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补强织物对子午胎性能的影响 |
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作者：SRF公司 Barun K.Samui、Ramani Subramaniam 来源：PT现代塑料 |
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补强织物在客车轮胎的性能中起着显著的作用。补强织物的属性强烈地影响控制客车轮胎性能的各种轮胎特性。这些特性是：尺寸稳定性、均匀一致性、滚动损失和耐久性等。
补强织物特性对-客车轮胎的性能和制造过程有着显著的影响。轮胎特性/轮胎制造过程和补强织物特性的联系如表1所示：
◆尺寸稳定性
轮胎的稳定性是指对变形的抵抗力。轮胎在较高的速度和升温的情况下很容易变形。这是影响轮胎性能的最重要的轮胎特性。客车轮胎被设计的运行速度为180km/hr或以上，因此，轮胎在一致性能的操作条件范围中总是需要尺寸稳定性。
尺寸稳定性低时常产生一种轮胎的“无偏差灵敏点”。轮胎的无偏差灵敏点的机制被描述为：长期运行后客车轮胎停止移动，而内胎温度可以升温至110℃。轮胎的胎印部位被强化了的帘线在低压下变得比轮胎其它部位更冷。由于该帘线部位和其它部位相比较而出现的收缩性的不同会导致轮胎胎印部位的形变。当轮胎又开始移动时，这个移动就会变成一个颠簸的移动。在高速运行的客车轮胎里，这种不一致性会最终导致使用的失败。
如上所述，补强织物特性在轮胎的尺寸稳定性上有一个重要的作用。影响补强织物轮胎的尺寸稳定性的两个重要的特性是：起始模量和热收缩。补强轮胎高的起始模量和低的热收缩性能可提供轮胎更好的尺寸稳定性。
◆起始模量
补强织物的起始模量可以由张力测试产生的应力应变曲线中初始部位的斜率得到。具有高起始模量的补强织物在应力下会被拉伸到一个较低的程度，因而可提供更好的轮胎尺寸稳定性。
在使用条件下，轮胎的形变通常在5％-8％之间变化。因此，补强织物的起始模量在轮胎的尺寸稳定性上起着最重要的作用。
不同补强织物的应力应变曲线表明：尼龙6和尼龙66这两者都有强度较高的优点，但是，它们都有一个缺点-起始模量低。
人造纤维在起始模量方面是第一的。不同补强织物起始模量按降序排列为：人造纤维>聚酯>尼龙66>尼龙6。
空间稳定的聚酯（DSP）比尼龙6和尼龙66有较大的起始模量，但是比人造纤维要低。已经出现一系列的发展措施来增加聚酯的起始模量和降低其收缩性。
维持相同的坚韧性和刚性，DSP的起始模量比标准的聚酯高1.5倍。DSP的收缩性是标准聚酯的一半。事实上，DSP可以特制，用来满足高速客车轮胎的需要。
◆收缩性
受热时补强织物具有收缩的特性，这是释放聚合物分子内部应力的结果。这是由在制造补强织物的过程中在纱线阶段（旋转）所引起的。
由于在基础聚合物分子和纱线的形态之间的不同，在加热的情况下不同性质的帘线收缩到不同的程度，即：人造纤维<聚酯<尼龙66<尼龙6。
在硫化过程中，客车轮胎经过了大约175℃的热处理，在长期运行后内胎温度达到大约110℃，在这些情况下，胎内的纱线趋向于收缩。因此，补强用帘线特性具有较小的收缩性，从而引起轮胎较小的形变，这就意味着轮胎尺寸稳定性较好。
显然，对于收缩特性，人造纤维是首选材料，其次是聚酯、尼龙66和尼龙6。然而，自由收缩在轮胎中并不具有适用性。为了评估强化轮胎帘线特性，收缩力是比较精确和合适的参数。
◆均匀一致性
均匀一致性是指在运行条件下作用于轮胎上的力的均匀分布。由于客车轮胎是为高速行驶设计的，所以，一致性对轮胎坚固性和轮胎的耐久性起着关键的作用。
轮胎是一种由不同原料和成份组成的复合材料。这样，轮胎的均匀一致性依赖于其各种成分的重量分布的均匀性和各组成成分的性质的均匀性。补强织物对客车轮胎的均匀一致性有着显著的作用。
