Mono Wire 0.35UT钢丝帘线在轿车子午线轮胎带束层中的应用

焦冬冬，王 君，耿 钊，苗 梅，张景智

（青岛双星轮胎工业有限公司，山东 青岛 266400）

为着力解决资源环境约束突出问题，实现可持续发展目标，国家制定并实施“双碳”政策，即我国力争在2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”。据中国汽车技术研究中心有限公司测算，汽车碳排放量占我国交通领域碳排放量的80%以上，占全社会碳排放量的7.5%左右。为贯彻执行“双碳”政策，轮胎的滚动阻力成为行业内的研究焦点，无论是燃油汽车，还是新能源汽车，都需要拥有更低滚动阻力的轮胎，以提高燃油效率，增加续航里程，降低碳排放量[1-2]。

带束层位于轮胎冠带层的下方、胎体层的上方，是轿车子午线轮胎的主要受力部件，其结构参数决定了带束层的刚性，而带束层的刚性会直接影响轮胎滚动阻力[3-5]。新型钢丝帘线替代传统钢丝帘线正朝着钢丝帘线直径小、覆胶量低的方向发展，由此为轮胎带来更少的材料消耗及更低的滚动阻力[6-8]。

本工作研究Mono Wire 0.35UT钢丝帘线替代2×0.30ST钢丝帘线在轿车子午线轮胎带束层中的应用。

1 实验

1.1 主要原材料

Mono Wire 0.35UT和2×0.30ST钢丝帘线，晓星钢帘线（青岛）有限公司产品。

1.2 主要设备

TENSOMETER2000型拉力机，美国阿尔法科技有限公司产品；XLB-O 600×600×3型平板硫化机，上海第一橡胶机械厂产品；钢丝-纤维两用压延机，意大利科美立奥·艾克利公司产品；小角度裁断机，德国Fisher公司产品；MAX成型机，荷兰VMI公司产品；转鼓试验机，天津久荣车轮技术有限公司产品。

1.3 性能测试

滚动阻力系数按照ISO 28580—2018进行测试；高速性能按照GB/T 4502—2016进行测试，测试时间达到国家标准要求后，每10 min试验速度增大10 km·h-1，直到轮胎损坏为止；耐久性能按照GB/T 4502—2016进行测试，测试时间达到国家标准要求后，每10 h试验负荷增大10%，负荷率增大到150%后速度和负荷保持不变，直到轮胎损坏为止。

成品轮胎的其他性能均按照GB/T 4502—2016进行测试。

2 结果与讨论

2.1 钢丝帘线性能

Mono Wire 0.35UT和2×0.30ST钢丝帘线的结构如图1所示，基本性能对比如表1所示。

图1 两种钢丝帘线的结构示意

表1 两种钢丝帘线的基本性能对比

从表1可以看出：与2×0.30ST钢丝帘线相比，Mono Wire 0.35UT钢丝帘线的直径减小，导致钢丝帘线破断力降低，为保持单位宽度范围内的强度，需在设计制造工艺时从压延密度方面进行弥补，以确保成品轮胎性能。

单根钢丝帘线和加捻钢丝帘线与橡胶的结合面存在差异：单根钢丝帘线与橡胶的结合面为规则的圆柱形，而加捻钢丝帘线与橡胶形成的结合面为立体螺旋状，两者相比后者具有更优的结合方式。为验证钢丝帘线与橡胶的粘合性能，对粘合试样在不同条件下的粘合力进行测试，结果如表2所示。

表2 两种钢丝帘线的粘合力对比 N

从表2可以看出，两种钢丝帘线与橡胶的粘合力在不同老化条件下均有所降低。与2×0.30ST钢丝帘线相比，Mono Wire 0.35UT钢丝帘线老化后的粘合力下降更为明显，尤其是在湿热老化条件下，其粘合力下降了36%，而2×0.30ST钢丝帘线的粘合力下降了13%。这是由于两种钢丝帘线与橡胶的结合面不同，Mono Wire 0.35UT钢丝帘线与橡胶的结合面为规则的圆柱形，有利于老化的扩展，而2×0.30ST钢丝帘线与橡胶的结合面为不规则螺旋状，老化扩展较慢。结合面的差异也导致钢丝帘线在不同老化条件下的粘合力极差有所不同，Mono Wire 0.35UT钢丝帘线的稳定性明显优于2×0.30ST钢丝帘线。

2.2 生产工艺

因Mono Wire 0.35UT钢丝帘线的破断力比2×0.30ST钢丝帘线小24%，为保证带束层的整体强度，需要对其压延经线密度进行调整；同时，Mono Wire 0.35UT钢丝帘线的直径比2×0.30ST钢丝帘线小0.25 mm，可减小帘布压延厚度。两种钢丝帘布的压延工艺参数对比见表3。

