環保型輪胎及對炭黑性能的要求
時間:2005-09-22
安全、環保和節能是21世紀輪胎技術發展的主題。在提高輪胎性能的同時，必須要著力解決安全、環保和節能三個重要問題。目前，在輪胎中，炭黑作為補強填充劑仍占有絕對的統治地位，但同時受到白炭黑強有力的挑戰。因此，為滿足環保型輪胎發展的需求，炭黑質量必須不斷提高，生產工藝必須不斷改進，從而與白炭黑一起共同提高輪胎的性能。
一、國內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，國內輪胎工業近幾年的發展較快，1988~2003年輪胎產量（含摩托車輪胎）已經達到2.39億條，其中子午線輪胎1.03億條，產量比2003年6900萬條有大幅度增長，子午化率也由2003年36.66%提高到43.62%。
預計2005年的輪胎總需求量為2.31億條，汽車輪胎需求量1.71億條（轎車輪胎7480萬條，輕載輪胎5270萬條，載重輪胎4370萬條），其中子午線輪胎約1.29億條（轎車輪胎7480萬條，輕載輪胎3190萬條，載重輪胎2230萬條），屆時我國輪胎子午化率將達到55.8%。
2010年的汽車輪胎總需求量預測為2.40億條（轎車輪胎1.26億條，輕載輪胎6125萬條，載重輪胎5255萬條），其中子午線輪胎2.06億條（轎車輪胎1.26億條，輕載輪胎4330萬條，載重輪胎3710萬條）。
二、環保型輪胎及其性能要求
1.環保型輪胎
目前“環保型輪胎”的提法越來越普遍，但還沒有一個明確的定義，從廣義上理解，凡是比目前常用輪胎更有利于環保的輪胎就可以稱之為環保型輪胎。
（1）節能
在汽車行駛過程中，能量被各種阻力所消耗，其中約20%的汽油被輪胎滾動阻力所消耗，因此，能夠降低輪胎的滾動阻力即可降低能耗（每減少3%~5%的滾動阻力就能節約1%的燃油消耗）。同時降低油耗還意味著降低污染物的排放，這是一舉兩得的好事。
此外，如果在輪胎的生產過程中實現了能耗的顯著降低，則此輪胎也應可稱為環保型輪胎。
（2）降噪
輪胎行駛噪聲是汽車行駛中重要的外部噪聲，對周邊環境的影響比較大，對汽車本身的舒適性也有明顯影響，因此環保型輪胎有必要在降低噪聲上做些工作。
（3）不直接或間接污染環境
采用環保型材料是減少環境污染的有效措施。在生產過程中采用非污染型的、無毒無害的原材料和助劑有助于改善工人工作環境，同時避免使用在生產或使用過程中會導致污染的原材料也是間接有利于環保的。
現在有的輪胎因為在原材料中使用了再生膠，稱為環保型輪胎，從廣義上說也未嘗不可。
（4）生產工藝過程的環保
目前國際上先進輪胎制造技術發展很快，這些技術的特點除了可以更精確和高效的完成輪胎制造外，還有一個顯著特點就是更加環保。采用先進生產技術的能耗比傳統工藝下降30%~50%，其措施可能有采用低溫連續混煉工藝、微波硫化工藝等。這種生產技術和工藝的開發也是我國未來一段時期要重點從事的工作。
（5）對路面和環境無害的輪胎
目前國外已開發出無需鑲釘和防滑鏈的冬用輪胎，它可以明顯減小輪胎對路面的破壞和降低噪聲，也是十分有利于環保的。
除此之外，還有其它許多有利于環保的措施，如可翻新性、可降解性等等，范圍很廣，因此環保型輪胎并不應僅僅形成一個概念，而要化為一種思想，是輪胎設計和生產中要始終堅持的一個原則。
盡管如此，我們在討論環保型輪胎這個問題時，還是希望進一步明確其含義或將廣義的理解具體化，從而突出重點，在工作中更加有的放矢。為此我們列出目前市場上較典型的三大類環保型輪胎：①可以減少燃料消耗、降低廢氣排放量，達到節省能源和防止大氣污染目的的“綠色”輪胎；②具有良好的高速性、制動性、安全性和舒適性，同時又能防止振動和減少噪聲的高性能和超高性能輪胎；③取代鑲釘或掛鏈的輪胎，從而防止路面遭到破壞以及避免揚塵和噪聲的非鑲釘冬用或全天侯輪胎。
通過對以上幾種環保型輪胎的性能分析可知，環保型輪胎與炭黑有關的主要技術指標應當是更小的滾動阻力、更小的滯后損失、更低的噪聲和更優的抗濕性能。
2．環保型輪胎的發展趨勢
目前全世界范圍內環保型輪胎的發展很快。
