超低滾動阻力胎面膠配方在電動汽車輪胎中的應(yīng)用

汪 燕，徐 旗，徐文龍，崔雪靜，孫世悅，劉會迎，李崇兵

[浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 榮成 264300]

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，二氧化碳排放量迅速增加，致使生態(tài)環(huán)境日益惡化，環(huán)境保護(hù)問題越來越受到人們的重視，循環(huán)經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主流。在這種背景下，新能源汽車逐步進(jìn)入人們的視野，成為發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的必然選擇和汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢[1]。作為汽車與地面接觸的唯一部件，配套輪胎的開發(fā)是新能源汽車開發(fā)的重要組成部分，起到舉足輕重的作用。電動汽車對輪胎的要求主要包括輕量化、低滾動阻力、低噪聲、高濕地抓著力和高負(fù)荷性能等。電動汽車輪胎需要克服的困難是整個輪胎行業(yè)所面臨的問題，尤其是小型電動汽車配套的小規(guī)格輪胎。輪胎滾動阻力的降低會使電動汽車的行駛里程延長、續(xù)航能力增強(qiáng)，改善電動汽車?yán)m(xù)航能力不足的問題[2-3]。

本工作將新開發(fā)的半鋼子午線輪胎超低滾動阻力胎面膠應(yīng)用于電動汽車用小規(guī)格165/65R15 81H輪胎，以滿足配套主機(jī)廠的要求。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SMR20，馬來西亞進(jìn)口產(chǎn)品；炭黑和高分散性白炭黑，國內(nèi)某廠家產(chǎn)品；改性溶聚丁苯橡膠（SSBR），國外A廠家產(chǎn)品；順丁橡膠（BR），國外B廠家產(chǎn)品；巰基硅烷偶聯(lián)劑，國外C廠家產(chǎn)品。

1.2 配方

改性SSBR/BR 90，NR 10，高分散性白炭黑 58，炭黑 5，白炭黑分散劑 2，巰基硅烷偶聯(lián)劑 5.2，氧化鋅 3，硬脂酸 2，軟化劑（含環(huán)保油等）8.5，防焦劑 0.1，防老劑 4.5，硫黃2，促進(jìn)劑 3.7。

1.3 主要設(shè)備和儀器

GK400型和GK270型密煉機(jī)，益陽橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；XK（S）-160型開煉機(jī)，青島科高橡塑機(jī)械技術(shù)裝備有限公司產(chǎn)品；V502H-18X型平板硫化機(jī)，美國WASBASH MPI公司產(chǎn)品；UM2050型門尼粘度儀，青島育肯儀器有限公司產(chǎn)品；MDR 3000型無轉(zhuǎn)子硫化儀，德國Montech公司產(chǎn)品；VR-7130型動態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）儀，日本株式會社上島制作所產(chǎn)品；GT-AI7000M型拉力試驗(yàn)機(jī)、GT-7012-D型DIN磨耗機(jī)和GT-7061-NDA型低溫脆性試驗(yàn)機(jī)，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

膠料采用4段混煉工藝。一段混煉在GK400型密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為55 r·min-1，上壓砣壓力為0.4 MPa?；鞜捁に嚍椋杭尤肷z、白炭黑分散劑、硬脂酸、硅烷偶聯(lián)劑→壓壓砣30 s→加入白炭黑，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至45 r·min-1→壓壓砣20 s→注入環(huán)保油，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至35 r·min-1→壓壓砣15 s→提壓砣→壓壓砣至145 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至14 r·min-1→恒溫混煉200 s→排膠。

二段混煉在GK400型密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，上壓砣壓力為0.4 MPa?；鞜捁に嚍椋杭尤胍欢位鞜捘z、炭黑、氧化鋅、防老劑→壓壓砣20 s→提壓砣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至30 r·min-1→壓壓砣20 s→提壓砣→壓壓砣至140 ℃→提壓砣保持10 s→壓壓砣→排膠（155 ℃）。

三段混煉在GK400型密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，上壓砣壓力為0.4 MPa?；鞜捁に嚍椋杭尤攵位鞜捘z→壓壓砣15 s→提壓砣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至30 r·min-1→壓壓砣15 s→提壓砣→壓壓砣至140 ℃→提壓砣保持10 s→壓壓砣→排膠（155 ℃）。

終煉在GK270型密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20 r·min-1，上壓砣壓力為0.4 MPa。混煉工藝為：加入三段混煉膠、硫黃、促進(jìn)劑和防焦劑→壓壓砣40 s→提壓砣保持5 s→壓壓砣40 s→提壓砣保持5 s→壓壓砣→排膠（100 ℃）。

1.5 性能測試

膠料各項(xiàng)性能均按照相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性

低滾動阻力胎面膠和生產(chǎn)胎面膠的硫化特性見表1。

表1 低滾動阻力胎面膠和生產(chǎn)胎面膠的硫化特性

從表1可以看出，低滾動阻力胎面膠的焦燒時間滿足生產(chǎn)需求，門尼粘度略大，硫化速度與生產(chǎn)胎面膠相當(dāng)。

2.2 物理性能

低滾動阻力胎面膠和生產(chǎn)胎面膠的物理性能見表2。

表2 低滾動阻力胎面膠和生產(chǎn)胎面膠的物理性能

從表2可以看出：與生產(chǎn)胎面膠相比，低滾動阻力胎面膠的硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度相當(dāng)，耐磨性能及室溫和60 ℃下的彈性明顯提升，總體物理性能均符合預(yù)期。

