CN114080323A - 具有低环境足迹的施工场地车辆轮胎 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在改善施工场地车辆轮胎的环境足迹。为此，源自非化石资源的弹性体配混物所占的重量含量大于或等于轮胎的配混物的总重量的65％，轮胎的配混物的总重量的至少75％由弹性体配混物组成，每种弹性体配混物具有小于或等于0.065的由tan(δ)测得的粘弹性损耗；以及大于或等于1E+10Ω.cm的电阻率。

Description

具有低环境足迹的施工场地车辆轮胎
技术领域
本发明涉及旨在装配至施工场地类型的重型车辆的子午线轮胎，更具体地涉及在制造这种轮胎的过程中使用的弹性体配混物。
背景技术
根据欧洲轮胎轮辋技术组织或ETRTO标准，用于施工场地类型的重型车辆的子午线轮胎旨在安装至底座直径为25英寸或更大的轮辋上。
例如，装配有这些轮胎的车辆用于在露天矿场中以65km/h的最大速度运输从采石场开采的材料，这些材料的有效载荷可能超过350吨。需要相应地调节轮胎的尺寸，其测量的总直径可超过4米，每个轮胎可以为5吨重。
作为说明，这种轮胎具有符合ETRTO(欧洲轮胎轮辋技术组织)的类型为50/80R 57的标准化名称，其充气压力为650kPa，这意味着胎面的标称宽度为50英寸，轮胎的胎侧高度为标称轮胎宽度的80％，并且该轮胎旨在安装至直径为57英寸的车轮上。
通常，由于轮胎的几何形状表现出围绕旋转轴线的旋转对称性，因此在包含轮胎旋转轴线的子午平面中描述其几何形状。对于给定的子午平面，径向方向、轴向方向和周向方向分别表示垂直于旋转轴线的方向、平行于旋转轴线的方向和垂直于子午平面的方向。
在下文中，表述“径向内部/沿径向位于内侧”和“径向外部/沿径向位于外侧”分别意指“更靠近轮胎的旋转轴线”和“更远离轮胎的旋转轴线”。“轴向内部/沿轴向位于内侧”和“轴向外部/沿轴向位于外侧”分别意指“更靠近轮胎的赤道平面”和“更远离轮胎的赤道平面”，其中轮胎的赤道平面为穿过胎面表面的中间并且垂直于旋转轴线的平面。
轮胎包括旨在通过胎面与地面接触的胎冠，所述胎面的两个轴向端部通过两个胎侧连接至两个胎圈，所述胎圈提供轮胎和旨在安装轮胎的轮辋之间的机械连接。
子午线轮胎进一步包括由沿径向位于胎面内侧的胎冠增强件和沿径向位于胎冠增强件内侧的胎体增强件构成的增强件。
子午线轮胎的胎冠增强件包括沿周向延伸的胎冠层的叠置，所述胎冠层沿径向位于胎体增强件的外侧。每个胎冠层通常由金属增强体构成，所述金属增强体互相平行，并涂覆有弹性体或弹性体配混物类型的聚合物材料。由胎冠增强件和胎面构成的组件被称为胎冠。
用于施工场地类型的重型车辆的子午线轮胎的胎体增强件通常包括至少一个胎体层，所述胎体层由涂覆有弹性体涂覆混合物的金属增强元件构成。金属增强元件基本上彼此平行，并与周向方向形成在85°至95°之间的角度。胎体层包括主要部分，所述主要部分使两个胎圈彼此连接，并在每个胎圈中围绕胎圈线缠绕。胎圈线包括周向增强元件，所述周向增强元件通常由金属制成，所述金属非完全地被至少一种弹性体或织物材料包围。胎体层从轮胎的内侧朝向外侧围绕胎圈线缠绕，从而形成包括端部的卷边。每个胎圈中的卷边使得胎体增强件层能够锚固至胎圈的胎圈线。
每个胎圈包括填充元件，所述填充元件沿径向向外延伸胎圈线。填充元件由至少一种弹性体填充物配混物制成。填充元件沿轴向分离主要部分与卷边。
每个胎圈还包括保护元件，所述保护元件沿径向向内延伸胎侧，并沿轴向位于卷边的外侧。保护元件还通过其轴向外表面至少部分地与轮辋凸缘接触。保护元件由至少一种弹性体保护配混物制成。
最后，每个胎圈包括填充物元件，所述填充物元件沿轴向位于胎侧和保护元件的内侧，并沿轴向位于卷边的外侧。填充物元件由至少一种弹性体填充物配混物制成。
每个轮胎胎侧包括至少一个胎侧层，所述胎侧层由弹性体配混物制成，并从轮胎的外表面(与环境空气相接触)沿轴向朝向轮胎的内侧延伸。至少在轮胎的最大轴向宽度的区域中，胎侧沿轴向向内延伸至胎体增强件的轴向最外胎体层。
胎肩区域是将胎侧连接至胎面的轮胎部分。更具体地，其介于一方面垂直于胎体层并穿过胎侧中间的直线和另一方面垂直于胎体层并穿过轴向距离等于胎面相对于赤道平面的标称宽度4/5处的胎面上的点的直线D2之间的部分。
用于施工场地车辆的子午线轮胎具有胎体增强件，所述胎体增强件通过缓冲弹性体配混物层连接至胎冠增强件，所述缓冲弹性体配混物层在胎肩区域中沿着胎体层沿轴向朝向外侧定位。该缓冲配混物(后文称为胎体-胎冠联接配混物)将胎体增强件联接至胎冠增强件。安装在轮辋上的轮胎的加压会在胎体层增强体中产生张力，其反过来又在胎体-胎冠联接配混物中产生剪切力，然后使胎体增强件增强体拉紧。对于轮胎令人满意的运行，该联接配混物的作用至关重要。
弹性体配混物理解为通过共混其各种组分获得的弹性体材料。弹性体配混物通常包含弹性体基质、至少一种炭黑型和/或二氧化硅型的增强填料、交联体系和保护剂，所述弹性体基质包含至少一种天然橡胶类型或合成橡胶类型的二烯弹性体，所述交联体系通常为硫基交联体系。
