Characteristics of sidewall composite (NR/BR blend) of tire were analyzed. Low and high temperatures (160 and 180 ℃, respectively) of real manufacturing temperatures of tire were selected as the cure temperatures, and the cure times were the times at the maximum torques of the rheocurves. Crosslink types and densities of the vulcanizates were measured, and residues of curing agents and organic additives in the samples were analyzed using gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS). Total and polysulfidic crosslink densities of the low temperature-cured sample were greater than those of the high temperature-cured one. It was found that amount of the cure accelerator remained in the high temperature-cured sample was larger than that in the low temperature-cured one. Tensile properties such as moduli, elongation, and tensile strength of the low temperature-cured sample were greater than those of the high temperature-cured one. Storage and loss moduli of the low temperature-cured sample were greater than those of the high temperature-cured one, but tan δ values of the low temperature-cured sample were smaller than those of the high temperature-cured one. Differences in the physical properties according to the cure conditions were explained by differences in the crosslink types and densities.

가교 조건에 따른 타이어용 사이드월 고무 복합재(NR/BR 블렌드)의 특성을 분석하였다. 가교 온도는 실제 타이어 생산 온도 중 낮은 온도(160 ℃)와 높은 온도(180 ℃)를 선택하였고, 가교 시간은 레오커브의 최대 토크 시간으로 선정하였다. 고무 가황물의 황가교 형태와 밀도를 측정하였고, 고무 가황물에 있는 잔류 가교제 성분과 첨가제를 가스 크로마토그래피/질량분석법(GC/MS)으로 분석하였다. 저온 가교 가황물의 총 가교밀도와 다황 가교밀도는 고온 가교 가황물보다 높았다. 고온가교 시 잔류 가황촉진제의 함량이 많은 것을 확인하였다. 저온 가교 가황물의 인장물성(모듈러스, 신율, 그리고 인장강도)은 고온 가교 가황물보다 높았다. 저온 가교 가황물의 저장탄성률과 손실 탄성률은 고온 가교 가황물보다 높았으나, 저온 가교 가황물의 tan δ 값은 전 온도 구간에서 고온 가교 가황물보다 작았다. 가교 조건에 따른 고무가황물의 물성의 차이를 가교 형태와 밀도의 차이로 설명하였다.

Keywords: NR/BR blend vulcanizates, cure condition, crosslink type, density, physical properties

