专论综述
弹性体,20100825,20(4):88~92
CH INA
ELASTOMERICS
收稿日期6作者简介白雪涛()，男，湖北武汉人，在读硕士，研究方向为聚合物功能材料。
*吉林省科技发展计划项目(56)**通讯联系人
*
白雪涛1，窦艳丽1，牟建新2，孙国恩1，张春玲1*
*
(1.吉林大学材料科学与工程学院汽车材料教育部重点实验室，吉林长春130025;2.吉林大学化学学院，吉林
长春130012)
摘要：介绍了天然橡胶和合成橡胶在轮胎中半成品部件，胎面、胎侧、气密层、胎体、带束层和胎 圈的加工应用和性能特点，以及新型橡胶、环保再生橡胶和新材料技术在轮胎中的应用。根据近几年社会所倡导的安全环保的特点，轮胎的发展也更加趋向于绿轮胎、安全性更高的轮胎，因此新型橡胶材料的开发也必将成为轮胎领域的重要发展方向。 关键词：轮胎；橡胶；胎面；胎侧；气密层；胎体；带束层；胎圈；再生胶中图分类号:TQ 336.1
文献标识码:A
文章编号:10053174(2010)04008805
橡胶的应用十分广泛，包括飞机和汽车轮胎、传送带、降落伞、软管等。天然橡胶(NR)和合成橡胶(SR)的生产量约2/3耗用于运输和汽车工业，每辆车含有橡胶产品约100~145kg，而轮胎则占35%~55%。目前，我国汽车工业迅猛发展，与之密切关联的汽车轮胎业随之产量急增。随着人类环保意识的逐步增强、高速公路的快速发展及计算机技术的突飞猛进，人们对轮胎的性能提出了更高的要求，出现了低能耗、耐久、环保、智能等功能性轮胎。高性能轮胎的开发离不开胎用橡胶技术的开发
[1~9]
。
轮胎是由橡胶和骨架材料的复合体构成。轮胎的功能是固定在车辆的轮辋上，支撑着负载的车辆重量，传递着车辆的牵引力、制动力和侧向力(转向力)，减轻和吸收车辆在行驶时来自路面的振动和冲击，保证车辆与路面的附着性能，适应车辆的高速性能并降低行驶时的噪音。轮胎常在复杂和苛刻的条件下使用，它在行驶时承受着各种变形、负荷力以及高低温作用，因此必须具有较高的承载性能、牵引性能、缓冲性能。同时，还要求具备高耐磨性和耐屈挠性，以及低的滚动阻力与
生热性[10]饮料瓶提手
。轮胎中橡胶主要应用在以下部件中:
胎面、胎侧、气密层、胎体、带束层和胎圈[11~17]
。
下面就轮胎的不同部位的橡胶组成及作用进行简
要介绍。lc低通滤波器
1胎面
胎面是与路面直接接触的工作部件，提高胎面橡胶的性能是轮胎高性能化的重中之重。胎面的作用是防止胎体受机械损伤、传递车辆牵引力和制动力、缓冲轮胎在行驶过程中所承受的冲击。因此，要求具有良好的耐磨、耐刺扎性能、好的弹性和对地面的抓着性能。胎面性能由胎面花纹和胎面胶来决定
[18]
。
载重汽车和工程车辆的胎面以天然橡胶(NR)为主要胶种，同时以顺丁橡胶(BR)/丁苯橡胶(SBR)并用。轿车子午线轮胎胎面胶主要采用SBR 或者与NR 和BR 并用来改善性能。其中NR 具有优异的力学性能、抗湿滑性能、耐低温性能、耐磨性能和加工性能;BR 具有优异的耐磨性、耐寒性和弹性。SBR 是1种不饱和烃高聚物，它的优点是硫化曲线平坦，胶料不易焦烧和过硫化，耐磨性、耐热性、耐油性和耐老化性等均比NR 好。高温耐磨性好，适用于乘用轮胎，加工中相对分子质量降到一定程度后不再降低，因而不易过炼，可塑度均匀。硫化胶硬度变化小，提高相
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对分子质量可达到高填充。SBR的缺点是纯胶强度低，需加入高活性补强剂后方可使用。SBR 加配合剂的难度比NR大。因此，胎面胶多选择NR、BR和丁苯橡胶的二元或(和)三元并用组合。
