輪胎纖維骨架材料的差異化發展

王曉龍，劉全來，江曉峰，華潤稼，許其軍

（江蘇太極實業新材料有限公司，江蘇 揚州 225006）

1 輪胎纖維骨架材料發展簡介

現代輪胎始于1839年固特異發明了硫化橡膠。1887年鄧祿普使用亞麻織物作為橡膠骨架，發明了第1條充氣輪胎。棉織物簾線的斷裂強力較低，棉簾線需要較粗，同時需要較大經向密度，造成輪胎的胎體厚、不利于散熱及節油[1]。

1923年首條人造絲簾線輪胎制成，之后美國杜邦公司和Coutaulds公司相繼批量制造了Cordura和Tenasco牌號的高強度人造絲簾線。人造絲簾線提高了輪胎的強度和耐久性能，延長了輪胎使用壽命。由于人造絲簾線具有斷裂強力和模量高、尺寸穩定性好等優點，逐漸替代了棉簾線[1-3]。

第二次世界大戰時，美國用發明的錦綸66簾線制造了軍用飛機輪胎[1，3]。到了20世紀50年代，錦綸66在美國已經完全替代了人造絲。錦綸6用作輪胎骨架材料始于日本，1967年日本國產錦綸6簾線用量已達到其輪胎骨架材料用量的90%[1]。

1953年開始，眾多輪胎企業嘗試將聚酯材料應用在輪胎中。到1962年，聚酯纖維被固特異用作輪胎骨架材料在轎車輪胎中推廣應用，逐漸替代了錦綸66，成為現今轎車輪胎的主要骨架材料[1，3]。

當前，輪胎對骨架材料的性能要求是輕量化、環保化、低滾動阻力等。

目前半鋼子午線輪胎胎體用纖維骨架材料主要有聚酯和人造絲，冠帶層用纖維骨架材料主要是錦綸66、錦綸66/芳綸混合簾線等[2-5]。表1示出了目前輪胎用纖維骨架材料的主要優缺點[6-7]。

表1 目前輪胎用纖維骨架材料的主要優缺點

2 胎體骨架材料差異化產品

2.1 簾線材料性能升級

輪胎工業發展提出了更高強力以適應輕量化、更高尺寸穩定性以適應低滾動阻力要求。為滿足輪胎客戶對骨架材料的要求[8]，各種新型聚酯浸膠簾線被開發出來，如高模量低收縮HMLSPET聚酯簾線（SR2）、高強力高模量低收縮聚酯簾線（SR3）、高尺寸穩定性高模量低收縮聚酯簾線（SR4）。

SR2滿足GB/T 19390—2014《輪胎用聚酯浸膠簾子布》要求。SR3在SR2的基礎上，在不改變線密度的情況下，提高簾線絕對強力。SR4在SR2基礎上，在不改變線密度情況下，尺寸穩定性（ES）指數（為定負荷伸長率與干熱收縮率的和）減小。

在輪胎應用領域，SR3在滿足輪胎強度要求的基礎上，可減小骨架材料用量，滿足輪胎輕量化要求；SR4在滿足輪胎強度要求的基礎上，可提高簾線的尺寸穩定性，為降低輪胎滾動阻力做貢獻。SR2，SR3，SR4簾線性能見表2—4。

表2 1100dtex/2高性能聚酯簾線性能

表3 1440dtex/2高性能聚酯簾線性能

表4 1670dtex/2高性能聚酯簾線性能

2.2 高纖度原絲兩股簾線取代三股簾線

采用高纖度原絲進行兩股捻線，兩股簾線可達到三股簾線的性能，實現產品的差異化升級，主要為2200dtex/2簾線替代1440dtex/3簾線，2500dtex/2簾線替代1670dtex/3簾線，3300dtex/2簾線替代2200dtex/3簾線。通過改變簾線的結構和使用高纖度原絲，提高了生產效率和簾線性能。SR2高纖度直捻兩股聚酯簾線性能見表5。

表5 SR2高纖度直捻兩股聚酯簾線性能

2.3 高強力高尺寸穩定性HMLS聚酯簾線

HMLS聚酯簾線的發展方向是進一步提高強力和尺寸穩定性。高強力高尺寸穩定性HMLS聚酯簾線（SR5）性能見表6。

表6 1100dtex/2-430S SR5聚酯簾線性能

由表6可見：與國外產品相比，我公司開發的SR5產品尺寸穩定性更好；我公司SR5產品強度比SR3產品提高5.55%。

3 冠帶層骨架材料差異化產品

3.1 生物基聚酰胺56

我公司自主開發了高強力聚酰胺56（PA56）工業長絲，并生產成浸膠簾布。PA56與錦綸66浸膠簾線的性能對比見表7，平衡及測試條件參照 GB/T 9101—2017。

