新型聚氨酯胎面-复合橡胶轮胎技术进展

中国是世界橡胶工业的大国，橡胶消耗量连续9年为世界第一，2010年耗胶645万吨，同比增长9.7%，占全世界总消耗量的1/4强。2010年我国橡胶工业总产值6059亿元，同比增长26.9%。轮胎总产量4.2亿条，连续6年保持世界第一，子午化率接近85%。其他主要橡胶产品如管带、摩托胎、自行车胎、胶鞋等均保持世界第一。

随着全球低碳经济的兴起，“绿色制造”已经成为中国橡胶工业可持续发展的重要战略方针之一。加大产品结构调整大力发展安全、节能、环保的原材料，发展新兴产品是“绿色制造”的基础。

2010年我国天然橡胶价格达到历史最高水平，严重影响了轮胎企业的效益，开发新型橡胶材料产业，摆脱天然橡胶资源的短缺造成的影响，成为我国橡胶工业发展的重要措施之一。

1. 推动通用型新型橡胶产业发展

1.1 天然橡胶的现状及发展

天然胶是橡胶工业主要的原材料，根据国际橡胶研究组织预测，2010年全球橡胶消耗量2370万吨，天然橡胶产量将达到1020万吨。天然橡胶主要生长在赤道附近南、北回归线之间南北纬15度以内，中国的地理位置几乎都在北纬15度以北，1949年中国天然橡胶产量仅200吨，1952年政府号召大面积种植天然橡胶，创造了北纬18-24度大面积种植天然胶的奇迹，这项技术获得国家科技进步及技术发明一等奖。但毕竟受到自然条件的限制，我国天然胶的产量不太可能超过80万吨，2009年达到历年最高水平为63万吨，而当年需求为270万吨，75%以上需要进口。

杜仲橡胶是目前世界上除三叶天然橡胶之外唯一具有开发前景的天然橡胶资源，目前我国杜仲的种植面积约35万公顷，占世界杜仲种植面积99%。根据我国的地理位置，适宜种植杜仲的面积约有1000万公顷以上，发展潜力巨大。

杜仲橡胶的化学结构式是反式聚异戊二烯，常温下分子有序排列，有很好的记忆特性，与顺式结构的天然橡胶有所不同。并用杜仲橡胶的复合材料，在耐磨性、耐湿滑性、减震、降低滚动阻力等方面都有良好的特性，可谓是补充天然橡胶的重要绿色化途径之一。

经过几十年的科研开发，杜仲橡胶的提炼技术取得重大进展，目前实现杜仲胶产业化的瓶颈仍然是加工提取成本高。实际上杜仲资源优势不仅仅是橡胶，杜仲树浑身是宝，它在医药、记忆材料、保健品和杜仲添加剂方面均有良好的应用前景，加上杜仲树的生长周期短，三年既可成材，它的种植对国家退耕还林，生态保护也有重大的意义。

2010年，中国橡胶工业协会已发出关于成立“推动杜仲产业化联盟”的倡议，将全力推动杜仲产业链的前端种植、提取和终端的综合利用，使其形成“战略性新兴产业’。

有报导指出，蒲公英也是含橡胶的植物，近年来，德国科学家发明了从蒲公英中提炼天然橡胶的技术，蒲公英的生长周期短，生存条件不苛刻，可望成为天然橡胶的来源之一。

1.2 开发合成橡胶新品种，扩大合成胶应用

中国合成橡胶起步于1958年，目前合成胶的生产能力已达320万吨，建成了七种合成胶为主体的完整工业体系，SBR、BR市场占有率已达70-80%。2010年产量230万吨。占总体需求量的63%。多年来，我国天然橡胶与合成橡胶的使用比例一直保持在55﹕45左右，且由于全钢载重子午胎及部分大型工程机械轮胎的天然胶用量高，天然橡胶的应用比例居高不下。

合成异戊橡胶是替代天然胶的最佳材料。早在上世纪七十年代，我国已开发了稀土为催化体系的异戊橡胶，但苦于碳五资源不足，始终未形成产业化。随着碳五分离技术的成熟，异戊橡胶合成取得重要进展，“十一五”期间国家科技部组织国家科技支撑计划开发异戊橡胶，在吉化公司取得重要产业化成果。国家轮胎工艺控制工程技术中心也组织力量在山东青岛伊科思公司开车成功，已进行批量生产，将建成年产5万吨生产规模，并逐步扩大。异戊橡胶的产业化必将为我国轮胎工业提供优良的合成胶新品种，逐步缓解天然胶资源的不足。此外，合成反式异戊橡胶生产技术也已成熟，产业化装置已在山东建成。

