輪胎是汽車上最重要的組成部件之一，它的作用主要體現(xiàn)在支持車輛的全部重量，承受負(fù)荷;傳送牽引和制動的扭力，保證車輪與路面的附著力;減輕和吸收汽車在行駛時的震動和沖擊力，防止汽車零部件受到劇烈震動和早期損壞。
聚氨酯輪胎的高強(qiáng)度、高承載、高回彈、高耐磨、高抗撕等性能是普通天然橡膠輪胎所不能比擬的。聚氨酯材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)保證了輪胎具有良好的穩(wěn)定性。
1. 國內(nèi)外廠家爭先研發(fā)車用聚氨酯輪胎引關(guān)注
從20世紀(jì)50年代起，有不少輪胎制造商注資進(jìn)行這方面的研究。但遺憾的是，聚氨酯輪胎在濕滑抓著性能、使用壽命或性能方面都不盡人意，無法與傳統(tǒng)的橡膠輪胎媲美。
日前，美國固特異輪胎橡膠公司與艾美萊泰公司簽定一項(xiàng)合作協(xié)議，旨在共同開發(fā)可以替代橡膠輪胎的新型聚氨酯輪胎。艾美萊泰是一家技術(shù)開發(fā)公司，在研制聚氨酯輪胎方面作了不少努力，取得了可喜的成績，但也為此承受多達(dá)1200萬元的財務(wù)虧損。據(jù)稱，該公司已經(jīng)研制出了一種新的膠料，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，用這種膠料生產(chǎn)的聚氨酯輪胎，安全性能和使用性能可達(dá)到或超過橡膠輪胎。通過進(jìn)一步的研究，還有望使胎面耐磨性、輪胎的磨損均勻性以及輪胎滾動阻力等指標(biāo)獲得進(jìn)一步改善。固特異公司稱，真正實(shí)現(xiàn)聚氨酯輪胎的商業(yè)化生產(chǎn)可能還需要幾年的努力，但通過持續(xù)的開發(fā)研究，聚氨酯輪胎的前景無疑是美好的。
與普通橡膠相比，聚氨酯材料耐磨性好，用聚氨酯材料制造輪胎大多采用澆注工藝，比橡膠輪胎均勻性更好，而且不會出現(xiàn)胎面剝離現(xiàn)象。但由于聚氨酯材料熔點(diǎn)較低，所以很少用于制造高速輪胎。不過，最近艾美萊公司已研制出一種特殊的聚氨酯材料，克服了不耐熱的缺點(diǎn)。這種材料由多元醇、二苯甲烷二異氰酸酯等成分組成，艾美萊公司已經(jīng)為這種材料申請了專利，固特異公司已得到艾美萊公司允許，利用上述材料試制新一代聚氨酯輪胎。經(jīng)試驗(yàn)證明，新產(chǎn)品在安全性、均勻性和耐磨性能上均比普通橡膠輪胎好，而且不易產(chǎn)生胎面剝離和爆胎。隨著聚氨酯材料性能以及聚氨酯輪胎生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，大規(guī)模生產(chǎn)聚氨酯輪胎在不久將成為現(xiàn)實(shí)。
不久前，國內(nèi)首家新型綠色聚氨酯復(fù)合輪胎正式投入生產(chǎn)，這種新型綠色輪胎采用綠色環(huán)保的聚氨酯材料做胎面，對人體無毒害作用，又能完全生物降解，還不必添加炭黑和芳烴油，既保持子午線輪胎滾動阻力小，安全性，舒適性高的優(yōu)點(diǎn)，又保持聚氨酯彈性體特別耐磨和無污染的優(yōu)點(diǎn)。這種復(fù)合輪胎，其行駛里程可比普通輪胎提高一至五倍，同時能消除大量的炭黑和芳烴油對環(huán)境的污染，大量減少廢舊輪胎的數(shù)量。
2. 聚氨酯輪胎“綠色”材料脫穎而出
汽車工業(yè)是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，進(jìn)入21世紀(jì)以來，輪胎工業(yè)發(fā)展總的趨勢仍然是進(jìn)一步提高子午化、扁平化、無內(nèi)胎化等。其中，人們對環(huán)保意識和節(jié)能意識越來越強(qiáng)烈，隨著國家限制汽車燃料消耗的有關(guān)法規(guī)越來越嚴(yán)，各種低耗能輪胎———低滾動阻力輪胎相繼問世。由于這種輪胎的能耗低，對環(huán)保極為有利，由此便產(chǎn)生綠色輪胎的概念。
