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輪胎是汽車(chē)上最重要的組成部件之一，它的作用主要體現(xiàn)在支持車(chē)輛的全部重量，承受負(fù)荷;傳送牽引和制動(dòng)的扭力，保證車(chē)輪與路面的附著力;減輕和吸收汽車(chē)在行駛時(shí)的震動(dòng)和沖擊力，防止汽車(chē)零部件受到劇烈震動(dòng)和早期損壞。
聚氨酯輪胎的高強(qiáng)度、高承載、高回彈、高耐磨、高抗撕等性能是普通天然橡膠輪胎所不能比擬的。聚氨酯材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)保證了輪胎具有良好的穩(wěn)定性。
1. 國(guó)內(nèi)外廠(chǎng)家爭(zhēng)先研發(fā)車(chē)用聚氨酯輪胎引關(guān)注
從20世紀(jì)50年代起，有不少輪胎制造商注資進(jìn)行這方面的研究。但遺憾的是，聚氨酯輪胎在濕滑抓著性能、使用壽命或性能方面都不盡人意，無(wú)法與傳統(tǒng)的橡膠輪胎媲美。
日前，美國(guó)固特異輪胎橡膠公司與艾美萊泰公司簽定一項(xiàng)合作協(xié)議，旨在共同開(kāi)發(fā)可以替代橡膠輪胎的新型聚氨酯輪胎。艾美萊泰是一家技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，在研制聚氨酯輪胎方面作了不少努力，取得了可喜的成績(jī)，但也為此承受多達(dá)1200萬(wàn)元的財(cái)務(wù)虧損。據(jù)稱(chēng)，該公司已經(jīng)研制出了一種新的膠料，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，用這種膠料生產(chǎn)的聚氨酯輪胎，安全性能和使用性能可達(dá)到或超過(guò)橡膠輪胎。通過(guò)進(jìn)一步的研究，還有望使胎面耐磨性、輪胎的磨損均勻性以及輪胎滾動(dòng)阻力等指標(biāo)獲得進(jìn)一步改善。固特異公司稱(chēng)，真正實(shí)現(xiàn)聚氨酯輪胎的商業(yè)化生產(chǎn)可能還需要幾年的努力，但通過(guò)持續(xù)的開(kāi)發(fā)研究，聚氨酯輪胎的前景無(wú)疑是美好的。
與普通橡膠相比，聚氨酯材料耐磨性好，用聚氨酯材料制造輪胎大多采用澆注工藝，比橡膠輪胎均勻性更好，而且不會(huì)出現(xiàn)胎面剝離現(xiàn)象。但由于聚氨酯材料熔點(diǎn)較低，所以很少用于制造高速輪胎。不過(guò)，最近艾美萊公司已研制出一種特殊的聚氨酯材料，克服了不耐熱的缺點(diǎn)。這種材料由多元醇、二苯甲烷二異氰酸酯等成分組成，艾美萊公司已經(jīng)為這種材料申請(qǐng)了專(zhuān)利，固特異公司已得到艾美萊公司允許，利用上述材料試制新一代聚氨酯輪胎。經(jīng)試驗(yàn)證明，新產(chǎn)品在安全性、均勻性和耐磨性能上均比普通橡膠輪胎好，而且不易產(chǎn)生胎面剝離和爆胎。隨著聚氨酯材料性能以及聚氨酯輪胎生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，大規(guī)模生產(chǎn)聚氨酯輪胎在不久將成為現(xiàn)實(shí)。
不久前，國(guó)內(nèi)首家新型綠色聚氨酯復(fù)合輪胎正式投入生產(chǎn)，這種新型綠色輪胎采用綠色環(huán)保的聚氨酯材料做胎面，對(duì)人體無(wú)毒害作用，又能完全生物降解，還不必添加炭黑和芳烴油，既保持子午線(xiàn)輪胎滾動(dòng)阻力小，安全性，舒適性高的優(yōu)點(diǎn)，又保持聚氨酯彈性體特別耐磨和無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)。這種復(fù)合輪胎，其行駛里程可比普通輪胎提高一至五倍，同時(shí)能消除大量的炭黑和芳烴油對(duì)環(huán)境的污染，大量減少?gòu)U舊輪胎的數(shù)量。
