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发表于 2020-11-30 16:34:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
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应对新能源汽车发展规划轮胎胎面配方应用新材料
来源:期刊-《橡塑技术与装备》;作者:宋二华,张宁,蒋延华,李海艳
(山东丰源轮胎制造股份有限公司)
摘要:新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)(征求意见稿)已于2019年12月发布,明确提出了提高技术创新能力,其中在深化“三纵三横”研发布局中提出“突破整车智能能量管理控制、轻量化、低滚阻等共性节能技术”,这就对作为车辆重要组成部分的轮胎提出了新的挑战和要求。本文通过对新能源汽车的市场情况、动力特点、轮胎设计的特殊要求等方面进行解读,从轮胎胎面配方设计的角度对橡胶组分、填料组分、偶联剂和加工助剂等方面进行系统剖析,明确原材料应用思路,供配方设计者参考。
关键词:新能源汽车;轮胎;滚动阻力;溶聚丁苯橡胶;白炭黑;偶联剂
自国务院发布《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》并实施以来,我国坚持纯电驱动战略取向,新能源汽车产业在我国发展取得了举世瞩目的成就,已成为引领世界汽车产业转型的重要力量[1]。为推动新能源汽车产业高质量发展,加速汽车与能源、交通、信息通信等领域的高度融合,加快建设汽车强国,国家发展改革委于2019年12月制定并发布了《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿)。新能源汽车融汇新能源、新材料、大数据和人工智能等多种变革性技术,将带动能源、交通、信息通信基础设施改造跃升,促进能源消费结构优化、交通体系和城市运行智能化水平提升。而且新能源汽车在给人们的出行带来便利的同时,能源消耗和大气环境污染大大降低,是加快催生新能源技术革命、推动汽车产业转型的重要突破口,对建设清洁美丽世界、构建人类命运共同体具有重要意义[2]。

<span]自国务院发布《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》并实施以来,我国坚持纯电驱动战略取向,新能源汽车产业在我国发展取得了举世瞩目的成就,已成为引领世界汽车产业转型的重要力量[1]。为推动新能源汽车产业高质量发展,加速汽车与能源、交通、信息通信等领域的高度融合,加快建设汽车强国,国家发展改革委于2019年12月制定并发布了《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿)。新能源汽车融汇新能源、新材料、大数据和人工智能等多种变革性技术,将带动能源、交通、信息通信基础设施改造跃升,促进能源消费结构优化、交通体系和城市运行智能化水平提升。而且新能源汽车在给人们的出行带来便利的同时,能源消耗和大气环境污染大大降低,是加快催生新能源技术革命、推动汽车产业转型的重要突破口,对建设清洁美丽世界、构建人类命运共同体具有重要意义[2]。
<span]我国有关新能源汽车的相关政策与推广力度均走在了世界前列。在政府与企业的共同努力下,我国新能源汽车行业近几年取得了爆发式增长[3~4]。2019年1~12月,新能源汽车产销分别为124.2万辆和120.6万辆,产销同比下降2.3%和4.0%,分别占汽车产销总量的4.8%和4.7%。其中,纯电动汽车产销分别为102.0万辆和97.2万辆,产量同比增长3.4%,销量同比下降1.2%;插电式混合动力汽车产销分别为22万辆和23.2万辆,同比分别下降22.5%和14.5%;燃料电池汽车产销分别为2 833辆和2 737辆,比上年同期分别增长85.5%和79.2%。
截至2019年底,全国新能源汽车保有量达381万辆,占汽车总量的1.46%,与2018年底相比,增加120万辆,增长46.05%。新能源汽车增量连续两年超过100万辆,呈快速增长趋势。综上看来新能源汽车占据市场的速度有目共睹,国家在2019年大力提产节能环保的作用下,得到了企业与消费者的欣然接受与大力支持。根据《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿),到2025年新能源汽车市场竞争力明显提高,关键技术取得重大突破,新能源汽车新车销量占比达到25%左右。

