CN101403154A - 轮胎帘线增强材料 - Google Patents

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CN101403154A CNA2008101681599A CN200810168159A CN101403154A CN 101403154 A CN101403154 A CN 101403154A CN A2008101681599 A CNA2008101681599 A CN A2008101681599A CN 200810168159 A CN200810168159 A CN 200810168159A CN 101403154 A CN101403154 A CN 101403154A
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Abstract

本发明涉及轮胎帘线增强材料。公开了一种适合用作飞机轮胎中的增强材料的复合缆线。该缆线由芳族聚酰胺纱线和尼龙纱线拧合在一起形成，其中芳族聚酰胺纱线具有约220－约3300分特的线密度，尼龙纱线具有约220－约2100分特的线密度。

Description

轮胎帘线增强材料
本申请要求2007年10月5日提交的美国临时申请No.60/977,682的权益，并将其作为参考文献并入本文。
技术领域
[001]本发明涉及拧合(cabled)在一起成为股以形成帘线(cord)的多种不同单独纺织纱线的复合材料。本发明特别涉及包含这种经拧合的纺织纱线的帘线增强材料的充气轮胎(pneumatic tire)，甚至更特别地涉及重载轮胎如飞机轮胎(aircraft tires)。
背景技术
[002]与其它应用如轿车轮胎或重型装备轮胎相比，飞机轮胎经受极端苛刻的运行条件。这归因于飞机轮胎的高速度和重载荷。飞机轮胎一般很重以便在苛刻的运行条件下能够经受住极端载荷。希望减轻飞机的总重以提高性能和功能。因此，需要能够用于极端运行环境的减重轮胎。
[003]斜交飞机轮胎的承载构件或胎体(carcass)增强材料通常包括纺织帘线的多角度帘布层(multiple angled plies)，典型地为约10或更多，其被锚固在各胎圈中。减轻轮胎重量的一种方法是使用更强的轮胎增强材料。常规的斜交飞机轮胎使用由长聚酰胺链组成的聚酰胺6或聚酰胺6/6纤维(尼龙6、尼龙6/6)制造。尼龙的特性能够提供多种线密度(lineardensities)以满足给定的轮胎需求。尼龙具有能够转化为抗疲劳性的优良延展性，由于轮胎循环形变的量这在飞机应用中是必需的。
[004]另一类型的增强材料是芳族聚酰胺纤维。芳族聚酰胺增强材料由与尼龙类似的长聚酰胺链组成。芳族聚酰胺纤维与尼龙相比具有非常高的强度，但本质上具有较差的延展性。尼龙与芳族聚酰胺相比具有优越的耐久性能(施加循环拉伸-压缩载荷)。
[005]飞机轮胎的现代趋势是使用由两种或更多种材料如尼龙或芳族聚酰胺制造的经合并、混合或复合的增强帘线。混合轮胎帘线大大扩展了可获得的轮胎帘线性能的范围。然而，设计由复合帘线制造的飞机轮胎并满足以下所有苛刻的设计要求非常困难：高强度、耐久性、耐受热载荷的能力和延展性。此外，由于设计的复杂性飞机斜交轮胎非常难于模塑。更进一步地，为了满足强度要求，通常以轮胎变得更重而告终。因此，需要能够满足高速度、高载荷和具有减轻的重量的改进的飞机轮胎。
概念
[006]所公开的发明适用以下概念。
[007]“芳族聚酰胺”和“芳香聚酰胺”是人造纤维，其中形成纤维的物质通常被认为是长链合成芳香聚酰胺，其中至少85％的酰胺键直接与两个芳环相连。芳族聚酰胺或芳香聚酰胺的代表是聚(对苯二甲酰对苯二胺)。
[008]“三角胶(apex)”指位置为径向地在胎圈芯之上和在帘布层与反包帘布层之间的弹性填料(elastomeric filler)。
[009]文中使用“轴向的”和“轴向地”指与轮胎的旋转轴平行的线或方向。
[010]“胎圈(bead)”指包括环状拉伸构件的轮胎部分，其被帘布层帘线缠绕并成型，具有或不具有其它增强元件如钢丝圈包布(flippers)、chippers、三角胶、toe guards和胎圈包布(chafers)，以配合设计轮缘(designrim)。
[011]“斜交轮胎”(交叉帘布层)指其中胎体帘布层中的增强帘线相对于轮胎赤道面以约25°-65°角从胎圈到胎圈斜向延伸穿过轮胎的轮胎。如果存在多层帘布层，在交替的层中帘布层帘线以相反的角度延伸。
