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第三部分子午线轮胎用骨架材料子午线轮胎以其优异的性能在全世界范围内得到了迅速发展。发达国家20世纪90年代实现了子午化，又向无内胎化、扁平化、高速化和环保化等方向发展。轮胎子午化率的提高和子午线轮胎的性能、结构不断改进与更新，则要求轮胎帘线的数量、品种、规格不断增加和应用技术性能也日趋提高。本章主要内容：子午线轮胎用骨架材料的发展概况和基本性能要求以及骨架材料的分类与性能特点。第一节骨架材料的性能要求一、基本性能要求二、子午线轮胎对骨架材料性能要求的特点第二节骨架材料的发展概况第一节骨架材料的性能要求一、基本性能要求(1)强度高、模量高（特别是小变形时或称为初始模量要高），在高温下模量保持率也要高。(2)生热低、耐热性能好。由于轮胎在行驶过程中的橡胶和骨架材料均会产生滞后损失而生成热量，因此要求骨架材料的滞后损失小、生热低，并有良好的耐热性及良好的耐湿热性。而且在湿热、干热下不易降解。(3)耐疲劳性能好。轮胎行驶时，骨架材料往往受到周期性的拉伸、压缩、弯曲等变形，因此耐疲劳性能要好。(4)尺寸稳定性好。在常温和升温时的尺寸稳定性要好，加负荷时的伸长率要小，蠕变要小。在轮胎加工过程中不热收缩，在使用过程中不膨胀。(5)对橡胶的黏合性能好。黏合性能不仅是静态的抽出力和剥离力、覆胶率要高，而且在动态下的黏合力也要高。同时还要求在高温下和老化后的黏合力保持率比较高。(6)相对密度小。有利于轮胎的轻量化，降低滚动阻力，节省燃料。(7)耐腐蚀性和化学稳定性好。不产生胺解、水解或因其他化学作用而降低帘线强度。(8)价格低廉，节约成本。二、子午线轮胎对骨架材料性能要求的特点由于子午线轮胎结构的特殊性，使胎体帘线受力与带束层帘线受力情况不同，因此对帘线性能的要求，也有所不同的侧重面，这样有利于发挥各种不同骨架材料的优异性能。1、胎体帘线的性能要求2、带束层帘线的性能要求轿车和轻载子午线轮胎向单层胎体方向发展；同时，由于高速度级和高性能轿车与轻载子午线轮胎的日益发展对帘线的强度、尺寸稳定性和滞后生热等性能的要求更加严苛。目前世界各国都在不断改进帘线性能和生产技术，开发新型产品，优化帘线使用性能，以适应轮胎技术的发展需要。1．胎体帘线的性能要求子午线轮胎胎体帘线与胎面中心线呈90°角排列，胎体由一条几乎不能伸张的环形带束层箍紧，使轮胎在使用中外径几乎不变，但胎侧变形比斜交轮胎大25%～30%，但胎侧刚度低10%～30%.子午线轮胎在行驶中胎体帘线会受到比斜交轮胎更大的拉伸压缩和弯曲等极为复杂的作用力。胎体的主要作用是使轮胎保持原有设计的尺寸形状，并赋予轮胎优良的舒适性和牵引性。根据子午线轮胎胎体帘线受力的特点，要求胎体帘线着重具有下列几方面的性能。①高强度、高模量，高温下的模量也要高，这是子午胎胎体帘线的基本要求。②高尺寸稳定性，低收缩率，小蠕变，这是高性能轮胎和高速轮胎的重要性能要求。③低滞后损失、低生热性、高耐疲劳性，保证胎体的耐久性和轮胎的高使用寿命。表3-1帘线性能与轮胎使用性能的关系轮胎性能帘线性能耐机械损伤耐久性操纵性滚动阻力均匀性外观质量成本强度、韧性、耐疲劳性滞后生热性尺寸稳定性滞后生热型尺寸稳定性尺寸稳定性强度、尺寸稳定性、耐疲劳性2.带束层帘线的性能要求带束层是子午线轮胎的主要受力部件，带束层的刚性对轮胎使用性能有很大的影响，而帘线性能又直接影响带束层的刚性。子午线轮胎的带束层帘线几乎呈周向排列，其长度基本上保持不变。帘线性能的重点要求如下。(1)高强力、高模量、伸长变形要很小。因带束层帘线承受拉伸、弯曲等主要应力，同时起着箍紧胎体的作用，使轮胎的外直径几乎不胀大。(2)与橡胶的黏合性能好。这对多层结构的带束层性能极为重要，特别是钢丝帘线与橡胶的黏合水平，会直接影响到子午线轮胎的使用性能和寿命。(3)耐疲劳性能好。