表述“组合物基于/基于...的组合物”应理解为意指组合物包含所使用的各种组分的混合物和/或反应产物，这些基本组分中的一些能够或旨在在组合物的各个制造阶段的过程中(特别是在其交联或硫化的过程中)至少部分地彼此反应。
在本发明的含义内，表述“重量份/百重量份弹性体”(或phr)应理解为意指每百份所考虑的橡胶组合物中存在的弹性体中的重量比例。
可以通过动态性质(例如动态剪切模量G*＝(G’2+G”2)1/2和动态损耗tgδ＝G”/G’，其中G’为弹性剪切模量，G”为粘性剪切模量)对弹性体配混物进行机械表征(特别是在固化之后)。根据标准ASTM D 5992-96，在Metravib VA4000型粘度分析仪上测量动态剪切模量G*和动态损耗tgδ。记录弹性体配混物的样品(在120℃至130℃之间硫化并且以厚度为4mm，横截面为400mm2圆柱状试样的形式)在给定温度(例如等于60℃)下以从0.1％至50％(向外循环)然后从50％至0.1％(返回循环)的变形振幅扫描经受10Hz频率下的简单交变正弦剪切应力的响应。因此，在等于10Hz的频率下、等于峰至峰变形振幅的50％的变形下和可以等于60℃或100℃的温度下测量这些动态性质。
还可以通过静态机械性质来表征弹性体配混物。拉伸测试能够确定弹性应力和断裂性质。除非另有声明，否则根据1988年9月的法国标准NF T 46-002进行拉伸测试。在第二次伸长(即调节循环之后)中测量10％伸长(表示为“MA10”)和100％伸长(“MA100”)下的割线模量(称为“标称”割线模量(或表观应力，以MPa计))。根据法国标准NF T 40-101(1979年12月)，在标准温度(23±2℃)和湿度(50±5％相对湿度)条件下进行所有这些拉伸测量。还在23℃的温度下测量断裂应力(以MPa计)和断裂伸长(以％计)。
还可以通过电阻率来表征弹性体配混物，其表征配混物使电荷自由移动的能力，因此表征配混物使电流流动的能力。电阻率通常表示为ρ，其测量单位为欧姆-米(Ω.m)，但是在轮胎领域中，通常以欧姆-厘米(′Ω.cm)来表示电阻率的测量值。例如，在标准ASTM-D257中描述了用于测量电阻率的测试。1Ω.m或者102′Ω.cm的电阻率对应于长度为1m且横截面为1m2的配混物圆柱形部分中的电流流动的阻力。电导率为电阻率的倒数，其表示为σ并满足σ＝1/ρ。在下文中，将根据上下文使用电导率σ或者电阻率ρ来表征配混物的电学性质。
导电性极弱的材料或者电阻材料理解为电阻率大于108′Ω.cm的材料。类似地，导电材料理解为电阻率小于106′Ω.cm的材料。这些材料可以是或不是弹性体配混物。
用于施工场地类型的重型车辆(如例如，旨在运输从采石场或露天矿山开采的材料的自卸车)的轮胎在压力、负载和速度方面的正常行驶条件特别苛刻。作为示例，使用自卸车类型的车辆开采材料(例如矿石或煤炭)的现场以简化的形式包括满载出站周期和空载返回周期的交替。在满载出站周期中，满载车辆主要上坡地将从矿山底部或矿坑底部的装载区域开采的材料运输至卸载区域，因此要求轮胎在牵引力下具有良好的抓地力。在空载返回周期中，空载车辆主要下坡地返回至矿山底部的装载区域。
轮胎是这些运输车辆的主要成本项目，这意味着轮胎的使用寿命是制造这些车辆的客户制定的要求规范中的关键标准之一。目标是通过在使用寿命和耐久性之间实现适当的折衷，以能够尽可能长地使用一套合适的轮胎。轮胎需要足够坚固，以承受更长的使用寿命。
这种轮胎对环境的影响也体现在制造这些车辆的客户制定的要求规范中。例如50/80R57的尺寸的总质量为3.8吨，其中1吨为金属组分，2.8吨(即轮胎总质量的74％)为弹性体配混物的质量。金属组分包括两个胎圈线，以及由涂覆有弹性体配混物的金属增强体形成的所有复合层。
在现有技术中，这些弹性体配混物主要源自化石原料(例如石油)。因此，这些化石原料基本上是由已经死亡并被埋在地下数百万年(有时长达6.5亿年)的生物的甲烷化产生的碳氢化合物。除了这些碳氢化合物将不可避免地耗尽之外，这些碳氢化合物的开采是造成与其开采和使用相关的生态破坏有关的环境问题的原因。
可以在制造轮胎的所有步骤中测量环境影响：从化石原料的开采，到将其转化为弹性体配混物，再到轮胎的制造和使用，直至其寿命结束。
发明内容
因此，发明人为其自身设定的目标为减少用于施工场地车辆的轮胎对环境的影响，而不损害轮胎性能(例如耐久性和电导率)。
该目标已通过用于施工场地类型的重型车辆的轮胎而实现，所述轮胎包括：
-源自非化石和/或化石资源的弹性体配混物，任何弹性体配混物的粘弹性损耗tan(δ)定义为粘性剪切模量G”与弹性剪切模量G’的比值，这些模量值在100℃的温度下在10Hz的频率下测得，并且任何导电弹性体配混物定义为根据标准ASTM-D257测得的电阻率小于或等于1E+06欧米-厘米(′Ω.cm)；
-胎面，所述胎面包括由胎面中央部分沿轴向分隔的两个轴向端部部分或胎面翼部；
