CN1132685A - 三层式胎面 - Google Patents

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Abstract

借助提供一种随轮胎磨耗耐磨性能提高的胎面，可以制止或减少不规则磨耗擦痕。本发明轮胎的胎面具有至少2层模量不同的橡胶层，其中模量较低的橡胶层位于胎面的表层。

Description

三层式胎面
本发明涉及公路用轮胎。
纵向条纹胎面图案的中型卡车子午线轮胎通常在胎肩区带有压力分布沟槽或隔离沟槽。设置这种沟槽旨在减轻胎面接地区肩部内的压力和优化胎面接地宽度上的压力(分布)，以便防止胎面在道路或公路路面上的擦移。擦移会导致开始出现异常磨耗痕迹，例如胎面的肩部磨耗、胎面外侧纵向花纹的机械磨耗、局部的胎肩磨耗导致的胎表面对角线划痕以及胎肩区参差不齐的磨痕，亦称之为“海岛磨耗”。
即使备有压力分布沟槽，子午线卡车轮胎仍旧表现出因车辆对中不良等状况，不均匀的前桥载荷分布或道路状况而产生的不规则磨耗。
一旦在轮胎上开始出现不规则磨耗，由此种磨耗引起的轮胎的这种不平衡往往加剧了擦移并加速了磨耗。
本发明的一个目的正是通过制止这种不规则的磨耗擦痕的出现来延长轮胎的耐用时间。熟悉本门技术的人从下面的说明和权利要求中将会看出本发明的其他目的。
本发明提供一种充气轮胎，它包含至少一对基本平行的园环状胎圈、至少一个包缠着此两胎圈的胎体帘布层、在至少一个胎体帘布层上胎冠部位配置的胎面以及配置在胎面和胎圈之间的侧壁(胎侧)。胎面包含许多沿径向排布的密度区，其中每个密度区的轴向宽度基本上等于胎面的轴向宽度。每个密度区的邵尔A硬度、模量、回弹、伸长、磨耗性能及耐磨性等物理性质同相邻的密度区各不相同。径向最外的密度区的耐磨性最低，而径向最内的密度区的耐磨性则最高。在例举的实施方案中，胎面有3层密度区。
在一个举出的轮胎和胎面的实施方案中，第一密度区包含10～80％的胎面厚度、第二密度区包含10～80％的胎面厚度，而第三密度区包含胎面的10～80％的胎面厚度。径向最外(第一)密度区的300％伸长下抗张模量为6～14MPa(兆帕)；中间(第二)密度区的300％伸长下抗张模量为10～16MPa；而径向最内(第三)密度区的300％伸长下抗张模量为12～18MPa。
在一个实施方案中，每一区具有相同的胶料配方，只是作为补强剂的碳黑用量不同，每区含有的碳黑量较其径向外侧区的含量逐区提高，第一密度区含有20～50Phr(每百份橡胶的份数)碳黑、第二密度区含有30～60Phr碳黑、而第三密度区含有40～70Phr碳黑。
在另一个实施方案中，每区具有相同的胶料配方，只是用作补强剂的碳黑种类不同，每区含有胶料的挺性较其径向外侧逐区增加，第一密度区包含有30～60Phr HAF碳黑(高耐磨炉黑)、第二密度区含有30～60Ph ISAF(中超耐磨炉黑)碳黑、而第三密度区含有0～60Phr SAF(超耐磨炉黑)碳黑。
此外还对一种用于充气轮胎的胎面提出权利要求。
图1画出的是本发明轮胎和胎面横剖面的正视图。
图2画出的是本发明轮胎和胎面的替代性实施方案的横剖面正视图。
虽然本发明能应用于任何类型行驶于路面上的轮胎，但本发明在说明中是具体结合子午线中型卡车轮胎而论的，其典型的直径为19.5″22.5″或24.5″，带有纵向条形胎面花纹和一种压力分布沟槽。图1画出了一种本发明的轮胎。说明的重点是这种轮胎耐不规则磨耗的能力。
下面看图1和图2，轮胎10包含一对平行的环状胎圈12、至少一个包缠所说胎圈的胎体帘布层14、在胎冠区沿所说至少一个胎体帘布层表面配置的胎面16以及配置在胎面和胎圈之间的胎侧18。
一般，据信这类能用于本发明的轮胎将具有1～3胎体帘布层和1～4带束层。
按照本发明的概念，从理论上讲，既然不规则磨耗一旦开始出现往往愈演愈烈，那么如果能提供一种手段令不规则磨耗停止在其开始出现的区域并等待胎面其余部位的磨耗“赶上”并达到与之相等的程度，则可达到全面、较为一致和均衡的磨耗。
这一点是通过采用一种分区或分层排列的胎面叠层实现的，其中胎面内每层的胶料具有不同的磨耗速率。磨耗最快的胶料位于胎面径向地最外部位，沿径向顺次向内各区的特点是其胶料一层比一层磨耗慢。
