胎面胶对轮胎滚动阻力的影响
浅谈如何降低轮胎的滚动阻力
AUTO TIME103AUTO PARTS | 汽车零部件时代汽车 浅谈如何降低轮胎的滚动阻力随着全球汽车保有量的急剧增加，对石油能源的依赖程度在逐渐增加，能源问题和环境问题变得尤为显著。
随着环境保护和能源节约意识的增强，全球各个国家和地区越来越重视汽车的节能减排，制定了日益严格的油耗法规，希望敦促汽车制造厂商提升技术，达到节能减排的目的。
汽车厂商除了在车辆自重，发动机技术等方面进行改善，也对轮胎制造商提出了更严格的要求，因为轮胎滚动阻力性能对整车油耗的影响非常显著。
汽车在行驶过程中受到的主要力有行驶阻力，驱动力。
其中行驶阻力主要包括滚动阻力，空气阻力，内部摩擦力，有坡度时还需克服重力。
滚动阻力主要是因为轮胎在行驶过程中与路面接触，因承重所产生的变形会导致组成部件变热，将一部分由发动机传输来的能量损耗。
而低滚动阻力轮胎的出现，通过更低的滚动阻力减少所需驱动力，从而降低汽车的油耗。
有研究表明，滚动阻力每降低10%，乘用车的燃油经济性能可提高1%~2%。
影响滚动阻力的因素有很多，本文主要就轮胎的设计制造和消费者使用的两个角度进行探讨。
1 轮胎设计制造轮胎的设计制造，包括结构设计和配方设计两大方面。
1.1 结构设计1.1.1 轮胎子午化，无内胎化斜交胎是早期出现的一种轮胎结构，它郁镇寅同济大学 上海市 201804摘 要： 随着环境保护和能源节约意识的增强，全球各个国家和地区越来越重视汽车的节能减排，制定了日益严格的油耗法规，希望敦促汽车制造厂商提升技术，达到节能减排的目的。
本文主要就轮胎的设计制造和消费者使用的两个角度进行探讨。
关键词：轮胎；滚动阻力的优点是胎体坚固、负荷变形小、胎侧不易损伤、转向与制动性能良好等。
但同时因为结构所限，斜交胎耐磨性能较差，同时滚动阻力比较高，因此并不能满足快速发展的汽车对轮胎提出的性能要求[1]。
子午线轮胎是由法国米其林轮胎公司于1946年4月最先制造出来的，与斜交轮胎相比，子午线轮胎的结构特点是胎体帘线与轮胎径向成0o 角，相邻层的帘线不是相交而是相互平行，胎面与胎体之间有起箍紧作用的带束层。
微纳米辐射交联橡胶粒子对轮胎胎面胶抗湿滑性能的影响
㊀第４３卷第２期２０２２年４月㊀青岛科技大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fQ i n g d a oU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n )V o l ．４３N o ．２A pr ．２０２２㊀㊀㊀文章编号:１６７２Ｇ６９８７(２０２２)０２Ｇ００７９Ｇ０６;D O I :１０．１６３５１/j．１６７２Ｇ６９８７．２０２２．０２．０１２微纳米辐射交联橡胶粒子对轮胎胎面胶抗湿滑性能的影响彭㊀博,刘敬锐,王庆国∗(青岛科技大学高分子科学与工程学院,山东青岛２６６０４２)摘㊀要:应用超细全硫化粉末丁苯橡胶粒子(U F P S B R )制备了应用于轮胎胎面胶的U F P S ＧB R /溶聚丁苯橡胶(S S B R )/顺丁橡胶(B R )/白炭黑复合材料,并重点研究了U F P S B R 粒子对胎面胶复合材料抗湿滑性能的影响.动态热机械性能研究表明,U F P S B R 粒子能够明显提高轮胎胎面胶的抗湿滑性能,且不增加其滚动阻力;胎面胶表面微观形貌研究表明,U F P S B R 粒子增加了胎面胶表面的微观粗糙度,提高了胎面胶的浸润性,有利于湿滑地面水膜的刺破,进而丰富了U F P S B R /S S B R /B R /白炭黑复合材料的高抗湿滑性能作用机制.U F P S B R /S S B R/B R/白炭黑复合材料还具有良好的力学性能.关键词:胎面胶;复合材料;超细全硫化粉末丁苯橡胶粒子;抗湿滑性能;力学性能中图分类号:T Q３３６．１㊀㊀㊀㊀文献标志码:A引用格式:彭博,刘敬锐,王庆国．微纳米辐射交联橡胶粒子对轮胎胎面胶抗湿滑性能的影响[J ]．青岛科技大学学报(自然科学版),２０２２,４３(２):７９Ｇ８４．P E N GB o ,L I UJ i n g r u i ,WA N G Q i n g gu o ．I n f l u e n c eo f t h em i c r o Ｇn a n os c a l e i r r a d i a t e dr u b Ｇb e r p a r t i c l e o n t h ew e t s k i d r e s i s t a n c e o f t i r e t r e a d r u b b e r [J ]．J o u r n a l o fQ i n g d a oU n i v e r s i t yo f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ),２０２２,４３(２):７９Ｇ８４．收稿日期:２０２１Ｇ０４Ｇ０１基金项目:国家自然科学基金项目(５１７７３１０４,５１３７３０８５)．作者简介:彭㊀博(１９９４ ),女,硕士研究生．㊀∗通信联系人．I n f l u e n c e o f t h eM i c r o ＧN a n o S c a l e I r r a d i a t e dR u b b e rP a r t i c l e o n t h eW e t S k i dR e s i s t a n c e o fT i r eT r e a dR u b b e rP E N GB o ,L I UJ i n g r u i ,W A N G Q i n g gu o (C o l l e g e o f P o l y m e r S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ,Q i n g d a oU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,Q i n gd a o ２６６０４２,C h i n a )A b s t r a c t :I n t h i s p a pe r ,u l t r af i n e f u l l y Ｇv u l c a n i z e d p o w d e r e ds t yr e n e Ｇb u t a d i e n e r u b b e r p a r t i Ｇc l e s (U F P S B R )w e r eu s e dt o p r e p a r e t h eU F P S B R /s o l u t i o n Ｇp o l y m e r i z e ds t yr e n e Ｇb u t a d i e n e r u b b e r (S S B R )/c i s Ｇ１,４Ｇp o l y b u t a d i e n e r u b b e r (B R )/s i l i c a c o m p o s i t e s ,w h i c hw e r e a p pl i e d i n t i r e t r e a d r u b b e r ,a n de f f e c t so fU F P S B R p a r t i c l e so nt h ew e ts k i dr e s i s t a n c eo f t h et r e a d r u b b e rc o m p o s i t e sw e r ef o c u s e dt os t u d y ．S t u d i e so nd y n a m i c m e c h a n i c a l p r o pe r t i e ss h o w t h a tU F P S B R p a r t i c l e s c a n s i g n if i c a n t l y e n h a n c e t h ew e t s k i d r e s i s t a n c e o f t h e t i r e t r e a d r u b Ｇb e rw i t h o u t i n c r e a s i ng i t s r o l l i n g r e s i s t a n c e ．