-胎冠增强件，所述胎冠增强件沿径向位于胎面的内侧，并且包括至少一个保护增强件和工作增强件，所述增强件分别由包括涂覆有弹性体配混物的金属增强体的保护层和工作层形成，这些层在其轴向端部处具有边缘配混物层；
-胎体增强件，所述胎体增强件沿径向位于胎冠增强件的内侧，并包括至少一个胎体层，所述胎体层由涂覆有导电涂覆弹性体配混物的金属增强体构成，所述金属增强体基本上互相平行，并与周向方向(XX’)形成在85°至95°之间的角度，每个胎体层包括主要部分，所述主要部分使两个胎圈彼此连接，并在每个胎圈内围绕胎圈线缠绕，以形成卷边；
-胎体-胎冠联接层，所述胎体-胎冠联接层由导电弹性体配混物构成，并插入在胎体增强件和胎冠增强件之间，并在胎肩区域中沿轴向朝向外侧；
-两个胎侧，所述胎侧将胎面翼部连接至两个胎圈，所述胎圈包括旨在与轮辋接触的胎圈包布层，满足：
-源自非化石资源的弹性体配混物的质量大于或等于轮胎中包含的弹性体配混物的总质量的65％，轮胎中包含的弹性体配混物的总质量的至少75％由粘弹性损耗tan(δ)小于或等于0.065且电阻率大于或等于1E+10′Ω.cm的弹性体配混物构成；
-由导电弹性体配混物制成的连接层沿径向插入在胎体-胎冠联接层和胎体增强件之间，并在其轴向外端部处与胎面翼部接触，在其轴向内端部处与胎体层涂覆配混物接触：
-当轮胎安装至其轮辋上并压缩到地面上时，胎面翼部、连接层、胎体层涂覆配混物和胎圈包布层构成用于在地面和轮辋之间传导电荷的优选的传导路径。
本发明背后的基本思想是用源自非化石资源的组分替代轮胎中存在的通常源自石油产品(因此源自化石来源)的各种配混物的那些组分。因此，基于石油产品的弹性体(称为合成弹性体)全部或部分地被天然橡胶替代。取决于所期望的机械性质和滞后性性质，增强配混物的一些或全部的增强填料优选地选自无机填料族，如例如二氧化硅。通常，弹性体配混物包含增塑剂，以使其更易于工业加工。此处，发明人建议使用非芳族油，以减少轮胎对环境的影响。
降低配混物的滞后性(即其热耗散)是本发明所追求的与轮胎的耐久性和使用寿命有关的另一条路线。通常，在滞后性方面进行优化的轮胎在外部周围(如例如在胎面中或在胎侧中)包含低滞后性配混物。此处，发明人提出了用于内部配混物(如例如，胎冠层边缘配混物或者联接胎体增强件和胎冠增强件的联接配混物)的新型低滞后性配混物。耐久性的改进主要是由于轮胎工作温度的降低。因此，为了协调环境影响的降低和滞后性的降低，需要填充有二氧化硅的天然橡胶的配混物。然而，还需要使配混物的机械性质适合于对其提出的要求。
具有由二氧化硅制成的增强填料的弹性体配混物的使用伴随着与车辆行驶时静电积聚相关的难题，并且由于构成胎面的弹性体配混物的电阻率非常高，因此这些电荷不能流向地面。当结合某些特定条件时，由此在轮胎中积聚的静电很可能导致车辆乘员在接触车辆的车身时受到电击。此外，由于放电产生的臭氧，这种静电有可能会加速轮胎的老化。取决于地面和车辆的特性，由于静电产生的干扰，这也可能是在车辆中安装的无线电运行较差的原因。
因此，胎面被分成三个部分：中央部分和沿轴向位于中央部分两侧的两个胎面翼部。因此，在滞后性方面进行优化的胎面的中央部分不导电。因此，在胎面翼部使用导电配混物是合适的。为了确保存在从胎面通向轮辋的传导路径，厚度为约2mm的精细连接配混物层将胎面翼部连接至胎体增强件。本发明能够提供一种寻求使用源自非化石产品的材料，同时具有满足预期的耐久性性能并同时还具有导电性的可获得的轮胎的折衷的解决方案。
根据本发明，源自非化石资源的弹性体配混物的质量大于或等于轮胎中包含的弹性体配混物的总质量的65％。
当考虑轮胎主要成分的相对质量比例时，除了金属组分之外，发明人优化了由天然橡胶和二氧化硅制成的这些成分的配混物的组成，以满足本发明的目标。作为说明，对于尺寸为50/80R57的轮胎，下表列出了配混物的主要成分及其对轮胎质量的贡献：
[表1]
Figure BDA0003460072840000071
Figure BDA0003460072840000081
上表1显示了轮胎的各种配混物的质量比例，并对需要优先进行处理的配混物进行了分级排序，以完全或部分地消除源自化石产品的组分。通过针对轮胎外周(例如胎面和胎侧)的配混物，以及通过针对内部配混物(例如机械的联接胎体增强件和胎冠增强件的联接配混物以及防蠕动内部增强配混物)，实现了轮胎质量的65％为源自非石油产品的目标。所有这些配混物均具有以phr计的天然橡胶含量为50phr或更高的组成，因此与配混物的其它组分的含量相比，其显著地占主导地位。每种成分相对于其在轮胎中的重量按比例地累加贡献实现了要求保护的目的。
还根据本发明，轮胎的配混物的总质量的至少75％由粘弹性损耗tan(δ)小于或等于0.065且电阻率大于或等于1E+10′Ω.cm的配混物构成。
基于上文描述的以质量分级排序列出配混物的表格，发明人一直在追求以大于或等于50phr的含量使用天然橡胶，同时使用适于降低配混物的滞后性的增强-填料体系的双重目标，但是其缺点为导致配混物电绝缘。测量这些配混物的电阻率产生超过1E+10′Ω.cm的值。相比之下，对于这些配混物中的大部分，通过tan(δ)值表征的滞后性小于或等于0.065。