2. 聚氨酯輪胎“綠色”材料脫穎而出
汽車(chē)工業(yè)是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，輪胎工業(yè)發(fā)展總的趨勢(shì)仍然是進(jìn)一步提高子午化、扁平化、無(wú)內(nèi)胎化等。其中，人們對(duì)環(huán)保意識(shí)和節(jié)能意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)烈，隨著國(guó)家限制汽車(chē)燃料消耗的有關(guān)法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)，各種低耗能輪胎———低滾動(dòng)阻力輪胎相繼問(wèn)世。由于這種輪胎的能耗低，對(duì)環(huán)保極為有利，由此便產(chǎn)生綠色輪胎的概念。
在繼續(xù)努力降低滾動(dòng)阻力的同時(shí)，人們開(kāi)始重視使用不污染環(huán)境的材料制造輪胎，而且努力延長(zhǎng)輪胎的行駛里程，以減少?gòu)U舊輪胎的數(shù)量。試驗(yàn)中的整體澆注型聚氨酯輪胎主要材料采用澆注型聚氨酯彈性體，這是目前最耐磨的彈性體，并且對(duì)人體無(wú)毒害，又能完全生物降解，還不必添加炭黑和一些有致癌作用的橡膠配合劑，是制造輪胎胎面的理想材料。將子午胎胎體與聚氨酯胎面組成復(fù)合輪胎，既能保持子午胎滾動(dòng)阻力小，安全性、舒適性高的優(yōu)點(diǎn)，又保持聚氨酯彈性體特別耐磨和無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)。這種復(fù)合輪胎，其行駛里程比普通輪胎提高1～5倍，同時(shí)能消除部分橡膠配合劑對(duì)環(huán)境的污染，大量減少?gòu)U舊輪胎的數(shù)量，其性能也提高了一個(gè)檔次，對(duì)環(huán)境污染降到新的水平，成為新型綠色輪胎。
聚氨酯材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)保證了輪胎具有良好的穩(wěn)定性。由于聚氨酯是一種完全反應(yīng)的聚合物，其分子間都是通過(guò)化學(xué)鍵連接的，從而避免了被氧化或被其他化學(xué)品濾取的可能，從而在理論上延長(zhǎng)了輪胎的壽命。聚氨酯輪胎的生產(chǎn)成本更低。通常，生產(chǎn)橡膠輪胎的過(guò)程很復(fù)雜，往往需要使用昂貴的設(shè)備，如密閉式混煉機(jī)、壓光機(jī)、擠出機(jī)以及平板硫化機(jī)，而且其硫化過(guò)程周期長(zhǎng)達(dá)30～40min。
聚氨酯輪胎的性能好。長(zhǎng)久以來(lái)，通過(guò)原型工藝生產(chǎn)的聚氨酯輪胎在測(cè)試過(guò)程中總是存在著諸如抗?jié)窕?、剎車(chē)時(shí)熔融等方面的問(wèn)題。據(jù)介紹，使用Amerityre公司的配方生產(chǎn)的聚氨酯輪胎完全能夠達(dá)到同橡膠輪胎一樣的所有測(cè)試指標(biāo)，甚至還超過(guò)橡膠輪胎所具有的性能值。
3. 聚氨酯輪胎的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及花紋