为了开发新型胎面胶以满足高性能子午线轮胎的要求，人们相继开发了一些新型胎面用橡胶。1985年，德国H ls公司用苯乙烯、异戊二烯、丁二烯作为单体合成了商品名为estogr al的集成橡胶(SIBR)。1991年，美国Goodyear公司研究的SIBR胎面胶问世，商品名为Cyber。目前,SIBR 已引起国内橡胶界的广泛关注并成为研究开发的热点之一。中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司(简称燕化公司)、北京化工大学、大连理工大学都开展了此项工作的研究。目前,SIBR的研究正向官能化方向发展[18~23]。
用于胎面胶的还有乙烯基聚丁二烯(ViBR)橡胶，包括中乙烯基BR(MVBR)和高乙烯基BR (H VBR)。其中H VBR更受重视，当它与NR及SBR并用时，胎面胶的综合性能优越。
近年来为了资源的可持续发展，人们提出了绿节能环保轮胎的研发。由轮胎产生的滚动阻力消耗燃油占汽车总油耗的14.4%，而仅由胎面产生的滚动阻力就占轮胎滚动阻力的49%，其它部件的影响比例分别为：胎侧14%、胎体11%、胎圈11%、带束层8%、其余部件7%。因此降低轮胎的滚动阻力需要优化所有橡胶，而由胎面直接造成的油耗约占7.1%，降低胎面的滚动阻力并保证抗湿滑性能良好将是绿环保轮胎最基本的要求[24]。因此轮胎橡胶材料的轻质化以及改进橡胶材料滚动阻力性能成为
当前的研发课题。2008年4月朗盛公司研发的新型高性能橡胶助剂Nanopr ene可以使添加白炭黑的胎面胶具有较好的耐磨性、路面抓着性和较低的滚动阻力，使橡胶配方的改进取得了很大的进步。
2胎侧
胎侧是轮胎结构完整性的一个重要组成部分，具有保护胎体以防止轮胎受到侧向的物理和化学损伤，同时也是轮胎中最吸引人眼球的部位。胎侧上有轮胎的规格、气压等说明，靠近胎肩部位还有防擦线，靠近轮辋部位有装配线。因而，要求其胶料具有耐撕裂、抗屈挠性及抗热氧、臭氧老化性能优异，拉伸强度较高且伸长率大，使其承受大应变下的应力较低。同时要求胎侧胶有极好的流动性，焦烧时间长，以减少明疤和重皮，还要能经受住多次翻新[25~27]。
子午线轮胎的胎体较薄，传热快，在硫化过程中胎侧变形小，一旦胎侧有裂口易透水，就会使钢丝帘线生锈断裂。黑胎侧是轮胎用于保护胎体抵御天候老化的外表面。一般通过采用NR和BR 并用以提高耐疲劳性。NR和BR均有不饱和双键，经配合使胶料具有耐天候老化、耐臭氧老化、耐磨、耐撕裂和耐龟裂性能以及良好的疲劳寿命，但是这些不饱和的烯烃类橡胶会因断链反应导致聚合物降解，因而对它们臭氧老化的防护特别重要。防老剂包括TMQ(2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合体)、DTPD(N,N!-二甲苯基对苯二胺)和6PPD[N-(1,3-二甲基丁基)-N!-苯基对苯二胺]等。其中防老剂TMQ可以提高橡胶的耐热老化性和耐疲劳性[28]，而应用防老剂DTPD可提高轮胎的抗龟裂老化性能和变性能[29]。6PPD-
z轴线性马达C18具有较慢的迁移速率，可在橡胶中停留更久的时间，对橡胶能进行更长久的保护作用[30]。
为了提高轮胎胎侧胶的耐臭氧、耐屈挠性，人们研制出了1种新型以异丁烯为基的生胶，它集卤化丁基胶与三元乙丙(EPDM)橡胶性能于一体。这种新型聚合物综合了卤化丁基胶与EPDM 的性能：优良的耐臭氧性、动态性能、耐热性。还具有作为轮胎胎侧胶料的其它重要特征如耐屈挠龟裂性。ZH ANG,ROBIN等[31]在研究胎侧橡胶性能过程中，发现在EPDM中添加烷基酚多硫化物(APPS)使NR/BR/APPS-EPDM橡胶的伸长率、抗撕裂强度、抗疲劳性和动态粘弹性能有了较大的提高，从而可以提高轮胎在行驶过程中的舒适度和安全性。
3气密层
聚光体
对于子午线轮胎来讲，气密层是非常重要的部件，因为半钢子午线轮胎和全钢子午线轮胎几
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第4期白雪涛，等.橡胶在轮胎中的应用及研究进展
