KR20020037595A

KR20020037595A - 타이어 트레드용 고무 조성물

Info

Publication number: KR20020037595A
Application number: KR1020000067613A
Authority: KR
Inventors: 전일환; 김학주
Original assignee: 조충환; 한국타이어 주식회사
Priority date: 2000-11-15
Filing date: 2000-11-15
Publication date: 2002-05-22

Abstract

본 발명은 원료고무 100중량부에 실리카 및 실란 커플링제를 첨가하여 이루어진 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 여기에 지방산 금속염 유도체를 첨가하여 이루어진 것으로, 이는 첨가된 지방산 금속염 유도체가 실리카 표면의 극성기와 반응하여 실리카 표면 극성을 낮추어 주고 이로인해 실리카 서로간에 뭉치려고 하는 성질을 감소시켜 고무와의 상용성을 높여주게 되고, 윤활제 역할을 하여 혼합시 소요되는 에너지를 줄일 수 있어 궁극적으로 고무의 강도 및 마모성능을 향상시키며 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

타이어 트레드용 고무 조성물{Tire tread rubber composition}

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서, 더욱 상세하게는 실리카를 충전제로 사용하고 실란 커플링제를 포함하는 통상의 고무에 분산성 향상을 위해 지방산 금속염 유도체를 첨가한 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.

타이어 산업에 응용되는 배합고무는 서로 다른 물리적 특성을 가지는 물질들의 혼합으로 구성되어진다.

타이어 제품에서 배합고무 설계의 성패를 좌우하는 기본여건은 배합설계자의 기본의도가 제품상의 성능면에서 얼마나 잘 반영될 것인가 하는 문제이다.

그러나, 실질적으로 이론적 근거와 실험적 수치, 고무 물성, 제품 성능 사이에 상이한 결과를 보이는 경우가 많다. 이는 배합고무내의 각 성분들, 예를들어 원료고무, 충진제, 가류제, 노화방지제 등이 가공시 설계자의 의도에 부합하지 못하는 거동을 보이기 때문이다. 즉, 서로 다른 형상 및 물리적 특성을 지닌 성분들이 이상적으로 혼합되지 못하고 독립적인 거동을 하여 배합고무 내에 충분히 분산되지 못하기 때문이다. 특히, 고무와 카본블랙, 실리카 등과 같은 충진체는 표면의 서로다른 극성으로 인해 잘 섞이지 못하는 경우가 종종 있다.

한편, 최근 환경오염 방지와 관련하여 각국에서는 자동차 배기가스 배출량에 대한 규제가 강화되면서 저연비 타이어에 대한 관심이 높아지고 있고 이를 위해 새로운 개념의 충진제인 실리카를 응용하는 기술이 많이 발표되고 있다. 실리카는 카본블랙과 달리 표면이 극성기로 고르게 분포되어 있어 고무와 잘 섞이지 못하고 실리카 서로간에 잘 뭉치려는 성질이 강하여 고무 내에 고른 분산과 고무와 상호작용을 증대시키기 위해서는 실란-커플링제를 응용한다. 그러나, 이런 실란-커플링제를 응용하더라도 여러번의 혼합과정을 거쳐야 하며, 만족할 만한 수준의 분산을 얻어내기가 상당히 어렵다. 이렇게 분산이 좋지 못한 고무는 앞에서도 언급하였듯이 배합설계자가 의도하는 고무 물성을 얻지 못하므로 타이어 성능의 향상도 기대할 수 없다.

이에, 본 발명자들은 실리카를 충진제로 첨가한 고무 조성물에 있어서 커플링제만으로는 해결하기 어려운 분산의 문제를 해결하기 위해 연구노력하던 중, 지방산-금속염 유도체를 첨가한 결과, 고무 내 충진제의 분산성을 향상시킴과 동시에 배합고무 혼합 및 압출과정에서 가공효율을 증대시킬 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 실리카 배합고무에 지방산-금속염 유도체를 첨가하여 고무 내 충진제의 분산성을 향상시키며, 배합고무 혼합 및 압출과정에서 가공효율을 증대시켜 타이어의 성능향상과 동시에 생산공정의 에너지 소모를 줄일 수 있도록 한 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는 데 있다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무에 실리카 및 실란 커플링제를 첨가하여 이루어진 것으로, 여기에 다음 화학식 1로 표시되는 두 가지 이상의 지방산-금속염 유도체 혼합물을 0.1∼10중량부 되도록 첨가하여 이루어진 것임을 그 특징으로 한다.

