Panenka R
(德固萨公司，德国)
中图分类号: TQ33611 文献标识码:B 文章编号:100628171 (2003) 0320141206
随着世界上第一辆轿车的发明，汽车制造商就面临着提供较以前四轮马车乘坐更加舒适的问题。第一辆轿车配备的是乘坐非常不舒适的实心轮胎。随着汽车工业的发展，对汽车的研究不再只集中于汽车和发动机的设计上，同时还重视对轮胎的开发。
轮胎是汽车最重要的部件之一。轮胎的功能可以用以下特性来描述：滚动、传动、转向、承载、吸收和耐久性。 早期的汽车车轮只满足了滚动、转向和承载的要求，充气轮胎的发明是轮胎技术满足汽车化初期要求的一个重大突破。除了这些特性外，轮胎在滚动时的周期动态变形引起阻碍轮胎运动的阻力———滚动阻力，同时还产生机械能量向热量的转换。由于生热可造成轮胎胎面脱层等破坏, 因此要妥善控制轮胎的生热问题。
汽车工业的快速发展推动轮胎工业寻解决生热问题的方法。制造高速、高载、耐久性和抓着性良好的轮胎一直是轮胎工程师和配方设计人员面临的挑战。
电虾机电路图
控制轮胎生热已成为越来越重要的问题，已有人到了较好地控制轮胎周期变形的方案。配方设计人员的工作就是在降低生热与提高轮胎抓着力和耐磨性之间寻一种平衡。
1 改善轮胎生热性能的途径科室牌设计
轮胎生热性能的改善基本上采取以下两种方法: (1) 改进轮胎的结构; (2) 改进所采用的胶料。111 改进轮胎结构
不言而喻，汽车化初期的充气轮胎是斜交轮胎。起初轮胎的胎体使用亚麻布来增强和固定, 后来亚麻布被纤维帘布取代，因为纤维帘布能给胎体提供更大的柔韧性，并给轮胎带来更好的行驶舒适性。同时，如果增加胎体帘布层数，轮胎负荷也随之增大，轮胎的抓着力和转向性能也提高了。然而，由于当时的轮胎部件和材料所限，降低因动态变形造成的生热还存在着局限性，给轮胎工程师和配方设计人员改善轮胎生热性能带来了挑战。
在轮胎帘布制造商的支持下，轮胎工业通过开发由各种材料(如人造丝、锦纶)制造的不同结构帘布来应对这一挑战。虽然取得一些改进，但是直到子午线轮胎的开发成功，特别是钢丝帘线在轿车轮胎带
束层及载重轮胎胎体中的使用，才在这方面取得了真正突破，降低了轮胎生热，同时还将滚动阻力减小到前所未有的水平。
小麦草榨汁机通过减小轮胎结构质量还能进一步降低轮胎的生热和滚动阻力。
112 改进所用胶料
在改进轮胎结构的同时，化学家们正努力改进胶料以满足轮胎所期望的性能。影响轮胎性能的两大主要材料是聚合物和填充体系。
11211 聚合物
通过乳液聚合开发合成橡胶是改进轮胎性能的一个重要手段。采用丁二烯单体均聚而成的BR ，用丁二烯和苯乙烯单体以不同比例混合共聚所得的不同品种SBR 都是商品化的产品。这两种聚合物已成为轮胎生产的基本材料。
这些聚合物对轮胎性能，如耐磨性、抓着力和胶料滞后损失等产生较大的影响，而滞后损失决定了轮胎的生热和滚动阻力。滞后损失是指胶料动态变形时的能量损失，用损耗因子tanδ表示。
由于tanδ与聚合物的玻璃化温度T g 相互关联，该参数已成为选择适合的轮胎用橡胶的一个工具。图1 所示为tanδ与T g 的关系。轮胎的另一个重要特性———抗湿滑性也与T g 相互关联, 即T g 越小，抗湿滑性能也越低(见图2) 。但是, 较小的T g 却意味着较好的耐磨性能。
图1 tanδ与T g 的关系
A —钴系顺丁橡胶( Co2BR);
B —锂系顺丁橡胶(Li2BR) ;
C —乳聚聚丁二烯橡胶( E2BR);
D —乳聚丁苯橡胶( E2SBR ，苯乙烯质量分数为0115);
家具附件E —E2SBR(苯乙烯质量分数为
0124) ; F —E2SBR (苯乙烯质量分数为0140) ;
G —E2SBR (苯乙烯质量分数为0150) 。
图2 抗湿滑性与T g 的关系
A —顺式BR ;
B —E2BR ;
C —SBR(苯乙烯质量分数为
0115) ;D —SBR1500 (苯乙烯质量分数为01235) ;
E —SBR1516 (苯乙烯质量分数为0140) 。
一方面要保持在较低的T g 下有较小的tanδ和磨耗量，另一方面要保持在较高的T g 下有较好的抗湿滑性能，这种发展趋势迫使配方设计人员寻最佳的平衡。
