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轮胎技术进展与趋势
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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, ...
要求越来越高的汽车生产技术以及日益增长的消费者的期望都导致了新产品技术开发的持续热情。这种迷人的新产品将继续体现开发新的应用、安全、健康和环保的主题,先进材料的最新进展包括纳米材料,等离子体表面改性碳黑的应用,计算机模拟技术的开发,最终开发出可控的概念轮胎

原料

为了支持并满足这个需求,采用了几乎所有的材料开发前沿的新技术。比如弹性体,新一代的纳米填料,表面改性或等离子体改性的填料,增韧材料如芳族聚酰胺纤维、聚乙烯基萘和碳黑填料,没有亚硝胺的硫化过程和硫化助剂,抗氧化剂和抗臭氧剂,一系列硫化后的稳定剂,环境友好的加工油等等。

◆ 聚合物/弹性体

今天,天然橡胶的缺乏已经成了世界范围的巨大危机,飞速上涨的天然橡胶的价格是轮胎制造商最关心的问题。可以预见将来人们会越来越多地使用合成橡胶,以及将天然橡胶部分替代为聚合物橡胶。虽然天然橡胶的交易价已经在2美元以上了,但是由于出众的物理和机械性能以及和钢帘线更好的粘结性,它仍然是子午线卡车轮胎制造商们的首选。

在最广泛的应用范围中,所有可行的合成橡胶里丁苯橡胶拥有最好的功能品质。今天在乘用车子午线轮胎中溶聚丁苯橡胶广泛地代替了乳聚丁苯橡胶。前者是通过加入Ziegler-Natta催化剂溶液聚合而得到的。它不含有脂肪酸,并且能够更好控制微观结构(特制产品)。这些都能导致产品有更好的物理性能,比如更低的滚动摩擦和更好的抗湿滑性能,而这正是高性能轮胎和其他轮胎所期望的性能需求。

使用金属钕催化剂能够制备含有油填充剂的丁基橡胶,它有很高的反式结构含量,非常高的分子量和很窄的分子量分布。这种聚合物展现出更好的物理性能和更高的抗磨损性,但是它很难加工。最近Bridgestone公司宣称开发了一种新的合成技术,采用化学键连接形成高反式的丁基橡胶(cis BR),其中二氧化硅处于分子链的末端。用这样的技术可以合成出性能更好,抗磨损性更好的橡胶。Bridgestone还宣称,如果将具有无孔技术(指纳米结构导向控制技术)的材料应用到橡胶轮胎面中,会大大提高轮胎在寒冷环境中的弹性,而在温暖的环境下仍然保持刚性。

◆ 增韧填料

聚合物中加入碳黑填料是为了达到几个性能要求。最主要的性能要求就是好的胎面磨损,低的滚动阻力和优越的抗滑性。在这几个参数中,如果提高某项性能,那么其他性能就会下降。这三项性能之间的内在联系有时候被称作不可思议的三角关系(图1)。最近几年,世界领先的碳黑制造商们推出了创新性的产品,来满足我们互相矛盾的需要。

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在过去的这段时间,增强填料技术获得了许多进步。这些进步包括引入和使用了性能提高型的二氧化硅,双重填料的开发,提高轮胎性能的纳米技术,生物填料的引入比如在轮胎面中引入玉米淀粉(生态友好轮胎,Goodyear),聚合物型填料的引入,将废轮胎胶粉作为可回收材料以及生态友好的填料。

使用高分散性的二氧化硅,加入硅烷和高乙烯基含量的溶聚丁苯胶,能够满足神奇三角性能中所有的关键性能指标,比如好的抗干滑性和抗湿滑性,低的胎面磨损和低的滚动阻力。高分散二氧化硅具有更多的表面,能够使滚动阻力下降40%,大约降低30%的橡胶生热。

天然油价格的不断升高,给轮胎和汽车制造工厂造成了压力,迫使它们去开发更好的防滑性能的低滚动摩擦轮胎。使用混合碳黑和二氧化硅的填料,再加入偶联助剂(双重填料技术),能够得到低的滚动摩擦,好的抗滑性和好的胎面复合物的刹车摩擦。开发出通过等离子体修饰和纳米结构的碳黑,是填料技术中最新的进展。

