第38卷第3期2011年3月世界橡胶工业World Rubber Industry Vol.38No.3：30 35
Mar.2011
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刘
霞
（西北橡胶塑料研究设计院，陕西咸阳712023）编译
摘要：
文中介绍了各种新型轮胎（如特级宽断面轮胎、聚氨酯轮胎、安全轮胎和多胎腔轮胎
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等），并对它们所使用的弹性体材料和配合剂都作了详细的阐述，最后对轮胎的发展趋势进行了预测。 关键词：
轮胎；最新进展；聚氨酯轮胎；安全轮胎
中图分类号：TQ 336.1
文献标识码：B
文章编号：1671-8232（2011）03-0030-06随着轮胎材料、结构和制造技术的进步出现了新型轮胎，开发了新的轮胎市场。轮胎制造技术和结构工艺的共同改进，使得当前轮胎的设计不仅要满足特殊使用目的的需要，而且还要能改进其加工性，如生产更高效、成本更低廉，而且产品更均匀。汽车制造商的要求及其用户期望值的不断
提高，
促进了新产品技术的创新。令人着迷的产品仍将继续发展，以适应新的要求—安全、健康和环保，利用新型材料（如纳米复合材料、等离子表面改性炭黑）的优点，并跟随计算机仿真技术的发展，最终开发可控轮胎或智能轮胎。
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FABS-034材料
为支持并满足该需求，对轮胎原材料进行了全方位开发，其中包括弹性体、新型纳米填料、表面改性或等离子处理填料、补强材料［如芳香族聚酰胺、聚萘乙烯酯（PEN ）和碳纤维］、无亚硝胺硫化剂、防老剂和抗臭氧剂、系列二次硫化稳定剂、环保操作油等。1.1弹性体 具有优异的力学性能及与钢丝帘线能牢固粘着的弹性体一直是卡车子午线轮胎制造商们的首选材料。
在现有的合成橡胶中，溶聚丁苯橡胶（SBR ）正广泛地替代乳聚SBR 用于制造乘用车子午线轮胎。由于溶聚SBR 不含有机脂肪酸，因此，更能控制微结构。这使得其具有更好的物理性能（如更低的滚动阻力和更大的湿路
面抓着力），
对超高使用性能（UHP ）的轮胎和其他轮胎来说是一个最为严格的要求。利用钕催化剂制备的充油丁二烯橡胶具有非常高的顺式含量，非常高的相对分子量和窄的分子量分布。该聚合物表现出良好的物理性能和较高的耐磨耗性，但加工困难。最近，Bridgestone 公司发布了在合成工艺方面的进展，该工艺是在分子链末端将高顺式丁二烯橡胶（BR ）与白炭黑进行化学键合，
生产具有最好使用性能且更耐磨的轮胎。Bridgestone 公司开发了两种技术，
并将两种技术结合使用，使最终功能化的高顺式丁二烯橡胶具有与白炭黑的反应性。第一种技术是聚丁二烯在链端上带有一个活性点，再开发聚合催化剂并将单体分子转化成了聚合物链。第二种技术是通过与精心设计的官能化助剂反应，
将链末端的活性点化学转为白炭黑-活性官能基团。Bridgestone 公司称，如果新型胶料通过无孔技术（纳米结构取向性能控制技术）用于轮胎胎面的话，轮胎在寒冷条件下的柔软性应有所改善，在温暖条件下仍能保持其硬度。1.2
补强填料
将炭黑混入到聚合物中以满足几项要求。最严格的要求是使胎面具有良好的耐磨性、低的滚动阻力和优越的牵引性能。在这些性能中，
