课程设计-轮胎

1、湖北大学材料科学与工程学院高分子材料成型加工课程设计题 目 橡胶轮胎的配方性能分析及相关改性设计 姓 名 专业年级 指导教师 职 称 2014-2015 学年度第学期前言本课程设计是关于高分子材料成型加工课程的配方设计，着眼于橡胶轮胎配方的研究和其性能的改性，通过了解轮胎在国内外的现状和其发展前景，并对轮胎各个组成部分的配方研究及其性能方面的改性，让我们对轮胎这一广泛日用化的产品有更深的了解，让我们在学习的过程中更好的把握材料在各个领域的发展前沿，为以后得工作打下更坚实的基础。目录第一章 绪论 1.1 轮胎在国内外的发展状况3 1.1.1 国外轮胎的子午化、扁平化、无内胎化已趋于成熟3 1.1

2、.2 我国子午胎的发展4 1.1.3 子午胎翻新需重视4 1.2 轮胎的发展应用前景4第二章 轮胎简介 2.1 轮胎的组成部分52.2 各个组成部分对性能的要求62.3 各个组成部分的原材料分析7第三章 轮胎基本配方设计及分析3.1胶料配方83.2各个配方作用83.3轮胎胎侧配方103.4轮胎胎体胶配方10第四章 工艺方法4.1米其林C3M技术114.2大陆MMP技术114.3 IMPACT技术124.4倍耐力MIRS技术124.5数码轮胎技术12第五章 轮胎性能改性5.1抗湿滑轮胎胎面胶配方的研究125.2用改性合成橡胶和填料降低轮胎滚动阻力13 附录14参考文献15第一章.绪论1.1 轮胎

3、在国内外的发展状况1.1.1国外轮胎的子午化、扁平化、无内胎化已趋于成熟 由于子午线轮胎与斜交轮胎相比具有非常优异的性能，例如安全、节能、舒适、耐用等。目前世界轮胎子午比率已达90左右，西欧已接近100%，美、日约95。发展较晚的国家如韩国也达到90。随着汽车和高速公路的发展，对轮胎性能要求越来越高，如安全性、操作性和刹车性等，轮胎断面趋于扁平化，轿车子午胎65、60系列已成常规产品，55、50系列在高档车中已普遍采用，更低有40、35、30系列产品，轮辋直径也相应增大，轻型和载重子午胎也相同趋势，在英、美市场低断面载重子午胎已占50以上。在推行子午胎同时，实现无内胎化，轿车轮胎基本上为无内胎

4、轮胎，载重轮胎也向无内胎发展，在西欧已接近100，美国90以上，日本55以上。综上所述，轮胎子午化、扁平化、无内胎化是当今轮胎发展的大趋势。在发达国家已基本完成，且具备了成熟的、系统的、配套的生产技术。1.1.2.我国子午胎的发展 子午胎已列入国家鼓励优先发展的产业、产品、技术的目录中，并列入高新技术产品目录中，以加快子午胎的发展，适应国内外市场的需要和21世纪绿色环保的要求。从1990-2000年我国子午胎年均递增速度达到40。轮胎品种规格基本满足国内使用要求。2002年全国子午胎产量为5414万条，子午比率在汽车轮胎中约为54。其中轿车子午胎约2912万条，子午比率98；轻卡子午胎约183

5、5万条，子午比率约40；载重子午胎为666万条，子午比率约为23。外企占全国子午胎产量的65以上，其中半钢丝轿车与轻卡子午胎外企占72.3，载重子午胎外企占15。轻载和载重子午胎增长速度较快，2002年比上年分别增长58和59.7。其子午胎发展空间较大，成为当前的热点。 根据市场的需求，全钢丝载重子午胎新上项目较多- 3 -，原有生产线的大中型轮胎企业在扩大规模，民营企业也开始涉足子午胎，投资3亿元左右新建30万条/年全钢丝载重子午胎项目已动工的就有10多个企业。这样，载重子午胎的规模到2005年前将会超过1500万条，需求量也会接近这个数，子午比率在50左右。日前生产的产品规格以有内胎的为主

6、，10.00R,20、11.00R20已取代9.00R20为主的传统规格，此外还有8.25R20、1200R20等主要规格。为适应国际市场需求，无内胎的将逐步增加，尤其是公制低断面无内胎轮胎，系发展趋势，目前已生产的规格有11R22.5，11R24.5，275/80R22.5，295/80R22.5，295/75R22.5，315/80R22.5，385/65R22.5，295/60R22.5等，胎面花纹有牵引型、公路型等多品种。轻卡子午胎也是朝公制宽断面无内胎发展。 此外，工程轮胎、部分农业轮胎也正在开发子午胎。 1.1.3 子午胎翻新需重视 由于我国的超载严重，轮胎使用寿命降低且提前损坏，