在繼續(xù)努力降低滾動阻力的同時，人們開始重視使用不污染環(huán)境的材料制造輪胎，而且努力延長輪胎的行駛里程，以減少廢舊輪胎的數(shù)量。試驗(yàn)中的整體澆注型聚氨酯輪胎主要材料采用澆注型聚氨酯彈性體，這是目前最耐磨的彈性體，并且對人體無毒害，又能完全生物降解，還不必添加炭黑和一些有致癌作用的橡膠配合劑，是制造輪胎胎面的理想材料。將子午胎胎體與聚氨酯胎面組成復(fù)合輪胎，既能保持子午胎滾動阻力小，安全性、舒適性高的優(yōu)點(diǎn)，又保持聚氨酯彈性體特別耐磨和無污染的優(yōu)點(diǎn)。這種復(fù)合輪胎，其行駛里程比普通輪胎提高1～5倍，同時能消除部分橡膠配合劑對環(huán)境的污染，大量減少廢舊輪胎的數(shù)量，其性能也提高了一個檔次，對環(huán)境污染降到新的水平，成為新型綠色輪胎。
聚氨酯材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)保證了輪胎具有良好的穩(wěn)定性。由于聚氨酯是一種完全反應(yīng)的聚合物，其分子間都是通過化學(xué)鍵連接的，從而避免了被氧化或被其他化學(xué)品濾取的可能，從而在理論上延長了輪胎的壽命。聚氨酯輪胎的生產(chǎn)成本更低。通常，生產(chǎn)橡膠輪胎的過程很復(fù)雜，往往需要使用昂貴的設(shè)備，如密閉式混煉機(jī)、壓光機(jī)、擠出機(jī)以及平板硫化機(jī)，而且其硫化過程周期長達(dá)30～40min。
聚氨酯輪胎的性能好。長久以來，通過原型工藝生產(chǎn)的聚氨酯輪胎在測試過程中總是存在著諸如抗?jié)窕x車時熔融等方面的問題。據(jù)介紹，使用Amerityre公司的配方生產(chǎn)的聚氨酯輪胎完全能夠達(dá)到同橡膠輪胎一樣的所有測試指標(biāo)，甚至還超過橡膠輪胎所具有的性能值。
3. 聚氨酯輪胎的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及花紋
全聚氨酯充氣輪胎是由胎體、帶束層和胎面3部分構(gòu)成。部分聚氨酯充氣輪胎有兩種形式:一種是胎體為澆注的聚氨酯，而胎面則為制造普通輪胎用的橡膠;另一種是胎體為子午線胎體，而胎面則是聚氨酯。
聚氨酯充氣輪胎與普通鋼絲子午線輪胎相比具有下列優(yōu)點(diǎn):耗油量平均低10%;胎面磨耗低51%;重量輕30%;滾動阻力低35%以上;均勻性更好，且不會出現(xiàn)胎面剝離現(xiàn)象。
由于聚氨酯含有強(qiáng)極性氨基甲酸酯基團(tuán)，調(diào)節(jié)配方中NCO/OH的比例，可以制得熱固性聚氨酯和熱塑性聚氨酯的不同產(chǎn)物，按其分子結(jié)構(gòu)可分為線型和體型兩種。體型結(jié)構(gòu)中由于交聯(lián)密度不同，可呈現(xiàn)硬質(zhì)、軟質(zhì)或介乎兩者之間的性能，具有高強(qiáng)度、高耐磨和耐溶劑等特點(diǎn)。根據(jù)所用原料的不同，可有不同性質(zhì)的產(chǎn)品，一般為聚酯型和聚醚型兩類，可用于制造塑料、橡膠、纖維、硬質(zhì)和軟質(zhì)泡沫塑料、膠粘劑和涂料等。
聚氨酯輪胎胎面包括橡膠體，且胎面上設(shè)有花紋溝，橡膠體上面設(shè)有凹槽，聚氨酯彈性體位于凹槽內(nèi)。胎面冠部磨耗面一部分面積是聚氨酯材料，另一部分為橡膠材料，兩部分材料通過共交聯(lián)結(jié)合成為一體。聚氨酯部分提高了輪胎胎面的耐磨性，橡膠部分保證了胎面的防滑性和制動性，綜合性能優(yōu)于單一的橡膠材料胎面和聚氨酯材料胎面，可通過復(fù)合擠出或澆注方式再與橡膠胎體共硫化等工藝制成輪胎。
