轮胎用高性能橡胶技术趋势

作者：北京橡胶工业研究设计院 吕百龄    来源：荣格

欢迎访问e展厅 展厅 3 橡胶/轮胎展厅 天然橡胶, 橡胶颗粒, 硫化硅橡胶, 硅胶, 热塑性弹性体, ... 随着汽车工业的迅速发展，人们生活水平的不断提高，汽车进入家庭已成为时尚。同时带来的问题是汽车排放的大量二氧化碳废气对环境的污染。各国政府都很关心这个问题，制定相应的法规对汽车的耗油量进行越来越严格的限制。由轮胎滚动阻力所造成的耗油量占汽车总耗油量的25%左右，故降低轮胎滚动阻力就成为缓解全球环境恶化的重要途径之一。 随着高速公路的迅速发展和车辆速度的加快，轮胎的行驶速度等级也相应提高。带来的问题是车辆的安全性，对轮胎的要求是在保证高行驶里程（胎面耐磨）的前提下对路面的抓着性好，尤其是在下雨天湿路面和冬季冰雪路面上抗滑性能好。耐磨，滚动阻力低，抗湿滑性能好的轮胎称之为高性能轮胎。 以法国Michelin公司开发的“绿色轮胎”（Green tire）为代表的高性能轮胎的问世，标志着轮胎行业取得划时代的进步。这种轮胎由于滚动阻力低，用于轿车可节省燃油3～5%，用于载重车可节省燃油6～8%，每行驶1万公里可节省燃油40～60公升。全世界推广使用这种轮胎每年可节省燃油320亿公升，减少二氧化碳排放量8100万吨，对环境保护的贡献是很大的。其他类似的高性能轮胎还有美国Goodyear公司的GFE（燃料利用率高）轮胎，日本Bridgestone公司FS（节油者）轮胎和德国Continent公司的EOT（最佳节能）轮胎等。 适用于高性能轮胎的理想胶种 为满足高性能轮胎耐磨、低滚动阻力和优良的抗湿滑性能要求，在现有胶种的选用上是很难的。传统的胎面胶通常选用天然橡胶、顺丁橡胶和丁苯橡胶。顺丁橡胶滚动阻力低，耐磨性能好，但抗湿滑性能很差；乳聚丁苯橡胶抗湿滑性能好，但滚动阻力大，不耐磨；天然胶性能则介乎于顺丁和丁苯胶之间。要做到既降低滚动阻力，保证高的耐磨性，又不牺牲抗湿滑性能，这三种胶单用或两胶、三胶并用均无济于事。 研究表明，胶料的动态损耗因子tanδ数值与胎面行驶性能有密切关系。在温度低于-60℃时，tanδ数值高，有良好的耐磨性；在温度为0～30℃范围内，tanδ数值高，具有优良的抗湿滑性能；在温度为50～70℃范围内，tanδ数值低，滚动阻力低。tanδ数值满足这些要求的橡胶就是高性能轮胎的胎面胶。 目前开发成功有望作为理想胎面胶的胶种有： ◆ 环氧化天然橡胶（ENR） 由天然胶乳与甲酸、过氧化氢反应制得。与白炭黑/炭黑填充剂混合可获得优良的耐磨性、低的滚动阻力和高的湿路面抓着力。是适用于轮胎胎面的新型高性能天然橡胶。 ◆ 溶液聚合丁苯橡胶（SSBR） 与乳聚丁苯橡胶相比有不含凝胶、耐磨、耐低温，生热低、滚动阻力小的优点；与顺丁橡胶相比有不冷流、拉伸强力高、耐撕裂、抗湿滑性好的优点；在工艺上有混炼胶收缩率小、压出表面光滑、流动性好的优点。它是国外近十多年来发展较快的优秀胶种，适用于高性能轮胎胎面。 ◆ 集成橡胶（SIBR） 由丁二烯，苯乙烯和异戊二烯通过分子设计和链结构优化组合聚合制得的新型高性能橡胶。它集低滚动阻力、高湿抓着力和高耐磨性于一体，集中其他橡胶的优点，弥补其不足。其动态力学性能和物理机械性能皆优。