子午胎的带束层承受较大的应力，而且是周期性地承受拉伸、弯曲、剪切等变形，因此对帘线要求有较好的耐疲劳性能。(4)耐锈蚀和化学腐蚀性能好。子午线轮胎的带束层材料，无论是轿车胎还是载重胎多数采用钢丝帘线，而钢丝帘线的腐蚀危险性会直接影响到轮胎的使用寿命。因此，必须提高耐锈蚀和化学腐蚀性。第二节骨架材料的发展概况轮胎向子午化、无内胎化、扁平化方向发展，要求轮胎帘线数量、规格、品种和应用技术不断更新发展。有关骨架材料的发展，将分为纤维帘线和钢丝帘线两部分来作介绍。一、纤维帘线的发展历程1．国外纤维骨架材料的发展2．国内纤维骨架材料的发展3．新型纤维材料的开发研究二、钢丝帘线的发展历程1．国外钢丝帘线生产与应用情况2．国内钢丝帘线生产与应用情况3．钢丝帘线的发展趋势与新品种开发一、纤维帘线的发展历程1．国外纤维骨架材料的发展自帆布作为做充气轮胎的骨架材料起，纤维骨架材料经历了棉纤维、人造丝、尼龙、维尼纶、玻璃纤维、聚酯和芳纶的发展历程。世界范围而言，当前轮胎行业在用的仍然是这些纤维材料。1995～2000年期间，聚酯增加5万吨左右，增长率为4.1%；尼龙增长9万吨左右，增长率为3.2%；而人造丝相对下降。表3-2世界轮胎帘线消耗量单位：kt美国制造轮胎用纤维目前已基本上采用HMLS聚酯作为轿车和轻型载重子午线轮胎的骨架材料。轿车轮胎，甚至还有某些轻型载重轮胎中用单层子午线胎体结构代替了两层子午线胎体结构。由于尼龙存在平点问题，因此轿车原配胎仍采用人造丝。进一步改进了织物处理和轮胎的耐冲击性能，使聚酯迅速在原配轮胎中取代了人造丝。由于聚酯减少了平点问题，因此普通聚酯在替换轮胎中代替了尼龙。美国轮胎子午化落后于欧洲，20世纪80年代美国Honey-Well公司（原AlliedSignal公司）开发出尺寸稳定型聚酯(DSP)，另外1980年HoechstCelanese公司推出了高模量低收缩聚酯(HMLS)。解决了长期困扰子午线轮胎制造生产单层胎体帘布接头处引起胎侧凹陷问题。HMLS(或DSP)聚酯具有提高轮胎均匀性和省去硫化后充气工艺提高轮胎产量等优点，已逐步取代了普通聚酯。西欧和日本历史上纤维的使用情况与美国有很大差异。西欧由于子午线结构的轮胎使用比美国早得多，因此尼龙从未取代人造丝。图3-1欧洲共同体国家轮胎用纤维的应用情况及历史1所有纤维；2-人造丝；3-普通聚酯；4-HMLS聚酯尽管因某些用途需要而使用了普通聚酯，但是它决不会完全取代人造丝，因为其尺寸稳定性明显不如人造丝，所以使用性能无法与之抗争。因此在欧洲高速和高性能原配轿车子午线轮胎的胎体仍然采用人造丝帘线。目前，HMLS聚酯纤维正在逐渐成为西欧选用的骨架材料。这是因为最现代的HMLS聚酯与人造丝相比，已获得了性能/成本比的优势，而且有足够的生产能力来保证这种替换产品。虽然某些高性能轿车子午线轮胎仍使用人造丝，但是HMLS聚酯将在大多数轿车和轻型载重车子午线轮胎中迅速取代它，而且在几年内其用量已超过人造丝。日本:尼龙是轮胎用的主要纤维，但是，随着轿车和轻型载重子午线轮胎的发展，HMLS聚酯的用量稳步增长。尼龙和聚酯的用量都在增加。尼龙主要用于中型和重型载重斜交轮胎；聚酯特别是HMLS聚酯正迅速成为轿车和轻型载重子午线轮胎的骨架材料。在世界范围当前轮胎制造业使用的主要纤维骨架材料有3种，即人造丝、尼龙和聚酯。现状：人造丝：使用地区集中，用量相对稳定；聚酯：子午胎生产量的增长和欧洲根据轮胎性能级别部分使用而呈现低速稳定增长的势态；尼龙:使用量则逐年下滑但速度很平缓。从绝对数量看，尼龙仍然是全球轮胎业使用量最大的纤维骨架材料。按地区分布看，聚酯已在世界上每一个生产子午线轮胎的地区被使用，重点是美国、日本和欧洲，尼龙在发展中国家仍然有很大的使用量，主要集中在非洲和远东。从技术角度来看，目前可用作轮胎骨架材料的高性能合成纤维有芳纶和PEN纤维，但两者使用量有限。