使用等离子体将碳氢原料油分为氢和碳黑的新方法,取代了靠不完全燃烧直接分离碳氢原料油的传统方法,从而得到等离子修饰过的碳黑。这样得到的碳黑具有预先设计的特性。

纳米结构的碳黑是填料中新的一族(图2),主要特征是有粗糙的表面,能够增强填料-聚合物之间的相互作用。这样能够阻止高分子链沿着粗糙的纳米结构表面滑移,从而显著的降低滞后作用。这种类型的碳黑完美地满足了运货汽车轮胎的要求,它能够在降低滞后作用的同时提高胎面抗磨损性。

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在现有的其他橡胶化学品中,偶联助剂的效率显得十分低下。最近开发的功能化助剂克服了这些缺点。功能化填料是填料科学中的新领域,填料的表面化学性质被改变,聚合物-填料的介面相互作用得到加强。这种方法通过在填料表面功能化改性,有效提高了橡胶的增韧度和聚合物-填料之间的相互作用,这种表面功能改性在正常的混合温度下是稳定的,但是在硫化过程中会和橡胶网络发生反应。这样导致在橡胶网络上嫁接了填料粒子,大幅度提高了材料的物理性能。这种聚集态颗粒的形状对橡胶网络中填料的分布有很大的影响,所以控制聚集态颗粒的尺寸会有利于加工。这样就达到了在碳黑表面化学改性的目的。

◆ 纳米粒子和纳米复合物

纳米复合物的开发是21世纪最重要的进展。聚合物纳米复合物是有机-无机混合材料,无机相诸如纳米二氧化硅,纳米氧化锌和纳米粘土以纳米尺度分散在有机相聚合物网络中。纳米填料拥有更多的表面面积,这样聚合物-纳米填料的界面有更好的相互作用。聚合物纳米复合物有很高的增韧度;高的热稳定性;更好的对气体,蒸汽和液体的不渗透性;与传统填料复合物相比有更好的光学清晰度;发烟量很少的火焰阻滞性。

类似碳纳米管的填料有极高的比表面(1000-10000),还有高的多的渗滤阈值(需要平衡增韧的量减少)。因此,在二氧化硅填料复合物中加入相对量很少的碳黑纳米管,有可能得到一种复合物,既可以导电又有所有其他绿色轮胎的优势。

◆ 增塑剂/油

在一个乘坐车轮胎里大约含有700克矿物油,又名增量油。考虑到芳香烃的毒性,增量油开始采用无毒类型物质。例如DAE(蒸馏的芬芳提取物),TDAE(经过处理的DAE)和MES(中等提取溶化物)。RAE(残留芬芳提取物),HNAP(氢化石脑油)和高稳定性的柏油可以取代现有的增量油。低分子量高聚物在混合和加工过程中也可以用来当作加工油,是潜在的可以替换传统加工油的物质。它随橡胶一起固化并提供更好的性能。

◆ 增韧材料/构造

在子午线轮胎中,骨架在辐射方向提供增韧效果。需要带束层在滚动方向提供韧性。钢材是传统的材料选择,但是将它替换成更轻的合成帘面材料是最新的趋势。芳族聚酸胺纤维是合成材料的一个选择,但是由于成本太高,抑制了它的应用。与芳族聚酸胺纤维相比聚乙烯基萘有更好的抗弯曲疲劳和超高的压缩模量。这些会大大降低轮胎的重量,并提高燃料的利用率。另外,使用聚合物纤维比如聚乙烯基萘能有更大的机会回收利用。

Bridgestone,日本最大的橡胶公司,也是世界第二大橡胶公司。在它的Regno GR7000型轮胎中也使用聚乙烯基萘帘面来取代尼龙盖。除了能够保持尺寸稳定性外,聚乙烯基萘带给轮胎的硬度能够阻止路面产生的噪音传输到汽车里。测试表明这些含有聚乙烯基萘的轮胎能够降低30%的道路噪音,这种轮胎能够满足高端奢侈汽车的需要。

