輪胎電荷消散專利技術(shù)綜述

張瑾　郭紫琪　李曉文

【摘 要】“綠色輪胎”在使用中，輪胎與地面摩擦會產(chǎn)生靜電，輪胎上的靜電若不能及時導出，則會出現(xiàn)干擾車輛的電子設(shè)備之間的通信、使得下車的乘客受到電震、放電產(chǎn)生的臭氧加速輪胎老化等問題，本文對輪胎電荷消散裝置的國內(nèi)外專利申請情況進行統(tǒng)計分析，并重點分析輪胎行業(yè)的幾大生廠商的技術(shù)發(fā)展路線，得到電荷消散裝置的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】綠色輪胎；電荷消散；專利分析

中圖分類號： TQ336.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0118-003

Patented Technology of Electric Charge Dissipating Arrangements

ZHANG Jin GUO Zi-qi LI Xiao-wen

（Sichuan Center，Patent Examination and Cooperation，Patent Office，State Intellectual Property Office，Chengdu Sichuan 610213，China）

【Abstract】During the using of the “Green tire”， the friction of the tire and the ground will produce static electricity. If the static electricity cant be exported in time， the communication between electronic devices will be interfered. This paper introduces a statistical analysis on the patent application of the electric charge dissipating arrangements， and focus on the analysis of the technical development routine， then， the development trend of the electric charge dissipating arrangements is obtained.

【Key words】Green tire； Electric charge dissipating arrangements； Patent analysis

0 引言

“綠色輪胎”的概念始于20實際90年代，是指在輪胎的配方中用二氧化硅（白炭黑）取代炭黑，從而降低輪胎的滾動阻力、減少油耗，達到減少汽車廢氣排放的環(huán)保效應?！熬G色輪胎”的最大特點是超低的滾動阻力，膠料配方中通過加入大量白炭黑來減少滾動摩擦[1]。

隨著“綠色輪胎”的大量應用，人們發(fā)現(xiàn)在車輛行駛的過程中，“綠色輪胎”會產(chǎn)生靜電積累的情況。在某些特定的條件下，當乘車人觸摸車體時，累計在輪胎中的靜電會造成電擊，放電產(chǎn)生的臭氧會加速輪胎的老化[2]。導致“綠色輪胎”胎面的靜電積累的主要原因是由于二氧化硅填料為非導電材料，在汽車行駛時輪胎和路面之間產(chǎn)生摩擦使得胎面產(chǎn)生的靜電無法消散導致靜電積累。因此，大量研究人員開始研究如何使“綠色輪胎”累積的靜電電荷消散。

1 輪胎電荷消散專利技術(shù)發(fā)展狀況

1.1 技術(shù)來源和目標市場分布

專利申請的地域分布可以反應相關(guān)技術(shù)在各個國家的發(fā)展水平、受重視程度，圖1 為輪胎電荷消散的申請量在不同國家所占百分比的地域分布圖。從圖1中可以看出，日本、歐盟、美國這五國或地區(qū)的申請量占所有申請的大部分，是輪胎電荷消散領(lǐng)域的主要技術(shù)研發(fā)國，其中日本的申請量最大，分析其原因可知，由于日本在輪胎胎面領(lǐng)域具有廣泛的研究，同時日本對于車輛的燃油經(jīng)濟性要求特別高，而提高輪胎的燃油經(jīng)濟性很多是犧牲輪胎的導電性為代價的，這就促使日本在該領(lǐng)域進行深入的研究。歐盟國家和美國的申請量緊隨日本，因為歐盟具有米其林、倍耐力、大陸輪胎等輪胎巨頭公司，美國具有輪胎巨頭固特異公司，它們在綠色輪胎方面有較深入的研究，而綠色輪胎容易導致胎面靜電大量積聚，所以也會將研究重點放在輪胎電荷消散領(lǐng)域。日本、歐盟和美國除了在國內(nèi)申請大量關(guān)于輪胎電荷消散的專利外，還將目光轉(zhuǎn)移到了中國、俄羅斯和韓國，可見掌握了輪胎電荷消散核心技術(shù)的國外企業(yè)非常重視在中國輪胎電荷消散行業(yè)的專利布局。隨著中國政府對環(huán)境問題的重視，對節(jié)能減排的車輛的需求也十分迫切，綠色輪胎作為新型節(jié)能、減排的輪胎，也越來越受到企業(yè)、科研院所的重視，開始促進國內(nèi)在輪胎電荷消散以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1.2 核心專利

