[논문]고성능 에너지 절약형 타이어 트레드 고무의 합성 제조 기술

이범재; 임기원; 지상철; 정권영; 김태중

고성능 에너지 절약형 타이어 트레드 고무의 합성 제조 기술
Advanced Synthetic Technology for High Performance Energy Tire Tread Rubber 원문보기

Elastomers and composites = 엘라스토머 및 콤포지트, v.44 no.3, 2009년, pp.232 - 243

이범재 (충남대학교 정밀응용화학과) , 임기원 (한국타이어중앙연구소) , 지상철 (충남대학교 정밀응용화학과) , 정권영 (충남대학교 정밀응용화학과) , 김태중 (충남대학교 정밀응용화학과)

초록
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근래 고성능 친환경 타이어의 개발요구에 의하여 경제성(낮은 회전 저항)과 안전성(wet traction) 및 내마모성면에서 균형있는 특성을 가지는 타이어 트레드 고무의 합성 제조 기술이 중요하게 대두된다. 이를 위하여 다양한 기능성 용액중합 SBR의 개발과 함께 고무/충전제 간의 상호작용 증진 기술이 학술적으로나 산업적으로 활용되고 있다. 본 고에서는 기존의 카본블랙 고무와 함께 최근 green tire로서 각광 받는 실리카 충전 고무에서 충전제와 상호반응이 가능한 화학적 변성 SBR과 커플링제를 이용한 고성능 타이어 트레드 고무의 합성 제조 기술에 대하여 최근 연구 방향과 함께 작용 메카니즘에 대하여 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The specialized and diversified synthetic and compounding technologies are used to meet the requirements for the advanced high performance tire tread materials with better balance of fuel economy(rolling resistance), safety(wet traction) and wear resistance. These techniques involve the methodology for the improvement of chemical and physical interaction between filler and the rubber matrix using coupling agents as well as a variety of chemically-modified solution SBRs. The research trends about the high performance functional SBRs and coupling agents which can interact with the surface of fillers and their working mechanism were investigated in the conventional carbon black-filled rubber and silica-filled SBR systems developed recently as "green tire".

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 고에서는 위와 같은 고성능 에너지 절약 환경 친화형 타이어 고무의 합성 제조기술에 대하여 최근의 학술적 및 산업적인 개발추세를 알아보고자 한다. 주로 관심을 끌고 있는 다양한 기능성 화학적 말단 변성 S-SBR을 중심으로 타이어 트레드용 고무의 합성에 관한 최근 연구 방향과 함께 실리카 및 카본블랙 충전제와 고무 매트릭스간의 상호 인력을 증진시키는 작용 메카니즘을 고찰하고 앞으로의 발전 가능성도 살펴보고자 한다.
본 고에서는 위와 같은 고성능 에너지 절약 환경 친화형 타이어 고무의 합성 제조기술에 대하여 최근의 학술적 및 산업적인 개발추세를 알아보고자 한다. 주로 관심을 끌고 있는 다양한 기능성 화학적 말단 변성 S-SBR을 중심으로 타이어 트레드용 고무의 합성에 관한 최근 연구 방향과 함께 실리카 및 카본블랙 충전제와 고무 매트릭스간의 상호 인력을 증진시키는 작용 메카니즘을 고찰하고 앞으로의 발전 가능성도 살펴보고자 한다.
그러므로 타이어 재료로 쓰이는 고무 물질도 더욱더 특수 고성능화를 요구하고 있다. 즉 젖은 노면에서 제동성이 우수한 특성(wet grip)을 유지함과 동시에 연료가 적게 소모되며 저발열성을 가지는 낮은 회전 저항성(rolling resistance)을 가지면서 내마모성이 우수한 특성 등을 균형있게 가지는 것이 중요한 개발 목표 사항이다.

제안 방법

Table 2에 E-SBR과 S-SBR의 분자특성과 이들을 사용한 타이어 트레드 배합고무에 대한 대표적인 제반 고무특성을 비교하였다. 일반적으로 상용화된 SBR의 경우 유화 중합 cold E-SBR에 비하여 음이온 용액중합 S-SBR이 일반적으로 겔화없이 큰 분자량과 좁은 분자량 분포를 가지며, 경화속도가 빠르고 특히 가교 고무의 반발탄성력이 큰 것을 보이고 있다.
중간 또는 높은 비닐 함량의 S-SBR은 최근 관심을 끄는 실리카 충전 고무에 중요하게 쓰이는데, G. Heinrich는 선형적인 일차적 선형 고분자 연쇄 구조(Figure 1-(1))를 가진 S-SBR이 실리카 충전제 표면의 미세 구멍에 잘 스며들어 충전제와 고무간의 상호 침투 작용이 커져서 고무 성능면에서 히스테리시스도 줄어들고 낮은 회전 저항성과 우수한 젖은 노면 미끄럼 성을 동시에 가지는 균형 잡힌 특성을 보인다고 정성적으로 분석하였다. 이에 비하여 E-SBR에서는 고분자 연쇄에 가지가 많다는 점과 유화 중합 중에 잔류된 유화제 등이 히스테리시스가 커지는데에 대한 하나의 이유가 된다고 보고되고 있다.