◆ 过硫化稳定剂

天然橡胶的反硫是最被关心的性质,曾经引入过有许多新颖的化合物,来提高体系抗返原硫化的效率。比如有脂肪酸锌盐催化剂(型号:Struktol A73),硅烷偶联剂(Si-69),抗反硫剂-Perkalink900,还有过硫化稳定剂-Duralink HTS和Vulcuren KA 9188。这些材料都可以延长轮胎的使用寿命,使更多的轮胎可以进行胎面翻新,这样减少材料的需求。

产品

伴随着所有的进展,轮胎消费者的心理预期也在增长。现在消费者更加渴求和寻找更好的轮胎,能够跑更多的里程,也就是要求胎面磨耗比较低,还有就是橡胶生热量低,操作性更好(及抗湿滑性和抗干滑性要好)以及环境友好(比如低的滚动摩擦,降低的噪音,更耐久并且污染较少)。抓住了消费者的心理预期,主要的轮胎生产商们推出了几款创新的轮胎。最近几年,轮胎工厂的主要突破性进展有:超级单股轮胎、失压续跑技术、四轮主动系统、轮毂一体型轮胎、固体轮胎(闭孔聚氨酯轮胎)和多空气室轮胎。

◆ 超级单胎

超级单胎指的是一个轮胎代替了两个轮胎,降低了重心水平线增加货运量,降低了轮胎的总重量和滚动摩擦(RR),降低了轮胎的浪费并且减少了原料。

◆ 失压续跑胎

备用轮胎非常笨重,在许多情况下,人们不想汽车携带不必要的重量。轮胎变得越来越可以信赖而且更耐用,但是穿孔有时候仍然会发生。一些公司已经研究了好几年,如何抛弃备用轮胎的技术。现在大多数主要的轮胎公司都有了这方面的产品,这些轮胎在漏气后,能够以一定的速度行驶一段距离。有笨重的胎侧的自支撑轮胎,需要新的配方来形成新的复合物,以满足足够的刚度支撑负载的要求,还要能够阻止由于轮胎过度偏转带来的过度的温度。在失压续跑胎里,超高拉伸强度的钢帘面被用来取代或者补充传统的聚酯和人造丝骨架。这种内嵌的技术对轮胎使用期的大部分时间来说都是不需要,有的根本就不会用到,既增加了轮胎的重量而且牺牲了滚动摩擦和乘坐舒适性(如图4所示)。还有其他的失压续跑系统被开发出来,加入了一个独立的内在支撑的环,这环由先进材料和先进设计制成,这样可以防止轮胎过度扭曲,这样便不要轮辋了。

◆ 聚氨酯轮胎

固体聚氨酯轮胎能够做到与气胎和内胎重量相等甚至是更轻,强度和耐久度更优,抗磨损性能比气胎橡胶轮胎要高,是后者的300%,使用寿命是普通橡胶轮胎的4倍。与橡胶气胎轮胎相比,聚氨酯轮胎能够在压力达30~175psi的宽范围内显示出正常的乘坐平稳质量和稳固度,能够完全模铸塑造,自身表皮就可以做胎面,能够满足轮辋的标准,而不需要很昂贵的安装工具。与普通橡胶轮胎和气胎轮胎相比,聚氨酯轮胎的具有竞争性的价格也是可以负担得起的。在独立实验室的性能测试中,聚氨酯轮胎的性能与气胎轮胎相当,甚至是优于后者。

