가 커지고, 배터리를 장착한 전기 자동차가 새롭게 개발되면서 전체적인 차량의 중량이 올라가고 있다고 볼 수 있다.
따라서, 이러한 수요 차량의 경향이 변함에 따라 전체적으로 사계절용 타이어에 요구되는 조건이 기존보다 더 가혹(Severe)해지고 있다. 특히, 위에 언급한 바와 같이 차량의 중량이 증가함에 따라 타이어 마모에 대한 중요성이 더욱 부각되고 있으며, 젖은 노면 및 마른 노면(Wet/Dry) 제동에 대한 부분 역시 시장의 요구 성능 만족을 위해 여러 가지 컴파운딩 기술이 추가적으로 개발될 필요가 있다.
본 발명의 목적은 사계절용 컴파운드 특성에 맞게 모든 성능이 균형을 이루면서도, 트레이드오프(trade-off) 관계에 있는 웨트 그립(wet grip) 성능과 마모 성능을 극대화할 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조한 타이어 트레드를 포함하는 타이어를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무(Emulsion-polymerized Styrene Butadiene Rubber) 30 중량부 내지 60 중량부를 포함하는 원료 고무 100 중량부, 실리카를 포함하는 보강성 충진제 90 중량부 내지 140 중량부, 천연 오일 5 중량부 내지 30 중량부, 그리고 방향족 수지 10 중량부 내지 30 중량부를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공한다.
상기 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무는 중량평균분자량이 1,000,000 g/mol 내지 2,500,000 g/mol이고, 유리 전이 온도(Tg)가 - 35 ℃ 내지 - 60 ℃일 수 있다.
상기 원료 고무는 시스(cis) 함량이 95 중량% 이상인 부타디엔 고무(Butadiene Rubber)를 20 중량부 내지 40 중량부로 더 포함할 수 있다.
상기 천연 오일은 상기 천연 오일 전체 중량에 대하여 올레산(Oleic acid) 15 중량% 내지 30 중량%, 리놀레산(Linoleic acid) 40 중량% 내지 60 중량%, 알파 리놀레산(Alpha linoleic acid) 5 중량% 내지 15 중량%, 및 이들 이외의 지방산을 잔부량으로 포함할 수 있다.
상기 방향족 수지는 연화점이 90 ℃ 내지 130 ℃이고, 유리 전이 온도(Tg)가 50 ℃ 내지 80 ℃ 이고, 방향족(Aromatic) 탄화수소와 지방족(Aliphatic) 탄화수소의 중량비가 30 내지 60 : 40 내지 70일 수 있다.
상기 방향족 수지는 스티렌(styrene)과 알파-메틸스티렌(α-metylstyrene)의 공중합체일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조된 타이어 트레드를 포함하는 타이어를 제공한다.
본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 사계절용 컴파운드 특성에 맞게 모든 성능이 균형을 이루면서도, 트레이드오프(trade-off) 관계에 있는 웨트 그립(wet grip) 성능과 마모 성능을 극대화할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무(Emulsion-polymerized Styrene Butadiene Rubber, E-SBR) 를 포함하는 원료 고무, 실리카를 포함하는 보강성 충진제, 천연 오일, 그리고 방향족 수지를 포함한다.
즉, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 상기 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무, 상기 실리카, 상기 천연 오일, 및 상기 방향족 수지를 조합하여 사계절용 타이어의 특성에 맞게 모든 성능이 균형되며, 최근 중요성이 부각되고 있는 웨트(Wet) 및 마모 성능을 극대화한 것이다.
현재 사계절용 타이어에는 주로 높은 유리 전이 온도(High Tg)를 갖는 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무(Solution-polymerized Styrene Butadiene Rubber, S-SBR)를 사용하여 웨트 성능을 극대화하는 컨셉으로 컴파운딩되는 것이 일반적이다.