<span]截至2019年底,全国新能源汽车保有量达381万辆,占汽车总量的1.46%,与2018年底相比,增加120万辆,增长46.05%。新能源汽车增量连续两年超过100万辆,呈快速增长趋势。综上看来新能源汽车占据市场的速度有目共睹,国家在2019年大力提产节能环保的作用下,得到了企业与消费者的欣然接受与大力支持。根据《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿),到2025年新能源汽车市场竞争力明显提高,关键技术取得重大突破,新能源汽车新车销量占比达到25%左右。
<span]2014年国务院办公厅《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》中明确指出新能源汽车重点发展方向有三个,分别是纯电动汽车、插电式(含增程式)混合动力汽车和燃料电池汽车。其中纯电动汽车是指以车载动力电池为动力,用电动机驱动车轮行驶;混合动力汽车是通过燃料消耗和可再充电能储存装置联合来提供动力;燃料电池汽车是通过燃料电池的化学反应产生电能从而驱动汽车[5]。
综上所述,与传统燃油汽车相比,新能源汽车不再仅仅依靠内燃机动力输出作为汽车的动力来源,而是以电动机输出为主或者是其完全替代内燃机输出作为动力来源。电动机输出较内燃机输出具有以下特点:
<span]综上所述,与传统燃油汽车相比,新能源汽车不再仅仅依靠内燃机动力输出作为汽车的动力来源,而是以电动机输出为主或者是其完全替代内燃机输出作为动力来源。电动机输出较内燃机输出具有以下特点:
<span](1) 电动机转化能量效率比内燃机输出高,电动机的输出扭矩较内燃机更大,对应新能源汽车起步更快[6];
(2)](2)](3) 新能源汽车是利用携带的电池提供能量,但电池容量容易受到限制,同时电池的重量也是不可忽视的,因此新能源汽车配套零部件必须满足续航里程长等特点。

2
新能源汽车对轮胎性能的要求
由于新能源汽车与传统汽车在动力来源、运行工况等方面存在不小的差异,因此新能源汽车的轮胎设计需要从表1所述的几个方面进行考虑和平衡。

表1]由于新能源汽车与传统汽车在动力来源、运行工况等方面存在不小的差异,因此新能源汽车的轮胎设计需要从表1所述的几个方面进行考虑和平衡。
表1](1)超低滚动阻力
新能源汽车的设计初衷就是节约能源,因此超低滚动阻力是新能源汽车轮胎的首要要求。电池技术发展的滞后使得电动汽车的充电容量受限,单次充电续航里程短,同时车辆电池重量的增加也会影响续航里程。为了减少电池的电力消耗,延长续航里程,电动汽车轮胎要求具有更低的滚动阻力。
<span]新能源汽车的设计初衷就是节约能源,因此超低滚动阻力是新能源汽车轮胎的首要要求。电池技术发展的滞后使得电动汽车的充电容量受限,单次充电续航里程短,同时车辆电池重量的增加也会影响续航里程。为了减少电池的电力消耗,延长续航里程,电动汽车轮胎要求具有更低的滚动阻力。
<span](2)高负荷
新能源汽车(尤其是纯电动汽车)都会有蓄电装置,汽车的整车质量在一般情况下要比同尺寸的燃油汽车大,因此电动汽车对轮胎负荷能力提出了更高的要求。
<span]新能源汽车(尤其是纯电动汽车)都会有蓄电装置,汽车的整车质量在一般情况下要比同尺寸的燃油汽车大,因此电动汽车对轮胎负荷能力提出了更高的要求。
<span](3)轻量化
由于新能源汽车增加了电池质量,这就要求新能源汽车在整车设计的时候进行轻量化的设计。轮胎作为车辆的不可或缺的一部分,其轻量化设计是必然要求,这就需要采用高性能、轻质材料来实现,因此对轮胎新材料的应用研究提出了更高要求。
<span]由于新能源汽车增加了电池质量,这就要求新能源汽车在整车设计的时候进行轻量化的设计。轮胎作为车辆的不可或缺的一部分,其轻量化设计是必然要求,这就需要采用高性能、轻质材料来实现,因此对轮胎新材料的应用研究提出了更高要求。
<span](4)高耐磨和高抓地性能
新能源汽车电动机初始扭矩大,车辆提速快,需要轮胎具有更好的抓地性能,避免轮胎打滑,同时需要提高耐磨性能,保障行驶安全。这就要求新能源汽车轮胎具有非常好的抓地性能和耐磨性能。由于负荷的增加,这也要求轮胎具有非常好的耐磨性能。
<span]新能源汽车电动机初始扭矩大,车辆提速快,需要轮胎具有更好的抓地性能,避免轮胎打滑,同时需要提高耐磨性能,保障行驶安全。这就要求新能源汽车轮胎具有非常好的抓地性能和耐磨性能。由于负荷的增加,这也要求轮胎具有非常好的耐磨性能。
<span](5)低噪声
新能源汽车没有发动机带来的噪声,比常规内燃机汽车更安静,轮胎噪声的大小就会格外引人关注,新能源汽车的发展也对轮胎噪声的控制提出了更严格的要求。
<span]新能源汽车没有发动机带来的噪声,比常规内燃机汽车更安静,轮胎噪声的大小就会格外引人关注,新能源汽车的发展也对轮胎噪声的控制提出了更严格的要求。
<span]综上所述,设计并生产一款好的新能源汽车轮胎,其性能需要具有非常低的滚动阻力和噪声、较佳的抓着和耐磨性能。由于以上的许多性能之间是相互制约对立的,这就给轮胎制造企业在轮胎结构设计和原材料选择方面提出了新的挑战和更高的要求。

