CN102216645A - 轮胎平衡组合物 - Google Patents

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Abstract

粘弹性轮胎平衡组合物，其包含：1)85-97％重量的乙二醇醚组分，该组分包含一种或多种通式(I)或通式(II)的乙二醇/丙二醇共聚物醚，或者其混合物：R-O{[CH(CH3)CH2-O-]m[CH2-CH2-O-]n}H(I)；R1-(O-{[CH(CH3)CH2-O-]m[CH2-CH2-O-]n}H)2(II)，其中R是氢或2-8个碳原子的烷基；R1是2-8个碳原子的亚烷基部分，其中这两个取代基不位于同一个碳原子上；m是一个或多个乙二醇/丙二醇共聚物部分中丙二醇的摩尔百分比；并且n是一个或多个乙二醇/丙二醇共聚物部分中乙二醇的摩尔百分比，其中n∶m的比例在35∶65至80∶20之间；每一种二醇共聚物化合物的数均分子量的范围为2000-10000；以及2)3-15％重量的火成二氧化硅凝胶形成剂；所述平衡组合物是粘弹性的，且其在22℃时的储能模量(G′)在1500Pa-5000Pa之间，其损耗模量(G″)小于储能模量直至交叉频率为10-40Hz，且其临界屈服应力超过2Pa。

Description

轮胎平衡组合物
技术领域
本发明涉及用来消除机动车辆车轮组件的不平衡的改进的粘弹性的、化学惰性的凝胶组合物，制备该组合物的方法以及该组合物的用途。
背景技术
滚动轮组件(例如，轮胎+轮缘)的振动是由若干不同类型的轮胎缺陷引起的，最重要的是
-非均匀质量分布
-刚度变化
-几何形状变化
-径向和横向偏摆
-轮胎偏心
轮缘的类似缺陷也会引起振动。
由轮胎或轮缘缺陷引起的卡车或汽车车轮组件的振动除了会引起司机和所有乘客的不适以外，还会大大增加轮胎磨损以及机械磨损。目前最常用的减少车轮组件产生振动的方法仍然是在轮胎轮缘附接金属重物。然而，这种平衡技术具有静态属性，不能抵偿负载的变化(例如，轮胎的变形)、轮胎的不均匀磨损和随之发生的质量分布的变化、污垢在轮缘上的累积等。因此，在轮胎的使用寿命中，必须多次反复通过金属重物来平衡轮胎。
本发明是基于这样的事实，即由车轮组件的不平衡引起的振动可以引发轮胎内部的液体向减少这种振动和不平衡的方向运动。然而，利用这种“振动压力”来实现车轮组件的平衡(即使重心在转动平面和转动轴的交点处)绝非易事。如果单纯的将自由流动的液体(例如水)引入一个旋转的轮胎，则由“振动压力”引起的该物体的任何运动都会立即被离心力所抵消，在通常的驾驶中离心力频率超过1000xg，使得液体的振荡运动并不产生平衡效果。
这种振荡可以通过使用特征在于其临界屈服应力和其它流变参数的粘弹性凝胶来充分预防/消除，从而实现平衡效果。
US 5,540,767公开了粘弹性轮胎平衡组合物，该组合物包含(A)80-95％w/w的例如选自聚丙二醇烷基醚的油，以及(B)4-15％w/w的例如选自BET表面积在约50至约400m2/g范围内的火成二氧化硅的凝胶形成剂，所述文件的内容据此通过援引纳入本文。
这些平衡凝胶的有效性可以通过测量前轴车轮负载运行时前轴弹簧腿相对于转鼓的垂直加速度来实验证明。
发明内容
本发明涉及改进的粘弹性轮胎平衡组合物，该组合物包含
1)85-97％重量的二醇醚组分，该组分包括一种或多种通式(I)或通式(II)的乙二醇/丙二醇共聚物醚，或其混合物
R-O{[CH(CH3)CH2-O-]m[CH2-CH2-O-]n}H       (I)
R1-(O-{[CH(CH3)CH2-O-]m[CH2-CH2-O-]n}H)2  (II)
其中
R是氢或2-8个碳原子的烷基；
R1是2-8个碳原子的亚烷基部分，其中这两个取代基不位于同一个碳原子上；
m是一个或多个乙二醇/丙二醇共聚物部分中丙二醇的摩尔百分比；并且n是一个或多个乙二醇/丙二醇共聚物部分中乙二醇的摩尔百分比，其中n∶m的比例在35∶65至80∶20的范围内；
每一种二醇共聚物化合物的数均分子量均在2000-10000的范围内；
以及
2)3-15％重量的火成二氧化硅凝胶形成剂；
所述平衡组合物是粘弹性的，且其在22℃时的储能模量(G′)在1500Pa-5000Pa之间，其损耗模量(G″)小于储能模量直至交叉频率为10-40Hz，且其临界屈服应力超过2Pa。