全聚氨酯充氣輪胎是由胎體、帶束層和胎面3部分構(gòu)成。部分聚氨酯充氣輪胎有兩種形式:一種是胎體為澆注的聚氨酯，而胎面則為制造普通輪胎用的橡膠;另一種是胎體為子午線(xiàn)胎體，而胎面則是聚氨酯。
聚氨酯充氣輪胎與普通鋼絲子午線(xiàn)輪胎相比具有下列優(yōu)點(diǎn):耗油量平均低10%;胎面磨耗低51%;重量輕30%;滾動(dòng)阻力低35%以上;均勻性更好，且不會(huì)出現(xiàn)胎面剝離現(xiàn)象。
由于聚氨酯含有強(qiáng)極性氨基甲酸酯基團(tuán)，調(diào)節(jié)配方中NCO/OH的比例，可以制得熱固性聚氨酯和熱塑性聚氨酯的不同產(chǎn)物，按其分子結(jié)構(gòu)可分為線(xiàn)型和體型兩種。體型結(jié)構(gòu)中由于交聯(lián)密度不同，可呈現(xiàn)硬質(zhì)、軟質(zhì)或介乎兩者之間的性能，具有高強(qiáng)度、高耐磨和耐溶劑等特點(diǎn)。根據(jù)所用原料的不同，可有不同性質(zhì)的產(chǎn)品，一般為聚酯型和聚醚型兩類(lèi)，可用于制造塑料、橡膠、纖維、硬質(zhì)和軟質(zhì)泡沫塑料、膠粘劑和涂料等。
聚氨酯輪胎胎面包括橡膠體，且胎面上設(shè)有花紋溝，橡膠體上面設(shè)有凹槽，聚氨酯彈性體位于凹槽內(nèi)。胎面冠部磨耗面一部分面積是聚氨酯材料，另一部分為橡膠材料，兩部分材料通過(guò)共交聯(lián)結(jié)合成為一體。聚氨酯部分提高了輪胎胎面的耐磨性，橡膠部分保證了胎面的防滑性和制動(dòng)性，綜合性能優(yōu)于單一的橡膠材料胎面和聚氨酯材料胎面，可通過(guò)復(fù)合擠出或澆注方式再與橡膠胎體共硫化等工藝制成輪胎。
聚氨酯輪胎的胎圈是輪胎安裝在輪輞上的部分，由胎圈芯和胎圈包布組成，起固定輪胎作用。輪胎的規(guī)格以外胎外徑D、胎圈內(nèi)徑或輪輞直徑d、斷面寬B及扁平比(輪胎斷面高H/輪胎斷面寬B)等尺寸加以表示，單位一般為英寸。胎踵是胎圈外側(cè)與輪輞胎圈座圓角著合的部分；胎圈芯是由鋼圈，三角膠條和胎圈芯包布制成的胎圈部分；鋼絲圈是有鍍銅鋼絲纏繞成的剛性環(huán)，是將輪胎固定到輪輞上的主要部件；裝配線(xiàn)是模壓在胎側(cè)與胎圈交接處的單環(huán)或多環(huán)膠棱，通常用以指示輪胎正確裝配在輪輞上的標(biāo)線(xiàn)。
斜交輪胎胎面與胎體之間的膠簾布層或膠層，不延伸到胎圈的中間材料層，用于緩沖外部沖擊力，保護(hù)胎體，增進(jìn)胎面與簾布層之間的粘合。子午線(xiàn)結(jié)構(gòu)輪胎的緩沖層由于其作用不同，一般稱(chēng)為帶束層。子午線(xiàn)輪胎胎面基部下，沒(méi)胎冠中心線(xiàn)圓周方向箍緊胎體的材料層。
4. 聚氨酯微孔彈性體的原材料及合成原理
聚氨酯彈性體是一種既具有塑料的高硬度，又具有橡膠高彈性的高分子合成材料?；趦?yōu)異的力學(xué)性能，有關(guān)廠(chǎng)家從20世紀(jì)60年代開(kāi)始就進(jìn)行了聚氨酯彈性體在輪胎中的應(yīng)用研究。特別是澆注型聚氨酯彈性體是目前最耐磨的彈性體，具有可著色、高耐切割性、吸振、減震、負(fù)重容量非常大以及優(yōu)良的耐油及耐化學(xué)品等優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)人體無(wú)毒害作用，又能完全生物降解，還不必添加炭黑和芳烴油，是制造輪胎胎面的理想材料。聚氨酯輪胎采用澆注工藝制造，其結(jié)構(gòu)和目前生產(chǎn)的輪胎有很大區(qū)別。