收缩力是补强织物的一个影响客车轮胎一致性的最重要的特性。较低的收缩力提供较好的轮胎均一性。
◆收缩力
收缩力是当橡胶轮胎在热中暴露时，橡胶织物内部产生的一种力。
当长时期行驶时，轮胎内补强织物就会被加热，内胎的补强织物就会趋向收缩。由于它是与橡胶化合物组成的复合状态，它不能够自由收缩, 结果，收缩力在复合物内得到发展试图使轮胎发生形变，因此，收缩力对轮胎的均匀一致性起着一个重要的作用。
通常，自由收缩值被用来对不同的补强织物的热力学特性进行比较。轮胎制造者通常规定“自由收缩性”（例如，177℃/两分钟/0.05gpd预张力）为补强材料的性能之一。然而，补强材料的自由收缩性与制造过程和服务过程不相关。对于评估补强织物的性能，收缩力是一个更精确和更合适的参数。自由热收缩性与补强织物的收缩力并不直接成比例。例如，尼龙6比尼龙66有相当高的自由收缩性。但是，它们的收缩力是相当的。
因为聚酯的低收缩力， 聚酯比尼龙6和尼龙66在热力特性上有显著的优势。在不同的强化织物中，人造纤维有最小的收缩力，接下来是聚酯和尼龙（6和66）。因此，轮胎制造者应该考虑规定收缩力，而不是自由的热收缩性。
◆滚动损失和热的产生
轮胎和路面可以认为是一个系统，该系统从外部接收机械能，并且以机械能和热的形式分散。滚动损失可以定义为每个行驶距离单位轮胎产生的热。由于滚动损失与燃油效率（能量损失）和轮胎内产生的热有直接的关系，所以，滚动损失在轮胎的性能上有重要的作用。
当长时间运行时，客车轮胎的内部温度可达到110℃。轮胎内产生的热是使用中轮胎损伤的通常因素之一。使用中的粘合层破坏和分离通常是由轮胎内产生的过热引起的。这也会引起补强织物降级、轮胎疲劳和过早损坏。
在轮胎内的滚动损失和发热是由许多原因引起的，包括不同轮胎组成的滞后作用、轮胎非均一性、轮胎振动、低膨胀压力、路面曲率和粗糙程度、路面和轮胎之间的滑动、空气动力学的拖拉等等。
实验表明在客车轮胎中补强织物对整个滚动损失的贡献在40％左右。所以，补强织物对客车轮胎的滚动损失和发热性能有重要作用。聚合物材料的黏弹性特性是动力荷载过程中发热形成的原因。
◆耐久力
耐久力，也就是轮胎的使用寿命，是轮胎内所有组成完整性能的结果。当然，它也会受其它不同因素的影响，例如，道路条件、过载、过高压力、保养等等。影响轮胎耐久力的两个最重要的补强织物的特性是破裂能和疲劳特性。
◆破裂能
破裂能的定义是破裂时的能量，它可以通过补强织物拉力测试产生的压力应变曲线的面积来测量。补强织物高的破裂能与高活塞能和长轮胎寿命有关。从不同补强织物的压力应变曲线中（图1），可以知道在破裂时尼龙6和尼龙66有高的断裂强度和延长性的优点，因此也就有高的破裂能。
图1：不同补强织物的压力应变曲线
然而，在失灵时轮胎直到补强织物裂断伸长时也不发生形变。经拉力实验测试，轮胎内的补强织物在比破裂延长更低时失灵。该失灵与补强织物的疲劳特性有关，下面给出更详细的描述。
◆抗疲劳性
补强材料的耐疲劳性是抵抗由于周期载荷和卸载引起的压力损失。轮胎承受着周期载荷和卸载，随着里程的增加，这导致了补强材料抗张强度损失的增加。在轮胎的伸缩部位，束缚力的损失是处于中心地位的。疲劳破坏最主要的机制是束缚力的逐渐损失。挠曲导致束缚变得更弱，直到胎体的残余强度比轮胎内的张力低。因此，补强织物的抗疲劳特征对轮胎的寿命和耐久力有着很大的影响。
在一个实验评估中，抗疲劳力或者是根据弯曲一定数量循环后的保持力被表达或者是作为需要的一定弯曲循环数量在橡胶束缚复合中的束缚失败。
在不同补强织物上的SCEF(剪切-浓缩-延长弯曲寿命)比较疲劳研究显示了（图2）尼龙6和尼龙66都是关于使用寿命的首选的材料。并且人造纤维相对于尼龙和聚酯有差的抗疲劳性。
图2：不同补强材料的抗瘦劳实验价值
◆轮胎的制造过程-后固化膨胀
