最火轮胎内衬层技术进展

轮胎内衬层技术进展

最近15年中轮胎性能发生了巨大的改进。车轮踏面磨损和摩擦显著增强，滚动阻力减少，以及耐久性的提高使高质量产品的开发成为可能。尽管对设计作出了一些改变并引进新型增强材料，许多主要的改进还是归因于二氧化硅胎面胶、功能化和偶联溶液型SBR的引进以及胶料老化和抗硫化返原性的提高。

本研究工作的焦点是轮胎的内衬层。报道的气密性的提高可以允许通过轮胎的使用寿命、改进耐久性和更低的轮胎运转温度对轮胎的滚动阻力性能进行改良维护。因此，本研究工作以下列几个项目为中心，包括：目前行业中内衬层胶料的基准测试；确认内衬层胶料应该达到的目标属性；纳米复合内衬层的属性。

实验方法

表1列出的溴丁基模型轮胎内衬层胶料作基准测试使用。研究中使用溴丁基模具温度：热塑性塑料熔体注入型腔后,释放大量的热量而凝固,不同的塑料品种,需要模腔保持在1适当温度2222级别（门尼粘度ML 1+8规格32）和溴丁基2255级别（门尼粘度ML 1+8规格46）。内衬层中通常使用Struktol 40MS以提高工厂条件下加工性能、胶料粘合力和抗疲劳性能。典型使用的酚醛增粘树脂是SP-1068。作为替代品，Escorez 1102可以在胶料配方中代替使用而不要做任何的改性。固化体系中使用氧化锌、硬脂酸和二硫化苯并噻唑(MBTS)。

虽然2222和2255等级曾被交换使用，2255还是研究的首选，因为它是较大型轮胎内衬层的首选聚合物，例如用于重型载货汽车。含有较高粘度溴丁基的内衬层胶料有良好的湿强度，便于加工，具有改善的抗帘线刺穿性能。

结果

自从在1981年引入溴丁基以来，典型轮胎内衬层胶料的组成变化很少。尽管轮胎内衬层胶料的配方很明确，本工作中确定纳米复合内衬层应该满足的基本性质还是很适当的。

◆ 溴丁基内衬层胶料的基准测试

在许多情况下，轮胎的内衬层胶料可能会含有天然橡胶。视轮胎生产商的情况不同，这可能有几个功能，例如提高加工性能以及内衬层与外胎的粘合力。使用表1列出的模型配方，以每增加10份的方式改变天然橡胶含量，准备了5个胶料来说明在内衬层胶料中预期得到什么样的性质。可以在站上查到这些胶料更为完整的一套力学性质。在这里要注意以下几点：

1、 观察1到5号胶料发现，降低天然橡胶的含量导致胶料100℃的门尼粘度(ML 1+4)降低，但对125℃的门尼焦烧最小粘度几乎没有影响；

2、烧焦时间随天然橡胶含量的减少而增加，但是固化时间(t90)仅受到轻微的影响。由流变仪测量的固化状态，扭矩变化（MH-ML）不受影响，而且固化速率没有变化；

3、天然橡胶含量直到30份的所有胶料，拉伸强度、断裂生长率、300%模量和撕破强度下降的范围都很小;

4、渗透系数随天然橡胶含量的下降迅速降低。当天然橡胶的含量从40份降到10份时，渗透系数从1.740减小到0.92cc×mm/(m2·日·mmHg)。

◆ 溴丁基和氯丁基聚合物等级的对比

实验数据还可看出，当标称门尼粘度为32的溴丁基等级2222被更高粘度的溴丁基或氯丁基橡胶所代替时预期得到的典型性质。胶料2到5的实验数据表明：固化动力学（由流变测试得到）、抗张强度和撕裂强度在预期的数值范围内。还要指出的是，4种弹性体的渗透系数在很窄的范围之内。考虑到天然橡胶对渗透的影响，卤丁基弹性体明显要好。但在这里所考虑的商业卤丁基弹性体等级中，天然橡胶对不渗透性的影响很小。

这些胶料最显著的不同就是门尼粘度，它随着弹性体粘度的增加而增加。例如说，以主要使用在重型载货汽车内衬层中的溴丁基2255（粘度是46）代替溴丁基2222(聚合物的标称粘度为32)，结果使胶料的门尼粘度从56增大到64。

