輪胎纖維骨架材料的差異化發(fā)展

王曉龍，劉全來，江曉峰，華潤稼，許其軍

（江蘇太極實業(yè)新材料有限公司，江蘇 揚州 225006）

1 輪胎纖維骨架材料發(fā)展簡介

現(xiàn)代輪胎始于1839年固特異發(fā)明了硫化橡膠。1887年鄧祿普使用亞麻織物作為橡膠骨架，發(fā)明了第1條充氣輪胎。棉織物簾線的斷裂強力較低，棉簾線需要較粗，同時需要較大經向密度，造成輪胎的胎體厚、不利于散熱及節(jié)油[1]。

1923年首條人造絲簾線輪胎制成，之后美國杜邦公司和Coutaulds公司相繼批量制造了Cordura和Tenasco牌號的高強度人造絲簾線。人造絲簾線提高了輪胎的強度和耐久性能，延長了輪胎使用壽命。由于人造絲簾線具有斷裂強力和模量高、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，逐漸替代了棉簾線[1-3]。

第二次世界大戰(zhàn)時，美國用發(fā)明的錦綸66簾線制造了軍用飛機輪胎[1，3]。到了20世紀50年代，錦綸66在美國已經完全替代了人造絲。錦綸6用作輪胎骨架材料始于日本，1967年日本國產錦綸6簾線用量已達到其輪胎骨架材料用量的90%[1]。

1953年開始，眾多輪胎企業(yè)嘗試將聚酯材料應用在輪胎中。到1962年，聚酯纖維被固特異用作輪胎骨架材料在轎車輪胎中推廣應用，逐漸替代了錦綸66，成為現(xiàn)今轎車輪胎的主要骨架材料[1，3]。

當前，輪胎對骨架材料的性能要求是輕量化、環(huán)?；⒌蜐L動阻力等。

目前半鋼子午線輪胎胎體用纖維骨架材料主要有聚酯和人造絲，冠帶層用纖維骨架材料主要是錦綸66、錦綸66/芳綸混合簾線等[2-5]。表1示出了目前輪胎用纖維骨架材料的主要優(yōu)缺點[6-7]。

表1 目前輪胎用纖維骨架材料的主要優(yōu)缺點

2 胎體骨架材料差異化產品

2.1 簾線材料性能升級

輪胎工業(yè)發(fā)展提出了更高強力以適應輕量化、更高尺寸穩(wěn)定性以適應低滾動阻力要求。為滿足輪胎客戶對骨架材料的要求[8]，各種新型聚酯浸膠簾線被開發(fā)出來，如高模量低收縮HMLSPET聚酯簾線（SR2）、高強力高模量低收縮聚酯簾線（SR3）、高尺寸穩(wěn)定性高模量低收縮聚酯簾線（SR4）。

SR2滿足GB/T 19390—2014《輪胎用聚酯浸膠簾子布》要求。SR3在SR2的基礎上，在不改變線密度的情況下，提高簾線絕對強力。SR4在SR2基礎上，在不改變線密度情況下，尺寸穩(wěn)定性（ES）指數(shù)（為定負荷伸長率與干熱收縮率的和）減小。

在輪胎應用領域，SR3在滿足輪胎強度要求的基礎上，可減小骨架材料用量，滿足輪胎輕量化要求；SR4在滿足輪胎強度要求的基礎上，可提高簾線的尺寸穩(wěn)定性，為降低輪胎滾動阻力做貢獻。SR2，SR3，SR4簾線性能見表2—4。

表2 1100dtex/2高性能聚酯簾線性能

表3 1440dtex/2高性能聚酯簾線性能

表4 1670dtex/2高性能聚酯簾線性能

2.2 高纖度原絲兩股簾線取代三股簾線

采用高纖度原絲進行兩股捻線，兩股簾線可達到三股簾線的性能，實現(xiàn)產品的差異化升級，主要為2200dtex/2簾線替代1440dtex/3簾線，2500dtex/2簾線替代1670dtex/3簾線，3300dtex/2簾線替代2200dtex/3簾線。通過改變簾線的結構和使用高纖度原絲，提高了生產效率和簾線性能。SR2高纖度直捻兩股聚酯簾線性能見表5。

表5 SR2高纖度直捻兩股聚酯簾線性能

2.3 高強力高尺寸穩(wěn)定性HMLS聚酯簾線

HMLS聚酯簾線的發(fā)展方向是進一步提高強力和尺寸穩(wěn)定性。高強力高尺寸穩(wěn)定性HMLS聚酯簾線（SR5）性能見表6。

表6 1100dtex/2-430S SR5聚酯簾線性能

由表6可見：與國外產品相比，我公司開發(fā)的SR5產品尺寸穩(wěn)定性更好；我公司SR5產品強度比SR3產品提高5.55%。

3 冠帶層骨架材料差異化產品

3.1 生物基聚酰胺56

我公司自主開發(fā)了高強力聚酰胺56（PA56）工業(yè)長絲，并生產成浸膠簾布。PA56與錦綸66浸膠簾線的性能對比見表7，平衡及測試條件參照 GB/T 9101—2017。

