WO2020128291A1 - Materiau de renfort contre le fluage de la gomme interne d'un pneumatique pour vehicule lourd de type genie civil - Google Patents

Materiau de renfort contre le fluage de la gomme interne d'un pneumatique pour vehicule lourd de type genie civil Download PDF

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Patricia LAGARDE
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Definitions

  • the present invention relates to a radial tire without an inner tube, intended to equip a heavy vehicle of the civil engineering type and, more particularly, the inner elastomeric layers which are impermeable to the inflation gas of these tires.
  • a radial tire for a heavy vehicle of the civil engineering type is intended to be mounted on a rim whose diameter is at least equal to 25 inches, according to the standard of the European Tire and Rim Technical Organization or ETRTO. It usually equips a heavy vehicle, intended to carry high loads and to roll on aggressive grounds, such as tracks covered with stones.
  • a tire having a geometry of revolution with respect to an axis of rotation its geometry is described in a meridian plane containing its axis of rotation.
  • the radial, axial and circumferential directions respectively designate the directions perpendicular to the axis of rotation, parallel to the axis of rotation and perpendicular to the meridian plane.
  • radially interior means “closer”, respectively “further from the axis of rotation of the tire”.
  • axially exterior is meant “closer”, respectively “further from the equatorial plane of the tire”, the equatorial plane of the tire being the plane passing through the middle of the rolling surface and perpendicular to the axis of rotation.
  • elastomeric mixture an elastomeric material obtained by mixing its various constituents.
  • An elastomeric mixture conventionally comprises an elastomeric matrix comprising at least one diene elastomer of the natural or synthetic rubber type, at least one reinforcing filler of the carbon black type and / or of the silica type, a crosslinking system most often based on sulfur, and protection officers.
  • composition "based on” is meant a composition comprising the mixture and / or the reaction product of the various constituents used, some of these base constituents being capable of, or intended to react between them, at least in part, during the various phases of manufacturing the composition, in particular during its crosslinking or vulcanization.
  • part by weight per hundred parts by weight of elastomer (or pce), it is meant within the meaning of the present invention, the part, by mass per hundred parts of elastomer present in the composition of rubber considered and constituting a layer.
  • any range of values designated by the expression "between a and b" represents the range of values going from more than a to less than b (ie limits a and b excluded) while any range of values designated by the expression “from a to b” signifies the range of values going from a to b (that is to say including the strict limits a and b).
  • a tire comprises two beads, ensuring the mechanical connection between the tire and the rim on which it is mounted, the beads being joined respectively by two sidewalls to a tread, intended to come into contact with the ground via a running surface.
  • a radial tire more particularly comprises a reinforcing reinforcement, comprising a crown reinforcement, radially internal to the tread, and a carcass reinforcement, radially internal to the crown reinforcement.
  • the carcass reinforcement of a radial tire for a heavy vehicle of the civil engineering type usually comprises at least one carcass layer made up of metallic reinforcing elements coated in an elastomeric coating mixture.
  • the metal reinforcing elements are substantially parallel to each other and form, with the circumferential direction, an angle between 85 ° and 95 °.
  • the carcass layer comprises a main part, connecting the two beads together and winding, in each bead, around a rod.
  • the rod comprises a circumferential reinforcement element, most often metallic, surrounded by at least one material, in a non-exhaustive manner, elastomeric or textile.
  • the winding of the carcass layer around the rod goes from the inside towards the outside of the tire to form a reversal, comprising an end.
  • the inversion in each bead allows the carcass reinforcement layer to be anchored to the bead bead.
  • Each bead comprises a filling element extending radially outwardly the rod.
  • the filling element consists of at least one elastomeric filling mixture.
  • the filling element axially separates the main part and the reversal.
  • Each bead also includes a protective element extending radially inward the sidewall and axially outside the inversion.
  • the protective element is also at least partly in contact by its axially outer face with the rim flange.
  • the protective element consists of at least one elastomeric protective mixture.
  • Each bead finally comprises a stuffing element axially internal to the sidewall and to the protective element and axially external to the upturn.
  • the stuffing element consists of at least one elastomeric stuffing mixture.
  • a tire sidewall comprises at least one sidewall layer constituted by an elastomeric mixture and extending axially towards the inside of the tire from an external face of the tire, in contact with atmospheric air. At least in the zone of greatest axial width of the tire, the sidewall extends axially inwards to a carcass layer, axially the outermost of the carcass reinforcement.
  • the portion of the tire mainly concerned by the invention is designated as the shoulder area of the tire. In reality, it is the portion of the tire comprised on the one hand, between the straight line normal to the carcass layer and passing through the middle of the sidewall, and on the other hand, the straight line normal to the carcass layer passing through the point located on the tread positioned at an axial distance equal to 4/5 of its nominal width relative to the equatorial plane.