乎都是无内胎设计，如果气密效果不好，会造成空气和水分进入胎体和带束层内，使钢丝帘线锈蚀断裂，也使聚酯帘线与橡胶的粘合性降低，对轮胎的安全性产生极大的危害，而且这种危害是不容易被发现的，因此有人称气密层漏气等于子午线轮胎慢性自杀。
气密层一般使用溴化丁基橡胶(BIIR)。BIIR具有气密性好，耐气候老化、耐氧化、耐臭氧龟裂良好等优点。但是缺点是硫化慢，加工性能较差。因此气密层主要使用的是BIIR，改性的目的是提高丁基橡胶的活性，改善其与不饱和橡胶的相容性，提高自粘性、互粘性及共交联能力，同时保持丁基橡胶的原有特性。丁基橡胶溴化后除增加了交联位置外，同时也增强了双键的反应性。这是由于C Br键的键能较小，溴化丁基橡胶的硫化反应活性较高，所以其具有较快的硫化速度和较强的硫化适应性，而且与通用橡胶的共硫化性能较好[32~35]。
国外轮胎气密层大部分已经使用溴化丁基橡胶。除了丁基橡胶的卤化改性得到卤化丁基橡胶以外，近年来出现了星型支化丁基橡胶(star branched IIR,SBIIR)。美国Exxon公司推出了一系列星型支化的改性丁基橡胶，如SBIIR4266、4268,SBBIIR6222、6255及SBCIIR5066等。这些橡胶可以改进内胎及气密层的加工性能，也可以用作胎侧胶[7]。
在新型橡胶材料开发的同时，新助剂材料与橡胶的结合，也提高了橡胶原有的性能。2009年12月16日埃克森美孚化学公司开发的新材料Exxcore DV A技术将橡胶的柔性和弹性与塑料的低透气性组合在一起。与传统的卤化丁基橡胶气密层相比，可使轮胎的透气性提高7~10倍，轮胎的耐用性改性超过50%。气密层橡胶的保气性能的提高无疑会增加轮胎的使用寿命，并且提高在汽车行驶过程中的安全性能。当汽车受到刺扎时，气密层会降低漏气的速度，避免轮胎的突然爆裂[36]。
带束层
轮胎带束层是轮胎的扎箍，固定住帘线层的变形，承载很大的载荷，系钢丝帘线与橡胶的结合物。要求橡胶与金属牢固粘合，定伸应力较高。带束层是轮胎的主要受力部位，可保证轮胎在高速行驶时的尺寸稳定性，对胎体起到紧箍的作用，带束层的刚性影响轮胎的耐磨性、操控性和减少滚动阻力的作用。
带束层最适宜采用NR，小胎带束层可采用NR/SBR并用胶。为使带束层轻量化，其帘布以前采用玻璃纤维、高模量聚酯、强力人造丝等帘布，最近采用芳纶帘线，使用的NR/SBR并用胶比例不断变化。
子午胎成型时由成型鼓扇型块锁定胎圈，然后将贴合好的气密层和胎体充气，使形成接近于成品轮胎的形状，此时胎体帘布层胶料受到很大的拉伸应力。如未硫化胶的强度或自粘性过低，容易引起帘线间的胶拉开，造成不良效果，同时粘着力不足也会导致布层间或胎圈反包部件的脱层。因此，要求半成品有良好粘着力，这对未硫化胶的拉伸强度和自粘性要求较高，对硫化胶也要求有较高的拉伸强度和定伸强度。并且胎体钢丝和带束层钢丝直径在1mm左右，钢丝帘线按照一定结构缠绕而成，钢丝间存在缝隙。
5胎体
胎体对轮胎起到承载作用，胎体分为钢丝覆胶帘布和纤维覆胶帘布。胎体需要有充分的强度和弹性，以便承受强烈的震动和冲击，承受轮胎在行驶中作用于外胎上的径向、侧向、周向力所引起的多次变
形。
轿车子午线轮胎的胎体骨架材料以聚酯帘线或改性尼龙帘线为主，但一些高等级轮胎仍以人造丝帘线为主。胶料大部分用丁苯橡胶/天然橡胶体系，丁苯橡胶用量25份，尼龙冠带层的胶料与此类似。
6胎圈
胎圈使轮胎固定在轮辋上，经受与轮辋之间的摩擦，同时在轮胎受力时胎圈部位受到的应力较大，故其胎圈支撑刚度要求很大。而且从刚性的胎圈到柔软的胎侧之间的刚性变化要平顺过渡，这样才能把轮胎胎侧的屈挠点集中维持在轮
90弹性体第20卷4
胎断面水平轴附近，使胎侧能充分发挥其缓冲作用，减轻在胎侧装配线附近出现胎圈裂情况。胎圈主要使用的橡胶包括胎圈钢丝胶、三角填充胶。
轮胎钢丝圈用橡胶把多根钢丝粘合在一起，钢丝圈要求使用与钢丝粘合性好的高硬度橡胶，视不同轮胎，主要采用NR、SBR及它们的并用胶。