S t u d i e s o n th e s u r f a c emi c r o Ｇm o r p h o l o g y of t h e t r e a dr u b b e r s h o wt h a tU F P S B R p a r t i c l e s i n c r e a s e t h em i c r o Ｇr o u gh n e s so f t h e t r e a dr u b b e r s u r f a c e ,i m p r o v e t h ew e t t a b i l i t y of t h e t r e a d r u b b e r ,a n d f a c i l i t a t e t h ew a t e r f i l m p i e r c e do n t h e s l i p p e r yg r o u n d ,th e r e b y e n ri c h i n g t h eU F P S B R /S S B R /B R /s i l i c ac o m p o s i t e s ᶄh i ghw e t青岛科技大学学报(自然科学版)第４３卷s k i dr e s i s t a n c e m e c h a n i s m．A l s o,t h e U F P S B R/S S B R/B R/s i l i c ac o m p o s i t e s p o s s e s s g o o d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s．K e y w o r d s:t r e a d r u b b e r;c o m p o s i t e s;u l t r a f i n e f u l l yＧv u l c a n i z e d p o w d e r e ds t y r e n eＧb u t a d i e n e r u b b e r p a r t i c l e s;w e t s k i d r e s i s t a n c e;m e c h a n i c a l p r o p e r t y㊀㊀文献[１Ｇ５]指出,可通过－２０~２０ħ温度范围内的损耗因子(t a nδ)值表征轮胎胎面胶的抗湿滑性能,t a nδ值越高,表明胎面胶的抗湿滑性越好,通过５０~７０ħ温度范围内的t a nδ值表征胎面胶的滚动阻力,t a nδ值越小,表明胎面胶的滚动阻力越低.然而,随着绿色轮胎[６Ｇ９]的发展,单纯以材料在－２０~２０ħ温度范围内的t a nδ值作为胎面胶抗湿滑性能的评价标准[１０Ｇ１１]已不能满足要求,对轮胎胎面胶的抗湿滑性能作用机理有待进一步完善.值得注意的是,在湿滑地面上,由于水膜的存在,其厚度直接影响轮胎与路面的接触,从而影响胎面胶的抗湿滑性能[１２Ｇ１３].而水膜厚度和与其相接触的材料表面粗糙度有关[１４],水接触角的大小又可直接体现路面与轮胎之间的水膜厚度的大小.因此,结合胎面胶的动态热机械性能,可观察胎面胶表面微观粗糙度,并通过水浸润性来预测材料表面水膜厚度,以进一步表征其抗湿滑性能.超细全硫化粉末丁苯橡胶粒子(U F P S B R)[１５]是将丁苯橡胶乳液经高能辐射交联后干燥制得的微纳米级硫化橡胶粒子,具有凝胶含量高㊁溶胀指数低㊁粒径均匀且可控等特点,兼具有机和无机特性,为作为新填料应用到聚合物基体中提供了可能性. L I U等[１６]通过向天然橡胶(N R)中添加U F P S B R,使得N R的生热降低,湿抓着性能提高以及动态热机械性能改善.王清才等[１７]应用多种超细全硫化粉末橡胶粒子(U F P R)粒子改性S B R胶料,与S B R 胶料相比,U F P RＧS B R胶料的耐磨性能和抗湿滑性能均有提高.在前期工作[１８Ｇ１９]的研究基础上,本工作应用U F P S B R粒子改性融聚丁苯橡胶(S S B R)/顺丁橡胶(B R)/白炭黑胎面胶,制备出U F P S B R粒子改性胎面胶复合材料,重点研究U F P S B R粒子对胎面胶复合材料的动态热机械性能和表面微观形貌的影响,以期丰富U F P S B R/S S B R/B R/白炭黑复合材料的高抗湿滑性能作用机制.１㊀实验部分１．１㊀试剂及仪器丁苯橡胶乳液,苯乙烯质量分数６０％,淄博齐龙化工有限公司;三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(T M PＧT A),分析纯,质量分数ȡ９９ ９％,上海阿拉丁生化科技有限公司;溶聚丁苯橡胶(S S B R),牌号S S B RＧ５０２５Ｇ２HM,芳香烃油质量分数２７ ２７％,德国朗盛公司;顺丁橡胶(B R),牌号C BＧ２４,德国朗盛公司;硬脂酸(S A),８００型,高密友强助剂有限公司;氧化锌(Z n O),纯度９９ ７％,诸城翔泰氧化锌长;硫黄(S),纯度ȡ９９ ９％,高密高超橡胶有限公司;促进剂C B S,招远助剂有限公司;促进剂D㊁防老剂４０１０N A,深圳诸昌化工有限公司;白炭黑,１１６５M P,法国罗地亚;固体石蜡,上海懿洋仪器有限公司;硅烷偶联剂S i６９,南京道宁化工有限公司.喷雾干燥机,Y CＧ０１５型,上海雅尼仪器有限公司;激光粒度仪,N a n oＧZ S９０型,英国马尔文仪器有限公司;核磁共振交联密度测定仪,M RＧC D S３５００型,德国I I C公司;双辊筒开炼机,S(X)１６０A型,Φ１６２mmˑ３２０mm,上海轻工机械技术研究所;橡塑实验密炼机,X S MＧ５００型,上海科创橡塑机械设备有限公司;平板硫化机,X L１３Ｇ２０４Ｇ００３６型,青岛第三橡胶机械厂;电子拉力机,A IＧ７０００型,台湾高铁科技股份有限公司;邵尔A型硬度计,C Y XＧ２型,上海险峰电影机械厂;阿克隆磨耗试验机,G TＧ７０１２ＧA型,台湾高铁科技股份有限公司;动态压缩疲劳试验机,Y SＧ２５型,台湾高铁科技股份有限公司;动态热机械分析仪,D MA２４２/１/F型,德国耐驰公司;接触角测量仪,J C２０００X６型,上海中晨数字技术设备有限公司;激光扫描显微镜,O L S４１００型,日本奥林巴斯株式会社.１．２㊀U F P S B R/S S B R/B R/白炭黑复合材料的制备１．２．１㊀U F P S B R粒子的制备向丁苯橡胶乳液中滴加橡胶固含量３％的T M P T A,搅拌均匀,以辐射剂量为６k G y的高能电子束对该乳液进行辐照,将辐射硫化后的橡胶乳液喷雾干燥,制得U F P S B R粒子.１．２．２㊀U F P S B R/S S B R/B R/白炭黑复合材料的制备先将９６ ２５份(质量份,下同)S S B R(纯S S B R ７０份,芳香烃油２６ ２５份)㊁３０份B R和一定份数的U F P S B R粒子在开炼机上混炼一段时间,得到U FＧP S B R/S S B R/B R母料,将母料加入到密炼机中,并０８㊀第２期㊀㊀彭㊀博等:微纳米辐射交联橡胶粒子对轮胎胎面胶抗湿滑性能的影响加入３份Z n O ㊁１份S A 和１ ５份防老剂４０１０N A ,密炼１m i n 后加入７０份白炭黑和７份硅烷偶联剂S i ６９,混炼７m i n 后于１５０ħ排胶,待其放冷后,放于密炼机中返炼８m i n 后于１５０ħ排胶,然后置于开炼机上并加入２份促进剂D ㊁１ ５份促进剂C B S和１ ４份S 混炼均匀,薄通８次,下片,于常温下停放,制得混炼胶.将混炼胶在压力为１０M P a 的平板硫化机上硫化,硫化条件为１５０ħˑt ９０.１．３㊀测试与表征１．３．１㊀乳液粒径测定采用激光粒度仪测定U F P S B R 乳液粒径分布.将乳液稀释至其固含量的０ １％,取适量稀释后的乳液置于玻璃比色皿中,将比色皿置于激光粒度仪中,稳定２m i n 后,于２５ħ测试１２０s.１．３．２㊀凝胶含量测定采用索氏提取法测定U F P S B R 粒子的凝胶含量.