当擦移造成胎面的一个区域过早磨低且其磨耗速率随损磨耗面深入胎面而放慢时，则磨耗速率较快、磨耗程度较少的胎面部分便有机会作为胎面的受擦移部位磨低到相同的高度，而又鉴于经验表明，随着轮胎的磨合不规则磨耗不断减少，故随着轮胎的不断使用其磨耗变得益发均匀。均匀的磨耗必会延长胎的总使用时间，且还能改善轮胎的可翻新性能。
本发明可以包含2～6层胎面胶，较好3～6层胎面胶，其中每一层胶料的模量都大于位于其径向外侧胶层的模量。图1提供了一种轮胎和胎面，其中胎面包含22、24和26三层胎面胶，这三层胎面胶是利用一台三腔挤出机复合挤出的。图2表示了一种由六层(22、23、24、25、26、27)组成的胎面实施方案。
借助三腔挤出机就能够刨造出具有3个区的胎面，每个区包含大约1/3胎面复合物的体积。在象图2这样的实施方案中，可能需要两次挤出以构成胎面。熟悉此门技术的人会明白，依某一给定轮胎的预期用途不同，各区的厚度可能有所不同。据信，本发明一般能适用于每区包含10％～80％胎面厚度，较好15％～60％的胎面厚度的场合。
在本发明的一种实施方案中，胎面胶料的模量可通过增加每个胎面区内碳黑的用量而提高。
在本发明的另一实施方案中，胎面胶料的模量可以在每个胎面区内采用不同种类的碳黑来提高。
熟悉这门技术的人将会知道，尚有其他的改变胶料模量的可用方法，而目，自然，当采用每个胎面区有不同物理性质的不同橡胶时本发明也可适用。
在本发明的第一个示范方案中，使用了一种SAF碳黑(超耐磨炉黑)，其颗粒尺寸为11～19nm、CTAB(溴化十六烷基三甲基铵)为120～135、DBP(对叔丁基苯基二硫化物)吸收为110～140以及着色强度为115～135。在如图1所举实施方案中，在胎面径向最外层22中加入了20～50Phr的SAF黑，胎面中间层24中加入了30～60Phr SAF黑。而在胎面径向最内层26中加入了40～70PhrSAF黑。如此制成的这三种胶料分别具有的300％伸长下抗张模量分别是6～14Pa、10～16MPa和12～18MPa、较好8～12MPa、12～14MPa和14～16MPa。
熟悉本门技术的人会了解，较低的模量值较适合于小汽车轮胎(13、14和15英寸直径)，而此范围的上限者较合于子午线中型卡车(RMT)轮胎。
再看图1，在本发明第二示范方案中，每个胎面层使用的碳黑在数量上相同，但是胎面胶料中碳黑的性质和种类不同。在第二示范方案中，碳黑的用量为40～60Phr。在径向最外层中，使用了一种HAF碳黑(高耐磨炉黑)，其颗粒尺寸是26～30nm、CTAB为65～105、DBP吸收70～130以及着色强度是95～120。在中间层中，使用了ISAF碳黑(中超耐磨炉黑)，其颗粒尺寸是20～25nm、CTAB为100～120、DBP吸收90～130以及着色强度110～130。在径向最内层，使用了SAF碳黑(超耐磨炉黑)，其性质如上面所述。一般说，用HAF碳黑生产出的胶料，在300％伸长下抗张强度是6～14MPa、较好8～12MPa。用ISAF碳黑生产的胶料，300％伸长下抗张模量是10～16MPa，较好12～14MPa，而用SAF黑制成的胶料，300％伸长下的抗张模量是12～18MPa，较好14～16MPa。
熟悉本门技术的人会理解，也可以用不同种类碳黑的不同加入量，亦或其他种填料，如氧化硅，而且在实施本发明时，与制做胶料的手段相比较，不同的区要有不同的胶料性质才是最重要的。
用于本发明轮胎和胎面的硫磺硫化橡胶组合物含有天然或合成的二烯衍生橡胶。虽然天然橡胶是较好的，但具有代表性的，能用于胎面及其他轮胎部件的橡胶包括中等乙烯基聚丁二烯、丁苯橡胶、合成顺式1，4-聚异戊二烯、合成3，4-聚异戊二烯、顺式聚丁二烯、异戊苯橡胶、异戊丁苯橡胶、丁腈橡胶及上述的混合物。
除上述成分之外，该硫磺硫化橡胶组合物中还可以含有传统的添加剂，包括补强剂、填料、塑解剂、颜料、硬脂酸、促进剂、硫磺硫化剂、抗臭氧剂、抗氧化剂、操作油、活化剂、引发剂、增塑剂、石蜡、防焦剂、压出机油等等。