3
新能源汽车胎面配方设计
轮胎胎面在整个轮胎中占据着非常重要的地位,它决定着轮胎的滚动阻力、抓着性能和耐磨性能等。其中轮胎接近50%的滚动阻力来源于胎面,轮胎的胎面也是车辆与地面的唯一接触部位,轮胎的行驶里程和寿命也通常通过胎面的磨损情况来判断。在轮胎胎面配方设计的过程中,原材料的选择和用量对胎面的性能具有至关重要的作用,本文通过橡胶组分、填料组分、偶联剂和加工助剂等方面详细讲述了各种原材料的选取标准和设计原理,以期对新能源汽车轮胎胎面配方设计者具有参考作用。

<span]轮胎胎面在整个轮胎中占据着非常重要的地位,它决定着轮胎的滚动阻力、抓着性能和耐磨性能等。其中轮胎接近50%的滚动阻力来源于胎面,轮胎的胎面也是车辆与地面的唯一接触部位,轮胎的行驶里程和寿命也通常通过胎面的磨损情况来判断。在轮胎胎面配方设计的过程中,原材料的选择和用量对胎面的性能具有至关重要的作用,本文通过橡胶组分、填料组分、偶联剂和加工助剂等方面详细讲述了各种原材料的选取标准和设计原理,以期对新能源汽车轮胎胎面配方设计者具有参考作用。
<span]轮胎胎面的滚动阻力、抓着性能和耐磨性能都是由能量耗散决定的,只不过是作用频率不同,其中滚动阻力的作用频率为10~100 Hz,抓着性能的作用频率是102~106 Hz[7]。通过研究橡胶能量耗散的作用机理和影响因素,可以针对不同的设计要求进行轮胎配方的设计和原材料的选取。
橡胶材料作为一种黏弹性材料,在受到周期性的外力作用时,将会出现应变明显滞后应力的现象,这一现象称为滞后现象。滞后现象的发生是由于橡胶烃分子链的链段在运动时受到内摩擦的作用,当外力变化时,链段的运动跟不上外力的变化,所以形变落后于应力有一个相位差(δ)。相位差δ越大说明链段运动越困难,越跟不上外力的变化。形变的变化落后于应力的变化,发生滞后现象,则每一循环变化中就要消耗功,称为滞后损失。损失的功一是用于改变分子链段的构象;二是用于提供链段运动克服链段间内摩擦所需要的能量,它转化为热量。内摩擦阻力越大,滞后现象越严重,消耗的<typo]橡胶材料作为一种黏弹性材料,在受到周期性的外力作用时,将会出现应变明显滞后应力的现象,这一现象称为滞后现象。滞后现象的发生是由于橡胶烃分子链的链段在运动时受到内摩擦的作用,当外力变化时,链段的运动跟不上外力的变化,所以形变落后于应力有一个相位差(δ)。相位差δ越大说明链段运动越困难,越跟不上外力的变化。形变的变化落后于应力的变化,发生滞后现象,则每一循环变化中就要消耗功,称为滞后损失。损失的功一是用于改变分子链段的构象;二是用于提供链段运动克服链段间内摩擦所需要的能量,它转化为热量。内摩擦阻力越大,滞后现象越严重,消耗的<typo]配方组分中关系到滞后损失的因素有:橡胶-橡胶之间的相互作用;橡胶-填料之间的相互作用;填料-填料之间的相互作用。通过橡胶、填料和各种添加剂的选择可以改善相互作用,从而达到降低滚动阻力、提高抓地性能和改善耐磨性能等效果。