  • Civil engineering tires with a radial structure have a carcass reinforcement which is connected to the crown reinforcement by a cushion mixture layer positioned along the carcass layer, axially outward in the shoulder zone.
  • This cushion mixture hereinafter referred to as carcass-crown coupling mixture, ensures the coupling of the reinforcement carcass with crown reinforcement.
  • the pressurization of the tire mounted on its rim creates tensions in the reinforcements of the carcass layer which in turn shear the carcass-crown coupling mixture which will then tension the reinforcements of the crown reinforcement.
  • the role of this coupling mixture is essential for the proper functioning of the tire.
  • the dynamic shear modulus G * and the dynamic loss tgô are measured on a viscoanalyzer of the Metravib VA4000 type, according to standard ASTM D 5992-96.
  • the dynamic loss can also be understood by determining the energy loss at 60 ° C by rebound at imposed energy measured at the sixth shock.
  • the value expressed in% is the difference between the energy supplied and the energy returned, compared to the energy supplied.
  • the deformation for the measured losses is 40%.
  • the permeability coefficient of a mixture makes it possible to characterize its sealing or leakage properties with respect to a fluid, generally gaseous. It is the amount of gas transmitted through a surface per unit of time, pressure and thickness. It is therefore a quantity which is expressed in Kg / s.m.Pa, according to the international system of units.
  • the permeability values are measured using a MOCON OXTRAN 2/60 permeability “tester” at 40 ° C. Samples baked in the form of discs of a determined thickness (approximately 0.8 to 1 mm) are mounted on the apparatus and rendered sealed with vacuum grease. One side of the disc is kept under 10 psi of nitrogen while the other side is kept under 10 psi of oxygen. The increase in the oxygen concentration is monitored by using a “Coulox” oxygen detector on the face maintained under nitrogen. The oxygen concentration is noted on the face maintained under nitrogen allowing a constant value to be reached, used to determine the permeability to oxygen. An arbitrary value of 100 is given for the oxygen permeability of the control, a result greater than 100 indicating a reduction in the oxygen permeability therefore a better impermeability.
  • tubeless tires which are also known by the designation "tubeless tires", intended to be inflated with an inflation gas, such as air, have an inner sealing layer consisting of a mixture impermeable to the inflation gas, covering the interior surface of the tire, which mixture is most often formed by an elastomeric composition based on butyl.
  • the inner sealing layer covering the internal surface of the tire without an inner tube makes it possible to avoid deflation of the tire and to protect the sensitive internal zones with respect to the arrival of oxygen and water.
  • the metal reinforcements of the carcass layers which can oxidize on contact with air must be protected from the internal inflation air. Oxidation of the metal reinforcements of the carcass layers can indeed lead to the deterioration of the tire.
  • the carcass layer, as well as the other layers of the carcass blank are placed on a flat cylinder during a so-called making stage.
  • the tire is shaped by inflating the cylindrical blank to produce the well-known toric shape of the tires.
  • the toroidal blank of the tire thus obtained then undergoes additional shaping.
  • creep is understood to mean the physical phenomenon which causes the deferred irreversible deformation, that is to say non-instantaneous, of a material subjected to a constant stress, lower than the elastic limit of the material, during sufficient time.
  • the mixture of the inner sealing layer penetrates between the metal reinforcements of the carcass layer, especially in the shoulder region.
  • the perforation of the inner sealing layer leads to the flattening of the tire, then its deterioration.
  • the level of creep is evaluated visually according to a scale going from 0 to 3.
  • the level 0 corresponds to the absence of creep
  • the level 1 corresponds to a creep where the mixture of the inner sealing layer has penetrated with a depth corresponding to half the diameter of a reinforcement of the carcass layer
  • the penetration depth is equal to the diameter of the reinforcement
  • the penetration depth goes beyond the diameter of the reinforcement of the carcass layer.
  • a known solution to solve such problems consists in greatly increasing the thickness of the inner sealing layer, but such a solution is not optimal both from the point of view of the thermal properties of the tire and that of the cost. Manufacturing.
  • the mixture of the inner sealing layer has, in general, an elastomeric composition with butyl, which leads to high hysteresis and to a relatively high material cost.
  • thermo-oxidation of the coating mixture of the carcass layer Another difficulty encountered in the shoulder zone is the thermo-oxidation of the coating mixture of the carcass layer. Although the mixture of the inner sealing layer is tight, there is still a small amount of oxygen which passes through it to penetrate the coating mixture of the carcass layer. Subjected to the temperature of the internal air which, in a civil engineering tire when running, can reach approximately 90 ° C., the oxygen present in the coating mixture of the carcass layer is at the origin of reactions of thermo-oxidation harmful to the endurance of the tire.
  • the oxidation of the coating mixture of the carcass layer is accelerated by a relatively high temperature. This phenomenon causes premature aging of this mixture, thus weakening it in relation to cracking.