高性能輪胎2003年的銷售量是1997年的2.44倍，是2000年的1.43倍，達到1815萬條，這期間的年均增長率約為15%。今后5年內，高性能輪胎銷量仍將持續增長，但增長速度將有所下降，趨于平穩。
冬季輪胎全球需求量約7800萬條，消費主要集中在歐、美、日等發達國家。
“綠色”輪胎是環保型輪胎中的主流產品，自1990年米其林公司率先推出后，已為全球市場所廣泛接受，并成為一個劃時代產品。目前許多公司都擁有自己的“綠色”輪胎產品，其市場占有率也不斷增長。可以確信，未來市場上的“綠色”輪胎必然會越來越多，這畢竟已成為公認的發展方向。
三．目前輪胎中炭黑的使用情況
有關各種炭黑的用量許多文獻中均有報道，此處不再贅述。現以全鋼載重子午線輪胎為例，簡要說明一下輪胎各膠料中炭黑的使用情況。在膠料配方中使用何種炭黑，主要取決于該膠料的性能要求。現分述如下：
1．胎面膠
要求：耐磨、抗撕裂、強度高（通常高于20Mpa）、滾動阻力小、滯后損失小。所用炭黑有N115、N121、N220、N234。有的配方使用部分白炭黑。
2．帶束層膠
要求：與鋼絲粘合性能好、可滲透到鋼絲內部，定伸應力大（16~19Mpa）、強度高、硫化速度快。所用炭黑有N375、N326、N330。
3．胎體膠
要求：粘合性好、動態耐疲勞、滯后損失小、抗撕裂性能高、定伸強度大、未硫化膠挺性好。所用炭黑有N375、N326、N330。
4．胎圈鋼絲覆蓋膠
要求：粘合性好、硬度高、定伸應力大、強度和伸長率要求不高。所用炭黑有N660。
5．胎側膠
要求：動態性能好、耐屈撓性好、定伸應力低、流動性好、耐老化性能特別好、半成品自粘性好。所用炭黑的N375、N330、N660。
四．輪胎膠料對炭黑的要求
隨著輪胎性能要求、設計水平和生產工藝的不斷進步，對于各種原材料和配合劑的要求也越來越高，對炭黑的要求也不例外。在設計原則要求盡可能少地采用炭黑品種的條件下，一條輪胎中所用到的炭黑仍達到六七種，一個輪胎生產中所用到的炭黑品種多達十余種。這就要求我國的炭黑生產企業要開發和生產更多品種規格的產品，以滿足輪胎生產企業的需要。
除了品種不全外，我國炭黑產品存在的另一個問題就是產品質量穩定性差，也就是說，同一個規格各批次炭黑的性能有較大差異。這種現象對于輪胎生產的影響實在太大了，膠料性能的微小變化都有可能導致整批輪胎出現嚴重的質量問題，特別是由于炭黑的用量較大，對膠料性能的影響也較大。
五．新品種炭黑的開發與應用
汽車性能的發展對輪胎提出的要求太高了，輪胎生產企業也不遺余力地爭取制造出性能更卓越的輪胎。在這一過程中，輪胎生產企業對原材料生產企業也寄予厚望，希望他們能夠提供性能更加卓越的產品，使得輪胎設計上具有更大的空間。
實際上，炭黑生產企業也確實做得非常優秀，甚至于比輪胎企業要求的還要多。例如卡博特公司的Vulcan系列、Ecoblack系列、炭黑/白炭黑雙相填料、摻硅炭黑或多相炭黑；德固薩公司的EB系列Inversion Black；哥倫比亞公司的CD系列；大陸碳公司的LH系列低滯后炭黑；炭黑工業研究設計院的Z系列低滯后炭黑。這些新品種炭黑的優異性能也為輪胎性能的提高作出了很大的貢獻。
在環保型輪胎配合技術方面有了許多新的進展。我們知道，米其林公司的“綠色”輪胎采用的是白炭黑和硅烷偶聯劑配合技術，這是輪胎膠料配合技術的一個重大進展。除此之外，還有一些能與白炭黑競爭的填料，如炭黑一白炭黑雙相填料和新的納米結構炭黑。與此同時，還有人研究了無白炭黑的低滾動阻力和高濕路面抓著力的膠面膠料，它是通過采用一種反應性混煉技術，即在傳統炭黑填料和典型乳聚SBR/BR共混膠的第一段混煉時加入少量硫黃給予體實現的。
另外，卡博持公司的連續液相混煉工藝生產NR/炭黑混煉膠也為我們開辟了新的思路。
但是有一點還應注意到，盡管炭黑生產企業已開發出一系列的新品種炭黑，但是國內企業真正將其用于實際生產的還不算太多。其中一個重要的問題是應用研究與生產技術的結合不夠緊密。國外知名炭黑企業在應用研究方面做得工作還比較多，但國內企業就相對少一些，更重要的一點是，應用研究的成果必須要與輪胎生產企業的生產技術結合起來，才有可能進入實際應用的階段。