将待测样品用镜头纸和铜网先后进行包裹,放于适量甲苯中,回流抽提２４h 后,用蒸馏水冲洗样品并于４０ħ真空干燥箱中干燥至恒重,根据公式(１)计算样品的凝胶含量x :x ＝m ０－m １m ０ˑ１００％.(１)其中,m ０和m １分别为样品测试前后的质量,g.１．３．３㊀交联密度测定采用核磁共振交联密度测定仪测定U F P S B R 粒子的交联密度,磁感应强度为３ ５A m －１,频率为１５MH z ,测试温度为６０~８０ħ.１．３．４㊀力学性能测试采用电子拉力机对胎面胶复合材料进行拉伸性能和撕裂性能测试,拉伸速度为５００mm m i n－１,参考标准分别为G B /T５２８ ２００９和G B /T５２９ ２００８;采用邵尔A 型硬度计对胎面胶复合材料进行硬度测试,参考标准为G B /T５３１ ２００８;采用阿克隆磨耗试验机对胎面胶复合材料进行磨耗性能测试,参考标准为G B /T１６８９ ２０１４;采用动态压缩疲劳试验机对胎面胶复合材料进行动态压缩疲劳性能测试,样品为Φ(１７ ８ʃ０ ２)mmˑ(２５ʃ０ ２５)mm 圆柱形试样,压缩室温度为(５５ʃ１)ħ,预热时间为３０m i n ,测试时间为２５m i n ,参考标准为G B /T １６８７ ２０１６.１．３．５㊀动态热机械性能测试采用动态热机械分析仪测试U F P S B R 粒子和胎面胶复合材料的动态热机械性能,试样为拉伸性能测试试样,采用双悬臂变形模式,频率为１０H z,温度范围为－８０~８０ħ,升温速率３ħ m i n－１,最大动态负荷２ ０N ,最大振幅１２０μm .１．３．６㊀水接触角测试采用接触角测量仪测定去离子水在胎面胶复合材料试样表面的接触角.将胎面胶复合材料试样分别经１０００＃和１８０＃砂纸打磨,用针形滴管在试样表面注射４μL 去离子水,连续抓拍照片至接触角数据稳定,量取稳定状态下试样表面的水接触角,每个样品分别选取３个不同的位置测量接触角,胎面胶复合材料的接触角为３次测量的平均值.１．３．７㊀表面微观形貌采用激光扫描显微镜观察经砂纸打磨的胎面胶复合材料的表面微观形貌.２㊀结果与讨论２．１㊀U F P S B R 粒子性能图１是U F P S B R 乳液粒径分布图.由图１可见,U F P S B R 乳液粒径分布在７０~２６０n m 之间,平均粒径约为１４６ ５n m ,表明U F P S B R 乳液粒径均为微纳米级别,且粒径分布较窄,满足使用要求.图１㊀U F P S B R 乳液粒径分布F i g．１㊀P a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o no f t h eU F P S B Re m u l s i o n ㊀㊀图２是U F P S B R 粒子的损耗因子及储能模量与温度的关系曲线.图２㊀U F P S B R 粒子的损耗因子及储能模量与温度的关系曲线F i g ．２㊀R e l a t i o n s h i p cu r v e b e t w e e n t a n δa n d E ᶄo fU F P S B R p a r t i c l e s a n d t e m pe r a t u r e １８青岛科技大学学报(自然科学版)第４３卷㊀㊀由图２可见,t a n δ值出峰位置在３０ħ附近,且０~３０ħ温度范围内的t a n δ值较高,由B O N D等[１Ｇ５]提出的橡胶动态热机械性能理论推测,采用U F P S B R 粒子改性胎面胶材料,将具有提高胎面胶复合材料抗湿滑性能的可能.凝胶含量和核磁共振交联密度研究结果表明,U F P S B R 粒子的凝胶含量和其交联点间的弛豫时间(T ２１)间接反映U F P S B R 粒子交联密度的大小,凝胶含量与交联密度成正比,T ２１与交联密度成反比.U F P S B R 粒子的凝胶含量高达９２ ７６％,T ２１低至０ ８３m s ,表明U F P S B R 粒子具有较高的交联密度.２．２㊀U F P S B R /S S B R /B R/白炭黑复合材料的力学性能㊀㊀表１为U F P S B R /S S B R /B R/白炭黑复合材料的力学性能.由表１数据可知,胎面胶复合材料的拉伸强度㊁断裂伸长率和撕裂强度均随U F P S B R 粒子添加份数的增加而呈现先增后减的趋势,表明少量的U F P S B R 粒子易于分散,可与基体形成良好的相互作用,同时,其特殊界面效应所产生的强吸附效应促进白炭黑在基体中的分散,形成了网络结构,增强材料抵抗破坏的能力,使胎面胶复合材料的耐刺性能提高,增加行驶安全性.但是,U F P S B R 粒子添加量过多易发生团聚而产生应力集中点,导致胎面胶复合材料的断裂伸长率明显低于基体材料.U F P S B R 粒子使胎面胶复合材料的硬度略有降低但无明显变化,表明胎面胶复合材料仍具有较好的刺破水膜的能力.U F P S B R 粒子能很好地降低胎面胶复合材料的相对磨耗体积,添加９份U F P S B R 粒子时,相对磨耗体积下降率高达６５％,表明U F ＧP S B R 粒子能够提高胎面胶复合材料的耐磨性能.胎面胶复合材料的压缩疲劳温升随着U F P S B R 粒子添加份数的增加呈明显的降低趋势,相比于S S ＧB R /B R /白炭黑复合材料,添加１５份U F P S B R 粒子的胎面胶复合材料的压缩疲劳温升降低了５ ９ħ,降低效果约２５％,同时,压缩永久变形率无明显变化,表明胎面胶复合材料具有良好的耐压缩疲劳性表１㊀U F P S B R 用量对U F P S B R /S S B R /B R/白炭黑复合材料的力学性能T a b l e １㊀E f f e c t s o fU F P S B Rl o a d i n g s o n t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fU F P S B R /S S B R /B R /s i l i c a c o m p o s i t e s 性能U F P S B R 质量份０３６９１２１５拉伸强度/M P a１６．９１８．０１７．１１６．２１３．８１２．５断裂伸长率/％３７０３８１４１６３６４３５５２９２撕裂强度/(N mm －１)４５．１５０．３５５．７５４．９５０．１４９．２１００％定伸强度/M P a ２．３２．３２．２２．１２．２２．５３００％定伸强度/M P a１２．４１２．８１０．９１２．２１１．５１３．４硬度(HA )６７６５６６６６６５６４阿克隆磨耗/mm３３３．６２０．３１４．２１１．９２０．１２４．７压缩永久变形率/％２．３２．３２．２２．２２．３２．３压缩疲劳温升/ħ１９．６１９．１１７．２１５．７１５．５１４．７能.综上所述,U F P S B R /S S B R /B R /白炭黑复合材料具有良好的力学性能,可适用于轮胎胎面胶.２．３㊀U F P S B R /S S B R /B R/白炭黑复合材料的动态热力学性能㊀㊀图３是U F P S B R /S S B R /B R /白炭黑复合材料的损耗因子与温度的关系曲线.由图３可知,随着U F P S B R 粒子添加份数的增加,０~１０ħ的t a n δ值明显增加,且在６０ħ处的t a n δ无明显变化,由B O N D 等[１Ｇ５]提出的橡胶动态热机械性能理论判断,U F P S B R 粒子能够提高胎面胶复合材料的抗湿滑性能,且不增加其滚动阻力.图３㊀U F P S B R /S S B R /B R/白炭黑复合材料的损耗因子与温度的关系曲线F i g ．３㊀R e l a t i o n s h i p cu r v e s b e t w e e n t a n δo fU F P S B R /S S B R /B R /s i l i c a c o m p o s i t e s a n d t e m pe r a t u r e ２８㊀第２期㊀㊀彭㊀博等:微纳米辐射交联橡胶粒子对轮胎胎面胶抗湿滑性能的影响２．４㊀U F P S B R /S S B R /B R/白炭黑复合材料的表面浸润性能㊀㊀图４是胎面胶复合材料表面的水接触角照片.