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轮胎|应对新能源汽车发展规划轮胎胎面配方应用新材料( 三 )


3.2 配方设计思路
配方组分中关系到滞后损失的因素有：橡胶-橡胶之间的相互作用；橡胶-填料之间的相互作用；填料-填料之间的相互作用 。 通过橡胶、填料和各种添加剂的选择可以改善相互作用 ， 从而达到降低滚动阻力、提高抓地性能和改善耐磨性能等效果 。
3.2.1 橡胶组分
滚动阻力和抓地性能的作用频率不同 ， 通过橡胶的选择可以达到这两方面的平衡 ， 比如选用溶聚丁苯橡胶就可以得到低频低滞后、高频高滞后的性能[9] 。 橡胶的分子量及其分布、玻璃化转变温度、末端效应等都是影响滞后损失的决定性因素 。 对于溶聚丁苯橡胶 ， 可通过分子设计控制其化学组成和微观结构 ， 使其具有较窄的相对分子质量分布和较大的相对分子质量 ， 以及通过末端或分子链改性技术 ， 能够较好的解决轮胎滚动阻力、抗湿滑性能和耐磨性能的矛盾[10] 。
邵红琪等[11]研究了三种不同改性方式的溶聚丁苯橡胶对白炭黑分散效果及复合材料动态和静态力学性能的影响 。 结果表明 ， 分子主链改性的溶聚丁苯橡胶（HPR850和LRE-100）可以明显减弱复合材料中填料的Payne效应 ， 延长了小形变的线性平台 ， 改善填料在橡胶基体中的分散 ， 从而可以有效降低复合材料在动态形变下的生热 ， 即形变扫描的tanδ明显降低 。 改性橡胶HPR850和LRE-100的玻璃化转变温度Tg都较普通溶聚丁苯橡胶RC2557S高 ， 同时可以发现LRE-100曲线的峰值有了明显的增大 ， 这样导致了其在0 ℃附近损耗因子tanδ较大 ， 这有利于制动性能的改善 。 另外强的橡胶-填料相互作用和填料优异的分散性也有助于耐磨性能的改善（如图1和图2） 。
轮胎|应对新能源汽车发展规划轮胎胎面配方应用新材料
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图1 复合材料的储能模量G'随应变变化曲线
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图2 复合材料的tanδ随温度变化曲线
为了平衡抓着性能、耐磨性能和滚动阻力 ， 胎面胶的Tg一般设计在-15℃到-20℃之间 ， 通常需要多种橡胶的并用来实现 ， 并用橡胶为溶聚丁苯橡胶、顺丁橡胶和天然橡胶[12] 。 其中顺丁橡胶具有最佳的耐磨性能 ， 而天然橡胶可以平衡耐磨性能和加工性能 。 由于新能源汽车的性能要求 ， 填料的添加量一般都是偏少的 ， 这就对加工性能产生了影响 ， 故在配方设计过程中更多的采用溶聚丁苯橡胶和天然橡胶进行并用 ， 这样可以保证胶料的加工性能和轮胎热硫化后的抗撕裂性能 ， 同时滚动阻力也会维持在需要的范围内 。
橡胶分子量越大和分子量分布越窄都有利于滚动阻力和耐磨性能的改善 ， 这主要是由于分子链末端效应的减弱 。 但是小分子链数量的减少会对加工性能产生不利的影响 ， 导致门尼黏度的急剧升高 ， 从而不利于混炼和压出性能 。 这就需要适度调整橡胶分子量或在配方设计过程中添加加工助剂 。
3.2.2 填料组分
炭黑填充的硫化胶具有较高的物理机械性能 ， 即赋予轮胎良好的耐磨性 ， 从而提高轮胎的使用寿命 ， 但与此同时 ， 炭黑填充胶料的滞后性和生热也明显提高 ， 所以一般不同程度地增加了轮胎的滚动阻力损失 。 白炭黑作为一种可以很好平衡轮胎耐磨、滚动阻力和湿滑的填料 ， 已经成为了乘用车轮胎的主要填料[13] 。 另外一些改性后的无机填料 ， 如纳米黏土、蒙脱土[14]、氢氧化铝、干灰[15]、氧化铝[16]、LDH[17]和钛白粉 ， 也可以应用于轮胎胎面配方中来平衡滚动阻力和抓着性能 。 影响轮胎性能的主要因素有填料种类、用量、填料粒径、结构度、聚集体尺寸分布、表面活性和分散性等[18] 。
轮胎厂中使用的白炭黑主要是比表面积为115 m2/g和165 m2/g的白炭黑 ， 这是因为这两款白炭黑具有相对较好的加工性能和分散性能 ， 能够很好的平衡滚动阻力、抓着性能和耐磨性能 。 随着比表面积的降低 ， 胶料的滚动阻力将会明显改善 ， 但是耐磨性能会恶化 ， 这将大大缩短使用里程；然而随着比表面积的增加 ， 混炼胶的门尼黏度升高非常明显 ， 加工性能会变得超级差 ， 另外现有的技术对高比表面积白炭黑的分散也存在限制 ， 如果白炭黑存在分散问题 ， 那将不利于其推广使用[19] 。


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