聚氨酯輪胎的胎圈是輪胎安裝在輪輞上的部分，由胎圈芯和胎圈包布組成，起固定輪胎作用。輪胎的規(guī)格以外胎外徑D、胎圈內(nèi)徑或輪輞直徑d、斷面寬B及扁平比(輪胎斷面高H/輪胎斷面寬B)等尺寸加以表示，單位一般為英寸。胎踵是胎圈外側(cè)與輪輞胎圈座圓角著合的部分；胎圈芯是由鋼圈，三角膠條和胎圈芯包布制成的胎圈部分；鋼絲圈是有鍍銅鋼絲纏繞成的剛性環(huán)，是將輪胎固定到輪輞上的主要部件；裝配線是模壓在胎側(cè)與胎圈交接處的單環(huán)或多環(huán)膠棱，通常用以指示輪胎正確裝配在輪輞上的標(biāo)線。
斜交輪胎胎面與胎體之間的膠簾布層或膠層，不延伸到胎圈的中間材料層，用于緩沖外部沖擊力，保護(hù)胎體，增進(jìn)胎面與簾布層之間的粘合。子午線結(jié)構(gòu)輪胎的緩沖層由于其作用不同，一般稱為帶束層。子午線輪胎胎面基部下，沒胎冠中心線圓周方向箍緊胎體的材料層。
4. 聚氨酯微孔彈性體的原材料及合成原理
聚氨酯彈性體是一種既具有塑料的高硬度，又具有橡膠高彈性的高分子合成材料。基于優(yōu)異的力學(xué)性能，有關(guān)廠家從20世紀(jì)60年代開始就進(jìn)行了聚氨酯彈性體在輪胎中的應(yīng)用研究。特別是澆注型聚氨酯彈性體是目前最耐磨的彈性體，具有可著色、高耐切割性、吸振、減震、負(fù)重容量非常大以及優(yōu)良的耐油及耐化學(xué)品等優(yōu)點(diǎn)，而且對人體無毒害作用，又能完全生物降解，還不必添加炭黑和芳烴油，是制造輪胎胎面的理想材料。聚氨酯輪胎采用澆注工藝制造，其結(jié)構(gòu)和目前生產(chǎn)的輪胎有很大區(qū)別。
合成微孔彈性體的原材料包括多元醇、二異氰酸酯、擴(kuò)鏈劑、催化劑、發(fā)泡劑、勻泡劑及其它添加劑。多元醇有聚酯多元醇和聚醚多元醇等;其它助劑包括阻燃劑、抗氧劑和著色劑等。
聚氨酯微孔彈性體的合成要?dú)v經(jīng)下列反應(yīng):一是聚氨酯大分子的生成(鏈增長)：多官能度(尤以二官能度為主)的異氰酸酯和聚酯或聚醚醇發(fā)生聚加成反應(yīng)生成聚氨酯大分子，通過控制NCO/OH摩爾比，使生成的聚氨酯大分子兩個末端均為異氰酸酯基團(tuán)；二是起泡：通過向反應(yīng)體系中添加水，借助水與聚氨酯大分子的異氰酸酯基反應(yīng)，產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)怏w，達(dá)到起泡的目的。也可以通過添加低沸點(diǎn)鹵代烴，使之受熱氣化，達(dá)到起泡的目的。三是膠凝：膠凝又稱交聯(lián)固化，它在制備發(fā)泡制品中是非常重要的反應(yīng)，膠凝過早或過晚都將導(dǎo)致微孔制品質(zhì)量下降，甚至造成廢品。
聚氨酯微孔彈性體實(shí)心輪胎有非增強(qiáng)型和增強(qiáng)型兩種，前者為輕載型(如自行車輪胎等)，后者為重載型(如叉車輪胎、電動車輪胎和拖拉機(jī)輪胎等)。非增強(qiáng)型僅由微孔彈性體構(gòu)成，增強(qiáng)型由彈性體、增強(qiáng)材料和鋼絲圈構(gòu)成。聚氨酯微孔彈性體實(shí)心輪胎的彈性體部分，根據(jù)各部位的作用及結(jié)構(gòu)不同可分為胎面、胎側(cè)和胎芯幾部分。聚氨酯微孔彈性體實(shí)心輪胎的胎面，是一層密度與無孔聚氨酯彈性體十分接近的微孔彈性體層，其作用和傳統(tǒng)輪胎胎面完全相同，只是它的耐磨性、耐切割性、抗撕裂性更佳，其厚度由輪胎規(guī)格、膠料配方、輪胎模具及離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度等多方面因素決定。聚氨酯微孔彈性體實(shí)心輪胎的側(cè)面類似于傳統(tǒng)輪胎的胎側(cè)，是密度和無孔聚氨酯彈性體相近的微孔彈性體結(jié)皮層，這一層具有良好的抗形變能力和耐屈撓性，其厚度由輪胎加工工藝、膠料配方?jīng)Q定。聚氨酯微孔彈性體實(shí)心輪胎的胎芯是由自外向內(nèi)密度逐漸減小的微孔聚氨酯材料組成的，這種密度均勻變化的芯部結(jié)構(gòu)，一方面可以保證輪胎具有足夠的負(fù)荷能力，另一方面可以保證輪胎具有良好的動態(tài)性能。
