第三部分-子午线轮胎用骨架材料上课讲义

子午线轮胎(lúntāi)设计第三部分(bùfen)子午线轮胎用骨架材料第一页，共158页。子午线轮胎以其优异(yōuyì)的性能在全世界范围内得到了迅速发展。发达国家20世纪90年代实现了子午化，又向无内胎化、扁平化、高速化和环保化等方向发展。第二页，共158页。轮胎子午(zǐwǔ)化率的提高和子午(zǐwǔ)线轮胎的性能、结构不断改进与更新，则要求轮胎帘线的数量、品种、规格不断增加和应用技术性能也日趋提高。本章主要内容：子午(zǐwǔ)线轮胎用骨架材料的发展概况和基本性能要求以及骨架材料的分类与性能特点。第三页，共158页。第一节骨架材料的性能要求一、基本性能要求二、子午线轮胎对骨架材料性能要求的特点(tèdiǎn)第二节骨架材料的发展概况第四页，共158页。第一节骨架材料的性能要求一、基本(jīběn)性能要求(1)强度高、模量高（特别是小变形时或称为初始模量要高），在高温下模量保持率也要高。第五页，共158页。(2)生热低、耐热性能好。由于轮胎在行驶过程中的橡胶(xiàngjiāo)和骨架材料均会产生滞后损失而生成热量，因此要求骨架材料的滞后损失小、生热低，并有良好的耐热性及良好的耐湿热性。而且在湿热、干热下不易降解。第六页，共158页。(3)耐疲劳性能好。轮胎行驶(xíngshǐ)时，骨架材料往往受到周期性的拉伸、压缩、弯曲等变形，因此耐疲劳性能要好。(4)尺寸稳定性好。在常温和升温时的尺寸稳定性要好，加负荷时的伸长率要小，蠕变要小。在轮胎加工过程中不热收缩，在使用过程中不膨胀。第七页，共158页。(5)对橡胶的黏合性能好。黏合性能不仅是静态的抽出力和剥离力、覆胶率要高，而且在动态下的黏合力也要高。同时(tóngshí)还要求在高温下和老化后的黏合力保持率比较高。第八页，共158页。(6)相对密度小。有利于轮胎的轻量化，降低滚动阻力，节省燃料。(7)耐腐蚀性和化学稳定性好。不产生(chǎnshēng)胺解、水解或因其他化学作用而降低帘线强度。(8)价格低廉，节约成本。第九页，共158页。二、子午线轮胎对骨架材料性能要求的特点由于子午线轮胎结构的特殊性，使胎体帘线受力与带束层帘线受力情况不同，因此对帘线性能的要求，也有所不同的侧重面，这样有利于发挥(fāhuī)各种不同骨架材料的优异性能。第十页，共158页。1、胎体帘线的性能(xìngnéng)要求2、带束层帘线的性能(xìngnéng)要求第十一页，共158页。轿车和轻载子午线轮胎向单层胎体方向发展；同时，由于高速度级和高性能轿车与轻载子午线轮胎的日益发展对帘线的强度、尺寸稳定性和滞后生热等性能的要求更加严苛。目前世界各国都在不断改进帘线性能和生产技术，开发新型(xīnxíng)产品，优化帘线使用性能，以适应轮胎技术的发展需要。第十二页，共158页。1．胎体帘线的性能要求子午线轮胎胎体帘线与胎面中心线呈90°角排列，胎体由一条几乎不能伸张的环形带束层箍紧，使轮胎在使用中外径几乎不变，但胎侧变形比斜交轮胎大25%～30%，但胎侧刚度低10%～30%.子午线轮胎在行驶中胎体帘线会受到比斜交轮胎更大的拉伸压缩和弯曲(wānqū)等极为复杂的作用力。第十三页，共158页。胎体的主要作用是使轮胎保持原有设计的尺寸形状，并赋予轮胎优良的舒适性和牵引性。根据子午线轮胎胎体帘线受力的特点(tèdiǎn)，要求胎体帘线着重具有下列几方面的性能。第十四页，共158页。①高强度、高模量，高温下的模量也要高，这是子午胎胎体帘线的基本要求。②高尺寸稳定性，低收缩率，小蠕变，这是高性能(xìngnéng)轮胎和高速轮胎的重要性能(xìngnéng)要求。③低滞后损失、低生热性、高耐疲劳性，保证胎体的耐久性和轮胎的高使用寿命。第十五页，共158页。表3-1帘线性能与轮胎(lúntāi)使用性能的关系轮胎性能帘线性能耐机械损伤耐久性操纵性滚动阻力均匀性外观质量成本强度、韧性、耐疲劳性滞后生热性尺寸稳定性滞后生热型尺寸稳定性尺寸稳定性强度、尺寸稳定性、耐疲劳性第十六页，共158页。2.带束层帘线的性能要求带束层是子午线轮胎(lúntāi)的主要受力部件，带束层的刚性对轮胎(lúntāi)使用性能有很大的影响，而帘线性能又直接影响带束层的刚性。子午线轮胎(lúntāi)的带束层帘线几乎呈周向排列，其长度基本上保持不变。第十七页，共158页。帘线性能的重点要求如下。(1)高强力、高模量、伸长变形要很小。因带束层帘线承受拉伸、弯曲(wānqū)等主要应力，同时起着箍紧胎体的作用，使轮胎的外直径几乎不胀大。(2)与橡胶的黏合性能好。这对多层结构的带束层性能极为重要，特别是钢丝帘线与橡胶的黏合水平，会直接影响到子午线轮胎的使用性能和寿命。第十八页，共158页。(3)耐疲劳性能好。子午胎的带束层承受较大的应力，而且是周期性地承受拉伸(lāshēn)、弯曲、剪切等变形，因此对帘线要求有较好的耐疲劳性能。(4)耐锈蚀和化学腐蚀性能好。子午线轮胎的带束层材料，无论是轿车胎还是载重胎多数采用钢丝帘线，而钢丝帘线的腐蚀危险性会直接影响到轮胎的使用寿命。因此，必须提高耐锈蚀和化学腐蚀性。第十九页，共158页。第二节骨架材料的发展概况轮胎向子午化、无内胎化、扁平化方向发展，要求轮胎帘线数量、规格(guīgé)、品种和应用技术不断更新发展。有关骨架材料的发展，将分为纤维帘线和钢丝帘线两部分来作介绍。第二十页，共158页。一、纤维帘线的发展历程1．国外纤维骨架材料的发展2．国内纤维骨架材料的发展3．新型(xīnxíng)纤维材料的开发研究二、钢丝帘线的发展历程1．国外钢丝帘线生产与应用情况2．国内钢丝帘线生产与应用情况3．钢丝帘线的发展趋势与新品种开发第二十一页，共158页。一、纤维帘线的发展历程1．国外纤维骨架材料的发展自帆布作为做充气(chōnɡqì)轮胎的骨架材料起，纤维骨架材料经历了棉纤维、人造丝、尼龙、维尼纶、玻璃纤维、聚酯和芳纶的发展历程。世界范围而言，当前轮胎行业在用的仍然是这些纤维材料。1995～2000年期间，聚酯增加5万吨左右，增长率为4.1%；尼龙增长9万吨左右，增长率为3.2%；而人造丝相对下降。