改进绿色轮胎性能的方法

谢海粟(1.广饶县市场监督管理局，山东 东营 257300；

2.国家轮胎及橡胶制品质量监督检验中心广饶橡胶轮胎分中心，山东 东营 257300)

0 引言

2021年2月份，国务院印发了《国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》，提出要推进工业绿色升级，推行产品绿色设计，建设绿色制造体系；加强废旧轮胎再生资源回收利用。2021年3月5日，国务院总理李克强在2021年国务院政府工作报告中指出，扎实做好碳达峰、碳中和各项工作，制定2030年前碳排放达峰行动方案，优化产业结构和能源结构。一系列新政策的提出，进一步明确了橡胶轮胎未来发展方向—绿色轮胎。轮胎企业要紧跟国家要求，坚持以市场为导向，创新发展理念，坚定不移地走绿色轮胎、高质量发展道路。

绿色轮胎是指因采用新材料、新结构设计或新加工工艺，从而使得轮胎滚动阻力系数变小，进而降低耗油、减少废气排放量的子午线轮胎。在汽车行驶过程中，20%汽油燃烧产生的能量用来抵消汽车轮胎的滚动阻力。由此可见，使用低滚动阻力系数的绿色轮胎可以减少燃油能量消耗，从而达到节省燃油的效果。由于绿色轮胎是国家大力提倡的发展方向，本文主要从材料选取、结构设计、加工工艺三个方面分析改进绿色轮胎性能的方法，为绿色轮胎的研发提供参考。

1 优化胎面材料选取

改进绿色轮胎，最重要的出发点是在不明显降低轮胎耐磨性、抗湿滑性的前提下，降低轮胎滚动阻力系数。轮胎的滚动阻力，主要是由轮胎胎面部分与地面摩擦接触而来。因此，改进绿色轮胎，首先要从轮胎胎面入手。

1.1 橡胶原材料选取

天然橡胶(NR)是非极性橡胶，是一种可再生资源，具有优良的物理性能，综合性能较高。但因其在油、有机溶剂等非极性溶液中容易发生体积膨胀，故其耐油性、耐有机溶剂性能差一些。同时NR分子中含有不饱和双键，所以它的耐热氧化、抗紫外线性能差一些。鉴于上述原因，纯天然橡胶在绿色轮胎中应用并不广泛。目前都是用过氧化有机酸或过氧化氢与有机酸经化学反应，使NR形成环氧化基团结构的生胶，即环氧化天然橡胶(ENR)。ENR增加了天然橡胶的极性，具有抗湿滑性能好、气密性能优良、耐油性能强等诸多优点。ENR根据环氧化程度的高低，主要有ENR75、ENR50和ENR25三种，目前在绿色轮胎应用中最成功的是前两种[1]。丁苯橡胶(SBR)是用苯乙烯跟丁二烯为单体，经无规共聚产生的。按照聚合工艺，SBR分为乳聚丁苯橡胶(ESBR)与溶聚丁苯橡胶(SSBR)。因为SSBR比ESBR的分子量分布范围窄、分子链末端支链数更少，在与增强剂反应时，更容易形成紧密、互锁的结构，所以绿色轮胎用SBR主要研究方向还是在SSBR上。通过对SSBR加入官能团，使增强剂在橡胶基体中的分布更加均匀、分散，同时降低分子链端运动生热，从而降低滚动阻力。目前SSBR官能化方向主要包含在SSBR链末端引入含有N、Si、Sn等原子基团的链末端改性法；将3-巯基丙酸等极性基团加到SSBR大分子双键位置的链中改性法；用1,1-二苯基乙烯(DPE)衍生物官能化SSBR。

顺丁橡胶(BR)是由丁二烯单体聚合而成的具有规则结构的合成橡胶，是目前仅次于SBR的第二大合成橡胶。根据使用催化剂的种类，可以分为镍系BR、钴系BR、钛系BR和稀土系BR(NdBR)。NdBR比镍系BR具有更加优异的弹性、强度、耐磨性和更少的动态生热性，是制造低滚动阻力绿色轮胎的理想材料。目前对NdBR的研究主要集中在NdBR分子构成、分子量调整等方向。由于NR、SBR和BR具有较好的相容性，硫化速度也基本一致，所以在现实生产中，绿色轮胎的制造并不是仅选用单一橡胶原材料的，往往是选取不同材料并按照一定比例进行配比，从而达到调节胎面胶性能的效果。如：NR和BR混用具有良好的耐屈挠性能与抗切割性能，常用来制造胎侧胶；NR、SBR和BR按一定比例配比时，能制造出硫化胶动态力学性能良好、具有更低滚动阻力与更高抗湿滑性的轮胎。

1.2 橡胶补强剂选取

轮胎胎面作为汽车与地面的直接接触部分，不仅需要提供轮胎与地面的抓着力、吸收车轮在运动时产生的震动，还需要减少轮胎与地面的滚动阻力、避免轮胎被路面硬物刺破。这就要求轮胎胎面不能完全由橡胶制成，必须添加补强剂。早在20世纪初，炭黑就作为轮胎胶料的补强剂添加到胶料的配方中，由于炭黑的加入，大大增加了胎面的强度、硬度和耐磨性[2]。到了20世纪90年代，米其林公司将白炭黑加入轮胎胶料中研发并首次提出“绿色轮胎”的概念，降低了轮胎的滚动阻力。

