KOSEN 한인과학기술자네트워크

타이어에 들어가는 재료들은 여러가지 성능들을 고려해서 사용이 되고 그래서 이의 사용을 한가지 성능에 대한 관점으로만 보기 어려운 부분이 있습니다. 한가지 성능을 고려해서 설계하게 되면 분명히 않좋아지는 부분이 생기기 때문에 그런데요. 이를 고무 마찰에 대한 관점에서 바라보면 하기와 같습니다.
차량에 장착된 부품 중 유일하게 지면과 접하고 있는 부분이 타이어입니다.
따라서 이 타이어가 가지는 그립력이 차량이 주행하는데 필요한 구동력과 제동력 모두를 발생시킨다라고 이야기 할수 있는데요. 이 질문에 대한 대답은 먼저 마찰력이 발생되는 이유에 대한
설명을 한다음에 이야기가 되야 할것 같습니다. 고무의 마찰력의 발생은 크게 2가지 이유로 인하여 발생한다라고 할수 있습니다. (Dry 조건일 경우 입니다.)
1. Roughness effect (Hysteresis effect)
맞닿은 두 면이 서로 매끄럽지 못하면 발생합니다. 아무리 매끈하게 닦은
바닥일지라도 원자 단위에서 표면을 관찰하면 바닥의 표면은 울퉁불퉁하게 되어 있는데요.
이러할 경우 수직하중으로 인한 물체의 압입 현상으로 인해 고무의 변형이 발생되고 이로 인한 에너지 손실로 인해 마찰력이 생긴다라고 이야기 할수 있고요.
2. Moldecular adhesion
바닥면과 물체간에 존재하는 분자들이 수직하중으로 인해 서로 밀착하게 되고 또한 그로인해 
응착하게 되면서 마찰력을 생성한다라고 보시면 됩니다.
Wet 조건일 경우는 수막이 고무와 노면과의 Direct contact을 방해하기 때문에 상기 1번이 마찰에 Dominant 한 인자가 되고요. 발표되었던 논문을 보면 2번으로 인향 영향이 아예 없는 것이 아니라 2번도 약 10% 정도 마찰에 기여한다라는 발표가 있었습니다. 마찰의 단순화를 위해 2번을 무시하게되면..  Wet 조건일 경우는 마찰을 1번의 Hysteresis로만 표현할수 있고요.

마찰력을 높이기 위해서는 이 변형으로 인한 에너지 손실을 키워야 합니다. 카본블랙이나 실리카의 함량을 키운다라는 이야기는 고무 내부에 carbon 분자들이 더욱 많이 분포하게 된다라는 이야기가 되고 이로 인한 변형 시 분자들의 internal friction으로 인해  마찰력이 증가하게 됩니다. 하지만 이 에너지 손실이 커진다라는 이야기는 그만큼 타이어가 회전하는데 있어 저항이 커진다라는 이야기가 되어 연비가 안좋아 진다라는 이야기가 되죠. 따라서 이 둘을 잘 절충해서 카본 블랙, 실리카의 양을 결정하는게 필요합니다.  SBR의 함량은 Hysteresis와 연관이 있는 고무의 점탄성 커브의 유리전이 온도에 영향을 주어 (점탄성 커브가 shift되어..) 역시 hysteresis로 인한 에너지 손실되는 양에 영향을 주게 됩니다.  이 역시 마찰과 회전저항 이 둘을 고려해서 유리전이 온도를 결정하는게 필요합니다. 물론 타이어에 사용되는 재료는 다양한 성능들을 고려해야하므로 SBR, 카본 블랙, 실리카, 유황등에 대한 양의 결정은 쉽지 않다고 이야기 할수 있습니다.

~고무가공을 위해서는 기본적으로 가황 공정을 거치는데 이 때 들어가는 첨가제가 황과 가황초진제입니다. 여기에 관련된 자료는 다음의 site에서 확인할 수 있습니다.
    http://en.wikipedia.org/wiki/Vulcanization
 

  이 외에도 고무 가공시 첨가되는 물질을 가공조제라고 하며, 비교적 적은 수준의 양을 투여하여 물성에 큰 영향을 주지 않으면서 가공성을 개선하는 물질입니다.
  각각의 가공조제의 고무 성능 개선효과는 다음과 같습니다.

   개선효과             가공조제

 소련(peptisation)    2.2’¤-Dibenzimdodiphenyl disulfide
                           Pentachlorothiophenol
                           Zinc soaps

 분산                    지방산 에스테르
                           금속 비누
                           지방 알코올

 흐름성                 금속 비누
                          지방산 에스테르
                          지방산 아마이드
                          지방산

 균질 배합            레진 혼합물

 점성 (tack)           탄화수소 레진
                          페놀 수지

 고 경도               High styrene resin-rubber batches
                         페놀 수지
                          Trans-polyoctenamer

 이형성                Organosilicones
                         지방산 에스테르
                        금속 비누
                        지방산 아마이드
 

더 자세한 관련 자료는 다음의 site에서 확인하시기 바랍니다.
     http://www.struktol.com/pdfs/handbook_korean.pdf
 

 이 밖에도 보강용 충전제(filler)로는 카본불랙이 일반적이며, 최근에는 실리카인 화이트카본도 사용되고 있습니다. 산화아연도 충전제로서 사용되는데 이는 가황촉진제로도 작용합니다.
  그러나 실리카를 사용할 경우 아직도 고무에의 분산이 어려워 이의 해결을 분산제의 개발 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 현재까지 알려진 결과는 변성 실리카를 활용하는 방안이 주를 이루고 있습니다.  WO 2013025041 A2에 따르면 실리카 보강 SBR 배합고무의 동적성질을 향상시키기 위해 티타니아 첨가제의 영향 연구도 이루어 지고 있으며, 국내에서도 실리카와 실란 커플링제를 이용한 고무 복합체의 최적 배합조건을 찾는데 초점을 맞추어 왕성한 연구가 이루어 지고 있습니다.