그러나, 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무의 경우 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무에 대비하여 분자량이 낮아 마모 성능에 불리하며, 실리카 함량이 매우 높아진 현재 트렌드에서 가공성에도 불리한 특징을 가지고 있다.
이에 본 발명에서는 고함량의 실리카를 적용할 수 있고, 마모 성능을 극대화할 수 있는 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무를 원료 고무로 포함한다.
상기 E-SBR은 중량평균분자량이 1,000,000 g/mol 내지 2,500,000 g/mol일 수 있고, 보다 상세하게는 1,700,000 g/mol 내지 2,300,000 g/mol일 수 있다. 상기 E-SBR의 중량평균분자량이 1,000,000 g/mol 미만인 경우 마모 성능에 불리할 수 있고, 2,500,000 g/mol를 초과하는 경우 가공이 어려울 수 있고 현재 기술로는 고무 제조 자체가 어려울 수 있다.
상기 E-SBR은 유리 전이 온도(Tg)가 - 35 ℃ 내지 - 60 ℃일 수 있고, 보다 상세하게는 -45 ℃ 내지 -55 ℃일 수 있다. 상기 E-SBR의 유리 전이 온도가 - 35 ℃ 미만인 경우 고무 조성물의 유리 전이 온도가 높아져 사계절용 타이어의 겨울 성능 및 마모 성능이 취약해 질 수 있고, - 60 ℃를 초과하는 경우 웨트(Wet) 성능이 저하되고 트레드 강성이 약해질 수 있다.
상기 E-SBR은 상기 원료 고무 100 중량부 중에서 30 중량부 내지 60 중량부로 포함될 수 있고, 보다 상세하게는 30 중량부 내지 50 중량부로 포함될 수 있다. 상기 E-SBR의 함량이 30 중량부 미만인 경우 마모 성능 향상 효과가 미미할 수 있고, 60 중량부를 초과하는 경우 웨트(Wet) 성능에 취약할 수 있다.
한편, 상기 원료 고무는 상기 E-SBR 이외에 천연고무, 합성고무 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 천연고무는 일반적인 천연고무 또는 변성 천연고무일 수 있다.
상기 일반적인 천연고무는 천연고무로서 알려진 것이면 어느 것이라도 사용될 수 있고, 원산지 등이 한정되지 않는다. 상기 천연고무는 시스-1,4-폴리이소프렌을 주체로서 포함하지만, 요구 특성에 따라서 트랜스-1,4-폴리이소프렌을 포함할 수도 있다. 따라서, 상기 천연고무에는 시스-1,4-폴리이소프렌을 주체로서 포함하는 천연고무 외에, 예컨대 남미산 사포타과의 고무의 일종인 발라타 등, 트랜스-1,4-이소프렌을 주체로서 포함하는 천연고무도 포함할 수 있다.
상기 변성 천연고무는, 상기 일반적인 천연고무를 변성 또는 정제한 것을 의미한다. 예컨대, 상기 변성 천연고무로는 에폭시화 천연고무(ENR), 탈단백 천연고무(DPNR), 수소화 천연고무 등을 들 수 있다.
상기에서 합성고무는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 변성 스티렌 부타디엔 고무, 부타디엔 고무(BR), 변성 부타디엔 고무, 클로로 술폰화 폴리에틸렌 고무, 에피클로로 하이드린 고무, 불소 고무, 실리콘 고무, 니트릴 고무, 수소화된 니트릴 고무, 니트릴 부타디엔 고무(NBR), 변성 니트릴 부타디엔 고무, 클로리네이티드 폴리에틸렌 고무, 스티렌 에틸렌 부틸렌 스티렌(SEBS) 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 에틸렌 프로필렌디엔(EPDM) 고무, 하이팔론 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌 비닐아세테이트 고무, 아크릴 고무, 히드린 고무, 비닐 벤질 클로라이드 스티렌 부타디엔 고무, 브로모 메틸 스티렌 부틸 고무, 말레인산 스티렌 부타디엔 고무, 카르복실산 스티렌 부타디엔 고무, 에폭시 이소프렌 고무, 말레인산 에틸렌 프로필렌 고무, 카르복실산 니트릴 부타디엔 고무, 브로미네이티드 폴리이소부틸 이소프렌-코-파라메틸 스티렌(brominated polyisobutyl isoprene-co-paramethyl styrene, BIMS) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
일 예로, 상기 원료 고무는 상기 E-SBR과 BR로 구성될 수 있다.
