轮胎“魔鬼三角”突围战

XhRGgZQC

我们都知道，轮胎磨耗对环境和车辆性能有着重要影响。据统计，轮胎在干路面上的最低磨损量为8克/100千米。以我国现有1亿辆汽车计算（每车4条轮胎），轮胎每百千米的磨损量为0.32万吨。如果1辆汽车每年行驶里程为2万千米，则1年内全国汽车磨损排放的固体颗粒物总量将达64万吨。如果以1个颗粒平均直径50微米测算，则排放的固体颗粒物可覆盖2万平方千米，相当于台湾岛面积的1/2。

如何设计一条低能源消耗、强耐磨、高安全性的轮胎，是很多橡胶工作者的研究目标。而你知道吗，这3个需要很难全部满足，因为轮胎有个“魔鬼三角”，它为我们研发“全能轮胎”带来了极大阻碍。

难以调和的“魔鬼三角”

我们对轮胎性能的要求，其实无外乎3点：轮胎的滚动阻力、抗湿滑性和耐磨性。

抗湿滑性决定了轮胎在干、湿路面以及冰、雪路面上的抓地能力。轮胎的抗湿滑性能越高，汽车在这些路面上的抓地性能就越好，汽车越不容易打滑，刹车距离也越短。此外，车速越快，刹车距离就会越长。要想保证在紧急情况下不会撞到前车，就要求轮胎有极好的刹车性能。因此，如何提高汽车轮胎的抗湿滑性能，是轮胎工业的一个重要课题。

滚动阻力性能关系到汽车的油耗和环保。在驱动汽车的过程中，由轮胎滚动阻力引起的能量消耗约占燃油能耗的40%。这就意味着，滚动阻力越小的轮胎，越能帮助汽车降低油耗。据统计，轮胎滚动阻力每降低10%，可使燃料消耗降低1%～2%，相当于每年能节约原油6.4万吨。

强耐磨性能则直接影响轮胎的使用寿命。如果轮胎耐磨性能不好，不仅会使轮胎的使用寿命降低，还会造成巨大的资源浪费。我国每年产生的轮胎损耗，相当于消耗了近64万吨原油。此外，轮胎磨损产生的微粒约占空气中总颗粒物的2.5%。减少轮胎磨损，也是为大气质量作贡献。

对于消费者而言，如果轮胎在这3个方面都有绝佳的表现当然是最好的。但是，这对于轮胎研发人员而言，却是难以跨越的大山。因为这3种性能之间呈现出一种难以调和的矛盾关系。一般来说，一款轮胎的滚动阻力越小、耐磨性越好，那它的抗湿滑性能就越差。这就是轮胎行业所说的“魔鬼三角”。

要使滚动阻力、抗湿滑性能以及耐磨性能同时得到提高非常困难。这是因为纯橡胶的强度很低，必须加入大量的填料，来提高橡胶的强度和耐磨性。而在轮胎滚动时，胎面会产生周期性的形变。在这个过程中，胎面橡胶中的填料与填料的摩擦、填料与橡胶分子链的摩擦以及橡胶分子链之间的摩擦，会导致橡胶内部的热量急剧增加，从而导致轮胎的滚动阻力增加。此外，橡胶材料经填料增强后，由于填料的模量和硬度都高于橡胶，这就会使轮胎与路面的接触面积减小，使抗湿滑性能下降。

新材料带来新突破

但人们总是希望有一条完美的轮胎。为此，研究人员也开发了多种新材料，来平衡轮胎的各种性能。

研究表明，溶聚丁苯橡胶具有高弹性、低生热及小滚阻等特点，但其拉伸强度、抗湿滑性和耐磨性低于乳聚丁苯橡胶。壳牌与邓禄普联合研制出了新型溶聚丁苯橡胶。这种新型胶料的抗湿滑性能得到改善，滚动阻力减小，使得轮胎具有良好的滚动阻力、抗湿滑性和耐磨性。