聚氨酯微孔彈性體實(shí)心輪胎，雖然無需充氣，但是僅靠彈性體本身的性能是不能滿足高負(fù)荷輪胎使用要求的，必須進(jìn)行必要的增強(qiáng)。通過增強(qiáng)，一方面可以保證輪胎長期使用后外形尺寸不發(fā)生很大變化，另一方面可以使輪胎的強(qiáng)度和承載能力大大提高。增強(qiáng)層分為徑向增強(qiáng)層和周向冠部增強(qiáng)層。徑向增強(qiáng)層可以采用高強(qiáng)度鋼絲，利用一定設(shè)備，繞制成螺旋狀;周向冠部增強(qiáng)層可以采用尼龍簾線、芳綸簾線、聚酯簾線或鋼絲簾線，編織成環(huán)帶結(jié)構(gòu)。為了保證微孔彈性體實(shí)心輪胎和輪輞緊密著合，必須將鋼絲圈埋入輪胎內(nèi)部靠近輪輞的部位，鋼絲圈穿過并固定于徑向增強(qiáng)層上。鋼絲圈的數(shù)量視輪胎規(guī)格而定，但為了防止使用過程中車廂側(cè)壁瞬時過載時輪胎發(fā)生側(cè)滑，鋼絲圈數(shù)量應(yīng)適當(dāng)增加，其斷面形狀可以為方形、圓形或其它形狀。
5. 聚氨酯輪胎的研發(fā)及市場前景
橡膠輪胎在使用過程中暴露出使用壽命短、耐磨性和抗撕裂強(qiáng)度較差等缺點(diǎn)，尤其是載重汽車輪胎，因負(fù)重能力有限，經(jīng)常導(dǎo)致爆胎現(xiàn)象的發(fā)生。此外，橡膠輪胎在使用過程中會產(chǎn)生很多廢料，報廢后回收再利用難度很大，容易造成環(huán)境污染。與此相反，由于采用低密度的彈性材料，澆注輪胎的設(shè)備投資少，工藝過程簡單，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題相對較少，輪胎重量可以減輕25%，澆注輪胎的行駛溫度也較低，此外，澆注材料還可重復(fù)利用，可謂一舉多得。
聚氨酯輪胎的研制基于聚氨酯彈性體特殊的耐磨性能及其優(yōu)良的力學(xué)性能，從20世紀(jì)60年代開始就進(jìn)行了聚氨酯彈性體在輪胎中的應(yīng)用研究。特別是在1975年，美國空軍飛行動力試驗(yàn)室曾與Zedron公司合作，對澆注輪胎和活胎面澆注輪胎在美國空軍飛機(jī)上使用的可行性進(jìn)行研究。
車輛行駛時，輪胎各部分受力較為復(fù)雜：在垂直方向有垂直反力，切線方向有縱向和橫向反力， 使輪胎在這些方向存在整體或局部的相對滑移，引起胎面磨損及變形;在胎體內(nèi)部產(chǎn)生拉伸、壓縮而引起材料疲勞，從而降低強(qiáng)度;在簾布層之間產(chǎn)生剪應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力超過簾布層與橡膠層間的吸附力時，就會出現(xiàn)簾線松散現(xiàn)象;在輪胎變形中，外胎與內(nèi)胎之間也會發(fā)生摩擦生熱，一部分熱量散發(fā)在空氣中，另一部分熱量積累起來，導(dǎo)致輪胎溫度升高、性能下降，使輪胎非正常磨 損增加，引起簾線松散、折斷及胎體破裂等現(xiàn)象。
