실리카는 고무 산업에서 어떻게 사용되나요?

현대 고무 배합물에서 탄소흑연에서 실리카(화이트 카본 블랙)로의 전환

실리카는 흔히 화이트 카본 블랙이라 불리며, 90년대 초부터 기업들이 일반적인 카본 블랙 대신 더 친환경적인 대체재를 모색하면서 고무 산업에서 주요 소재로 자리를 잡았다. 그 주된 이유는 실리카가 타이어 성능과 친환경 생산 사이의 이상적인 균형을 맞추는 데 도움을 주기 때문이다. 상용 트럭 타이어를 예로 들면, 지난해 'Frontiers in Materials'에 발표된 연구에 따르면 실리카를 타이어 트레드에 사용한 제품은 기존의 카본 블랙 제품 대비 굴림 저항을 약 20~30% 정도 줄일 수 있다. 특히 유럽 시장과 북미 일부 지역에서는 차량 연료 효율성에 대한 규제가 강화되고 젖은 노면에서의 접지력 향상 요구가 커지면서 이러한 변화가 더욱 가속화되고 있다.

고무 매트릭스 내 실리카 보강 메커니즘

실리카는 물질과의 물리적, 화학적 상호작용 덕분에 고무 복합재의 성능을 크게 향상시킵니다. 1그램당 약 150~200제곱미터의 표면적을 가진 실리카는 충전재와 폴리머 사이의 결합력을 강화합니다. 또한 표면에 존재하는 수산기(-OH)는 실란 결합제와 함께 사용될 경우 실제 화학 결합을 형성할 수 있습니다. 2024년에 발표된 최신 연구에서는 이러한 최적화된 나노복합재를 조사한 결과 흥미로운 사실을 발견했습니다. 탄소흑연을 사용한 유사한 재료와 비교했을 때 실리카를 충진재로 사용한 재료는 찢어짐 저항성이 약 15% 더 높은 것으로 나타났습니다. 그 이유는 응력이 재료 전체에 더욱 균일하게 분산되기 때문입니다. 또 다른 이점은 실리카의 비정질 구조와 탄소흑연의 흑연형 결정 구조 간의 차이에서 기인합니다. 이 구조적 차이로 인해 반복적인 신축 및 압축 사이클 동안 실리카가 에너지를 더 효과적으로 소산시킬 수 있으며, 이는 타이어나 지속적인 움직임에 노출되는 씰(seal)과 같은 동적 조건에서의 성능 향상으로 이어집니다.

트럭 타이어 트레드의 성능 비교: 실리카 대 카본 블랙

실리카는 마모 저항성이 카본 블랙보다 5~8% 낮지만, 실제 고속도로 주행 조건에서 40% 더 긴 트레드 수명 은 이러한 단점을 보완하며, 주로 우수한 열 관리 성능과 낮은 히스테리시스 덕분입니다.

고성능 및 그린 타이어에서 실리카 채택 증가

현재 고급 여객용 타이어의 3분의 2 이상이 주요 보강 재료로 실리카를 사용하고 있습니다. 이와 같은 변화는 주로 유럽연합의 타이어 라벨링 규정과 소비자들의 연료 효율 향상에 대한 관심 증가에 의해 촉진되었습니다. 특수 화학물질 리포트(2023)의 최근 자료에 따르면, 제조사들은 겨울용 타이어에 실리카 충전재를 사용할 경우 도심 주행 조건에서 약 7~9%의 연료 소비 개선 효과를 관찰했습니다. 전기차 시장의 성장도 이러한 추세를 가속화하고 있는데, 실리카는 내부 마찰을 줄이는 특성을 가지므로 배터리 팩이 무거운 전기차에서 에너지 효율이 특히 중요해짐에 따라 그 가치가 더욱 부각되고 있습니다.

균형 잡힌 기계적 특성을 위한 충전재 함량 최적화

성능 측면에서 실리카 투입량의 최적 수준은 일반적으로 100부 러버당 60~80부 정도이다. 그러나 충전재 함량이 100 phr을 초과하면 상황이 까다로워지기 시작한다. 이 경우 화합물은 상당히 경화되며, 일반적으로 Shore A 기준으로 약 25~30포인트 증가하지만, 이는 대가를 동반한다. 굽힘 피로 저항성이 매우 크게 감소하는데, 때때로 최대 40%까지 떨어질 수 있다. 다행히도 현대 제조 기술은 이 분야에서 발전을 이루어냈다. 다단계 혼합 공정(multi stage mixing processes)과 같은 기술들은 가공 온도가 150도 이하를 유지하는 동시에 인장 강도를 여전히 18MPa 이상으로 유지하도록 도와준다. 이와 같은 온도 조절은 생산 과정 중 실레인이 너무 일찍 활성화되는 것을 방지하기 위해 매우 중요하며, 조기에 활성화될 경우 전체 배치가 망가질 수 있다.