7、失去翻新价值，对资源是严重的浪费，尤其是全钢丝载重子午胎，未能充分发挥其使用寿命长的优点，随着子午化的提高，国家法规的完善，轮胎普遍要翻新将是正常的，采用预硫化翻胎技术，将大大提高轮胎寿命，具有明显的经济和社会效益，因此在发展子午胎同时，翻胎应相应跟上，有关部门要制定政策，给予足够的重视和支持。 1.2 轮胎的发展应用前景新一代子午线轮胎发展迅速 进入90年代最具代表性、划时代的新一代子午胎就是节能轮胎、绿色轮胎、环保型轮胎的出现；其次，防水滑安全轮胎的推出，为了提高轮胎在湿路面的高速行驶安全性，许多轮胎公司先后开发了外形像"双胎冠"轮胎的花纹，如固特异的Aguatread

8、(水上胎面)轮胎，大陆公司的Aguacontact(水上接触)轮胎，米其林公司的Catanam(双船体)轮胎，普利司通的FT70C轮胎等。此外，跑气保用轮胎、智能轮胎、超轻量轮胎，超高里程轮胎、彩色轮胎、仿生轮胎等新产品层出不穷。 第二章 轮胎简介2.1 轮胎的组成部分汽车轮胎按胎体结构不同可分为充气轮胎和实心轮胎，现代汽车大部分采用充气轮胎，充气轮胎按组成结构不同分为内胎轮胎和无内胎轮胎，一般来说，轮胎由胎面、胎肩、胎侧、胎缘、帘布层和带束层等部分组成。目前汽车上大多使用帘布层与台面中心线成90°或接近90°的子午线轮胎，相比帘布层与台面中心线呈小于90°的普通

9、斜交轮胎，具有自重轻、耐磨性好、滚动阻力小、附着性能好、承载能力强等特点，缺点是胎侧易裂口、成本高。2.1.1.普通斜交轮胎斜交轮胎主要有胎面、帘布层、缓冲层和胎圈组成。图1 普通斜交轮胎结构2.1.2.子午线轮胎子午线轮胎的帘布层与胎面中心线呈90°角或接近90°角排列，与帘布层轮胎的子午断面一致，很像地球上的子午线，所以称为子午线轮胎。子午线轮胎是由帘布层、带束层、胎冠、胎肩和胎圈组成，并以带束层箍紧胎体。图2 子午线轮胎结构2.2 各个组成部分对性能的要求2.2.1. 胎体（又称胎身）通常指由一层或数层帘布层（具有强度、柔软性和弹性）与胎圈组成整体的(作为)充气轮胎的

10、受力结构。*2.2.1.1帘布层是胎体中由并列挂胶帘子线组成的布层，是轮胎的受力骨架层，用以保证轮胎具有必要的强度及尺寸稳定性。   *2.2.1.2胎圈轮胎安装在轮辋上的部分，由胎圈芯，帘布层包边和胎圈包布等组成。它能承受因内压而产生的伸张力，同时还能克服轮胎在拐弯行驶中所受的横向力作用，使外胎不致脱出轮辋。因此它必须有很高的强力，结构应紧密坚固，不易发生变形。胎体需要有充分的强度和弹性，以便承受强烈的震动和冲击，承受轮胎在行驶中作用于外胎上的径向、侧向、周向力所引起的多次变形。胎体由一层或多层挂胶帘布组成，这些帘布能使胎体以及整个外胎具有必要的强度。2.2.2缓冲层（或

11、称带束层）*2.2.2.1 斜交轮胎斜交轮胎胎面与胎体之间的胶帘布层或胶层，不延伸到胎圈的中间材料层。用于缓冲外部冲击力，保护胎体，增进胎面与帘布层之间的粘合。*2.2.2.2 子午线结构轮胎子午线结构轮胎的缓冲层由于其作用不同，一般称为带束层。子午线轮胎胎面基部下，没胎冠中心线圆周方向箍紧胎体的材料层。.2.2.3. 胎面外胎最外面与路面接触的橡胶层(通常，把外胎胎冠、外胎结构胎肩，胎冠两侧的边缘部分、胎侧、加强区部位最外层的橡胶统称为胎面胶)。 胎面用来防止胎体受机械损伤和早期磨损，向路面传递汽车的牵引力和制动力，增加外胎与路面(土壤)的抓着力，以及吸收轮胎在运行时的振荡。轮胎在正常行驶时