如果一种性能改善后，其他性能就会下降。这三个相关的性能有时被称为魔术三角形（图1）。近年来，世界上领先的炭黑生产商已生产出新的炭黑品级来满足这些相互矛盾的要求。
图1魔术三角形
最近发明了许多项补强填料技术，其中包括新品级白炭黑的研制及使用，双相填料的开发，改善了轮胎使用性能的纳米技术和生物填料的出现（如轮胎胎面用玉米淀粉，固特异公司的生态型轮胎），聚合物填料以及作为回收材料和生态型填料用的橡胶粉。
将可高分散的白炭黑、硅烷和高乙烯含量的溶聚SBR一起使用，满足了苛刻的“魔术三角形”的要求，如良好的干、湿路面牵引力、降低了的胎面磨耗和滚动阻力。高分散和高比表面积白炭黑使轮胎的滚动阻力下降了近40%，生热下降了约30%。
使用炭黑和白炭黑并用的填料以及偶联剂后（双相填料技术），轮胎胎面胶料显示出低的滚动阻力，同时具有良好牵引力和抗滑性。采用等离子体技术改性的炭黑及纳米结构炭黑都是最新的填料。
炭黑-白炭黑双相填料降低了轮胎的滞后，同时保持或改善了耐磨耗性。与纯白炭黑填料体系相比，该体系成本极低（因为偶联剂的用量很低），可用于生产半导电产品。使用双相填料比使用纯白炭黑填料，对加工设备的磨耗更小。但与传统炭黑相比，使用双相填料会增加胶料的成本。
用等离子体工艺替代不完全燃烧工艺制备的炭黑，即利用等离子体将烃类原料油直接分离为氢和炭黑，用该工艺生产出的炭黑具有预定的特性。
纳米炭黑是以粗糙表面为特征的新型炭黑，它增强了填料与聚合物的相互作用（见图2）。纳米炭黑阻止了聚合物分子在粗糙的纳米结构表面上的滑动，明显地减小了滞后性。这类炭黑完全符合卡车轮胎的要求，因为它除了具有低的滞后性外，还可改善胎面磨耗性
。
图2新型纳米结构炭黑
白炭黑填料和粘土实际上都是亲水的，而大多数聚合物却是憎水的。在这类聚合物-填料界面上产生了较大的表面能差异，从而引起大的相分离。偶联剂是改善白炭黑补强性能的方法之一，然而该方法要求采用耗时长并且多阶段的混炼工艺，消耗较多的能量。偶联剂在其他橡胶助剂存在的条件下效果非常低。最近开发的官能化填料解决了这一问题。官能化填料是一种新型填料，其表面化学性质有利于聚合物与填料的相互作用。这是一种通过给填料表面提供官能团，以改善橡胶的补强程度和聚合物与填料相互作用的适宜的方法。该填料在普通混炼温度下是稳定的，但在硫化期间能与橡胶基质反应。这就使填料粒子接枝到橡胶基质上，物理性能大大改善。聚集体的形状对填料在橡胶基质中的分布起着重要作用，受控的聚集体尺寸分布（ASD）也有助于胶料加工，它可以通过炭黑的表面化学改性实现之。
1.3纳米粒子和纳米复合材料
21世纪纳米复合材料的开发有了显著进展。目前，纳米复合材料的市场销售额为75 000000美元，预计到2010年会增到250000 000美元。这样的快速增长肯定会使轮胎工业在今后几年中材料需求产生较大的变化。聚合物纳米复合材料为有机-无机混合材料。在该材料中有机相（如纳米白炭黑、纳米氧化锌和纳米粘土）以纳米规格在有机聚合物基质中分布。纳米填料增大了比表面积，产生了更强烈的聚合物-纳米填料界面相互作用。聚合物复合材料表现出非常高的补强程度，高的热稳定性；降低了空气、蒸气和流体的渗透性，比传统填充复合材料的透明度好，阻燃，发烟量小。
长径比极高（1000 10000）的填料（如管状纳米碳）具有非常低的渗滤值（等量的补强需要的量较低）。因此，有可能配制出一种既能导电又具有“绿”轮胎（将少量的管状纳米碳添加到白炭黑填充的胶料中）的所有其他优
