黃向前,吳桂忠(北京橡膠工業研究設計院,北京 100039)
摘要:環保型輪胎的主要特點是能耗和噪聲低、不污染環境。炭黑可調節滯后損失、噪聲和抗濕滑性能等與環保有關的輪胎性能。保持炭黑產品質量穩定、加大新產品開發和應用研究力度是我國炭黑行業亟待解決的問題。優化炭黑配合或/和采用新品種炭黑,同時提高輪胎結構設計、膠料配合和生產工藝技術水平是改善輪胎環保性的有效手段。
關鍵詞:環保型輪胎;炭黑
中圖分類號:TQ336·1;U463·341;TQ330·38+1文獻標識碼:B文章編號:1006-8171(2005)11-0643-03
安全、環保和節能是21世紀輪胎技術的發展方向。在提高輪胎性能時,必須要著力達到這3項要求。目前,在輪胎膠料補強劑中炭黑仍占有絕對優勢,但白炭黑已對其發起了強有力的挑戰。只有不斷優化炭黑結構和形態以及開發新品種炭黑,并同時使用炭黑和白炭黑,才能滿足環保型輪胎的發展需要。
1 我國輪胎產量及市場預測
隨著國民經濟和汽車工業的快速發展,我國輪胎工業近年來發展較快,1998~2003年輪胎產量的年均增長率接近12%。2004年我國輪胎(含摩托車輪胎)總產量達到2.39億條,其中子午線輪胎產量為1.04億條,與2003年的6 900萬條相比增幅較大,子午化率也由2003年的36.66%提高到43.51%。
預計2005年我國輪胎總需求量為2.31億條,其中汽車輪胎需求量為1.71億條(轎車輪胎7 480萬條,輕型載重輪胎5 270萬條,載重輪胎4 370萬條),子午線輪胎需求量為1.29億條(轎車輪胎7 480萬條,輕型載重輪胎3 190萬條,載重輪胎2 230萬條),屆時我國輪胎子午化率將達到55.8%。
預計2010年我國汽車輪胎需求量為2.4億條(轎車輪胎1.26億條,輕型載重輪胎6 125萬條,載重輪胎5 255萬條),其中子午線輪胎需求量為2.06億條(轎車輪胎1.26億條,輕型載重輪胎4 330萬條,載重輪胎3 710萬條)。
2 環保型輪胎的性能要求及發展趨勢
2.1 性能要求
目前,環保型輪胎的生產和應用已越來越多,但環保型輪胎的定義卻并不明確。從本質上講,凡是比常用輪胎更有利于環保的輪胎都可稱為環保型輪胎。
(1)能耗低
輪胎克服滾動阻力的燃料消耗量約占車輛燃料消耗量的20%,因此降低輪胎滾動阻力可顯著減小車輛燃料消耗量(輪胎滾動阻力降低3%~5%,車輛燃料消耗量減小約1%),而減小車輛燃料消耗量又會減小廢物排放量,故降低輪胎滾動阻力是一舉多得的舉措。
(2)噪聲低
輪胎行駛噪聲是汽車行駛中主要的外部噪聲,對周邊環境的影響較大,對汽車的舒適性也有明顯影響,因此應嚴格控制環保型輪胎的噪聲。
(3)不污染環境
輪胎生產采用無毒、無害且不污染環境(包括輪胎使用過程中)的原材料對環保十分有利。從廣義上講,采用再生膠等再生材料制造的輪胎也可稱為環保型輪胎。
(4)生產環保性
目前國際上先進的輪胎生產技術,如低溫連續混煉和微波硫化等技術發展很快。這些技術除可以精確、高效地完成輪胎生產外,還有利于環保,即其能耗比傳統技術減小30%~50%。低能耗輪胎生產技術的研發和應用是我國輪胎工業及相關行業近期研究的重要課題。
(5)其它
國外已開發出非鑲釘和非掛鏈(防滑鏈)冬季輪胎,其抗濕滑性能好、對路面的破壞小及噪聲低,十分有利于環保。另外,可翻新和可降解輪胎也是值得開發的環保型輪胎。
目前,市場上的環保型輪胎可分為三大類。可減小車輛燃料消耗量和廢物排放量的綠色輪胎;
高速、制動、安全及舒適性能好,減震和降噪性能優異的高性能和超高性能輪胎;
抗濕滑性能好、對路面破壞小、揚塵少及噪聲低的非鑲釘冬季和全天候輪胎(取代鑲釘和掛鏈輪胎)。
從根本上講,環保型輪胎并不是一個概念,而是一種思想,是輪胎設計和生產中應當堅持的原則。
2·2 發展趨勢