目前国外有线型无规型、线型嵌段型、星型无规型和星型嵌段型四种产品。最有希望成为理想的高性能轮胎胎面胶。 高性能橡胶配合技术进展 以低的成本获得具有实用性能要求的橡胶制品而确定生胶、配合剂及填料的品种和配合量，以及规定使用混炼设备将这些材料加工成混炼胶的方法，即为橡胶的配合技术。这是制造橡胶制品的一项关键技术。 下面仅就涉及高性能橡胶配合技术进展的两个问题作一些介绍： ◆ 工艺操作助剂的应用 胶料中添加少量（2～3份）工艺操作助剂不仅可以改善加工性能，提高生产效率，还可以改善硫化胶的某些性能。比如加入均匀剂可以提高异种橡胶共混相容性及微观相形态的均匀性。加入分散剂可以促使配合剂和填料在胶料中分散均匀，缩短混炼时间，改善胶料流动性。加入增粘剂可以提高胶料和半成品的自粘性，有利于成型操作。这类助剂国外用得很多，国内从引进子午线轮胎技术以后才受到重视，近十年来开发成功不少新品种。 ◆ 补强性能的改善 无论是天然橡胶还是合成橡胶，不经补强其力学性能是很差的，没有实际应用价值。加入补强剂显著改善橡胶的力学性能。 炭黑是橡胶的主要补强剂，一般讲粒径越小，比表面积越大的炭黑补强性能越好。新开发出来的超高结构炭黑EB-109，被称之为纳米结构炭黑，用于轮胎胎面与原有的炭黑相比有低的滚动阻力，高的耐磨性和抗湿滑性，是很有前途的高性能轮胎胎面用炭黑。 近十年来开发成功的补强剂另一个新品种是双相炭黑，即采用共汽化法（干法）或在炭黑淤浆中加入硅酸钠加水分解制得（湿法）。前者为CSDP补强剂，是白炭黑分散于炭黑相中，表面有细微的缺陷部；后者为SCC补强剂，是涂白炭黑的炭黑。CSDP有良好的防滑性能和低的滚动阻力，但耐磨性差；填充SCC的胶料在高温区tanδ数值低，在低温区tanδ数值高，用于轮胎胎面有良好的综合性能。 在轮胎中的应用前景 通过化学改性衍生的环氧化天然橡胶ENR，是一种很有前途的高性能橡胶，目前只是因为生产成本高限制了它在轮胎中的应用。随着生产技术的改进和成本的降低，有望作为高性能轮胎的胎面胶获得广泛应用。 溶液聚合丁苯橡胶（SSBR）是近二十年来发展较快的优秀合成橡胶胶种，以它优异的耐磨性、湿抓着力和低滚动阻力特点，在国外已大量用于高速轮胎胎面。 最理想的胎面胶胶种是20世纪80年代以来新发展的集成橡胶SIBR，发达国家已经工业化生产4种类型产品，并已在高性能轮胎胎面推广使用。我国作为轮胎制造大国，2006年制造轮胎2.8亿条，其中子午胎1.786亿条，居世界第二位。但我国仅在燕山石化研究院和化工大学实验室合成小试产品。在国内轮胎行业尚未使用，仅在研究部门开展一些应用试验研究。可以想像，一旦实现工业化生产，并在轮胎行业推广应用，对高性能轮胎的技术进步必定会产生巨大的推动作用。 作 者 简 介 吕百龄: 教授级高工，1963年毕业于清华大学，曾任北京橡胶工业研究设计院院长，总工程师；1992年北京国际橡胶会议主席，1992-93年度国际橡胶会议委员会主席。曾获1978年国家科学大会奖，1991年国家科学技术进步二等奖。有60余篇论文在国内外橡胶专业会议和刊物上发表，撰写、主编、合编橡胶专业书籍7部。 (end)

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