성능/효과

(1) Tg가 증가할수록 내마모성은 선형적으로 하락하며, 젖은 노면에서의 제동력은 선형적으로 증가한다.
(2) 스티렌 함량이 증가할수록 Tg는 증가하고 인장강도는 감소하며, 상대적으로 내마모성은 하락하나, 젖은 노면 제동력은 증가한다.
(3) 1,2 함량이 증가할수록 Tg는 증가하며, 상대적으로 내마모성은 하락하고 젖은 노면에서의 제동력은 증가한다.
(4) 스티렌 함량과 1,2-함량간에는 선형적인 비례 상관 관계가 존재한다.
(5) 동일 Tg에서 1,2-부타디엔과 스티렌 함량은 히스테리시스에는 영향을 주지 않는다.
5 중간 정도나 높은 비닐 함량을 가지는 S-SBR과 실리카 충전제 및 실란계 커플링제를 근간으로 배합하는 타이어 제조 기술로서 타이어의 성능 향상면에서 균형잡힌 회전 저항성과 젖은 노면 제동성을 가지고 있고, 특히 연료 소모율이 기존의 카본 블랙 타이어 보다 3~5% 감소되는 것이 밝혀졌다.
EAB-말단 변성 S-SBR/카본블랙 트레드 고무는 기존의 미 변성 고무에 비하여 젖은 노면 마찰성면에서는 큰 변화 없이 반발 탄성(즉 회전 저항성)이 향상되는 이상적인 성능을 보였다. 화학적 말단 변성 고무는 고분자/충전제 간의 화학적 변성고무가 나타내는 특성은 다음과 같았다.
양말단 변성 SBR은 한쪽만 변성할 때 보다 우수한 동적 특성을 보여 높은 tan δ @0 ℃과 더욱 낮은 tan δ @60 ℃를 가져 우수한 회전 저항성을 나타내었으며 내마모성도 향상되었다.
Table 5에 나타낸 바와 같이 카본블랙에 작동하는 관능기는 종류에 따라 성능 증진 효과면에서 차이가 많았다. 즉, 방향족 3차 아민인 aminobenzophenone이나 lactam 등은 큰 효과가 있었으나 방향족 2차 아민이나 지방족 아민은 변성 효과를 보이지 않는 것이 확인되었다. 이는 카본블랙의 표면에 존재하는 여러 가지 관능기들(phenol, carbonyl, quinine, lactone, ketone, lactol, pyrone 등)과 고무 혼련과 가류 과정에서 효율적으로 반응하는 관능기의 선택이 중요하다는 것을 말해 주고 있다.

후속연구

대부분의 연구가 실리카 고무의 성능향상에 목적을 두고 있으므로 실리카 표면에 존재하는 silanol기에 흡착이 잘 되는 amine과 alkoxy silane계열 변성이 주류를 이루고 있는 것을 알 수 있다. 앞으로 실리카 표면에 관한 충분한 이해가 뒷받침된다면 현재 전 인류가 바라고 있는 고성능 환경 친화형 타이어 트레드 고무의 개발이 더욱 빨리 이루어 지리라 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	합성고무에는 어떤것이 있는가?	1 고무는 천연고무와 합성고무로 나눌 수 있는데 전체적인 고무 생산량 중에서 65%를 차지하는 합성고무 중에서는 대략 60% 정도가 타이어 제조에 쓰여진다. 합성고무에는 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 부타디엔 고무(BR), 에틸렌-프로필렌 고무(EPR), 니트릴 고무(NBR), 폴리클로로프렌(CR), 실리콘 고무, 아크릴레이트 고무 등이 있으며, 이 중에서 SBR이 합성고무 소비량의 40% 정도를 차지하여 규모가 가장 크다. SBR은 주로 타이어 트레드에 많이 사용되는데, 이는 내마모성을 유지하면서 젖은 노면과 일반 노면에서 우수한 제동 특성을 가지기 때문이다.
	타이어 재료로 쓰이는 고무물질에 요구되는바는 무엇인가?	그러므로 타이어 재료로 쓰이는 고무 물질도 더욱더 특수 고성능화를 요구하고 있다. 즉 젖은 노면에서 제동성이 우수한 특성(wet grip)을 유지함과 동시에 연료가 적게 소모되며 저발열성을 가지는 낮은 회전 저항성(rolling resistance)을 가지면서 내마모성이 우수한 특성 등을 균형있게 가지는 것이 중요한 개발 목표 사항이다.
	엘라스토마는 어디에 쓰이는가?	엘라스토마(고무)는 타이어, 컨베이어 벨트, 건축재료, 자동차 부품, 가전제품, 신발, 코팅, 의료용 및 위생관련 제품 등에 중요하게 쓰여지는 고분자 재료이며, 이외에도 특수용도, 예로서 외부자극에 반응하는 작동장치, 종이접기 기술을 활용한 오리가미(origami), 탄성체 미세 렌즈 등 최신 연구 분야에도 활용도를 넓히고 있다.1 고무는 천연고무와 합성고무로 나눌 수 있는데 전체적인 고무 생산량 중에서 65%를 차지하는 합성고무 중에서는 대략 60% 정도가 타이어 제조에 쓰여진다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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