芳綸纖維在輪胎骨架材料中的應用

王 劼

（平頂山神馬簾子布發展有限公司，河南 平頂山 467000）

從1895年米其林第1條充氣輪胎正式生產以來[1]，伴隨著汽車工業的迅猛發展，輪胎行業不斷改進技術，推陳出新，如今在世界范圍內已經形成了成熟完備的輪胎生產鏈。對輪胎而言，骨架材料是保證輪胎強度、承受負荷以及保持輪胎尺寸穩定性的關鍵性材料。隨著子午線輪胎的日益普及，高性能子午線輪胎和綠色環保輪胎正逐步發展，對骨架材料的性能提出了更高的要求，對位芳綸因優異的材料性能而逐漸應用于高性能輪胎中。

1 輪胎骨架材料的分類和性能

骨架材料是橡膠制品的主要受力層，對橡膠制品的使用性能、使用壽命和使用價值起決定性作用。理想的骨架材料需具備高強度、高模量、耐疲勞、低蠕變等力學性能以及低密度、耐高低溫、耐腐蝕和阻燃等理化性能。輪胎纖維骨架材料主要有四大類，各有其優點和不足。

（1）人造絲簾線具有優良的高溫模量保持率和低收縮特性，尺寸穩定性遠優于錦綸和聚酯簾線，應用于子午線輪胎胎體可使輪胎獲得優異的操縱性能，但人造絲簾線濕強度低，生產污染嚴重。

（2）聚酯簾線具有模量高、強力高、伸長率低、熱收縮率低、尺寸穩定性好、干濕強度大致相同等優點，耐疲勞性能和抗沖擊性能優于人造絲簾線，但是其溫升高，在高溫時會胺解。

（3）錦綸簾線的優點是強度高、相對密度小、滯后損失小、吸濕率低、濕強度高、彈性好，耐屈撓性比人造絲簾線高10倍，耐疲勞性能優于其他纖維簾線，主要缺點是熱收縮率大，熱穩定性和尺寸穩定性差。

（4）芳綸簾線因其耐高溫、高強度、高模量及變形小的特性近年來逐漸得到擴大應用。研究表明[2]，芳綸簾線不僅能夠減小輪胎質量和降低滾動阻力，而且有利于提高輪胎的抗刺扎和抗切割性能。

輪胎常用骨架材料的性能對比如表1所示。

表1 輪胎常用骨架材料的性能對比

由表1可以看出，對位芳綸的比強度、比模量分別是鋼絲的近6和3倍，是錦綸66的2和10倍多。對位芳綸材料性能在－200～200 ℃的溫度范圍內仍可以保持正常水平，在相同抗張強度的前提下，可大幅減小橡膠制品的質量，并可滿足在極端氣候條件下的使用。對位芳綸具有優異的低蠕變、耐疲勞、低熱收縮性和耐化學腐蝕性能，可顯著提高橡膠制品的尺寸穩定性和延長使用壽命[3-4]。因此，對位芳綸是一種極為理想的輪胎骨架材料。

2 對位芳綸在輪胎骨架材料中的應用

芳綸在輪胎結構中的首次應用是作子午線輪胎帶束層。由于它特殊的性能，現正被用在日益增多的輪胎各種不同部件中。從技術角度考慮，芳綸可用作輪胎任何部位的骨架材料，甚至可以與樹脂結合取代鋼絲制造輪胎胎圈，大大減小輪胎的質量。目前在露邊帶束層、折疊帶束層、周向帶束層、子午線輪胎胎體、胎圈包布、鋼絲圈、賽車斜交輪胎胎體、斜交輪胎緩沖層中都有芳綸應用的實例。

錢伯章介紹了1680dtex/2芳綸簾線代替2×0.30HT鋼絲簾線在轎車輪胎帶束層中的應用，替代后輪胎質量可減小6.4%～7.5%，滾動阻力降低12.5%，輪胎的耐久性能、高速性能、脫圈阻力和強度都遠超過國家標準要求；將1680dtex/2芳綸簾線用于胎體和帶束層，輪胎質量可減小15%，輪胎其他性能均達到標準要求，而且提高了汽車乘坐舒適性。