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第38卷第3期刘霞.轮胎技术的最新进展和发展趋势
点的胶料。
1.4增塑油/油
矿物油，也就是增量油中至少有1000种化学组分，它可用来降低胶料的成本及改善加工性能，也可用作增塑剂来改善低温性能和橡胶的弹性。矿物油一般是芳香油、石蜡油和多环芳香（PCA）材料的混合物。75%的增量油用于胎面胶、胎面基部胶和胎肩胶；10% 15%用于胎侧胶；大约5%用于内衬层，而不到10%用于普通乘用车子午线轮胎的其他部分。一个乘用车轮胎总计含有700g的油。
自上世纪七十年代以来人们作了大量的研究，或多或少地证明了PCA有可能致癌。出于对芳香油毒性的担心，所以开始使用无毒性增量油。这些无毒油品大多数为DAE（蒸馏芳香油抽出物）、TDAE（处理后的蒸馏芳香油抽出物）和MES（温和的抽出溶剂）。现有的增量油可由RAE（剩余芳香抽出物）、氢化环烷油（HNAP）和极其稳定的沥青质碳氢化合物的共混物所取代。低分子质量聚合物在混炼和加工期间也起着操作助剂的作用，将来有可能替代传统的操作油，它可以与橡胶一起硫化，并赋予橡胶良好的使用性能。
1.5补强材料/织物
目前有几种可用于轮胎增强的纤维。高模量低收缩率（HMLS）的聚酯（PET）通常多半用于乘用车子午线轮胎中，并赋予轮胎良好的综合性能。尼龙大量用于强度要求高的斜交轮胎中。人造丝因为在高温下能保持力学性能而成为欧洲地区对高性能轮胎增强帘线的首选。芳纶帘线能赋予轮胎超高的使用性能，但成本很高，因而限制了芳纶纤维在豪华车和跑车轮胎中的使用。
高性能PEN（聚萘亚乙基酯）有可能替代胎体中的人造丝或聚酰胺。PEN在这方面的应用目前正在亚洲和欧洲地区进行评估。目前，业已证明PEN的屈挠疲劳性能与PET和尼龙的相同，其韧性与人造丝的相当，这对胎侧的抗冲击性很重要。PEN优越的力学性能使得胎体只需使用较少的纤维，就能使轮胎质量更轻，汽车行驶更省油。
子午线轮胎需要配置带束层。钢丝是首选的材料，但现在已出现了用较轻的合成帘线替代的趋势。芳纶纤维是一种合成的替代品，但其价格过高。与芳纶纤维相比，PEN在低捻度下有良好的抗疲劳性，而且还有优异的压缩模量，这就可以显著降低耗油量。另外，聚酯纤维（如PEN）的使用为回收旧轮胎提供了更多的机会。
将胎冠衬垫层缠绕在胎肩或整个带束层上便可产生一个压缩力，抵抗带束层在高速下产生的离心力。尼龙6，6在高温下的收缩力很高，因此，通常被用于胎冠衬垫层中。已证明PEN帘线在高温下具有着与尼龙相似的性能，它是一种非常好的替代材料。Honeywell公司（先前Allied Signal公司）以商品名Pentex推出高韧性高模量PEN纤维。1999年1月，Pirelli 公司推出了Dragon EVO Corse系列子午线摩托车胎中以Pentex作为胎冠增强材料的轮胎。与尼龙或人造丝一样，PEN的高模量赋予这种新型轮胎在高温下使用所要求的尺寸稳定性。
普利司通为日本最大及全球排名第二的轮胎生产企业，它也在其Regno GR7000系列轮胎中用PEN帘线替代尼龙。除了尺寸稳定性外，含PEN的轮胎还使路面噪音降低了30%，使这种轮胎非常适合豪华型轿车（Lexus车）。
1.6后硫化稳定剂
天然橡胶（NR）的硫化返原特性引起了人们极大的关注。现已使用大量新型的化学助剂来提高NR抗
硫化返原性，其中包括锌皂活性剂（Struktol A73）、硅烷偶联剂（Si-69）、抗返原剂—Perkalink900及后硫化稳定剂—Duralink HTS和Vulcuren KA9188。这些助剂延长了轮胎的使用寿命，轮胎能多次翻新，因此，降低了原材料成本。
