问绿色轮胎的设计方法

在材料应用方面, 降低轮胎滚动阻力通常有如下两种基本方法: 减小轮胎质量和材料能耗( 滞后损失) 。 天然橡胶(nr)是非极性橡胶，虽然本身具有优良的电性能，但在非极性溶剂中易溶胀，故其耐油、耐有机溶剂性差。nr分子中含有不饱和双键，故其耐热氧老化、耐臭氧化和抗紫外线性都较差，限制了它在一些特殊场合的应用。但nr通过改性可大大扩展nr的应用范围。（1）nrnr 是非极性橡胶, 虽然本身具有优良的综合性能, 但其耐油、耐有机溶剂、耐热氧老化、耐臭氧老化和抗紫外线等性能都较差, 限制了其在一些特殊场合的应用。通过改性可大大扩展nr 的应用范围。a) 环氧化天然橡胶( enr)环氧化天然橡胶(enr)是天然橡胶(nr)经化学改性制得的特种天然橡胶。与nr相比，enr具有完全不同的黏弹性和热力学性能，如具有优良的气密性、黏合性、耐湿滑性和良好的耐油性。enr可与极性填充剂(如白炭黑)强烈结合，在无填充剂时，enr硫化胶仍能保持nr所具有的高模量和拉伸强度。enr 50具有良好的耐油性和阻尼性，在轮胎胎面胶中应用时，在没有偶联剂的情况下，enr与白炭黑强的相互作用是提高滚动阻力和湿抓着力综合性能的重要因素，enr25与白炭黑/炭黑填充剂混合可获得最佳的耐磨性。b) 接枝天然橡胶目前研究得最多的是甲基丙烯酸甲酯(mma)与nr接枝共聚，mma接枝nr伸长率大，硬度高，具有良好的抗冲击性能、耐屈挠龟裂、动态疲劳性能、黏合性和较好的可填充性。工业上主要用来制造具有良好冲击性能的弹性制品，如无内胎轮胎中的气密层等。如果与丁苯胶共混，可用作胎圈三角胶胶料，其生胶强度及与钢丝圈的黏合力明显提高，并能增加钢丝圈的挺性，保持钢丝圈的形状稳定。异戊二烯的新发展是合成3，4-聚异戊二烯橡胶(高的玻璃化温良)。这种橡胶与天然橡胶、丁苯橡胶、聚丁二烯橡胶并用可改善抓着性能。已研制成功异戊二烯与丁二烯的共聚物，还研究成功了异戊二烯与苯乙烯、丁二烯的三聚物。用这些橡胶制造的胎面胶具有良好的滚动阻力与湿路抓着力综合平衡性能。中国发明专利zl95110352.0介绍了采用负载钛催化异戊二烯本体沉淀聚合方法直接合成出反式-1，4-聚异戊二烯(tpi)粉料的新技术。据介绍，在胎面胶中以20-25重量份tpi取代等量丁苯胶制造的轿车和轻型载重半钢子午胎，获得了综合行驶性能良好，而且百公里油耗试验燃油消耗降低2.5%左右的效果。（2）irir 的新发展是3, 4-聚异戊二烯橡胶( 高玻璃化温度) , 其与nr, sbr, br 并用作胎面胶可改善轮胎的抓着性能。现已研制成功异戊二烯与丁二烯的共聚物及异戊二烯与苯乙烯、丁二烯的三聚物, 用其作胎面胶可使轮胎具有良好的滚动阻力与湿抓着力综合平衡性能。中国发明专利( zl 95110352. 0) 介绍了反式-1, 4-聚异戊二烯( t pi) 粉料的合成新技术。在胎面胶中以20~ 25 份tpi 等量替代sbr 生产的轿车和轻型载重子午线轮胎综合性能良好, 而且燃油消耗降低2. 5% 左右。（3）ssbr溶聚丁苯橡胶( ssbr) 被广泛用于绿色轮胎胎面, 可根据要求生产不同宏观结构、微观结构以及链节终端改性的专用品种。在聚合物生产过程中, 添加一定的化学品能够改变聚合物链节终端,显著增强聚合物与炭黑之间的相互作用, 减小填料与填料之间的相互作用, 从而可降低轮胎的滚动阻力。