2.3 動態(tài)性能

低滾動阻力胎面膠和生產(chǎn)胎面膠的動態(tài)性能見表3，DMA溫度掃描曲線見圖1。研究表明：膠料0 ℃下的損耗因子（tanδ）越大，其抗?jié)窕阅茉胶茫瑵窕笖?shù)越高，安全性能越高；60 ℃下的tanδ越小，滾動阻力越低，節(jié)油效果越好[4-5]。

從表3和圖1可以看出，低滾動阻力胎面膠0℃下的tanδ大于生產(chǎn)胎面膠，60 ℃下的tanδ小于生產(chǎn)胎面膠，表明其抗?jié)窕阅芨纳?，滾動阻力降低。這可能與低滾動阻力胎面膠采用巰基硅烷偶聯(lián)劑和改性SSBR有關(guān)，兩者改善了白炭黑在膠料中的分散，降低了白炭黑顆粒團(tuán)聚的可能性，同時減少了聚合物網(wǎng)絡(luò)中的自由鏈端數(shù)量[6-7]，在保證濕地安全性能的基礎(chǔ)上有效降低了輪胎的滾動阻力。

圖1 低滾動阻力胎面膠和生產(chǎn)胎面膠的DMA溫度掃描曲線

表3 低滾動阻力胎面膠和生產(chǎn)胎面膠的動態(tài)性能

2.4 低溫性能

為驗(yàn)證低滾動阻力胎面膠的低溫使用性能，進(jìn)行了低溫脆性測試（見圖2）。結(jié)果表明，低滾動阻力胎面膠和生產(chǎn)胎面膠的脆性溫度（5個試樣無破壞時的最低溫度）范圍均為－40～－35 ℃，表明低滾動阻力胎面膠在低于－35 ℃環(huán)境下使用無問題，低溫使用性能與生產(chǎn)胎面膠相當(dāng)。

圖2 膠料低溫脆性測試

2.5 成品性能

2.5.1 室內(nèi)測試性能

采用低滾動阻力胎面膠生產(chǎn)165/65R15 81H電動汽車輪胎，按照GB/T 4502—2016《轎車輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》進(jìn)行成品輪胎性能測試。

高速性能測試結(jié)果表明，輪胎通過250 km·h-1×7 min和270 km·h-1×2 min階段，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（通過210 km·h-1×10 min階段）。耐久性能測試結(jié)果表明，輪胎累計行駛38.5 h未損壞，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。強(qiáng)度性能測試結(jié)果表明，輪胎最小破壞能為334 J，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（＞295 J）。輪胎脫圈阻力為10 476 N，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（＞8 898 N）。

此外，氣密性測試結(jié)果表明，輪胎每月漏氣率為2%，滿足主機(jī)廠要求（每月漏氣率小于3%）；電阻抗測試結(jié)果表明，輪胎的電阻抗為3.7×108Ω，滿足主機(jī)廠要求（小于1×109Ω）。

2.5.2 輪胎標(biāo)簽等級

按照R117法規(guī)對采用低滾動阻力胎面膠的165/65R15 81H電動汽車輪胎進(jìn)行輪胎標(biāo)簽等級測試，結(jié)果見表4。

表4 成品輪胎標(biāo)簽等級測試結(jié)果

從表4可以看出，采用低滾動阻力胎面膠的165/65R15 81H電動汽車輪胎的滾動阻力系數(shù)為6.2 N·kN-1，滿足主機(jī)廠對該規(guī)格輪胎滾動阻力A級的要求（不大于6.5 N·kN-1）。

2.5.3 實(shí)車耐磨性能

將低滾動阻力胎面膠用于生產(chǎn)175/55R16 80H電動汽車輪胎，將其裝在適配電動汽車上進(jìn)行實(shí)車耐磨性能測試，在每次里程約為5 000 km時測量1次輪胎外側(cè)、中心、內(nèi)側(cè)的花紋溝深度并進(jìn)行換位，累計測試7次，總里程為35 170 km，不同輪位的輪胎花紋深度、磨耗量和預(yù)測里程見表5。

從表5可以看出，采用低滾動阻力胎面膠的175/55R16 80H電動汽車輪胎在試驗(yàn)路況和負(fù)荷下，預(yù)測里程為65 270 km，滿足主機(jī)廠要求（里程不短于50 000 km）。175/55R16 80H電動汽車輪胎在行駛35 170 km后，輪胎外觀無明顯異常。

表5 不同輪位的輪胎花紋深度、磨耗量和預(yù)測里程

3 結(jié)論

新開發(fā)的低滾動阻力胎面膠使用了巰基硅烷偶聯(lián)劑和改性SSBR，試驗(yàn)研究其在電動汽車輪胎中的應(yīng)用效果。結(jié)果表明：與生產(chǎn)胎面膠相比，超低滾動阻力胎面膠的硫化特性相當(dāng)，彈性和耐磨性能提高，其他物理性能相差不大，抗?jié)窕阅芨纳?，滾動阻力降低，低溫使用性能相當(dāng)；采用超低滾動阻力胎面膠的電動汽車輪胎的高速性能、耐久性能、強(qiáng)度性能、脫圈阻力均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，氣密性能和電阻抗?jié)M足主機(jī)廠要求；輪胎滾動阻力、通過噪聲和抗?jié)窕笖?shù)分別達(dá)到R117法規(guī)的A，Ⅱ和C級。