近幾年環保型輪胎發展很快。2003年全球高性能輪胎的銷售量達到1 815萬條,是1997年的2.44倍,是2000年的1.43倍,年均增長率約為15%。今后5年內,高性能輪胎銷量仍將持續增長,但增長速度有所下降,增長趨于平緩。全球冬季輪胎需求量約為7 800萬條,消費主要集中在歐、美、日等發達國家和地區。綠色輪胎是米其林公司1990年率先推出的劃時代產品,其環保理念已逐漸被全球市場所接受。目前,許多輪胎公司都擁有自己的綠色輪胎生產技術且在不斷完善,綠色輪胎已成為環保型輪胎的主流產品。
可以確信,今后環保型輪胎產品品種會越來越多,市場占有率會越來越大。
3 輪胎中炭黑的使用情況
目前,我國輪胎生產使用的炭黑已基本國產化(見表1)。現以全鋼載重子午線輪胎和半鋼子午線輪胎為例,介紹輪胎各部位炭黑的使用情況
3·1 全鋼載重子午線輪胎
(1)胎面膠
性能要求:拉伸強度高,抗撕裂性能和耐磨性能好,滯后損失低。所用炭黑品種:N115,N121,N220和N234,有時并用白炭黑/硅烷偶聯劑體系。
(2)帶束層膠
性能要求:可滲透到鋼絲簾線內,與鋼絲粘合性能好,硫化速度快,定伸應力大,拉伸強度高。所用炭黑品種:N326,N330和N375。
(3)胎體膠
性能要求:挺性好,定伸應力大,粘合性能、抗撕裂性能和耐疲勞性能好,滯后損失低。所用炭黑品種:N326,N330和N375。
(4)胎圈鋼絲包膠
性能要求:粘合性能好,硬度高,定伸應力大。所用炭黑品種:N660。
(5)胎側膠
性能要求:流動性和自粘性好,耐屈撓性能、耐老化性能和動態性能優異。所用炭黑品種:N330,N375和N660。
3·2 半鋼子午線輪胎
(1)胎面膠
半鋼子午線輪胎對高速安全和節能環保性能要求較高,胎面膠一般采用炭黑N234和N375等,高性能半鋼子午線輪胎胎面膠有時采用炭黑N134。
(2)帶束層膠
為滿足與鋼絲簾線粘合性能好、模量與輪胎整體剛性匹配的要求,半鋼子午線輪胎帶束層膠一般采用炭黑N326和N375等。
(3)胎體膠
由于胎體骨架為纖維簾線,模量較小,半鋼子午線輪胎胎體膠一般采用炭黑N550和N660等。
4 我國炭黑生產中存在的問題
炭黑可調節滯后損失、噪聲和抗濕滑性能等與環保有關的輪胎性能。
品種不全是我國炭黑產品不能完全滿足輪胎生產的問題之一。一般而言,一條輪胎至少需要六七種炭黑,一個輪胎生產廠至少需要十余種炭黑。炭黑品種少對輪胎技術改進和新型輪胎開發極為不利。我國炭黑生產企業應加大炭黑新產品開發力度,生產更多品種及規格炭黑以滿足輪胎生產的需要。
產品質量不穩定是我國炭黑產品存在的另一個問題。同一規格不同批次的炭黑性能差異較大,對輪胎生產的影響極大。因此,炭黑生產企業應嚴格控制炭黑的性能指標,避免炭黑性能波動導致的輪胎質量問題。
5 新品種炭黑的開發與應用
為滿足輪胎性能不斷提高的要求,國內外炭黑生產企業不斷開發新品種炭黑,如卡博特公司的Vulcan系列炭黑、Ecoblack系列炭黑、炭黑-白炭黑雙相填料和摻硅炭黑(或多相炭黑);德固薩公司的EB系列反向炭黑;哥倫比亞公司的CD系列炭黑;大陸碳公司的LH系列低滯后炭黑;中橡集團炭黑工業研究設計院的Z系列低滯后炭黑。
除采用白炭黑/硅烷偶聯劑體系外,環保型輪胎膠料的配合技術還有:采用新品種炭黑,如炭黑-白炭黑雙相填料和新型納米結構炭黑等;炭黑與橡膠進行反應性混煉,如ESBR/BR并用體系與炭黑共混時加入少量硫給予體以生產滾動阻力低和抗濕滑性能好的胎面母煉膠以及卡博特公司采用連續液相混合凝固工藝生產NR/炭黑母煉膠。新品種炭黑雖然不斷涌現,但在我國輪胎產品中的應用卻較少,主要原因是我國炭黑和輪胎行業對新品種炭黑的應用研究不夠重視,同時新品種炭黑的開發與輪胎需求脫節,從而導致新品種炭黑的推廣應用較困難。
6 結語
環保型輪胎是輪胎的發展方向。優化炭黑配合或/和采用新品種炭黑,同時提高輪胎結構設計、膠料配合和生產技術水平是改善輪胎環保性的有效手段。