集成橡胶SIBR是以苯乙烯（St）、异戊二烯（IP）和丁二烯（Bd）为单体，以烷基锂为催化剂聚合而成的三元共聚物。具有优异的物理机械性能和动态力学性能，是一种理想的新型轮胎胎面用橡胶。集成橡胶的分子链由于有不同结构的链段组成，既有与顺丁胶相似的柔性链段，又有似丁苯胶结构的刚性链段，它们分别为胶料的耐磨性、滚动阻力、耐低温性和耐湿滑行作出了贡献。并可以通过分子设计，合理调整原料构成，制得符合轮胎不同部位性能要求的集成橡胶；如美国固特异公司的(Cyber)产品的三种单体比例为St/Ip/Ba为25/50/25,广泛用于绿色轮胎。

集成橡胶的诞生，使无需机械共混满足共混胶的性能，大大降低了能耗，且由于微观相机构的均一显著提高了胶料的物理机械性能。

中国燕山石化公司开发的集成橡胶，玻璃化转变温度在-70℃左右，门尼粘度为70-90，拉伸强度16-20Mpa，扯断伸长率450-600%，硬度（邵尔）70-90，完全可满足胎面胶料的要求。产品经中橡协材料研究检测中心评价，并在青岛赛轮公司试制了轿车子午线轮胎，证明了各项性能良好，且加工性能满足工艺要求。

集成橡胶SIBR的开发成功是我国合成橡胶工业的重大科技成果，可满足高性能子午线轮胎对低滚动阻力、耐湿滑性能和高耐磨性的综合要求，是对橡胶加工工业节能、减排和绿色发展的重要贡献，发展前景十分广阔。

1.3 液相连续法制造橡胶-炭黑母炼胶

将天然橡胶或合成橡胶在乳胶状态时直接充入炭黑进行共沉，所得产品称为液相连续法制备的橡胶-炭黑母炼胶。这种橡胶可大大缩短加工混炼时间，减少设备占用量，降低混炼生热，且由于这类橡胶炭黑的分散性改善，使胶料性能得到改善，胶料的滞后损失明显下降，耐磨性能提高。并可大幅度降低混炼能耗，使混炼环境的污染大大降低，得到橡胶加工企业的欢迎。美国卡博特公司已生产这类产品，并取得广泛应用。由于该工艺的绿色环保效应，液相连续法制造橡胶-炭黑母炼胶的开发已成为橡胶材料新品开发的热点。

2. 新型聚氨酯-橡胶复合结构轮胎

2.1 聚氨酯（CPUE）弹性体的发展

聚氨酯材料经过70多年的发展，在中国已经形成一个完整的工业体系。其生产总量已跃升为第五大合成材料。2010年产量约136万吨。广泛用于各类橡胶制品如鞋类、减震制品、微孔制品及军工领域。

采用浇注型聚氨酯弹性体制造轮胎是多年来国内外研究的热点；早在1937年法国Bayer博士就开发了CPUE，其目的是取代NR、钢材等战略物质，20世纪60年代美国首先形成了聚氨酯材料的工业体系，日本、英国、奥地利等国相继取得较大进展，20世纪80年代奥地利LIM公司投资数千万美元进行全浇注轮胎的开发，轮胎试验结果表明：与同规格的全钢子午线轮胎相比聚氨酯胎面轮胎的车辆节油9.95%，磨耗降低51%，重量减轻22%，轮胎内生热下降54%，操纵性能满足使用要求。美国固特异公司在70年代对聚氨酯实心轮胎进行了开发研究。美国Amerityre公司在2001年开发成功含增强材料的聚氨酯轮胎，并成功通过了美国联邦机动车辆安全标准NO.109标准测试，轮胎亦具有滚动阻力低45%，负载强度高和生热低的特点。

中国在20世纪80年代，北京橡胶工业研究设计院和华南理工大学等单位开始对聚氨酯轮胎进行探索。九十年代，青岛科技大学曾在国家项目支持下作了大量研究工作，并制备出聚氨酯充气轮胎成品，但尚未产业化。本世纪初，广州华工百川科技股份有限公司在预聚体合成、材料的分子量分布、浇注工艺技术及装备等方面开展了大量研究，并与杭州悍马公司合作试制成功了以聚氨酯材料为胎面与普通橡胶轮胎胎体复合的轮胎。