12、直接与路面接触的那一部分胎面称为行驶面。行驶面表面由不同形状的花纹块、花纹沟构成，凸出部分为花纹块，花纹块的表面可增大外胎和路面(土壤)的抓着力和保证车辆必要的抗侧滑力。花纹沟下层称为胎面基部，用来缓冲震荡和冲击。2.2.4胎侧胎侧是轮胎侧部帘布层外层的胶层，用于保护胎体，又有弹性。. 2.2.5胎圈胎圈是轮胎安装在轮辋上的部分，由胎圈芯和胎圈包布组成，起固定轮胎   2.3 各个组成部分的原材料分析2.3.1 耐高温胎面胶据资料介绍，55-75份顺式-1，4-聚异戊二烯橡胶与25-45份含量乙烯基聚丁二烯橡胶并用，可提高航空轮胎胎面的高温耐久性。2.3.2 耐割口胎面胶耐

13、割口胎面胶配方见表1.据资料介绍，该组配方适用于航空轮胎胎面。两点特殊要求（1）炭黑的氮吸附法比 表面积（N2SA）50-60平方米/克，DBF吸附量为80-200毫升/100克（2）促进剂用量/硫磺量=0.25-1.0份。第三章 轮胎基本配方设计及分析3.1胶料配方生胶（弹性体）、硫化剂、硫化促进剂和活性剂、防焦剂、活性（补强剂）和非活性填充剂、改性剂、增塑剂、防老剂。 3.2各个配方作用3.2.1生胶天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶并用 3.2.1.1天然橡胶（NR） 弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳，易于其它材料粘合，在综合性能方面优于多数合

14、成橡胶。缺点是耐氧和耐臭氧性差，容易老化变质；耐油和耐溶剂性不好，第抗酸碱的腐蚀能力低；耐热性不高3.2.1.2丁苯橡胶（SBR）其特点是耐磨性、耐老化和耐热性超过天然橡胶，质地也较天然橡胶均匀。缺点是：弹性较低，抗屈挠、抗撕裂性能较差；加工性能差，特别是自粘性差、 生胶强度低。3.2.1.3顺丁橡胶（BR） 胶优点是：弹性与耐磨性优良，耐老化性好，耐低温性优异，在动态负荷下发热量小，易于金属粘合。缺点是强度较低，抗撕裂性差，加工性能与自粘性差。3.2.2硫化剂硫磺，它能使橡胶分子链起交联反应，使线形分子形成立体网状结构，可塑性降低，弹性剂强度增加的物质。3.2.3硫化促进剂和活性剂促进剂CZ

15、、促进剂NOBS、促进剂D、氧化锌、硬脂酸。在促进剂存在的情况下，降低了硫环的断裂活化能，加速了硫化链反应的引发和链增长反应，提高了硫化反应速度，与次同时，也改善了硫化胶的结构和性能。3.2.4防焦剂能防止胶料在操作期间产生早期硫化(即焦烧现象)的助剂。3.2.5活性增补剂炭黑，橡胶制品中配合一定量的炭黑可以起到补强和填充作用以改善橡胶制品3.2.6非活性填充剂陶土，少量的应用于轮胎脚镣中，以减低生胶的消耗量。3.2.7改性剂改性剂用于胶料中的目的是使胶料增加粘性，提高生脚镣的内聚强度和改善橡胶的粘附性能和物理机械性能。3.2.8增塑剂使填充剂容易分散，减少混炼时间。随着分子量的增大，软化剂的

16、粘度增加，由此所得硫化胶的硬度和强力较大，但弹性较小。3.2.9防老剂65-70范围的微晶蜡和石蜡（物理防护剂）。他们能够喷出到橡胶的表面形成防护膜，而防止橡胶和氧和臭氧接触。3.3 轮胎胎侧配方该组配方适用于各种类型的轮胎，配方的胎侧胶具有很好的耐臭氧老化、抗龟裂性能。此外，因为推荐配方是无蜡配方，所以不用担心有蜡配方的问题，如胶料粘度下降，表面过度喷霜。3.4轮胎胎体胶配方炭黑 具有良好的分散性和加工性能，可改善混炼及压延工艺性能，提高半成品物理性能，防老剂 对胎体胶的粘合性能显著提高,强伸性能和耐热老化性能变化不大;交联剂 在载重斜交轮胎胎体胶中加入1.714份交联剂,可以延长胶料的焦烧