특히, 상기 BR은 하이-시스(high-cis) 부타디엔 고무를 더욱 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 하이-시스 부타디엔 고무는 시스-1,4 함량이 95 중량% 이상이며, 유리 전이 온도(Tg)가 - 104 ℃ 내지 - 107 ℃일 수 있다. 상기 하이-시스 부타디엔 고무는 상기 시스-1,4 함량과 상기 유리 전이 온도의 범위 내에서 저온 특성과 반발 탄성이 유리해지는 효과가 있다.
상기 BR은 상기 원료 고무 100 중량부 중에서 20 중량부 내지 40 중량부로 포함될 수 있다. 상기 BR의 함량이 20 중량부 미만인 경우 마모에 취약할 수 있고, 40 중량부를 초과하는 경우 트레드 고무 조성물에서 압출 가공성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 젖은 노면에서의 제동 성능을 향상시키기 위하여 보강제인 실리카를 고 함량으로 포함한다.
즉, 상기 실리카는 상기 원료 고무 100 중량부에 대하여 90 중량부 내지 140 중량부로 포함될 수 있고, 보다 상세하게는 90 중량부 내지 130 중량부로 포함될 수 있다. 상기 실리카의 함량이 상기 원료 고무 100 중량부에 대하여 90 중량부 미만인 경우 고성능(High performance) 구현이 어려울 수 있고, 140 중량부를 초과하는 경우 정련 가공성이 저하되며 마모에 취약할 수 있다.
상기 실리카는 CTAB(cetyl trimethyl ammonium bromide)흡착 비표면적이 150 ㎡/g 내지 170 ㎡/g일 수 있다. 상기 실리카의 비표면적이 작으면 분산이 향상되어 경도 및 저신장 모듈러스가 낮아짐으로써 젖은 노면에서의 제동 성능이 유리해짐과 동시에 보강성이 향상되어 고신장 모듈러스가 상승하게 된다.
상기 실리카의 CTAB흡착 비표면적이 170 ㎡/g 초과하게 되면 원료 고무와의 혼합성이 저하되어 보강성이 약해지고 이로 인해 고무 강도가 저하될 수 있고, 150 ㎡/g 미만이 되면 낮은 표면적에 의해 오히려 보강성이 약해지는 역효과를 초래할 수 있다.
상기 실리카는 습식법 또는 건식법으로 제조된 것을 모두 사용할 수 있으며, 시판품으로는 울트라실 VN2(Degussa Ag사제), 울트라실 VN3(Degussa Ag사제), Z1165MP(Rhodia사제) 또는 Z165GR(Rhodia사제) 등을 사용할 수 있다.
선택적으로, 상기 실리카의 분산성 향상을 위하여 커플링제를 더 포함할 수 있다.
상기 커플링제로는 설파이드계 실란 화합물, 머캅토계 실란 화합물, 비닐계 실란 화합물, 아미노계 실란 화합물, 글리시독시계 실란 화합물, 니트로계 실란 화합물, 클로로계 실란 화합물, 메타크릴계 실란 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있고, 설파이드계 실란 화합물을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 커플링제는 상기 원료 고무 100 중량부에 대하여 1 중량부 내지 20 중량부로 포함될 수 있다. 상기 커플링제의 함량이 1 중량부 미만일 경우 상기 실리카의 분산성 향상이 부족하여 고무의 가공성이 저하되거나 저연비 성능이 저하될 수 있으며, 20 중량부를 초과하는 경우 상기 실리카와 고무의 상호 작용이 너무 강하여 저연비 성능은 우수할 수 있으나 제동 성능이 저하될 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료 고무로 E-SBR을 포함하고, 보강성 충진제로 고 함량의 실리카를 포함하면서, 이와 더불어 기존의 석유계 오일을 대체하여 천연 오일을 포함함으로써, 마모 성능이 더욱 향상된 것이다.