由图４可见,与S S B R /B R/白炭黑复合材料(图４(a )和(b ))相比,添加６份U F P S B R 粒子的胎面胶复合材料的水接触角均有所降低,但经１８０＃砂纸打磨的U F P S B R /S S B R /B R/白炭黑复合材料(图４(c ))的水接触角减小效果不明显,而经１０００＃砂纸打磨的U F P S B R /S S B R /B R /白炭黑复合材料(图４(d ))的水接触角减小了５６ʎ,表明磨损面微观粗糙度越大,刺破水膜效果越好,从而提高了胎面的抗湿滑性能.图４㊀胎面胶复合材料表面的水接触角照片F i g ．４㊀W a t e r c o n t a c t a n g l e i m a g e o f t h e t r e a d r u b b e r c o m po s i t e s s u r f a c e ２．５㊀U F P S B R /S S B R /B R/白炭黑复合材料的表面微观形貌和粗糙度㊀㊀图５是１０００＃砂纸打磨的胎面胶复合材料的表面微观形貌图.由图５可见,与S S B R /B R /白炭黑复合材料(图５(a ))相比,添加６份U F P S B R 粒子的胎面胶复合材料(图５(b ))的微观表面粗糙度明显增加,进而印证了水接触角的测试结果,表明U F P S B R 粒子能提高胎面胶复合材料的微观粗糙度以增强其刺破水膜的能力,从而增大其抗湿滑性能.图５㊀１０００＃砂纸打磨的胎面胶复合材料的表面微观形貌图F i g ．５㊀S u r f a c em i c r o Ｇm i c r o g r a mi m a g e o f t r e a d r u b b e r c o m p o s i t e s p o l i s h e db y １０００＃s a n d p a pe r ３㊀结㊀论采用辐射交联的超细全硫化粉末丁苯橡胶粒子(U F P S B R 粒子)成功制备了具有较高抗湿滑性能和良好力学性能的轮胎胎面胶用U F P S B R/溶聚丁苯橡胶(S S B R )/顺丁橡胶(B R )/白炭黑复合材料.３８青岛科技大学学报(自然科学版)第４３卷动态热力学性能测试表明,U F P S B R粒子改性制备的胎面胶在０~１０ħ的t a nδ值明显增加,提高了其抗湿滑性能;６０ħ处的t a nδ值无增加趋势,表明其滚动阻力没有提高.胎面胶表面微观形态研究表明,U F P S B R粒子能够明显提高胎面胶的微观粗糙度,有利于提高胎面胶在湿滑地面上刺破水膜的能力,丰富了U F P S B R/S S B R/B R/白炭黑复合材料的高抗湿滑性能的作用机制.U F P S B R/S S B R/B R/白炭黑(６/７０/３０/７０,质量份)复合材料具有较好的抗湿滑性能㊁低滚动阻力和综合力学性能.参㊀考㊀文㊀献[１]B O N DR,MO R T O N GF,K R O LL H．At a i l o rＧm a d e p o l y m e r f o r t y r e a p p l i c a t i o n s[J]．P o l y m e r,１９８４,２５(１):１３２Ｇ１４０．[２]T S U T S UM I F,S A K A K I B A R A M,O S H I MA N．S t r u c t u r e a n d d y n a m i c p r o p e r t i e s o f s o l u t i o nS B Rc o u p l e dw i t h t i nc o m p o u n d s [J]．R u b b e rC h e m i s t r y a n dT e c h n o l o g y,１９９０,６３(１):８Ｇ２２．[３]T A K I N O H,N A K A Y AMAR,Y AMA D A Y,e t a l．V i s c o e l a sＧt i c p r o p e r t i e s o f e l a s t o m e r s a n d t i r ew e t s k i d r e s i s t a n c e[J]．R u bＧb e rC h e m i s t r y a n dT e c h n o l o g y,１９９７,７０(４):５８４Ｇ５９４．[４]H E I N R I C H G．T h e d y n a m i c s o f t i r e t r e a d c o m p o u n d s a n d t h e i r r e l a t i o n s h i p t o w e ts k i db e h a v i o r[J]．P r o g r e s si n C o l l o i da n d P o l y m e r S c i e n c e,１９９２,９０:１６Ｇ２６．[５]F R E U N D B,F O R S T E R F．L o wr o l l i n g r e s i s t a n c et r e a dc o mＧp o u n d s[J]．K a u t s c h u kG u mm i K u n s t s t o f f e,１９９６,４９(１１):７７４Ｇ７８４．[６]李花婷,赵天琪,陈名行．绿色轮胎与橡胶新材料[J]．科学通报,２０１６,６１(３１):３２９７Ｇ３３０３．L IH u a t i n g,Z HA O T i a n q i,C H E N M i n g x i n g．G r e e nt i r ea n d n e wt y p e r u b b e rm a t e r i a l s[J]．C h i n e s eS c i e n c eB u l l e t i n,２０１６,６１(３１):３２９７Ｇ３３０３．[７]赵菲,黄琪伟,高洪娜,等．绿色轮胎原材料研究进展[J]．科学通报,２０１６,６１(３１):３３４８Ｇ３３５８．Z H A OF e i,HU A N GQ i w e i,G A O H o n g n a,e t a l．D e v e l o p m e n t o f r a w m a t e r i a l sf o r g r e e nt i r e[J]．C h i n e s eS c i e n c eB u l l e t i n,２０１６,６１(３１):３３４８Ｇ３３５８．[８]梁爱民．绿色轮胎用溶聚丁苯橡胶/白炭黑复合体系的研究技术进展[J]．轮胎工业,２０１６,３６(５):２６７Ｇ２７２．L I A N G A i m i n．R e s e a r c ha n dt e c h n o l o g yp r o g r e s so fs o l u t i o nＧp o l y m e r i z e ds t y r e n eＧb u t a d i e n er u b b e r/s i l i c ac o m p o s i t es y s t e m f o r g r e e n t i r e s[J]．T i r e I n d u s t r y,２０１６,３６(５):２６７Ｇ２７２．[９]王梦蛟．绿色轮胎的发展及其推广应用[J]．橡胶工业,２０１８,６５(１):１０５Ｇ１１２．WA N G M e n g j i a o．T h e d e v e l o p m e n ta n d p r o m o t i o n o f g r e e n t i r e s[J]．C h i n aR u b b e r I n d u s t r y,２０１８,６５(１):１０５Ｇ１１２．[１０]L I U X,Z H A OSH,Z HA N G X Y,e t a l．P r e p a r a t i o n,s t r u cＧt u r e,a n d p r o p e r t i e so f s o l u t i o nＧp o l y m e r i z e ds t y r e n eＧb u t a d i e n e r u b b e rw i t h f u n c t i o n a l i z e de n dＧg r o u p s a n d i t s s i l i c aＧf i l l e dc o mＧp o s i t e s[J]．