第二十二页，共158页。表3-2世界(shìjiè)轮胎帘线消耗量单位：kt第二十三页，共158页。美国制造轮胎用纤维目前已基本上采用HMLS聚酯作为轿车和轻型载重子午线轮胎的骨架材料。轿车轮胎，甚至还有某些轻型载重轮胎中用单层子午线胎体结构代替了两层子午线胎体结构。由于尼龙存在平点问题(wèntí)，因此轿车原配胎仍采用人造丝。进一步改进了织物处理和轮胎的耐冲击性能，使聚酯迅速在原配轮胎中取代了人造丝。由于聚酯减少了平点问题(wèntí)，因此普通聚酯在替换轮胎中代替了尼龙。第二十四页，共158页。美国轮胎(lúntāi)子午化落后于欧洲，20世纪80年代美国Honey-Well公司（原AlliedSignal公司）开发出尺寸稳定型聚酯(DSP)，另外1980年HoechstCelanese公司推出了高模量低收缩聚酯(HMLS)。解决了长期困扰子午线轮胎(lúntāi)制造生产单层胎体帘布接头处引起胎侧凹陷问题。HMLS(或DSP)聚酯具有提高轮胎(lúntāi)均匀性和省去硫化后充气工艺提高轮胎(lúntāi)产量等优点，已逐步取代了普通聚酯。第二十五页，共158页。西欧和日本历史上纤维的使用情况与美国(měiɡuó)有很大差异。西欧由于子午线结构的轮胎使用比美国(měiɡuó)早得多，因此尼龙从未取代人造丝。图3-1欧洲共同体国家轮胎用纤维的应用情况及历史1所有纤维；2-人造丝；3-普通聚酯；4-HMLS聚酯第二十六页，共158页。尽管因某些用途需要而使用了普通聚酯，但是它决不会完全取代(qǔdài)人造丝，因为其尺寸稳定性明显不如人造丝，所以使用性能无法与之抗争。因此在欧洲高速和高性能原配轿车子午线轮胎的胎体仍然采用人造丝帘线。第二十七页，共158页。目前，HMLS聚酯纤维正在逐渐成为西欧选用的骨架材料。这是因为最现代的HMLS聚酯与人造丝相比，已获得了性能(xìngnéng)/成本比的优势，而且有足够的生产能力来保证这种替换产品。虽然某些高性能(xìngnéng)轿车子午线轮胎仍使用人造丝，但是HMLS聚酯将在大多数轿车和轻型载重车子午线轮胎中迅速取代它，而且在几年内其用量已超过人造丝。第二十八页，共158页。日本:尼龙是轮胎用的主要纤维，但是，随着轿车和轻型载重子午线轮胎的发展，HMLS聚酯的用量稳步增长。尼龙和聚酯的用量都在增加(zēngjiā)。尼龙主要用于中型和重型载重斜交轮胎；聚酯特别是HMLS聚酯正迅速成为轿车和轻型载重子午线轮胎的骨架材料。第二十九页，共158页。在世界范围当前轮胎制造业使用的主要纤维骨架材料有3种，即人造丝、尼龙和聚酯。现状(xiànzhuàng)：人造丝：使用地区集中，用量相对稳定；聚酯：子午胎生产量的增长和欧洲根据轮胎性能级别部分使用而呈现低速稳定增长的势态；尼龙:使用量则逐年下滑但速度很平缓。第三十页，共158页。从绝对数量看，尼龙仍然是全球轮胎业使用量最大的纤维骨架(gǔjià)材料。按地区分布看，聚酯已在世界上每一个生产子午线轮胎的地区被使用，重点是美国、日本和欧洲，尼龙在发展中国家仍然有很大的使用量，主要集中在非洲和远东。第三十一页，共158页。从技术角度(jiǎodù)来看，目前可用作轮胎骨架材料的高性能合成纤维有芳纶和PEN纤维，但两者使用量有限。到2000年，芳纶的年消耗量只有150余吨；PEN纤维更少，只有意大利倍耐力公司开始用这种纤维的帘布生产摩托车和赛车用高性能轮胎。障碍是价格因素。第三十二页，共158页。2.国内纤维骨架材料的发展1982年上海正泰从前西德密茨勒公司(ɡōnɡsī)引进了轿车子午胎的成套装备与技术。轮胎的骨架材料是人造丝帘线，帘线全部依靠进口。20世纪80年代末90年代初又引进了费尔斯通、倍耐力的生产技术，产品结构为普通的子午胎。这两家公司(ɡōnɡsī)的轿车和轻型载重车子午线轮胎骨架材料均用尼龙帘线（改性尼龙66，硫化后无需后充气）。第三十三页，共158页。早期轮胎骨架多数采用人造丝帘线。这是因为人造丝具有(jùyǒu)良好的尺寸稳定性，硫化后无需后充气。另外，它不像尼龙有平点现象。20世纪90年代初国内帘布厂试制出浸胶聚酯帘布，如平顶山神马集团用进口聚酯长丝生产出聚酯帘布，另外，无锡太极公司采用国产聚酯长丝生产出浸胶聚酯帘布。第三十四页，共158页。经过多次改进，后来试制出带有弹力纬线（绵纶或涤纶）的酯聚帘布，更好地满足了子午线轮胎生产工艺上的需要。另一方面，国产人造丝环境污染、资源以及价格等问题，逐步停止了生产。到90年代国内自己开发的轿车和轻型载重车子午线轮胎由人造丝帘线转向聚酯帘线。此时(cǐshí)生产的帘线为普通聚酯帘线，其收缩率较大，硫化后必须进行后充气。第三十五页，共158页。随着HMLS或尺寸稳定型聚酯(DSP)帘线的推广应用，我国在高速低断面“55”和“50”系列轿车子午线轮胎和高速轻型载重子午线轮胎的研制中均采用了新型聚酯帘线。到90年代后期(hòuqī)，山东潍坊大龙化纤公司和广东开平涤纶厂都从国外进口DSP工业丝进行帘布加工和浸渍处理；无锡太极公司自行开发了DSP工业丝并生产DSP帘布。目前正在一般系列的轿车和轻型载重车子午线轮胎中推广应用DSP聚酯代替普通聚酯帘线。这将简化生产工艺（无需后充气），减小投资并可实现减层，从而降低成本。第三十六页，共158页。根据目前我国纤维帘线工业的发展和轮胎工业的发展看，轿车和轻型载重车子午线轮胎中纤维骨架(gǔjià)材料的应用可分为两种类型：①国内自行开发的技术主要采用聚酯帘线，先是普通聚酯帘线，进一步改用新型HMLS或称DSP聚酯帘线；②国外引进的技术估计还会继续选用改性尼龙66帘线作轮胎骨架(gǔjià)材料。第三十七页，共158页。3．新型纤维(xiānwéi)材料的开发研究(1)PEN纤维(xiānwéi)(2)尼龙46纤维(xiānwéi)(3)聚酰胺单丝(4)复合帘线(5)碳纤维(xiānwéi)第三十八页，共158页。(1)PEN纤维DSP(或HMLS)(聚对苯二甲酸乙二醇酯，即PET),高尺寸稳定性而成为当今最先进的轮胎增强材料之一。