制造高性能轮胎的合成橡胶及复合材料技术

孙志超 于国强 宋和福

摘要：合成橡胶是三大合成材料，是国际公认的战略物资，在国民经济中不可替代的作用，也关系到国家支柱产业和国防。目前，70%的合成橡胶用于制造轮胎。我国是第一大合成橡胶和轮胎生产国家，但却不是合成橡胶和轮胎工业强国。随着时代发展，法国的米其林公司推出了“绿色轮胎”的环保概念。绿色轮胎具有节能、环保和安全的优点，而且还有滚动阻力低、油耗低、运行稳定性好等特点。绿色轮胎使用复合材料制造，每年能节省大量的燃油，而且避免了二氧化碳排放，对资源节约和环境保护具有重要意义。当前每个国家都推出了各种政策，从而推动绿色轮胎的发展

关键词：高性能轮胎;合成橡胶;复合材料技术

轮胎是通过特种成型机将轮胎坯料经硫法制备而成，不同的零件如胎面、线圈垫片（三角形）、气密衬里等对材料性能有不同的要求。作为原胎面材料，滚动阻力低，耐磨性高，湿滑度高，对橡胶原料的结构和性能有更高的要求，增强了橡胶与填料复合材料的结构和性能，对橡胶和填料加工提出了更高要求。目前，绿色轮胎胎面橡胶原料中主要有可溶性聚丁二烯和稀土丁橡胶。这两种橡胶的粒径仅为10-20纳米左右，含有纳米二氧化硅（白炭黑）形成纳米复合材料，用于制造绿色轮胎胎面材料，这已成为轮胎行业的共识。我国在橡胶原料合成、纳米二氧化硅填料、橡胶/填料纳米复合材料加工、轮胎设计制造等方面的研究和产业化取得了很大进展，为绿色轮胎的发展做出了贡献。

一、天然橡胶

天然橡胶（NR）是非极性橡胶。尽管具有很好的电学性能，但易溶于非极性溶剂，所以耐油性和有机溶剂性较差。NR分子中含有不饱和双键，因此耐热、耐氧老化、耐臭氧、耐紫外线性能比较差，限制了其在某些特殊场合的使用。然而，改性可以大大增加NR的使用范围。

（一）环氧化天然橡胶（ENR）

环氧天然橡胶（ENR）是由天然橡胶（NR）通过化学改性而成的一种特殊的天然橡胶。与NR相比，ENR具有完全不同的粘弹性和热力学性能，如优良的气密性、粘附性、抗湿滑性以及良好的耐油性。ENR能够和极性填充剂相互结合，如果没有填充剂的时候，ENR硫化胶需要保持NR的高模量以及拉伸强度。ENR50的耐油性以及阻尼性比较好，而且滚动阻力低于NR，在湿路面抓着性明显好于充油丁苯橡胶（OESBR）。将其用在轮胎面胶的时候，如果没有偶联剂，ENR和白炭黑强相互作用可以提升低滚动阻力以及湿路面抓着力综合性能，ENR25和白炭黑填充剂混合取得最佳的耐磨性。同时ENR的Tg随着环氧化程度增加出现提升，这可以很好的改善胎面胶的综合性能。

（二）充油天然橡胶

随着全天候轮胎的推出，轮胎不但要求在干燥和潮湿的道路上有良好的抓地力，还要求在冬季也有良好的冰上牵引力。结果表明，当OESBR部分替换为OENR时，不仅滚动阻力大大降低，而且当OESBR替换为25%-50%OENR时，冰面抓着性能也可以得到改善（对滑溜性能无不良影响）。因此，OENR也是一种高品质的全天候轮胎材料。

