环保型轮胎及对炭黑性能的要求
时间:2005-09-22
安全、环保和节能是21世纪轮胎技术发展的主题。在提高轮胎性能的同时，必须要着力解决安全、环保和节能三个重要问题。目前，在轮胎中，炭黑作为补强填充剂仍占有绝对的统治地位，但同时受到白炭黑强有力的挑战。因此，为满足环保型轮胎发展的需求，炭黑质量必须不断提高，生产工艺必须不断改进，从而与白炭黑一起共同提高轮胎的性能。
一、国内轮胎产量及市场预测
随着国民经济和汽车工业的快速发展，国内轮胎工业近几年的发展较快，1988~2003年轮胎产量（含摩托车轮胎）已经达到2.39亿条，其中子午线轮胎1.03亿条，产量比2003年6900万条有大幅度增长，子午化率也由2003年36.66%提高到43.62%。
预计2005年的轮胎总需求量为2.31亿条，汽车轮胎需求量1.71亿条（轿车轮胎7480万条，轻载轮胎5270万条，载重轮胎4370万条），其中子午线轮胎约1.29亿条（轿车轮胎7480万条，轻载轮胎3190万条，载重轮胎2230万条），届时我国轮胎子午化率将达到55.8%。
2010年的汽车轮胎总需求量预测为2.40亿条（轿车轮胎1.26亿条，轻载轮胎6125万条，载重轮胎5255万条），其中子午线轮胎2.06亿条（轿车轮胎1.26亿条，轻载轮胎4330万条，载重轮胎3710万条）。
二、环保型轮胎及其性能要求
1.环保型轮胎
目前“环保型轮胎”的提法越来越普遍，但还没有一个明确的定义，从广义上理解，凡是比目前常用轮胎更有利于环保的轮胎就可以称之为环保型轮胎。
（1）节能
在汽车行驶过程中，能量被各种阻力所消耗，其中约20%的汽油被轮胎滚动阻力所消耗，因此，能够降低轮胎的滚动阻力即可降低能耗（每减少3%~5%的滚动阻力就能节约1%的燃油消耗）。同时降低油耗还意味着降低污染物的排放，这是一举两得的好事。
此外，如果在轮胎的生产过程中实现了能耗的显著降低，则此轮胎也应可称为环保型轮胎。
（2）降噪
轮胎行驶噪声是汽车行驶中重要的外部噪声，对周边环境的影响比较大，对汽车本身的舒适性也有明显影响，因此环保型轮胎有必要在降低噪声上做些工作。
（3）不直接或间接污染环境
采用环保型材料是减少环境污染的有效措施。在生产过程中采用非污染型的、无毒无害的原材料和助剂有助于改善工人工作环境，同时避免使用在生产或使用过程中会导致污染的原材料也是间接有利于环保的。
现在有的轮胎因为在原材料中使用了再生胶，称为环保型轮胎，从广义上说也未尝不可。
（4）生产工艺过程的环保
目前国际上先进轮胎制造技术发展很快，这些技术的特点除了可以更精确和高效的完成轮胎制造外，还有一个显著特点就是更加环保。采用先进生产技术的能耗比传统工艺下降30%~50%，其措施可能有采用低温连续混炼工艺、微波硫化工艺等。这种生产技术和工艺的开发也是我国未来一段时期要重点从事的工作。
（5）对路面和环境无害的轮胎
目前国外已开发出无需镶钉和防滑链的冬用轮胎，它可以明显减小轮胎对路面的破坏和降低噪声，也是十分有利于环保的。
除此之外，还有其它许多有利于环保的措施，如可翻新性、可降解性等等，范围很广，因此环保型轮胎并不应仅仅形成一个概念，而要化为一种思想，是轮胎设计和生产中要始终坚持的一个原则。
尽管如此，我们在讨论环保型轮胎这个问题时，还是希望进一步明确其含义或将广义的理解具体化，从而突出重点，在工作中更加有的放矢。为此我们列出目前市场上较典型的三大类环保型轮胎：①可以减少燃料消耗、降低废气排放量，达到节省能源和防止大气污染目的的“绿色”轮胎；②具有良好的高速性、制动性、安全性和舒适性，同时又能防止振动和减少噪声的高性能和超高性能轮胎；③取代镶钉或挂链的轮胎，从而防止路面遭到破坏以及避免扬尘和噪声的非镶钉冬用或全天侯轮胎。
通过对以上几种环保型轮胎的性能分析可知，环保型轮胎与炭黑有关的主要技术指标应当是更小的滚动阻力、更小的滞后损失、更低的噪声和更优的抗湿性能。
2．环保型轮胎的发展趋势
目前全世界范围内环保型轮胎的发展很快。