[012]“缆线”指通过将两股或更多股股纱(plied yarns)捻合在一起形成的帘线。
[013]“胎体”指除带束结构(belt structure)、胎面、胎面底层(undertread)和帘布层之上的侧壁橡胶之外的轮胎结构，但包括胎圈。
[014]“胎圈包布”指环绕胎圈外测放置的窄材料条，以防止帘线帘布层接触轮缘，在轮缘上分配挠曲性，并密封轮胎。
[015]“chippers”指位于轮胎的胎圈部分中的增强结构。
[016]“周向(circumferential)”指沿着环状轮胎表面的周界延伸、与赤道面(EP)平行并与轴向方向垂直的线或方向。
[017]“帘线”指轮胎的帘布层包含的增强线之一。
[018]“帘线角(cord angle)”指轮胎平面图中左边或右边的锐角，由帘线相对于赤道面形成。“帘线角”在经固化的但未充气的轮胎中测量。
[019]“旦”指每9000米的重量克数(用于表示线密度的单位)。
[020]“分特(dtex)”指每10,000米的重量克数。
[021]“弹性体”指能够在形变后恢复尺寸和形状的回弹材料。
[022]“赤道面(EP)”指与轮胎的旋转轴垂直并通过其胎面中心的面。
[023]“织物”指基本上单向延伸的帘线的网络，所述帘线可以是加捻的并且其由高模量材料的许多多股长丝(其也可以是加捻的)组成。
[024]“纤维”是形成长丝的基本元件的天然或人造的物质单元，特征在于具有其直径或宽度的至少100倍的长度。
[025]“长丝支数”指组成纱线的长丝的数量。例子：1000旦聚酯具有约190根长丝。
[026]“钢丝圈包布”指缠绕胎圈芯的增强的织物。
[027]“坯布(greige)”指未整理的(unfinished)帘线或织物。
[028]“内”指朝向轮胎的内部，“外”指朝向其外部。
[029]“内衬层(innerliner)”指形成无内胎轮胎的内表面和在轮胎中包含膨胀流体(inflating fluid)的弹性体或其它材料的一个层或多个层。
[030]“LASE”是在特定伸长下的载荷。
[031]“横向”指轴向方向。
[032]“捻距”指加捻的长丝或线环绕另一长丝或线行进实现360°旋转的距离。
[033]尼龙理解为是脂肪族聚酰胺6.6、6或4.6。
[034]“帘布层”在轮胎语境中指经橡胶涂覆的平行帘线的连续层，并且在纱线或帘线语境中也指加捻的纱线，当在本文中使用时其意义取决于上下文。
[035]“聚酯”指由二醇和二元羧酸缩聚合成的任意聚合物。
[036]“径向的”和“径向地”用于指放射状地朝向或离开轮胎的旋转轴的方向。
[037]“子午线轮胎”指带束化的或圆周受限的充气轮胎，其中从胎圈延伸到胎圈的帘布层帘线以相对于轮胎的赤道面成65°-90°的帘线角排布。
[038]“断面高度(section height，SH)”指在其赤道面从轮胎的公称轮缘直径的径向距离。
[039]“侧壁”指轮胎的胎面和胎圈之间的部分。
[040]“韧性”是以未发生应变的试样的每单位线密度的力表示的应力(克/特或克/旦)。
[041]“拉伸强度”是以力/横截面积表示的应力。强度(psi)＝12,800×比重×韧性(克/旦)。
[042]“胎面”指经模塑的橡胶组件，当与外胎粘结时，其包括当轮胎正常充气并在正常载荷下时将与路面接触的轮胎部分。
[043]“捻度”指每单位长度的纱线环绕其轴的转数，每英寸的转数即为TPI。
[044]“纱线”具有以下形式：1)一定数目的捻合在一起的纤维；2)一定数目的排布在一起未经捻合的长丝；3)一定数目的排布在一起具有一定捻度的长丝；4)具有或没有捻度的单一长丝(单丝)；5)具有或没有捻度的窄材料带。
[045]“人字带束增强结构”指至少两层帘线或在每条带中具有1-20条帘线的平行帘线带，并以交替模式在带束层的横向边缘之间以5°-30°的角度延伸设置。
附图说明
[046]将通过实施例并参考附图描述本发明，其中：
图1是本发明的帘线结构的示意图
图2是本发明的帘线结构的载荷对百分比伸长率的图；
图3是本发明的帘线结构的断裂强度对循环数的图；
图4是本发明的帘线结构的韧性对循环数的图；
图5是说明尼龙、芳族聚酰胺和本发明的帘线结构的坯布以及浸渍断裂强度的条形图。
图6是说明尼龙、芳族聚酰胺和本发明的帘线结构(经浸渍)的韧性(tenacity)的条形图；
图7是说明尼龙、芳族聚酰胺和本发明的帘线结构(经浸渍)的％伸长率的条形图；
图8是说明尼龙、芳族聚酰胺和本发明的帘线结构(经浸渍)的断裂能量特性的条形图；