溶液聚合技术的出现进一步提高了轮胎的特性。溶聚橡胶出现后，化学家们可通过改变苯乙烯和乙烯基的含量定向设计聚合物，从而开发了T g在一定范围内变化的聚合物(见图3) 。
这些不同的T g 数值使聚合物制造商能够提供特性范围较宽的产品，奠定了现代低滚动阻力
图3 不同SBR的T g
轿车轮胎的基础。低滚动阻力轿车轮胎的及时到来，满足了不断减小二氧化碳排放量的要求。11212 填充体系
采用工业炭黑作为轮胎胶料的补强填充剂, 在提高轮胎性能方面取得了一定的进展。在使用填充剂的初期只有灯烟炭黑，其比表面积约为20 m2 ·g- 1 ( CTA B 吸附法) , DBP 吸收值约为100 mL ·(100 g) - 1 。尽管对轮胎胎面胶来说灯烟炭黑的比表面积非常小，但是，与以前所使用的填充剂(如氧化锌) 相比，它还是提高了轮胎的耐磨性能。采用槽法炭黑，特别是采用炉法技术生产炭黑改变了这种情形。通过改变炉法炭黑的生产参数，可以获得比表面积不同的炭黑。初期的炉法炭黑技术只能使炭黑的比表面积发生变化( 见图4) ，后来炭黑生产者学会了如何通过在炉法炭黑加工期间加入添加剂来改变炭黑的结构( 见图5) 。
目前，配方设计人员能够通过使用高结构低填充的炭黑来平衡轮胎的特性，从而降低轮胎的生热。
图4 炭黑比表面积的变化
图 5 炭黑结构的变化
1121212 新型炭黑
随着汽车工业的进一步发展 ，车辆配有功率 更大的引擎 ，载质能力提高了 ，汽车的负荷也随之 增大 ，对降低轮胎生热提出了更高的要求 。不断 改善轮胎性能是对炭黑工业的一项挑战 ，并由此
导致了所谓“改性炭黑”的研究开发 (见图 6) 。五行果蔬
结构的炭黑产品 (见图 8) 。
图 8 炭黑等级
这些炭黑使轮胎生产者可根据轮胎各部件的
功能来生产不同的胶料 。
降噪轮胎
然而 ，品种较多的炭黑使配方设计人员在试 图降低轮胎生热时遇到了进退两难的局面 。这可 从图 9 得到证实 。图 9 中载重轮胎胎面胶配方的 示例显示了从大比表面积到小比表面积的一系列 炉法炭黑在恒定填充量时对生热和损耗因子 tan δ的影响 。由于在 60 ℃下测定的 tan δ与滚动 阻力相互关联 ，图 9 还显示了炭黑品种对滚动阻 力的影响 。
图 6 改性炭黑
改性炭黑不仅提供了较高的耐磨性能 ，还降 低了滞后损失 ，因此减小了 tan δ值 。图 7 所示为 普通炭黑与改性炭黑之间不同的 tan δ值 。
具有较高耐磨性能的改性炭黑可以在不牺牲 耐磨性能的情况下替代较大比表面积的炭黑 。通 过采取该项措施 ，可以在保持胎面磨耗不变的情 况下进一步降低轮胎的生热 。
这一成果使我们获得了各种不同比表面积和
图 7 改性炭黑与普通炭黑对比
图 9 炭黑对生热的影响
炭黑的“活性”越高 ，其比表面积越大 ，耐磨性 能越好 ，但是生热和滚动阻力也随之增大 。轮胎 胎面胶中只能使用比表面积超过炭黑 N330 的高 活性炭黑 。 图 9 还清楚地显示了虽然炭黑 N772 的生热 最为理想 ，由于受耐磨性能的限制 ，胶料性能达不 到胎面胶的要求 。 德固萨公司生产的 Ecorax 2炭黑 ( EB 炭黑) 能 够降低轮胎的生热和滚动阻力 ，是新品种炭黑的 代表 。图 10 显示了 EB 炭黑的特性 。
Ecorax 属于一个所谓的“纳米结构炭黑 ”家
图10 EB炭黑的特性
族。其粗糙的微结构有别于普通炭黑，该结构阻碍了聚合物沿填充剂表面滑移，从而产生较小的能量损耗和生热(见图11) 及滚动阻力(见图12) 。
图11 生热(固特里奇屈挠试验机测定)
1 —N358 ;
2 —EB167 ;
3 —N115 ;
4 —参比炭黑;
5 —EB169 ;
6 —N234 ;
7 —EB171 ;
8 —N121 ;
9 —EB172 。
图12 滚动阻力( ta nδ)
注同图11 。
1121213 白炭黑/ 硅烷体系
使用沉淀法白炭黑与其它填充剂体系所进行的试验显示，填充大比表面积白炭黑胶料的损耗因子tanδ与半活性炭黑相同或者甚至更小(见图13) 。这一事实已受到配方设计人员的重视。但是胎面胶中不能使用纯白炭黑，因为它的耐磨性能太差。即使少量的白炭黑也会降低轮胎胎面胶