通過對核心專利進行梳理和分析得到圖2的核心專利圖解。從圖2可以看出，核心專利主要涉及胎面膠組成成分、胎面結(jié)構(gòu)、成型裝置、成型方法等方面，核心專利主要集中在1994至2000年間，主要集中在對胎面結(jié)構(gòu)和胎面膠組成成分反面的研究，其中，胎面膠組成成分涵蓋了添加導電聚合物和添加特殊導電材料這兩種方法，這兩種方法相較于改變橡膠炭黑與二氧化硅比例，其在保證了二氧化硅添加量的同時，減少了炭黑的使用量并保證了胎面的導電性能，做到了降低輪胎的滾動阻力、減少油耗、減少汽車廢氣排放的同時避免了胎面靜電大量積聚。同時，胎面結(jié)構(gòu)方面的研究主要包括在胎面內(nèi)插入導電元件、具有導電層的多層橡膠胎面和在胎面設(shè)置導電涂層這幾個方面。其中，主要集中在在胎面內(nèi)插入導電元件這個方面，而主要的結(jié)構(gòu)就是各大公司重點研究的胎面結(jié)構(gòu)——“煙囪法胎面結(jié)構(gòu)”，而成型裝置及方法也主要是用于成型“煙囪法胎面結(jié)構(gòu)”。

1.3 專利技術(shù)發(fā)展演進

通過對輪胎電荷消散各個時期的專利文獻進行梳理與分析，可以得到輪胎電荷消散的技術(shù)演進路線，圖3是對輪胎電荷消散各個技術(shù)分支進行梳理得到的年代演進圖。早期的輪胎電荷消散的研究主要著重于特殊輪胎導電性能的研究，例如油罐車、重型卡車等輪胎胎面電荷消散，直到1991年初成功研發(fā)的綠色輪胎被廣泛應用，才使得人們對于輪胎胎面靜電積聚的問題產(chǎn)生重視。所以，輪胎電荷消散技術(shù)的核心專利也基本集中在1994-2000年之間，幾大輪胎巨頭公司在改變橡膠配方組分上、成型方法、裝置以及研究改變胎面結(jié)構(gòu)上進行了大量的研究。最初的要就主要集中在改變二氧化硅和炭黑的配比，以平衡輪胎的滾動阻力和導電能力。倍耐力輪胎提出，在原有的炭黑、白炭黑體系中加入硅烷偶聯(lián)劑克服了白炭黑難分散的缺點，使得耐磨性能得到了顯著的提升。因為炭黑加入量的增加會導致滾動阻力的增加，所以人們開始研究在保證導電能力的前提下如何減少炭黑的加入量，住友橡膠工業(yè)株式會社提出了用導電短切纖維替代炭黑，即胎面橡膠至少部分地包括導電橡膠，導電橡膠從胎面克服了白炭黑難分散的缺點，使得耐磨性能得到了顯著的提升。因為炭黑加入量的增加會導致滾動阻力的增加，所以人們開始研究在保證導電能力的前提下如何減少炭黑的加入量，住友橡膠工業(yè)株式會社提出了用導電短切纖維替代炭黑，即胎面橡膠至少部分地包括導電橡膠，導電橡膠從胎面橡膠的徑向內(nèi)表面延伸到地面接觸表面，導電橡膠由100重量份的二烯橡膠和2至30重量份的導電短纖維。導電短纖維通過用導電物質(zhì)涂覆增強短纖維而形成，并且導電橡膠具有小于1×108歐姆厘米的體積電阻。普利司通公司提出在胎面膠材料中加入非離子型表面活性劑或磷酸酯，這種橡膠組合物可以降低體積電阻率本身，從而提供導電性。此外，橡膠組合物對基礎(chǔ)物理性能沒有任何影響，并且保持抗靜電性能，而沒有橡膠配混劑之間相互作用的缺點，導電性顯著提高。因此，可以制造充氣輪胎，其具有在汽車中的無線電中不產(chǎn)生噪聲的優(yōu)點，并且在觸摸汽車時不會對人體產(chǎn)生電擊。