第3 代ssbr 通过分子设计和链结构的优化组合, 最大限度地提高了橡胶的综合性能, 主要有3 种产品: 一是大分子链中引入异戊二烯链段制成的苯乙烯-异戊二烯-丁二烯共聚物, 即集成橡胶( sibr) , 集良好的低温性能、低滚动阻力和高抓着性能于一身, 是迄今为止性能最为全面的二烯烃类合成橡胶, 极具市场潜力; 二是渐变式序列结构分布的嵌段型ssbr, 能较好地平衡抗湿滑性和滚动阻力; 三是硅烷改性ssbr, 增强了橡胶与白炭黑等白色补强剂之间的亲和性, 配合时可不用或少用钛酸酯等昂贵的偶联剂, 这种环保型产品可满足日益严格的环保要求, 符合现代轮胎的发展方向。（4）br汽车轮胎必须尽可能使滚动阻力、耐磨性和抗湿滑性这一魔三角得到最佳平衡。高顺式br不仅可解决胎面耐磨性问题, 还可在轮胎的其它部位发挥其优越性。br 与ssbr 并用作胎面胶可使轮胎具有最佳的抓着力与磨耗的综合平衡性能, 还能降低滚动阻力, 节省燃料5% 。br/ ssbr 胎面胶采用白炭黑和硅烷偶联剂。br 用量提高到40 份可保持耐磨性能, 而ssbr 和白炭黑则可降低滚动阻力, 提高轮胎的雪地和湿路面抓着力 。br 用量最大的部位是子午线轮胎胎侧。配合有防老剂6ppd 的nr/ br 并用胶( 并用比为50 ： 50) 具有最佳的抗龟裂增长性能, 且具有良好的抗刺扎性能和长使用寿命。br 作为胎圈用胶可改善耐磨性和弹性, 降低生热。高乙烯基含量br( hvbr) 与nr 并用作胎体胶可提高耐老化性能和抗硫化返原性能。（5）iiriir 最主要的应用领域是轮胎, 占其总消耗量的80% 以上。随着无内胎轮胎的发展, hiir的需求正逐年上升。目前, hiir 需求量已占iir总需求量的60% 左右。iir 具有优良的气密性和耐化学药品性等。（6）发泡橡胶为了解决镶钉轮胎引起的粉尘问题, 用无防滑钉轮胎取代了镶钉轮胎。无防滑钉轮胎的重要特征是在0摄氏度 左右的摩擦力高。在湿冰上, 需要大幅度提高排水效果, 光靠花纹沟和刀槽花纹的排水作用是不够的, 现已开发出可提高排水、啮合效果和粘着摩擦力的新型橡胶, 其中具有代表性的是发泡橡胶。发泡橡胶是指具有许多微型独立气泡的橡胶。（7）聚氨酯弹性体聚氨酯弹性体与橡胶相比具有更优异的耐磨性能、较高的撕裂强度和较宽的硬度范围等特性。浇注型聚氨酯弹性体是目前最耐磨的弹性体, 具有高耐磨、可着色、高抗切割性、优良的耐油及耐化学品等优点, 而且对人体无毒害作用, 又能完全生物降解, 还不必添加炭黑和芳烃油, 是轮胎胎面的理想材料。米其林公司的pax 跑气保用轮胎配备了新型轻量聚氨酯辅助支撑环, 比原来的橡胶支撑环小4 kg 左右。用聚氨酯作为轮胎翻新材料的关键技术是采用纳米技术提高聚氨酯弹性体的热稳定性, 使其最高使用温度达到120 摄氏度，其次是研制出成本低廉、使用方便、效果好的橡胶表面处理剂和粘合剂, 使聚氨酯胎面与普通橡胶能牢固地粘合在一起。采用聚氨酯胎面翻新的轮胎实际行驶里程可比普通轮胎高1~ 2 倍, 同时能消除大量炭黑和芳烃油对环境的污染, 是提高翻新轮胎性能的新途径。 （1）人造丝由于人造丝尺寸稳定性好, 用其作子午线轮胎胎体骨架材料能获得优异的操纵性能, 因此目前还常用于高性能轮胎和跑气保用轮胎, 但是人造丝耗用天然森林资源和生产过程严重污染等问题已日益被人们所重视。（2）锦纶锦纶帘线主要用于斜交轮胎, 最新推出的新产品主要为聚己二酰丁二胺纤维和杜邦公司的hyten 高强度聚酰胺纤维等。聚己二酰丁二胺纤维( 锦纶46) 具有熔点高、热收缩小及模量高的特点, 不像锦纶6 和锦纶66 那样易因生热而使帘线熔化, 降低轮胎的耐久性。用hyten 作子午线轮胎胎体骨架材料可使轮胎具有良好的耐久性和低生热性, 且可小轮胎质量。