P o l y m e r,２０１４,５５(８):１９６４Ｇ１９７６．[１１]WA NSH,L UXB,Z HA O H G,e t a l．E f f e c t o f g r a p h e n e o xＧi d em o d i f i e dw i t h o r g a n i c a m i n e o n t h e a g i n g r e s i s t a n c e,r o l l i n g l o s s a n dw e tＧs k i d r e s i s t a n c e o f s o l u t i o n p o l y m e r i z e d s t y r e n eＧb uＧt a d i e n e r u b b e r[J]．M a t e r i a l s,２０２０,１３(５):１０２５Ｇ１０３６．[１２]J I A O YL,L I U XJ,L I U K．E x p e r i m e n t a l s t u d y o nw e t s k i d r e s i s t a n c e a t d i f f e r e n tw a t e rＧf i l mt h i c k n e s s e s[J]．I n d u s t r i a l L uＧb r i c a t i o na n dT r i b o l o g y,２０１８,７０(９):１７３７Ｇ１７４４．[１３]HU A N G R M,P A N Q W,C H E N Z H,e ta l．M a l e i ca nＧh y d r i d em o d i f i e d d i c y c l o p e n t a d i e n e r e s i n f o r i m p r o v i n g w e t s k i d r e s i s t a n c e o f s i l i c a f i l l e dS S B R/B Rc o m p o s i t e s[J]．A p p l i e dS c iＧe n c e s,２０２０,１０(１３):４４７８Ｇ４４８９．[１４]MA N N I N GDP,J O N E SC．T h e e f f e c t o f r o u g h n e s s,f l o o r p o lＧi s h,w a t e r,o i la n di c eo nu n d e r f o o tf r i c t i o n:C u r r e n ts a f e t yF o o t w e a r s o l i n g s a r e l e s s s l i p r e s i s t a n t t h a nm i c r o c e l l u l a r p o l yＧu r e t h a n e[J]．A p p l i e dE r g o n o m i c s,２００１,３２(２):１８５Ｇ１９６．[１５]Q I A OJL,W E IG S,ZH A N G X H,e ta l．F u l l y v u l c a n i z e d p o w d e r y r u b b e r h a v i n g a c o n t r o l l a b l e p a r t i c l e s i z e,p r e p a r a t i o n a n du s e t h e r e o f:U S,６４２３７６０[P]．２００２Ｇ０７Ｇ２３．[１６]L I U XB,G A O Y,B I A NLN,e t a l．P r e p a r a t i o na n dc h a r a cＧt e r i z a t i o no fn a t u r a l r u b b e r/u l t r a f i n e f u l lＧv u l c a n i z e d p o w d e r e d s t y r e n eＧb u t a d i e n e r u b b e rb l e n d s[J]．P o l y m e rB u l l e t i n,２０１４,７１(８):２０２３Ｇ２０３７．[１７]王清才,李波,李花婷,等．超细全硫化粉末橡胶改性丁苯橡胶的性能研究[J]．橡胶工业,２０１８,６５(４):４３１Ｇ４３５．WA N G Q i n g c a i,L I B o,L IH u a t i n g,e t a l．S t u d y o n p r o p e r t i e s o f s t y r e n eＧb u t a d i e n er u b b e r m o d i f i e d w i t hu l t r aＧf i n ef u l lＧv u lＧc a n i z e d p o w d e r e d r u b b e r[J]．C h i n aR u b b e r I n d u s t r y,２０１８,６５(４):４３１Ｇ４３５．[１８]WA N G Q G,X I EJH,Q I A OJL,e t a l．G o o dd i s p e r s i o no f h y d r o p h i l i c n a n o s c a l e s i l i c a i n r u b b e rm a t r i xa n d t h e e f f e c t so n r u b b e rn a n o c o m p o s i t e s[J]．S c i e n c eC h i n a T e c h n o l o g i c a lS c iＧe n c e s,２０１２,５５(３):６５２Ｇ６５８．[１９]WA N G Q G,L I UJR,C U IQ D,e ta l．E f f e c to f e l a s t o m e r n a n o p a r t i c l e s o n i m p r o v i n g t h ew e t s k i d r e s i s t a n c e o f S B R/N R c o m p o s i t e s[J]．R u b b e rC h e m i s t r y a n dT e c h n o l o g y,２０１６,８９(２):２６２Ｇ２７１．(责任编辑㊀孙丽莉)４８。
低滚动阻力轿车轮胎胎面配方的材料选择_张建军
注 同 图 １。 图２ 不同 ＳＳＢＲ２５５７／ＥＳＢＲ１７２３并用比胎面胶的
Ｅ′－温 度 曲 线
从 图 ２ 可 以 看 出，在 常 温 区 域，不 同 ＳＳ－ ＢＲ２５５７／ＥＳＢＲ１７２３并 用 比 的 胶 料 Ｅ′基 本 相 当， 但 由 于 ＳＳＢＲ２５５７ 的 Ｔｇ 高 于 ＥＳＢＲ１７２３，因 此 ＳＳＢＲ 在低温区域 内 Ｅ′升 高 的 温 度 起 始 点 也 高。 但当轮胎用于东北等低温地区时，低 温 Ｅ′升 高 过 早容易产生胎面不耐刺扎或不抗冲击的问题。 ２．１．３ 硫 化 特 性 和 物 理 性 能
１２．８２ １１．６５ １１．９６
拉 伸 强 度／ＭＰａ
１５．９４ １４．０６ １５．１５
拉 断 伸 长 率／％
３６２ ３２９ ３６１
撕 裂 强 度／（ｋＮ·ｍ－１）
６７
６４
６１
２．２ 低滚动阻力轮胎胎面胶用 ＳＳＢＲ 的选择 ＳＳＢＲ 牌号众多，需 根 据 性 能 需 要 进 行 选 择。
Ｅ′－温 度 曲 线 如 图 ２ 所 示 。
表１ ＳＳＢＲ２５５７和 ＥＳＢＲ１７２３的微观结构对比
项 目
ＳＳＢＲ２５５７
结合苯乙烯质量分数 结合乙烯基质量分数 玻 璃 化 温 度 （Ｔｇ）／℃ 门尼粘度［ＭＬ（１＋４）１００ ℃］ 充 油 率／％
０．２５０ ０．５１ －２７
５４ ３７．５
