優勢
綠色輪胎具有彈性好、滾動阻力小、耗油低、生熱低、耐磨、耐穿刺、承載能力大、乘坐舒適等優點。與傳統輪胎比,凸現了環保、節能、新工藝、新材料等多方面的優勢。
高環保
傳統輪胎由於添加了有致癌作用的橡膠配合劑,它們隨著胎面磨損散發在空氣中,嚴重污染了環境,同時世界上每年有數億條輪胎被廢棄,它們不但占據大量空間,而且難以分解,對環境造成了極大威脅,被人們稱為“
黑色污染”。隨著人們環保意識的不斷提高,在繼續努力降低滾動阻力的同時,已開始重視使用不污染環境的材料製造輪胎,而且努力延長輪胎的行駛里程,以減少廢舊輪胎的數量。在大量的汽車使用綠色輪胎以後,對節油和減少污染產生巨大作用。綠色輪胎的廣泛套用將為全球每年節省數百萬桶
石油,並顯著減少CO的排放量。
低消耗
習慣使用的黑色輪胎是以標準的合成橡膠和天然橡膠製成的,在汽車行駛溫度升高的條件下,其防護材料的結構和性能都發生改變,同時車輪滾動的阻力也在增加。綠色輪胎與普通輪胎相比,減輕了輪胎重量,減少了複合材料的能耗(滯後損失)。所以,綠色輪胎與同等規格的輪胎相比,滾動阻力可降低22%-35%,並因此減少汽車燃料消耗3%-8%,使汽車CO的排放量有所下降,其他性能如耐磨耗、低噪音、乾濕路面抓著力等均保持良好水平。
超安全
綠色輪胎通過最佳化胎體設計,以絕佳的彈性胎面改進汽車在光滑路面的抓地性能,使駕駛更平穩、制動距離更短,大大提高了駕駛安全性。研究證明,綠色輪胎產生的摩擦力可以減少汽車在濕滑或結冰路面上15%的剎車距離,使汽車的冬季駕駛性能提高10%-15%。這對減少事故率和人員傷亡有著重大的意義。
設計方法
從理論上講,降低汽車油耗的途徑有輕量化、減小輪胎滾動阻力及採用稀混合氣發動機等。實際上,只有減小輪胎滾動阻力才是最切實可行的綠色輪胎設計途徑,研究結果表明,輪胎的模具、花紋設計和輪胎結構和材料均對輪胎滾動阻力有影響。克服輪胎滾動阻力消耗的燃油占汽車總油耗的14.4%,而僅由胎面產生的滾動阻力就占輪胎滾動阻力的49%,其他部件的影響比例分別為:胎側14%、胎體11%、胎圈11%、帶束層8%、其餘部件7%。由胎面直接造成的油耗約占7.1%。降低胎面的滾動阻力並保證抗濕滑性能良好將是綠色輪胎最基本的要求。
綠色輪胎技術主要從選擇合適的膠種和配合劑,改進胎面膠料配方入手,再輔以減薄胎體、最佳化輪胎輪廓等結構設計手段,來達到降低輪胎滾動阻力的目的。可以預料,計算機輔助設計技術的介入和聚合物分子定向設計成果的推出,無疑將加速綠色輪胎開發進程。
結構設計
子午化、無內胎化和扁平化是輪胎結構設計發展的方向, 也是綠色輪胎的首選。
綠色輪胎胎面一般由胎面膠和胎面基部膠兩部分組成, 胎面膠的動態模量大於胎面基部膠, 胎面基部膠厚度與胎面膠厚度之比為0. 25~ 0. 70。通過用有限元法分析輪胎的水滑現象, 可以設計出能夠明顯改善水滑現象的胎面花紋, 如固特異公司的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 等輪胎。
胎體結構子午線化
輪胎結構 大體可分為兩種,即子午線結構和斜交結構。子午線結構與斜交結構的根本區別在於胎體。胎體是輪胎的基礎,它是由簾線組成的層狀結構。胎體層上部有簾線為周向排列的帶束層,這種結構使簾線強度能夠得到充分利用,故子午胎的帘布層數比斜交輪胎少40%-50%。