3.2.1]3.2.1]滚动阻力和抓地性能的作用频率不同,通过橡胶的选择可以达到这两方面的平衡,比如选用溶聚丁苯橡胶就可以得到低频低滞后、高频高滞后的性能[9]。橡胶的分子量及其分布、玻璃化转变温度、末端效应等都是影响滞后损失的决定性因素。对于溶聚丁苯橡胶,可通过分子设计控制其化学组成和微观结构,使其具有较窄的相对分子质量分布和较大的相对分子质量,以及通过末端或分子链改性技术,能够较好的解决轮胎滚动阻力、抗湿滑性能和耐磨性能的矛盾[10]。
邵红琪等[11]研究了三种不同改性方式的溶聚丁苯橡胶对白炭黑分散效果及复合材料动态和静态力学性能的影响。结果表明,分子主链改性的溶聚丁苯橡胶(HPR850和LRE-100)可以明显减弱复合材料中填料的Payne效应,延长了小形变的线性平台,改善填料在橡胶基体中的分散,从而可以有效降低复合材料在动态形变下的生热,即形变扫描的tanδ明显降低。改性橡胶HPR850和LRE-100的玻璃化转变温度Tg都较普通溶聚丁苯橡胶RC2557S高,同时可以发现LRE-100曲线的峰值有了明显的增大,这样导致了其在0]邵红琪等[11]研究了三种不同改性方式的溶聚丁苯橡胶对白炭黑分散效果及复合材料动态和静态力学性能的影响。结果表明,分子主链改性的溶聚丁苯橡胶(HPR850和LRE-100)可以明显减弱复合材料中填料的Payne效应,延长了小形变的线性平台,改善填料在橡胶基体中的分散,从而可以有效降低复合材料在动态形变下的生热,即形变扫描的tanδ明显降低。改性橡胶HPR850和LRE-100的玻璃化转变温度Tg都较普通溶聚丁苯橡胶RC2557S高,同时可以发现LRE-100曲线的峰值有了明显的增大,这样导致了其在0]为了平衡抓着性能、耐磨性能和滚动阻力,胎面胶的Tg一般设计在-15℃到-20℃之间,通常需要多种橡胶的并用来实现,并用橡胶为溶聚丁苯橡胶、顺丁橡胶和天然橡胶[12]。其中顺丁橡胶具有最佳的耐磨性能,而天然橡胶可以平衡耐磨性能和加工性能。由于新能源汽车的性能要求,填料的添加量一般都是偏少的,这就对加工性能产生了影响,故在配方设计过程中更多的采用溶聚丁苯橡胶和天然橡胶进行并用,这样可以保证胶料的加工性能和轮胎热硫化后的抗撕裂性能,同时滚动阻力也会维持在需要的范围内。
橡胶分子量越大和分子量分布越窄都有利于滚动阻力和耐磨性能的改善,这主要是由于分子链末端效应的减弱。但是小分子链数量的减少会对加工性能产生不利的影响,导致门尼黏度的急剧升高,从而不利于混炼和压出性能。这就需要适度调整橡胶分子量或在配方设计过程中添加加工助剂。

<span]橡胶分子量越大和分子量分布越窄都有利于滚动阻力和耐磨性能的改善,这主要是由于分子链末端效应的减弱。但是小分子链数量的减少会对加工性能产生不利的影响,导致门尼黏度的急剧升高,从而不利于混炼和压出性能。这就需要适度调整橡胶分子量或在配方设计过程中添加加工助剂。