Van der Made等[5]介紹了對位芳綸作為輪胎增強材料的應用，在相同質量下，其強度和模量遠超過聚酯、聚酰胺和鋼絲等材料，在安全性和耐用性方面極為優異。將芳綸簾線替代鋼絲簾線用于可折疊賽車輪胎，最顯著的優勢就是使輪胎質量減小，而且具有可折疊性。芳綸輕量化的特性非常適合高性能賽車輪胎，在減小賽車質量的同時可以實現更快的剎車和更好的過彎性能。

石超等[6]介紹了芳綸短纖維在全鋼載重子午線輪胎填充膠中的應用。芳綸短纖維本身特殊的結構和性能可以賦予橡膠制品高模量、高硬度、高強度、尺寸穩定、耐磨等優良特性。試驗結果表明，芳綸短纖維使膠料的門尼粘度減小，t90縮短，溫升降低，損耗因子減小，Payne效應降低，成品輪胎的耐久性能良好，說明芳綸材料對輪胎性能的提升是很有效的。

神馬實業股份有限公司為了適應國內外子午線輪胎的飛速發展，早在1995年就開始關注芳綸材料，并推出了對位芳綸浸膠簾布，隨著市場發展和制造技術的更新，現已能夠規模化生產1100dtex/2和1680dtex/2兩種規格浸膠芳綸簾布，其物理性能指標如表2所示。

表2 2種浸膠芳綸簾布的物理性能指標

芳綸簾布雖有諸多優點，但作為橡膠骨架材料也存在抗壓縮及彎曲疲勞性能差、不易粘合、生產成本高等問題，這些都限制了芳綸簾布的廣泛應用。為此，神馬實業股份有限公司又開發出芳綸/高強度錦綸復合簾布，推出1680dtex/2＋1400dtex/1，1680dtex/1＋1400dtex/2，1680dtex/1＋1400dtex/1三種規格芳綸/高強度錦綸復合浸膠簾布，并進行子午線輪胎里程試驗。結果表明，復合簾布輪胎的各項性能均達到預期目標。芳綸/錦綸66復合浸膠簾布的物理性能指標如表3所示。

表3 芳綸/錦綸66復合浸膠簾布的物理性能指標

將芳綸與錦綸按一定股數配比經紡捻、浸膠熱處理得到的復合簾布能消除錦綸、芳綸的缺點而集兩者優點于一身，實現材料特性互補，滿足了高性能輪胎的嚴苛需求，未來復合簾布在輪胎中的應用會更多、更廣。

3 國內芳綸的產業發展情況

目前我國對位芳綸工程化技術研發已取得了較大的突破。中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司年產500 t級產業化試驗生產線于2008年4月20日通過技術鑒定，煙臺氨綸股份有限公司年產100 t級試驗生產線也于2008年12月26日通過鑒定。現在國內有6家企業走在芳綸產業化的道路上，中藍晨光化工研究設計院有限公司、煙臺泰和新材料股份有限公司、蘇州兆達特纖科技有限公司、河北硅谷化工有限公司、中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司和中國石化儀征化纖有限責任公司的建設年產能分別為1 000，1 000，500，1 000，1 000和3 000 t。

由于我國對位芳綸纖維制造技術起步較晚，在技術上還需不斷完善和改進，在應用基礎研究方面更是嚴重滯后，在未來提高產能和效率的同時，應積極開發芳綸的應用多樣性，以芳綸的功能性研究作為重點，以便應對國內對特種纖維日益增長的需求。

4 結語與展望

（1）國內芳綸生產成本較高，產能不足，性能不穩定。建議將芳綸產業集中，重點突破，對生產設備和工藝進行優化，建設完整的產業鏈，優化產業結構，在提升產品性能的同時，降低生產成本。

（2）芳綸研發分散，產品應用少。國內生產芳綸的企業有多家，但是核心技術和生產工藝改進不大，屬于低水平的重復建設，研發投入少。芳綸產品種類單一，在多功能性開發方面的發展空間很大。

（3）芳綸纖維昂貴的成本制約著其應用及發展，但是只用部分芳綸纖維作骨架材料即可達到提升輪胎性能的目的。因此，芳綸纖維在輪胎中的開發應用重點為芳綸復合簾布的開發、芳綸胎圈簾布的開發及輪胎帶束層芳綸簾布的使用等，更有實際生產價值。