구체적으로, 상기 천연 오일은 이중 결합을 일부 가지고 있으며, 유리 전이 온도(Tg)가 낮아 가교 구조에서 폴리설파이드(Polysulfide)계가 많아지고 유리 전이 온도가 낮아지면서 마모 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 천연 오일로는 상기 천연 오일 전체 중량에 대하여 올레산(Oleic acid) 15 중량% 내지 30 중량%, 리놀레산(Linoleic acid) 40 중량% 내지 60 중량%, 알파 리놀레산(Alpha linoleic acid) 5 중량% 내지 15 중량%, 및 이들 이외의 지방산을 잔부량으로 포함하는 대두유(Soybean oil)를 사용할 수 있다.
상기 올레산의 비율이 15 중량% 미만이면 내마모 성능은 우수하지만 젖은 노면에서의 제동 성능 및 회전 저항의 트레이드오프(Trade-off)가 있을 수 있고, 30 중량% 를 초과하면 반대로 젖은 노면에서의 제동 성능 및 회전 저항의 트레이드오프 현상은 미미하지만 내마모 성능 효과 또한 미미할 수 있다.
상기 대두유는 비중이 0.90 내지 0.93 이고, 요오드값이 124 g/100g 내지 139 g/100g이고, 비누화값이 188 mgKOH/g 내지 195 mgKOH/g일 수 있다. 또한, 상기 대두유는 중량평균분자량이 850 g/mol 내지 900 g/mol일 수 있다. 상기 대두유는 상기 오일 전체에 대하여 PAHs 성분의 총 함량이 3 중량% 이하이고, 동점도가 95 이상(210 ℉ SUS)으로 친환경적인 타이어를 제공할 수 있고, 상기 대두유를 포함한 타이어 트레드용 고무 조성물은 저온특성, 연비성능을 우수하게 하면서도 PAHs의 암 유발 가능성 등의 환경적 요인에 대해서도 유리한 특성을 갖는다.
상기 대두유는 대두를 압착법 혹은 용제 추출법을 이용하여 기름 성분을 추출하는 것일 수 있다.
먼저 압착법은 세척 단계, 건조 단계, 착유 단계, 숙성 단계 및 침전 단계로 제조되는 것일 수 있다. 건조 단계는 상기 선택된 대두를 세척한 후 50 ℃ 내지 70 ℃의 미열로 흡입식 통풍건조 방식으로 2 시간 내지 3 시간 동안 건조하는 것일 수 있다. 착유 단계는 상기 건조시킨 대두를 80 ℃ 내지 90 ℃ 사이에서 통상의 압착기 또는 엑스페러 기계로 기름을 추출하는 것일 수 있다. 숙성 및 침전 단계는 상기 착유과정을 통하여 축출된 기름을 7 일 내지 10 일 동안 상온에서 숙성시킴과 동시에 이물질을 침전시켜 침전물을 제거하여 맑은 오일만을 분리하는 것일 수 있다.
다음으로 용제 추출법은 헥산, 알코올, 아세톤, 벤젠, 클로로메탄, 에테르 등의 유기용매를 이용하는 것일 수 있다. 대두를 상기 유기용매에 침지하여 기름 성분을 추출하고 오일만을 분리하는 것일 수 있다.
상기 천연 오일은 상기 원료 고무 100 중량부에 대하여 5 중량부 내지 30 중량부로 포함될 수 있고, 보다 상세하게는 10 중량부 내지 25 중량부로 포함될 수 있다. 상기 천연 오일의 함량이 상기 원료 고무 100 중량부에 대하여 5 중량부 미만인 경우 유리 전이 온도(Tg)를 낮추는 효과가 미미하여 겨울 성능이나 마모 성능을 극대화 하기 어려울 수 있고, 30 중량부를 초과하는 경우 모듈러스가 너무 낮아져서 마른 노면 제동(Dry Braking)시 트레드 밀림 현상이 발생 할 수 있다.