<span]炭黑填充的硫化胶具有较高的物理机械性能,即赋予轮胎良好的耐磨性,从而提高轮胎的使用寿命,但与此同时,炭黑填充胶料的滞后性和生热也明显提高,所以一般不同程度地增加了轮胎的滚动阻力损失。白炭黑作为一种可以很好平衡轮胎耐磨、滚动阻力和湿滑的填料,已经成为了乘用车轮胎的主要填料[13]。另外一些改性后的无机填料,如纳米黏土、蒙脱土[14]、氢氧化铝、干灰[15]、氧化铝[16]、LDH[17]和钛白粉,也可以应用于轮胎胎面配方中来平衡滚动阻力和抓着性能。影响轮胎性能的主要因素有填料种类、用量、填料粒径、结构度、聚集体尺寸分布、表面活性和分散性等[18]。
轮胎厂中使用的白炭黑主要是比表面积为115]轮胎厂中使用的白炭黑主要是比表面积为115]随着白炭黑用量的增加,胎面胶的滚动阻力逐渐升高,同时抓着性能会改善,所以在新能源汽车轮胎胎面配方中白炭黑的用量需要控制在较低的用量,一般为50~60份。白炭黑用量的减少将会引起门尼黏度升高、热撕裂变差和轮胎花纹崩花等一系列的问题,这就需要进行配方的优化调整,比如添加其他无机填料来代替白炭黑、添加少量的抗撕裂树脂和添加抗撕裂改性剂等。在100份r 改性溶聚丁苯橡胶(SOL5251H或NS616)和60份 SIL165MP的新能源汽车胎面配方中添加2.5份抗撕裂改性剂TR-01后硫化胶的抗张积(拉伸强度乘以扯断伸长率)、单缺口撕裂强度和耐切割性能都有了明显的提升(如图3)。


图3 抗撕裂改性剂TR-01对抗张积和耐切割影响

炭黑的密度为1.8]炭黑的密度为1.8]白炭黑表面富含硅羟基,其表面性质与SSBR相差较大,这导致白炭黑很难在橡胶基体中获得良好的分散。为了解决这一问题,国内外学者做了大量的工作,包括白炭黑的表面改性技术[20]和偶联剂技术,其中最成功的方法是硅烷偶联剂的使用[21]。通过偶联剂的使用,白炭黑填充胶料的耐磨性能和生热性能都有了明显的改善,更加推动了白炭黑在轮胎领域的应用。目前轮胎厂使用最多的是Si69(TESPT)[22]和Si75(TESPD)两种偶联剂,同时还有一些高性能偶联剂 如Si747[23]、NXT[24]和Si363等,其 中NXT在 改善白炭黑分散的情况下还能够保持较佳的加工性能,是新能源汽车轮胎配方设计的一个好的选择。
王丹灵[25]等人研究了OTES/TESPT和OTES/Si747的复合偶联剂对SSBR/BR/白炭黑复合材料性能的影响,结果表明,在TESPT和Si747配方中添加了OTES后,由于OTES只参与白炭黑的反应而与橡胶不发生反应,因此可以改善白炭黑的分散性,减少聚集,Payne效应明显减弱。

<span]王丹灵[25]等人研究了OTES/TESPT和OTES/Si747的复合偶联剂对SSBR/BR/白炭黑复合材料性能的影响,结果表明,在TESPT和Si747配方中添加了OTES后,由于OTES只参与白炭黑的反应而与橡胶不发生反应,因此可以改善白炭黑的分散性,减少聚集,Payne效应明显减弱。

<span]白炭黑作为一种应用广泛的补强填料,由于其表面特性存在着难以均匀分散、易团聚的问题[26]。因此,选用合适的表面改性技术改善白炭黑的补强效果也是橡胶工业的一大重要问题[27]。白炭黑分散剂的主要作用是改善胶料的加工性能,在偶联剂用量很小的情况下能有效减小填料-填料之间的相互作用,显著降低混炼胶的门尼黏度,使白炭黑快速混入,提高混炼效率,改善白炭黑在胶料中的分散程度和分散均匀性,且胶料的物理性能和加工性能及成品的成型性能良好[28]。加工助剂主要有以下几种:脂肪酸及其衍生物、表面活性剂类、低分子量聚合物、氟化类和甲基丙烯酸锌盐等。但是小分子助剂存在喷霜逸出等问题,近年来很多研究工作者开发出一系列反应性加工助剂,其可以参与橡胶交联反应,能够防止逸出,提高白炭黑分散性。
4
结语
伴随着国际能源的日渐短缺和人们对环保问题的重视,新能源汽车必将在未来成为主流趋势,因此设计并生产符合新能源汽车要求的轮胎已经是各大轮胎厂的硬性指标。在橡胶组分方面要优先选择改性溶聚丁苯橡胶,这样可以达到滚动阻力和抓地性能的平衡;填料方面还是以白炭黑为主,同时选用合适的无机填料进行并用;偶联剂方面可以选用NXT来达到较低的滚动阻力,同时平衡了加工性能;另外一些提高抗撕裂、降低门尼黏度的助剂也是在配方设计时需要考虑的。



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