图9是说明尼龙、芳族聚酰胺和本发明的帘线结构(经浸渍)的韧度(toughness)特性的条形图；
图10是说明尼龙、芳族聚酰胺和本发明的帘线结构(经浸渍)的收缩(％)特性的条形图；
图11是说明尼龙、芳族聚酰胺和本发明的帘线结构4小时后的动态断裂强度特性(挠曲断裂强度(flexed break strength)、非挠曲断裂强度和保留的断裂强度)的条形图；
图12是说明尼龙、芳族聚酰胺和本发明的帘线结构在8小时后的动态断裂强度特性(挠曲断裂强度、非挠曲断裂强度和保留的断裂强度)的条形图；和
图13是本发明的示例性飞机轮胎的横截面；和
图14是说明抗动态疲劳性(dynamic fatigue resistance)对循环次数关系的图。
发明内容
[047]图1示出了本发明的帘线结构的第一实施方案。所述帘线包括经螺旋拧合的不同纱线2和3。所述复合或混合帘线包括芳族聚酰胺3的一股或多股纱线，和更优选地只包含单一一股纱线。芳族聚酰胺3可以包括本领域技术人员已知的作为标准芳族聚酰胺的那些。适合本发明的芳族聚酰胺的一个例子由Dupont制造并以商品名Kevlar 29销售。适合本发明的标准芳族聚酰胺的另一个例子由Teijin生产并以商品名Twaron 1000销售。线密度可以是约220分特-约3300分特，更优选地约1100-约3300分特，和最优选地约1670分特。各芳族聚酰胺纱线单独地在Z方向加捻。在Z方向的捻度可以在约3到约16tpi(捻度/英寸)，更优选地在约6-约12tpi的范围，和最优选地在Z方向约10.7tpi。
[048]所述复合帘线还包括脂肪族聚酰胺或尼龙纱线2，优选尼龙6/6。优选只使用单一尼龙纱线。所述尼龙优选具有约220-约2100分特(1890旦)，更优选约1400-约2100，和最优选约1400分特的线密度。尼龙2单独地通过范围为约3-约16，更优选约3-约7，和最优选约6.2(tpi)的Z捻加捻。然后将尼龙和芳族聚酰胺纱线绞合在一起形成具有范围为约3-约16tpi，更特别是约7-约10，和最优选约9.7捻度/英寸的S捻的缆线。
[049]表1示出了第一实施方案的坯布和在RLF浴中浸渍的帘线性能。为了对比，表1还示出了1400/1/2尼龙结构和芳族聚酰胺1100/1/2结构。如该表和图5所示，1400N+1670A结构大大提高了坯布和经浸渍后的断裂强度。帘线结构在断裂强度方面比尼龙提高45％，比芳族聚酰胺提高5％。图3示出了断裂强度对循环次数的变化，并显示本发明的断裂强度一直保持大于尼龙或芳族聚酰胺。图2示出了本发明的经浸渍的帘线结构以及尼龙和芳族聚酰胺的应力应变曲线。本发明的经浸渍的结构与芳族聚酰胺结构相比在曲线下具有更大的面积，并且表现的性能与尼龙结构一样好。图7示出了断裂伸长率，其中本发明的帘线与尼龙对比显示降低了24％。图8示出了断裂能，其中本发明的帘线具有与尼龙相似的断裂能量特性。图6示出了韧性，其中本发明的帘线在韧性方面比尼龙提高25％。图4示出了经过120,000次循环的韧性，并示出韧性轻微降低，然后持平。图9示出了本发明的帘线的韧度，并显示本发明的帘线具有芳族聚酰胺的韧度特性。图10示出了本发明的收缩特性，并示出了与尼龙相比收缩减少58％。
表I经浸渍的和坯布缆线物理性能
  缆线   1400N+1670A6.2N-10.7A/9.7   尼龙1400/1/2   芳族聚酰胺1100/1/2
  坯布拉伸
  LASE 5％(N)   31.8   23.6   86
  断裂载荷(N)   332   227   308
  断裂伸长(％)   16.4   24.3   9.8
  W to B   2722   2758   1509
  经浸渍后拉伸
  LASE 5％(N)   54.6   38.5   162.6
  断裂载荷(N)   330   234   313
  断裂伸长(％)   14.3   18.7   7.6
  旦   3715   3188   2736
  规格(gauge)，密耳   27   26   21
  韧性(cN/分特)   90   73   115
表II示出了在动态条件下本发明的帘线性能
  动态拉伸   1260N+1500A   1260/2尼龙   1000/2芳族聚酰胺
  断裂强度(N)
  4小时非挠曲   335.2   234.1   314.7
  4小时挠曲   261   236.2   240.9
  ％保留   78   100   77
  18@310F