已发现，与US 5,540,767中使用的纯聚丙二醇烷基醚相比，根据本发明使用乙二醇/丙二醇共聚物单醚会提高轮胎平衡组合物的性能。
本发明还涉及一种车辆轮胎，其气腔内包含适量的本发明平衡组合物；涉及一种车辆车轮组件，其包括轮缘和所述轮胎；以及涉及一种平衡机动车辆车轮组件的方法，该方法包括：在轮胎的内表面使用本发明的平衡组合物，将车轮组件装配于机动车辆上，和将该机动车辆驾驶足以使所述平衡组合物平衡所述车轮组件的一段距离。
附图说明
图1展示了描绘本发明平衡凝胶在轮胎中的优选排布的轮胎横截面。
图2展示了表1所述的本发明一些平衡凝胶组合物在线性粘弹性区域(振荡频率1Hz，应力扫描0.1-1000Pa)内的储能模量G′(以Pa表示)相对于应力(以Pa表示)的曲线图。
图3展示了表1所述的本发明一些平衡凝胶组合物在线性粘弹性区域(振荡频率1Hz，应力扫描0.1-1000Pa)内的相角(以度(°)表示)相对于应力(以Pa表示)的曲线图。
图4展示了表1所述的本发明一些平衡凝胶组合物在频率扫描中的储能模量G′(以Pa表示)和损耗模量G″(以Pa表示)相对于频率的曲线图。频率扫描100-0.1Hz，应力10或5Pa(线性粘弹性区域内的应力)。箭头表示交叉频率。
图5展示了有关屈服应力测定中的粘度(以Pa.s表示)和张力相对于剪应力(以Pa表示)的曲线图。
具体实施方式
平衡组合物的重要流变性质是，其临界屈服应力(CYS)和弹性(储能)模量G′，二者均在线性粘弹性区域中测量；及其屈服应力，在应力增长测量法中测定；以及其储能模量G′和其损耗模量G″之间的关系，通过频率扫描测量。
G′是凝胶强度的量度，即凝胶形成剂分子之间的键的强度和数量。我发现，为达到令人满意的平衡性能，G′值应在1500至5000Pa范围内，并且临界屈服应力应当在5-30Pa范围内。一系列功能性平衡凝胶的应力扫描示于图2和3中。一种非常令人满意的平衡组合物的G′值约为2000Pa，临界屈服应力约为18Pa。
G″是材料消散热形式的能量的能力的量度。
通过频率扫描来测量的G′和G″之间的关系是材料的结构表征。一系列工作性能良好的平衡组合物的一般频率扫描曲线示于图4中。“交叉频率”，即G″变得大于G′处的频率，应当在10-40Hz范围内。一种极令人满意的轮胎平衡组合物的交叉频率值约为16Hz。两种功能性平衡组合物的一般应力增长扫描示于图5中。一种极令人满意的平衡凝胶的屈服应力约为30Pa。
与粘弹性同样重要的是，平衡凝胶在使用中的长期稳定性、该凝胶在各种温度下的性能、以及该凝胶的化学惰性。
可接受的轮胎平衡凝胶必须在轮胎的使用寿命内以及在各种行车条件下保持功能，特别是其必须在使用中经历的常规行车速度范围(0到约160KMH)内以及在使用中经历的常规温度范围(-30℃到+90℃)内保持功能。
此外，轮胎平衡凝胶必须不对轮胎有任何有害作用，特别是其不应影响轮胎的内衬，或者对绳索或其它轮胎部件——当凝胶偶然碰触到这类部件时(即由于轮胎穿刺)——造成任何损害。
功能平衡凝胶的最低标准
流变性：1500Pa＜储能模量(G′)＜5000Pa。
交叉频率(G″＞G′)10-40Hz。
临界屈服应力＞2Pa。
屈服应力＞5Pa
挥发性：99℃下10小时后的蒸发损失少于6％(重量计)
基础液(base liquid)的流点：＜-15℃(ASTM D97)
分离稳定性：在300000xg以及25℃下于12小时后基础油的分离率小于20％(重量计)。
化学反应性：对橡胶或其它聚合物无影响，对金属无腐蚀性。
如上所述，本发明的凝胶包含两种组分，即基础液和凝胶形成剂。
在对于基础液的上述通式(I)和(II)中，包括丙二醇和乙二醇部分的方括号分别意在表示共聚物中的所述单体单元可以以任何共聚物排布中的线性共聚物的形式存在，例如以无规共聚物或嵌段共聚物存在，本发明优选无规共聚物。
式(I)的共聚物被认为是醇引发的，通式(II)的共聚物被认为是二醇引发的。引发醇的烷基部分R可含有1-6个碳原子。合适的实例为正丙醇、正丁醇、正戊醇或正己醇。所涉及的二醇的亚烷基部分R1可以是线性的或支链的且可含有2-8个碳。引发二醇的实例可以是乙二醇、丙二醇、1，3-丙二醇、1，3-丁二醇或1，6-己二醇。
优选所述乙二醇醚组分(一个或多个)的数均分子量在3000-10000范围内。
在本发明的一个实施方案中，式(I)的共聚物中n∶m的比例在40∶60到75∶26的范围内，例如从40∶60到60∶40，特别是从45∶55到55∶45，例如约为50∶50。在另一个实施方案中，式(II)的共聚物中n∶m的比例可从70∶30到80∶20，例如约为75∶25。