表3 两种钢丝帘布压延工艺参数对比

从表3可以看出，通过增大经线密度方式实现两种帘布等强力，Mono Wire 0.35UT钢丝帘线具有直径更小的优势，压延帘布厚度比2×0.30ST钢丝帘布减小35%，可降低带束层帘布表面覆胶率，单位面积带束层帘布质量减小21%，质量减小有助于降低轮胎滚动阻力。

在钢丝带束层小角度裁断过程中，因Mono Wire 0.35UT钢丝帘布挺性较差，现有钢丝自动裁切工艺无法完成自动接头，需要手动接头，裁切工艺需要进行优化调整。

2.3 半成品剥离性能

为进一步验证Mono Wire 0.35UT钢丝帘线的粘合性能，对压延后的带束层帘布在不同条件下的剥离性能进行测试，结果如表4所示。

从表4可以看出，2×0.30ST钢丝帘线老化后的剥离强度明显下降，尤其是热空气老化后剥离强度下降了80%，而Mono Wire 0.35UT钢丝帘线仅下降24%。分析认为，试样从老化前到老化后，由于橡胶过硫老化，分子链过度交联，橡胶的拉断伸长率急剧降低，导致2×0.30ST钢丝帘线剥离时，单位宽度受力截面积前后发生骤减，而Mono Wire 0.35UT钢丝帘线由于材质软，受力截面积前后变化较小，因而剥离力损失比例相对较小。虽然Mono Wire 0.35UT钢丝帘线热空气老化后的覆胶率相对较小，但其剥离力相比2×0.30ST钢丝帘线增大。

表4 两种钢丝帘线半成品剥离性能对比

两种钢丝帘线在不同老化条件下的半成品剥离界面如图2—4所示。

图2 两种钢丝帘线老化前半成品剥离界面对比

根据以上剥离界面及检测结果分析可以看出，热空气老化对带束层钢丝帘线的剥离力、剥离强度和覆胶率的影响最大。

2.4 成品轮胎性能

分别采用Mono Wire 0.35UT和2×0.30ST钢丝帘线试制205/55R16轿车子午线轮胎，参照国家标准及相关检测方法进行成品轮胎性能试验，试验结果如表5所示。

从表5可以看出，采用Mono Wire 0.35UT钢丝帘线替代2×0.30ST钢丝帘线生产的轮胎质量减小300 g，滚动阻力系数减小7.3%，压穿强度、脱圈阻力、高速性能和耐久性能均相近。

表5 成品轮胎性能

图3 两种钢丝帘线热空气老化后半成品剥离界面对比

图4 两种钢丝帘线湿热老化后半成品剥离界面对比

2.5 成品剥离性能

为进一步验证两种钢丝帘线的剥离性能，对其成品轮胎进行剥离试验，结果如表6所示。

从表6可以看出，老化后两种钢丝帘线轮胎的剥离强度均比老化前减小，其中Mono Wire0.35UT钢丝帘线轮胎经湿热老化后的剥离强度下降幅度明显小于2×0.30ST钢丝帘线轮胎，且后者的覆胶率为0。

表6 两种钢丝帘线成品轮胎剥离性能对比

两种钢丝帘线在不同老化条件下的成品剥离界面如图5—7所示。

图5 两种钢丝帘线老化前成品剥离界面对比

从成品及半成品剥离性能测试结果可以看出：无论是Mono Wire 0.35UT还是2×0.30ST钢丝帘线，两者的半成品及成品在老化前的剥离强度最大，热空气或湿热老化后的剥离强度均降低，其中Mono Wire 0.35UT钢丝帘线的剥离强度降低幅度小于2×0.30ST钢丝帘线，前者剥离强度保持较好，且成品湿热老化后的剥离强度较大。

图6 两种钢丝帘线热空气老化后成品剥离界面对比

图7 两种钢丝帘线湿热老化后成品剥离界面对比

3 结论

与传统2×0.30ST钢丝帘线相比，Mono Wire 0.35UT钢丝帘线的直径减小，破断力降低，与橡胶粘合性能稳定性更优；以Mono Wire 0.35UT钢丝帘线替代2×0.30ST钢丝帘线用于205/55R16轿车子午线轮胎带束层中，成品轮胎的质量减小，滚动阻力降低，压穿强度、脱圈阻力、高速性能和耐久性能相当，成品钢丝帘线湿热老化后的剥离力提高。