타이어 성능 향상: 실리카가 구름 저항 및 젖은 노면 그립력에 미치는 역할

타이어 성능의 '마법의 삼각형(Magic Triangle)' 이해하기

현대의 타이어 설계자들은 세 가지 주요 과제 사이에서 균형을 잡아야 하는 어려운 상황에 놓여 있습니다: 타이어가 소모하는 연료량(굴림 저항), 젖은 노면에서의 접지력(안전성), 그리고 마모되기 전까지의 수명입니다. 실리카는 이른바 '매직 트라이앵글 문제'를 해결하는 데 있어 혁신적인 역할을 하며 두각을 나타냅니다. 주행 중 타이어가 변형될 때, 실리카는 젖은 노면에서의 미끄러짐 없이 에너지 손실을 줄여줍니다. 2024년 Traction News의 최신 연구 결과도 인상적인 사실을 보여주었습니다. 그들의 테스트 결과에 따르면, 타이어 트레드에 실리카를 사용하면 기존의 순수 카본블랙 혼합물 대비 굴림 저항을 18~24% 더 개선할 수 있으며, 동시에 젖은 노면 제동 성능은 동일하거나 때로는 더욱 향상된다는 것입니다.

실리카가 히스테리시스와 접지 특성에 미치는 영향

실리카의 다공성 특성은 탄소흑연에 비해 폴리머와 충전재 사이의 결합력을 향상시키므로, 반복적인 굽힘 작용 시 발생하는 열이 적어진다. 이러한 사이클 동안 발생하는 열이 줄어드는 것은 자동차의 연료 효율 개선으로 이어진다. 시험 결과에 따르면, 열 발생을 약 12% 감소시킬 경우 일반 승용차의 연비를 5~7%까지 향상시킬 수 있다. 실리카가 화학적으로 작용하는 방식도 주목할 만하다. 실리카의 극성 표면 특성은 젖은 노면에서 타이어와 도로 사이의 접착력을 실제로 향상시킨다. 실험실 테스트에서는 통제된 조건 하에서 젖은 노면에서의 제동력이 최대 30%까지 증가하는 인상적인 결과가 입증되었다.

실리카 충진재 타이어를 사용한 승용차의 연료 효율 향상

실리카 강화 타이어를 사용하면 자동차 제조업체들이 100km당 평균 0.3~0.5리터의 연료 절약을 보고하고 있으며, 이는 2024년 Fleet Equipment Magazine의 분석에서 검증된 결과입니다. 이는 일반적인 세단 기준으로 연간 CO₂ 배출량을 120~200kg 줄이는 효과로 이어집니다. 유럽연합(EU)의 엄격한 배출가스 기준과 타이어 효율성 표시제 도입에 따라 유럽 자동차 산업 부문에서 실리카 타이어 채택률은 전년 대비 27% 증가했습니다.

실리카와 카본블랙: 표면 화학 및 성능 상의 차이점

지속 가능한 모빌리티를 위한 필러 기술의 분기점

지속 가능한 모빌리티 트렌드는 타이어 제조에서 카본 블랙 대비 실리카의 입지를 크게 강화시켰습니다. 카본 블랙은 여전히 중장비용 응용 분야에서 널리 사용되고 있지만, 현재 상황을 살펴보면 스미스너스(Smithers)의 작년 연구에 따르면 승용차 타이어 배합의 약 70%를 실리카가 차지하고 있습니다. 그 이유는 무엇일까요? 바로 산업계에서 '매직 트라이앵글 문제'라고 부르는 복잡한 성능 간 트레이드오프를 실리카가 실제로 해결할 수 있기 때문입니다. 또한 연비 개선을 요구하는 규제들이 이러한 변화를 가속화하는 데 기여하고 있습니다. 시험 결과에 따르면 실리카를 사용한 타이어는 기존의 카본 블랙 제품과 직접 비교했을 때 굴림 저항을 약 30% 정도 줄일 수 있습니다.