在一个优选的实施方式中，所述组合物包含6.3±0.2％w/w、更优选6.3±0.1％的火成二氧化硅凝胶形成剂；和1±0.3％w/w、优选1±0.2w/w、更优选1±0.1％w/w的n∶m的比例为70∶30至80∶20、更优选约75∶25的式(II)的共聚物；余量为n∶m的比例为45∶55至55∶45例如约50∶50的式(I)的共聚物。
在另一个优选的实施方案中，所述组合物包含6.5±0.2％w/w、更优选6.5±0.1％的火成二氧化硅凝胶形成剂；和1±0.3％w/w、优选1±0.2w/w、更优选1±0.1％w/w的n∶m的比例为70∶30至80∶20、更优选约75∶25的通式(II)的共聚物；余量为n∶m的比例为45∶55到55∶45、例如约50∶50的式(II)的共聚物。
本发明实践中的可用的基础液的实例是：
UCON
Figure BPA00001371873100051
50-HB液体，其为醇引发的包含等重量的氧亚乙基和氧亚丙基基团的环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚物。该50-HB系列产品在温度低于40℃是水溶性的，并且具有一个端羟基；
SYNALOX
Figure BPA00001371873100052
40液体(由Dow Chemical Company生产)，其是水溶性的、二醇引发的包含40％重量的氧亚乙基和60％重量的氧亚丙基基团的环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚物，并且具有两个端羟基；
SYNALOX
Figure BPA00001371873100053
50液体，其是水溶性的、二醇引发的包含50％重量的氧亚乙基和50％重量的氧亚丙基基团的环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚物，并且具有两个端羟基；以及
UCON
Figure BPA00001371873100061
75-H液体，其为二醇引发的包含75％重量的氧亚乙基和25％重量的氧亚丙基基团的环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚物。75-H系列产品在温度低于75℃是水溶性的，并且具有两个端羟基；
可在本发明中使用的基础液的具体实例是：
1)一种丁醇引发的环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚物，该共聚物包含等重量的氧亚乙基和氧亚丙基基团，数均分子量为3930，40℃时的粘度为1100cSt并且ISO 3448粘度等级为1000，可以从DOW Chemical Corporation以商品名UCON
Figure BPA00001371873100062
50-HB-5100得到，
2)一种二醇引发的环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚物，该共聚物包含40％重量的氧亚乙基和60％重量的氧亚丙基基团，数均分子量为5300，40℃时的粘度为1050cSt并且ISO 3448粘度等级为1000，可以从DOW Chemical Corporation以商品名SYNALOX
Figure BPA00001371873100063
40-D700得到，
3)一种二醇引发的环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚物，该共聚物包含50％重量的氧亚乙基和50％重量的氧亚丙基基团，运动粘度为960-1160mm2/s@40℃ASTM D445，可以从DOW Chemical Corporation以商品名SYNALOX
Figure BPA00001371873100064
50-D700得到，以及
4)一种二醇引发的环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚物，该共聚物包含75％重量的氧亚乙基和25％重量的氧亚丙基基团，数均分子量为6950，40℃时的粘度为1800cSt，可以从DOW Chemical Corporation以商品名UCON