  • the inventors have thus set themselves the objective of improving the thermal endurance of a tire for a civil engineering vehicle, by slowing down the thermo-oxidative evolution of the coating mixture of the carcass layer.
  • a tire for a heavy vehicle of the civil engineering type comprising a crown connected to two sidewalls extended by two beads, the assembly delimiting an interior cavity intended to be inflated by a gas, and comprising, from of the interior cavity:
  • an inner sealing layer constituting the wall of the inner cavity, intended to come into contact with an inflation gas, having a thickness El and constituted by an elastomeric mixture Ml;
  • an anti-creep layer external to the sealing layer, having a thickness E2 and constituted by an elastomeric mixture M2 having an elastic loss P60 measured at 60 ° C;
  • a carcass layer external to the anti-creep layer, constituted, from the inside towards the outside, by an internal carcass coating layer, in contact with the anti-creep layer and having a thickness E3, a layer of metallic reinforcements and an outer carcass coating layer, the inner and outer carcass coating layers being constituted by an elastomeric mixture M3;
  • the thicknesses El, E2 and E3 being measured in a shoulder zone ensuring the transition between the crown and each sidewall of the tire
  • the inner sealing layer has a thickness El in millimeters in the interval
  • the ratio E1 / E2 between the thickness El of the inner sealing layer and the thickness E2 of the anti-creep layer is at most equal to 0.60;
  • the viscoelastic loss P60 of the elastomeric mixture M2 of the anti-creep layer is at most equal to 20%.
  • the main idea of the invention consists in reducing the operating temperature of the tire, in particular in the shoulder area, by limiting the thickness of the inner sealing layer to a very small thickness to ensure sealing, and by optimizing the hysteresis of an anti-creep layer interposed between the carcass layer and the layer inner sealing.
  • the anti-creep layer consists of the mixture M2 with low hysteresis, and has a thickness sufficient to prevent creep in the reinforcements of the carcass layer.
  • the low hysteresis of the M2 mixture causes a drop in temperature on the inner surface of the mixture of the inner sealing layer in contact with the internal inflation air.
  • This drop in temperature at the surface of the mixture M1 in turn leads to an improvement in the permeability of this mixture which therefore reduces the flow of oxygen towards the mass of the tire.
  • the addition of thiosulfate salts in the composition of the M2 mixture acts against its aging and therefore improves the durability of the solution.
  • the diffusion of oxygen up to the coating mixture of the carcass layer is not blocked, it is only limited to be compatible with the use of the pneumatic safely.
  • the solution to avoid the problems of oxidation in the coating mixture of the carcass layer comes down to chemically trapping oxygen by accelerated thermo-oxidation of an elastomeric composition serving as a buffer, placed between the layer of carcass and inner sealing layer.
  • the inner sealing layer has a thickness El in millimeters in the range [2; 4]
  • the inventors have established that the thickness of the inner sealing layer in the range in millimeters from [2; 4] guarantees correct operation of the invention, without loss of pressure detrimental to the endurance of the tire.
  • the sum E2 + E3 of the respective thicknesses E2 of the anti-creep layer and E3 of the inner carcass coating layer is at least equal to 6 mm.
  • the forces due to the conformation of the tire leads to high stresses in the layers axially and radially inside the carcass reinforcement.
  • the coating mixture of the carcass layer begins to creep between the reinforcements, then if the shaping forces are sufficiently high, the inner sealing layer in turn always creeps between the reinforcements of the carcass layer.
  • the evaluation of the thickness of the anti-creep layer depends on the shaping process. The inventors have found that the sum E2 + E3 of the respective thicknesses E2 of the anti-creep layer and E3 of the inner carcass coating layer is at least 6 mm.
  • the ratio of the thickness of the inner sealing layer El, to the thickness of the anti-creep layer E2, E1 / E2, is at most equal to 0.6.
  • a thickness of the inner sealing layer equal to half the thickness of the anti-creep layer is sufficient to guarantee a sealing of the tire compatible for its safe use, according to the inventors.
  • the viscoelastic loss P60 of the elastomeric mixture M2 of the anti-creep layer is at most equal to 20%.
  • the air mass or more generally the mass of the internal inflation gas which is in contact with the internal sealing layer, sees its temperature equilibrate with that of the mixture.
  • the temperature of the internal gas in the case of inflation with air reaches a level of 80 ° C to 90 ° C.
  • the hysteresis of the mixture of the anti-creep layer must decrease significantly with a target value of the loss at 60 ° C less than or equal to 20%.
  • the objective being to obtain a drop in temperature around 5 ° C in the shoulder area to observe proper operation of the invention.
  • composition of the mixture M2 of the anti-creep layer must therefore meet several requirements: when the inflation gas is air, the mixture M2 must have properties to delay the diffusion of oxygen by trapping it in this layer, said mixture must also protect the inner sealing layer from cracks coming from external aggressions with an appropriate thickness and properties of resistance to cracking, finally said mixture M2 must have a low hysteresis to decrease the temperature of the internal air of the cavity.