PEN聚酯纤维（聚萘二甲酸乙二醇酯）尺寸稳定性比DSP(或HMLS)聚酯纤维要高2倍。倍耐力开始(kāishǐ)用PEN纤维骨架材料生产了高级赛车用轮胎。第三十九页，共158页。PEN是一种(yīzhǒnɡ)性能改进而质量较小的增强材料，因而可减小轮胎质量，降低轮胎滚动阻力，节省燃油率。这种纤维加工成的帘布可用于子午线轮胎任何部位的骨架材料。第四十页，共158页。如果能够替代钢丝，则其优点会更加突出。将来，特别是采用复合(fùhé)胎圈，钢丝圈被替代后会使轮胎粉碎及焚烧变得容易。从而改善轮胎的可回收性，将对环保产生巨大影响。第四十一页，共158页。(2)尼龙46纤维荷兰DSM公司开发成功专用(zhuānyòng)于半钢子午线轮胎冠带层的骨架材料—尼龙46纤维。(冠带层虽然是子午线轮胎的小部件，国际上60%的乘用子午线轮胎配置了冠带层。但因其对保持轮胎外形尺寸稳定、提高速度级别、改善乘用和驾驶舒适性都有明显的作用.)第四十二页，共158页。尼龙46综合了下列各项性能:尺寸稳定性好、高温模量高、热收缩力大（收缩率低）、随时间延长应力(yìnglì)保持率高、蠕变率在所有尼龙纤维中最低、耐热老化性能均高于尼龙6和尼龙66，并且平点倾向性也低，与橡胶的黏合性好。第四十三页，共158页。尼龙46在120℃下模量比尼龙66高25%，160℃下收缩率比尼龙66低3%，在预加张力(zhānglì)低于6g·dtex-1时，它的应力松弛低于聚酯。第四十四页，共158页。(3)聚酰胺单丝基于尼龙66聚合物的高线密度聚酰胺鬃丝（单丝）。这种纤维的横断面呈圆角矩形，其宽高比约为3。扁平形状可以提高柔软性，但降低(jiàngdī)了弯曲刚度。鬃丝有高模量低收缩、尺寸稳定性好、耐疲劳性能和黏合性能好等优点。第四十五页，共158页。这种鬃丝要比普通加捻帘线细得多，因此帘布压延时所需胶料少，覆胶帘布的总厚度与普通加捻帘线相比减薄达30%。可节省胶料（小胎5%，大型斜交(xiéjiāo)胎15%），因而可以减小轮胎质量和降低成本。第四十六页，共158页。鬃丝的强度比聚酯帘线高38%。比普通尼龙(nílóng)帘线高12%，与强度比较低的人造丝相比优势就更大。鬃丝将聚酰胺强力集中到可能最小的体积内，而非圆形形状可分配其强力，以获得最大利用率。第四十七页，共158页。采用该骨架材料的轮胎具有(jùyǒu)行驶温度低、操纵性好、滚动阻力小（滞后损失小）、燃料消耗低和耐磨性能好等优点。鬃丝有取代现有聚酯和尼龙帘线的可能。第四十八页，共158页。(4)复合帘线目的：提高其耐疲劳性、降低成本，满足橡胶产品(chǎnpǐn)中的要求。方法：一种纤维（如尼龙、聚酯）与芳纶纤维复合，即分别加初捻，然后两股一起加、复捻。第四十九页，共158页。芳纶纤维优点：分子(fēnzǐ)链高度取向，结晶度高，因此其拉伸强度和模量高、变形小、尺寸稳定性好等优点。缺点：但芳纶耐压缩弯曲疲劳性差，它与橡胶的黏合性能也不理想，尤其是价格昂贵，在某种程度上限制了它的进一步开发应用。第五十页，共158页。国外20世纪70年代就开始研究复合帘线。杜邦公司研究了含芳纶复合帘线的性能，此复合帘线具有强度高、耐疲劳(píláo)性能好的特点。第五十一页，共158页。美国通用轮胎公司(ɡōnɡsī):芳纶与尼龙制成复合帘线用在矿山工程轮胎的缓冲层中，轮胎使用寿命可提高25%，胎面耐刺扎、耐切割性能可提高60%。第五十二页，共158页。芳纶和人造丝复合帘线用在轻载(qīnɡzǎi)子午线轮胎中，只需2层帘线，用在轿车轮胎中，只需1层骨架料。第五十三页，共158页。(5)碳纤维日本东丽株式会社(zhūshìhuìshè)采用高强度、高模量的碳纤维作为增强材料，已开发出质量轻和高速性能良好的轿车轮胎。碳纤维存在着脆性大和耐屈挠性能差等问题，日本横滨橡胶公司采用与钢丝并用和改进结构等措施，已将碳纤维成功地应用于子午胎带束层中。第五十四页，共158页。二、钢丝(ɡānɡsī)帘线的发展历程米其林公司最早开始制造全钢丝(ɡānɡsī)斜交载重轮胎，由2层或4层钢丝(ɡānɡsī)帘布替代了12～20层的棉线帘布。第五十五页，共158页。钢丝帘线的性能优点(yōudiǎn):耐热性和导热性极好，强度高、初始模量高，伸长率极小，受温度影响极小，当温度高到其它纤维的熔点时，钢丝还能保持原强度的93%。缺点:密度大，与橡胶的黏合性能差，耐疲劳和耐腐蚀性差。第五十六页，共158页。1.国外钢丝帘线生产与应用情况比利时贝卡尔特公司(BEKAERT)、法国米其林公司(MICHELIN)、日本BMA公司(BRIDGESTONEMETALPHACORPORATION)是世界上三大钢丝帘线生产公司。这三家公司的钢丝帘线年产量均为20万吨以上，市场占有率近60%，而且其产品质量(chǎnpǐnzhìliànɡ)也是最好的。第五十七页，共158页。其他较大的钢丝帘线公司(ɡōnɡsī)：卢森堡的ARBED公司(ɡōnɡsī)、日本的东京制钢公司(ɡōnɡsī)(TOKYOROPE)、意大利的倍耐力公司(ɡōnɡsī)(PIRELLI)、韩国的晓星公司(ɡōnɡsī)(HYOSUNGT&C)等。第五十八页，共158页。早期钢丝帘线单丝直径约0.15mm～0.175mm。国外常用胎体钢帘线单丝直径：0.17～0.22mm。单丝直径过小，会导致单丝根数增多，帘线直径加大，虽然钢丝帘线强度提高(tígāo)，但加工成本加大；单丝直径过大，钢丝帘线疲劳性能下降。第五十九页，共158页。表3-3欧洲(ōuzhōu)和北美轻型载重和载重子午胎常用胎体钢丝帘线规格20世纪80～90年代0.15mm，90年代中以后至2001年常用胎体钢丝帘线为高强度和紧密型结构，单丝直径(zhíjìng)也有所增大(0.175mm)第六十页，共158页。第六十一页，共158页。表3-4欧洲和北美轻型载重和载重子午胎常用(chánɡyònɡ)带束层钢丝帘线规格第六十二页，共158页。表3-5欧洲(ōuzhōu)和北美轿车子午胎常用带束层钢丝帘线规格1980-1990年期间1995-2001年期间3×7×0.155×0.255×0.23

