KR100903990B1

KR100903990B1 - 친환경 타이어 트레드용 고무조성물

Info

Publication number: KR100903990B1
Application number: KR1020070124675A
Authority: KR
Inventors: 전재현; 정재욱
Original assignee: 한국타이어 주식회사
Priority date: 2007-12-04
Filing date: 2007-12-04
Publication date: 2009-06-22
Also published as: KR20090058061A

Abstract

본 발명은 친환경 타이어 트레드 고무 조성물에 관한 것으로, 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 고무 70~90 중량부 및 네오디미움 부타디엔 고무 10~30 중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대해, 카본 블랙 60~80 중량부, 친환경 연화제 1~10 중량부를 포함하는 친환경 타이어 트레드 고무 조성물이다.

본 발명에 의한 고무조성물은 마모 성능에 유리한 시스함량이 98% 이상인 네오디미움 부타디엔 고무를 사용하고 유연성 및 가공성을 위해 친환경적인 연화제로 폴리사이클릭 아로마틱 하이드로카본 (Polycyclic Aromatic Hydrocarbon) 3 중량% 이하인 오일을 사용하여 내마모성 뿐만 아니라 제동성능 및 저연비 효과가 향상된다.

친환경*타이어 트레드*PAH*polycyclic aromatic hydrocarbon

Description

친환경 타이어 트레드용 고무조성물{Sustainable Rubber composition for tire tread}

본 발명은 친환경 타이어 트레드 고무 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시스(cis)함량이 98% 이상인 네오디미움 부타디엔 고무(Nd-BR)를 사용하고, 유연성 및 가공성을 위해 친환경적인 연화제로 폴리사이클릭 아로마틱 하이드로카본 (Polycyclic Aromatic Hydrocarbon, 이하PAH라 함) 3 중량% 이하인 오일을 사용한 친환경 타이어 트레드 고무 조성물이다.

일반적으로 유리전이온도(Tg)가 낮은 부타디엔 고무를 블렌딩하여 사용하게 되면 타이어의 마모 성능 및 연비 특성을 향상시킬 수 있다고 알려져 있다. 그러나 제동성능이 저하되는 문제점이 발생하게 되고 마모 성능 향상에도 한계점이 있다.

제동성능 저하를 보완하기 위해 보강성 충진제 사용량을 늘릴 경우 제동성능은 향상되지만 연비성능이 불리해지게 되며 타이어 마모성능 향상을 위해 입자경이 작은 카본블랙을 소량 배합하거나, 입자경이 큰 카본블랙을 다량 배합할 경우 각각 분산성 문제로 인한 고무물성 저하 및 다량의 보강제 사용으로 인한 발열과 내구성 저하를 불러 일으킬 수 있다.

이러한 문제를 극복하기 위해 최근에는 새로운 소재의 응용이 적극적으로 검토되고 있는 실정이다.

한편, 최근 유럽지역에서는 환경규제 관련하여 친환경적인 물질 사용에 대한 요구가 증대 되고 있다. 승용차용 타이어의 트레드 고무조성물의 첨가제 중 연화제는 여러 종류가 있다.

일반적으로 방향족 오일(Aromatic Oil)이 정련 및 압출 공정에서 가공성 향상 및 최적의 물성을 구현하는 것으로 알려져 있으나, 최근 환경의식 고조와 함께 방향족 오일 안에 PAH함량이 3 중량% 이상일 때는 암 유발 가능성이 높은 것으로 알려진 바 유럽 고무협회 (BRIC) 에서는 이 결과를 수용하여 대책 마련에 나섰으며, EU에서도 구체적인 사용 규제 방안을 마련하여, DMSO(Dimethylsulfoxide)추출법에 의해 추출하여 오일 내 PAH 총 함량이 3 중량% 이상일 때는 판매를 금지하는 제도를 2010년 1월 1일 이후부터 시행하는 것을 법규화 함으로써 모든 타이어 제조사는 이를 시급히 해결해야 할 문제로 여기고 있다.

전술한 바와 같이 시장은 타이어의 고성능화를 위한 새로운 소재의 개발과 친환경 재료 사용을 동시에 요구하고 있어 친환경 재료의 발굴과 이를 이용한 타이어 성능 향상에 관한 기술이 최근 업계의 화두로 떠오르고 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 친환경적인 연화제를 사용하면서도 타이어의 내마모성, 제동성능 및 저연비 성능을 향상시킨 친환경 타이어트레드 고무조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 고무 70~90 중량부 및 네오디미움 부타디엔 고무 10~30 중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대해, 카본 블랙 60~80 중량부, 친환경 연화제 1~10 중량부를 포함하는 친환경 타이어 트레드 고무 조성물을 제공한다.

본 발명의 친환경 타이어 트레드 고무조성물은 원료고무로서 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔에 친환경적인 특성을 지닌 오일을 유첨 시킨 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 고무를 70~90중량부 사용한다.

그 함량이 70중량부 미만이면 웨트제동성능이 감소하는 문제가 있고, 90중량부를 초과하는 경우 마모성능이 감소하는 문제가 있다.