表7 930dtex/2-460S PA56與錦綸66浸膠簾線性能對比

輪胎用骨架材料需要經歷升溫硫化過程，在輪胎使用過程中也會升溫，勢必造成性能的一些變化。因此，將纖維簾線在鼓風烘箱中進行180℃×15 min熱處理，模擬輪胎骨架材料經歷的熱硫化過程，然后在高溫環(huán)境下測試簾線的各項性能，PA56和錦綸66浸膠簾線性能隨溫度的變化情況如圖1所示。

由圖1可見，在80，100，120和140 ℃溫度下，PA56浸膠簾線的斷裂強力和斷裂伸長率略低于錦綸66浸膠簾線，定負荷伸長率與錦綸66浸膠簾線相當。

圖1 PA56和錦綸66浸膠簾線性能隨溫度的變化

3.2 PET聚酯簾線

輪胎冠帶層骨架材料目前主要使用錦綸66簾線。冠帶層的作用是限制帶束層在高速運轉時的擴張幅度，降低高速運轉狀態(tài)下的滾動阻力和帶束層溫度。相比其他骨架材料錦綸66簾線具有明顯的性能優(yōu)勢。但是由于錦綸66本身玻璃化溫度低、模量低等特性，在輪胎設計和使用中容易出現(xiàn)平點現(xiàn)象。PET聚酯簾線模量較錦綸66簾線高，玻璃化溫度也高，成本更低，但聚酯簾線用于冠帶層時難以克服長時間粘合失效問題。

一些輪胎企業(yè)和骨架材料制造商已經開始進行聚酯簾線用于冠帶層的研究及應用。我公司生產的1100dtex/2-265S冠帶層聚酯浸膠簾線的性能如下：斷裂強力 168.4 N，斷裂伸長率 14.2%，44.1 N定負荷伸長率 3.1%，1%定伸長負荷19.8 N，3%定伸長負荷 42.6 N，5%定伸長負荷66.1 N，10%定伸長負荷 138.4 N，干熱收縮率（177 ℃×2 min×100 g） 1.8%，模擬輪胎硫化和冷卻時干熱收縮力（殘余收縮力）（180 ℃×15 min×94 g） 418（249） cN，模擬輪胎運行和停車冷卻時干熱收縮力（殘余收縮力）（100 ℃×15 min×94 g） 289（172） cN。

3.3 混合簾線

每一種纖維骨架材料都有各自的特性，如聚酯纖維起始形變時模量高，斷裂伸長率中等；錦綸66纖維起始形變模量低，斷裂伸長率高；芳綸簾線強力高，模量高，斷裂伸長率低。輪胎成型過程和使用時所需要考慮的骨架材料性能不一致，集合兩種或兩種以上骨架材料的特性，制造符合要求的混合簾線已經成為輪胎企業(yè)和骨架材料制造企業(yè)的研究課題。部分混合簾線的性能見表8和9。

表8 錦綸66/PET聚酯混合浸膠簾線與錦綸66浸膠簾線的性能對比

表9 芳綸/錦綸66和芳綸/PET聚酯混合浸膠簾線性能對比

4 環(huán)保簾布覆膠配方研究

我公司始終致力于環(huán)保簾布的開發(fā)，使簾布性能、生產工藝和產品儲存穩(wěn)定性等方面同時改善。

第2代RF-free環(huán)保簾布試制輪胎的實驗室評價部分性能如表10和11所示。

表10 185/60R14輪胎室內性能測試結果

表11 195R14C輪胎室內性能測試結果

隨著人們環(huán)境保護意識的增強，各國對輪胎產品環(huán)保要求不斷提高，在輪胎簾布覆膠配方中，酚醛樹脂的使用逐漸減少[9]。我公司開發(fā)的第3代環(huán)保RF-free簾布除保留了前兩代的性能和成本等優(yōu)勢外，還可以與不含酚醛樹脂的覆膠進行良好的粘合匹配，1670dtex/2-370S環(huán)保簾布與使用RF樹脂的胎體膠的粘合性能如下：H抽出力 204.0 N，170 ℃×15 min條件下剝離力（N）/覆膠率（%）308.9/＞80，170 ℃×60 min條件下剝離力（N）/覆膠率（%） 267.7/＜80。

5 結語

隨著輪胎產品輕量化、更高尺寸穩(wěn)定性、更低滾動阻力的發(fā)展要求，骨架材料不斷通過材料性能提升和優(yōu)化結構來滿足輪胎發(fā)展要求。在材料性能方面，通過優(yōu)化紡絲技術和浸膠技術，在不改變簾線纖度的情況下，提升浸膠簾線的強力和尺寸穩(wěn)定性。在結構方面，使用兩股高強度簾線替代三股簾線，提升生產效率。

PA56簾線經過浸膠后性能達到了輪胎骨架材料的基本要求。使用多種材料混合捻線可實現(xiàn)材料間性能優(yōu)勢互補，取長補短。

環(huán)境保護和職業(yè)健康越來越受到人們的關注，各國的相關政策也會更加嚴格。輪胎用纖維骨架材料應從自身著手，開發(fā)無酚醛樹脂的環(huán)保型浸膠簾布是發(fā)展方向。