  • the viscous shear modulus G "of the mixture M2 of the anti-creep layer is less than or equal to 0.15 MPa.
  • the tire works with imposed deformations.
  • the dissipation is therefore directly linked to the viscous shear modulus of the mixture M2.
  • the inventors have established a double condition on the loss at 60 ° C., and on the viscous shear modulus which must be less than 0.15 MPa for the mixtures eligible for the anti-creep station in order to guarantee a lasting functioning of the invention.
  • the elastomeric mixture M2 of the anti-creep layer has a rubber composition based on a matrix of at least one polyisoprene blend of natural or synthetic rubber, of polybutadiene, a crosslinking system, and a reinforcing filler at an overall rate at most equal to 45 phr, and comprising mainly silica at a rate at least equal to 20 phr, and at most equal to 45 phr.
  • the elastomeric base of the M2 blend is a blend of natural rubber polyisoprene, or synthetic polyisopene and polybutadiene, which meets the need for resistance to abrasion attack.
  • Antioxidant additives are added to protect it from aging under the action of oxygen in the inflation air.
  • the gain in hysteresis is obtained by the predominantly silica filler with a rate of between 20 phr and 45 phr.
  • the elastomeric mixture M2 of the anti-creep layer has a rubber composition based on a polyisoprene matrix of natural rubber, or synthetic rubber, of a system of crosslinking, and of a reinforcing filler, at an overall rate at most equal to 45 phr, and comprising mainly carbon black at a rate at least equal to 20 phr and at most equal to 45 phr.
  • the base elastomer of the composition consists of 100% natural rubber.
  • the reinforcing fillers are mainly carbon with a rate ranging from 20 phr to 45 phr, to improve the mechanical resistance and the resistance to abrasion.
  • the mixture M2 of the anti-creep layer has a rubber composition based on a polyisoprene matrix of natural rubber, or synthetic rubber, of a system of crosslinking, and of a reinforcing filler, at an overall rate at most equal to 45 phr, and comprising mainly silica at a rate at least equal to 20 phr and at most equal to 45 phr.
  • the basic elastomer of the composition is still 100% natural rubber, but this time, mainly reinforced with silica.
  • the emphasis here is on the decrease in hysteresis, obtained with the silica filler.
  • the mixture M2 of the anti-creep layer has a composition comprising a thiosulfate salt, sodium hexamethylene 1,6-bisthiosulfate (HTSNa) in proportion from 0.5 phr to 2 phr.
  • a thiosulfate salt sodium hexamethylene 1,6-bisthiosulfate (HTSNa) in proportion from 0.5 phr to 2 phr.
  • thiosulfate salt sodium hexamethylene 1,6-bisthiosulfate
  • the mechanical and hysteretic properties of the anti-creep mixture persist without the degradation linked to the transition to reversion.
  • this thiosulfate salt in the composition of the mixture guarantees the durability of these mechanical and hysteretic properties.
  • thiosulfate salts are relatively inexpensive and relatively neutral vis-à-vis the environment.
  • the mixture of the sidewalls of the tire has the same composition as the anti-creep mixture M2 when its composition is based on a matrix of at least one blend of polyisoprene from natural or synthetic rubber, from polybutadiene, a crosslinking system, and a reinforcing filler at an overall rate at most equal to 45 phr, and comprising mainly silica at a rate at least equal to 20 phr, and at most equal to 45 phr.
  • the performance expectations are close to those of the sidewalls in contact with the external environment.
  • the same composition can be used for these two posts.
  • the sidewalls contribute about 15% of the viscoleastic dissipation of the tire and therefore a composition of low hysteresis contributes to improving the endurance of the tire.
  • the expectations relating to resistance to mechanical attack, abrasion and oxidation lead to choosing highly loaded NR and BR-based elastomers, in accordance with the choices made here.
  • the elastomeric mixture of the cushion layer has the same composition as the anti-creep mixture M2.
  • the cushion layer is positioned along the carcass layer, axially outward, in the shoulder area. It is made of a mixture which ensures the coupling of the carcass reinforcement to the crown reinforcement by shearing.
  • the cushion layer is in contact on its axially inner face with the carcass layer, and on its axially outer face with the composite layers of the crown.
  • the anti-creep mixture M2 has a rubber composition based on a polyisoprene matrix of natural or synthetic rubber, a crosslinking system, and a reinforcing filler at an overall rate at most equal to 45 phr, and mainly comprising silica at a rate at least equal to 20 phr, and at most equal to 45 phr.
  • composition of the mixture as defined above represents a good compromise between cohesion and hysteresis. It is therefore resistant to cracking. Its hysteresis level is relatively low with a P60 viscoelastic loss at 12%. The absence of plasticizer in its composition avoids the problems of oil migration to the composite top layers when this mixture is used in the carcass-top coupling station.