從設計上講,斜交輪胎有很多局限性,由於斜交輪胎交叉排列的簾線強烈摩擦,使胎體容易生熱,而且加速胎面花紋磨耗,其簾線布局也不能很好地提供優良的操縱性能和乘坐舒適性;而子午線輪胎的鋼絲帶束層則有較好的柔韌性以適應路面的不規則衝擊,且經久耐用。它的帘布層結構還意味著在行駛中有小得多的摩擦,從而獲得較長的胎面壽命和較好的燃油經濟性。
子午線輪胎本身的優點使輪胎無內胎化成為可能。無內胎輪胎有一個公認優點,當輪胎被扎破後,不是像有內胎的輪胎(普通的斜交胎是有內胎的)那樣爆裂,而是在一段時間內保持氣壓,從而提高了安全性。
由於子午線輪胎胎體的特殊結構,使得在行駛中輪胎的路面抓力大、效果好,裝有子午線輪胎的汽車與裝有斜交輪胎的汽車相比,其耐磨性可提高50%-100%,滾動阻力降低20%-30%,可以節約油耗約6%-8%。也正因為這樣,同樣車型選用子午線輪胎比選用斜交輪胎操縱性好,有較好的駕駛舒適性。
輪胎斷面寬度增大時,滾動阻力呈下降趨勢。這是因為輪胎斷面寬增加而使胎側部剛性減小,而對滾動阻力影響較小的側部的變形增加,對滾動阻力影響較大的胎面部的變形減小所致。另外,隨著輪胎斷面寬度的加寬,胎面、帶束層等主要部位的能量損失減小。因此加大輪胎斷面寬度對降低滾動阻力有利。
如果胎圈部的填充膠條高度增高,則滾動阻力亦增加。因為隨著填充膠條高度增高,產生滯後損失的物質體積增加,胎側下部的能量損失亦增加。另外,填充膠條高度增加會因胎側的剛性增加而使胎側部變形減小,而對滾動阻力影響較大的胎面部的變形相對增大,這會導致滾動阻力增加。目前,胎體結構設計是向低斷面方向發展。
胎面
胎面半徑增大時,可降低輪胎的滾動阻力。這是因為胎面半徑增大時輪胎產生平面接地屈撓變形,使因輪胎斷面方向的屈撓變形所產生的應變能變小的緣故。也就是說,滾動阻力隨著胎面半徑的增大而減小,這主要得益於胎冠部和帶束層能量損失減小。今後綠色輪胎胎面結構應朝如下方向發展:
(1)雙層胎面
雙層胎面輪胎具有高速、穩定、耐磨及生熱低等優點,一般是由胎面和胎面基部兩部分構成,其胎面與胎面基部膠具有不同的動態模量和tanδ。有關文獻指出,胎面動態模量大於胎面基部動態模量(≥8.5 MPa),tanδ大於0.12,胎面基部厚度與胎面厚度之比為0.25-0.70。
(2)發泡胎面
發泡胎面是由發泡橡膠製成的,除胎面膠的一般組分外,還含有結晶型間同立構1,2-聚丁二烯(粉末狀,平均粒徑為60 nm),再配合發泡劑、抗氧劑等其他助劑。試驗表明,使用發泡胎面製備的輪胎在乾、濕路面上特別是在冰面上具有良好的制動和牽引性能,即使在炎熱的夏季也完全能夠保持駕駛穩定性、耐久性和低油耗,因此是綠色輪胎胎面膠的發展方向。
在進行輪胎結構設計時必須能夠在不降低與滾動阻力相互矛盾的其他特性(濕滑性、安全性、振動性等)的前提下降低滾動阻力。作為具體的降低滾動阻力方案,必須綜合考慮輪胎形狀和橡膠配置,特別是要考慮對由複合材料構成的帶束層、胎體帘布層滾動阻力的影響。作為輪胎結構研究,不能僅憑過去的直覺和經驗,還要用模擬技術來加速低滾動阻力輪胎的開發。