目前中国迅速成为世界最大的聚氨酯原料和产品的生产和销售地区，国外的化工巨头已在国内进行投资建设，其中巴斯夫公司投资40亿美元在建产能40万吨的MDI一体化工程项目，拜耳公司也将扩大在中国的MDI和HDI的项目建设，我国烟台万华公司计划扩大MDI产能至80万吨，这些原料产业的发展必将为聚氨酯弹性体的发展提供稳定的材料保障。

2.2 新型聚氨酯-橡胶复合结构轮胎生产技术

聚氨酯-橡胶复合结构轮胎是指采用通常以天然橡胶为主的胎体经硫化后，浇注聚氨酯胎面后制成的轮胎。

聚氨酯弹性体分子链由柔性链段与刚性链段镶嵌组成，柔性链段由低聚物多元醇构成，刚性链段由二异氰酸酯与小分子扩链剂的反应物构成。通过分子设计，使化学交联与物理交联保持适宜的平衡，调整合适的交联结构，可使弹性体性能实现优化。

聚氨酯弹性体的主要特征：

1.高的耐磨性；耐磨性能为天然橡胶的3-5倍。2.低的滚动阻力；比普通胎面胶的滚动阻力下降50%左右。3.优良的耐刺扎性能；特别适用于路面条件苛刻的轮胎。4.加工成型方式多样简易；具有浇注型、混炼型等方式。

但由于聚氨酯弹性体分子结构中含有大量极性基因（如脂基、醚基、氨基甲酸酯基、脲基、缩二脲基及脲基甲酸酯基等）分子内力和分子间作用力大，并存在其他妨碍单键自由施转的因素，使得聚氨酯弹性体的应力-应变不能瞬时达到平衡，在交变应力作用下表现为滞后现象，导致聚氨酯弹性体的内生热大、高动态负载下耐疲劳性及屈挠性能较差。针对聚氨酯的上述缺点，近年来，华南理工大华工百川公司的技术人员通过在聚氨酯弹性体的主链或支链上引入其他单元材料，形成互穿网络结构，改善聚氨酯弹性体的性能，满足轮胎胶料的需求。

聚氨酯胎面与橡胶胎体的粘合是这种轮胎制造的关键技术之一，研制单位开发了新型表面处理技术，使橡胶表面产生大量活性基团，促使聚氨酯弹性体与橡胶之间形成化学交联，形成胎面与胎体的整体复合结构。解决了两种弹性的粘合问题。

为使胎面胶料满足低噪音、高耐磨和干湿抓着力的要求，该种轮胎花纹设计和制造工艺均能满足春、夏、秋、冬全天候的要求。

目前采用这种聚氨酯材料作为胎面，用普通橡胶胎体复合结构的轮胎，已在我国建成年产10万条不同类型轮胎的生产线，产品满足国家标准的要求，并在路试中获得理想的结果，40万条/年的生产线已在筹备扩建之中。

2.3 新型聚氨酯-橡胶复合结构轮胎的发展前景

新型聚氨酯-橡胶复合结构轮胎于2005年诞生，目前形成10万条/年的中试规模，大量工作仍然处于研究开发阶段，笔者认为在现阶段这种轮胎的主要使用对象应该是对负载量大，而速度性能要求不太高的一类轮胎，如厂区、港口等区域的叉车轮胎，路面条件苛刻的工程机械轮胎，摩托车胎以及全钢载重子午线轮胎等仅以叉车轮胎为例，目前我国叉车的保有量约100万辆，年销售叉车轮胎约872万条，是一个重要的市场。我国各类工程机械轮胎的产量约为500万条，但由于路面条件的苛刻，胎面的耐扎问题很难得以解决，而聚氨酯胎面恰恰可满足需求，我国全钢载重子午胎产量2010年近亿条，摩托车胎产量1.6亿条，采用聚氨酯作为胎面是完全可行的。用于翻新轮胎更为方便可行。

我国是消耗天然橡胶的大国，2010年消耗量约280万吨，而我国由于地理位置的限制，产品的自给率只有15%左右，低于国家经济安全线的标准，2010年由于多种原因造成我国NR价格暴涨，甚至达到4万元/吨，造成轮胎企业效益大幅下降，不少企业亏损。因此，不断发展可替代NR的新型聚合物是我国橡胶工业的长期战略方针之一。

根据我国橡胶工业的发展规划，我国至“十二五”末橡胶工业需求的天然橡胶将达400万吨左右。采用聚氨酯复合胎面将是替代NR的重要措施之一，且聚氨酯材料行业已经具备了大量生产的条件，在“十二五”期间，加快具有自主知识产权的聚氨酯-橡胶复合结构轮胎的开发和应用，对我国轮胎工业的发展具有重要意义，也是世界轮胎工业的重要创新。