對于胎面結(jié)構(gòu)，住友橡膠工業(yè)株式會社和輪胎制造有限公司提出的典型的在胎面內(nèi)插入導電元件的方式——“煙囪法胎面結(jié)構(gòu)”。因為這種結(jié)構(gòu)易于成型，制備的胎面在保證了耐磨損性能和滾動阻力性能的同時有效地將電荷傳送到地面。普利司通提出了在外胎表面涂覆導電材料，在胎面表面涂覆一層導電聚合物，從而將輪胎摩擦產(chǎn)生的電荷傳導至地面，但是因為是在胎面表面涂覆導電涂層，在輪胎長期使用的條件下，涂層會產(chǎn)生磨損，造成輪胎胎面導電性下降。所以，其再次提出了一種胎面膠為具有導電層的多層結(jié)構(gòu)，其中徑向最外側(cè)的胎面膠不導電，導電層具有穿過徑向最外側(cè)的導電膠到達胎面表面的接地部，由于胎面膠具有多層結(jié)構(gòu)，徑向最外側(cè)的胎面膠可以通過添加硅石來提高耐磨損性能和降低滾動阻力，而徑向內(nèi)部的導電層可以提供導電路徑，從而實現(xiàn)輪胎的防靜電和耐磨損、滾動阻力性能的平衡和優(yōu)化。

對于成型裝置、成型方法來說，最常用的方法是擠出成型法。米其林公司提出一種用于獲得具有周期性條帶的層的工藝包括：（1）用擠壓機擠壓出所述的層，所述擠壓機包括一個擠壓頭，擠壓頭設(shè)有一個通向一個擠壓孔的流道；（2）在一個切斷裝置的輔助下，將置于擠壓孔下游的運輸裝置上的生產(chǎn)出的部分切斷；（3）在未硫化條件下擠壓出導電橡膠混合物條帶，并通過一個活動微型擠壓機的噴嘴將其夾入切口的兩壁之間，所述噴嘴指向所述運輸裝置的壁并經(jīng)受一個平行于所述壁且振幅為10mm的周期運動。在擠出制備胎面的基礎(chǔ)上，固特異公司還提出了導電絲線貫穿胎面縫紉法，制造用于車輛的充氣輪胎的方法包括以下步驟：將部分輪胎卷繞成沿著輪胎的圓周方向延伸的多個繞組的形狀，基本上與至少一個材料條對齊，以形成胎面而不是特別是在已經(jīng)具有延伸胎體的部分輪胎上硫化，并且將帶組設(shè)置在徑向外側(cè)，使得帶組的涂覆橡膠的電阻率小于108Ωcm。住友橡膠工業(yè)株式會社提出一種導電膠楔入法，通過將錐形導電膠插入胎面來形成煙囪法胎面結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)語

隨著“綠色輪胎”的大量應用，輪胎靜電積累的問題越來越受到重視，本文對近些年來的輪胎電荷消散技術(shù)的發(fā)展歷程進行分析，從中不難發(fā)現(xiàn)，直到1991年初成功研發(fā)的“綠色輪胎”被廣泛應用，才使得人們對于輪胎胎面靜電積聚的問題產(chǎn)生重視。在隨后的十幾年里，該領(lǐng)域的專利申請量猛增，其中核心技術(shù)主要掌握在住友橡膠、米其林、固特異、普利司通等為代表的輪胎公司中，而近些年的研究方向主要側(cè)重于設(shè)備的改進和對產(chǎn)生的電荷進行回收利用方面進行研究，以平衡輪胎的諸多性能要求。

【參考文獻】

[1]李承民.導電輪胎生產(chǎn)工藝和設(shè)備研究[J].輪胎工業(yè)，2013（33）：41-45.

[2]王云蘭，張艷芬.輪胎電荷消散裝置專利技術(shù)綜述[J]. 科技與企業(yè)，2016（05）：198.