合成微孔彈性體的原材料包括多元醇、二異氰酸酯、擴(kuò)鏈劑、催化劑、發(fā)泡劑、勻泡劑及其它添加劑。多元醇有聚酯多元醇和聚醚多元醇等;其它助劑包括阻燃劑、抗氧劑和著色劑等。
聚氨酯微孔彈性體的合成要?dú)v經(jīng)下列反應(yīng):一是聚氨酯大分子的生成(鏈增長(zhǎng))：多官能度(尤以二官能度為主)的異氰酸酯和聚酯或聚醚醇發(fā)生聚加成反應(yīng)生成聚氨酯大分子，通過(guò)控制NCO/OH摩爾比，使生成的聚氨酯大分子兩個(gè)末端均為異氰酸酯基團(tuán)；二是起泡：通過(guò)向反應(yīng)體系中添加水，借助水與聚氨酯大分子的異氰酸酯基反應(yīng)，產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)怏w，達(dá)到起泡的目的。也可以通過(guò)添加低沸點(diǎn)鹵代烴，使之受熱氣化，達(dá)到起泡的目的。三是膠凝：膠凝又稱(chēng)交聯(lián)固化，它在制備發(fā)泡制品中是非常重要的反應(yīng)，膠凝過(guò)早或過(guò)晚都將導(dǎo)致微孔制品質(zhì)量下降，甚至造成廢品。
聚氨酯微孔彈性體實(shí)心輪胎有非增強(qiáng)型和增強(qiáng)型兩種，前者為輕載型(如自行車(chē)輪胎等)，后者為重載型(如叉車(chē)輪胎、電動(dòng)車(chē)輪胎和拖拉機(jī)輪胎等)。非增強(qiáng)型僅由微孔彈性體構(gòu)成，增強(qiáng)型由彈性體、增強(qiáng)材料和鋼絲圈構(gòu)成。聚氨酯微孔彈性體實(shí)心輪胎的彈性體部分，根據(jù)各部位的作用及結(jié)構(gòu)不同可分為胎面、胎側(cè)和胎芯幾部分。聚氨酯微孔彈性體實(shí)心輪胎的胎面，是一層密度與無(wú)孔聚氨酯彈性體十分接近的微孔彈性體層，其作用和傳統(tǒng)輪胎胎面完全相同，只是它的耐磨性、耐切割性、抗撕裂性更佳，其厚度由輪胎規(guī)格、膠料配方、輪胎模具及離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度等多方面因素決定。聚氨酯微孔彈性體實(shí)心輪胎的側(cè)面類(lèi)似于傳統(tǒng)輪胎的胎側(cè)，是密度和無(wú)孔聚氨酯彈性體相近的微孔彈性體結(jié)皮層，這一層具有良好的抗形變能力和耐屈撓性，其厚度由輪胎加工工藝、膠料配方?jīng)Q定。聚氨酯微孔彈性體實(shí)心輪胎的胎芯是由自外向內(nèi)密度逐漸減小的微孔聚氨酯材料組成的，這種密度均勻變化的芯部結(jié)構(gòu)，一方面可以保證輪胎具有足夠的負(fù)荷能力，另一方面可以保證輪胎具有良好的動(dòng)態(tài)性能。
聚氨酯微孔彈性體實(shí)心輪胎，雖然無(wú)需充氣，但是僅靠彈性體本身的性能是不能滿(mǎn)足高負(fù)荷輪胎使用要求的，必須進(jìn)行必要的增強(qiáng)。通過(guò)增強(qiáng)，一方面可以保證輪胎長(zhǎng)期使用后外形尺寸不發(fā)生很大變化，另一方面可以使輪胎的強(qiáng)度和承載能力大大提高。增強(qiáng)層分為徑向增強(qiáng)層和周向冠部增強(qiáng)層。徑向增強(qiáng)層可以采用高強(qiáng)度鋼絲，利用一定設(shè)備，繞制成螺旋狀;周向冠部增強(qiáng)層可以采用尼龍簾線(xiàn)、芳綸簾線(xiàn)、聚酯簾線(xiàn)或鋼絲簾線(xiàn)，編織成環(huán)帶結(jié)構(gòu)。為了保證微孔彈性體實(shí)心輪胎和輪輞緊密著合，必須將鋼絲圈埋入輪胎內(nèi)部靠近輪輞的部位，鋼絲圈穿過(guò)并固定于徑向增強(qiáng)層上。鋼絲圈的數(shù)量視輪胎規(guī)格而定，但為了防止使用過(guò)程中車(chē)廂側(cè)壁瞬時(shí)過(guò)載時(shí)輪胎發(fā)生側(cè)滑，鋼絲圈數(shù)量應(yīng)適當(dāng)增加，其斷面形狀可以為方形、圓形或其它形狀。