高性能轮胎2003年的销售量是1997年的2.44倍，是2000年的1.43倍，达到1815万条，这期间的年均增长率约为15%。今后5年内，高性能轮胎销量仍将持续增长，但增长速度将有所下降，趋于平稳。
冬季轮胎全球需求量约7800万条，消费主要集中在欧、美、日等发达国家。
“绿色”轮胎是环保型轮胎中的主流产品，自1990年米其林公司率先推出后，已为全球市场所广泛接受，并成为一个划时代产品。目前许多公司都拥有自己的“绿色”轮胎产品，其市场占有率也不断增长。可以确信，未来市场上的“绿色”轮胎必然会越来越多，这毕竟已成为公认的发展方向。
三．目前轮胎中炭黑的使用情况
有关各种炭黑的用量许多文献中均有报道，此处不再赘述。现以全钢载重子午线轮胎为例，简要说明一下轮胎各胶料中炭黑的使用情况。在胶料配方中使用何种炭黑，主要取决于该胶料的性能要求。现分述如下：
1．胎面胶
要求：耐磨、抗撕裂、强度高（通常高于20Mpa）、滚动阻力小、滞后损失小。所用炭黑有N115、N121、N220、N234。有的配方使用部分白炭黑。
2．带束层胶
要求：与钢丝粘合性能好、可渗透到钢丝内部，定伸应力大（16~19Mpa）、强度高、硫化速度快。所用炭黑有N375、N326、N330。
3．胎体胶
要求：粘合性好、动态耐疲劳、滞后损失小、抗撕裂性能高、定伸强度大、未硫化胶挺性好。所用炭黑有N375、N326、N330。
4．胎圈钢丝覆盖胶
要求：粘合性好、硬度高、定伸应力大、强度和伸长率要求不高。所用炭黑有N660。
5．胎侧胶
要求：动态性能好、耐屈挠性好、定伸应力低、流动性好、耐老化性能特别好、半成品自粘性好。所用炭黑的N375、N330、N660。
四．轮胎胶料对炭黑的要求
随着轮胎性能要求、设计水平和生产工艺的不断进步，对于各种原材料和配合剂的要求也越来越高，对炭黑的要求也不例外。在设计原则要求尽可能少地采用炭黑品种的条件下，一条轮胎中所用到的炭黑仍达到六七种，一个轮胎生产中所用到的炭黑品种多达十余种。这就要求我国的炭黑生产企业要开发和生产更多品种规格的产品，以满足轮胎生产企业的需要。
除了品种不全外，我国炭黑产品存在的另一个问题就是产品质量稳定性差，也就是说，同一个规格各批次炭黑的性能有较大差异。这种现象对于轮胎生产的影响实在太大了，胶料性能的微小变化都有可能导致整批轮胎出现严重的质量问题，特别是由于炭黑的用量较大，对胶料性能的影响也较大。
五．新品种炭黑的开发与应用
汽车性能的发展对轮胎提出的要求太高了，轮胎生产企业也不遗余力地争取制造出性能更卓越的轮胎。在这一过程中，轮胎生产企业对原材料生产企业也寄予厚望，希望他们能够提供性能更加卓越的产品，使得轮胎设计上具有更大的空间。
实际上，炭黑生产企业也确实做得非常优秀，甚至于比轮胎企业要求的还要多。例如卡博特公司的Vulcan系列、Ecoblack系列、炭黑/白炭黑双相填料、掺硅炭黑或多相炭黑；德固萨公司的EB系列Inversion Black；哥伦比亚公司的CD系列；大陆碳公司的LH系列低滞后炭黑；炭黑工业研究设计院的Z系列低滞后炭黑。这些新品种炭黑的优异性能也为轮胎性能的提高作出了很大的贡献。
在环保型轮胎配合技术方面有了许多新的进展。我们知道，米其林公司的“绿色”轮胎采用的是白炭黑和硅烷偶联剂配合技术，这是轮胎胶料配合技术的一个重大进展。除此之外，还有一些能与白炭黑竞争的填料，如炭黑一白炭黑双相填料和新的纳米结构炭黑。与此同时，还有人研究了无白炭黑的低滚动阻力和高湿路面抓着力的胶面胶料，它是通过采用一种反应性混炼技术，即在传统炭黑填料和典型乳聚SBR/BR共混胶的第一段混炼时加入少量硫黄给予体实现的。
另外，卡博持公司的连续液相混炼工艺生产NR/炭黑混炼胶也为我们开辟了新的思路。
但是有一点还应注意到，尽管炭黑生产企业已开发出一系列的新品种炭黑，但是国内企业真正将其用于实际生产的还不算太多。其中一个重要的问题是应用研究与生产技术的结合不够紧密。国外知名炭黑企业在应用研究方面做得工作还比较多，但国内企业就相对少一些，更重要的一点是，应用研究的成果必须要与轮胎生产企业的生产技术结合起来，才有可能进入实际应用的阶段。