代表性的补强剂是碳黑，其典型的加入量，以每100重量份总橡胶量的份数(Phr)计为5～100份。碳黑的一般用量从大约75到85Phr。采用的典型碳黑包括N110、N121、N220、N231、N234、N242、N293、N299、N326、N330、N332、N339、N343、N347、N351、N358、N375、N472、N539、N550、N660、N683、N754和N765。
代表性的传统促进剂是胺类、胍类、硫脲类、硫醇类、秋兰姆类、次磺酰胺类、二硫代氨基甲酸盐类和黄原酸酯类，其典型的加入量为大约0.2～5Phr。
代表性的硫磺硫化剂包括元素硫(游离硫)或能贡献出硫的硫化剂，例如，二硫化胺、聚合多硫化物或硫的烯烃加成物。硫磺硫化剂的用量将随着橡胶的种类和具体的硫磺硫化剂品种不同而变化，但一般而言，其范围从约0.1Phr到约5Phr，较好从约0.5Phr到约2Phr。
可以含于橡胶组合物中的有代表性的抗降解剂包括微晶蜡、石蜡、单酚类、双酚类、硫代双酚类、多酚类、氢醌衍生物、亚磷酸酯类、磷酸酯混合物、硫酯类、萘胺类、双酚胺以及其他二芳基胺衍生物，对苯二胺、喹啉类和混合胺类。抗降解剂的通常用量介于0.1Phr到约10Phr之间，较好介于约4～6Phr之间。
有代表性的可用塑解剂是五氯苯酚，其用量可为约0.1Phr到0.4Phr，较好约0.2～0.3Phr。
可用于本发明橡胶组合物的有代表性的操作油包括活性二硫代-双N-苯甲酰苯胺、聚对二亚硝基苯、二甲苯基硫醇类、脂环烷芳族树脂类、聚乙二醇、重油、脂类增塑剂、固化植物油、松焦油、苯酚树脂、石油树脂、聚酯和松香。这些操作油可以按照传统的数量，即从0到大约10Phr，来使用，较好约5～约10Phr。
可以使用的代表性引发剂是硬脂酸。引发剂的传统用量一般介于约1～4Phr，较好介于约2～3Phr。
促进剂可按传统的用量使用。在只用主促进剂的情况下，其用量介于约0.5～2.5Phr。在联合使用两种以上促进剂的情况下，主促进剂一般地说用量在0.5到2Phr之间，而辅促进剂的用量介于大约0.1～0.5Phr之间。促进剂的联合使用已知能产生协同效应。合适的传统促进剂有胺类、二硫化合物、胍类、硫脲类、噻唑类、秋兰姆类、次磺酰胺类、二硫代氨基甲酸盐类和黄原酸酯类。较好主促进剂是一种次磺酰胺。若使用辅助促进剂，它较好是一种胍、二硫代氨基甲酸盐或秋兰姆化合物。
下面，将结合下列实例进一步说明本发明：
实例1
本实例说明一种橡胶组合物，除非另外指明，所举全部实例均使用这种组合物。具体的成分如每个实例指出的那样，有所变化。当用于本实例时，成分的改变表现在用于橡胶混合的碳黑用量上的变化。使用了胶料A、B和C分别配置在胎面的径向最外、中间和径向最内的区。
右边一列数字代表每种成分以Phr表示的数量。
                          表I
                   子午线卡车胎面胶料
    天然橡胶(SMR5)     100.00
    碳黑(各种类)     不等
    硬脂酸     2
    氧化锌     3～5
    芳香油     0～3
    Flectol碎片     1
    Santoflex 13(6PPD)(促进剂)     1.5
    微晶蜡     0.5～1
    石蜡     0.5～1
    硫磺     0.9～1.2
    DPG(促进剂D)     0～0.35
    TBBS(促进剂NS)     0.9～1.1
本实例中每种橡胶配方均使用了SAF碳黑，数量是，胎面最外区内用42Phr碳黑，胎面中间区用49Phr碳黑，而在胎面最内区用56Phr碳黑。按这种胎的传统制法制做了一只对照轮胎。
碳黑的物理性质如下，其中“Tint”代表着色强度。
碳黑      颗粒尺寸     CTAB        DBPA      Tint
SAF       11～19nm   119～125    128～132  118～124
按前面说明的方法制成的胶料的各项物理性能载于表II。
