芳纶材料在高性能轮胎中的应用

芳纶材料在高性能轮胎中的应用 刘晓彬 黎宁 魏静勋 黎继荣 （广州市华南橡胶轮胎有限公司 广州 511400）

摘 要：探讨了采用芳纶帘线做为高性能子午线乘用轮胎的骨架材料（胎体层和带束 层）；采用芳纶/尼龙混捻帘线做为高性能子午线乘用轮胎的冠带层的应用。采用芳纶帘线生 产的乘用子午胎与正常结构的半钢乘用子午胎相比：具有优越的轮胎乘座舒适性、滚动阻力 低、重量轻、节油等优点。随着材料的发展和价格的降低，芳纶在高性能轮胎中的应用将日 益广泛。 关键词：芳纶（Kevlar）；高性能轮胎(UHP)；胎体；带束；冠带；滚动阻力

随着汽车工业与公路交通的高速发展，对轮胎的综合性能要求也越来越高，高速行驶时 的安全性、舒适性、节油及环保等要求更高。逐渐提出了高性能（UHP）的概念：即对轮胎 高速行驶时的安全性、舒适性、节油及环保等要求更高。这样对环保性的、既能降低轮胎成 本又能提高质量的新型原材料的研究开发和应用的力度越来越大，各大公司相继投入巨大的 人力、财力进行研发。芳纶帘线（KEVLAR）作为一种新型原材料现已被世界各大轮胎公司 用于生产子午线轮胎的带束层及胎体层部件。如 DUNLOP（邓录普）公司生产的 SP Sport 8000 ULW 超轻量纤维轮胎，它比同类钢丝带束层轮胎要轻 30%，CONTINENTAL（大陆）公司采 用荷兰阿克苏公司的芳纶帘线生产的载重轮胎与全钢载重轮胎相比，重量减小了 20Kg 左 右，同时可大大降低了轮胎的滚动阻力。我司采用芳纶帘线生产的乘用子午胎与正常结构的 半钢乘用子午胎相比，具有优越的轮胎乘座舒适性、滚动阻力低、重量轻、节油等优点。芳 纶帘线在高性能轮胎中的应用将日益广泛。 我司组织的“芳纶材料在绿色环保轮胎中应用的生产技术开发”是国家“十五”攻关项 目之一。相继进行芳纶帘线材料应用于高性能乘用子午线轮胎的带束层、胎体层的开发试 验，以及芳纶/尼龙复合材料应用于高性能乘用子午线轮胎的冠带层的开发试验。在芳纶在 高性能轮胎的应用领域里面取得了一些实践的经验。 1 试验 1.1 原材料：芳纶帘布：⑴中国山东博莱特公司加工的用于子午线轮胎带束层的芳纶帘 线；⑵杜邦公司生产的用于子午线轮胎冠带层的芳纶/尼龙混捻帘线。具体规格及性能指标 如下： 表 1 1500dtex/2 芳纶帘线

检验 项目 断裂 强度 N/根 300N 伸长率% 断裂 伸长率% H 抽出/ 粘合力 N/cm 帘布密度 根/10cm 帘布 幅宽 mm 帘线 直径 mm 捻度 捻/10cm

指标 532 2.7 5.0 120 71 1400 0.69 31.5 表 2：1*1500Kevlar+1*1260Nylon 芳纶/尼龙混捻帘线 ：

检验 项目 断裂 强度 N/根 300N 伸长率% 断裂 伸长率% H 抽出/ 粘合力 N/cm 帘布密度 根/10cm 帘布 幅宽 mm 帘线 直径 mm 捻度 捻/10cm

指标 294 5.1 7.4 403 66 1450 0.69 31.5 1.2 试验配方 1.2.1 芳纶带束胶配方 鉴于芳纶表面的特殊结构，与普通胶料的粘合力较低，因此在芳纶带束胶及冠带胶配方 中加入了特殊粘合剂以增加芳纶与胶的粘合。 表 3 芳纶帘布用作带束层的配方

项目 份数 项目 份数 项目 份数 天然胶 100 粘合剂 6.8 硫磺 S 4.2 促进剂 1.5 防老剂 2 炭黑 48 ZnO 5 硬脂酸 1

表 4 芳纶帘布用作带束层的胶料的主要物性指标

物理 性能 100％ 定伸应力 （Mpa） 300％ 定伸应力 （Mpa） 拉伸 强度 （Mpa） 扯断 伸长率 （％） 永久 变形 （％） 硬度 （邵尔 A） 撕裂强度 （kN/m）

标准 / 17±1 25±1 430±20 15±1.5 74±2 / 实测 3.6 16.2 24.3 422 14.5 74 57.6

1.2.2 胎面胶配方 胎面胶分为两种，一种是正常的胎面配方 A，一种是为了降低滚动阻力、提高胎面与路 面的抓着力而使用部分炭黑、白炭黑和偶联剂并用的试验配方 B。 表 5：低滚动阻力胎面胶 B 配方： 项目 份数 项目 份数 项目 份数 合成胶 100 硬脂酸 1 硫磺 S 2.3 促进剂 1.9 偶联剂 4 炭黑 50 ZnO 4 防老剂 3 白炭黑 20 表 6：低滚动阻力胎面胶 B 的主要物性指标：