（三）接枝天然橡胶

当前，研究最多的是甲基丙烯酸甲酯（MMA）与NR的接枝共聚。MMA接枝NR具有高伸长率、高硬度，还有良好的抗冲击性、抗弯性、抗裂性和动态疲劳性能、附着力和良好的填充性。在工业上主要用于制造具有良好冲击性能的弹性制品，如轮胎中的气密层。若与丁苯橡胶混合，可作珠江三角洲橡胶。它的橡胶强度和与线圈的附着力显著提高，可以增加线圈的刚度，保持钢圈形状稳定。

（四）高纯度天然橡胶

日本住友橡胶工业公司开发出一种高纯天然橡胶，称为“UPNR”（超纯天然橡胶）。该公司表示，他们正在使用“4D纳米”专利技术过滤轮胎中使用的天然橡胶中的杂质。采用4D纳米设计的天然橡胶加工技术，克服了以往尝试去除杂质存在的问题，可以去除天然橡胶保护分子，因为在加热时更容易逆行变质，橡胶分子有助于加强橡胶分子对微结构和炭黑的结合，生产有助于提高轮胎的节油性能，提高橡胶的耐久性。

二、聚丁二烯橡胶

（一）胎面胶

1载重汽车轮胎胎面胶

当前，载重轮胎胎面胶以天然橡胶为主。天然橡胶用作卡车轮胎胎面胶，具有良好的耐磨性、抓地性、耐热性和低滚动阻力的综合平衡。然而，随着三轴挂车采用宽断面单胎而非双胎，卡车轮胎的使用条件变得越来越苛刻。当这些拖车在高温下长途旅行时，胎面肩脊需要高的抗撕裂性。通过添加几片丁二烯橡胶来降低轮胎的温度，可以提高轮胎的弹性。

2节油轮胎胎面胶

聚丁二烯橡胶和聚丁二烯橡胶可用于节油轮胎胎面胶。这种胎面胶在轮胎抓地力和磨损方面的综合平衡是最好的，滚动阻力低，节省5%的燃油。该技术使用白炭黑和硅烷增强BR/SSBR和胶水。虽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个二氧化硅配方的理想选择，例如商标为Buna5025-1HM的丁苯。保持BR增加到40%，而聚丁烯和白色木炭黑减少滚动阻力，增加轮胎抓地力在雪和潮湿的道路。

3航空轮胎胎面膠

55～75份顺式-1，4-聚异戊二烯橡胶与25～45份中乙烯基含量聚丁二烯橡胶（乙烯基含量约为30%～50%，最好是35%～48%，其中顺式一1，4-结构含量约为10%～40%，反式-1-4-结构含量约为15%～50%）并用，可提高航空轮胎胎面胶的高温耐久性。

（二）胎侧胶

聚丁二烯橡胶的最大用途是用于子午线轮胎轮胎侧。轮胎侧面是各种弯曲部位，起到缓冲路面冲击的作用。今天，大多数轮胎都是低截面轮胎，变形很大，侧轨很窄，需要有最好的切割阻力来生长。据介绍，NR/BR与6PPD（苯二胺50：50）胶粘剂组合具有最好的抗裂性和抗生长性，具有良好的抗损伤性和较长的使用寿命。

（三）胎圈胶

包布胶的胎圈胶需要保持一定硬度，要具有很高的耐磨性，还要可以加工。BunaCB65（聚丁二烯橡胶）的使用性能平衡比较好，可以被普遍使用。使用BR作为胎圈胶可以提升耐磨性，避免生热，使回弹性也能得到改善。

（四）胎体胶

高乙烯基含量聚丁二烯橡胶（VBR）和天然橡胶合并使用为胎体胶，还能增强耐老化性，也能提高抗硫化返原性能。

结语：

随着技术的进步，橡胶技术取得了快速发展，极大促进了轮胎工业水平的提升。当前特种橡胶发展速度非常快，相信在以后的应用过程中，一定会使橡胶技术取得更大进步，获得更好的应用。

参考文献：

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[4]张立群.绿色轮胎用纳米复合新材料面临的挑战与进展：基础科学和工程应用[C]//中国橡胶年会.2015.