有限元法採用橡膠材料的能量結構方程式已有數十年的歷史,已從線性彈性方程式過渡到Mooney-Rivlin方程式,最近還在大變形領域引入了非線性結構方程式。作為以輪胎為代表的許多工業橡膠材料使用的填充橡膠,在0-100%的應變領域中的儲能模量、損耗模量、tan8這些黏彈特性使應變具有非線性,一般被理解為佩因效應(弗萊徹-金特效應)。考慮這一點的非線性結構方程式近幾年也被提出來了。在正常車輪轉動狀態下,應變在輪胎變形中也占大部分,控制該應變領域的黏彈性對控制輪胎滾動阻力也尤為重要。實際上,通過將表示填充橡膠在0-100%的應變領域的儲能模量、損耗模量、tanδ這些黏彈特性的非線性黏彈性結構方程式套用於FEA(有限元分析),可使輪胎滾動阻力的預測精度較傳統預測有大幅度的提高。這樣一來,降低輪胎滾動阻力的輪胎結構設計、新材料開發和配方設計的精度和效率就相應地得到提高。目前已經開發出通過用有限元法模擬輪胎滾動阻力,進而進行綠色輪胎設計的方法。
降低阻力的方法
通常,降低輪胎滾動阻力有如下兩種基本方法:
(1)減小輪胎質量
減小輪胎質量是降低輪胎滾動阻力最快速、最有效的方法。為了保證輪胎質量小,在確保輪胎使用性能的前提下,必須採用最小的部件厚度。輪胎生產廠必須嚴格控制工藝,以保證部件達到最小厚度,絕不允許工廠採取擅自加大部件厚度的辦法來解決生產問題。採用輕質材料製造各輪胎部件也是減小輪胎質量的一種有效方法,採用芳綸帶束層替代鋼絲帶束層就是一個明顯的例子。
(2)減小材料能效
降低輪胎滾動阻力的第二種方法是減小輪胎材料的能量損失(滯後損失)。聚酯簾線的滯後損失較大,但經過合適的改良後,有可能推出較小滯後損失的品種。
材料套用
在材料套用方面, 降低輪胎滾動阻力通常有如下兩種基本方法: 減小輪胎質量和材料能耗( 滯後損失) 。
聚合物體系
天然橡膠(NR)是非極性橡膠,雖然本身具有優良的電性能,但在非極性溶劑中易溶脹,故其耐油、耐有機溶劑性差。NR分子中含有不飽和雙鍵,故其耐熱氧老化、耐臭氧化和抗紫外線性都較差,限制了它在一些特殊場合的套用。但NR通過改性可大大擴展NR的套用範圍。
(1)NR
NR 是非極性橡膠, 雖然本身具有優良的綜合性能, 但其耐油、耐有機溶劑、耐熱氧老化、耐臭氧老化和抗紫外線等性能都較差, 限制了其在一些特殊場合的套用。通過改性可大大擴展NR 的套用範圍。
a) 環氧化天然橡膠( ENR)
環氧化天然橡膠(ENR)是天然橡膠(NR)經化學改性製得的特種天然橡膠。與NR相比,ENR具有完全不同的黏彈性和熱力學性能,如具有優良的氣密性、黏合性、耐濕滑性和良好的耐油性。ENR可與極性填充劑(如白炭黑)強烈結合,在無填充劑時,ENR硫化膠仍能保持NR所具有的高模量和拉伸強度。ENR 50具有良好的耐油性和阻尼性,在輪胎胎面膠中套用時,在沒有偶聯劑的情況下,ENR與白炭黑強的相互作用是提高滾動阻力和濕抓著力綜合性能的重要因素,ENR25與白炭黑/炭黑填充劑混合可獲得最佳的耐磨性。
b) 接枝天然橡膠
目前研究得最多的是甲基丙烯酸甲酯(MMA)與NR接枝共聚,MMA接枝NR伸長率大,硬度高,具有良好的抗衝擊性能、耐屈撓龜裂、動態疲勞性能、黏合性和較好的可填充性。工業上主要用來製造具有良好衝擊性能的彈性製品,如無內胎輪胎中的氣密層等。如果與丁苯膠共混,可用作胎圈三角膠膠料,其生膠強度及與鋼絲圈的黏合力明顯提高,並能增加鋼絲圈的挺性,保持鋼絲圈的形狀穩定。