轮胎三角胶为钢丝圈上胎圈与胎侧的过渡层。一方面由高硬度橡胶通过中高硬度橡胶过渡到低硬度橡
胶，达到均匀变化的目的；另一方面也借此提高胎侧下端和胎圈部分的刚性。视轮胎规格不同，三角胶也由同一橡胶的2种甚至3种不同硬度的配方胶料复合制成，橡胶主要采用NR、SBR及其并用胶[37~38]。
7再生橡胶的应用
从可持续发展的角度出发，再生橡胶的使用可以为轮胎橡胶的发展提供一个全新的方向。近年来，再生胶和胶粉产品的细化程度越来越高，其胶料性能也在不断地提高[39]。再生胶性能的不断改进并应用于轮胎橡胶中不但降低了轮胎的成本，而且能够对橡胶的性能有一定的补强作用。ZH ANG等[40]在对再生胶进行表面改性处理后，将再生胶添加到橡胶中后增加了橡胶表面的附着粘合力，从而提高了橡胶的机械性能。
8结论
据报道国外科学家正在研究聚氨酯材料用于轮胎制造技术，但是橡胶以其优异的性能在轮胎使用上有着不可替代的作用。在当今世界能源紧缺的时期，以及注重以人为本的同时，人们更趋向于对绿环保轮胎，安全性能、环保性和智能化的需求。因此橡胶的研发应该体现在节油性能和再生橡胶的可持续利用，缺气保用安全性轮胎和能够自动调整轮胎在各种道路状况下行驶中的运行状态和压力变化的智能型橡胶。因此，橡胶新材料新技术开发必将成为轮胎领域的重要发展方向。
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Application of rubber in tire and research progress
BAI Xue tao1,DOU Yan li1,MU Jian xin2,SUN Guo en1,ZH ANG Chun ling1
(1.K ey Labora tory of Automobile Materials of Educa tion Ministr y,College of Mater ia ls Sci ence a nd T echnology,J ilin Univer sity,Changchun130025,China;2.College of Chemisty,J ilin Univer sity,Cha ngchun130012,China)
Abstr act:T his paper reviews the applications of NR and SR rubber in the tire,tread rubber,side wall of tire,inner liner,tirebody,belt,and rim of the wheel,and introduces also new r ubber,GT R and new material technologies applying in tire.In recent year s,according to the theme of protecting nature and reliability,the development of tir e is tend to green and safety higher tire.So the development of new r ubber material will become impor tant developing dir ection in the tire field.
Key words:tire;rubber;tread rubber;sidewall of tire;inner liner;tirebody;belt;r im of the wheel; ground tire rubber(GT R)
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