微孔聚氨酯轮胎是可回收,加入旧的材料可以应用于擦鞋垫,卡车内胎,跑道和非气胎轮胎。微孔轮胎将是轮胎技术领域里面最大的革新。聚氨酯轮胎由微孔聚氨酯泡沫制成,里面含有成百上千个微孔,既有闭合的也有开放的,限制在致密而又粗糙的聚氨酯橡胶网络中。这种材料的结果就是得到防穿孔的轮胎。聚氨酯橡胶的性质可以从刚性很容易地改变到韧性;与传统的气胎轮胎相比它成为一种更适合的选择。在聚氨酯轮胎中,每一个微孔都是独立的减震器,如果有一个小孔的话整个轮胎也不会失压。另外,如果瞬时的压力移走后,这些微气孔就会回复到原来的尺寸,形状和形貌,在旅行中乘坐者依然能够感受到原来的舒适。

◆ 轮毂一体型轮胎(Tweel)— 未来的轮胎

Tweel,美其林公司的创新产品,是一个由四部分组成的单元,包括轮毂,聚氨酯辐条,环绕辐条的剪切带和胎面带。它侧向的高刚度更引人关注。Tweel轮胎能够提供的侧面刚度是气胎轮胎的5倍,而且不损失乘坐的舒适性。对道路上的钉子是密封的。轮胎面能够使用的时间是目前子午线轮胎的2~3倍,而且可以做胎面翻新。Tweel的轮毂的功能正如在正常轮子上一样。刚性的附件将轮毂和驱动轴连接起来。聚氨酯辐条是韧性的,有利于吸收道路的影响。环绕辐条的剪切带有效的替代了空气压力,支撑负载。轮胎面和传统的轮胎类似。

◆ 有多个空气室的轮胎

Bridgestone公司2006年二月宣布了一则新闻,它们开发成功了多个空气室轮胎。这种轮胎有3个独立的作为压力容器的空气室。

所有的新型轮胎的轮廓都是来自于大量的研究与开发的努力,这种研发的眼光都放在未来的轮胎上。这种轮胎的内部由一个位于中央的主要的空气室,位于两边的两个次级空气室。每一个空气室的压力都可以独立控制,这样有了一种可能性,那就是可以调节胎面和左右两侧的刚度平衡。可以保证在任何情况下都有理想的接触,而且仍然保持稳定和舒适的驾驶。这也意味着可以瞒住消费者的需要,比如舒适性和机动性。

还有,因为轮胎被分成了3个部分,如果被钉子扎了个孔,其中一个空气室的压力降到0kpa,剩下的空气室会支撑轮胎负载的重量,所以可以继续操作行进一段特定的距离(如图所示)。

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制造技术

在过去的几十年里,轮胎的制作技术经历了一系列变化,如今,轮胎已经变成了一种高技术的产品。为了满足互相矛盾的需要,基于各自的技术能力,不同的公司采用的制作技术有所不同。但是,主要的改变在于发展标准组件制作系统,例如,Michelin公司的C3M(胎体,单膜,机械的印痕),Pirelli公司的MIRS(有标准组件的完整的自动化系统),Bridgestone公司的BIRD(Bridgestone创新的开发),和Goodyear公司的IMPACT(完整的精密制造装配微孔技术)。

◆ 材料要求方面的未来挑战

性能要求、环境问题和性价比将决定未来的材料要求。为了面对巨大的轮胎损耗带来的环境危害问题,未来橡胶材料的发展将一方面集中在热塑性聚合物的开发上,也就是使这些聚合物可以回收,利用热处理、分离、和通过辐射或加入添加剂到橡胶化合物(这种橡胶化合物可被辐射激活)等手段使之生物降解。另一方面集中在有机聚合物的发展上。

具有星形支化结构的溶液聚合丁苯橡胶,α-甲基苯乙烯等级的丁苯橡胶和高苯乙烯含量的乳聚丁苯橡胶正在取代传统的丁苯橡胶等级。基于钕催化剂的丁基橡胶,环氧化的天然橡胶和合成异戊二烯橡胶作为天然橡胶的替代品,用于一般的用途,它们能够持续流行使用的原因各不相同。固体橡胶中聚氨酯的使用,加入用茂金属催化剂“INSITE”催化技术(与进风口/除臭相关的课题)制成的的改进型填料后,三元乙丙橡胶的使用,还有就是越来越流行将溴丁基取代氯基等等都是其他聚酯方面主要的进展,这些进展都是为了满足日益增长的性能要求期望。