異戊二烯的新發展是合成3,4-聚異戊二烯橡膠(高的玻璃化溫良)。這種橡膠與天然橡膠、丁苯橡膠、聚丁二烯橡膠並用可改善抓著性能。已研製成功異戊二烯與丁二烯的共聚物,還研究成功了異戊二烯與苯乙烯、丁二烯的三聚物。用這些橡膠製造的胎面膠具有良好的滾動阻力與濕路抓著力綜合平衡性能。
中國發明專利ZL95110352.0介紹了採用負載鈦催化異戊二烯本體沉澱聚合方法直接合成出反式-1,4-聚異戊二烯(TPI)粉料的新技術。據介紹,在胎面膠中以20-25重量份TPI取代等量丁苯膠製造的轎車和輕型載重半鋼子午胎,獲得了綜合行駛性能良好,而且百公里油耗試驗燃油消耗降低2.5%左右的效果。
(2)IR
IR 的新發展是3, 4-聚異戊二烯橡膠( 高玻璃化溫度) , 其與NR, SBR, BR 並用作胎面膠可改善輪胎的抓著性能。現已研製成功異戊二烯與丁二烯的共聚物及異戊二烯與苯乙烯、丁二烯的三聚物, 用其作胎面膠可使輪胎具有良好的滾動阻力與濕抓著力綜合平衡性能。中國發明專利( ZL 95110352. 0) 介紹了反式-1, 4-聚異戊二烯( T PI) 粉料的合成新技術。在胎面膠中以20~ 25 份TPI 等量替代SBR 生產的轎車和輕型載重子午線輪胎綜合性能良好, 而且燃油消耗降低2. 5% 左右。
(3)SSBR
溶聚丁苯橡膠( SSBR) 被廣泛用於綠色輪胎胎面, 可根據要求生產不同巨觀結構、微觀結構以及鏈節終端改性的專用品種。在聚合物生產過程中, 添加一定的化學品能夠改變聚合物鏈節終端,顯著增強聚合物與炭黑之間的相互作用, 減小填料與填料之間的相互作用, 從而可降低輪胎的滾動阻力。
第3 代SSBR 通過分子設計和鏈結構的最佳化組合, 最大限度地提高了橡膠的綜合性能, 主要有3 種產品: 一是大分子鏈中引入異戊二烯鏈段製成的苯乙烯-異戊二烯-丁二烯共聚物, 即集成橡膠( SIBR) , 集良好的低溫性能、低滾動阻力和高抓著性能於一身, 是迄今為止性能最為全面的二烯烴類合成橡膠, 極具市場潛力; 二是漸變式序列結構分布的嵌段型SSBR, 能較好地平衡抗濕滑性和滾動阻力; 三是矽烷改性SSBR, 增強了橡膠與白炭黑等白色補強劑之間的親和性, 配合時可不用或少用鈦酸酯等昂貴的偶聯劑, 這種環保型產品可滿足日益嚴格的環保要求, 符合現代輪胎的發展方向。
(4)BR
汽車輪胎必須儘可能使滾動阻力、耐磨性和抗濕滑性這一魔三角得到最佳平衡。高順式BR不僅可解決胎面耐磨性問題, 還可在輪胎的其它部位發揮其優越性。BR 與SSBR 並用作胎面膠可使輪胎具有最佳的抓著力與磨耗的綜合平衡性能, 還能降低滾動阻力, 節省燃料5% 。BR/ SSBR 胎面膠採用白炭黑和矽烷偶聯劑。BR 用量提高到40 份可保持耐磨性能, 而SSBR 和白炭黑則可降低滾動阻力, 提高輪胎的雪地和濕路面抓著力 。BR 用量最大的部位是子午線輪胎胎側。配合有防老劑6PPD 的NR/ BR 並用膠( 並用比為50 : 50) 具有最佳的抗龜裂增長性能, 且具有良好的抗刺扎性能和長使用壽命。BR 作為胎圈用膠可改善耐磨性和彈性, 降低生熱。高乙烯基含量BR( HVBR) 與NR 並用作胎體膠可提高耐老化性能和抗硫化返原性能。
(5)IIR
IIR 最主要的套用領域是輪胎, 占其總消耗量的80% 以上。隨著無內胎輪胎的發展, HIIR的需求正逐年上升。目前, HIIR 需求量已占IIR總需求量的60% 左右。IIR 具有優良的氣密性和耐化學藥品性等。