  • the elastomeric mixture of the stuffing element has the same composition as the anti-creep mixture M2.
  • Each bead comprises a stuffing element axially inside the sidewall and the protective element and axially outside the upturn of the carcass layer which comprises metallic reinforcements coated in an elastomeric mixture.
  • the stuffing element is therefore in contact with the mixture for coating the metal reinforcements of the carcass layer.
  • two compositions are possible for the mixture M2.
  • the mixture M2 of the anti-creep layer has a rubber composition based on a matrix of at least one blend of natural rubber polyisoprene, or synthetic polyisoprene, polybutadiene, of a system of crosslinking, and of a reinforcing filler at an overall rate at most equal to 45 phr, and mainly comprising silica at a rate at least equal to 20 phr, and at most equal to 45 phr.
  • the viscoelastic loss at 60 ° C is 12%.
  • the second possible composition for the mixture M2 of the anti-creep layer is to have a rubber composition based on a polyisoprene matrix of natural rubber, or synthetic polyisoprene , of a crosslinking system, and of a reinforcing filler, at an overall rate at most equal to 45 phr, and comprising mainly carbon black at a rate at least equal to 20 phr and at most equal to 45 phr.
  • the viscoelastic loss at 60 ° C is 13.5
  • the mixture M2 with the composition of paragraph [0070] is also eligible for use in a bead filling station of the tire.
  • a third mixture layer hereinafter referred to as the internal bonding layer, is interposed between the inner sealing layer and the anti-creep layer.
  • the premature aging of the mixture of the anti-creep layer results in the initiation of cracks which propagate in the mixture for coating the carcass layer.
  • the mixture of the internal bonding layer is composed of elements to react with the oxygen transmitted through the internal sealing layer. The oxygen thus trapped in the internal bonding layer arrives in small quantity in the anti-creep layer which sees its aging reduced, and therefore its improved endurance.
  • the internal bonding layer interposed between the inner sealing layer and the anti-creep layer and has a thickness equal to 25% of the thickness of the inner layer sealing.
  • the internal bonding layer protects the carcass reinforcement from the oxygen transmitted through the inner sealing layer .
  • the total thickness of this double protective layer measured along the line normal to the carcass layer in the shoulder area of the tire, can reach up to twice the thickness of the inner sealing layer.
  • Figure 1 shows a schematic sectional view in a meridian plane of a tire for heavy vehicle of the civil engineering type according to the invention.
  • Figure 2 is an enlargement in the shoulder area of the positioning of the carcass layer, the anti-creep layer as well as the inner sealing layer.
  • FIG. 1 one can see in a meridian plane of a tire 1 of the invention:
  • a crown 80 connected to two sidewalls 90 extended by two beads 60, the assembly delimiting an internal cavity 100 intended to be swollen by a gas, and comprising, from the interior cavity:
  • a carcass layer 40 external to the anti-creep layer 30, formed, from the inside to the outside, by an internal carcass coating layer 46, in contact with the anti-creep layer 30 and having a thickness E3, a layer of metal reinforcements 44 and an outer carcass coating layer 42, the inner and outer carcass coating layers being constituted by an elastomeric mixture M3;
  • the bead 60 comprises the upturn 62 of the carcass layer 40 around the rod
  • the crown 80 of the tire comprises the crown layers, formed of reinforcements coated in an elastomeric mixture, and each making an angle with a circumferential direction XX ’;
  • the carcass reinforcement 40 is connected to the crown reinforcement 80 by a cushion mixture layer 50 positioned along the carcass layer 40, axially outward in the shoulder zone.
  • This cushion mixture hereinafter designated carcass-crown coupling mixture, ensures the coupling of the carcass reinforcement 40 with the crown reinforcement 80.
  • the thicknesses E1, E2 and E3 are measured in a shoulder zone in the direction normal to the carcass layer passing through the middle of the cushion layer 50.
  • FIG.2 In Figure 2, we can see the carcass layer 40 comprising from the inside to the outside, an inner carcass coating layer 46, in contact with the anti-creep layer 30 and having a thickness E3, a layer of metal reinforcements 44 and an outer carcass coating layer 42 of thickness E2 and finally the inner sealing layer 20 of thickness El, in contact with the internal inflation air.
  • the diameter of the reinforcements of the reinforcement layer 44 is F.
  • the invention has been more particularly studied on a tire for a vehicle of the Dumper type, of dimension 59/80 R63, as shown in FIG. 1.
  • This tire is inflated to 600 KPa for a nominal load to be carried of 100 000 Kg.
  • the carcass layer has an average thickness of 7.8 mm, and the thickness E3 of the coating mixture on the back of the reinforcement is approximately 2.5 mm.
  • the internal sealing layer has a thickness El of 3.5 mm.
  • the anti-creep layer has a thickness E2 of 6 mm.