根据本发明，导电连接配混物层沿径向插入在胎体-胎冠联接层和胎体增强件之间；所述连接层在其轴向外端部处与胎面翼部接触，并在其轴向内端部处与胎体层涂覆配混物接触。
该配混物层的目的是确保用于去除静电电荷的去除路径的连续性。在其轴向外端部，其与胎面翼部接触，所述胎面翼部反过来与地面接触。在另一端(轴向内端部)，其与胎体增强件接触。因此，该连接配混物层是静电电荷去除电路中的一个连接部。
还根据本发明，当轮胎安装至其轮辋上并压缩到地面上时，胎面翼部、连接配混物层、胎体层涂覆配混物和胎圈包布层(其与轮辋接触)构成用于在地面和轮辋之间传导电荷的优选的传导路径。
静电电荷去除路径中的所有配混物的共同点在于其均通过含量至少等于35phr的炭黑增强。其共同点还在于电阻率的值小于或等于1E+06′Ω.cm。获得导电轮胎的目标是使该路径正常运行以去除静电电荷。这意味着在轮胎的整个寿命中需要确保该链中配混物之间的成对接触。
根据本发明的一个实施方案，插入在胎体-胎冠联接层和胎体层涂覆配混物之间的连接配混物层在其径向外端部处在至少10mm的距离LC1上与胎面翼部接触，并在其第二端部(轴向内端部)处同样在至少10mm的距离LC2上与胎体层涂覆配混物接触。
构成用于去除静电电荷的路径的配混物的界面必须沿至少10mm的长度成对接触，以便无论制造不确定性如何，始终能够确保用于去除静电电荷的路径的连续性。用于去除静电电荷的路径需要在轮胎的整个寿命期间都是可使用的。
有利地，沿着垂直于胎体层并穿过所述连接层的中间测得的连接配混物层的厚度的值大于或等于2mm。
连接配混物层不具有机械功能：其是静电电荷去除路径中的一个连接部。因此，其尺寸由通过挤出或压延制造的方法的限制决定。然而，为了确保制造质量的稳定性，发明人已经验证最小厚度为2mm。
还有利地，连接弹性体配混物的橡胶组合物基于聚异戊二烯天然或合成橡胶的基质、交联体系和增强填料，所述增强填料的总含量至多等于50phr，并且主要包含含量至少等于20phr且至多等于50phr的炭黑。
连接弹性体配混物将胎面翼部连接至胎体增强件，以便具有用于去除静电电荷的连续路径。该配混物的组成需要满足电阻率小于或等于1E+06欧姆-厘米的要求。通过包含主要包含含量为至少20phr且至多等于50phr的炭黑的填料来获得该结果。
根据本发明的一个实施方案，至少一个胎面翼部的弹性体配混物为导电橡胶组合物，所述导电橡胶组合物至少基于聚异戊二烯、交联体系和至少一种增强填料，所述增强填料包括炭黑，所述炭黑的特征在于BET表面积至少等于110m2/g，并且含量至少等于30phr且至多等于80phr。
通过BET表面积至少等于110m2/g的炭黑构成的增强填料获得胎面翼部的导电性。至少等于30phr且至多等于80phr的填料的量确保配混物测得的电阻率小于1E+06欧米.厘米，其足以去除静电电荷。
胎面翼部与地面接触，因此需要兼容抓地力和磨损的性能要求，并具有期望的电学性质。因此，胎面翼部具有足够的厚度，以在轮胎的整个寿命期间与地面接触。
优选地，胎面中央部分的弹性体配混物为基于至少一种二烯弹性体、交联体系和增强填料的橡胶组合物，所述增强填料的总含量至多等于40phr，并且所述增强填料包括炭黑和二氧化硅。
在施工场地轮胎中，胎面占配混物总质量的约54％，因此是滞后性的主要来源。为了改善耐久性，一种解决方案包括获得具有极低滞后性的弹性体配混物，以限制温度水平。通过去除在胎面中央部分中使用导电配混物的需要，该配混物可以专注于降低滞后性。以这种方式，获得以在100℃下和10Hz的应力频率下测得的约0.065的tan(δ)表征的粘弹性动态损耗。因此，胎面中央部分的弹性体配混物具有低滞后性，同时在磨损和抓地力的性能方面具有兼容的性质。
优选地，保护层的边缘配混物的橡胶组合物基于聚异戊二烯天然橡胶的基质、交联体系和增强填料，所述增强填料的总含量至多等于50phr，并且主要包含含量至少等于30phr且至多等于50phr的二氧化硅。
边缘配混物以其在胎冠层的轴向端部处阻断剪切应力的功能而众所周知。行驶中的轮胎是胎面的周期性压扁导致在胎冠层的轴向端部处出现大振幅的循环剪切应力的部位。裂纹萌生可能发生在该区域中，并在子午平面的轴向方向中扩展。这种现象在现有技术中被广泛描述为在胎冠层之间出现的开裂，并且在最坏的情况下，其可能导致轮胎劣化。裂纹萌生也可以在平行于赤道平面的平面中在周向方向上扩展。在现有技术中，这种现象被称为分离，因为该方向上的剪切应力使增强体与弹性体涂覆配混物分离。
发明人希望保留边缘配混物阻断剪切应力的功能，同时赋予其低滞后性的附加性质。因此，边缘橡胶的肖氏A硬度非常高(约67的水平)，同时具有以小于0.065的tan(δ)值表征的滞后性。
还优选地，工作层的弹性体边缘配混物具有与保护层的弹性体边缘配混物相同的组成。
弹性体边缘配混物位于工作层和保护层的端部。在工作层的端部，剪切应力的幅值大于保护层的端部的剪切应力。然而，出于与标准化制造相关的原因，对于工作增强件和保护增强件可以使用相同的边缘配混物。