(6)發泡橡膠
為了解決鑲釘輪胎引起的粉塵問題, 用無防滑釘輪胎取代了鑲釘輪胎。無防滑釘輪胎的重要特徵是在0攝氏度 左右的摩擦力高。在濕冰上, 需要大幅度提高排水效果, 光靠花紋溝和刀槽花紋的排水作用是不夠的, 現已開發出可提高排水、嚙合效果和粘著摩擦力的新型橡膠, 其中具有代表性的是發泡橡膠。發泡橡膠是指具有許多微型獨立氣泡的橡膠。
(7)聚氨酯彈性體
聚氨酯彈性體與橡膠相比具有更優異的耐磨性能、較高的撕裂強度和較寬的硬度範圍等特性。澆注型聚氨酯彈性體是目前最耐磨的彈性體, 具有高耐磨、可著色、高抗切割性、優良的耐油及耐化學品等優點, 而且對人體無毒害作用, 又能完全生物降解, 還不必添加炭黑和芳烴油, 是輪胎胎面的理想材料。米其林公司的PAX 跑氣保用輪胎配備了新型輕量聚氨酯輔助支撐環, 比原來的橡膠支撐環小4 kg 左右。用聚氨酯作為輪胎翻新材料的關鍵技術是採用納米技術提高聚氨酯彈性體的熱穩定性, 使其最高使用溫度達到120 攝氏度,其次是研製出成本低廉、使用方便、效果好的橡膠表面處理劑和粘合劑, 使聚氨酯胎面與普通橡膠能牢固地粘合在一起。採用聚氨酯胎面翻新的輪胎實際行駛里程可比普通輪胎高1~ 2 倍, 同時能消除大量炭黑和芳烴油對環境的污染, 是提高翻新輪胎性能的新途徑。
簾線增強體系
(1)人造絲
由於人造絲尺寸穩定性好, 用其作子午線輪胎胎體骨架材料能獲得優異的操縱性能, 因此目前還常用於高性能輪胎和跑氣保用輪胎, 但是人造絲耗用天然森林資源和生產過程嚴重污染等問題已日益被人們所重視。
(2)錦綸
錦綸簾線主要用於斜交輪胎, 最新推出的新產品主要為聚己二醯丁二胺纖維和杜邦公司的HYTEN 高強度聚醯胺纖維等。聚己二醯丁二胺纖維( 錦綸46) 具有熔點高、熱收縮小及模量高的特點, 不像錦綸6 和錦綸66 那樣易因生熱而使簾線熔化, 降低輪胎的耐久性。用HYTEN 作子午線輪胎胎體骨架材料可使輪胎具有良好的耐久性和低生熱性, 且可小輪胎質量。固特異公司使用大直徑HYTEN 簾線作為緩衝層和胎體帘布層試製的航空輪胎可分別約帘布和膠料約17% 和45%, 使輪胎減少駐波現象、減小帘布層剪下變形和降低生熱。
(3)聚酯
聚酯是在橡膠工業中穩步發展的纖維之一。20 世紀80 年代便成功地開發出尺寸穩定型聚酯( DSP) , 使用尺寸穩定型聚酯帘布製造子午線輪胎可免除硫化後充氣工藝, 而且解決了因熱收縮而導致的輪胎胎側產生凹陷的外觀問題。聚酯用於輕型載重輪胎的原材料成本比人造絲降低35% 。由於聚酯的強度高於人造絲, 使用聚酯時通常可以減少胎體層數。
(4)鋼絲
鋼絲的最大特點是強度高。近年來, 輪胎用鋼絲骨架材料的主要新產品如下。
a) 高強度鋼絲
近年來, 高強度鋼絲簾線在輪胎中大量使用,其強度比普通鋼絲簾線高20% ~ 40%。目前還在研製強度高達4. 0 GPa 的超高強度鋼絲。
b) 超細超強鋼絲
固特異公司專為跑氣保用輪胎開發了超細超強鋼絲( 在25 mm 內可排列7 000 根) 。這種超細鋼絲簾線的開發成功開創了轎車輪胎胎體使用鋼絲簾線的先河。
(5)芳綸
芳綸纖維具有很高的熱穩定性, 在400~ 430攝氏度 下才發生氧化降解, 融點高達500 攝氏度 , 模量很高。
(6)複合簾線