다만, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물의 마모 성능을 향상시키기 위하여, 원료 고무로 E-SBR을 포함하고, 보강성 충진제로 고 함량의 실리카를 포함하면서, 천연 오일을 포함하는 경우, 웨트 성능에는 불리하다.
이에, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 방향족 수지(aromatic resin)를 더 포함함으로써, 마모 성능을 유지한 상태에서 웨트/드라이 그립 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 방향족 수지는 탄소수가 8 개 내지 10 개일 수 있고, 탄소수 9 개의 C9계 퓨어-모노머계 방향족 수지일 수 있다. 상기 탄소수 8 개 내지 10 개의 퓨어-모노머계 방향족 수지는 부가적으로 고무와 고무 사이의 접착(tack) 성능을 더욱 향상시켜 주고, 충전제와 같은 기타 첨가제들의 혼합성, 분산성 및 가공성을 개선시켜 고무의 물성 향상에 기여하는 점착제 역할을 할 수 있다.
상기 탄소수 8 개 내지 10 개의 퓨어-모노머계 방향족 수지는 구체적으로 비닐톨루엔 수지(Vinyltoluenes), 다이사이클로펜타디엔 수지(Dicyclopentadiene), 인덴 수지(Indene), 메틸스타이렌 수지(Methylstyrene), 스타이렌 수지(Styrene), 메틸 인덴 수지(Methyl indenes) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 탄소수 8 개 내지 10 개의 방향족 수지일 수 있고, 구체적인 일 예로 스티렌(styrene)과 알파-메틸스티렌(α-metylstyrene)의 공중합체일 수 있다.
또한, 상기 방향족 수지는 연화점이 90 ℃ 내지 130 ℃이고, 유리 전이 온도(Tg)가 50 ℃ 내지 80 ℃ 이고, 방향족(Aromatic) 탄화수소와 지방족(Aliphatic) 탄화수소의 중량비가 30 내지 60 : 40 내지 70인 것이 트레드 고무 조성물의 웨트(Wet) 성능을 올릴 때 적은 함량으로도 그 효과가 커질 수 있다. 상기 방향족 탄화수소의 중량비가 30 미만인 경우 유리 전이 온도가 너무 높고 회전 저항 성능이 저하될 수 있고, 60을 초과하는 경우 웨트(Wet) 보강 효과가 미미해 질 수 있다.
상기 방향족 수지는 상기 원료 고무 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 30 중량부로 포함될 수 있다. 상기 방향족 수지의 함량이 상기 원료 고무 100 중량부에 대하여 10 중량부 미만이면 웨트(Wet) 성능 상승 효과가 거의 없을 수 있고, 30 중량부를 초과하면 고무 조성물의 유리 전이 온도가 너무 높아져서 낮은 온도에서 크랙(Cold crack)이 발생할 수 있고, 상기 방향족 수지가 가공 조제로서 역할하여 고무 조성물이 너무 무르게 될 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 상기 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무, 상기 실리카, 상기 천연 오일, 및 상기 방향족 수지를 조합하여 사계절용 타이어의 특성에 맞게 모든 성능이 균형되며, 최근 중요성이 부각되고 있는 웨트(Wet) 및 마모 성능을 극대화한 것이다.
구체적으로, 상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 고 함량의 실리카를 적용할 수 있고, 마모 성능을 극대화할 수 있는 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무를 원료 고무로 포함하면서, 기존의 석유계 오일을 대체하여 천연 오일을 포함함으로써, 마모 성능을 더욱 향상시킨 것이다.