OC0.15+4×0.252+2×0.252+7×0.22+12×0.30

HT5×0.23

HT

OC3×0.23

HT

OC3×0.28/0.30

HT

Betru2+2×0.25

HT2+7×0.26

HT第六十三页，共158页。2.国内钢丝帘线生产与应用情况(qíngkuàng)国内厂家:江阴贝卡尔特钢帘线有限公司江苏兴达钢帘线集团公司嘉兴东方钢帘线有限公司，荣成钢丝帘线有限公司产量不大，其它如湖北钢丝厂、上海钢丝厂等只能生产半钢子午线轮胎用钢丝帘线。第六十四页，共158页。国内国外胎体3+9+15W（3+9+15×0.175+0.15和3+9+15×0.22+0.15）3+8×0.20/0.22HT0.22+18×0.20CC1+6+11×0.20ST带束层（工作层）3+9+15×0.175+0.153+9+15×0.22+0.153×0.20+6×0.35HT3+8×0.35HT(3+8×0.33HT)0.35+6×0.35HT3×0.20+6×0.35HT2+7×0.26HT2+6+11×0.25+0.15HT全钢子午线轮胎(lúntāi)第六十五页，共158页。国内轮胎厂胎体钢丝帘线：3+8×0.23HT、0.20+18×0.18HT和0.22+18×0.20CC代替(dàitì)现用的3+9+15×0.175+0.15和3+9+15×0.22+0.15；带束层（工作层）：3+8×0.38HT、0.365+6×0.35HTBetru和2+7×0.26HT代替(dàitì)现用的3+9+15×0.175+0.15、3+9+15×0.22+0.15和3×0.20+6×0.35HT;带束防护层钢丝帘线：1×5×0.35HI和1×5×0.38HI代替(dàitì)现用的3×7×0.20HE和3×4×0.22HE。第六十六页，共158页。3.钢丝帘线的发展趋势与新品种开发钢丝帘线的发展方向主要有两个方面：一:满足高性能子午线轮胎的高速安全、节省燃料和环保(huánbǎo)等性能的需要；二:降低钢丝帘线的制造成本，从而降低轮胎生产成本。第六十七页，共158页。根据子午胎发展需要，钢丝帘线发展趋势有如下几个方向:(1)由普通强度向超高强度发展(2)向单丝直径加大，帘线结构(jiégòu)简化发展(3)向全渗透型简单化开放式结构(jiégòu)发展(4)向抗冲击、耐腐蚀、高断裂伸长发展第六十八页，共158页。(1)由普通强度向超高强度发展同样结构的高强度钢丝帘线(HT)与普通强度(NT)钢丝帘线相比，不仅能够降低生产成本，而且在使用过程中其断裂强力、耐冲击力、耐疲劳强度都能得到相应提高(tígāo)，据资料介绍分别约提高(tígāo)10%、15%和20%以上。表3-6单丝直径(zhíjìng)0.20mm的强度对比第六十九页，共158页。(2)向单丝直径加大，帘线结构简化发展胎体用钢丝帘线要求柔软和耐屈挠性好，一般单丝直径较小为宜，20世纪80年代单丝直径以0.150～0.175mm为主，后来发展趋势单丝直径加大至0.20～0.23mm。但目前已成功开发出超高强度和最高强度帘线用单丝的技术(jìshù)，单丝直径不必再增大。第七十页，共158页。帘线结构趋向简化(jiǎnhuà)，胎体帘线以单丝根数少、无外绕丝的紧密型结构来代替单丝根数多、带有外绕丝多层加捻、不同层之间单丝为点接触的普通型结构帘线。例如紧密型结构0.20+18×0.175CC代替多层普通型结构3+9+15×0.175+1。第七十一页，共158页。右交互(jiāohù)捻左交互(jiāohù)捻右同向捻左同向捻SZZSZZSS第七十二页，共158页。(3)向全渗透型简单化开放式结构发展为提高钢丝帘线在渗胶方面(fāngmiàn)的性能，对轿车子午胎带束层钢丝帘线，开发了简单结构半开放型帘线(如2×1，2+2)、开放型帘线(如3×1OC，5×1OC)以及贝卡尔特3×1Betru*。针对轻型载重及载重子午胎的不同轮胎结构要求，贝卡尔特公司又分别开发出了5×0.30HTBetru*，5×0.35HTBetru*和4+6×0.38HTBetru*等全渗胶型钢丝帘线。第七十三页，共158页。(4)向抗冲击、耐腐蚀、高断裂伸长(shēnchánɡ)发展载重子午胎的防护冠带层对钢丝帘线的要求：胶料完全渗透；覆胶情况下有足够的伸长(shēnchánɡ)；良好的耐冲击性；良好的耐压缩性以及较好的耐剪切性。