2产品
随着社会经济的发展，人们对轮胎的期望值也在提高。现在，越来越多的用户要求轮胎具有较大的行驶里程（胎面磨耗）、更低的生热性、能更好地驾驶（干路面和湿路面牵引力）及环保（如低滚动阻力、低噪音、更耐用及减少污染）。出于对用户要求的考虑，大多数轮胎制造商们已推出了几款新型产品。轮胎工业在近几年来取得了很大的突破，开发了特级单宽胎、
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·世界橡胶工业2011
安全轮胎、灵敏车轮系统、Tweel轮胎、实心轮胎（闭孔聚氨酯轮胎）和多胎腔轮胎。
2.1特级宽断面单胎
特级宽断面单胎通过降低底盘高度而增大了载重，减小了整个轮胎质量和滚动阻力
（RR），减少了浪费，从而减少了原材料消耗
。
图3特级宽断面单胎
2.2灵敏车轮体系
在灵敏车轮体系中每个灵敏车轮都装有电机。该电机不仅驱动车轮，而且还可减速及制动，因此，传统的盘式和鼓式制动系统有可能最终被淘汰。使用电机驱动车轮后大型传动和差动装置就会被废弃。
2.3聚氨酯（PU）轮胎
聚氨酯（PU）轮胎的质量与充气轮胎和内胎相等或者比之略轻，但其强度、耐用性及耐疲劳性则超过充气轮胎的300%，使用寿命是普通轮胎的4倍。PU轮胎的压力为30 175psi （1psi=0.007MPa），乘用轮胎的质量和坚固性通常与充气轮胎相当，用简单的安装工具便可将PU轮胎紧固在标准轮辋上。与传统轮胎和不漏气内胎相比，这些轮胎在价格上更具有竞争性。在实验室试验中这些轮胎显示出与充气轮胎相等或比之更好的性能。微孔聚氨酯轮胎是可回收的，磨损下来的材料还可用于鞋胶垫、载重车垫布、赛车道和非充气轮胎。微孔轮胎将是轮胎技术领域最大的革新之一。微孔PU泡沫由成千上万个微小的气泡组成，有无孔的，也有闭孔的，都被包裹在密实且非常硬朗的PU橡胶基质中。就防穿刺PU轮胎而言，PU 橡胶很容易从刚性变为柔性，因此，它是传统充气轮胎的极好的替代物。在PU轮胎中每个微孔都起着独立缓冲器的作用，因此穿刺一次不会引起整个轮胎跑气。此外，一旦尖利的穿刺物从轮胎取出，这些微小气泡又恢复到其初始的尺寸和状态，驾驶员又可以回到舒适和驾驶自如的旅途中。
2.4安全轮胎
通常，对汽车来说备用胎是很重的，它给车辆增加了不必要的负担。虽然，轮胎越来越安全和耐用，但仍有轮胎爆破的现象发生。多年来各轮胎公司一直在研究免用备用胎的技术。大多数轮胎公司已有了这种在胎中空气漏完之后仍能安全行驶一定里程的轮胎产品。这种自撑轮胎设置了有重型胎侧三角胶条，技术人员研究了硬度足以支撑重物，而且对轮胎过分变形时产生的极端温度有抗耐性的新的胶料配方。用具有超高拉伸强度的钢丝替代或补充安全轮胎用传统的聚酯或人造丝。然而，这种自撑轮胎的缺点是质量增加了，因而不利于降低滚动阻力和提高驾驶舒适性（图4）
。
图4安全轮胎的横断面
开发成功的其他安全系统中装有普通材料和独立内部支撑环，以防止轮胎因过分变形而从轮辋上脱落。
2.5安全轮胎的内压监测系统（TPMS）
目前，许多能监测轮胎温度和压力的新型智能产品正进入市场。这种智能产品对需要测试和保持轮胎工作压力，以减小轮胎磨损及燃油消耗为目的的车队驾驶员也是有利的。
2.6Tweel轮胎