  8小时非挠曲   335.2   234.1   314.7
  8小时挠曲   250.7   227.2   234.9
  ％保留   75   97   75
[050]表II说明了在动态条件下本发明的帘线性能。在挠曲或非挠曲条件下本发明的断裂强度都大于尼龙或芳族聚酰胺的值。测试在170F使用1/2英寸锭子(spindle)在4小时后实施。如图11所示，挠曲后，本发明的帘线在挠曲断裂强度方面保持比1260尼龙提高10％。图12示出了在170F使用1/2英寸锭子(F411标准)在8小时后测得的挠曲和非挠曲条件下的动态断裂强度。如图所示，挠曲后本发明的帘线在断裂强度方面保持比尼龙提高10％。
[051]图13示出了飞机轮胎10。虽然示出的是斜交轮胎，但是飞机轮胎也可以是子午线轮胎。所述飞机轮胎包括一对胎圈，其中每个胎圈分成三个胎圈部分12，各自包含嵌入其中的胎圈芯14。所述飞机轮胎包括从每个胎圈部分12沿轮胎的径向方向基本向外延伸的侧壁部分16，和在这些侧壁部分16的径向外端之间延伸的基本上为圆筒形的胎面部分20。此外，轮胎10使用从一个胎圈部分12环形延伸至另一个胎圈部分12的胎体22进行增强。胎体22包括内胎体帘布层24和外胎体帘布层26。所述内和外胎体帘布层被缠绕成所希望的构造，例如如图13中所示。因为有许多替换性结构，所以本发明的使用不限于该构造。胎体帘布层24、26的一个或多个还可以包括如上所述的本发明的芳族聚酰胺和尼龙混合帘线1。
[052]所述飞机轮胎10还包括设置在胎体22和胎面橡胶28之间的带束组件(belt package)40。所述带束组件还包含多条带束(belts)，一条或多条所述带束可以包括如上文所详细描述的本发明的芳族聚酰胺和尼龙帘线。
具体实施方式
实施例1
[053]构建并测试具有图13中所示的轮胎结构的两个测试轮胎32X11.5-15。对照轮胎包括尼龙胎体。被测轮胎包括1670分特(A)+1400分特(N)/1/2；10.7Z(A)+6.2Z(N)X 9.7S的经合并的帘线结构。使所述轮胎经受一系列测试。使所述轮胎经受爆裂测试。尼龙对比轮胎在1524psi爆裂。测试轮胎在1176psi爆裂。所述轮胎还经受动态测试。被测轮胎在失效之前经过48次正常起飞，1次延长滑行和1次高速起飞。被测轮胎还通过了扩散测试(diffusion testing)。本发明的动态轮胎性能数据超过了预想并十分令人惊奇。本发明的抗动态疲劳性在图14中给出，并示出超过尼龙对比轮胎的经改善的强度、疲劳性和延展性。虽然本发明的轮胎并没有在商业化所希望的水平测试，但所述测试说明了该想法的可行性。
[054]可以按照文中提供的描述改变本发明。虽然出于说明本发明的目的而给出某些代表性的实施方案和细节，但对本领域技术人员而言显而易见的是，在不背离本发明的范围的情况下，可以作各种改变和改进。

Claims (10)

1.一种缆线，特征在于单一芳族聚酰胺纱线和单一尼龙纱线拧合在一起，其中所述芳族聚酰胺纱线具有约220-约3300分特的线密度，所述尼龙纱线具有约220-约2100分特的线密度。
2.权利要求1的缆线，其特征在于所述芳族聚酰胺具有约1670分特的线密度，和所述尼龙具有约1400分特的线密度。
3.权利要求1的缆线，其特征在于所述缆线的总捻度为约3-约16tpi。
4.权利要求1的缆线，其特征在于所述缆线的总捻度为约9.7S。
5.权利要求1的缆线，其特征在于所述芳族聚酰胺在z方向的捻度在约3-约16tpi的范围。
6.权利要求1的缆线，其特征在于所述尼龙在z方向的捻度在约3-约16tpi的范围，更优选在z方向的捻度为3-7tpi。
7.权利要求1的缆线，其特征在于所述芳族聚酰胺在z方向的捻度为约10.72tpi。
8.权利要求1的缆线，特征在于具有线密度为约1670分特的两股芳族聚酰胺纱线与线密度为约1400分特的尼龙纱线拧合在一起的帘线结构。
9.权利要求1的缆线，特征在于所述尼龙纱线具有10.7Z的捻度，芳族聚酰胺纱线各自具有6.2Z的捻度，整个缆线具有9.7S tpi的捻度。
10.一种充气橡胶轮胎，特征在于胎体和在该胎体的路啮合部分之上的胎面，其中所述胎体包含一条或多条缆线，所述缆线包含拧合在一起的单一芳族聚酰胺纱线和单一尼龙纱线，其中所述芳族聚酰胺纱线具有约220-约3300分特的线密度，所述尼龙纱线具有约220-约2100分特的线密度。
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