5. 聚氨酯輪胎的研發(fā)及市場(chǎng)前景
橡膠輪胎在使用過(guò)程中暴露出使用壽命短、耐磨性和抗撕裂強(qiáng)度較差等缺點(diǎn)，尤其是載重汽車(chē)輪胎，因負(fù)重能力有限，經(jīng)常導(dǎo)致爆胎現(xiàn)象的發(fā)生。此外，橡膠輪胎在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多廢料，報(bào)廢后回收再利用難度很大，容易造成環(huán)境污染。與此相反，由于采用低密度的彈性材料，澆注輪胎的設(shè)備投資少，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題相對(duì)較少，輪胎重量可以減輕25%，澆注輪胎的行駛溫度也較低，此外，澆注材料還可重復(fù)利用，可謂一舉多得。
聚氨酯輪胎的研制基于聚氨酯彈性體特殊的耐磨性能及其優(yōu)良的力學(xué)性能，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始就進(jìn)行了聚氨酯彈性體在輪胎中的應(yīng)用研究。特別是在1975年，美國(guó)空軍飛行動(dòng)力試驗(yàn)室曾與Zedron公司合作，對(duì)澆注輪胎和活胎面澆注輪胎在美國(guó)空軍飛機(jī)上使用的可行性進(jìn)行研究。
車(chē)輛行駛時(shí)，輪胎各部分受力較為復(fù)雜：在垂直方向有垂直反力，切線(xiàn)方向有縱向和橫向反力， 使輪胎在這些方向存在整體或局部的相對(duì)滑移，引起胎面磨損及變形;在胎體內(nèi)部產(chǎn)生拉伸、壓縮而引起材料疲勞，從而降低強(qiáng)度;在簾布層之間產(chǎn)生剪應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力超過(guò)簾布層與橡膠層間的吸附力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)簾線(xiàn)松散現(xiàn)象;在輪胎變形中，外胎與內(nèi)胎之間也會(huì)發(fā)生摩擦生熱，一部分熱量散發(fā)在空氣中，另一部分熱量積累起來(lái)，導(dǎo)致輪胎溫度升高、性能下降，使輪胎非正常磨 損增加，引起簾線(xiàn)松散、折斷及胎體破裂等現(xiàn)象。
隨著車(chē)速的提高，胎面與路面間積水來(lái)不及排除便會(huì)在兩面間形成水膜，將輪胎慢慢托起，在一定條件下甚至完全離開(kāi)路面，使汽車(chē)完全喪失操縱性，這種現(xiàn)象被稱(chēng)之為輪胎“滑水現(xiàn)象”。影響滑水臨界速度的因素較多，但其中輪胎花紋型式和深信芭為主要因素之一，經(jīng)常在高速公路上行駛的轎車(chē)，在有條件的情況下，應(yīng)盡量選擇抗滑水輪胎。聚氨酯輪胎花紋的優(yōu)點(diǎn)就是增加胎面與路面間的摩擦力，以防止車(chē)輪打滑，這與鞋底花紋的作用如出一轍。聚氨酯輪胎花紋提高了胎面接地彈性，在胎面和路面間切向力的作用下，花紋塊能產(chǎn)生較大的切向彈性變形.切向力增加，切向變形隨之增大，接觸面的“摩擦作用”也就隨之增強(qiáng)，進(jìn)而抑制了胎面與路面打滑或打滑趨勢(shì)。這在很大程度上消除了無(wú)花紋(光胎面)輪胎易打滑的弊病，使得與輪胎和路面間磨擦性能有關(guān)的汽車(chē)性能--動(dòng)力性、制動(dòng)性、轉(zhuǎn)向操縱性和行駛安全性的正常發(fā)揮有了可靠的保障。