◆ 轮胎中内衬层性质

内衬层的机械性能，例如卡车轮胎中的内衬层，应该在指定的范围内下降。举例来说，如果胶料的300%模量太高而断裂伸长率很低，轮胎中的内衬层就可能会有很差的疲劳强度。如果胶料的硬度太大，轮胎中的衬层胶料就可能破裂。另一方面，如果抗张强度太低，轮胎中内衬层的耐久性就可能不够，耐磨性会很低，轮胎就不可能被二次翻新，结果是浇铸使用寿命缩短。

我们分析了42种载重轮胎的内衬层，将内衬层胶料的抗张强度和硬度制成表格。表2对数据进行总结。

现在可以定义一套纳米复合内衬层应该具备的目标性质。因此，无论使用哪种聚合物，轮胎胶料的抗张强度、断裂伸长率和300％模量应该分别具有10MPa、700％和4.0MPa的数量级。就配方的实验数据而言，抗张强度高（大于11.5MPa）而断裂伸长率低于650%的胶料天然橡胶含量较高，更容易渗透，因而在尝试定义一套胶料目标性质时可能会被丢弃。

号天然橡胶和其他卤丁基弹性体对胶料性质的影响，抗张强度、断裂伸长率和300％模量也分别在10MPa、745%到800%和3.1到3.9MPa的范围内。这些结果使我们可以对纳米复合内衬层相对于较为传统的卤丁基胶料在轮胎中是如何发挥性能的做出评估。

◆ 纳米复合内衬层

使用表1的模型配方混合制成聚合物－填料纳米复合物。结果可以看出，环烷油的含量有所降低，以补偿制备纳米复合物时加入的表面活性剂和其他添加剂。在配方上没有其他变化。

需要注意以下一些观察结果：

1、含有溴丁基2255的模型轮胎内衬层胶料门尼粘度值为65°用纳米复合物代替溴丁基会使胶料的粘度增加到70°这可能是因为在纳米复合物中，表面活性剂和聚合物链的官能团之间存在缔合作用。一般认为这种缔合作用很弱，在胶料混练循环阶段加入素炼步骤就可以轻易将其破坏；

2、对纳米复合胶料而言，固化时间t90从10分钟增加到15分钟。当向胶料中添加硅酸盐或二氧化硅时会预期发生这种变化。这种情况下，改变硬脂酸的含量可以轻易调整固化时间；

3、胶料抗张强度、断裂伸长率和撕破强度都处在先前研究所确定的数值范围以内，因而不必担心轮胎中胶料的耐久性。

特别要指出的是渗透率显著减小，与溴丁基对照胶料（等级为100）或含10份或20份天然橡胶的胶料（等级分别为118和154）相比，等级为61°溴丁基参考胶料和纳米复合物之间的这种差别通过传统的混合方法是无法获得的，此外，还可满足其他的混合性质要求。

◆ 纳米复合内衬层轮胎的评估

为了评估纳米复合胶料配方作为轮胎内衬层使用的相对性能，我们与台湾正新橡胶工业股份有限公司开展了合作计划。选择子午线卡车轮胎设计UR188。该轮胎具有条状胎面花纹，选择的轮胎大小为275/80R22.5，是在美国长途运输货车所使用的特有轮胎。选择的负荷范围是-H。制造了110只子午线中型载货汽车轮胎，其中55只使用溴丁基2222内衬层，55只使用纳米复合内衬层。制造完成以后，对轮胎进行目测检查和切割分析。测试轮胎的均匀性，包括平衡、跳动、锥度和强迫震动。所有轮胎都用X光进行扫描，用激光剪切测量技术检测内分离。