하지만, 이와 같은 조합에서는 고 함량의 실리카를 제외하고는 모두 마모 성능에는 유리하지만 웨트 성능에는 불리한 방향으로 컴파운딩 되는 컨셉이다. 이에, 상기 방향족 수지를 사용하여, 마모 성능을 유지한 상태에서 웨트/드라이 그립 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 선택적으로 추가적인 가류제, 가류촉진제, 가류촉진조제, 노화방지제, 연화제 또는 점착제 등의 각종의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 각종의 첨가제는 본 발명이 속하는 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 이들의 함량은 통상적인 타이어 트레드용 고무 조성물에서 사용되는 배합비에 따르는 바, 특별히 한정되지 않는다.
상기 타이어 트레드용 고무 조성물은 트레드(트레드 캡 및 트레드 베이스) 에 한정되지 않고, 타이어를 구성하는 다양한 고무 구성 요소에 포함될 수 있다. 상기 고무 구성 요소로는 사이드월, 사이드월 삽입물, 에이펙스(apex), 채퍼(chafer), 와이어 코트 또는 이너라이너 등을 들 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 타이어는 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조된다. 상기 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 타이어를 제조하는 방법은 종래에 타이어의 제조에 이용되는 방법이면 어느 것이든 적용이 가능한 바, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.
상기 타이어는 승용차용 타이어, SUV(sports utility vehicle)용 타이어, 경주용 타이어, 비행기 타이어, 농기계용 타이어, 오프로드(off-the-road) 타이어, 소형 트럭 타이어, 트럭 타이어 또는 버스 타이어 등일 수 있다. 또한, 상기 타이어는 레디얼(radial) 타이어 또는 바이어스(bias) 타이어일 수 있으며, 레디얼 타이어인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[제조예: 고무 조성물의 제조]
하기 표 1과 같은 조성을 이용하여 하기의 실시예 및 비교예에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 제조하였다. 상기 고무 조성물의 제조는 통상의 고무 조성물의 제조 방법에 따랐다.
비교예1 실시예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5
E-SBR1) - 43 43 43 73 -
S-SBR2) 73 30 30 30 - 73
BR3) 27 27 27 27 27 27
고 실리카4) - 132 132 - 132 132
저 실리카5) 80 - - 90 - -
천연 오일6) - 27 27 27 27 27
석유계오일7) 47 25 25 25 25 25
방향족계 수지8) - 18 - 18 18 18
수지9) 18 - 18 - - -
기타10) 10 10 10 10 10 10
(단위: 중량부)
1) E-SBR: 중량평균분자량이 2,000,000 g/mol이고, 유리 전이 온도(Tg)가 - -53 ℃임
2) S-SBR: Lanxess사 VSL2438 제품
3) BR: 시스(cis) 함량이 96 중량% 이상임
4, 5) 실리카: CTAB흡착 비표면적이 160 ㎡/g임
6) 천연 오일: 올레산 25 중량%, 리놀레산 52.5 중량%, 및 이들 이외의 지방산 잔부량을 포함하는 대두유(soybean oil)임.
7) 석유계 오일: 극동유화사 N#2 제품
8) 방향족계 수지: 연화점이 103 ℃이고, 유리 전이 온도(Tg)가 55 ℃이고, 방향족(Aromatic) 탄화수소 : 지방족(Aliphatic) 탄화수소 : 알켄(Alkene) = 51: 48: 1(중량비)임
9) 수지: Kolon사 C5 레진 제품
10) 기타: 가류제 0.7 중량부, 가류촉진제 2.2 중량부 등
[실험예 1: 제조된 고무 조성물의 상온 인장 물성 측정]
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 고무 시편에 대하여 상온에서의 물성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
비교예1 실시예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5
경도1) 72 72 50 65 75 76
300% 모듈러스2) 90 65 53 61 80 85
인장강도3) 180 170 150 160 185 190
신장율4) 510 650 700 540 560 520
강성5) 405 550 420 417 430 420
1) 경도(Shore A)는 DIN 53505에 의해 측정하였다. 경도는 조정 안정성을 나타내는 것으로 수치가 높을수록 조정 안정성능이 우수한 것을 나타낸다.2) 300 % 모듈러스(kgf/㎠)는 ISO 37 규격에 의해 측정하였다. 300% 모듈러스는 수치가 높을수록 인장 특성이 우수함을 나타낸다.