Figure BPA00001371873100065
75-H-9500得到。
火成二氧化硅凝胶形成剂可以是一种亲水型的火成二氧化硅，其BET表面积为50至400m2/g，例如90到400m2/g，优选200至300m2/g；或者火成二氧化硅凝胶形成剂可以是一种疏水型的火成二氧化硅，其BET表面积为50至300m2/g，优选250至350m2/g；或者为亲水和疏水型的火成二氧化硅凝胶形成剂的混合物。
可在本发明实践中使用的凝胶形成剂之一是BET表面积为300m2/g的亲水型火成二氧化硅，可以从EVONIK以商品名Aerosil A300得到。
凝胶形成剂对油的凝胶效应通过经由氢键使凝胶形成剂分子形成网状结构而实现，所述氢键在凝胶形成剂分子的片段之间通过羟基或通过范德华引力而形成。所述氢键的数量和强度决定凝胶的强度，以及凝胶承担负载的能力(临界屈服应力)。
本发明的组合物通常通过将各组分一起混合而得到，如果需要，在略加热至低于40℃的条件下进行。
使用本发明的组合物
可以用本发明的凝胶通过简单地将适量的该凝胶以其本身施用于轮胎的内衬来平衡轮胎。然而，由于凝胶的所有部分必须相互连接，因此内衬中的“平坦(flat)”部分的整个表面必须均以凝胶覆盖，并且必须使用超过为进行平衡的理论所需量的凝胶。
已经测定出，将凝胶限制在轮胎内衬的胎肩区域(shoulder area)极大增加了凝胶的平衡效率，并且也显著减少了平衡所需的凝胶量。
在一个实施方案中，这种对凝胶运动的限制可以通过将一个泡沫带附着于内衬的中心部分来实现(参见图1)。在一个标准的245/45R18轮胎中，这种泡沫带通常宽100mm并且厚5mm。在另一个实施方案中，这种限制可以通过在接近轮胎胎肩处附着两个分开的泡沫带(高10mm，宽100mm)来实现(参见图1)。作为平坦层(even layer)而在每一个胎肩处施用的凝胶量为2×80g(相比而言，平衡未经改进的轮胎通常需要超过300g的凝胶)。此外，可对与所述组合物接触的轮胎胎肩区域用减少摩擦的纳米涂料来处理。
下列关于凝胶平衡的所有试验均是在内衬以这种方式改变过的轮胎上进行。
实施例
使用上述基础液和凝胶形成剂，已制备出一系列示例性平衡凝胶，其组成示于表1和表2中
表1.凝胶制剂、道路以及台架试验的平衡结果、离心稳定性
Figure BPA00001371873100071
Figure BPA00001371873100081
*″+″相当于或优于金属，″-″次于金属重物平衡。
**7-10可接受，＜7不可接受
***可接受＝+；不可接受＝-
表2.凝胶配方、道路以及台架试验的平衡结果、离心稳定性
Figure BPA00001371873100091
所得组合物通过使用计算机化的Bohlin VOR流变仪系统(购自Bohlin Rheology，Lund，瑞典)进行流变测定来评价，并在下述台架试验和使用客车进行的现场试验中进行评价。
车轮胎如上所述进行改变并通过供以2×85g平衡凝胶，该凝胶在轮胎装配之前施用于其内部周边的胎肩区域。
组合物的效果以下列方式来评价：
测量凝胶平衡效应的台架试验。
无论采用何种轮胎平衡技术，其效率最终要根据驾驶舒适性，即在实际道路试验中无振动或至少可忍受水平的振动，来确定。这显然是一种麻烦的质量控制方法，并且已经开发出了高端仪器用于车轮-轮胎组件的金属重物平衡，这些仪器均基于对重量不均衡的检测和抵偿(通过将金属重物附着于轮缘)。这种测量总是在车轮-轮胎组件没有负载的情况下进行，并且经验表明，这种方法会最大可能的减少通过使用轮缘附加金属重物而在车辆运行中由振动导致的重量不均衡。
这种类型的台架试验设备不能用来测量所述凝胶平衡方法的效率或者测定待使用的凝胶的量。所述轮胎内部的平衡凝胶随车轮-轮胎组件中的实际振动而进行分布。所述振动在试验装置有负载运行(实际驾驶)时与无负载运行时是极为不同的。此外，最佳凝胶平衡轮胎中的平衡凝胶分布通常不会引起车轮-轮胎组件产生零重量的不平衡。而且这种残余的重量不平衡也不能归结为是凝胶平衡的效率。
因此，设计了一种测量凝胶平衡效率的台架试验。在这种台架试验中，尽可能接近地模拟实际驾驶情况。这种设备基本上是对轮胎工业中使用的转鼓试验设备的改变，即一个直径约为300mm的可变速旋转的鼓、一个具有用于装配车轮-轮胎组件的轴的可移动臂以及一种通过弹簧-阻尼器件改变转鼓上轮胎负载的装置。所述轴上装有加速传感器用于测量振动水平。在这种设备中，只测量垂直加速度。所述垂直加速度在两个极端(“上”和“下”的方向)之间不断变化，并且使用这两个极端之间的平均差值(以g当量(g equivalent)计)作为振动水平的量度(MVA值)。