１．５Ｌ 切 线 型 密 炼 机，青 岛 测 控 科 技 有 限 公 司产品；ＶＳＭＶ１００Ｂ 型 门 尼 粘 度 仪，上 海 诺 甲 仪 器有限公司产 品；ＧＴ－Ｍ２０００Ａ 型 硫 化 仪，中 国 台 湾高铁检测 仪 器 有 限 公 司 产 品；Ｇａｂｏｍｅｔｅｒ ４０００ 型动态粘弹性试验机，德国 ＧＡＢＯ 公司产品。 １．３ 性 能 测 试 １．３．１ 动 态 粘 弹 性 能
全钢载重子午线轮胎行驶工况对滚动阻力的影响分析
（Triangle Tire Co. ，Ltd，Weihai 264200，China）
Abstract：The rolling resistance of 12R22. 5 truck and bus radial tire was tested with indoor drums under steady-state conditions to study the effects of inflation pressure and speed on the rolling resistance of the tire under no-load and full-load conditions. The results showed that the rolling resistance coefficient of the tire increased with the increase of speed under low load，and decreased with the increase of speed under high load. Under the same load，the higher the inflation pressure of the tire was，the smaller the rolling resistance coefficient was and the larger the rolling radius was. Under low load，the speed of the tire had no obvious effect on the rolling radius. Under high load，the higher the speed of the tire was，the larger the rolling radius was.
不同牌号溶聚丁苯橡胶在高性能轮胎胎面胶中的应用
不同牌号溶聚丁苯橡胶在高性能轮胎胎面胶中的应用张 静，黄义钢，张锡熙，孙 钲，王子琪（青岛双星轮胎工业有限公司，山东青岛 266400）摘要：研究4种牌号溶聚丁苯橡胶（SSBR）在高性能轮胎胎面胶中的应用。
结果表明：SSBR5251H胶料的门尼粘度较小，加工性能较好，回弹值最大，耐磨性能最好，滚动阻力最小；与SSBR5251H胶料相比，SSBR5360H和SSBR5271H胶料的300%定伸应力增大，回弹值减小，耐磨性能下降，SSBR5360H胶料具有最佳的抗湿滑性能，SSBR5271H胶料具有良好的抗湿滑性能和较低的滚动阻力；SSBR6440H胶料的门尼粘度最大，门尼焦烧时间最短，拉伸强度和撕裂强度最大，耐磨性能良好，与SSBR5271H胶料相比，其玻璃化温度相同，0 ℃时的损耗因子减小，60 ℃时的损耗因子和压缩疲劳温升增大，具有较高的滚动阻力和生热。
关键词：溶聚丁苯橡胶；高性能轮胎；胎面胶；抗湿滑性能；滚动阻力；耐磨性能；填料网络中图分类号：TQ333.1；TQ336.1 文章编号：1006-8171（2020）12-0730-05文献标志码：A DOI：10.12135/j.issn.1006-8171.2020.12.0730近年来，汽车行业不断发展，轮胎产品消费趋势也逐渐向高品质、高性能、绿色环保轮胎升级[1]。
随着欧盟标签法的实施，为应对法规要求和满足市场需要，各轮胎生产企业对高性能轮胎的开发越来越重视。
高性能轮胎是指在能耗、安全性以及舒适性方面都更加优良的轮胎产品，主要指标包括抗湿滑性能、滚动阻力和耐磨性能。
研究表明[2]，每提高1个抗湿滑性能等级，刹车距离可缩短3～5 m；每提高1个滚动阻力等级，每条轮胎每5万km可节省17 L汽油，每辆轿车可节省68 L汽油。
高性能轮胎对减少交通事故、提高经济效益和社会效益具有积极意义。
目前，高性能轮胎胎面胶使用的生胶包括丁苯橡胶（SBR）、顺丁橡胶（BR）和天然橡胶（NR）。
轮胎滚动阻力
自由滚动的轮胎在平滑路面上胎面块所受压力的预测摘要: 本文提出了一种自由滚动的充气轮胎上花纹块的接触力学模型，先进的三维有限元（FE）分析和简单的刷模型之间的复杂联系。
该模型是能够捕捉到基本物理信息且得到充分证明的简单的动态轮胎模型，比如可以用来预测受力状态。
胎面块是考虑到台面接触和剪切变形的一种名叫“刷型”的弹簧模型。
橡胶被表示为一个线性粘弹性材料。
对发现类似正常的弹簧模型和装在一个畸形的轮胎带花纹块（轮胎的几何测量）上的刚性圆柱的剪切力进行更复杂的有限元分析，且对一个小规模的滚动接触试验台进行几何匹配。
能够比较合理的预测测量花纹块在钻机上的受力和切向力。
关键词：轮胎，胎面块，接触力学，粘弹性弹簧模型，有限元模型1. 简介动态系统的平衡一直是汽车制造商感兴趣的话题,除了客运车辆舱的噪音，还有车毂、道路条件和自身的振动等会引起汽车的动态不平衡,通过它们安装在轮辋的相关部件，可以输入到汽车的悬架平衡系统。
在设计阶段的客运车辆，汽车制造商需要有表征频率枢纽部件的高达1kHz的预测工具。
[1]汽车枢纽的不稳定是由于轮胎的动态不平衡导致的，一个先进的轮胎模型在开发这些工具中起到了重要的作用。
最近，勒孔特等[2]建立了一个理论值高达1千赫兹频率的轮胎带振动模型，得到了令人满意的结果，这与1千赫的实验结果显示了良好的相关性。
[3]作为同一项目的一部分，我们已经提出了一个简化而强大的胎块的接触力学模型和轮胎带振动模型,使用[3]中描述的方法，本文进一步研究的目的是对尽可能捕捉到的基本物理联系提供简单的描述，并提供必要的投入等。
在类似Wullens的和Kropp[4]描述了耦合的接触和轮胎结构轮胎/路面噪声预测模型。
简单的接触模型是要求计算轮胎振动的计算强度，这需要一个时间步模拟。
胎面接触模型是一个相对较小的一部分，需要的整体解决方案的方法是相对容易实现。
要使用行之有效的有限元（FE）的方法来描述接触使用的规则，虽然我们认识到，这种做法可以提供一个有用的工具，来模拟接触问题，这也是用来作为本文的基准。
降低轮胎滚动阻力的材料和技术
此 处提 到 的锡 偶 联 ， 指 在 活 性 聚 合 中 将 是 聚合物 的活 性末 端用 锡进行 偶联 。由于 在混炼 时锡偶 联键 被切 断 ， 与炭黑 结合 ， 以该 分子链 所 末端被 束缚 住 （ 图 ３ 。再 者 ， 结 合 行 为 减 见 ） 该
动 阻力 对于环 境 保 护 是 非 常重 要 的 。另外 ， 对
于 和 滚动 阻 力 相矛 盾 的 湿滑 性 来说 ， 也是 配 合
白炭黑 的轮胎 比较 好 。下文将 叙述 包 括如今 被 人们 关 注 的 配合 白炭 黑 的轮 胎 在 内 的 ， 关 降 有
低滚 动 阻力 的各种 材料方 面 的技术 。
性．ห้องสมุดไป่ตู้
除 了使空 气 阻 力增 大 的 高速 行 驶 外 ， 一 在 般情 况 下 ， 以说 轮 胎 的 滚动 阻 力 约 占车 辆 总 可
，
、 、
～ ． － － ． ．一
．
Ｅ， ＳＢｆ
行驶 阻力 的 三分 之 一 左 右 ， 起 着 相 当大 的 作 它 用 。一般 而 言 ， 胎 的 滚 动 阻 力 降 低 １ ％ ， 轮 ０ 汽
题 ， 于这些 人们 也 提 出了很严 格 的要求 。 对
０ 前 言
随 着 人 们 环 保 意 识 的 １ 增 强 ， 年 在 欧 ３益 近
要 提高 轮胎 的抗 湿 滑性 能 ， 然会 使 胎 面 必 胶 的滞后 损 失 增 加 ， 是 因为 在 胎 面上 将 橡胶 这
的变 形 能转 换 成 制 动 力消 耗 掉是 非 常 有效 的。
公 式 ， 这 种 振 动频 率 换 算 成 温 度 时 ， 在 ｌ 将 则 Ｏ Ｈ 的振动频率 下 ， ２ 滚动 阻力相 当于 ５ ｃ～ ０。 Ｏ。 ６ ｃ
降低轮胎滚动阻力的途径
轮胎滚动阻力。