由于纳米胶料改进的不渗透性，内衬层的厚度与对照轮胎相比减少35%。这有许多好处：

1、纳米复合内衬层厚度压缩导致轮胎重量平均节省超过1.0kg；

2、X光检测纳米复合轮胎的质量发现，帘布钢丝间距等参数没有受到损害，剪切散斑图表明外胎内没有发生内分离；

3、对溴丁基内衬层和纳米复合内衬层而言，内衬层的接头牢固性和粘合力是相当的。在工厂中胎胚在固化之前也要老化处理。不需要担心内衬层或内衬层接头；

4、为了保持内衬层挤出线上相同的产出速率，纳米复合物的挤出机每分钟转速要降低40%，因而能节约能源；

5、纳米复合轮胎的厚度减少，固化时间缩短2％。

耐热温度250～370 ℃

对轮胎进行均匀性、充气压力保留和耐久性试验。两组轮胎的均匀性，例如说平衡、跳动、强迫震动和锥度相当。尽管内衬层厚度有所减小，纳米复合内衬层轮胎94天的平均保压性（用损耗百分数表示）要优于溴丁基内衬层轮胎（如图使制冷系统的运行费用和故障降落到较为经济的状态1）。这与轮胎的耐久性直接相关。85天以后，溴丁基轮胎的胎体内压为113KPa，相比之下，纳米复合内衬层的压力为108KPa。

图1、轮胎充气保压性能（IPR）对照

用FMVSS 119进行简单的动力试验来评估轮胎的耐久性。轮胎以50千米/小时的速度运转，实验持续进行，而不是47小时后停止。轮胎上的负荷每八小时增加10%，直到轮胎无法承载为止。每增加一次负载时测量胎面中线和胎肩的温度。注意以下的实验结果：

1、在47小时的时候，用探针测量的纳米复合轮胎的运行温度比溴丁基内衬层轮胎要低13℃；

2、与等级为100的对照轮胎相比，溴丁基对照轮胎和纳米复合轮胎的疲劳试验时间分别为100和125。故障里程等级分别为100和123(等级越高越好);

3、溴丁基和纳米复合轮胎的断裂负荷等级分别为100和116。

从初步的耐久性数据可以推知使用纳米复合物的载重汽车轮胎可翻新的潜在优势，因而值得进一步的研究。而且，纳米复合内衬层的好处可能比初始数据说明的还要多。例如说，对轮胎滚动阻力，由市场试验评估的野外耐久性、胎面花纹磨损和整个服役里程数的影响值得调查，是更多研究的主题。

讨论与总结

Jones以及后来Waddell和Rodgers都综述了载货汽车轮胎内衬层的技术和卤丁基的作用，突出强调了内衬层的组成对保压性（IPR）、胎体内压（ICP）、与外胎的粘合力和抗疲劳能力的重要性。然而，自另外一方面20世纪80年代以来内衬层的混合技术鲜有进展。本文的工作焦点放在使用纳米复合物作为轮胎内衬层的基础这一技术层面，对轿车、轻型载货汽车、重型载货汽车、农业机具和大型越野车辆中使用的一系列轮胎都使用。本研究工作得出的实验结果有些需要强调，总结如下：

1、天然橡胶含量的减少会提高不渗透性，因而会增加轮胎的保压性并降低胎体内压；

2、轮胎的内衬层胶料必须要达到一系列的目标性质以保证具有足够的耐久性；

3、通过载重汽车轮胎内衬层胶料中使用纳米复合物与溴丁基橡胶的对比，表明纳米复合物能够满足这些总体的目标性质，但是也有显著提高不渗透性的可能（表3）。

图2表明通过降低内衬层中天然橡胶的含量，再用纳米复合材料代替卤丁基，可以提高不渗透性。使用含有纳米粘土片的丁基或卤丁基橡胶将达不到相当的性能。

图2、使用纳米复合物，减少或去除天然橡胶的渗透性能降低情况

这里所显示的内衬层性能数量级的提高表明进一步改进轮胎的性能还有许多的机会。正如以前指出的，渗透率的降低导致轮胎保压性（IPR）增加。许多情况下，这会并发地提高胎体内压（ICP），与轮胎动力耐久性存在有利的关联。

作为一种可能性，不渗透性的提高可能使轮胎的内衬层厚度下降，轮胎的重量也会减少。缩短的厚度将会有利地影响到轮胎的运行温度，也会改进工厂混练设备的使用和效率，可能增加内衬层胶料的压延或挤出产率（因为厚度更薄）并节约固化时间。其他的混合方法是不可能存在这种改进的。因而，本研究工作中显示的数据能为进一步的工作提供基础，而进一步的研究工作不仅要提高轮胎工厂的产量，还要改善最终产品的性能。 (end)