표면 화학 및 폴리머 상호작용: 실리카 결합 방식이 다른 이유

실리카의 표면에는 수산기(-OH)가 존재하며, 이는 탄소흑연이 가지는 비극성의 흑연층과 달리 수소 결합을 통해 고무 분자와 실제로 결합한다. 이러한 극성의 차이로 인해 실리카와 고무 사이의 계면에서 더 강한 결합이 형성된다. 하지만 주의할 점이 있다. 실리카 입자가 뭉치는 것을 방지하기 위해 TESPT(비스-(트라이에톡시실릴프로필)테트라설파이드)와 같은 실란 결합제가 필요하다. 2022년 『러버 케미스트리 앤 테크놀로지(Rubber Chemistry and Technology)』에 발표된 연구에 따르면, TESPT와 함께 실리카를 사용할 경우 일반적인 탄소흑연 혼합물 대비 약 40% 더 많은 가교결합이 형성된다. 이는 전반적으로 파열 저항성이 향상되고 반발력 특성이 개선됨을 의미한다. 그러나 여전히 탄소흑연은 제조 과정에서 다루기 쉬우며 자연적으로 전기를 전도한다는 장점 때문에 인기가 있다. 정전기 축적이 문제시되는 산업용 설비나 특수 자동차 부품과 같은 응용 분야에서는 특히 유리하다.

내마모성과 가공성 간의 상충 관계

실리카를 채택할 경우 몇 가지 실용적인 타협이 필요하다:

• 마모 저항성 : 실리카를 사용한 트럭 타이어는 카본블랙 제품 대비 트레드 마모율이 15% 더 높다(Fleet Equipment, 2023). 다만 여객용 타이어에서는 차이가 무시할 수 있을 정도이다.
• 가공상의 어려움 : 실리카 혼합물은 효과적인 실라니화(silanization)를 위해 혼합 시간이 30% 더 길고 엄격한 습도 조절(<0.5% 이하)이 필요하며, 이로 인해 톤당 에너지 비용이 18달러 증가한다(Polymer Engineering & Science, 2022)
• 분산의 복잡성 : 분산이 불량할 경우 잘 혼합된 배치 대비 인장강도가 최대 25%까지 감소할 수 있다

최근의 배합 기술 발전에 따르면, 실란 개질 실리카 시스템은 상업용 트럭 타이어에서 이러한 단점의 최대 80%를 완화할 수 있어, 향후 필러 성능의 수렴 가능성을 시사한다.

실리카-실란 결합 메커니즘 및 실라니화 기술의 발전

실리카와 고무 사이의 낮은 상호호환성 극복

실리카의 극성 수산기(-OH)는 비극성 고무 매트릭스를 자연스럽게 밀어내어 계면 부착력이 약해진다. 처리되지 않은 실리카가 충전된 고무는 탄소흑연을 사용한 경우에 비해 인장강도가 38% 낮다(ScienceDirect, 2020). 실란 결합제는 분자 다리 역할을 하여 양립하지 않는 계면을 내구성 있는 공유 결합 네트워크로 전환시킨다.

혼합 과정 중 실라나이징 반응의 화학

실라나이징 과정은 혼합 과정에서 세 단계로 진행된다.

1. 에톡시기의 가수분해 (Si-OC₂H₅ → Si-OH)
2. 실란올과 실리카 표면 간의 수소 결합
3. 고무 사슬과의 황을 매개로 한 가교결합
   비스-(트라이에톡시실릴프로필) 테트라설파이드(TESPT)는 여전히 주류를 이루는 결합제이며, 그 황기를 145°C에서 분해하여 폴리설파이드 결합을 형성한다. 이 반응은 최신 타이어 트레드 배합물의 전체 가교결합의 60–70%에 기여한다.

테트라설파이드(TESPT) 함량이 가교밀도에 미치는 영향

친환경적이고 빠르게 작용하는 실란 결합제의 개발

TESPD 및 NXT와 같은 최신 세대의 메르캅토계 실란은 TESPT에 비해 가공 온도를 약 15도에서 최대 20도 정도 낮출 수 있다. 최근 일부 신소재들은 이중 역할을 하기도 한다. 즉, 결합제로서의 기능뿐 아니라 항산화제 역할도 동시에 수행함으로써 제조 과정에서 휘발성 유기화합물(VOC) 배출량을 약 40% 줄일 수 있다(2023년 『폴리머 저널(Polym. J.)』의 최근 연구에서 이를 뒷받침함). 또한 주목할 만한 또 다른 장점은 사전 가수분해된 액체 형태로 제공되어 제조업체가 공장 현장에서 사용하는 대형 연속 혼련기에 모든 원료를 90초 이내에 혼합할 수 있게 해준다는 점이다. 이러한 속도 향상은 생산량을 늘리려는 기업들이 예산을 크게 초과하지 않고도 운영 규모를 확장하기 쉽게 만들어 준다.