固特异公司使用大直径hyten 帘线作为缓冲层和胎体帘布层试制的航空轮胎可分别约帘布和胶料约17% 和45%, 使轮胎减少驻波现象、减小帘布层剪切变形和降低生热。（3）聚酯聚酯是在橡胶工业中稳步发展的纤维之一。20 世纪80 年代便成功地开发出尺寸稳定型聚酯( dsp) , 使用尺寸稳定型聚酯帘布制造子午线轮胎可免除硫化后充气工艺, 而且解决了因热收缩而导致的轮胎胎侧产生凹陷的外观问题。聚酯用于轻型载重轮胎的原材料成本比人造丝降低35% 。由于聚酯的强度高于人造丝, 使用聚酯时通常可以减少胎体层数。（4）钢丝钢丝的最大特点是强度高。近年来, 轮胎用钢丝骨架材料的主要新产品如下。a) 高强度钢丝近年来, 高强度钢丝帘线在轮胎中大量使用,其强度比普通钢丝帘线高20% ~ 40%。目前还在研制强度高达4. 0 gpa 的超高强度钢丝。b) 超细超强钢丝固特异公司专为跑气保用轮胎开发了超细超强钢丝( 在25 mm 内可排列7 000 根) 。这种超细钢丝帘线的开发成功开创了轿车轮胎胎体使用钢丝帘线的先河。（5）芳纶芳纶纤维具有很高的热稳定性, 在400~ 430摄氏度 下才发生氧化降解, 融点高达500 摄氏度 , 模量很高。（6）复合帘线到目前为止, 还没有一种市售的帘线能完全满足轮胎所要求的各种性能。为充分利用各种帘线的优点而克服其缺点, 人们提出采用复合帘线的方法。已有专利提出, 以锦纶长丝作表层、聚酯丝作芯层制造锦纶/ 聚酯复合帘线, 该复合帘线集聚酯帘线的弹性、强度以及锦纶帘线良好的粘合性于一身。与芳纶帘线相比, 由1~ 2 股芳纶和1 股锦纶或聚酯并捻而成的复合帘线具有如下特征: 耐疲劳性和断裂伸长率较高、模量较低、收缩率可控、强度成本比更好或相当。与芳纶/ 锦纶复合帘线相比, 芳纶/ 聚酯复合帘线具有稍低的拉伸性能、高得多的模量、较小的永久变形和较差的粘合力。目前已有部分大型工程机械轮胎采用复合帘线。 近年来, 高结构炭黑、纳米结构炭黑、白炭黑和炭黑-白炭黑双相填充剂等新品种填充剂的相继研制成功在保持轮胎胎面胶低滚动阻力的前提下, 提高了轮胎的耐磨性, 使轮胎综合性能得到提高, 推动了绿色轮胎的发展。（1）炭黑a) 高性能和低滞后损失炭黑高性能炭黑的特征是粒径小, 结构适宜, 聚集体尺寸分布较窄, 表面活性高, 而低滞后损失炭黑的特征是结构高, 聚集体尺寸分布较宽, 表面活性高。b) 纳米结构炭黑纳米结构炭黑采用经改进的炉法工艺生产。与传统炭黑相比, 纳米结构炭黑具有更高的表面粗糙度和活性。较高的表面活性主要与高度无序交联的较小结晶粒子有关。这种结晶粒子具有大量的棱边, 成为具有高表面能的活性场, 与聚合物产生很强的相互作用。( 2) 白炭黑白炭黑为高度分散状的无定形粉末或絮状粉末, 具有很高的电绝缘性、多孔性和吸水性。其原始颗粒粒径小于3 µm, 故比表面积大。胎面使用特殊的聚合物和白炭黑/ 硅烷体系,可以获得高湿路面牵引性能和湿路面刹车性能,并降低滚动阻力。在欧洲的原配轿车轮胎市场,胎面采用白炭黑/ 硅烷填充体系的轮胎已经达80% 以上。现代冬季轮胎性能的大幅度提高也主要依赖在胎面胶中采用白炭黑/ 硅烷体系。专用高分散性白炭黑配合高结构细粒子炭黑用于载重汽车轮胎, 可以降低滚动阻力, 同时可保持耐磨性能。( 3) 炭黑-白炭黑双相填充剂炭黑-白炭黑双相填充剂提高了弹性体与填充剂的相互作用, 降低了填充剂与填充剂的相互作用, 可大大降低轮胎的滚动阻力, 提高牵引力,却不降低传统炭黑的耐磨性能[ 20] 。