为了建立一种可接受的凝胶平衡的标准，在多个速度(在80到180公里/小时之间)和负载(300到1000N)下，按上文所述测量了许多用金属重物平衡至零的轮胎的这种垂直加速度。以这种方式得到的MVA值是测定平衡凝胶性能的水准基点(bench mark)，并且首先用于优化凝胶性能，其次用于优化所用平衡凝胶的量。
表1和2中展示了所述试验的结果
用超离心机来测量平衡凝胶在高的加速度应力(g-stress)下的稳定性。将一个凝胶样品在25℃下以～300000x g离心运行12小时。将离心管中在样品顶部分离的油滗析出并且称重，并且使用以这种方式测定的油损失％(由于离浆(synresis)而分离)作为在高的加速度应力下凝胶稳定性的一个量度。
根据经验我们知道，油损失低于20％意味着凝胶在轮胎中经受加速度应力(＜1500g)时将保持稳定。
从表1和2的结果以及许多其它凝胶(由各种PAG凝胶以及PAG凝胶的结合物使用许多不同的火成二氧化硅胶作为凝胶形成剂而制备)的实验，我们可以得到下列一般性结论：
为满足分离稳定性的要求，
PAG MW＞2000
对于PAG凝胶或者PAG凝胶的结合物而言，3/1＞PAG的EO∶PO比例＞2/3
疏水性火成二氧化硅的BET表面积＞150
满足上述全部分离稳定性要求的凝胶具有一定的平衡效果。使用以下疏水性火成二氧化硅可获得最佳平衡效果：BET表面积为300，在EO∶PO比例为1∶1的PAG中，并添加0.5-1％的EO∶PO比例为3∶1的PAG。

Claims (8)

1.一种轮胎平衡凝胶组合物，其包含
1)85-97％重量的二醇醚组分，所述组分包含一种或多种通式(I)或通式(II)的乙二醇/丙二醇共聚物醚，或者其混合物
R-O{[CH(CH3)CH2-O-]m[CH2-CH2-O-]n}H      (I)
R1-(O-{[CH(CH3)CH2-O-]m[CH2-CH2-O-]n}H)2 (II)
其中
R是氢或2-8个碳原子的烷基；
R1是2-8个碳原子的亚烷基部分，其中这两个取代基不位于同一个碳原子上；
m是一个或多个乙二醇/丙二醇共聚物部分中丙二醇的摩尔百分比；并且n是一个或多个乙二醇/丙二醇共聚物部分中乙二醇的摩尔百分比，其中n∶m的比例在35∶65至80∶20的范围内；
每一种二醇共聚物化合物的数均分子量均在2000-10000的范围内；
以及
2)3-15％重量的火成二氧化硅凝胶形成剂；
所述平衡组合物是粘弹性的，且其在22℃时的储能模量(G′)在1500Pa-5000Pa之间，其损耗模量(G″)小于储能模量直至交叉频率为10-40Hz，且其临界屈服应力超过2Pa。
2.根据权利要求1的轮胎平衡组合物，其中所述二醇醚组分的数均分子量在3000-10000的范围内。
3.根据权利要求1或2的轮胎平衡组合物，其中n∶m的比例在35∶65至80∶20的范围内，优选在40∶60至75∶26的范围内，特别是40∶60至60∶40。
4.根据权利要求1的轮胎平衡组合物，其中所述火成二氧化硅凝胶形成剂是一种亲水型的火成二氧化硅，其BET表面积为90至400m2/g，优选200至300m2/g；或者所述火成二氧化硅凝胶形成剂是一种疏水型的火成二氧化硅，其BET表面积为50至300m2/g，优选250至350m2/g；或者是所述亲水型和疏水型的火成二氧化硅凝胶形成剂的混合物。
5.根据权利要求1-3中任一项的轮胎平衡组合物，其中根据ISO3448测定的所述二醇醚组分的粘度等级在500以上，优选在800-1200的范围内。
6.一种车辆轮胎，其气腔内包含适量的根据权利要求1-5的任一项定义的平衡组合物。
7.一种车辆车轮组件，其包含轮缘和轮胎，所述轮胎的气腔内包含适量的根据权利要求1-5的任一项定义的平衡组合物。
8.一种平衡机动车辆车轮组件的方法，其包括：在轮胎的内表面施用根据权利要求1-5的任一项的平衡组合物；将车轮组件装配于机动车辆上；和将该机动车辆驾驶足以使所述平衡组合物平衡所述车轮组件的一段距离。
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