到目前為止, 還沒有一種市售的簾線能完全滿足輪胎所要求的各種性能。為充分利用各種簾線的優點而克服其缺點, 人們提出採用複合簾線的方法。已有專利提出, 以錦綸長絲作表層、聚酯絲作芯層製造錦綸/ 聚酯複合簾線, 該複合簾線集聚酯簾線的彈性、強度以及錦綸簾線良好的粘合性於一身。與芳綸簾線相比, 由1~ 2 股芳綸和1 股錦綸或聚酯並捻而成的複合簾線具有如下特徵: 耐疲勞性和斷裂伸長率較高、模量較低、收縮率可控、強度成本比更好或相當。與芳綸/ 錦綸複合簾線相比, 芳綸/ 聚酯複合簾線具有稍低的拉伸性能、高得多的模量、較小的永久變形和較差的粘合力。目前已有部分大型工程機械輪胎採用複合簾線。
填充補強體系
近年來, 高結構炭黑、納米結構炭黑、白炭黑和炭黑-白炭黑雙相填充劑等新品種填充劑的相繼研製成功在保持輪胎胎面膠低滾動阻力的前提下, 提高了輪胎的耐磨性, 使輪胎綜合性能得到提高, 推動了綠色輪胎的發展。
(1)炭黑
a) 高性能和低滯後損失炭黑
高性能炭黑的特徵是粒徑小, 結構適宜, 聚集體尺寸分布較窄, 表面活性高, 而低滯後損失炭黑的特徵是結構高, 聚集體尺寸分布較寬, 表面活性高。
b) 納米結構炭黑
納米結構炭黑採用經改進的爐法工藝生產。與傳統炭黑相比, 納米結構炭黑具有更高的表面粗糙度和活性。較高的表面活性主要與高度無序交聯的較小結晶粒子有關。這種結晶粒子具有大量的棱邊, 成為具有高表面能的活性場, 與聚合物產生很強的相互作用。
( 2) 白炭黑
白炭黑為高度分散狀的無定形粉末或絮狀粉末, 具有很高的電絕緣性、多孔性和吸水性。其原始顆粒粒徑小於3 µm, 故比表面積大。胎面使用特殊的聚合物和白炭黑/ 矽烷體系,可以獲得高濕路面牽引性能和濕路面剎車性能,並降低滾動阻力。在歐洲的原配轎車輪胎市場,胎面採用白炭黑/ 矽烷填充體系的輪胎已經達80% 以上。現代冬季輪胎性能的大幅度提高也主要依賴在胎面膠中採用白炭黑/ 矽烷體系。專用高分散性白炭黑配合高結構細粒子炭黑用於載重汽車輪胎, 可以降低滾動阻力, 同時可保持耐磨性能。
( 3) 炭黑-白炭黑雙相填充劑
炭黑-白炭黑雙相填充劑提高了彈性體與填充劑的相互作用, 降低了填充劑與填充劑的相互作用, 可大大降低輪胎的滾動阻力, 提高牽引力,卻不降低傳統炭黑的耐磨性能[ 20] 。
( 4) 以澱粉為基料的新型填充劑( BoT red)
BoT red 是一種以澱粉為基料的新型填充劑,先從玉米中提取玉米澱粉衍生物, 變成微滴後經處理轉換成生物聚合物填充劑。BoT red 為球形粒子, 便於將機械能降至最小和降低滾動阻力。固特異公司用BoT red 製造的GT3 綠色輪胎與其前一代產品相比, 抗水滑性能提高5%, 質量減小100 g, 滾動阻力降低10%。
( 5) 短纖維
短纖維套用於輪胎胎面中對輪胎滾動阻力的影響主要有以下兩方面: a) 提高輪胎的剛性, 使輪胎在行駛過程中承受同樣載荷時下沉量明顯減小, 即輪胎的變形減小, 因而降低滾動阻力;b) 短纖維用於胎面膠不僅可以提高胎面的剛性, 而且可以使胎面的摩擦因數減小, 滾動阻力也相應下降。
未來發展
綠色輪胎集中體現了推行環保節能、促進全球經濟持續發展的歷史潮流。1997 年綠色輪胎在歐洲乘用輪胎市場占有率已達60% , 2002 年進一步上升到90% 。綠色輪胎的研製是目前世界各大輪胎企業競相投入的重點, 綠色輪胎的發展前景非常廣闊。