根据本发明的一个实施方案，胎体-胎冠联接层的配混物的橡胶组合物基于聚异戊二烯天然橡胶的基质、交联体系和增强填料，所述增强填料的总含量至多等于55phr，并且主要包含含量至少等于35phr且至多等于55phr的二氧化硅。
如前所述，胎体-胎冠联接层在轮胎的正确运行中起着至关重要的作用。当轮胎充气至其参考压力时，该配混物在子午平面中的剪切将张力传递至胎冠层，所述胎冠层根据增强体与周向方向形成的角度分布。该配混物会发生显著变形，因此需要一种能够最小化滞后性的配方。
发明人提出了一种基于主要用最大含量为55phr的二氧化硅增强的天然橡胶的配混物。该组成具有低滞后性和不使用石油来源的原料的双重优点。因为胎体-胎冠联接配混物位于轮胎的胎肩区域(这是变形最大且温度最高的部位)，因此这更加必要。
有利地，防蠕动增强体的弹性体配混物具有与机械地联接胎体增强件与胎冠增强件的联接弹性体配混物相同的组成。
大部分旨在用充气气体(如例如空气)充气的无内胎轮胎包括由不渗透充气气体的配混物构成并覆盖轮胎的内表面的气密性内衬层。该配混物通常由丁基弹性体组合物构成。
为了限制气密性内衬层在胎体层的增强体之间的蠕动，标准的做法是在气密性内衬层和胎体层之间插入旨在减少或甚至消除这种蠕动的防蠕动配混物层。发明人已经发现，已经在滞后性方面进行优化并具有适当的机械性质的胎体-胎冠联接配混物可以执行这种防蠕动增强体功能。这种选择有助于通过限制所使用的不同材料的数量来标准化制造的方法。
还有利地，胎圈中沿轴向位于胎体层的卷边外侧并沿轴向位于胎侧层内侧的填充物层的弹性体配混物具有与机械地联接胎体增强件和胎冠增强件的联接弹性体配混物相同的组成。
在该实施方案中，联接胎体增强件和胎冠增强件的联接配混物的橡胶组合物基于至少聚异戊二烯天然橡胶的共混物的基质、交联体系和增强填料，所述增强填料总含量至多等于55phr，并且主要包含含量至少等于35phr且至多等于55phr的二氧化硅。在10Hz下在100℃温度下的粘弹性损耗tan(δ)小于或等于0.05。
配混物的上述组成在滞后性和内聚力(因此抗裂性)方面提供了良好的折衷。此外，当该配混物用作胎圈的填充物时，其在其轴向内表面与胎体层的卷边接触。更具体地，在使用过程中在胎肩上起防蠕动作用时，其与涂覆胎体层的涂覆配混物建立接触。这提高了粘合质量，因此提高了界面强度。最后，在承受较重负载的区域中，该配混物的伸长性质有助于胎圈的令人满意的耐久性。在100％变形和1.5MPa的应变下，配混物的伸长大于或等于16％。
在一个优选的实施方案中，每个胎侧的弹性体配混物的橡胶组合物均基于至少一种聚异戊二烯天然橡胶和聚丁二烯的共混物、交联体系和增强填料，所述增强填料的总含量至多等于45phr，并且包含含量至多等于5phr的炭黑，并主要包含含量至少等于20phr且至多等于40phr的二氧化硅。
需要能够在不会不利地影响机械性质(例如疲劳强度，更具体地，抗裂性)的情况下实现滞后性的降低。具体地，施工场地轮胎的胎侧在弯曲变形、攻击以及热应力方面承受非常高的应力。胎侧的这种持久的静态或动态应力在臭氧的存在下会或多或少的导致明显的开裂或出现裂纹，在应力作用下，裂纹的扩展可能会导致所考虑的胎侧发生严重损坏。因此，重要的是，构成轮胎(特别是用于施工场地车辆的轮胎)胎侧的弹性体配混物具有非常好的机械性质，特别是由高含量的增强填料所赋予的机械性质。
优选地，胎面中央部分的弹性体配混物的粘弹性损耗tan(δ)的值至多等于0.065。
优选地，每个胎侧的弹性体配混物的粘弹性损耗tan(δ)的值至多等于0.12。
优选地，胎体-胎冠联接层的弹性体配混物的粘弹性损耗tan(δ)的值至多等于0.06。
优选地，保护层的弹性体边缘配混物的粘弹性损耗tan(δ)的值至多等于0.06。
附图说明
参考图1(未按比例)将更好地理解根据本发明的轮胎的构造，图1显示了轮胎的子午半截面，其关于包含轴线(OZ)的赤道平面对称。
图1示意性地显示了旨在用于自卸车类型车辆的根据本发明的轮胎1。
图2绘示了图1轮胎的胎肩区域的放大图。胎肩区域意指轮胎介于一方面垂直于胎体层并穿过胎侧中间的直线D1和另一方面垂直于胎体层并穿过轴向距离等于胎面相对于赤道平面的标称宽度4/5处的胎面上的点的直线D2之间的部分。
具体实施方式
在本发明的轮胎1的子午平面中，图1显示了：
-胎面20，所述胎面20在其每个轴向端部处包括轴向端部部分或者胎面翼部(27、28)；
-胎冠增强件30，所述胎冠增强件30沿径向位于胎面20的内侧，并至少由保护增强件31和工作增强件32构成。保护增强件31和工作增强件32由涂覆有弹性体配混物的金属增强体(311、322)形成；
-边缘弹性体配混物层37、35，其分别位于保护层31和工作层32的轴向外端部处；
-胎体增强件50，所述胎体增强件50包括至少一个胎体层，所述胎体层由涂覆有导电涂覆弹性体配混物57的金属增强体55构成。金属增强体基本上彼此平行，并与周向方向(XX’)形成在85°至95°之间的角度。胎体层包括主要部分90，所述主要部分90使两个胎圈60彼此连接，并在每个胎圈60中围绕胎圈线64缠绕。胎体层从轮胎的内侧朝向外侧围绕胎圈线64缠绕，从而形成包括端部的卷边62。每个胎圈60中的卷边62使得胎体增强件层50锚固至胎圈60的胎圈线64；