物理 性能 100％ 定伸应力 （Mpa） 300％ 定伸应力 （Mpa） 拉伸 强度 （Mpa） 扯断 伸长率 （％） 永久 变形 （％） 硬度 （邵尔 A） 撕裂强度 （kN/m）

标准 / 13±1 19±1 380±20 11±1 68±2 / 实测 3.2 14.0 17.8 371 10.5 68 43

表 7：正常胎面胶 A 的主要物性指标： 物理 性能 100％ 定伸应力 （Mpa） 300％ 定伸应力 （Mpa） 拉伸 强度 （Mpa） 扯断 伸长率 （％） 永久 变形 （％） 硬度 （邵尔 A

撕裂

强度 ） （kN/m）

标准 / 12.5±1.9 16±2.4 400±60 / 67±3 ≥30 实测 2.8 12.2 15.9 390 12.0 70 35.2

1.3 试验方案 表 8：试验方案表

方案 轮胎规格 试验 数量 胎体帘线结构 带束层帘线 结构 冠带层帘线结构 胎面胶料

1# 195/60R14 86H S-1032 20 条 公司正常使用 的尼龙帘布 2 层 1500dtex/2 公司正常使用的尼 龙帘布 低滚动阻力 胎面胶 B

2# 195/60R14 86H S-1032 20 条 公司正常使用 的尼龙帘布 2 层 1500dtex/2 公司正常使用的尼 龙帘布 正常配方 胎面胶 A

3# 195/65R15 91V S-1095 20 条 公司正常使用 的尼龙帘布 2 层 1500dtex/2 公司正常使用的尼 龙帘布 正常配方 胎面胶 A

4# 225/40ZR18 88W S-1088 20 条 公司正常使用 的尼龙帘布 2 层 1500dtex/2 公司正常使用的尼 龙帘布 低滚动阻力 胎面胶 B

5# 225/40ZR18 88W S-1088 10 条 1 层 1500dtex/2 芳纶帘布 2 层 1500dtex/2 公司正常使用的尼 龙帘布 低滚动阻力 胎面胶 B 6# 195/65R15 91V S-1095 50 条 公司正常使用 的尼龙帘布 公司正常使用 的钢丝帘布 双层 1*1500Kevlar+1*126 0Nylon 芳纶/尼龙混 捻帘布 正常配方 胎面胶 A

7# 215/55ZR16 97WXL S-1063 50 条 公司正常使用 的尼龙帘布 公司正常使用 的钢丝帘布 双层 1*1500Kevlar+1*126 0Nylon 芳纶/尼龙混 捻帘布 正常配方 胎面胶 A

8# 275/45ZR20 106H S-1098 50 条 公司正常使用 的尼龙帘布 公司正常使用 的钢丝帘布 S 型缠绕 1*1500Kevlar+1*126 0Nylon 芳纶/尼龙混 捻帘布 正常配方 胎面胶 A

9# 245/35ZR20 95WXL S-1088 50 条 公司正常使用 的尼龙帘布 公司正常使用 的钢丝帘布 F 型缠绕 1*1500Kevlar+1*126 0Nylon 芳纶/尼龙混 捻帘布龙混捻帘布 正常配方 胎面胶 A

1.4 工艺 按传统的子午线轮胎生产工艺进行试验过程的生产及工艺组织,包括炼胶、纤维及内衬 层压延、胎面及胎侧压出、钢丝部件制备、纤维裁断、一步法成型、硫化、成品检验等工艺 流程进行。如下图

1.4.1 混炼 母炼胶采用英国进口 F270 密炼机自动混炼，排胶温度为 170℃，终炼胶采用 GK270 密炼 机加不溶性硫磺后排胶温度设定为 105℃。 1.4.2 压延 压延设备采用台湾新四辊“S”型压延机。

设定压延速度不超过 20m/min,压延厚度 1.2mm,压延时干燥箱温度控制在 80－90℃，压延 机辊筒温度控制在 85－95℃之间，主要是因为帘布胶中含有不溶性硫磺，具体压延条件见下 表： 表 9 ：芳纶帘布压延的工艺参数 压延辊压延主张力 N 压延速度 m/min 压延厚度 mm 1# 2# 3# 4# 85 90 90 85 8000 20 1.20 表 10：张力控制范围 张力区 张力/kg 张力区 张力/kg 主机前张力 600－800 导开张力 50 主机后张力 600－750 前储布张力 100 干燥段张力 400－500 后储布张力 200 冷却段张力 500－600 卷曲张力 50 1.4.3 成型 成型方法为一步法，设备为 VMI 全自动一步法成型机，该设备精度高，生产效率快。 1.4.4 硫化 采用现有的 45 寸硫化机、氮气介质进行硫化，无后充气装置，硫化时间上设置和正常 胎一样。

德国 KRUPP4530RH/1 液压硫化机硫化 12－17 英寸轮胎 2 结果与讨论 2.1 重量对比 从以下对比中可以看出，芳纶作轮胎骨架材料可以减少乘用胎的重量约 6-9％，做为冠 带对重量的影响不是很大。