关键词 ： 胎 ； 轮 低滚 动 阻 力 ； 面 ； 合物 ； 合 剂 ； 构 设 汁 胎 聚 配 结
低 １ ％， 常 可使燃 料消 耗降 低 １ ～２ 。因此 Ｏ 通 低滚动 阻力 轮胎 的研 究和 开发成 为人 们关 注 的热 点 ， 界上许 多 轮胎 公 司 纷 纷 推 出低 滚 动 阻 力 轮 世
胎 ， 冠 以绿 色 轮胎 的美 名 。 并 轮胎 滚 动阻 力受 轮胎材 料特 性 、 轮胎结 构 、 轮
ＮＲ和 Ｂ பைடு நூலகம்有 利于 降低 滚动 阻力 ， 但抗 湿滑 性能 和
性 能 。对轮胎 耐 磨 性 能 、 动 阻 力 和抗 湿 滑 性 能 滚
三大重要 性 能 中的 １项或 ２项进 行 改 进 时 ， 往 往 会 引起第 ３项 性 能 的损 失 ， 被 称 为 “ 三 角 ” 这 魔 。 从 安全 角度 出发 ， 轮胎应 保 持一定 的抗 湿 滑性 能 。 本 文从 材料选 择 和结构 设计 两方 面探 讨降 低 轮胎
中 图 分 类 号 ： Ｑ３ ６ １ Ｔ ３ ． 文 献 标 识 码 ： Ｂ 文 章 编 号 ：０ ６８ １２ ０ ）００ ８ ８ １ ０— １ （０ ６ １－５ ６０ ７
随 着全 球汽 车 的 日益增 多 ， 氧化 碳 排 放 量 二 越 来越 高 ， 直接 导致 了全球气候 变 暖 ， 生 温室 这 产 效 应 。同时 ， 由于油价 的不 断上 涨 ， 们对 节 约石 人 油资源 和节 能 日益重 视 。轮胎滚 动 阻力耗 油 占汽 车燃油 消耗 的 １ ～ １ ¨ｊ轮胎 滚 动 阻力 每 降 ４ ７ ，
抗撕裂助剂EN-01在矿用载重轮胎胎面胶中的应用
674 轮 胎 工 业2023年第43卷抗撕裂助剂EN-01在矿用载重轮胎胎面胶中的应用邢利宁，廖亚梅，马 涛（威海中威橡胶有限公司，山东威海 264200）摘要：研究抗撕裂助剂EN-01在矿用载重轮胎胎面胶中的应用。
结果表明：添加抗撕裂助剂EN-01后，胶料的加工工艺需略作调整，硫化胶的拉伸强度和耐磨性能基本不变，抗撕裂和抗切割性能明显提高，滚动阻力降低；抗撕裂助剂EN-01的适宜用量为0.8份。
关键词：抗撕裂助剂；矿用载重轮胎；胎面胶；抗撕裂性能；抗切割性能；滚动阻力中图分类号：TQ330.38＋7；U463.341＋.3 文章编号：1006-8171（2023）11-0674-03文献标志码：A DOI：10.12135/j.issn.1006-8171.2023.11.0674矿用载重轮胎一般在露天矿中使用，工况条件苛刻，路面不平整，常伴有尖锐的岩石块和碎石块等，尤其是在雨季，易刺伤轮胎。
此外，矿用载重轮胎具有负荷大、运距短、转弯多的使用特点，且轮胎花纹块变形大，易被外露的尖石划伤、切割，从而产生崩花掉块的现象[1-2]。
轮胎产生崩花掉块的根本原因是胎面胶的抗撕裂和抗切割性能较差，因此要延长矿用载重轮胎的使用寿命，首要的是提高胎面胶的抗撕裂和抗切割性能。
抗撕裂助剂EN-01通过增强填料网络结构、增加炭黑结合胶活性以及使交联网状结构复杂化，提高胶料的抗撕裂和抗切割性能。
本工作研究抗撕裂助剂EN-01在矿用载重轮胎胎面胶中的应用，考察抗撕裂助剂EN-01对胎面胶加工性能、物理性能，尤其是抗撕裂性能和抗切割性能的影响。
1 实验1.1 主要原材料天然橡胶（NR），STR20，泰国产品；丁苯橡胶（SBR），牌号1502，中国石化齐鲁石油化工公司产品；抗撕裂助剂EN-01，大冢材料科技（上海）有限公司产品。
1.2 配方生产配方（1#）（用量/份）：NR/SBR 100，炭黑N220 56，氧化锌 4，硬脂酸 2，软化增粘剂 5，其他 8.7。
高顺式聚丁二烯复合橡胶与反式聚辛烯橡胶在低滚动阻力轮胎胎面胶
第9期
姜建华等．高顺式聚丁二烯复合橡胶与反式聚辛烯橡胶在低滚动阻力轮胎胎面胶中的应用
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200MP，索 尔 维 化 工 有 限 公 司 产 品；硅 烷 偶 联 剂 TESPT和Si747，分别为景德镇宏柏化学科技有限 公 司 和 江 苏 麒 祥 化 工 有 限 公 司 产 品；环 保 操 作 油 V700，宁 波 汉 圣 化 工 有 限 公 司 产 品；抗 湿 滑 树 脂 SYLVATRAXX 4401，科腾化学有限公司产品。 1. 2 主要设备和仪器
高顺式聚丁二烯复合橡胶（HCBR）为含有间 同 立 构 物 1，2- 结 构 的 聚 丁 二 烯 橡 胶，在 相 同 补 强 填 料 的 条 件 下，能 显 著 提 高 胶 料 的 定 伸 应 力 和 硬 度等性能[3]，因此橡胶复合物体系使用HCBR可以 减小填料用量而达到目标模量。当填料用量减小 时，胶 料 的 滞 后 损 失（对 应 轮 胎 的 滚 动 阻 力）会 降 低，而 且 胶 料 整 体 耐 热 老 化 和 耐 屈 挠 性 能 也 会 得 到提高。
随着全球能源供应的日益紧张和环境的恶 化，汽车节能减排已经迫在眉睫。据测算，如果轮 胎滚动阻力降低20%，那么每公里二氧化碳排放量 可以减小4 g，每辆车每年可以节省燃油23 L，以全 国机动车保有量3. 19亿辆计算（截至2018年6月）， 每年可节省燃油540. 74万t[1]。
作 为 轮 胎 的 重 要 性 能 指 标，滚 动 阻 力 和 耐 磨 性能、抗湿滑性能存在着“魔鬼三角”的关系：在通 常 情 况 下，这 3 种 性 能 往 往 此 消 彼 长，调 整 三 者 中 任何一项都会导致另外两项的变化[1-2]。例如，为 了 提 升 轮 胎 的 耐 磨 性 能，轮 胎 中 会 加 入 补 强 材 料 如 炭 黑 和 白 炭 黑 等，而 补 强 材 料 的 增 加 又 会 使 轮 胎的滚动阻力上升。
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胎面胶对轮胎滚动阻力的影响颜晋钧,陈 宏(北京橡胶工业研究设计院,北京 100039) 摘要:综述胎面胶配方(包括橡胶品种和微观结构、炭黑品种等)和混炼工艺对轮胎滚动阻力的影响。
采用橡胶并用、通过改变微观结构设计具有低滞后损失的橡胶、填充高分散性白炭黑和改性炭黑、采用适当的混炼工艺,可以降低轮胎的滚动阻力。
关键词:胎面胶;滚动阻力;配方设计;混炼工艺中图分类号:T Q336.1;TQ330.38;T Q332;TQ333 文献标识码:B 文章编号:1006-8171(2007)01-0011-04作者简介:颜晋钧(1979-),女,四川宁南人,北京橡胶工业研究设计院助理工程师,硕士,主要从事高分子材料的研究。
为建立节约型社会,在汽车消费方面,低油耗、小排量汽车得到推广。
降低汽车油耗最重要的方法之一是降低轮胎滚动阻力。
此外,轮胎滚动阻力还直接影响轮胎的行驶性能和使用寿命。
胎面胶是降低轮胎滚动阻力的关键,其配方历来是研究轮胎滚动阻力的焦点。
胎面胶配方主要由橡胶、补强体系、硫化体系和其它加工助剂组成,每个组分对轮胎滚动阻力都有一定影响,其中橡胶及补强体系起着决定性作用。
此外,选择合适的混炼工艺也是至关重要的,因为混炼工艺直接影响胎面胶的质量,进而影响轮胎的滚动阻力等使用性能。
本文主要探讨胎面胶对轮胎滚动阻力的影响。
1 胎面胶配方1.1 橡胶1.1.1 橡胶品种选择选择橡胶品种是配方设计的第一步。
橡胶具有很强的粘弹特性,作为轮胎的主要原材料其滞后损失对轮胎滚动阻力影响很大。
滞后损失是轮胎受力变形、再恢复其原形状时的能量损失,动态变形受硬度和弹性影响,回弹值越大或硬度越小,动态变形越大。
确定了橡胶品种,通过动态试验就能确定其损耗因子(tan δ),从而确定滞后损失。
橡胶的tan δ与玻璃化转变温度(T g )有很大关系,T g 越高,滞后损失越大。
BR 的T g 极低,具有优异的耐磨性能,非常适用于冬季轮胎,在30℃以上其tan δ也较低,表明这种材料是低滚动阻力和低生热轮胎的最佳原材料,但是其抗湿滑性能较差。
NR 的T g 为-70℃,其低温屈挠性能和耐磨性能都不如BR ,但在同样低的滚动阻力和生热下,其抗湿滑性能较好[1]。
苯乙烯质量分数为0.40的SBR 的T g 较高,因而耐磨性能较差,低温性能明显降低,滚动阻力和生热也比BR 和N R 差,但其抗湿滑性能,特别是高速下的制动性能极好。