( 4) 以淀粉为基料的新型填充剂( bot red)bot red 是一种以淀粉为基料的新型填充剂,先从玉米中提取玉米淀粉衍生物, 变成微滴后经处理转换成生物聚合物填充剂。bot red 为球形粒子, 便于将机械能降至最小和降低滚动阻力。固特异公司用bot red 制造的gt3 绿色轮胎与其前一代产品相比, 抗水滑性能提高5%, 质量减小100 g, 滚动阻力降低10%。( 5) 短纤维短纤维应用于轮胎胎面中对轮胎滚动阻力的影响主要有以下两方面: a) 提高轮胎的刚性, 使轮胎在行驶过程中承受同样载荷时下沉量明显减小, 即轮胎的变形减小, 因而降低滚动阻力;b) 短纤维用于胎面胶不仅可以提高胎面的刚性, 而且可以使胎面的摩擦因数减小, 滚动阻力也相应下降。

从理论上讲，降低汽车油耗的途径有轻量化、减小轮胎滚动阻力及采用稀混合气发动机等。实际上，只有减小轮胎滚动阻力才是最切实可行的绿色轮胎设计途径，研究结果表明，轮胎的模具、花纹设计和轮胎结构和材料均对轮胎滚动阻力有影响。克服轮胎滚动阻力消耗的燃油占汽车总油耗的14.4%，而仅由胎面产生的滚动阻力就占轮胎滚动阻力的49%，其他部件的影响比例分别为：胎侧14%、胎体11%、胎圈11%、带束层8%、其余部件7%。由胎面直接造成的油耗约占7.1%。降低胎面的滚动阻力并保证抗湿滑性能良好将是绿色轮胎最基本的要求。绿色轮胎技术主要从选择合适的胶种和配合剂，改进胎面胶料配方入手，再辅以减薄胎体、优化轮胎轮廓等结构设计手段，来达到降低轮胎滚动阻力的目的。可以预料，计算机辅助设计技术的介入和聚合物分子定向设计成果的推出，无疑将加速绿色轮胎开发进程。 子午化、无内胎化和扁平化是轮胎结构设计发展的方向, 也是绿色轮胎的首选。绿色轮胎胎面一般由胎面胶和胎面基部胶两部分组成, 胎面胶的动态模量大于胎面基部胶, 胎面基部胶厚度与胎面胶厚度之比为0. 25~ 0. 70。通过用有限元法分析轮胎的水滑现象, 可以设计出能够明显改善水滑现象的胎面花纹, 如固特异公司的A quat red、米其林公司的Catamaran、普利司通公司的F170C 和倍耐力公司的P5000Dr ag o 等轮胎。 轮胎结构 大体可分为两种，即子午线结构和斜交结构。子午线结构与斜交结构的根本区别在于胎体。胎体是轮胎的基础，它是由帘线组成的层状结构。胎体层上部有帘线为周向排列的带束层，这种结构使帘线强度能够得到充分利用，故子午胎的帘布层数比斜交轮胎少40%-50%。从设计上讲，斜交轮胎有很多局限性，由于斜交轮胎交叉排列的帘线强烈摩擦，使胎体容易生热，而且加速胎面花纹磨耗，其帘线布局也不能很好地提供优良的操纵性能和乘坐舒适性；而子午线轮胎的钢丝带束层则有较好的柔韧性以适应路面的不规则冲击，且经久耐用。它的帘布层结构还意味着在行驶中有小得多的摩擦，从而获得较长的胎面寿命和较好的燃油经济性。子午线轮胎本身的优点使轮胎无内胎化成为可能。无内胎轮胎有一个公认优点，当轮胎被扎破后，不是像有内胎的轮胎(普通的斜交胎是有内胎的)那样爆裂，而是在一段时间内保持气压，从而提高了安全性。由于子午线轮胎胎体的特殊结构，使得在行驶中轮胎的路面抓力大、效果好，装有子午线轮胎的汽车与装有斜交轮胎的汽车相比，其耐磨性可提高50%-100%，滚动阻力降低20%-30%，可以节约油耗约6%-8%。也正因为这样，同样车型选用子午线轮胎比选用斜交轮胎操纵性好，有较好的驾驶舒适性。轮胎断面宽度增大时，滚动阻力呈下降趋势。这是因为轮胎断面宽增加而使胎侧部刚性减小，而对滚动阻力影响较小的侧部的变形增加，对滚动阻力影响较大的胎面部的变形减小所致。