실리카 충전 고무 제조 시의 처리 과제 및 산업적 고려사항

혼합 과정에서의 높은 점도 및 수분 감수성

실리카 충전 제형은 탄소흑 연기 제형 대비 30~50% 높은 점도 를 나타내며(Frontiers in Materials, 2025), 이는 공정 처리를 어렵게 만든다. 실리카의 흡습성 특성으로 인해 생산 환경에서 철저한 습도 관리가 필요하다. 적절한 온도 프로파일링은 실란 반응의 조기 발생을 최소화하면서도 완전한 분산을 보장하며, 산업 현장 시험에서는 이러한 방법이 폐기율을 최대 18%까지 감소시킬 수 있음을 보여주었다.

충전재-고무 상호작용 및 분산 문제

질화 실리카를 고르게 분산시키는 것이 보강 효과를 얻는 핵심이지만, 실리카는 비극성 고무 재료와의 계면에서 상호작용이 잘 되지 않기 때문에 이 작업은 어렵다. 그러나 이 문제를 해결하기 위한 방법들이 있다. 일부 제조업체들은 미리 처리된 실리카 마스터배치를 사용하거나 혼합 방식을 조정하여 충전재가 덩어리지지 않고 고무와 더 잘 결합하도록 한다. 이러한 응집물이 형성되면 최종 제품에 약점이 생기게 된다. 연구에 따르면 실리카 입자의 표면을 개질한 경우 일반 실리카보다 훨씬 균일하게 분산된다는 것이 입증되었다. 한 연구에서는 트럭 타이어 측면벽에 개질된 입자를 사용했을 때 기존 방식 대비 약 25~30% 정도 실리카의 분산성이 향상된 것으로 나타났다.

개선된 성능과 더불어 높아진 가공 시 에너지 소모의 균형 맞추기

굴림 저항성과 젖은 노면 그립력에서 22~35%의 성능 향상을 제공함에도 불구하고, 실리카 배합 물질은 혼합 과정에서 15~20% 더 많은 에너지를 필요로 한다 (Frontiers in Materials, 2025). 이를 해결하기 위해 제조업체들은 다음을 도입하고 있습니다:

• 목표 전단 영역이 있는 다단계 혼합
• 저온 실라니화를 위한 반응성 압출
• 실시간 점탄성 모니터링 시스템

이러한 혁신은 장기적인 성능 향상과 단기적인 생산 비용 사이의 균형을 맞추는 데 도움이 되며, 승용차 및 상용 타이어 부문 전반에 걸쳐 실리카를 실현 가능한 선택지로 만들고 있습니다.

자주 묻는 질문

고무 배합에서 카본블랙에서 실리카로 전환하는 주된 이유는 무엇인가요?

이러한 전환은 실리카가 타이어 성능을 향상시키고 굴림 저항 감소 및 연료 효율 개선과 같은 친환경적 이점을 제공할 수 있기 때문에 촉진되고 있습니다.

실리카는 고무 복합재를 어떻게 개선하나요?

실리카는 고무 매트릭스와 물리적, 화학적으로 상호작용하여 더 강력한 충전재-폴리머 결합을 형성하며, 보다 나은 응력 분포와 에너지 소산을 제공합니다.

카본블랙 대신 실리카를 사용할 경우의 단점은 무엇인가요?

실리카는 탄소흑연에 비해 가공 복잡성과 비용이 증가하고 약간 낮은 마모 저항성을 가지지만, 장기적인 성능 이점을 제공합니다.

실리카 기반 타이어 기술에서 어떤 발전이 이루어지고 있나요?

발전 사항으로는 친환경 실란 결합제, 개선된 분산 기술 및 타이어 성능을 더욱 향상시키기 위한 최적화된 필러 충전 기술이 포함됩니다.

왜 실리카가 고효율 타이어와 그린 타이어에서 선호되나요?

실리카는 연료 효율성 향상, 우수한 젖은 노면 그립력 및 더 긴 트레드 수명을 제공하여 고효율 및 환경 친화적인 타이어 설계에서 인기가 많습니다.