3) 인장강도(kgf/㎠)는 ASTM D 790 의 방법으로 측정하였고, 수치가 높을수록 우수한 강도를 나타낸다.
4) 신장률(%)은 파단시 신장률을 의미하는 것으로 인장 시험기에서 시험편이 끊어질 때까지의 Strain 값을 %로 나타내는 방법을 측정하였다. 신장률 또한 수치가 높을수록 인장특성이 우수함을 나타낸다.
5) 강성(Toughness, 단위: kgf/cm2): 인장 강도를 측정하는 ASTM 방법으로 측정하였다. 수치가 높을수록 마모 성능(에너지에 견디는 힘)이 우수함을 나타낸다.
일반적으로 300 % 모듈러스가 60 kgf/㎠ 미만일 경우 마른 노면 정지(Dry Braking) 시에 트레드 밀림 현상이 일어날 수 있다. 따라서, 사계절용 타이어의 경우 60 kgf/㎠ 이상의 300 % 모듈러스를 가져야 하는데, 비교예 2의 경우 300 % 모듈러스가 60 kgf/㎠ 미만이다.
또한, 마모의 경우 외부 에너지로부터 견디는 힘이므로, Toughness가 높을 수록 마모 성능에 유리한데, 실시예 1의 경우 Toughness가 가장 우수함을 알 수 있다.
[실험예 2: 제조된 고무 조성물의 점탄성 측정]
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 고무 시편에 대하여 점탄성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
상기 점탄성은 RDS(Rheometrics Dynamic Spectrometer) 측정기를 사용하여 0.5 % 변형(strain)에 10 Hz Frequency 하에서 G", 0 ℃ tanδ를 측정하였다. 하기 표 3에서 0 ℃ tanδ G"(Loss Modulus)는 수치가 높을수록 웨트 성능이 유리함을 나타낸다.
비교예1 실시예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5
0℃ tanδ 0.203 0.235 0.180 0.215 0.213 0.221
0℃ G" (10E+6) 5.4 8.7 4.2 6.5 6.8 6.1
일반적으로 사계절용 타이어의 웨트 성능은 0 ℃ tanδ 및 G"로 가장 잘 대변되며, 실시예 1의 경우가 가장 우수함을 알 수 있다.또한, 상기 실시예 1의 경우 타이어로 제조하여 실차 평가했을 때 웨트 브레이킹(Wet Braking) 성능이 15 % 향상되는 효과를 확인하였다.
[실험예 3: 제조된 고무 조성물의 저온 점탄성 측정]
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 고무 시편에 대하여 저온(- 40 ℃ 내지 - 20 ℃)에서 점탄성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
상기 점탄성은 RDS(Rheometrics Dynamic Spectrometer) 측정기를 사용하여 0.5 % 변형(strain)에 10 Hz Frequency 하에서 - 40 ℃ 내지 - 20 ℃까지 G'를 측정하였다. 하기 표 4에서 G'는 수치가 낮을수록 스노우(snow) 성능이 유리함을 나타낸다.
비교예1 실시예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5
Tg -25℃ -38℃ -48℃ -40℃ -25℃ -23℃
-40℃ G' 2.90E+08 2.20E+08 1.50E+08 2.30E+08 3.00E+08 3.00E+08
-30℃ G' 1.40E+08 9.00E+07 5.65E+07 9.10E+07 1.50E+08 1.60E+08
-20℃ G' 9.00E+07 5.80E+07 1.20E+07 6.00E+07 9.50E+07 9.00E+07
G' 인덱스 100 136 160 134 99 98
일반적으로 사계절용 타이어의 Tg는 - 25 ℃에서 - 40 ℃ 사이이며, Tg가 낮을수록 스노우 성능에 유리하다. 상기 G' 인덱스의 경우 비교예 2 및 비교예 3이 가장 좋지만, 상기 비교예 2 및 비교예 3의 경우 웨트 성능과 마모 성능의 균형이 맞지 않으므로 전체적인 성능을 고려했을때 실시예 1이 가장 우수한 웨트 성능과 마모 성능을 가짐을 알 수 있다.