  • Table 1 below gives examples of the composition of the elastomeric mixture M2 of the anti-creep layer interposed between on the one hand the carcass layer and on the other hand the inner sealing mixture layer:
  • the control mixture of the anti-creep layer has a rubber composition based on a matrix of a blend of natural rubber polyisoprene at 50 phr, polybutadiene at 50 phr, a crosslinking system, and of a reinforcing filler at an overall rate equal to 50 phr comprising only carbon black N330.
  • Mixture A has the same matrix as the control mixture, but with a reinforcing filler comprising carbon black N234 at 3 phr and silica at 29.5 phr.
  • the mixture B has a rubber composition based on a polyisoprene matrix of natural rubber at 100 phr, of a crosslinking system, and of a reinforcing filler of carbon black N330 at an overall rate equal to 35 pce.
  • the mixture C has a rubber composition based on a polyisoprene matrix of natural rubber at 100 phr, a crosslinking system, and a reinforcing filler comprising carbon black N330 at 2 phr and silica at 35 pce.
  • the mixture D is equal to the mixture C but without the thiosulfate salt.
  • the comparison between C and D makes it possible to test the effect of the thiosulfate salt.
  • composition of the anti-creep mixture the following were tested: a matrix effect between a blend of natural rubber and polybutadiene versus a matrix made only of natural rubber, a reinforcing filler effect between carbon black or silica, and finally an effect of thiosulfate salts.
  • the anti-creep mixture C is the composition which best minimizes hysteresis with a loss at 60 ° C, P60 equal to 12%, and a viscous shear modulus of 0.06 MPa.
  • the anti-creep mixture C was used, and on the reference tire, the control anti-creep mixture.
  • the results obtained are the average operating temperature of the tire in the shoulder zone, the average temperature of the internal air in the inflation cavity, the coefficient of permeability of the mixture of the inner sealing layer, summarized in table 3 below. :
  • the drop in hysteresis of the mixture of the anti-creep layer of the tire of the invention resulted in a drop of 3% in the average operating temperature of the tire at the shoulder.
  • the internal air temperature in the cavity has dropped by 5%.
  • the improvement in the permeability of the inner sealing layer is correlated with the drop in internal air temperature. Permeability is linked to temperature by an Arrhenius-type law which expresses the exponential decrease in permeability when the temperature increases. Thus a decrease of 5 ° C in the temperature at the surface of the inner sealing layer improves the permeability of the mixture by at least 20%. The absence of creep of the inner sealing layer was observed on all pneumatic solutions provided with a layer of anti-creep mixture whatever the composition of the mixture M2.

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Abstract

L'invention concerne un pneumatique pour véhicule de Génie Civil dont l'endurance a été améliorée par l'ajout d'une couche de mélange anti-fluage (30), d'épaisseur E2 intercalée entre la couche intérieure d'étanchéité(20), d'épaisseur E1,et la couche d'enrobage des renforts (46) de l'armature de carcasse (40), d'épaisseur E3. Les épaisseurs E1, E2 et E3 étant mesurées, en millimètre, dans une zone d'épaule assurant la transition entre le sommet et chaque flanc du pneumatique, vérifient les relations suivantes: 2≤E1≤4; 6≤E2+E3 E1/E2≥0.6 En outre, la perte viscoélastique P60 du mélange élastomérique M2 de la couche anti- fluage (30) est au plus égale à 20%.

Description

MATERIAU DE RENFORT CONTRE LE FLUAGE DE LA GOMME INTERNE D"UN PNEUMATIQUE POUR VEHICULE LOURD DE TYPE GENIE CIVIL
[0001] La présente invention concerne un pneumatique radial sans chambre à air, destiné à équiper un véhicule lourd de type génie civil et, plus particulièrement, les couches élastomériques intérieures étanches au gaz de gonflage de ces pneumatiques.
[0002] Un pneumatique radial pour véhicule lourd de type génie civil est destiné à être monté sur une jante dont le diamètre est au moins égal à 25 pouces, selon la norme de la European Tyre and Rim Technical Organisation ou ETRTO. Il équipe usuellement un véhicule lourd, destiné à porter des charges élevées et à rouler sur des sols agressifs, tels que des pistes recouvertes de pierres.
[0003] De façon générale, un pneumatique ayant une géométrie de révolution par rapport à un axe de rotation, sa géométrie est décrite dans un plan méridien contenant son axe de rotation. Pour un plan méridien donné, les directions radiale, axiale et circonférentielle désignent respectivement les directions perpendiculaire à l’axe de rotation, parallèle à l’axe de rotation et perpendiculaire au plan méridien.
[0004] Dans ce qui suit, les expressions «radialement intérieur», respectivement «radialement extérieur» signifient «plus proche », respectivement «plus éloigné de l’axe de rotation du pneumatique». Par «axialement intérieur», respectivement «axialement extérieur», on entend «plus proche», respectivement «plus éloigné du plan équatorial du pneumatique», le plan équatorial du pneumatique étant le plan passant par le milieu de la surface de roulement et perpendiculaire à l’axe de rotation.