-配混物层45，所述配混物层45插入在胎体增强件50和胎冠增强件30之间，并在胎肩区域中沿着胎体层50沿轴向朝向外侧定位。该配混物层45将胎体增强件50联接至胎冠增强件30。安装在轮辋上的轮胎的加压会在胎体层50的增强体55中产生张力，其反过来又在胎体-胎冠联接配混物45中产生剪切力，然后使胎冠增强件30的增强体拉紧。
-两个胎侧80，所述胎侧80将胎面翼部(27、28)连接至两个胎圈60；
-内腔(100)，所述内腔(100)旨在用气体充气，并从该内腔向外包括：
-气密性内衬层(95)，所述气密性内衬层(95)形成内腔的壁，并旨在与充气气体接触，
-防蠕动层(90)，所述防蠕动层(90)位于气密性内衬层的外侧。
胎面翼部(27、28)的顶部径向外端部在其整个厚度上与胎面中央部分25接触。
图2绘示了图1轮胎的胎肩区域的细节。导电连接配混物层40在胎体-胎冠联接层45上沿径向朝向外侧定位。所述连接层40在其轴向外端部处在长度LC1上与胎面翼部27接触。在另一端部(轴向内端部)处，层40在长度LC2上与涂覆胎体层的涂覆层57接触。
更具体地在根据本发明的尺寸为50/80R57的用于自卸车类型车辆的轮胎的情况下研究了本发明，如图1所示。
在根据本发明生产的轮胎上观察本发明的结果，并与在根据现有技术的包括一体式胎面的相同尺寸的参比轮胎上获得的模拟结果进行比较。
轮胎从胎面到胎圈的几乎所有的成分都使用天然橡胶进行标准化。然而，占轮胎总质量的约12％的质量的胎侧具有包含50phr的天然橡胶和50phr的丁二烯的组成。丁二烯非常好的耐磨性性质意味着其旨在用作轮胎的胎侧成分。考虑到胎侧在轮胎中与环境空气接触的位置，加入抗氧化添加剂以防止其老化。
配混物使用由二氧化硅构成的填料增强，除了属于静电电荷去除路径的配混物，其本身仍然使用炭黑增强。
向某些配混物(例如胎侧)中加入增塑剂，以使其在制造轮胎的过程中更容易加工。选择不包含源自石油的芳族油的增塑剂。这种增塑剂的一个示例为四(二甲基氨基)乙烯(TDAE)。然而，在其它情况下，省去增塑剂，如胎面配混物或者胎体-胎冠联接配混物的情况。
更具体地，发明人使用以下组成用于胎面：
[表2]
Figure BDA0003460072840000151
1-)N134，由Cabot Corporation出售
2-)CRX2125，由Cabot Corporation出售
3)N-(1,3-二甲基丁基)-N-苯基-对-苯二胺，Santoflex 6-PPD，由Flexsys出售
4-)工业级氧化锌，由Umicore出售
5-)N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺，Santocure CBS，由Flexsys出售。
根据胎面中央部分的配混物的组成，天然橡胶的质量占该配混物的质量的62.9％。还对于尺寸为50/80R57的轮胎，胎面中央部分占轮胎的配混物的总质量的54％。换言之，胎面中央部分的组成中的非化石材料的比例占轮胎中配混物的累加质量的34％。对于胎面翼部，基于同样的推理，非化石材料的质量为轮胎的配混物的累加质量的约3％。
表3汇总了在试样上测得并从化学组成的选择中得到的胎面配混物的性质：
[表3]
Figure BDA0003460072840000161
胎面中央部分的配混物的组合物基于弹性体基质和增强填料，所述弹性体基质包含二烯弹性体，所述增强填料主要包含至少部分地覆盖有二氧化硅的填料。
在该实施方案中，胎面中央部分是电绝缘的。因此，沿着本发明限定的传导路径去除静电电荷，该传导路径穿过与地面接触并始终导电的胎面翼部。
当轮胎行驶时，胎面翼部与地面接触。使用足量的炭黑增强基础弹性体确保了电导率小于或等于1E+06欧姆-厘米。该配混物的体积限制为确保静电电荷的传导所需的最小体积。将胎面分为三个部分的解决方案能够增加源自自然资源的弹性体的含量，同时降低滞后性。
在本发明的简化实施方案中，对于保护层和工作层的边缘配混物，发明人使用相同的组成，如下表4所示：
表4
Figure BDA0003460072840000171
根据表4列出的胎冠增强件的层的边缘配混物的组成，天然橡胶的比例为100phr，增强填料的二氧化硅占45phr。为了保持胎冠层的耐久性，防止任何对胎冠耐久性不利的油的迁移，边缘配混物的组成不包含增塑剂。根据该配混物的组成，天然橡胶和二氧化硅的质量占配混物质量的84％，并占配混物总质量的约5.1％。
联接配混物层插入在胎体增强件和胎冠增强件之间。根据本发明，其组成如下表：
[表5]
Figure BDA0003460072840000172
将胎体增强件联接至胎冠增强件的联接层具有比例为100phr的天然橡胶，用35phr的二氧化硅和2phr的炭黑增强。天然橡胶和二氧化硅的累加质量占该配混物质量的89％，并占配混物总质量的6.2％。