최근 지구온난화가 지속됨에 따라 각종 기후변화가 야기되고 있다. 이산화탄소는 지구온난화에 영향을 미치는 주요 온실가스로 전세계적으로 이산화탄소 배출량에 대한 규제가 강화되고 있다. 국내에서도 자동차 온실가스 배출량에 대한 기준을 제정하고 2012년부터 승용차와 승합차에 대해 이산화탄소 배출량을 관리하고 있다.¹ 자동차의 이산화탄소 배출량을 저감하기 위해서 자동차 업계에서는 친환경 자동차 개발뿐만 아니라 타이어를 포함한 구동/회전계 부품의 성능향상에 대한 연구가 이루어지고 있다. 다양한 구동/회전계 부품중 타이어는 자동차의 구동력을 지면에 전달하는 역할을 하고 있다. 자동차가 구동할 때 타이어는 지면과 맞닿으면서 자동차의 하중에 의해 변형된다. 타이어의 회전운동으로 인해 타이어는 변형과 복원이 반복되고 이로 인해 에너지의 손실이 발생한다. 타이어와 지면과의 마찰에 의해 발생하는 저항을 구름저항(rolling resistance)이라고 하며 주행 시 발생하는 이산화탄소의 약 20% 정도가 구름저항으로부터 기인한다고 알려져 있다.^2,3
타이어의 구름저항을 낮춰 연비성능을 개선하기 위해 타이어 재료 개발이 이루어지고 있다. 특히 지면과 접촉하는 부위인 트레드에 대한 연구가 주로 선행되었다. 하지만, 트레드의 경우 구름저항, 젖은 노면의 제동성능, 그리고 마모성능은 트레이드 오프(trade-off) 관계이므로, 타이어의 다양한 성능을 만족하는 소재의 개발이 쉽지 않다. 따라서 최근 타이어의 전체적인 성능을 향상시키기 위해 트레드 외 케이싱부에 대한 소재 연구가 활발히 진행 중이다.⁴
케이싱부는 타이어의 구조를 이루는 부분으로 주로 사이드 월, 카커스, 비드, 이너라이너 등을 일컫는다. 사이드월은 주행 중에 지속적으로 굴곡운동을 하며 타이어 구름 저항에 기여를 한다고 알려져 있으며 최근 타이어의 구름저항을 개선하기 위해 사이드월의 소재에 대해 연구하고 있다.⁵
사이드월은 탄성이 우수한 천연고무(NR)를 단독으로 사용하거나 부타디엔 고무(BR)와 혼합하여 사용한다. NR은 이소프렌(isoprene)이 반복되는 구조로, 반복 단위 당 알릴(allyl) 구조(~CH₂-C(CH₃)=CH-CH₂~)를 갖고 있다. 알릴 수소는 주 사슬에 위치한 이중결합의 파이 전자와 공명을 이루므로 결합에너지가 낮아 알릴 수소가 주로 가교 반응에 참여한다. NR은 타이어에 주로 사용되는 다른 고무(BR, SBR)에 비해 알릴 수소의 수가 많다. 따라서 동일 가교 조건 아래에 NR의 가교 속도가 BR이나 SBR에 비해 빠르고 가교 속도에 영향을 미치는 가교 온도에 의해 가교 구조가 많은 영향을 받는다.^6,7
고무물성은 고무의 가교 구조와 직접적인 연관이 있다. 일반적으로 고무 소재는 가황 후 고무 사슬간 황이 연결되어 가교되며, 단황가교(-S-), 이황가교(-S-S-), 다황가교(-S_x-, x=3~8)로 구성된 황가교 구조를 이루고 있다. 이러한 단황, 이황, 다황 가교 구조의 함량과 총 가교밀도에 따라 고무 탄성 특성과 인장물성 등이 달라지게 된다. 따라서 고무 소재의 성능향상을 위해서는 목적에 따라 촉진제 등 배합제 성분을 조절하여 가교 구조를 선택하고 제어하는 것이 필요하다. 또한 가교 온도와 시간 등 가교 조건이 바뀌면 고무 내부 가교 구조의 변화가 생기고, 고무물성이 변하게 된다. 가교 조건에 따른 고무 가황물의 물성과 가교 구조와의 상관성을 파악하기 위해서는 황결합구조의 분석이 우선적으로 필요하다. 그리고 가교 후 가황물 내에 잔류하는 촉진제 등 가교제와 다른 배합제의 변화와 함량에 대한 고찰도 필요가 있다.
본 연구에서는 타이어 사이드월에 적용되는 NR과 BR의 블렌드 고무 배합물의 가교 조건에 따른 황가교 구조와 물성의 변화를 연구하였다. 타이어 제조 시 공정 효율을 높이기 위해 가교 온도는 160 ℃ 이상으로 비교적 높은 온도에서 가교 공정을 실행한다. 본 연구에서는 가교 온도를 상대적으로 저온인 160 ℃와 고온인 180 ℃로 선정하였다. 일반적으로 고무 가황물의 가교 시간은 레오커브에서 나타나는 최대 토크 시간(t_max) 혹은 이 보다 좀 짧은 시간을 가교 조건으로 설정한다.
가교 조건과 고무 가황물의 황가교 구조와의 연관성을 파악하기 위해 화학적 습식방법으로 황가교 구조를 분석하였다. 또한 인장물성과 동적점탄성 특성을 측정하여 비교하였다. 가교 후 고무 가황물에 잔류하는 유기물 성분과 함량은 노화 특성에 중요한 영향을 미치므로, 고무 가황물에 잔류하는 유기물 성분을 추출하여 가스 크로마토그래피/질량분석법(GC/MS)로 분석하였다. 인장물성과 동적점탄성 특성을 가교형태와 밀도와 연관시켜 고찰하였다.