[0005] On appelle extrémité haute d’un composant du pneumatique, l’extrémité radialement extérieure dudit composant. Inversement, on appelle extrémité basse, l’extrémité radialement intérieure dudit composant.
[0006] Par mélange élastomérique, on entend un matériau élastomérique obtenu par mélangeage de ses divers constituants. Un mélange élastomérique comprend classiquement une matrice élastomérique comprenant au moins un élastomère diénique de type caoutchouc naturel ou synthétique, au moins une charge renforçante de type noir de carbone et/ou de type silice, un système de réticulation le plus souvent à base de soufre, et des agents de protection. [0007] Par l'expression composition "à base de", il faut entendre une composition comportant le mélange et/ou le produit de réaction des différents constituants utilisés, certains de ces constituants de base étant susceptibles de, ou destinés à, réagir entre eux, au moins en partie, lors des différentes phases de fabrication de la composition, en particulier au cours de sa réticulation ou vulcanisation.
[0008] Par l’expression « partie en poids pour cent parties en poids d’élastomère » (ou pce), il faut entendre au sens de la présente invention, la part, en masse pour cent parties d’élastomère présent dans la composition de caoutchouc considérée et constitutive d’une couche.
[0009] Dans la présente description, sauf indication expresse différente, tous les pourcentages (%) indiqués sont des pourcentages (%) en masse. D’autre part, tout intervalle de valeurs désigné par l’expression "entre a et b" représente le domaine de valeurs allant de plus de a à moins de b (c’est-à-dire bornes a et b exclues) tandis que tout intervalle de valeurs désigné par l’expression "de a à b" signifie le domaine de valeurs allant de a jusqu'à b (c’est-à-dire incluant les bornes strictes a et b).
[0010] Un pneumatique comprend deux bourrelets, assurant la liaison mécanique entre le pneumatique et la jante sur laquelle il est monté, les bourrelets étant réunis respectivement par l’intermédiaire de deux flancs à une bande de roulement, destinée à venir en contact avec le sol par l’intermédiaire d’une surface de roulement.
[0011] Un pneumatique radial comprend plus particulièrement une armature de renforcement, comprenant une armature de sommet, radialement intérieure à la bande de roulement, et une armature de carcasse, radialement intérieure à l’armature de sommet.
[0012] L’armature de carcasse d’un pneumatique radial pour véhicule lourd de type génie civil comprend habituellement au moins une couche de carcasse constituée d’éléments de renforcement métalliques enrobés dans un mélange élastomérique d’enrobage. Les éléments de renforcement métalliques sont sensiblement parallèles entre eux et font, avec la direction circonférentielle, un angle compris entre 85° et 95°. La couche de carcasse comprend une partie principale, reliant les deux bourrelets entre eux et s’enroulant, dans chaque bourrelet, autour d’une tringle. La tringle comprend un élément de renforcement circonférentiel le plus souvent métallique entouré d’au moins un matériau, de manière non exhaustive, élastomérique ou textile. L’enroulement de la couche de carcasse autour de la tringle va de l’intérieur vers l’extérieur du pneumatique pour former un retournement, comprenant une extrémité. Le retournement, dans chaque bourrelet, permet l’ancrage de la couche d’armature de carcasse à la tringle du bourrelet.
[0013] Chaque bourrelet comprend un élément de remplissage prolongeant radialement vers l’extérieur la tringle. L’élément de remplissage est constitué d’au moins un mélange élastomérique de remplissage. L’élément de remplissage sépare axialement la partie principale et le retournement.
[0014] Chaque bourrelet comprend également un élément de protection prolongeant radialement vers l’intérieur le flanc et axialement extérieur au retournement. L’élément de protection est également au moins en partie en contact par sa face axialement extérieure avec le rebord de la jante. L’élément de protection est constitué d’au moins un mélange élastomérique de protection.
[0015] Chaque bourrelet comprend enfin un élément de bourrage axialement intérieur au flanc et à l’élément de protection et axialement extérieur au retournement. L’élément de bourrage est constitué d’au moins un mélange élastomérique de bourrage.
[0016] Un flanc de pneumatique comprend au moins une couche de flanc constituée par un mélange élastomérique et s’étendant axialement vers l’intérieur du pneumatique à partir d’une face extérieure du pneumatique, en contact avec l’air atmosphérique. Au moins dans la zone de plus grande largeur axiale du pneumatique, le flanc s’étend axialement vers l’intérieur jusqu’à une couche de carcasse, axialement la plus extérieure de l’armature de carcasse.
[0017] La portion du pneumatique principalement concernée par l’invention est désignée comme étant la zone épaule du pneumatique. En réalité, il s’agit de la portion du pneumatique comprise d’une part, entre la droite normale à la couche de carcasse et passant le milieu du flanc, et d’autre part, la droite normale à la couche de carcasse passant par le point situé sur la bande de roulement positionné à une distance axiale égal au 4/5 de sa largeur nominale par rapport au plan équatorial.