将胎体增强件联接至胎冠增强件的联接配混物所起的作用对于轮胎的正确运行至关重要。具体地，安装在轮辋上的轮胎的加压会在胎体层增强体中产生张力，其反过来又在胎体-胎冠联接配混物中产生剪切力，然后使胎体增强件增强体拉紧。联接配混物的机械性质需要适合于本发明的操作。下表汇总了该配混物的主要机械性质：
[表6]
胎体-胎冠联接配混物 性质
电阻率Log(Ω.cm) >11
G’(MPa) 1.15
Tan(δ) 0.06
胎体-胎冠联接配混物在10％变形下的静态刚度模量为1.15MPa，通过tan(δ)测得的滞后性损耗为0.06。
在迈向工业标准化的过程中，发明人发现，将胎体增强件联接至胎冠增强件的联接配混物也可用于胎体层防蠕动增强体和胎圈填充物中。该配混物的性质与轮胎的这两种成分兼容。
至于轮胎胎侧(按质量计，其仅次于胎面占弹性体的第二大成分质量)，其组成也需要使滞后性降低。然而，需要能够在不会不利地影响机械性质(例如疲劳强度，更具体地，抗裂性)的情况下实现滞后性的这种降低。具体地，施工场地轮胎的胎侧在弯曲变形、攻击和热应力方面承受非常高的应力。胎侧的这种持久的静态或动态应力在臭氧的存在下会或多或少的导致明显的开裂或出现裂纹，在应力作用下，裂纹的扩展可能会导致所考虑的胎侧发生极大损坏。因此，重要的是，构成轮胎胎侧的弹性体配混物具有非常好的机械性质，特别是由高含量的增强填料所赋予的机械性质。发明人提出了以下组成：
[表7]
Figure BDA0003460072840000181
胎侧的组成导致通过小于或等于0.12的tan(δ)值测得的低滞后性。用于改善工业加工性的增塑剂相当于10phr的油TDAE。天然橡胶和二氧化硅的累加质量所占的比例为该配混物质量的52.2％。考虑到胎侧的质量相对于不包括金属增强体的轮胎的质量占12％的比例，结合有二氧化硅的天然橡胶的质量所占的比例为轮胎配混物的总质量的6.3％。
下表8概括了本发明的轮胎中存在的非化石材料的比例。每种成分的质量比例均相对于不含金属增强体的轮胎的总质量：
[表8]
Figure BDA0003460072840000191
Figure BDA0003460072840000201
下表9概括了每种成分的粘弹性损耗和电阻率测量值：
[表9]
Figure BDA0003460072840000202
因此，本发明的上述轮胎确实满足要求保护的目标。
下表10列出了在本发明的轮胎上获得的总体结果：
[表10]
Figure BDA0003460072840000211
与常规操作参比相比，本发明的轮胎的电阻降低了至少100倍。
已经通过由源自非化石资源的材料制成的轮胎实现了本发明的目标，所述材料总计为65质量％(不包括金属组分)。在使用中，由于滚动阻力改善了10％，因此通过降低的车辆燃料消耗显著降低了对环境的影响。

Claims (15)

1.用于施工场地类型的重型车辆的轮胎(1)，所述轮胎(1)包括：
-源自非化石和/或化石资源的弹性体配混物，任何弹性体配混物的粘弹性损耗tan(δ)定义为粘性剪切模量G”与弹性剪切模量G’的比值，这些模量值在100℃的温度下在10Hz的频率下测得，并且任何导电弹性体配混物定义为根据标准ASTM-D257测得的电阻率小于或等于1E+06欧米-厘米(′Ω.cm)；
-胎面(20)，所述胎面(20)具有由胎面中央部分(25)沿轴向分隔的两个轴向端部部分或胎面翼部(27、28)；
-胎冠增强件(30)，所述胎冠增强件(30)沿径向位于胎面(20)的内侧，并且包括至少一个保护增强件(31)和工作增强件(32)，所述增强件分别由包含涂覆有弹性体配混物的金属增强体的保护层(311、312)和工作层(321、322)形成，这些层在其轴向端部处具有边缘配混物层(35、37)；
-胎体增强件(50)，所述胎体增强件(50)沿径向位于胎冠增强件(30)的内侧，并包括至少一个胎体层，所述胎体层由涂覆有导电涂覆弹性体配混物(57)的金属增强体(55)构成，所述金属增强体基本上互相平行，并与周向方向(XX’)形成在85°至95°之间的角度，每个胎体层包括主要部分(58)，所述主要部分(58)使两个胎圈(60)彼此连接，并在每个胎圈(60)内围绕胎圈线(64)缠绕，以形成卷边(62)；
-胎体-胎冠联接层(45)，所述胎体-胎冠联接层(45)由导电弹性体配混物构成，并插入在胎体增强件(50)和胎冠增强件(30)之间，并在胎肩区域中沿轴向朝向外侧；
-两个胎侧(80)，所述胎侧(80)将胎面翼部(27、28)连接至两个胎圈(60)，所述胎圈(60)包括旨在与轮辋(70)接触的胎圈包布层(65)；
其特征在于，源自非化石资源的弹性体配混物的质量大于或等于轮胎中包含的弹性体配混物的总质量的65％，轮胎中包含的弹性体配混物的总质量的至少75％由粘弹性损耗tan(δ)小于或等于0.065且电阻率大于或等于1E+10′Ω.cm的弹性体配混物构成，由导电弹性体配混物制成的连接层(40)沿径向插入在胎体-胎冠联接层(45)和胎体增强件(50)之间，并在其轴向外端部处与胎面翼部(27)接触，在其轴向内端部处与胎体层涂覆配混物(57)接触，当轮胎安装至其轮辋(70)上并压缩到地面上时，胎面翼部(27)、连接层(40)、胎体层涂覆配混物(57)和胎圈包布层(65)构成用于在地面和轮辋(70)之间传导电荷的优选的传导路径。