表7 930dtex/2-460S PA56與錦綸66浸膠簾線性能對比

輪胎用骨架材料需要經歷升溫硫化過程，在輪胎使用過程中也會升溫，勢必造成性能的一些變化。因此，將纖維簾線在鼓風烘箱中進行180℃×15 min熱處理，模擬輪胎骨架材料經歷的熱硫化過程，然后在高溫環境下測試簾線的各項性能，PA56和錦綸66浸膠簾線性能隨溫度的變化情況如圖1所示。

由圖1可見，在80，100，120和140 ℃溫度下，PA56浸膠簾線的斷裂強力和斷裂伸長率略低于錦綸66浸膠簾線，定負荷伸長率與錦綸66浸膠簾線相當。

圖1 PA56和錦綸66浸膠簾線性能隨溫度的變化

3.2 PET聚酯簾線

輪胎冠帶層骨架材料目前主要使用錦綸66簾線。冠帶層的作用是限制帶束層在高速運轉時的擴張幅度，降低高速運轉狀態下的滾動阻力和帶束層溫度。相比其他骨架材料錦綸66簾線具有明顯的性能優勢。但是由于錦綸66本身玻璃化溫度低、模量低等特性，在輪胎設計和使用中容易出現平點現象。PET聚酯簾線模量較錦綸66簾線高，玻璃化溫度也高，成本更低，但聚酯簾線用于冠帶層時難以克服長時間粘合失效問題。

一些輪胎企業和骨架材料制造商已經開始進行聚酯簾線用于冠帶層的研究及應用。我公司生產的1100dtex/2-265S冠帶層聚酯浸膠簾線的性能如下：斷裂強力 168.4 N，斷裂伸長率 14.2%，44.1 N定負荷伸長率 3.1%，1%定伸長負荷19.8 N，3%定伸長負荷 42.6 N，5%定伸長負荷66.1 N，10%定伸長負荷 138.4 N，干熱收縮率（177 ℃×2 min×100 g） 1.8%，模擬輪胎硫化和冷卻時干熱收縮力（殘余收縮力）（180 ℃×15 min×94 g） 418（249） cN，模擬輪胎運行和停車冷卻時干熱收縮力（殘余收縮力）（100 ℃×15 min×94 g） 289（172） cN。

3.3 混合簾線

每一種纖維骨架材料都有各自的特性，如聚酯纖維起始形變時模量高，斷裂伸長率中等；錦綸66纖維起始形變模量低，斷裂伸長率高；芳綸簾線強力高，模量高，斷裂伸長率低。輪胎成型過程和使用時所需要考慮的骨架材料性能不一致，集合兩種或兩種以上骨架材料的特性，制造符合要求的混合簾線已經成為輪胎企業和骨架材料制造企業的研究課題。部分混合簾線的性能見表8和9。

表8 錦綸66/PET聚酯混合浸膠簾線與錦綸66浸膠簾線的性能對比

表9 芳綸/錦綸66和芳綸/PET聚酯混合浸膠簾線性能對比

4 環保簾布覆膠配方研究

我公司始終致力于環保簾布的開發，使簾布性能、生產工藝和產品儲存穩定性等方面同時改善。

第2代RF-free環保簾布試制輪胎的實驗室評價部分性能如表10和11所示。

表10 185/60R14輪胎室內性能測試結果

表11 195R14C輪胎室內性能測試結果

隨著人們環境保護意識的增強，各國對輪胎產品環保要求不斷提高，在輪胎簾布覆膠配方中，酚醛樹脂的使用逐漸減少[9]。我公司開發的第3代環保RF-free簾布除保留了前兩代的性能和成本等優勢外，還可以與不含酚醛樹脂的覆膠進行良好的粘合匹配，1670dtex/2-370S環保簾布與使用RF樹脂的胎體膠的粘合性能如下：H抽出力 204.0 N，170 ℃×15 min條件下剝離力（N）/覆膠率（%）308.9/＞80，170 ℃×60 min條件下剝離力（N）/覆膠率（%） 267.7/＜80。

5 結語

隨著輪胎產品輕量化、更高尺寸穩定性、更低滾動阻力的發展要求，骨架材料不斷通過材料性能提升和優化結構來滿足輪胎發展要求。在材料性能方面，通過優化紡絲技術和浸膠技術，在不改變簾線纖度的情況下，提升浸膠簾線的強力和尺寸穩定性。在結構方面，使用兩股高強度簾線替代三股簾線，提升生產效率。

PA56簾線經過浸膠后性能達到了輪胎骨架材料的基本要求。使用多種材料混合捻線可實現材料間性能優勢互補，取長補短。

環境保護和職業健康越來越受到人們的關注，各國的相關政策也會更加嚴格。輪胎用纖維骨架材料應從自身著手，開發無酚醛樹脂的環保型浸膠簾布是發展方向。