                            表II
胶    料     A     B     C
碳黑加入量     42Phr     49Phr     56Phr
300％模量(MPa)     10.2     12.5     14.2
伸长(％)     528     495     433
热回弹(％)     59.1     55.2     49.5
E′(0℃)(MPa)     24.0     38.4     46.9
E′(60℃)(MPa)     14.1     20.5     24.2
DIN磨耗     151     142     119
从上表的材料性质可以预测，在卡车轮胎上采用分区胎面层能提供在轮胎滚动阻力、抗不规则磨耗、抗胎面受损的保持能力以及牵引性能保持能力等方面，比采用单一的高撕裂强度胎面胶料的对照轮胎提高10％的改进。
实例2
本实例旨在说明一种分区胎面，其中每区的橡胶组合物除其中所用碳黑的种类不同之外其余完全相同。
SAF碳黑的性质如同实例1所载。ISAF和HAF碳黑的性质如下：
碳黑     颗粒尺寸     CTAB         DBPA      Tint
ISAF     20～25nm    98～102     112～116  113～117
HAF      26～20nm     80～84     100～104  101～105
表III说明实例1中所描述橡胶配方中所用的碳黑种类，以及当碳黑用量为50Phr时胶料的某些性能。
在该表中，模量数据和E′的单位均为MPa，伸长为％。
                         表III
                 轮胎胎面胶料的物理性能
胶    料     1     2     3
天然橡胶     100     100     100
碳黑50Phr     HAF     ISAF     SAF
300％模量     11.6     12.5     13.3
伸长     513     494     495
E′(0℃)     34.0     34.3     38.4
E′(60℃)     18.3     18.2     20.5
预期，至少在使用的早期，全面的胎面磨耗会有所增加，但在维持其他重要性能不下降的同时，预期在轮胎行驶温度、不规则磨耗以及滚动阻力等方面会有可发现的改进。
表IV的数据代表根据前面描述的材料性能预测的用本实例胶料制成的轮胎的性能，所给出的数值已按照对照例为100做了规整化。
                         表IV
    胎面 单层高撕裂胎面     分区胎面
轮胎行驶温度(见注1)     100     110
滚动阻力(见注2)     100     110
抗湿滑性     100     100
湿滑路面牵引力     100     100
胎面总体磨耗(见注3)     100     90
磨耗均匀性(见注4)     100     115
胎面快速磨耗(见注5)     100     100
耐损伤性(见注6)     100     100
注：
1.轮胎行驶温度是当轮胎以35mph(每小时英里)的速度行驶时用红外高温计测得的胎面温度。等级越高温度越低，因而较佳。
2.滚动阻力或轮胎的额定牵引力(愈高愈好)。
3.胎面总体磨耗是经过在公路上行驶一定的时间之后，典型地行驶60,000英里之后剩余的胎面花纹高度。数值愈大愈好。
4.磨耗均匀性是分等级评定的胎面防滑性或剩余胎面花纹高度的标准偏差(愈高愈好)。
5.快速磨耗性能是在严酷条件下的磨耗速率，并模拟城市开-停状况。
6.抗损伤是对轮胎在碎石路面上行驶一定的距离和时间，典型地8000英里之后耐受掉块、崩花和割口能力的度量。
虽然已就本发明的某些实例做了说明，但是凡熟悉本门技术的人必会理解，对本发明还可做出各种各样的变更和不同的实施方案，仍不偏离本发明的精神。本发明仅受下面权利要求范围的限制。

Claims (18)