米其林的新成果—Tweel轮胎是由4个部件组成的整体轮胎，它包括轮毂、聚氨酯轮辐、绕在轮辐外围的剪切带和胎面胶。Tweel轮胎的高横向强度提高了轮胎的转向性能。它可以设计成比普通充气轮胎大5倍的横向强度而不损失充气轮胎固有的驾驶舒适度。马路上的铁
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第38卷第3期刘霞.轮胎技术的最新进展和发展趋势
钉也扎不透它，胎面的使用寿命是目前子午线轮胎的2 3倍，而且，还可再次翻新。Tweel 轮毂功能与普通车轮的一样，由一个刚性连接件
连接轮毂和车轴。聚氨酯轮辐柔软，有助于吸收来自路面的冲击。轮辐上的剪切带有效地替
代了充气，分担了载荷。胎面的外观与传统轮胎相似（图5和6）
。布袋弹
图5
米其林Tweel
轮胎
图6
装配有Tweel 轮胎的轿车
2.7
汤杯
多胎腔轮胎
橡胶硬度
2006年2月，普利司通开发成功多胎腔轮
胎，该轮胎有3个独立的胎腔作为压力容器。经过广泛地开发和研究，该公司推出了全新的未来轮胎的外形。轮胎的内部由中心的一个主腔和两侧的副腔构成。每个腔的空气压力可以独立控制，因而就可以调整胎面与左、右胎侧硬度的平衡。这样确保了在任何情况下的理想接触，因此，可以更稳定、更舒适地行驶。也就是说，可以根据用户的需要调整使用性能（如舒适性和操纵性）。
由于轮胎分为3个部分，即使一个腔的空
气压力下降到0kPa （例如被钉子扎裂），其余的胎腔仍能支撑轮胎的质量。因而，轮胎还能
继续滚动一段距离（图7）。
3生产工艺
近几十年来，轮胎的生产技术经历了一系列变化，轮胎已成为一种高技术产品。不同公
司采用不同的技术进行竞争。然而，主要的大轮胎公司正试图开发模块式生产体系，如米其林开发的
C3M 。皮列宁开发的MIRS （模块式集成自动系统），普利司通开发的BIRD （Bridgestone 创新合理开发）或固特异开发的IMPACT （集成生产的精密组装泡沫技术）
电动拖布。
图7多胎腔轮胎
4
未来原材料需求的挑战
性能需求、环境问题和可再利用材料的成
本将是对未来原材料的主要要求。为了解决因大量废轮胎而对环境造成的破坏，未来对橡胶材料的开发主要集中在热塑性聚合物的开发（使用过的聚合物通过热处理和分解而再利用，通过辐射或将化学药品加入由辐射而活化
的橡胶胶料中进行生物降解）及生物降解型聚合物的开发。
具有星型支化结构的溶聚SBR 、α-甲基苯乙烯品级的SBR 和高苯乙烯ESBR 正在取代传统的SBR 品级。催化体系BR 、环氧化NR 和作为NR 替代物的合成IR 由于各种原因而得到越来越广泛的应用。实心轮胎中聚氨酯的使用改善了填充性能与气味相关的问题，溴化丁基橡胶普遍替代氯化丁基橡胶，满足了日益增长的使用要求。
在补强材料中，制造商最感兴趣的是改善了轮胎耐久性的双浸渍聚酯、
改善了轮胎粘合性的经等离子处理的纱线、可用于带束层的芳纶帘线及PEN 。其他令人关心的话题还有可改善橡胶与金属粘合性能的新型钢丝帘线，提高了橡胶与金属结合力的新型钢丝镀层配方。
补强材料的一个重大突破是开发了纳米纤维，它在聚合物基质中可定向排列并赋予聚合物高强度。此外，还成功开发了在聚合物结构内使平面结晶对柔性非结晶相进行补强的分子结构，生产不用织物增强的轮胎。
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43·世界橡胶工业2011
5技术挑战
高速公路的急剧增加需要更快速、低成本、