图13 白炭黑与炭黑的对比
的耐磨性能。
德固萨公司化学家开发的双官能团有机硅烷偶联剂TESPT ( Si69) 使沉淀法白炭黑的应用取得了突破
性进展。该偶联剂能够在胶料混炼期间与填充剂表面上的反应基团发生反应，并在硫化期间与聚合物反应产生填充剂2橡胶化学交联键, 从而极大地提高了耐磨性能，并降低了生热。图14 显示了与图9 中相同的关系，但补充了两种胶料，一种是用白炭黑/ 硅烷体系替代50 %的炭黑, 另一种是用该体系替代100 %的炭黑。现在能够用白炭黑胶料达到半活性炭黑的生热和滚动阻力，但对耐磨性能没有太大影响。
由于对载重轮胎降低生热的要求强烈，因此白炭黑/ 硅烷体系首先应用在载重轮胎上。但是, 在试验过程中发现载重轮胎胎面胶的耐磨性能还不够好。
对载重轮胎的胎面基部胶来说，耐磨性能并不是很重要的, 然而使用白炭黑/ Si69 体系替代炭黑可大幅度降低生热。
对白炭黑/ 硅烷体系用于轿车轮胎的长期开
图14 降低生热
×—白炭黑/ 炭黑(1∶1); ●—白炭黑;
■—胎面炭黑; ▲—胎面基部炭黑。
发，最终得到了低滚动阻力轮胎，也称“白炭黑轮胎”。这种轮胎采用溶聚丁苯橡胶( S2SBR) / BR 并用、白炭黑和偶联剂TESPT。当今，除了使用偶联剂TESPT 外, 还使用了诸如德固萨公司的Si75 或Si266 等二硫烷类有机硅烷( TESPD) 。它们可提高胶料的混炼和加工安全性，但不改变轮胎的使用性能。使用这种聚合物/ 填充剂体系能够打破所谓的轮胎性能“魔三角”———滚动阻力、耐磨性和抗湿滑性之间的依赖关系。
2 轮胎生热现状与展望
由于轿车轮胎和载重轮胎的性能不同，因此对它们的生热情况分别进行了汇总。
211 轿车轮胎
耐磨性、抓着性和滚动阻力是轿车轮胎最重要的性能。生热对轿车轮胎的影响不是很大。
在轮胎的开发过程中，改性炭黑取代了普通炭黑，因此，使用比表面积较小的炭黑可保持轮胎的耐磨性，并改善滚动阻力。
白炭黑/ 硅烷偶联技术与溶液聚合物一起首次提供了同时改善滚动阻力和湿路面抓着力(特别是使防抱死制动) ，而且还有保持胎面耐磨性的可能性。由于像德固萨的Ultrasil 7000 GR 等高分散性白炭黑有较好的分散性，它的开发成功使轮胎的耐磨性能提高到使用炭黑的水平( 见图15) 。
白炭黑和炭黑的使用提高了轮胎技术的发展水平。在轮胎制造商努力降低滚动阻力时，配方设计人员和化学家需要注意以下发展方向:
图15 轮胎性能的“魔三角”
(1) 在胎面胶中尽可能使用白炭黑，而尽量少用炭黑。
(2) 通过采用白炭黑/ 硅烷偶联技术，用新型低比表面积的高分散白炭黑替代胎面基部胶中的炭黑。
(3) 将来可能出现新的功能型填充剂。
(4) 在纳米技术领域的研究将会产生新的填充体系。
212 载重轮胎
载重轮胎中主要使用的聚合物是NR 。载重轮胎又分斜交轮胎和子午线轮胎两种结构。
斜交轮胎主要是在那些路况不适合应用子午线轮胎的国家中使用。对这类轮胎来说，胎面耐磨性和生热都十分重要。
对于钢丝带束层子午线轮胎，胎面耐磨性和滚动阻力也从淘汰传统炭黑开始。基于像轿车轮胎一样的原因，在载重轮胎中也使用改性炭黑替代普通炭黑。
在载重轮胎胎面胶中应用白炭黑/ 硅烷体系因其耐磨性能不佳而没有获得成功。只是在专用轮胎中，与偶联剂TESPT 一起使用了15 份白炭黑。然而，白炭黑/ 硅烷体系却在胎面基部胶中得到了应用，并可降低生热和滚动阻力。
降低载重轮胎生热和滚动阻力的方法是使用EB 炭黑，它能在不损失耐磨性的情况下提供较小的生热和滚动阻力(见图16) 。虽然EB 炭黑在降低生热和滚动阻力方面没有像白炭黑那样显著, 但却达到了其它炭黑所不能达到的水平，因此，在胎面胶配方设计中得到了应用。
图16 27 000 km 后磨耗/ 滚动阻力对比的最终结果
对安装在驱动轴上的载重轮胎(315/ 80R2215) 进行测试。
1 —胎面磨耗;
2 —滚动阻力。
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