상기 식에서, R은 탄소수 13∼22의 알킬기이고,

M은 Zn, Ca, Na 또는 K이다.

이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 타이어 트레드용 고무 조성물은 통상의 타이어 트레드용 고무와 그 조성에 있어서는 동일, 유사하며, 특히 실리카를 충진제로 포함하며 실란 커플링제를 포함하는 고무 조성물에 효과적이다.

본 발명 고무 조성물은 상기 화학식 1로 표시되는 바와 같은 지방산 금속염의 유도체를 포함하는 바, 이는 지방산과 금속의 반응을 통해 얻을 수 있다.

이러한 지방산-금속염 유도체는 실리카 표면의 극성기와 반응하여 실리카 표면의 극성을 낮추어주고, 이로인해 실리카 서로간에 뭉치려고 하는 성질을 감소시키고 고무와의 상용성을 높여주는 역할을 하게 된다.

또한, 지방산 금속염 유도체는 고무에 혼합되는 과정에서 일종의 윤활제 역할을 하므로, 혼합시 소요되는 에너지도 현저히 줄일 수 있다. 그러나, 고무와 실리카 사이의 상호작용의 정도를 높이기 위해 첨가되는 실란 커플링제와 동시에 투입될 경우 서로 실리카와 경쟁반응을 하므로 혼합시 실란 커플링제와 실리카가 완전히 반응을 끝낸 연후에 투입하여야 그 효과를 극대화할 수 있다.

이와같은 방법으로 실리카의 분산성을 높이게 되면, 고무의 강도 및 마모성능 등을 향상시킬 수 있어 상당히 큰 부수적인 효과를 얻을 수 있다.

이와같은 역할을 하는 상기 화학식 1로 표시되는 지방산 금속염 유도체의 함량은 원료고무 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부인 것이 바람직하다.

만일, 그 첨가량이 10중량부를 초과하면 혼합과정에서 미끄러짐 현상이 발생되어 오히려 고무의 무니 점도는 약간 높아지고 실리카의 분산성도 떨어지는 문제가 발생된다.

그밖에 본 발명의 고무 조성물에는 연화제, 산화아연, 스테아린산, 노화방지제, 유황, 가류촉진제 등을 첨가할 수 있음을 물론이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1∼3 및 비교예 1∼3

다음 표 1에 나타낸 바와 같은 배합조건을 기준으로 다음과 같은 혼합조건으로 밴버리 믹서에서 혼합하여 혼합과정에서 투입되는 에너지와 혼합 후 실리카의 분산정도를 비교하였고, 이들 각 고무의 물리적 특성들을 다음 표 2에 나타내었다.

(단위: 중량부)
	실 시 예	비교예
	1	2	3	1	2	3
s-SBR	70	70	70	70	70	70
BR	30	30	30	30	30	30
실리카	75	75	75	75	75	75
커플링제	7	7	7	-	10	-
지방산 금속염	3	5	10	-	-	10
연화제	10	10	10	10	10	10
산화아연	3	3	3	3	3	3
스테아린산	2	2	2	2	2	2
노화방지제	3	3	3	3	3	3
유황	2	2	2	2	2	2
촉진제	1	1	1	1	1	1
DPG	1	1	1	1	1	1
(주)s-SBR: 용액중합 스티렌-부타디엔 고무(Nippon Zeon 제품, NS116)BR: 부타디엔 고무(금호석유화학 제품, BR01), 실리카: Zeosil 175커플링제: Si69, 연화제: 아로마틱 오일DPG: Diphenylguanidine

(혼합조건)

①1단계

투입배합제: 고무, 실리카 55중량부, 커플링제 7중량부, 기타 배합제, 지방산 금속염을 첨가할 경우 커플링제 투입 후 투입.