隨著車速的提高，胎面與路面間積水來不及排除便會在兩面間形成水膜，將輪胎慢慢托起，在一定條件下甚至完全離開路面，使汽車完全喪失操縱性，這種現(xiàn)象被稱之為輪胎“滑水現(xiàn)象”。影響滑水臨界速度的因素較多，但其中輪胎花紋型式和深信芭為主要因素之一，經(jīng)常在高速公路上行駛的轎車，在有條件的情況下，應(yīng)盡量選擇抗滑水輪胎。聚氨酯輪胎花紋的優(yōu)點(diǎn)就是增加胎面與路面間的摩擦力，以防止車輪打滑，這與鞋底花紋的作用如出一轍。聚氨酯輪胎花紋提高了胎面接地彈性，在胎面和路面間切向力的作用下，花紋塊能產(chǎn)生較大的切向彈性變形.切向力增加，切向變形隨之增大，接觸面的“摩擦作用”也就隨之增強(qiáng)，進(jìn)而抑制了胎面與路面打滑或打滑趨勢。這在很大程度上消除了無花紋(光胎面)輪胎易打滑的弊病，使得與輪胎和路面間磨擦性能有關(guān)的汽車性能--動力性、制動性、轉(zhuǎn)向操縱性和行駛安全性的正常發(fā)揮有了可靠的保障。聚氨酯輪胎兩個鋼絲圈采用不同的內(nèi)徑，以保證鋼絲圈底部材料壓縮因數(shù)基本一致，防止鋼絲圈受力不均。胎圈包布采用雙層錦綸網(wǎng)眼布，胎圈底部傾斜角比輪輞傾斜角大1°，以提高胎圈與輪輞配合的緊密程度。輪胎性能要求、環(huán)境問題和性價比將決定未來的材料要求。為了面對巨大的輪胎損耗帶來的環(huán)境危害問題，未來輪胎橡膠材料的發(fā)展將一方面集中在熱塑性聚合物的開發(fā)上，也就是使這些聚合物可以回收，利用熱處理、分離、和通過輻射或加入添加劑到橡膠化合物（這種橡膠化合物可被輻射激活）等手段使之生物降解。另一方面輪胎集中在有機(jī)聚合物的發(fā)展上。
具有星形支化結(jié)構(gòu)的溶液聚合丁苯橡膠，α-甲基苯乙烯等級的丁苯橡膠和高苯乙烯含量的乳聚丁苯橡膠正在取代傳統(tǒng)的丁苯橡膠等級。基于釹催化劑的丁基橡膠，環(huán)氧化的天然橡膠和合成異戊二烯橡膠作為天然橡膠的替代品，用于一般的用途，它們能夠持續(xù)流行使用的原因各不相同。固體橡膠中聚氨酯的使用，加入用茂金屬催化劑“INSITE”催化技術(shù)制成的的改進(jìn)型填料后，三元乙丙橡膠的使用，還有就是越來越流行將溴丁基取代氯基等等都是其他聚酯方面主要的進(jìn)展，這些進(jìn)展都是為了滿足日益增長的性能要求期望。在增韌材料中，制作商感興趣的進(jìn)展有：為改進(jìn)輪胎耐久性的使用的雙二倍體聚酯，為改進(jìn)輪胎中接合性而開發(fā)的等離子處理人造絲，更多使用芳香尼龍纖維作為傳帶，還有開始使用聚乙烯基萘。其他受關(guān)注的開發(fā)領(lǐng)域有：為改進(jìn)橡膠與金屬的粘合性而新引入的鋼絲尺寸和為改進(jìn)橡膠與金屬的連接性而引入的新的鋼絲涂層配方。在增韌材料里面一個最大的突破就是納米纖維的開發(fā)，納米纖維能夠排列在聚合物網(wǎng)絡(luò)中，這樣聚合物強(qiáng)度大大增加。這可以降低資金設(shè)備的要求還可以解決回收利用的問題。像在高分子結(jié)構(gòu)中加入結(jié)晶部分這樣的分子構(gòu)筑，可以增韌柔性的無定性相，這樣的輪胎中可以不需要加入纖維增韌劑。
6. 結(jié)束語
全球汽車保有量的增加，輪胎需求量也呈不斷擴(kuò)大之勢，而通過橡膠樹提取天然橡膠的做法很有可能在日后無法滿足日益增大的輪胎需求量。如何獲取更加寬廣的天然橡膠提取渠道成為日益被重視的問題，為了尋找全新的天然橡膠資源，以替代目前在輪胎主要原料中占很大比例、產(chǎn)自橡膠樹的天然橡膠，不少輪胎企業(yè)已經(jīng)開始著手開展相應(yīng)的研發(fā)工作。聚氨酯材料作為新源替代的方向之一，國內(nèi)外輪胎廠家已經(jīng)都在爭先展開研發(fā)工作，相信不久的將來，汽車輪胎就將迎來一個嶄新的時代。
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