1.一种充气轮胎，包含至少一对基本平行的环状胎圈、至少一层包缠所说胎圈的胎体帘布层、一只在所说至少一层胎体帘布层上的所说轮胎的冠部配置的胎面以及配置在所说胎面和所说胎圈之间的胎侧，其中所说胎面包含许多径向排布的密度区，其中每个密度区的轴向宽度与所说胎面的轴向宽度基本相等，而且其中每一密度区的邵尔A硬度、模量、回弹、伸长、磨耗性能和耐磨性等物理性能同相邻的密度区不同。
2.权利要求1的充气轮胎，其中径向最外的密度区耐磨性能最低，而径向最内的密度区耐磨性能最高。
3.权利要求2的轮胎，其中所说胎面具有3个密度区。
4.权利要求3的轮胎，其中第一密度区包含10～80％胎面厚度，第二密度区包含10～80％胎面厚度，而且第三密度区包含10～80％胎面厚度。
5.权利要求3的轮胎，其中径向最外(第一)密度区在300％伸长下的抗张模量为6～14MPa；中间(第二)密度区在300％伸长下的抗张模量为10～16MPa而径向最内(第三)密度区在300％伸长下的抗张模量为12～18MPa。
6.权利要求3的轮胎，其中每区除作为补强剂的碳黑数量不同之外具有相同的橡胶配方，每区含有的碳黑数量较其径向外侧逐区递增，第一密度区含有20～50Phr碳黑，第二密度区含有30～60Phr碳黑，而第三密度区含有40～70Phr破黑。
7.权利要求3的轮胎，其中第一密度区包含15～60％的胎面厚度，第二密度区包含15～60％的胎面厚度，而且第三密度区包含15～60％的胎面厚度。
8.权利要求3的轮胎，其中径向最外(第一)密度区在300％伸长下的抗张模量为10～12MPa；中间(第二)密度区在300％伸长下的抗张模量为12～14MPa；而径向最内(第三)密度区在300％伸长下的抗张模量为14～17MPa。
9.权利要求3的轮胎，其中每区除用作补强剂的碳黑种类不同之外具有相同的橡胶配方，每区含有的橡胶较其径向外侧区挺性逐区递增，第一密度区含有30～60Phr HAF碳黑，第二密度区含有30～60Phr ISAF碳黑，而第三密度区含有30～60Phr SAF碳黑。
10.用在充气轮胎上的一种胎面，包含许多径向排布的密度区，其中每个密度区的轴向宽度同所说胎面的轴向宽度基本相等，且其中每个密度区的邵尔A硬度、模量、回弹、伸长、磨耗性能和耐磨性能等物理性能与相邻密度区不同。
11.权利要求10的胎面，其中径向最外密度区的耐磨性能最低，而径向最内密度区的耐磨性能最高。
12.权利要求11的胎面，其中所说胎面具有3个密度区。
13.权利要求12的胎面，其中第一密度区包含10～80％的胎面厚度，第二密度区包含10～80％的胎面厚度，而且第三密度区包含10～80％的胎面厚度。
14.权利要求12的胎面，其中径向最外(第一)密度区在300％伸长下的抗张模量为6～14MPa；中间(第二)密度区在300％伸长下的抗张模量为10～16MPa；而径向最内(第三)密度区在300％伸长下的抗张模量为12～18MPa。
15.权利要求12的胎面，其中每区除用作补强剂的碳黑数量不同之外具有相同的橡胶配方，每区含有的碳黑较其径向外侧区逐区递增，第一密度区含有30～50Phr碳黑，第二密度区含有40～60Phr碳黑，而第三密度区含有50～70Phr碳黑。
16.权利要求12的胎面，其中第一密度区包含15～60％的胎面厚度，第二密度区包含15～60％的胎面厚度，而且第三密度区包含15～60％的胎面厚度。
17.权利要求12的胎面，其中径向最外(第一)密度区在300％伸长下的抗张模量为10～12MPa；中间(第二)密度区在300％伸长下的抗张模量为12～14MPa；而径向最内(第三)密度区在300％伸长下的抗张模量为14～17MPa。
18.权利要求12的胎面，其中每区除用作补强剂的碳黑种类不同之外具有相同的橡胶配方，每区含有的橡胶较其径向外侧区具有逐区递增的挺性，第一密度区含有30～60Phr HAF碳黑，第二密度区含有30～60Phr ISAF碳黑，而第三密度区含有30～60PhrSAF碳黑。
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