到2000年，芳纶的年消耗量只有150余吨；PEN纤维更少，只有意大利倍耐力公司开始用这种纤维的帘布生产摩托车和赛车用高性能轮胎。障碍是价格因素。2.国内纤维骨架材料的发展1982年上海正泰从前西德密茨勒公司引进了轿车子午胎的成套装备与技术。轮胎的骨架材料是人造丝帘线，帘线全部依靠进口。20世纪80年代末90年代初又引进了费尔斯通、倍耐力的生产技术，产品结构为普通的子午胎。这两家公司的轿车和轻型载重车子午线轮胎骨架材料均用尼龙帘线（改性尼龙66，硫化后无需后充气）。早期轮胎骨架多数采用人造丝帘线。这是因为人造丝具有良好的尺寸稳定性，硫化后无需后充气。另外，它不像尼龙有平点现象。20世纪90年代初国内帘布厂试制出浸胶聚酯帘布，如平顶山神马集团用进口聚酯长丝生产出聚酯帘布，另外，无锡太极公司采用国产聚酯长丝生产出浸胶聚酯帘布。经过多次改进，后来试制出带有弹力纬线（绵纶或涤纶）的酯聚帘布，更好地满足了子午线轮胎生产工艺上的需要。另一方面，国产人造丝环境污染、资源以及价格等问题，逐步停止了生产。到90年代国内自己开发的轿车和轻型载重车子午线轮胎由人造丝帘线转向聚酯帘线。此时生产的帘线为普通聚酯帘线，其收缩率较大，硫化后必须进行后充气。随着HMLS或尺寸稳定型聚酯(DSP)帘线的推广应用，我国在高速低断面“55”和“50”系列轿车子午线轮胎和高速轻型载重子午线轮胎的研制中均采用了新型聚酯帘线。到90年代后期，山东潍坊大龙化纤公司和广东开平涤纶厂都从国外进口DSP工业丝进行帘布加工和浸渍处理；无锡太极公司自行开发了DSP工业丝并生产DSP帘布。目前正在一般系列的轿车和轻型载重车子午线轮胎中推广应用DSP聚酯代替普通聚酯帘线。这将简化生产工艺（无需后充气），减小投资并可实现减层，从而降低成本。根据目前我国纤维帘线工业的发展和轮胎工业的发展看，轿车和轻型载重车子午线轮胎中纤维骨架材料的应用可分为两种类型：①国内自行开发的技术主要采用聚酯帘线，先是普通聚酯帘线，进一步改用新型HMLS或称DSP聚酯帘线；②国外引进的技术估计还会继续选用改性尼龙66帘线作轮胎骨架材料。3．新型纤维材料的开发研究(1)PEN纤维(2)尼龙46纤维(3)聚酰胺单丝(4)复合帘线(5)碳纤维(1)PEN纤维DSP(或HMLS)(聚对苯二甲酸乙二醇酯，即PET),高尺寸稳定性而成为当今最先进的轮胎增强材料之一。PEN聚酯纤维（聚萘二甲酸乙二醇酯）尺寸稳定性比DSP(或HMLS)聚酯纤维要高2倍。倍耐力开始用PEN纤维骨架材料生产了高级赛车用轮胎。PEN是一种性能改进而质量较小的增强材料，因而可减小轮胎质量，降低轮胎滚动阻力，节省燃油率。这种纤维加工成的帘布可用于子午线轮胎任何部位的骨架材料。如果能够替代钢丝，则其优点会更加突出。将来，特别是采用复合胎圈，钢丝圈被替代后会使轮胎粉碎及焚烧变得容易。从而改善轮胎的可回收性，将对环保产生巨大影响。(2)尼龙46纤维荷兰DSM公司开发成功专用于半钢子午线轮胎冠带层的骨架材料—尼龙46纤维。(冠带层虽然是子午线轮胎的小部件，国际上60%的乘用子午线轮胎配置了冠带层。但因其对保持轮胎外形尺寸稳定、提高速度级别、改善乘用和驾驶舒适性都有明显的作用.)尼龙46综合了下列各项性能:尺寸稳定性好、高温模量高、热收缩力大（收缩率低）、随时间延长应力保持率高、蠕变率在所有尼龙纤维中最低、耐热老化性能均高于尼龙6和尼龙66，并且平点倾向性也低，与橡胶的黏合性好。尼龙46在120℃下模量比尼龙66高25%，160℃下收缩率比尼龙66低3%，在预加张力低于6g·dtex-1时，它的应力松弛低于聚酯。(3)聚酰胺单丝基于尼龙66聚合物的高线密度聚酰胺鬃丝（单丝）。这种纤维的横断面呈圆角矩形，其宽高比约为3。扁平形状可以提高柔软性，但降低了弯曲刚度。鬃丝有高模量低收缩、尺寸稳定性好、耐疲劳性能和黏合性能好等优点。这种鬃丝要比普通加捻帘线细得多，因此帘布压延时所需胶料少，覆胶帘布的总厚度与普通加捻帘线