另外，随着轮胎断面宽度的加宽，胎面、带束层等主要部位的能量损失减小。因此加大轮胎断面宽度对降低滚动阻力有利。如果胎圈部的填充胶条高度增高，则滚动阻力亦增加。因为随着填充胶条高度增高，产生滞后损失的物质体积增加，胎侧下部的能量损失亦增加。另外，填充胶条高度增加会因胎侧的刚性增加而使胎侧部变形减小，而对滚动阻力影响较大的胎面部的变形相对增大，这会导致滚动阻力增加。目前，胎体结构设计是向低断面方向发展。 胎面半径增大时，可降低轮胎的滚动阻力。这是因为胎面半径增大时轮胎产生平面接地屈挠变形，使因轮胎断面方向的屈挠变形所产生的应变能变小的缘故。也就是说，滚动阻力随着胎面半径的增大而减小，这主要得益于胎冠部和带束层能量损失减小。今后绿色轮胎胎面结构应朝如下方向发展：(1)双层胎面双层胎面轮胎具有高速、稳定、耐磨及生热低等优点，一般是由胎面和胎面基部两部分构成，其胎面与胎面基部胶具有不同的动态模量和tanδ。有关文献指出，胎面动态模量大于胎面基部动态模量(≥8.5 MPa)，tanδ大于0.12，胎面基部厚度与胎面厚度之比为0.25-0.70。(2)发泡胎面发泡胎面是由发泡橡胶制成的，除胎面胶的一般组分外，还含有结晶型间同立构1，2-聚丁二烯(粉末状，平均粒径为60 nm)，再配合发泡剂、抗氧剂等其他助剂。试验表明，使用发泡胎面制备的轮胎在干、湿路面上特别是在冰面上具有良好的制动和牵引性能，即使在炎热的夏季也完全能够保持驾驶稳定性、耐久性和低油耗，因此是绿色轮胎胎面胶的发展方向。在进行轮胎结构设计时必须能够在不降低与滚动阻力相互矛盾的其他特性(湿滑性、安全性、振动性等)的前提下降低滚动阻力。作为具体的降低滚动阻力方案，必须综合考虑轮胎形状和橡胶配置，特别是要考虑对由复合材料构成的带束层、胎体帘布层滚动阻力的影响。作为轮胎结构研究，不能仅凭过去的直觉和经验，还要用模拟技术来加速低滚动阻力轮胎的开发。有限元法采用橡胶材料的能量结构方程式已有数十年的历史，已从线性弹性方程式过渡到Mooney-Rivlin方程式，最近还在大变形领域引入了非线性结构方程式。作为以轮胎为代表的许多工业橡胶材料使用的填充橡胶，在0-100%的应变领域中的储能模量、损耗模量、tan8这些黏弹特性使应变具有非线性，一般被理解为佩因效应(弗莱彻-金特效应)。考虑这一点的非线性结构方程式近几年也被提出来了。在正常车轮转动状态下，应变在轮胎变形中也占大部分，控制该应变领域的黏弹性对控制轮胎滚动阻力也尤为重要。实际上，通过将表示填充橡胶在0-100%的应变领域的储能模量、损耗模量、tanδ这些黏弹特性的非线性黏弹性结构方程式应用于FEA（有限元分析），可使轮胎滚动阻力的预测精度较传统预测有大幅度的提高。这样一来，降低轮胎滚动阻力的轮胎结构设计、新材料开发和配方设计的精度和效率就相应地得到提高。目前已经开发出通过用有限元法模拟轮胎滚动阻力，进而进行绿色轮胎设计的方法。 通常，降低轮胎滚动阻力有如下两种基本方法：（1）减小轮胎质量减小轮胎质量是降低轮胎滚动阻力最快速、最有效的方法。为了保证轮胎质量小，在确保轮胎使用性能的前提下，必须采用最小的部件厚度。轮胎生产厂必须严格控制工艺，以保证部件达到最小厚度，绝不允许工厂采取擅自加大部件厚度的办法来解决生产问题。采用轻质材料制造各轮胎部件也是减小轮胎质量的一种有效方法，采用芳纶带束层替代钢丝带束层就是一个明显的例子。（2）减小材料能效降低轮胎滚动阻力的第二种方法是减小轮胎材料的能量损失(滞后损失)。聚酯帘线的滞后损失较大，但经过合适的改良后，有可能推出较小滞后损失的品种。