白炭黑可用SiO2·nH2O表示，具有多孔性，其中nH2O以表面羟基的形式存在，极性较强。按照生产方法的不同，可以分为沉淀法白炭黑与气相法白炭黑。白炭黑的颗粒越小，与橡胶的接触面积越大，增强效果越好，所以细化白炭黑颗粒是改善其增强性能的有效手段。同时由于白炭黑表面大量羟基的存在，导致它在橡胶基体中容易发生团聚现象，使橡胶混炼难度加大、综合力学性能降低。目前大部分研究是利用化学改性的方法对白炭黑进行表面改性，使白炭黑能更加均匀的分散到橡胶中，增强白炭黑与橡胶的结合能力。其中化学改性方法主要有包覆性改性、偶联型改性和隔离性改性。除了炭黑、白炭黑外，人们又研发了纳米碳酸钙、纳米氧化锌等粉状纳米填充材料，短纤维、木质素等纤维状纳米填充材料和石墨烯、层状硅酸盐等层状纳米填料。这些新型填料具有一定的增强橡胶力学性能的特性，还能带来减轻轮胎质量、降低能量损耗等效果，近年来得到业界的关注，有一些应用报道具有参考借鉴意义。

2 优化轮胎结构设计

对于轮胎结构设计优化，利用有限元分析的方法可以快捷高效的进行数值模拟分析，避免了模具制作、密炼、胶部件准备、成型、硫化等一系列复杂工序的资金投入与时间投入，大大节省了研发成本，是目前轮胎结构设计的主流研究方法[3]。

2.1 外型设计

轮胎外型结构一般包括：胎冠、胎肩、胎侧、带束层、冠带层、帘线层、钢圈、三角胶条等组成。通过优化轮胎外型结构降低滚动阻力，最核心的方法是使轮胎轻量化。加大带束层角度、加大胎侧轮胎装饰线处厚度、减小胎面中心厚度(不包括花纹沟厚度)、减小带束层钢丝密度、减小带束层宽度、减小冠带层缠绕宽度、减小三角胶高度均有利于降低轮胎的滚动阻力。其中对滚动阻力影响最大的变量是带束层角度和带束层宽度，在不改变其他性能的前提下，应优先考虑通过改变这两个量来降低轮胎滚动阻力。

2.2 胎面花纹

轮胎花纹作为胎面的一部分，直接影响着轮胎的牵引、转向、滚动阻力和排水等性能。一般轮胎花纹按照方向分为纵向、横向与斜向花纹，不同的花纹具有不同的功能。纵向花纹主要承担排水的功能，同时起着轮胎散热的作用，但其抓地力不足；横向花纹增强了轮胎的抓地力，弥补了纵向花纹的不足。影响轮胎滚动阻力的显著因素是纵向花纹沟的宽度、纵向花纹沟的深度和横向花纹沟的深度。轮胎滚动阻力随纵向花纹沟宽度和深度的增加而增加，随横向花纹沟深度的增加而降低，随纵向花纹沟间距的增加而降低；斜沟槽的角度比深度对轮胎滚动阻力的影响更大，斜沟槽与横向的角度越小，轮胎的滚动阻力越小。

3 优化轮胎加工工艺

绿色轮胎制造工艺流程主要包括：混炼工序、压延与压出工序、钢丝圈制造、裁断工序、成型工序、喷涂工序、硫化工序、检测工序[4]。目前对绿色轮胎加工工艺的研究主要是集中在混炼工序和硫化工序上。

3.1 混炼工序

混炼工序是橡胶轮胎加工过程中的第一道工序，直接关系着产品的质量，一般分为两段混炼或三段混炼。不同配方的轮胎，他们的混炼条件是有区别的，这需要根据实验进行调试。在调试的过程中主要考虑混炼初始温度、填料顺序、恒温混炼温度、恒温混炼时间。一般来说，较高的一段混炼初始温度能促进生胶的流动，更有利于填料的分散，减少滚动阻力；相对较长的恒温混炼时间有利于增强剂的分散，也有利于填料间的化学反应，降低滚动阻力。混炼后的混炼胶往往被放在恒温仓库静置一段时间，俗称“停放”。通过“停放”，能够有效释放内应力，降低橡胶的收缩。混炼胶在“停放”的过程中会发生填料粒子的二次聚集，各项性能有所降低，使用寿命有所缩短。通过返炼，可以打破填料粒子的二次聚集，促进填料的再次分散，有效改善胶料的各项性能。在返炼过程中也要通过调节转子转速、返炼时间、返炼温度、薄通次数。

3.2 硫化工序

在硫化工序中，硫化时间、硫化温度、硫化压力起着至关重要的作用。硫化时间的延长，对硫化胶的耐磨性、拉伸强度、回弹值影响不大，抗拉能力与抗撕裂能力下降，滚动阻力下降。硫化温度的提升，加快了填料间的化学反应速度，硫化速率变大，但也降低了硫化胶的抗拉能力、疲劳性能、回弹性，增大了滚动阻力。

4 结语

绿色轮胎的生产是一个非常复杂的多工序过程。影响绿色轮胎最终性能的因素分布在各个环节中，将原材料选取、结构设计、加工工艺同时进行优化，需要在绿色轮胎制造过程中不断的试验、检测，以选出最佳的改进方案。