2.根据权利要求1所述的轮胎(1)，其中，连接层(40)在其径向外端部处在等于至少10mm的距离LC1上与胎面翼部(27)接触，并在其轴向内端部处在等于至少10mm的距离LC2上与胎体层涂覆配混物(57)接触。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的轮胎(1)，其中，沿着垂直于胎体层并穿过所述连接层(40)的中间的直线测得的连接层(40)的厚度大于或等于2mm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的轮胎(1)，其中，连接弹性体配混物(40)的橡胶组合物基于聚异戊二烯天然或合成橡胶的基质、交联体系和增强填料，所述增强填料的总含量至多等于50phr，并且主要包含含量至少等于20phr且至多等于50phr的炭黑。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的轮胎(1)，其中，至少一个胎面翼部(27、28)的弹性体配混物为导电橡胶组合物，所述导电橡胶组合物至少基于聚异戊二烯、交联体系和至少一种增强填料，所述增强填料包括炭黑，所述炭黑的特征在于BET表面积至少等于110m2/g，并且含量至少等于30phr且至多等于80phr。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的轮胎(1)，其中，胎面(20)的中央部分(25)的弹性体配混物为基于至少一种二烯弹性体、交联体系和增强填料的橡胶组合物，所述增强填料的总含量至多等于40phr，并且包含炭黑和二氧化硅。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的轮胎(1)，其中，保护层(311、312)的边缘配混物(35)的橡胶组合物基于聚异戊二烯天然橡胶的基质、交联体系和增强填料，所述增强填料的总含量至多等于50phr，并且主要包含含量至少等于30phr且至多等于50phr的二氧化硅。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的轮胎(1)，其中，工作层(321、322)的弹性体边缘配混物(37)具有与保护层(311、312)的弹性体边缘配混物(35)相同的组成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的轮胎(1)，其中，胎体-胎冠联接层(45)的配混物的橡胶组合物基于聚异戊二烯天然橡胶的基质、交联体系和增强填料，所述增强填料的总含量至多等于55phr，并且主要包含含量至少等于35phr且至多等于55phr的二氧化硅。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的轮胎(1)，其中，防蠕动增强体(90)的弹性体配混物具有与机械地联接胎体增强件和胎冠增强件的联接弹性体配混物相同的组成。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的轮胎(1)，其中，胎圈(60)中沿轴向位于胎体层(57)的卷边(62)外侧并沿轴向位于胎侧层(80)内侧的填充物层(61)的弹性体配混物具有与机械地联接胎体增强件和胎冠增强件的联接弹性体配混物相同的组成。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的轮胎(1)，其中，每个胎侧(80)的弹性体配混物的橡胶组合物均基于至少一种聚异戊二烯天然橡胶和聚丁二烯的共混物、交联体系和增强填料，所述增强填料的总含量至多等于45phr，并包含含量至多等于5phr的炭黑，且主要包含含量至少等于20phr且至多等于40phr的二氧化硅。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的轮胎(1)，其中，胎面中央部分(25)的弹性体配混物的粘弹性损耗tan(δ)的值至多等于0.065。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的轮胎(1)，其中，每个胎侧(80)的弹性体配混物的粘弹性损耗tan(δ)的值至多等于0.12。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的轮胎(1)，其中，胎体-胎冠联接层(45)的弹性体配混物的粘弹性损耗tan(δ)的值至多等于0.06。
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