또한 원료고무로서 본 발명에 사용된 부타디엔 고무는 네오디미움 촉매를 이용한 부타디엔 고무로서 시스함량이 98% 이상이며, -105 ~ -110℃ 사이의 낮은 유리전이온도를 갖고 분자량 분포가 2.1 ~ 3.1로서 sharp한 특성을 가지며, 바람직하게는 10~30 중량부 사용한다.

카본블랙은 바람직하게는 질소 흡착 비표면적 110 ~ 130 m²/g, DBP 흡유량 110 ~ 120 cc/100g, TINT 값 110 ~ 130인 것을 사용함으로써 내마모 성능을 향상시킬 수 있고, 히스테리시스 로스(hysteresis loss)를 감소(60℃ tanδ) 시킬 수 있다.

카본블랙은 60~80중량부 사용이 바람직한 바, 그 함량이 60중량부를 미만인 경우 마모성능이 감소하고, 80중량부 초과인 경우 가공성이 감소하는 문제가 있다.

본 발명에서는 친환경 연화제를 1~10중량부 사용하는 바, 1중량부 미만이면 가공성 및 웨트 제동 성능이 감소하는 문제가 있고, 10중량부 초과이면 rolling resistance가 증가하는 문제가 있다.

Oil-B는 PAH 함량 3 중량%이하, 동점도 95(210℉ SUS), 아로마틱계 성분 20중량%, 나프텐계 성분 32% 및 파라핀계 성분48중량% 함유된 것으로서 친환경적인 오일이다.

또한, 본 발명에서는 유리전이 온도가 낮은 오일을 사용함에 따른 마모성능 및 제동 성능 저하 현상을 합성고무, 연화제 함량 조절과 적정 가류계 적용 즉, 유황으로는 오일 처리된 황, 바람직하게는 1% 나프텐 오일로 처리된 황 2 중량부, 촉진제 1.1 중량부를 고무 조성물에 첨가하여 내마모성, 제동성능 및 저연비 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 의한 고무조성물은 마모 성능에 유리한 시스함량이 98% 이상인 네오디미움 부타디엔 고무를 사용하고 유연성 및 가공성을 위해 친환경적인 연화제로 PAH 3 중량% 이하인 오일을 사용하여 내마모성 뿐만 아니라 제동성능 및 저연비 효과가 향상된다.

이하에 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 본 발명은 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

[비교예]

하기의 표 1과 같이 스타이렌 부타디엔 1 (SBR 1) 고무 80 중량부, 부타디엔 고무로는 니켈 촉매를 이용한 Ni-BR 20 중량부에 대하여 통상적으로 고무조성물의 첨가제로 사용하는 질소흡착 비표면적이 110 ~ 13 m²/g, DBP 흡유량이 110 ~ 120, TINT 값이 110 ~ 130인 카본블랙 70 ~ 80 중량부, 아연화 3.5 중량부, 스테아린산 1.5 중량부, 오일로 처리된 유황 2 중량부, 촉진제 1.1 중량부 및 PAH 함량이 3 중량% 이상, 동점도가 90(210℉ SUS), 아로마틱계 성분이 40 중량%, 나프텐계 성분이 30% 및 파라핀계 성분이 25 중량%인 폴리사이클릭 아로마틱 오일 4 중량부의 배합비로 배합하여 고무 조성물을 제조하여 이를 160℃ 에서 가류시켜 고무 시편을 제조하였다.

[실시예 1]

스타이렌 부타디엔 2 (SBR 2) 고무 80 중량부에 대하여 PAH 함량이 3 중량% 이하, 동점도가 95(210℉ SUS), 아로마틱계 성분이 20 중량%, 나프텐계 성분이 32% 및 파라핀계 성분이 48 중량%인 Low PAH Oil 4 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 비교예와 동일하게 하여 시편을 제조하였다

[실시예 2]

부타디엔 고무로는 네오디미움 촉매를 이용한 Nd-BR 20 중량부 사용하고 질소 흡착 비표면적이 135 ~ 145 m²/g, DBP 흡유량이 125 ~ 135 cc/100g, TINT 값이 120 ~ 140인 카본블랙 70 ~ 80중량부 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 시편을 제조하였다

[실시예 3]

스타이렌 부타디엔 2 (SBR 2) 고무 83 중량부, 부타디엔 고무로 네오디미움 촉매를 이용한 Nd-BR 17 중량부, Low PAH Oil 3 중량부 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 시편을 제조하였다.