普通高伸长(shēnchánɡ)帘线3×4×0.22HE、3×7×0.20HE和4×4×0.22HE等，帘线渗胶不充分，且覆胶后，其断裂伸长(shēnchánɡ)率往往会损失50%左右。第七十四页，共158页。开发了一种制造(zhìzào)新型帘线，这种帘线具有高伸长和高耐冲击性的特点，渗胶充分，尤其重要的是帘线在覆胶后仍具有很高的断裂伸长率（大于6%）。其典型结构为5×0.35HI（抗冲击）和5×0.38HI，将分别替代3×4×0.22HE和3×7×0.22HE。第七十五页，共158页。子午线轮胎结构复杂，各部位材料的性能要求不同，使用骨架材料的品种较多。本节主要介绍子午线轮胎常用(chánɡyònɡ)的帘线品种：钢丝、尼龙、聚酯、人造丝、芳纶、玻璃纤维。第三节骨架材料(cáiliào)的分类与性能第七十六页，共158页。一、钢丝(ɡānɡsī)帘线二、尼龙帘线三、聚酯帘线四、人造丝帘线五、芳纶帘线六、玻璃纤维第七十七页，共158页。一、钢丝帘线子午胎生产(shēngchǎn)中用量最大的骨架材料全钢载重子午胎：胎体层、带束层、胎圈包布和胎侧加强层等。轿车和轻型载重子午胎：带束层和胎圈或胎侧的加强层。第七十八页，共158页。钢丝帘线的性能优点:耐热性和导热性极好(jíhǎo)，强度高、初始模量高，伸长率极小，受温度影响极小，当温度高到其它纤维的熔点时，钢丝还能保持原强度的93%。缺点:密度大，与橡胶的黏合性能差，耐疲劳和耐腐蚀性差。第七十九页，共158页。结构(jiégòu)、品种分类分类普通型紧密型开放型高强度型高伸长高抗冲全渗透型第八十页，共158页。1.普通型结构普通型使用最早，规格品种达30余种，单丝直径有多种规格。单丝直径小的（0.15～0.175mm)用于胎体层，单丝直径大的(0.20～0.38mm)用于带束层。典型结构：3+9+15×0.175+0.15、3+9+15×0.22+0.15，属于多层帘线，帘线内、外层钢丝捻距相反，多层帘线在断面圆形半径方向上各层之间呈分离状态(zhuàngtài)，不同层之间的钢丝为点接触。第八十一页，共158页。其帘线断面结构见图所示。普通型弊病：不同层之间的钢丝为点接触，存在潜在(qiánzài)的磨损破坏问题；胶料的渗透性也差，影响橡胶与钢丝的黏合性能。普通型结构将被开放型、紧密型等新结构所替代。图3-4普通型结构(jiégòu)帘线第八十二页，共158页。2.紧密型结构(jiégòu)紧密型钢丝帘线是指那些由捻向和捻距相同的多根钢丝组成的帘线。图3-5紧密型结构(jiégòu)帘线断面(12×1)第八十三页，共158页。特点：单根钢丝(ɡānɡsī)排列紧密，帘线直径较小，在不同断面位置各不相同，各单根钢丝(ɡānɡsī)间为线接触，接触面积较大、接触压力较小，磨损破坏的倾向较轻。第八十四页，共158页。问题：紧密型帘线对芯线迁移较敏感(mǐngǎn)，即在帘线被切断或受到动态弯曲和动态压缩作用时，芯线钢丝会移动到帘线之外。如果使用紧密型帘线作胎体增强材料，帘线被固定在胎圈上，若轮胎设计的好，就不致出现芯线外移的现象。第八十五页，共158页。使用紧密型帘线做带束层增强材料，可能出现芯线迁移，若芯线由多根钢丝组成且钢丝直径较大，可使帘线呈开放状态，从而(cóngér)有利于胶料向帘线内部渗透，确保芯线受到机械锚固作用而减少迁移的危险。第八十六页，共158页。紧密型帘线既可做胎体增强材料又可做带束层增强材料，它具有强度(qiángdù)高，黏合保持性好，耐屈挠性、耐磨损性和耐冲击性好等优异性能。目前正在成为越来越受欢迎的子午线轮胎骨架材料。第八十七页，共158页。3.开放型结构开放型结构是将单丝捻制成松散结构的钢丝帘线，即捻度较低，单丝之间的缝隙较大。与普通结构钢丝帘线不同，中心没有封闭空间，胶料容易渗透人内，既提高了帘线与橡胶的黏合强度(qiángdù)，又防止了钢丝锈蚀。图3-6开放型结构(jiégòu)帘线断面(1×4×0.25OC)第八十八页，共158页。目前轿车子午胎带束层常用的开放型结构钢丝帘线，如2+2×0.30HT与普通结构1×5×0.25,前者的单丝松散排列(páiliè)，间隙较大，无封闭空间，而后者的中心有个封闭的空间。2+2+0.30HT

