制造高性能輪胎的合成橡膠及復(fù)合材料技術(shù)

孫志超 于國強 宋和福

摘要：合成橡膠是三大合成材料，是國際公認(rèn)的戰(zhàn)略物資，在國民經(jīng)濟(jì)中不可替代的作用，也關(guān)系到國家支柱產(chǎn)業(yè)和國防。目前，70%的合成橡膠用于制造輪胎。我國是第一大合成橡膠和輪胎生產(chǎn)國家，但卻不是合成橡膠和輪胎工業(yè)強國。隨著時代發(fā)展，法國的米其林公司推出了“綠色輪胎”的環(huán)保概念。綠色輪胎具有節(jié)能、環(huán)保和安全的優(yōu)點，而且還有滾動阻力低、油耗低、運行穩(wěn)定性好等特點。綠色輪胎使用復(fù)合材料制造，每年能節(jié)省大量的燃油，而且避免了二氧化碳排放，對資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。當(dāng)前每個國家都推出了各種政策，從而推動綠色輪胎的發(fā)展

關(guān)鍵詞：高性能輪胎;合成橡膠;復(fù)合材料技術(shù)

輪胎是通過特種成型機(jī)將輪胎坯料經(jīng)硫法制備而成，不同的零件如胎面、線圈墊片（三角形）、氣密襯里等對材料性能有不同的要求。作為原胎面材料，滾動阻力低，耐磨性高，濕滑度高，對橡膠原料的結(jié)構(gòu)和性能有更高的要求，增強了橡膠與填料復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能，對橡膠和填料加工提出了更高要求。目前，綠色輪胎胎面橡膠原料中主要有可溶性聚丁二烯和稀土丁橡膠。這兩種橡膠的粒徑僅為10-20納米左右，含有納米二氧化硅（白炭黑）形成納米復(fù)合材料，用于制造綠色輪胎胎面材料，這已成為輪胎行業(yè)的共識。我國在橡膠原料合成、納米二氧化硅填料、橡膠/填料納米復(fù)合材料加工、輪胎設(shè)計制造等方面的研究和產(chǎn)業(yè)化取得了很大進(jìn)展，為綠色輪胎的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

一、天然橡膠

天然橡膠（NR）是非極性橡膠。盡管具有很好的電學(xué)性能，但易溶于非極性溶劑，所以耐油性和有機(jī)溶劑性較差。NR分子中含有不飽和雙鍵，因此耐熱、耐氧老化、耐臭氧、耐紫外線性能比較差，限制了其在某些特殊場合的使用。然而，改性可以大大增加NR的使用范圍。

（一）環(huán)氧化天然橡膠（ENR）

環(huán)氧天然橡膠（ENR）是由天然橡膠（NR）通過化學(xué)改性而成的一種特殊的天然橡膠。與NR相比，ENR具有完全不同的粘彈性和熱力學(xué)性能，如優(yōu)良的氣密性、粘附性、抗?jié)窕砸约傲己玫哪陀托?。ENR能夠和極性填充劑相互結(jié)合，如果沒有填充劑的時候，ENR硫化膠需要保持NR的高模量以及拉伸強度。ENR50的耐油性以及阻尼性比較好，而且滾動阻力低于NR，在濕路面抓著性明顯好于充油丁苯橡膠（OESBR）。將其用在輪胎面膠的時候，如果沒有偶聯(lián)劑，ENR和白炭黑強相互作用可以提升低滾動阻力以及濕路面抓著力綜合性能，ENR25和白炭黑填充劑混合取得最佳的耐磨性。同時ENR的Tg隨著環(huán)氧化程度增加出現(xiàn)提升，這可以很好的改善胎面膠的綜合性能。

（二）充油天然橡膠

隨著全天候輪胎的推出，輪胎不但要求在干燥和潮濕的道路上有良好的抓地力，還要求在冬季也有良好的冰上牽引力。結(jié)果表明，當(dāng)OESBR部分替換為OENR時，不僅滾動阻力大大降低，而且當(dāng)OESBR替換為25%-50%OENR時，冰面抓著性能也可以得到改善（對滑溜性能無不良影響）。因此，OENR也是一種高品質(zhì)的全天候輪胎材料。

