改進綠色輪胎性能的方法

謝海粟(1.廣饒縣市場監督管理局，山東 東營 257300；

2.國家輪胎及橡膠制品質量監督檢驗中心廣饒橡膠輪胎分中心，山東 東營 257300)

0 引言

2021年2月份，國務院印發了《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》，提出要推進工業綠色升級，推行產品綠色設計，建設綠色制造體系；加強廢舊輪胎再生資源回收利用。2021年3月5日，國務院總理李克強在2021年國務院政府工作報告中指出，扎實做好碳達峰、碳中和各項工作，制定2030年前碳排放達峰行動方案，優化產業結構和能源結構。一系列新政策的提出，進一步明確了橡膠輪胎未來發展方向—綠色輪胎。輪胎企業要緊跟國家要求，堅持以市場為導向，創新發展理念，堅定不移地走綠色輪胎、高質量發展道路。

綠色輪胎是指因采用新材料、新結構設計或新加工工藝，從而使得輪胎滾動阻力系數變小，進而降低耗油、減少廢氣排放量的子午線輪胎。在汽車行駛過程中，20%汽油燃燒產生的能量用來抵消汽車輪胎的滾動阻力。由此可見，使用低滾動阻力系數的綠色輪胎可以減少燃油能量消耗，從而達到節省燃油的效果。由于綠色輪胎是國家大力提倡的發展方向，本文主要從材料選取、結構設計、加工工藝三個方面分析改進綠色輪胎性能的方法，為綠色輪胎的研發提供參考。

1 優化胎面材料選取

改進綠色輪胎，最重要的出發點是在不明顯降低輪胎耐磨性、抗濕滑性的前提下，降低輪胎滾動阻力系數。輪胎的滾動阻力，主要是由輪胎胎面部分與地面摩擦接觸而來。因此，改進綠色輪胎，首先要從輪胎胎面入手。

1.1 橡膠原材料選取

天然橡膠(NR)是非極性橡膠，是一種可再生資源，具有優良的物理性能，綜合性能較高。但因其在油、有機溶劑等非極性溶液中容易發生體積膨脹，故其耐油性、耐有機溶劑性能差一些。同時NR分子中含有不飽和雙鍵，所以它的耐熱氧化、抗紫外線性能差一些。鑒于上述原因，純天然橡膠在綠色輪胎中應用并不廣泛。目前都是用過氧化有機酸或過氧化氫與有機酸經化學反應，使NR形成環氧化基團結構的生膠，即環氧化天然橡膠(ENR)。ENR增加了天然橡膠的極性，具有抗濕滑性能好、氣密性能優良、耐油性能強等諸多優點。ENR根據環氧化程度的高低，主要有ENR75、ENR50和ENR25三種，目前在綠色輪胎應用中最成功的是前兩種[1]。丁苯橡膠(SBR)是用苯乙烯跟丁二烯為單體，經無規共聚產生的。按照聚合工藝，SBR分為乳聚丁苯橡膠(ESBR)與溶聚丁苯橡膠(SSBR)。因為SSBR比ESBR的分子量分布范圍窄、分子鏈末端支鏈數更少，在與增強劑反應時，更容易形成緊密、互鎖的結構，所以綠色輪胎用SBR主要研究方向還是在SSBR上。通過對SSBR加入官能團，使增強劑在橡膠基體中的分布更加均勻、分散，同時降低分子鏈端運動生熱，從而降低滾動阻力。目前SSBR官能化方向主要包含在SSBR鏈末端引入含有N、Si、Sn等原子基團的鏈末端改性法；將3-巰基丙酸等極性基團加到SSBR大分子雙鍵位置的鏈中改性法；用1,1-二苯基乙烯(DPE)衍生物官能化SSBR。

順丁橡膠(BR)是由丁二烯單體聚合而成的具有規則結構的合成橡膠，是目前僅次于SBR的第二大合成橡膠。根據使用催化劑的種類，可以分為鎳系BR、鈷系BR、鈦系BR和稀土系BR(NdBR)。NdBR比鎳系BR具有更加優異的彈性、強度、耐磨性和更少的動態生熱性，是制造低滾動阻力綠色輪胎的理想材料。目前對NdBR的研究主要集中在NdBR分子構成、分子量調整等方向。由于NR、SBR和BR具有較好的相容性，硫化速度也基本一致，所以在現實生產中，綠色輪胎的制造并不是僅選用單一橡膠原材料的，往往是選取不同材料并按照一定比例進行配比，從而達到調節胎面膠性能的效果。如：NR和BR混用具有良好的耐屈撓性能與抗切割性能，常用來制造胎側膠；NR、SBR和BR按一定比例配比時，能制造出硫化膠動態力學性能良好、具有更低滾動阻力與更高抗濕滑性的輪胎。

1.2 橡膠補強劑選取

輪胎胎面作為汽車與地面的直接接觸部分，不僅需要提供輪胎與地面的抓著力、吸收車輪在運動時產生的震動，還需要減少輪胎與地面的滾動阻力、避免輪胎被路面硬物刺破。這就要求輪胎胎面不能完全由橡膠制成，必須添加補強劑。早在20世紀初，炭黑就作為輪胎膠料的補強劑添加到膠料的配方中，由于炭黑的加入，大大增加了胎面的強度、硬度和耐磨性[2]。到了20世紀90年代，米其林公司將白炭黑加入輪胎膠料中研發并首次提出“綠色輪胎”的概念，降低了輪胎的滾動阻力。