后固化膨胀(PCI)是固化后将轮胎保持在高压下的过程并允许轮胎冷却到一个轮胎的恒定几何形状。当轮胎被从模子中释放出来时，内胎温度大约是175℃。由于胎线收缩力，在轮胎内部产生较大的内应力，从而促使轮胎形变。PCI被用于计算轮胎的形变，因此，在轮胎的一致性上，PCI有一个显著的影响，这对客车轮胎的性能是一个至关重要的作用。
图3：固化过程和一个pci循环中轮胎内胎线的温度特征
在轮胎中使用的强化织物的类型与在轮胎制造中的PCI过程有着直接的联系。有着低收缩力的强化织物需要较少的PCI循环。通常，PCI循环允许轮胎冷却到一种接近用作胎线的强化织物的玻璃化转变温度（Tg）的温度。
一个具有较高Tg 强化材料在PCI循环中需要较小的周期。这在轮胎的制造过程中是一个有利的情形。固化过程和一个PCI循环中轮胎内胎线的温度特征如图3所示。
用聚酯做的轮胎需要一个PCI过程，需要的周期小于由尼龙所做轮胎需要的周期。这是因为聚酯比尼龙有更高的Tg(大约20℃)和更低的收缩力。
由尼龙6和尼龙66所做的轮胎需要相似的PCI处理，因为，它们的Tg和收缩力是相当的。
关于在轮胎制造中的PCI过程。不同补强织物性能的顺序是- 人造纤维>聚酯>尼龙6>尼龙66。
◆补强织物的消费趋势
对轮胎的应用来说，图4表示了不同补强织物的消费趋势。趋势最显著的部分是： 
图4：不同补强纤维在轮胎应用中的消费情况
人造纤维的使用主要是由西欧所控制。它主要是在高速的客车轮胎中消耗。
尼龙6和尼龙66大多应用在卡车轮胎里。相当大的数量也消耗在轮胎的胎体层材料（LCV和客车）里。轮胎的顶板层主要是由尼龙66和尼龙6做成的。
在印度，由于客车轮胎的革命，聚酯在过去的30年内得到了快速发展。在客车轮胎部分，目前，子午线轮胎占整个市场的75%，这在接下来的3年内有可能达到85%。聚酯是客车子午线轮胎胎体层中最主要补强材料。只有少数制造商在胎体层中用尼龙6。在印度，尼龙6主要应用在客车子午线轮胎的胎体层中。
◆结论
每一种补强织物都有它自己的积极和消极作用，决不可能得到一种在所有方面都具有最好性能的补强织物。
在四种不同类型的补强织物中，已出现有两种广泛类型。第一类是由具有优越的尺寸稳定性、一致性和滚动损失特性的人造纤维和聚酯组成的。这些是高速客车子午线轮胎性能最关键的特性。第二类是由比人造纤维和聚酯具有优越的压力和疲劳特性的尼龙6和尼龙66组成的。然而，聚酯和人造纤维所拥有的属性在高速客车子午线轮胎胎体层应用中是至关重要的。
根据每个补强材料的属性，给出了相关的等级（表2）。 
总得来说，聚酯优于人造纤维，这主要是因为它更好的成本效果。按重量计，聚酯比人造纤维便宜。而且，聚酯比人造纤维有更高的力和更低的密度，因此，由聚酯制的轮胎比由人造纤维做成的轮胎需要更低重量的补强织物。由于它们更轻的重量，这使得由聚酯制的轮胎有另外的燃油效率优势。因此，在高速客车轮胎胎体的应用中，聚酯正在逐步取代人造纤维。
尼龙6和尼龙66之间，客车子午线轮胎所需要的属性是相当的。然而，尼龙6比尼龙66便宜。作为胎体材料，尼龙仍然被许多轮胎制造商运用在相对低速的客车子午线轮胎内。并且，只要每个轮胎的尼龙成本比聚酯更便宜，那么尼龙就被继续使用。
为了保持尼龙在子午线轮胎中应用的地位，在尼龙未来的发展中，它的低的收缩性和增加的模量也许会成为新的利益空间。Benchmark对世界上所有的不同来源的尼龙6的纱线进行了研究并且揭示了具有相关尺寸稳定性、收缩性和其它属性的一个广泛的尼龙6纱线。有点技术含量的尼龙6纱线比其它的纱线有显著的尺寸稳定性。为了尼龙6能满足客车子午线的特种需要，这也许会在未来的发展中得到研究。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(6/14/2005) |
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