高行驶里程及低油耗的轮胎。随着发展中国家开采业和基础工业的快速发展，他们对越野轮胎（OTR ）提出了更高的要求。新的轮胎技术不得不面临因更快速运行的现代车辆、安全规则，农业机械化和建筑工程的变化而产生的新的需求，面临原油价格的不断上涨和产品竞争等方面的挑战。
现在十分需要提高技术水平来应对发展中
国家90% 95%的轮胎子午化，
H 和V 级轮胎逐渐成为主流，满足提高行驶和驾驶性能、降低
噪声和滚动阻力，提高湿路面防滑性等方面的要求。高行驶里程和高性能都是未来将要面临的挑战。轮胎子午化会来得更快些。LT （小型载重汽车）轮胎用于短运距和陡峭的地形，其均匀性、平衡性、湿路面防滑性等成了强制性要求。
斜交胎继续面临着子午线轮胎的挑战。斜交胎在高载重和高速度下需要达到更长的行驶里程。上涨的燃油价格增大了成本压力，因此高行驶里程、节约燃油和更好翻修性成为独特的亮点。农业机械化使农场和OTR 轮胎的需求大增。HP 拖拉机备用胎将为大型轮胎，延长行驶里程和改善耐切割性是子午线轮胎技术上
存在的主要拦路虎。
6未来发展
较低的汽车轮胎扁平率、较高的卡车轮胎
载重能力以及缩小卡车轮胎尺寸是轮胎发展的主要方向。农用轮胎和越野轮胎需要更高的行驶速度、
更好的驾驶舒适性和更高的牵引性能。开发先进的高强度的增强材料可使轮胎的质量
减轻，厚度减小。预期将继续利用新兴技术以满足更多用户的需要并适应新的实际应用条件。由于汽车的前部和后部会承受不同的载重，故在胎面的外侧和内侧要进行不对称的胎面设计，刻有不同的花纹以调节接触地面时两个半径上的接触力，特别是拐弯时的接触力。通过使用计算机缩短了轮胎研发的时间，提高了轮胎的品质。用户对性能要求的提高使得轮胎的设计更加个性化。不同车辆需要不同的轮胎，要与每种车辆的具体特性和悬架相协调。胎肩和胎冠用不同材料，可制成综合性能
最佳化的“分段式”轮胎，或在胎面中间设置较宽且较深的纵向花纹沟以便于排水、防止滑水，
这叫做分段胎面结构。继续研究轮胎漏气后仍能行驶一定距离，以免除使用备用胎。压力报警装置是另一项研究内容，它可提供报警信号并给驾驶者提供足够的时间，使其能尽快到达
最近的维修点［1］
。参考文献：
［1］Arupk.Chandra.Tire technology-recent advances
and future trends ［J ］.Rubber World ，2007.236（6）：27-32.
［责任编辑：翁小兵］
收稿日期：檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨殎殎
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2009-
01-12信息传真
固铂轮胎逾1亿美元增资中国工厂
固铂轮胎橡胶公司2011年3月3日宣布，其在子公司库博建大轮胎（昆山）有限公司的股份将
自50%提高到100%。此次增持股份投资额为1.165亿美元，2011年3月15日透过全资控股的子公司完成交割。
自交割完成后，该子公司经政府批准后将更名为固铂轮胎（昆山）有限公司。该子公司目前生
产多种轿车及轻卡轮胎销往北美及欧洲，未来也销往中国国内市场。
（钱伯章）
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53·第38卷第3期刘霞.轮胎技术的最新进展和发展趋势
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