[실험예 4: 제조된 고무 조성물의 저온 점탄성 측정]
상기 실시예 1과, 상기 실시예 1에서 방향족 탄화수소 : 지방족 탄화수소 : 알켄 = 12: 85: 3(중량비)인 방향족 수지를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 제조한 실시예 2에 대하여, 웨트 브레이킹 및 G"(@ 0 ℃)를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2
웨트 브레이킹 100 95
G"(@ 0 ℃) 8.7 7.1
상기 표 5를 참조하면, 방향족 탄화수소의 비율이 더 높은 방향족 수지를 사용한 실시예 1이 실시예 2에 비하여 웨트 성능이 향상됨을 알 수 있다.또한, 상기 실시예 1 및 비교예 5에 대하여 무니점도, 압출 인덱스, 생산성 및 기포율을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
실시예 1 비교예 5
무니점도1) 65 90
압출 인덱스2) 100 80
생산성(MPM)3) 15.0 12.0
기포율4) 0.1% 0.5%
상기 표 6에서, 무니점도가 높으면 정련 공정에서 부적합률이 높아지고 고 함량 실리카를 포함하는 경우 경우 특히 그 정도가 심하다. 하지만 실시예 1의 경우 E-SBR의 사용으로 무니점도가 낮아짐에 따라 정련에서의 부적합률이 줄어듬을 알 수 있다.또한, 압출 인덱스는 압출 표면에 따른 인덱스(Index)이며, 생산성(MPM)은 높을수록 생산성에 유리하고, 기포율은 낮을 수록 유리하다. 상기 표 6을 참조하면, 실시예 1이 생산성도 우수함을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

  1. 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무(Emulsion-polymerized Styrene Butadiene Rubber) 30 중량부 내지 60 중량부, 시스(cis) 함량이 95 중량% 이상이고 유리 전이 온도(Tg)가 - 104 ℃ 내지 - 107 ℃인 부타디엔 고무(Butadiene rubber) 20 중량부 내지 40 중량부를 포함하는 원료 고무 100 중량부,
    실리카 보강성 충진제 120 중량부 내지 140 중량부,
    천연 오일 5 중량부 내지 30 중량부, 그리고
    방향족 수지 10 중량부 내지 30 중량부를 포함하고;
    상기 방향족 수지는 연화점이 90 ℃ 내지 130 ℃이고, 유리 전이 온도(Tg)가 50 ℃ 내지 80 ℃이고, 방향족(Aromatic) 탄화수소와 지방족(Aliphatic) 탄화수소의 중량비가 30 내지 60 : 40 내지 70인 스티렌(styrene)과 알파-메틸스티렌(α-metylstyrene)의 공중합체;
    인 것을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유화 중합 스티렌-부타디엔 고무는 중량평균분자량이 1,000,000 g/mol 내지 2,500,000 g/mol이고, 유리 전이 온도(Tg)가 - 35 ℃ 내지 - 60 ℃인 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 천연 오일은 상기 천연 오일 전체 중량에 대하여 올레산(Oleic acid) 15 중량% 내지 30 중량%, 리놀레산(Linoleic acid) 40 중량% 내지 60 중량%, 알파 리놀레산(Alpha linoleic acid) 5 중량% 내지 15 중량%, 및 이들 이외의 지방산을 잔부량으로 포함하는 것인 타이어 트레드용 고무 조성물.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물을 이용하여 제조된 타이어 트레드를 포함하는 타이어.
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