17、时间和正硫化时间,增大硫化胶的300%定伸应力和H抽出力,降低生热,提高成品轮胎胎体帘布层间的粘合强度。加入促进剂 可以提高胶料的抗硫化返原性能和盐水老化后的钢丝抽出力,降低胶料生热,提高轮胎的硫化效率。第四章 工艺方法4.1 米其林C3M技术C3M有如下5项技术要点：连续低温混炼；直接压出橡胶件；成型鼓上编织/缠绕骨架层；预硫化环状胎面；轮胎电热硫化。C3M的关键设备是特种编织机和挤出机。C3M技术通过以成型鼓为核心，合理配置特种编织机组和挤出机组而得以实现。特种编织机环绕成型鼓编织无接头环形胎体帘布层和带束层，并环绕成型鼓缠绕钢丝得到钢丝圈。挤出机组连续低温(90以下)混炼胶料，压出胎侧、

18、三角胶条以及其他橡胶件。4.2大陆MMP技术传统的轮胎生产工艺由四大工序组成：塑/混炼；压延和压出；成型；硫化。现有的轮胎厂，除部分通过购入成品混炼胶而省缺第一道工序外，大多数是上述四道工序全部齐备。MMP打破传统轮胎厂四大工序齐备的模式，将四大工序分割成两大块来操作。第一块包括了传统工艺的第一道工序(塑/混炼)、第二道工序(压延和压出)以及第三道工序的前半部分(胎体成型)，第二块包括了传统工艺的第三道工序的后半部分(贴带束层、上胎面)和第四道工序(硫化)；执行第一块生产任务的工厂被称之为"平台"，执行第二块生产任务的工厂被称之为"卫星厂"。平台负责生产

19、轮胎基本构件并进行预装配，卫星厂负责整体装配并完成轮胎制造工艺最后硫化。通常，一个平台可配置多间卫星厂，构成辐射网络。4.3 IMPACT技术MPACT有四大要素(又称四大单元)：热成型机(Hot Former)；改进控制技术，提高生产效率；自动化材料输送；单元式制造。上述四要素既可以单独使用，也可以组合起来使用，而且无论是某个要素还是整个系统与现有的轮胎工艺流程都能够紧密结合成一体。IMPACT不会像其他新一代轮胎制造系统那样与现用系统不兼容。4.4倍耐力MIRS技术MIRS的精髓是：以成型鼓为中心，组织生产；多组挤出机配合遥控机械手，实现从胶料挤出到成型鼓直接成型；用胎胚气密层代替胶囊进行

20、硫化。每台挤出机配备规格为1×15m的卷取轴架，上挂钢丝或浸渍帘线辊筒；架上的多股钢丝或帘线进入挤出机的直角机头，与胶料一同挤出，得到补强胶条，供下游工序使用。成型工序有3组共8台挤出机和3对遥控机械手，分成三工位操作。4.5数码轮胎技术所谓的数码轮胎模拟技术是指在超级计算机中，通过模拟转动轮胎模型，实现各种不同的模拟实验技术。主要由轮胎花纹噪音模拟，空气压力变动模拟，钢丝外力吸收模拟，橡胶配方模拟，磨耗能量分布模拟，实车行驶模拟，气体穿透模拟，轮胎泥泞路面模拟，路面环境模拟等技术构成，数码旋转模拟较好的解决了高速转动中的轮胎无法收集轮胎接地面数据的弊端，缩短了轮胎设计生产周期。第五

21、章 轮胎性能改性5.1抗湿滑轮胎胎面胶配方的研究研究羧基改性溶聚丁苯橡胶(SSBR)、丁腈橡胶(NBR)和高性能橡胶助剂Nanoprene在抗湿滑轮胎胎面胶中的应用。结果表明：在胎面胶配方中，以SSBR等量替代ESBR，胶料的门尼焦烧时间和t90延长，硫化胶的300定伸应力和撕裂强度增大，湿抓着性提高，压缩生热降低，耐磨性能变化不大；加入20份Nanoprene，胶料的门尼焦烧时间和t。o延长，硫化胶的300定伸应力增大，湿抓着性提高，压缩生热降低，耐磨性能下降；加入5份NBR，胶料的硫化特性、硫化胶的物理性能和压缩生热变化不大，湿抓着性提高，耐磨性能下降。配方：配方A：NRESBR 5050