稀土顺丁橡胶是除溶聚丁苯橡胶之外的另一种高性能绿色橡胶品种，被公认为当今性能最好的橡胶品种之一。稀土顺丁橡胶可以减少轮胎滞后损失和内生热，从而降低滚动阻力，并提高耐磨性能和抗湿滑性能，改善胎面冠部胶老化崩花掉块、胎侧胶老化龟裂等现象，提升轮胎的耐久性能和高速性能。而且，这种材料可与天然橡胶、丁苯橡胶等并用，受到了轮胎行业的青睐。

集成橡胶是苯乙烯-异戊二烯-丁二烯通过活性阴离子聚合得到的三元共聚弹性体，其分子链上集成了天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶的结构单元。因此，集成橡胶集合了各种胎面用橡胶的优点，能够满足胎面胶对强度、耐磨、弹性、抗湿滑性、滚动阻力、生热性的要求，是一种很有发展前途的轮胎胎面材料。目前，集成橡胶已被用于生产高性能轿车子午线轮胎。

溶聚丁苯橡胶

纳米技术降低滚动阻力

炭黑是使用时间最长、研究最为广泛的橡胶补强填料。目前，普通炭黑补强轮胎呈现出滚动阻力偏大、抗湿滑性能比较差等特点。白炭黑可显著降低轮胎的滚动阻力，增强轮胎的抗撕裂、抗切割和耐湿滑性能，但会降低轮胎的耐磨性，且加工性差、静电性能较差。

针对这种情况，研究人员对炭黑与白炭黑进行了改性。如通过高温处理，让炭黑纳米化，或者通过物理吸附、氧化处理、等离子处理、表面有机小分子改性和聚合物接枝改性等，提升炭黑性能。

原位改性分散技术可让白炭黑在橡胶基体中达到优异分散，还可以通过偶联剂减少白炭黑在橡胶中的界面滑移，从而减少填料与填料间、填料与橡胶间的摩擦，降低轮胎内部的生热，从而减少轮胎滚动阻力。

研究人员还开发了炭硅双相填料。经炭硅双相填料填充的硫化胶滞后性减弱，同时还能够保持甚至提高其耐磨性。

与此同时，新型纳米粒子、碳纳米管和石墨烯因其自身具有极高的模量，优异的导电、导热特性，在对橡胶起增强作用的同时，还能赋予橡胶导电和导热性能。北京化工大学和北京首创轮胎公司合作，利用碳纳米管填充生产的高性能绿色轮胎，其滚动阻力达到了欧盟标签法B级水平。此外，北京化工大学和华南理工大学、玲珑轮胎股份有限公司合作，制造出的世界第一条石墨烯橡胶纳米复合材料绿色轮胎，其滚动阻力水平已能接近A级。

白炭黑

制备方法不断升级

除了材料技术的不断升级外，轮胎制备技术的升级也是研发的重中之重。研究人员更是开发出了轮胎3D打印技术，通过3D打印来制备新型轮胎。

轮胎3D打印主要应用了熔融沉积和选择性激光烧结技术。熔融沉积法主要是针对高分子材料(如聚氨酯等)，通过微细喷嘴将高分子材料挤喷出来，并层层堆积成型。选择性激光烧结工艺借助计算机辅助制造(CAM)技术，可对高分子材料及金属进行成型，其采用分层制造叠加原理，将粉末加热至熔融状态后直接成型，不受形状复杂程度的限制，也不需要模具。

目前，北京化工大学与山东玲珑轮胎股份有限公司联合开发的3D打印聚氨酯轮胎成功面世，成为国内首条标准规格的3D打印轮胎。随着3D打印材料和技术的不断进步，相信未来的轮胎会更好地平衡轮胎的“魔鬼三角”。（阎浩）

（更多内容请订阅《中国化工报》，邮发代号1-44，或下载中国化工报客户端）