1×5×0.25第八十九页，共158页。4.高强度型高强度钢丝帘线不是(bùshi)帘线结构上的不同，而是主要在原材料盘条的化学成分和力学性能上与普通强度钢丝的要求有所不同。高强度钢丝盘条的碳含量比普通强度钢丝要高10%左右，从而盘条的力学性能不同。第九十页，共158页。表3-7高强度与普通强度钢丝(ɡānɡsī)盘条主要力学性能对比第九十一页，共158页。表3-8高强度和普通(pǔtōng)强度钢丝帘线物理性能对比①+5%。②+5%。第九十二页，共158页。江苏兴达公司在高强度钢丝(ɡānɡsī)帘线的研制开发方面取得了一定成绩，目前已可以生产l×2×0.30HT，2+2×0.25HT，2+2×0.35HT，2+7×0.28HT，3×0.20+6×0.35HT等近10种高强度钢丝(ɡānɡsī)帘线。第九十三页，共158页。高强度钢丝帘线往往不采用普通结构型帘线，而是伴随着采用紧密型和开放型结构帘线，目前已应用(yìngyòng)于子午线轮胎中的有1×12×0.22HT，3×0.365+9×0.34CC+1HT,5×0.23HTOC,3×0.30HTOC。第九十四页，共158页。5.高伸长率和高抗冲击型主要特点(tèdiǎn):伸长率（约为7.5%）比普通钢丝帘（约为1.7%）要大5%左右。高伸长钢丝帘线采用同捻向结构并且捻距较小，因此其断裂伸长率或低负荷伸长率较大，能承受较大的冲击，且有较好的耐疲劳性能。如普通高伸长帘线3×4×0.22HE，3×7×0.20HE和4×4×0.22HE等。但这类帘线渗胶不充分，而且帘线覆胶后，其断裂伸长率往往会损失50%左右。第九十五页，共158页。与高伸长(shēnchánɡ)钢丝帘线相比，高抗冲击型钢丝帘线具有高伸长(shēnchánɡ)和高抗冲击性。新型结构钢丝帘线5×0.35HI和5×0.38HI属于高抗冲击型钢丝帘线。特点：单丝直径相对较大，有利于帘线的耐剪切性；且帘线经过特殊变形，捻距大，胶料渗透充分，特别是帘线在覆胶后仍具有很高的断裂伸长(shēnchánɡ)率（大于6%）,因而可以改善耐冲击性和耐腐蚀性。第九十六页，共158页。该帘线只需一次成型，制造成本低；帘线直径小，压延厚度(hòudù)减小，可以减小轮胎质量和降低成本。其典型结构为5×0.35HI用以替代3×4×0.22HE，5×0.38HI用以替代3×7×0.20HE。第九十七页，共158页。钢丝帘线4×2×0.35E和3×7×0.22HE与新结构(jiégòu)高抗冲击型钢丝帘线5×0.38HI的性能对比见表注:A-4×2×0.35E;B-3×7×0.22HE;C-5×0.38HI。第九十八页，共158页。6．全渗透(shèntòu)型(a)TRU帘线断面(b)普通(pǔtōng)开放式帘线断面为多边形为圆形图3-8不同结构钢丝帘线断面示意全渗透型钢丝帘线是一种全新的子午线轮胎用钢丝帘线，也称为(chēnɡwéi)TRU(TotalRubberPenetration)帘线，与普通帘线相比，其钢丝排列的断面呈多边形而不是圆形。第九十九页，共158页。与普通钢丝帘线的制造工艺的区别：全渗透型钢丝帘线在成型过程中通过特别的钢丝预变形设备，对钢丝帘线施加特别的预变形，使钢丝之间的间隙(jiànxì)始终保持恒定，从而使得在压延或挤出过程中，橡胶能够充分渗透到帘线中去，因而提高钢丝的耐腐蚀和耐疲劳性能，延长轮胎使用寿命。第一百页，共158页。橡胶全渗透钢丝帘线具有如下(rúxià)优点。(1)更好的橡胶渗透性阻止任何湿气通道的产生，还可以提高钢丝压延和挤出速度，提高生产效率；(2)帘线结构规整相对均匀的帘线直径，帘线直径小，可减小带束层帘线的密度和用胶量，减小轮胎质量，降低轮胎的滚动阻力；(3)更高的钢丝断裂强度意味着更低的带束层密度，使钢丝间隙大覆胶更好，同时质量也减小；第一百零一页，共158页。(4)更高的带束层刚度(ɡānɡdù)和强度，增强轮胎抗磨损性和耐侧滑性，提高轮胎的安全性和操纵性；(5)具有较低的定负荷伸长，意味着更小的滞后损失，使轮胎具有更好的操纵响应性能，尤其是转向灵敏性能；(6)与橡胶的初始黏合强度高。第一百零二页，共158页。总之，全渗透型钢丝帘线渗胶性能好、耐疲劳性能优异、帘线直径小和保持率高且工艺性能良好。贝卡尔特公司推出这种新型结构钢丝帘线3×0.30HTBetru*，适用(shìyòng)于轿车子午线轮胎带束层和1+6HTBetru*适用(shìyòng)于载重子午线轮胎带束层，第一百零三页，共158页。与传统(chuántǒng)钢丝帘线2+2×0.25HT，3×0.20+6×0.35HT的性能对比见表。表3-10全渗透(shèntòu)型钢丝帘线与传统钢丝帘线性能对比注:A-2+2×0.25HT;B-3×0.30HTBetru*;