（三）接枝天然橡膠

當(dāng)前，研究最多的是甲基丙烯酸甲酯（MMA）與NR的接枝共聚。MMA接枝NR具有高伸長率、高硬度，還有良好的抗沖擊性、抗彎性、抗裂性和動態(tài)疲勞性能、附著力和良好的填充性。在工業(yè)上主要用于制造具有良好沖擊性能的彈性制品，如輪胎中的氣密層。若與丁苯橡膠混合，可作珠江三角洲橡膠。它的橡膠強度和與線圈的附著力顯著提高，可以增加線圈的剛度，保持鋼圈形狀穩(wěn)定。

（四）高純度天然橡膠

日本住友橡膠工業(yè)公司開發(fā)出一種高純天然橡膠，稱為“UPNR”（超純天然橡膠）。該公司表示，他們正在使用“4D納米”專利技術(shù)過濾輪胎中使用的天然橡膠中的雜質(zhì)。采用4D納米設(shè)計的天然橡膠加工技術(shù)，克服了以往嘗試去除雜質(zhì)存在的問題，可以去除天然橡膠保護(hù)分子，因為在加熱時更容易逆行變質(zhì)，橡膠分子有助于加強橡膠分子對微結(jié)構(gòu)和炭黑的結(jié)合，生產(chǎn)有助于提高輪胎的節(jié)油性能，提高橡膠的耐久性。

二、聚丁二烯橡膠

（一）胎面膠

1載重汽車輪胎胎面膠

當(dāng)前，載重輪胎胎面膠以天然橡膠為主。天然橡膠用作卡車輪胎胎面膠，具有良好的耐磨性、抓地性、耐熱性和低滾動阻力的綜合平衡。然而，隨著三軸掛車采用寬斷面單胎而非雙胎，卡車輪胎的使用條件變得越來越苛刻。當(dāng)這些拖車在高溫下長途旅行時，胎面肩脊需要高的抗撕裂性。通過添加幾片丁二烯橡膠來降低輪胎的溫度，可以提高輪胎的彈性。

2節(jié)油輪胎胎面膠

聚丁二烯橡膠和聚丁二烯橡膠可用于節(jié)油輪胎胎面膠。這種胎面膠在輪胎抓地力和磨損方面的綜合平衡是最好的，滾動阻力低，節(jié)省5%的燃油。該技術(shù)使用白炭黑和硅烷增強BR/SSBR和膠水。雖然可以使用不同的丁苯，但含有25%苯乙烯和75%乙烯基的油填充丁烯是整個二氧化硅配方的理想選擇，例如商標(biāo)為Buna5025-1HM的丁苯。保持BR增加到40%，而聚丁烯和白色木炭黑減少滾動阻力，增加輪胎抓地力在雪和潮濕的道路。

3航空輪胎胎面膠

55～75份順式-1，4-聚異戊二烯橡膠與25～45份中乙烯基含量聚丁二烯橡膠（乙烯基含量約為30%～50%，最好是35%～48%，其中順式一1，4-結(jié)構(gòu)含量約為10%～40%，反式-1-4-結(jié)構(gòu)含量約為15%～50%）并用，可提高航空輪胎胎面膠的高溫耐久性。

（二）胎側(cè)膠

聚丁二烯橡膠的最大用途是用于子午線輪胎輪胎側(cè)。輪胎側(cè)面是各種彎曲部位，起到緩沖路面沖擊的作用。今天，大多數(shù)輪胎都是低截面輪胎，變形很大，側(cè)軌很窄，需要有最好的切割阻力來生長。據(jù)介紹，NR/BR與6PPD（苯二胺50：50）膠粘劑組合具有最好的抗裂性和抗生長性，具有良好的抗損傷性和較長的使用壽命。

（三）胎圈膠

包布膠的胎圈膠需要保持一定硬度，要具有很高的耐磨性，還要可以加工。BunaCB65（聚丁二烯橡膠）的使用性能平衡比較好，可以被普遍使用。使用BR作為胎圈膠可以提升耐磨性，避免生熱，使回彈性也能得到改善。

（四）胎體膠

高乙烯基含量聚丁二烯橡膠（VBR）和天然橡膠合并使用為胎體膠，還能增強耐老化性，也能提高抗硫化返原性能。

結(jié)語：

隨著技術(shù)的進(jìn)步，橡膠技術(shù)取得了快速發(fā)展，極大促進(jìn)了輪胎工業(yè)水平的提升。當(dāng)前特種橡膠發(fā)展速度非常快，相信在以后的應(yīng)用過程中，一定會使橡膠技術(shù)取得更大進(jìn)步，獲得更好的應(yīng)用。

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