白炭黑可用SiO2·nH2O表示，具有多孔性，其中nH2O以表面羥基的形式存在，極性較強。按照生產方法的不同，可以分為沉淀法白炭黑與氣相法白炭黑。白炭黑的顆粒越小，與橡膠的接觸面積越大，增強效果越好，所以細化白炭黑顆粒是改善其增強性能的有效手段。同時由于白炭黑表面大量羥基的存在，導致它在橡膠基體中容易發生團聚現象，使橡膠混煉難度加大、綜合力學性能降低。目前大部分研究是利用化學改性的方法對白炭黑進行表面改性，使白炭黑能更加均勻的分散到橡膠中，增強白炭黑與橡膠的結合能力。其中化學改性方法主要有包覆性改性、偶聯型改性和隔離性改性。除了炭黑、白炭黑外，人們又研發了納米碳酸鈣、納米氧化鋅等粉狀納米填充材料，短纖維、木質素等纖維狀納米填充材料和石墨烯、層狀硅酸鹽等層狀納米填料。這些新型填料具有一定的增強橡膠力學性能的特性，還能帶來減輕輪胎質量、降低能量損耗等效果，近年來得到業界的關注，有一些應用報道具有參考借鑒意義。

2 優化輪胎結構設計

對于輪胎結構設計優化，利用有限元分析的方法可以快捷高效的進行數值模擬分析，避免了模具制作、密煉、膠部件準備、成型、硫化等一系列復雜工序的資金投入與時間投入，大大節省了研發成本，是目前輪胎結構設計的主流研究方法[3]。

2.1 外型設計

輪胎外型結構一般包括：胎冠、胎肩、胎側、帶束層、冠帶層、簾線層、鋼圈、三角膠條等組成。通過優化輪胎外型結構降低滾動阻力，最核心的方法是使輪胎輕量化。加大帶束層角度、加大胎側輪胎裝飾線處厚度、減小胎面中心厚度(不包括花紋溝厚度)、減小帶束層鋼絲密度、減小帶束層寬度、減小冠帶層纏繞寬度、減小三角膠高度均有利于降低輪胎的滾動阻力。其中對滾動阻力影響最大的變量是帶束層角度和帶束層寬度，在不改變其他性能的前提下，應優先考慮通過改變這兩個量來降低輪胎滾動阻力。

2.2 胎面花紋

輪胎花紋作為胎面的一部分，直接影響著輪胎的牽引、轉向、滾動阻力和排水等性能。一般輪胎花紋按照方向分為縱向、橫向與斜向花紋，不同的花紋具有不同的功能。縱向花紋主要承擔排水的功能，同時起著輪胎散熱的作用，但其抓地力不足；橫向花紋增強了輪胎的抓地力，彌補了縱向花紋的不足。影響輪胎滾動阻力的顯著因素是縱向花紋溝的寬度、縱向花紋溝的深度和橫向花紋溝的深度。輪胎滾動阻力隨縱向花紋溝寬度和深度的增加而增加，隨橫向花紋溝深度的增加而降低，隨縱向花紋溝間距的增加而降低；斜溝槽的角度比深度對輪胎滾動阻力的影響更大，斜溝槽與橫向的角度越小，輪胎的滾動阻力越小。

3 優化輪胎加工工藝

綠色輪胎制造工藝流程主要包括：混煉工序、壓延與壓出工序、鋼絲圈制造、裁斷工序、成型工序、噴涂工序、硫化工序、檢測工序[4]。目前對綠色輪胎加工工藝的研究主要是集中在混煉工序和硫化工序上。

3.1 混煉工序

混煉工序是橡膠輪胎加工過程中的第一道工序，直接關系著產品的質量，一般分為兩段混煉或三段混煉。不同配方的輪胎，他們的混煉條件是有區別的，這需要根據實驗進行調試。在調試的過程中主要考慮混煉初始溫度、填料順序、恒溫混煉溫度、恒溫混煉時間。一般來說，較高的一段混煉初始溫度能促進生膠的流動，更有利于填料的分散，減少滾動阻力；相對較長的恒溫混煉時間有利于增強劑的分散，也有利于填料間的化學反應，降低滾動阻力。混煉后的混煉膠往往被放在恒溫倉庫靜置一段時間，俗稱“停放”。通過“停放”，能夠有效釋放內應力，降低橡膠的收縮。混煉膠在“停放”的過程中會發生填料粒子的二次聚集，各項性能有所降低，使用壽命有所縮短。通過返煉，可以打破填料粒子的二次聚集，促進填料的再次分散，有效改善膠料的各項性能。在返煉過程中也要通過調節轉子轉速、返煉時間、返煉溫度、薄通次數。

3.2 硫化工序

在硫化工序中，硫化時間、硫化溫度、硫化壓力起著至關重要的作用。硫化時間的延長，對硫化膠的耐磨性、拉伸強度、回彈值影響不大，抗拉能力與抗撕裂能力下降，滾動阻力下降。硫化溫度的提升，加快了填料間的化學反應速度，硫化速率變大，但也降低了硫化膠的抗拉能力、疲勞性能、回彈性，增大了滾動阻力。

4 結語

綠色輪胎的生產是一個非常復雜的多工序過程。影響綠色輪胎最終性能的因素分布在各個環節中，將原材料選取、結構設計、加工工藝同時進行優化，需要在綠色輪胎制造過程中不斷的試驗、檢測，以選出最佳的改進方案。