22、，白炭黑165GR50，炭黑N220 3，氧化锌3，硬脂酸2，偶联剂Si69 5，防老剂4020、RD和石蜡25，硫黄和促进剂NS 35。配方B：以50份SSBR等量替代ESBR，其余组分及用量均同配方A。配方C：NR 100，白炭黑165GR 45，炭黑N220 3，氧化锌3，硬脂酸2，偶联剂Si6945，防老剂4020、RD和石蜡3，硫黄和促进剂NS 25。配方D：在配方C中加入20份Nanoprene。配方E：在配方C中加入5份NBR。分析配方B胶料的压缩生热比配方A胶料降低12，说明SSBR等量替代ESBR不仅可以提高胶料的湿抓着性，还能降低胶料的滚动阻力。分析认为，SSBR上的羧基基

23、团与白炭黑间的相互作用减弱了白炭黑聚集能力，改善了白炭黑在胶料中的分散，从而使胶料的滚动阻力降低。结论：(1)胎面胶配方中以SSBR等量替代ESBR，胶料门尼焦烧时间延长，硫化速度减慢，硫化胶300定伸应力和撕裂强度增大，拉伸强度减小，湿抓着性提高，压缩生热降低，耐磨性能变化不大。(2)胎面胶配方中加入20份Nanoprene，胶料门尼焦烧时间延长，硫化速度减慢，硫化胶300定伸应力和撕裂强度增大，拉伸强度减小，湿抓着性提高，压缩生热降低，耐磨性能下降；加入5份NBR，胶料硫化特性、硫化胶物理性能和压缩生热变化不大，湿抓着性提高，耐磨性能下降5.2 用改性合成橡胶和填料降低轮胎滚动阻力 汽车轮

24、胎，尤其是滚动阻力低和抗湿滑性能好的高性能轮胎生产的另一个先决条件是功能化溶聚丁苯橡胶(SSBR)和并用填料体系在其胶料中的应用采用斯蒂伦(Styron)德国股份有限公司新的专利改性技术生产的改性非充油和充油SSBR，可显著降低轮胎胶料的滚动阻力。与非改性SSBR相比，改性SSBR的炭黑和白炭黑硫化胶的性能优异。例如，分子链端部改性的非充油Sprintan SLR4602Schkopau白炭黑硫化胶的滚动阻力比非改性SSBR白炭黑硫化胶大大降低，其6O的tan8减小28 ，生热性、耐磨性和抗湿滑性能(以一100 的tan 表征)也有所改善。分析：当各组件的胶料都采用特制的聚合物一填料复合材料时

25、轮胎的滚动阻力和湿滑性能的平衡性进一步提高。通过增大白炭黑一橡胶胶料中炭黑的比例，硫化胶的耐磨性能提高。需要进一步研究的是优化功能橡胶所用填料的组成，以进一步降低轮胎的滚动阻力。结论：木质素加人到含白炭黑和无规SSBR(斯蒂伦德国股份有限公司的功能化SSBR)胶料中，硫化胶的生热降低，0时的回弹值增大，而拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度较高。因此，将木质素加入到含白炭黑和改性SSBR胶料中可提高硫化胶的动态力学性能，该技术适用于轮胎胶料尤其是胎面胶。附录心得现代汽车，尤其是高档轿车对轮胎的性能要求越来越高。轮胎是汽车最重要的运行材料之一，轮胎性能对汽车行驶有着重要的影响，轮胎的某一特性就可能影响

26、诸多汽车行驶性能。从汽车、轮胎力学行为分析得出,汽车表现出的各项行驶性能最终取决于路面对其的激励,而这种激励又是借助于轮胎与路面之间的相互作用表现出来的。如果没有合适的轮胎匹配,汽车良好的性能也发挥不出来。轮胎性能对汽车性能的影响是轮胎性能与汽车系统性能的合理配合。总的说来,影响汽车行驶性能的轮胎动态力学性能主要为与路面的附着性能、滚动阻力、侧偏特性、垂直特性、包封性和振动性等。正确选型、合理装配使用轮胎，对延长轮胎的使用寿命、提高汽车使用性能和降低汽车故障率，尤其是提高汽车安全性能有着十分重要的意义，所以材料在其中发挥的作用至关重要，如何让轮胎性能得到改善，配方怎样改进，这些都值得我们认真思考探索