C-3×0.20+6×0.35HT;D-1+6HTBetru*。

第一百零四页，共158页。二、尼龙帘线尼龙纤维的优点:强度(qiángdù)高、密度小，单位质量强度(qiángdù)比人造丝高1.5～1.8倍；吸湿率低，湿强度(qiángdù)高；弹性好，耐屈挠性能比人造丝高10倍；耐疲劳性能优于其他纤维。第一百零五页，共158页。主要缺点:热稳定性差，热收缩率大,带来尺寸稳定性差，使用过程中还会产生(chǎnshēng)“平点”。国内外进行了许多研究改进，使尼龙模量提高、热收缩率降低，从而改善尺寸稳定性。第一百零六页，共158页。1.改性尼龙66倍耐力公司、固特异公司、费尔斯通公司和它们转让技术的国内轮胎公司都广泛使用改性尼龙66浸渍帘布制造子午线轮胎。尼龙66帘布的物理改性有3个途径：①在原丝生产时直接改性采用(cǎiyòng)这种方法可将收缩率控制得很低，但断裂强度牺牲较大；第一百零七页，共158页。②原丝生产不变，后加工时改性可以得到高强度的帘线，但热收缩的控制和稳定性较差；③在原丝生产和后加工过程中均采用特殊技术，合理分担改性程度得到强度较高和干热收缩率较低的改性尼龙(nílóng)66帘线，以满足子午线轮胎生产使用的需要。第一百零八页，共158页。国内1992年底神马集团公司试制成功改性尼龙66浸渍帘布，现已开发出700dtex/2、930dtex/2、1400dtex/2，1400dtex/3、1870dtex/2和2l00dtex/2等6个系列、各种规格的改性尼龙66浸渍帘布19种，产品质量指标均达到进口同类产品的水平(shuǐpíng)。表3-111400dtex/3改性尼龙66浸渍帘布物理性能指标对比第一百零九页，共158页。2.低捻度尼龙66ICI1982年末将其所研制的低捻度(LowTwist)尼龙66帘线试用于单层轿车子午胎的胎体层。四个轮胎厂家成功地用LT尼龙66制造出轮胎。结果表明:LT尼龙66轮胎的耐久性与人造丝轮胎一样；滚动(gǔndòng)阻力与人造丝轮胎相等或稍小；断面宽比人造丝轮胎宽1%～2%，外直径比人造丝轮胎大2mm(普通尼龙则大5mm)；帘布层接头处出现凹陷。第一百一十页，共158页。普遍认为LT尼龙66帘线可以满足子午线轮胎胎体帘布层的基本要求，其轮胎的综合性能与聚酯轮胎相同，但还不能完全达到(dádào)人造丝的水平。第一百一十一页，共158页。LT尼龙66帘线的性能特点是：与普通尼龙帘线相比，收缩率低25%，模量高25%，故轮胎不需要(xūyào)后充气处理；纤维强力利用率高，轮胎质量小（比普通尼龙轮胎轻5%）；疲劳性能略低，因尼龙帘线耐疲劳性能优异，故完全能满足子午线轮胎要求；此外还有生产效率高、能耗少和成本低等优点。表3-12西欧单层155SR13轿车子午胎帘线质量和相对成本比较第一百一十二页，共158页。3.尼龙46帘线荷兰DSM公司与韩国科隆(Kolon)公司合作开发的尼龙46(商品名Stanyl)帘线是由乙二酸与丁二胺聚合而成，它在120℃下模量比尼龙66高25%，160℃下收缩率比尼龙66低3%。在较高的温度下具有稳定的力学性能(xìngnéng)；在负荷情况下蠕变小，收缩率低；尺寸稳定性和耐热老化性能(xìngnéng)均高于尼龙6和尼龙66并且平点倾向性也低；与橡胶的黏合性好。20世纪90年代尼龙46帘线已批量生产并投放市场。第一百一十三页，共158页。用于子午胎的冠带层纤维材料主要是尼龙66，尼龙46具有尺寸稳定性好、高温下模量高、热收缩力大、随时间延长应力保持率高和蠕变率在所有尼龙纤维中最低等特性。由于具有这些(zhèxiē)性能的综合平衡，因此DSM公司认为尼龙46是子午线轮胎冠带层的理想增强材料。典型规格有940dtex/2尼龙46帘线。第一百一十四页，共158页。三、聚酯帘线普通聚酯帘线的强度高，耐疲劳性和耐磨性较好，吸湿率低，但其化学及热稳性较差，黏合性能也不够理想，因此在实际生产中，胶料的配方设计和压延(yāyán)工艺需要特殊考虑，生产出的轮胎需要后充气处理。这种普通聚酯帘线的尺寸稳定性明显不如人造丝，其使用性能无法与之抗争。第一百一十五页，共158页。1.高模量低收缩聚酯帘线20世纪80年代(niándài)，美国联信(Allied-Signal)推出第1代尺寸稳定型聚酯帘线(DSP)新产品兼有高模量和低收缩率的优异性能。商品牌号：1×90-第1代增强DSPTM纤维（尺寸稳定型纤维）；1×30-第2代增强DSPTM纤维（高强力尺寸稳定型纤维）；1×40-第3代增强DSPTM纤维（超尺寸稳定型纤维）。新型聚酯帘线无需硫化后充气具有取代人造丝所需的各项性能。第一百一十六页，共158页。德国Hoechst公司，致力于开发高模量低收缩(HMLS)纤维和帘线，已先后开发出V-718和Trevira748(T-748)两个HMLS型新品种。在此基础上，该公司又开发出超高模量低收缩(UltraHMLS)的第二代聚酯纤维和帘线，目标是在现有基础上，将T-748的收缩率再降低(jiàngdī)25%左右。第一百一十七页，共158页。该纤维(xiānwéi)的特点：强度与普通聚酯纤维(xiānwéi)相同，但高于人造丝纤维(xiānwéi)；模量也与普通相同，但略低于人造丝纤维(xiānwéi)；热收缩率比普通聚酯纤维(xiānwéi)低近一半；动态性能也优于普通聚酯纤维(xiānwéi)。第一百一十八页，共158页。缺点:使用时生热大、在高温下产生胺解。所以高速、高性能轿车子午线轮胎中一般(yībān)不使用聚酯帘线。Z速度级以下的轿车和轻载子午线轮胎中使用。聚酯帘线纤维在110～140℃温度范围内损耗因子及生热速率出现峰值，而且应变越大，出现峰值的温度越低。对比普通聚酯、HMLS聚酯和人造丝帘线的性能见下表。第一百一十九页，共158页。第一百二十页，共158页。高模量低收缩聚酯帘线具有模量高、强力高、热收缩率低（比普通聚酯低，尺寸稳定性好、干湿强度大致相等、低捻帘线无损于疲劳性能等优点。HMLS聚酯相比已获得了性能／价格比的优势，将在大多数轿车和轻载子午线轮胎(lúntāi)中取代。第一百二十一页，共158页。2.PEN聚酯纤维美国Honeywell公司在开发出HMLS分子(fēnzǐ)设计理论指导下开发出来的性能优于聚酯、价格大大低于芳纶的PEN纤维。其特性源于分子(fēnzǐ)主链中兼有刚性和柔性组分。PEN被普遍认为是聚酯家族中的高性能产品。PEN的萘环提供了较高的刚性，因其玻璃化温度（Tg）和模量均比PET类聚酯材料高。但与全芳族聚酯或芳纶不同，其结构中的乙烯基团保证了高分子(fēnzǐ)量聚合物可熔融加工。第一百二十二页，共158页。PET