聚氨酯輪胎兩個(gè)鋼絲圈采用不同的內(nèi)徑，以保證鋼絲圈底部材料壓縮因數(shù)基本一致，防止鋼絲圈受力不均。胎圈包布采用雙層錦綸網(wǎng)眼布，胎圈底部?jī)A斜角比輪輞傾斜角大1°，以提高胎圈與輪輞配合的緊密程度。輪胎性能要求、環(huán)境問(wèn)題和性?xún)r(jià)比將決定未來(lái)的材料要求。為了面對(duì)巨大的輪胎損耗帶來(lái)的環(huán)境危害問(wèn)題，未來(lái)輪胎橡膠材料的發(fā)展將一方面集中在熱塑性聚合物的開(kāi)發(fā)上，也就是使這些聚合物可以回收，利用熱處理、分離、和通過(guò)輻射或加入添加劑到橡膠化合物（這種橡膠化合物可被輻射激活）等手段使之生物降解。另一方面輪胎集中在有機(jī)聚合物的發(fā)展上。
具有星形支化結(jié)構(gòu)的溶液聚合丁苯橡膠，α-甲基苯乙烯等級(jí)的丁苯橡膠和高苯乙烯含量的乳聚丁苯橡膠正在取代傳統(tǒng)的丁苯橡膠等級(jí)?；阝S催化劑的丁基橡膠，環(huán)氧化的天然橡膠和合成異戊二烯橡膠作為天然橡膠的替代品，用于一般的用途，它們能夠持續(xù)流行使用的原因各不相同。固體橡膠中聚氨酯的使用，加入用茂金屬催化劑“INSITE”催化技術(shù)制成的的改進(jìn)型填料后，三元乙丙橡膠的使用，還有就是越來(lái)越流行將溴丁基取代氯基等等都是其他聚酯方面主要的進(jìn)展，這些進(jìn)展都是為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的性能要求期望。在增韌材料中，制作商感興趣的進(jìn)展有：為改進(jìn)輪胎耐久性的使用的雙二倍體聚酯，為改進(jìn)輪胎中接合性而開(kāi)發(fā)的等離子處理人造絲，更多使用芳香尼龍纖維作為傳帶，還有開(kāi)始使用聚乙烯基萘。其他受關(guān)注的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域有：為改進(jìn)橡膠與金屬的粘合性而新引入的鋼絲尺寸和為改進(jìn)橡膠與金屬的連接性而引入的新的鋼絲涂層配方。在增韌材料里面一個(gè)最大的突破就是納米纖維的開(kāi)發(fā)，納米纖維能夠排列在聚合物網(wǎng)絡(luò)中，這樣聚合物強(qiáng)度大大增加。這可以降低資金設(shè)備的要求還可以解決回收利用的問(wèn)題。像在高分子結(jié)構(gòu)中加入結(jié)晶部分這樣的分子構(gòu)筑，可以增韌柔性的無(wú)定性相，這樣的輪胎中可以不需要加入纖維增韌劑。
6. 結(jié)束語(yǔ)
全球汽車(chē)保有量的增加，輪胎需求量也呈不斷擴(kuò)大之勢(shì)，而通過(guò)橡膠樹(shù)提取天然橡膠的做法很有可能在日后無(wú)法滿(mǎn)足日益增大的輪胎需求量。如何獲取更加寬廣的天然橡膠提取渠道成為日益被重視的問(wèn)題，為了尋找全新的天然橡膠資源，以替代目前在輪胎主要原料中占很大比例、產(chǎn)自橡膠樹(shù)的天然橡膠，不少輪胎企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始著手開(kāi)展相應(yīng)的研發(fā)工作。聚氨酯材料作為新源替代的方向之一，國(guó)內(nèi)外輪胎廠(chǎng)家已經(jīng)都在爭(zhēng)先展開(kāi)研發(fā)工作，相信不久的將來(lái)，汽車(chē)輪胎就將迎來(lái)一個(gè)嶄新的時(shí)代。
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