혼합조건: 60rpm으로 3분 40초동안 혼합 온도를 150℃이하로 유지하며 혼합

②2단계

투입배합제; 상기 1단계의 혼합고무, 실리카 20중량부, 커플링제 3중량부

③3단계

재밀링

혼합조건: 60rpm으로 2분 30초 동안 혼합 온도를 150℃이하로 유지하며 혼합

④최종 단계

투입 배합제: 상기 3단계의 혼합고무, 유황, 촉진제, DPG

오픈 밀 혼합: 혼합시간 10분

	실 시 예	비교예
	1	2	3	1	2	3
1단계	투입에너지(지수)	92	85	82	100	95	90
1단계	무니점도	145	141	140	165	152	156
2단계	투입에너지(지수)	91	85	82	100	93	93
2단계	무니점도	120	108	118	135	121	125
3단계	투입에너지(지수)	90	87	82	100	93	90
3단계	무니점도	92	82	105	118	92	92
최종 단계	무니점도(M₁₊₄)	62	59	70	92	63	64
최종 단계	분산도(%)	96	99	94	45	88	84

상기 표 2에 있어서, 투입에너지는 밴버리 믹서 혼합과정에 사용된 전력을 비교예 1을 100으로 하여 각 고무들의 소요전력을 지수로 표시한 것이다. 그리고, 실리카의 분산도는 현미경 및 이미지 분석기(image analyzer)를 이용하여 동일한 영역에서 일정 크기 이상의 실리카 입자의 개수를 세어 측정한 것으로서, 그 값이 클수록 분산성이 좋다.

상기 표 1의 결과로부터, 비교예 1과 2로부터는 커플링제의 효과를 알 수 있는 바, 실리카와 커플링제를 함께 사용할 경우 혼합시 투입되는 에너지도 줄어들고 실리카의 분산성도 상당히 향상된다는 것을 알 수 있다. 따라서, 일반적인 실리카배합고무의 경우에는 실리카를 단독으로 사용하는 것보다 커플링제를 함께 사용하는 것이 바람직하다는 결과를 보여준다.

그러나, 비교예 1과 같이 커플링제만을 사용한 것에 비해, 실시예 1에서 보는 바와 같이 지방산 금속염 유도체를 첨가한 것이 고무 혼합시 투입되는 에너지를 상당히 절감할 수 있고, 실리카의 분산성도 상당히 향상시킬 수 있다.

한편, 실시예 1∼3의 결과를 종합하여 볼 때, 지방산 금속염 유도체를 첨가할 경우 그 투입량이 증가할수록 고무 혼합시 투입되는 에너지는 감소하지만 투입량이 너무 과다할 경우 혼합과정에서 미끄러짐 현상이 발생하여 오히려 고무의 무늬 점도는 약간 높아지고, 실리카 분산성도 약간 떨어지는 결과를 보인다. 따라서, 바람직한 지방산 금속염 유도체의 사용량은 1∼7중량부이다.

한편, 비교예 4는 커플링제를 전혀 사용하지 않고 지방산 금속염 유도체만을 사용한 경우인데, 비교예 2의 커플링제만을 사용한 경우에 비해 고무 혼합시 투입되는 에너지는 거의 유사하지만 고무의 가공정도를 비교할 수 있는 무니 점도의 감소율이 비교예 2에 비하여 적고 실리카의 분산성도 커플링제만을 사용한 경우에 미치지 못하여, 지방산 금속염 유도체 단독으로 사용하는 경우에는 커플링제를 단독으로 사용한 고무에 비하여 성능이 떨어진다는 결론을 얻었다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 통상 실리카와 실란 커플링제를 포함하는 타이어 트레드용 고무 조성물에 지방산 금속염 유도체를 첨가한경우 실리카 배합고무를 혼합하는 에너지를 절감할 수 있고, 동시에 고무 내에 실리카의 분산성을 향상시켜 고무의 강도, 마모성능 및 내피로성능을 향상시킬 수 있다.

Claims

원료고무 100중량부에 실리카 및 실란 커플링제를 첨가하여 이루어진 타이어 트레드용 고무 조성물에 있어서,

여기에 원료고무 100중량부에 대하여 다음 화학식 1로 표시되는 두 가지 이상의 지방산-금속염 유도체 혼합물을 0.1∼10중량부 되도록 첨가하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 타이어 트레드용 고무 조성물.

화학식 1

상기 식에서, R은 탄소수 13∼22의 알킬기이고,

M은 Zn, Ca, Na 또는 K이다.