在增韧材料中,制作商感兴趣的进展有:为改进轮胎耐久性的使用的双二倍体聚酯,为改进轮胎中接合性而开发的等离子处理人造丝,更多使用芳香尼龙纤维作为传带,还有开始使用聚乙烯基萘。其他受关注的开发领域有:为改进橡胶与金属的粘合性而新引入的钢丝尺寸和为改进橡胶与金属的连接性而引入的新的钢丝涂层配方。

在增韧材料里面一个最大的突破就是纳米纤维的开发,纳米纤维能够排列在聚合物网络中,这样聚合物强度大大增加。这可以降低资金设备的要求还可以解决回收利用的问题。像在高分子结构中加入结晶部分这样的分子构筑,可以增韧柔性的无定性相,这样的轮胎中可以不需要加入纤维增韧剂。

◆ 技术挑战

出现了越来越多新的高速道路和公路,需要速度更快,低成本/高里程和能量效率高的轮胎。由于发展中国家矿业和基础设施工业的快速发展,对OTR轮胎有很高的需求。新轮胎技术必须面对一系列改变所提出的需求,这些改变包括越来越快的现代汽车,要求更安全的规章,农业的机械化,建筑工作,以及原油价格的不断上涨和日益激烈的竞争。

需要加紧推进技术开发,在发展中国家使用子午线轮胎比例日益增长,甚至可以达到90~95%,H和V速型的轮胎将成为品牌建立者,乘坐、驾驶和噪音等级,滚动阻力等等,和独特的销售建议,湿滑性都有强制性标准。里程数加上优异的性能表现将会是未来的挑战,子午线轮胎会跑的更快。卡车轮胎和公交车轮胎已经发展到一个连接点了。LT轮胎用于短途运输和多坡地形。均匀,平衡和湿滑等等方面可能成为强制性标准。

其他的市场份额将面临子午线轮胎提出的挑战。这些市场份额将要求在更高的负载重量,更快的行驶速度下有更多的里程数。燃料价格的提高将会增加成本的压力-而高里程数,燃料效率和更好的翻新适合性将会是统一的销售建议。机械化将会增加对农用和OTR轮胎的需求。高马力拖拉机的出现需要尺寸更大的轮胎,子午线轮胎技术继续提高里程数和减少切割/阻力将是关键性的挑战。

未来发展

汽车轮胎更低的高宽比,更高的载荷容量还有缩小卡车轮胎的尺寸都将是未来发展关键性的部分。农用和离地轮胎将面临着速度更高,乘坐更舒适和牵引力增强等等的需求。开发先进的高强度增韧剂将会使轮胎重量更轻,轮胎厚度减小。

继续采用先进的不断涌现的技术,这样有望提高轮胎生产技术,来满足消费者更进一步的需求,以及适用新的应用。在汽车前面和后面采用不同的轮胎来承受不同的负载。不对称胎面设计在胎面的外面和里面有不同的式样,这样两边印痕可以适用不同的接触压力,在转弯时尤其如此。

使用计算机可以大大减少轮胎开发的时间,还可以继续提高质量。顾客对增强性能的需求会导致特殊应用下轮胎设计的定制。不同汽车需要不同轮胎,和每辆车的特点要相协调。新设计包括“分区”胎面,用于胎肩和胎冠区域,由不同的材料制成,这样可以将所有性能最优化,或者是在胎面中间位置有一个相对宽而深的圆周型凹槽,这样的分区胎面设计可以有利于除水和防止打滑。一直在进行一类轮胎的开发,这种轮胎在漏气后仍然能够行驶一段距离,这样可以不用备用轮胎。压力报警装置能够提供安全警报,给司机足够的警报,可以将车开到最近的救护站,这是另外一个研究领域了。

结论

气胎轮胎已经表现出优异的性能,而成本也比较适中,将继续开发并进一步增加它提供给消费者的价值。 (end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (9/20/2008)
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