표1. 비교예 및 실시예의 고무 조성물

항목	비교예	실시예 1	실시예 2	실시예 3
SBR 1	80	-	-	-
SBR 2		80	80	83
Ni-BR¹	20	20	-	-
Nd-BR²	-	-	20	17
카본블랙 A³	75	75		75
카본블랙 B⁴	-	-	70	-
Oil-A⁵	4	-	-	-
Oil-B⁶	-	4	4	3
산화아연	3.5	3.5	3.5	3.5
스테아린산	1.5	1.5	1.5	1.5
유황	2	2	2	2
촉진제	1.1	1.1	1.1	1.1
경도	64	63	64	64
100% Mod.	23	25	22	23
내마모성⁷	100	97	105	102
제동성능⁸	100	96	90	102
저연비성능⁸	100	104	115	110

표 2. SBR 특성 비교

SBR 종류	Styrene 함량(%)	분자량	Tg(℃)	Extended Oil 종류
SBR 1	20~25	760,000	-48 ~ -51	Aromatic oil
SBR 2	22~27	890,000	-51 ~ -55	TDAE

1. Ni-BR¹: 시스함량 96%, 유리전이온도는 -103 ~ -106℃, 분자량 분포도는 5.0 ~ 6.0.

2. Nd-BR²: 시스함량 98%이상, 유리전이온도는 -105 ~ -110℃, 분자량 분포도는 2.1~3.1.

3. 카본블랙 A³: 질소 흡착 비표면적이 110 ~ 130 m²/g, DBP 흡유량이 110 ~ 120 cc/100g, TINT 값이 110 ~ 130.

4. 카본블랙 B⁴: 질소 흡착 비표면적이 135 ~ 145 m²/g, DBP 흡유량이 125 ~ 135 cc/100g, TINT 값이 120 ~ 140.

5. Oil-A⁵: PAH 함량이 3 중량% 이상, 동점도가 90(210℉ SUS), 아로마틱계 성분이 40 중량%, 나프텐계 성분이 35% 및 파라핀계 성분이 25 중량% 함유된 것이다.

6. Oil-B⁶: PAH 함량이 3 중량% 이하, 동점도가 95(210℉ SUS), 아로마틱계 성분이 20 중량%, 나프텐계 성분이 32% 및 파라핀계 성분이 48 중량% 함유된 것이다.

7. 내마모성 : 람본 마모 시험기로 시험, 지수가 클수록 내마모성이 향상된다.

8. 제동성능 및 저연비 성능 : RHEOMETRICS DYNAMIC SPECTROMETER로 0.5% strain, 10 Hz, Temp. sweep하여 0℃ tanδ 및 60℃ tanδ를 측정. 지수가 클수록 성능이 향상된다.

Oil-A (Aromatic oil)와 Oil-B (TDAE oil)는 구성 성분의 차이로 인해 유리전이화 온도(Tg)가 서로 달라 고무 조성물 내에서 서로 다른 성능을 발휘한다.

Oil-B의 경우는 Oil-A에 비하여 유리전이화 온도가 낮아 연비 성능 측면에서 Oil-A에 비해 우수하지만 제동 성능 측면에서는 불리한 경향을 보인다.

이는 표 1의 비교예와 실시예 1의 성능 시험 결과에서 잘 나타나고 있다. 이러한 Oil-B의 장점을 살리면서 내마모성을 보완하기 위해 본 발명에서는 네오디미움 촉매를 이용한 부타디엔 고무(Nd-BR)를 사용하였고 실시예 2,3과 같이 내마모성이 향상됨을 알 수 있었다.

또한 실시예 2,3을 통해 고무 조성물의 성능을 극대화 시키는 카본블랙 입자 사이즈를 확인할 수 있었고, 합성고무 및 오일 함량 조절을 통해 성능 저하 없이 비교예 대비 동등 이상의 값을 구현해 낼 수 있었다.

이상의 결과에서 보는 바와 같이 네오디미움 촉매를 이용한 부타디엔 고무(Nd-BR)에 카본블랙 A를 첨가하고, 유황 2 중량부, 촉진제 1.1 중량부를 첨가함으로서 종래의 고무 조성물과 비교시 친환경적이며 동등수준의 인장 물성을 가진 내마모성, 제동성능, 연비성능을 동시에 향상시킬 수 있는 타이어 트레드 고무 조성물을 획득할 수 있었다.

Claims

에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 고무 70~90 중량부 및 네오디미움 부타디엔 고무 10~30 중량부로 이루어진 원료고무 100중량부에 대해, 카본 블랙 60~80 중량부, 친환경 연화제 1~10 중량부를 포함하고,

상기 친환경 연화제는 PAH(Polycyclic Aromatic hydrocarbon) 총 함량이 3 중량% 이하, 동점도 95(210℉ SUS), 연화제 내 아로마틱계 성분 15 - 25 중량%, 나프텐계 성분 27 - 37% 및 파라핀계 성분 38 - 58 중량%인 것을 특징으로 하는 친환경 타이어 트레드 고무 조성물.
제 1항에 있어서, 에멀젼 중합 스타이렌 부타디엔 고무는 스타이렌 함량이 22 - 27%, 분자량 890,000 이상, 유리전이 온도가 -51 ~ -55℃의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 친환경 타이어 트레드 고무 조성물.
제 1항에 있어서, 네오디미움 부타디엔 고무는 유리전이 온도 -105 ~ -110℃, 시스함량 98% 이상, 분자량 분포도 2.1~3.1인 것을 특징으로 하는 친환경 타이어 트레드 고무 조성물.
제 1항에 있어서, 카본블랙은 질소 흡착 비표면적 110 ~ 130 m²/g, DBP 흡유량 110 ~ 120 cc/100g, TINT 값 110~130인 것을 특징으로 하는 친환경 타이어 트레 드 고무 조성물.
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