PEN

乙烯(yǐxī)萘环Tg=120℃(2480F)图3-9PET和高性能聚酯PEN的结构第一百二十三页，共158页。(1)帘线强度在相同重量和收缩率的基础上进行(jìnxíng)对比。PEN聚酯纤维的强度比人造丝和PET聚酯纤维要高。图3-10浸渍(jìnzì)帘线强度第一百二十四页，共158页。(2)尺寸稳定性轮胎帘线的尺寸稳定性即材料在高温下的抗变形性能。PEN聚酯纤维(xiānwéi)的刚性主链结构使其尺寸稳定性比图中的其他纤维(xiānwéi)高。采用PEN聚酯纤维(xiānwéi)可以排除胎侧下凹的缺陷。图3-11浸渍(jìnzì)帘线的尺寸稳定性第一百二十五页，共158页。(3)高温性能人造丝帘线的模量随温度增高(zēnggāo)几乎不大变化，PET在温度100℃左右时模量急剧下降至150℃左右才缓慢下降。PEN的玻璃化温度比PET高72℃，随温度增高(zēnggāo)还保持着较高的模量，直至150℃时还表现出优良的性能。图3-12浸渍帘线的动态(dòngtài)性能第一百二十六页，共158页。(4)疲劳性能PEN在低捻度和疲劳敏感条件下，其强度保持率比芳纶要高许多。另外，人造丝由于固有屈挠疲劳性能较差，因此需要(xūyào)高捻度系数。高模量纤维在压缩时微纤化，疲劳性能一般较差，而PEN具有较高的强度保持率是比较独特的。第一百二十七页，共158页。472×472335×335433×433图3-13PEN与芳纶低捻帘线的曲挠疲劳性能对比(duìbǐ)帘线结构：2200dtex/3图3-14人造丝、PET和PEN屈挠疲劳(píláo)性能对比第一百二十八页，共158页。（5）压缩模量压缩模量是带束层非常重要的参数。而所有合成纤维的压缩模量均低于钢丝。但PEN的压缩模量却比其他合成纤维高许多，见图3-15所示，这一性能是PEN的化学结构、微观结构和宏观(hóngguān)结构作用的结果。图3-15浸渍(jìnzì)帘线的压缩模量第一百二十九页，共158页。（6)收缩力帘线收缩的对比表明：尼龙(nílóng)66>PEN>PET。试验采用的PEN和PET帘线结构为ll00dtex/2，433×433捻/m，与尼龙(nílóng)帘线极相近。图3-16浸渍(jìnzì)帘线的收缩力第一百三十页，共158页。

综上所述，PEN聚酯帘线的优异性能和价格(jiàgé)大大低于芳纶，所以目前已有商品投放市场，但年消耗量低于芳纶。第一百三十一页，共158页。四、人造丝帘线优点：模量高，干热收缩率低，定负荷长小，滞后(zhìhòu)生热少（能量损耗低）。从图中明显看出人造丝的能量损耗大大低于其他品种的帘线。图3-17帘线温度(wēndù)与能量损耗的关系第一百三十二页，共158页。表3-14不同产地1830dtex/2人造丝帘线的主要(zhǔyào)性能对比第一百三十三页，共158页。人造丝帘线有极好的尺寸稳定性和低滞后生热性能，使轮胎的操纵稳定性好，且高速行驶时温度低，生产无需后充气处理，外观(wàiguān)不易产生缺陷。高质量人造丝帘线特别适用于高速轿车子午线轮胎和高性能轮胎。第一百三十四页，共158页。不足：人造丝帘线强度低，耐疲劳性不够好，生产成本高，生产过程中环境污染严重。且人造丝帘线的自然吸湿率较高，在高湿和高温的生产条件下，收缩率较大(7%～9%)，强力、模量损失也较大，因此在轮胎制造过程中对人造丝帘线的含湿率要求严格(yángé)，从而增加了生产难度。第一百三十五页，共158页。尽管如此，欧洲轮胎厂家仍大量使用人造丝帘线（尤其是在原配胎中）。而且(érqiě)其轮胎在世界市场上具有很强的竞争力，这说明欧洲人造丝帘线的上述不足之处已有所改善，质量优于其他国家产品。第一百三十六页，共158页。五、芳纶帘线芳纶是一种新型的增强材料，而且是目前惟一能够完全满足轮胎及汽车设计所需的各种性能的增强材料。芳纶纤维具有以下优异特性：①优异的尺寸稳定性（模量高、蠕变小、不收缩）；②密度(mìdù)小（只有钢丝的1/5）；③强度高；④滞后损失小，生热低，耐热性好；⑤耐磨损和抗撕裂；⑥耐腐蚀性好。第一百三十七页，共158页。表3-17芳纶与其他工业用纤维(xiānwéi)的性能对比第一百三十八页，共158页。图3-21工业用纤维的应力-应变(yìngbiàn)曲线图3-22滞后损失率-往复拉伸次数关系曲线1-芳纶；2-钢丝；3-聚酯；4-人造丝；5尼龙1-芳纶；2-尼龙；3-聚酯第一百三十九页，共158页。缺点：芳纶帘线耐疲劳性能差。选择试样进行弯曲、拉伸、压缩及