由此看出,轮胎的滚动阻力与抗湿滑性能是相互制约的。
此外,通过对NR ,BR 和SBR 的比较发现,胶种单用或并用会影响轮胎的滚动阻力[2]。
在定负荷的情况下单用橡胶,轮胎滚动阻力随动态变形增大而线性增大;N R 分别与BR 或SBR 并用时轮胎滚动阻力介于两并用胶种之间。
可以看出,胶种并用对降低轮胎滚动阻力是有利的,80份溶聚丁苯橡胶(SSBR )和20份N R 并用已成为原配轿车轮胎胎面胶配方的基本特色。
1.1.2 橡胶微观结构设计微观结构是决定聚合物T g 和宏观性能的关键因素。
为解决橡胶材料滞后损失和抗湿滑性能之间的平衡性问题,需要对橡胶的微观结构进行设计。
No rdsiek K H 等[3]提出了“理想橡胶”的概念。
一种理想的橡胶应该在较低温度(-20～+20℃)下具有较高的tan δ,在较高温度下(50～70℃)具有较低的tan δ,以保证同时具有低滚动阻力和良好的抗湿滑性能。
Yoshimura N等[4]认为,对于轿车轮胎,低滚动阻力的聚合物要有理想的聚合物分子链、相对分子质量分布和网络结构,其中相对分子质量分布最重要。
SSBR具有较窄的相对分子质量分布、较大的相对分子质量和优异的分子链特性,故其滞后损失比乳聚丁苯橡胶(ESBR)小,因而被广泛应用于低滚动阻力轮胎的胎面胶中。
分子链末端对聚合物滞后性能的影响也十分显著。
相对于受约束的聚合物交联网络,聚合物分子链端基的活动比较自由,其相对运动使得聚合物分子链分布发生变化,产生滞后损失。
通过化学改性,即在分子链末端接一个改性基团,一方面提高结合橡胶的质量分数,降低自由链末端运动能量损失;另一方面可以增强聚合物与炭黑之间的相互作用,改善炭黑的分散性,在炭黑表面形成一层聚合物,阻止炭黑絮凝,降低聚合物的滞后损失。
锡偶联SSBR在轮胎中的应用就是通过设计聚合物材料微观结构来提高轮胎综合性能的一个成功例子。
SSBR与N R或BR并用,特别是用四氯化锡对SSBR进行改性,得到的胎面胶滚动阻力低,但耐磨性能有所下降。
用4,4-二(二乙氨)二苯酮对SSBR进行化学改性,其滞后损失比用四氯化锡改性的SSBR还小[5]。
此外,在相同T g 下,增大乙烯基聚丁二烯橡胶中乙烯基含量可降低轮胎滚动阻力,同时不损害抗湿滑性能,故采用高乙烯基聚丁二烯橡胶作胎面胶也是较好的选择。
1.2 补强体系1.2.1 普通炭黑炭黑作为橡胶的补强剂可以改善胶料的加工性能和制品在苛刻条件下的耐磨性能,且在经济性方面也具有优越性,已广泛应用于轮胎各个部件的胶料中。
炭黑的形态、用量、分散程度和粒径等因素都直接影响到轮胎的加工性能和使用性能。
炭黑粒径越小、表面积越大,补强性能越好;炭黑结构高、聚集体尺寸分布宽,胶料的粘度、定伸应力和硬度增大,轮胎的滚动阻力降低。
He ss W M等[6]在含油量和聚合物体系不同的胎面胶配方中对一系列品种的炭黑进行了鉴定,发现炭黑用量减小4%,轮胎滚动阻力下降5%～6%。
利用H ess的研究成果开发出的N200系列炭黑可以使轮胎的实用性能获得更好的平衡[7]。
1.2.2 白炭黑与炭黑相比,白炭黑粒子更小、表面积更大,在胎面胶中加入白炭黑可以改善胎面胶的滞后性能和抗撕裂性能,同时具有较好的湿牵引性能。
将白炭黑与炭黑应用于乙烯基质量分数分别为0.235,0.35和0.45的3种充油ESBR中,比较两者对胶料滞后损失的影响,结果表明,3种胶料都表现为低温下白炭黑胶料的tanδ值比炭黑胶料大,抗湿滑性能比炭黑胶料好;高温下白炭黑胶料的tanδ值比炭黑胶料小,滚动阻力比炭黑胶料低[8]。
在ESBR/BR并用的轿车轮胎胎面胶中掺用占炭黑总用量50%的改性白炭黑,可以降低滚动阻力25%;在充油N R/BR并用的轿车轮胎胎面胶中掺用占炭黑总用量60%的改性白炭黑,可以降低滚动阻力18%,同时不会损失抗湿滑性能和耐磨性能[9]。
填充白炭黑的低滚动阻力轮胎的开发不断取得新进展,但白炭黑应用于胎面胶中也存在明显的问题。
首先白炭黑在胶料中的分散性差,需加入硅烷偶联剂改善其分散性,并增加混炼段数。
其次白炭黑胶料的电阻较高,一般不单用白炭黑,至少掺10份炭黑,以减少静电。
德固萨、PPG和罗纳-普朗克等白炭黑生产商都在开发易分散的沉淀法白炭黑,其产品ZS1165M P(罗纳-普朗克法国公司)和H i-Si1EZ(PPG公司)等都是具有高分散性、专用于低滚动阻力轮胎胎面胶中的填充剂。
采用炭黑和白炭黑共同填充胎面胶,比较高分散白炭黑、易分散白炭黑和普通白炭黑之间的差别,在SSBR/BR胎面胶中用白炭黑部分替代炭黑,60℃时胶料的tanδ(频率1H z、应变1%)随白炭黑用量的增大而减小,且以高分散白炭黑胶料的tanδ最小[10]。
高分散白炭黑和多硫化双-烷氧基硅烷的发展使高填充白炭黑轮胎商品化获得重大突破。
目前在轿车轮胎胎面胶中采用白炭黑/硅烷偶联剂补强体系比采用炭黑更具技术优势,但由于不同轮胎品种对技术性能和经济性要求不同,有可能采用炭黑、白炭黑和炭黑/白炭黑并用等各种补强体系,实现协作共存的局面。
1.2.3 低滚动阻力炭黑炭黑的补强特性取决于炭黑的胶质形态和表面化学性质。
聚集体表面复杂性和炭黑制造过程中形成的表面激活基团(如羟基、羰基和醌等)显著影响炭黑的补强效果。
通过对炭黑表面的化学改性,可增强其补强作用,降低滚动阻力。
低滚动阻力炭黑的主要代表有卡博特的ECO Black (CRX2000系列)和德固萨的inve rsion炭黑(EB136和EB137等)。
ECO Black是在炭黑生产过程中混入白炭黑,并对炭黑表面进行化学改性,是一种商业化的炭黑-白炭黑双向填充剂(CSDPF)。
传统的炭黑由90%～99%碳元素组成,其它成分主要为氧和氢,而ECO Black则主要由炭黑和分散在炭黑相中的白炭黑构成,白炭黑在炭黑区域与聚合物产生强界面作用,使胶料具有理想的耐磨性能和较低的填充粒子间相互作用力,从而降低轮胎滚动阻力。
根据白炭黑在填充剂聚集体中的分布状况,ECO Black分为表面覆盖白炭黑系列和均匀分布白炭黑系列两种,分别应用于轿车轮胎和载重轮胎中,均可获得良好的综合性能。
对于轿车轮胎,不论填充剂和油以及交联体系和硅烷偶联剂用量多少,ECO Black总是表现出比炭黑N234更优异的滞后性能,可以与白炭黑相媲美。
对于载重轮胎,在充5份油的NR中分别填充ECO Black和炭黑N234,观察其低应变(5%)的动态性能,当炭黑N234被ECO Black 替代时,胶料在0和70℃时的tanδ分别下降8.4%和34.9%,加入硅烷偶联剂Si69后滞后损失进一步降低[11]。
因此,与炭黑和白炭黑填充胶料相比,应用适当的工艺和配方,ECO Black填充胶料能提供较好的滞后损失平衡———在低温下较高的tanδ和高温下较低的tanδ,并确保较大幅度地降低滚动阻力,同时改善耐磨性能,并保持湿滑性能。
比较不同品级的ECO Black可以看出, C RX2000的各项性能比较平衡,且只需使用少量偶联剂[12]。
inversio n炭黑是改变了表面形态的新一代炭黑,具有着色度低和聚集体尺寸分布相对宽的特点,其混入橡胶后仍然维持其高结构。
inversion炭黑中的石墨晶粒较小,似乎是以较不规则的形式排列,遗留下大量的边和不重合的平面,这些炭黑更为无序的表面导致其填充胶料的tanδ对温度有较强的依赖性。
inversio n炭黑填充胶料的滚动阻力显著降低,且对磨耗性能无不利影响。
S to ne C R等[13]对inversio n炭黑EB136和EB137进行了研究,结果表明,inver sion炭黑填充胶料的粘弹性介于白炭黑和炭黑N234填充胶料之间,EB137填充胶料性能比EB136更接近于白炭黑填充胶料。
与白炭黑填充胶料相比,in-ve rsion炭黑填充胶料的混炼能耗少,焦烧时间长,交联速度快。
inversio n炭黑填充胶料的加工性能比炭黑N234填充胶料好,且远远超过白炭黑填充胶料。
因此,inversio n炭黑单用或与白炭黑和硅烷偶联剂并用都是对轮胎胶料有意义的填充剂。
2 混炼工艺Hiroshi M[14]研究SSBR与NR的相容性时对比了采用通常一段混炼和特定二段混炼工艺的胶料的滞后损失。