[0018] Les pneumatiques de génie civil à structure radiale ont une armature de carcasse qui est reliée à l’armature de sommet par une couche de mélange coussin positionnée le long de la couche de carcasse, axialement vers l’extérieur dans la zone épaule. Ce mélange coussin ci- après désigné mélange de couplage carcasse-sommet, assure le couplage de l’armature de carcasse avec l’armature de sommet. La mise en pression du pneumatique monté sur sa jante crée des tensions dans les renforts de la couche de carcasse qui à leur tour cisaillent le mélange de couplage carcasse-sommet qui va ensuite mettre en tension les renforts de l’armature de sommet. Le rôle de ce mélange de couplage est essentiel pour le bon fonctionnement du pneumatique.
[0019] En ce qui concerne les mélanges élastomériques, un mélange élastomérique peut être caractérisé mécaniquement, en particulier après cuisson, par ses propriétés dynamiques, telles qu’un module de cisaillement dynamique G*= (G’2+G”2)l/2, où G’ est le module de cisaillement élastique et G” le module de cisaillement visqueux, et une perte dynamique tgô=G”/G’. Le module de cisaillement dynamique G* et la perte dynamique tgô sont mesurés sur un viscoanalyseur de type Metravib VA4000, selon la norme ASTM D 5992-96. On enregistre la réponse d’un échantillon de mélange élastomérique vulcanisé, ayant la forme d’une éprouvette cylindrique de 4 mm d’épaisseur et de 400 mm2 de section, soumis à une sollicitation sinusoïdale en cisaillement simple alterné, à la fréquence de 10Hz, avec un balayage en amplitude de déformation de 0,1% à 50% (cycle aller), puis de 50% à 0,1% (cycle retour), et à une température donnée, par exemple égale à 60 °C. Ces propriétés dynamiques sont ainsi mesurées pour une fréquence égale à 10 Hz, une déformation égale à 50% de l’amplitude de déformation crête-crête et une température pouvant être égale à 60°C ou 100°C.
[0020] La perte dynamique peut aussi être appréhendée par la détermination de la perte d’énergie à 60°C par rebond à énergie imposée mesurée au sixième choc. La valeur exprimée en % est la différence entre l’énergie fournie et l’énergie restituée, rapportée à l’énergie fournie. La déformation pour les pertes mesurées est de 40%.
[0021] Le coefficient de perméabilité d’un mélange permet de caractériser ses propriétés d’étanchéité ou de fuite vis à vis d’un fluide, en général gazeux. C’est la quantité de gaz transmise au travers d’une surface par unité de temps, de pression et d’épaisseur. C’est donc une grandeur qui s’exprime en Kg/s.m.Pa, selon le système international d’unités.
[0022] Les valeurs de perméabilité sont mesurées en utilisant un « testeur » de perméabilité MOCON OXTRAN 2/60 à 40°C. Des échantillons cuits sous forme de disques d'une épaisseur déterminée (approximativement 0,8 à 1 mm) sont montés sur l’appareil et rendus étanches avec de la graisse à vide. L'une des faces du disque est maintenue sous 10 psi d'azote alors que l'autre face est maintenue sous 10 psi d'oxygène. On contrôle l'augmentation de la concentration en oxygène en utilisant un détecteur à oxygène « Coulox » sur la face maintenue sous azote. On note la concentration en oxygène sur la face maintenue sous azote permettant d’atteindre une valeur constante, utilisée pour déterminer la perméabilité à l’oxygène. Une valeur arbitraire de 100 est donnée pour la perméabilité à l’oxygène du témoin, un résultat supérieur à 100 indiquant une diminution de la perméabilité à l’oxygène donc une meilleure imperméabilité.
[0023] La plupart des pneumatiques sans chambre à air, qui sont aussi connus sous la désignation "pneumatiques tubeless”, destinés à être gonflés avec un gaz de gonflage, comme par exemple l’air, comportent une couche intérieure d’étanchéité constituée d’un mélange imperméable au gaz de gonflage, recouvrant la surface intérieure du pneumatique. Ce mélange est le plus souvent formé par une composition élastomérique à base de butyle.
[0024] La couche intérieure d’étanchéité recouvrant la surface interne du pneumatique sans chambre à air, permet d'éviter un dégonflage du pneumatique et de protéger les zones internes sensibles vis-à-vis des arrivées d'oxygène et d'eau. En particulier, les renforts métalliques des couches de carcasse qui peuvent s’oxyder au contact de l’air doivent être protégés de l’air interne de gonflage. Une oxydation des renforts métalliques des couches de carcasse peuvent en effet entraîner la détérioration du pneumatique.
[0025] Lors de la fabrication du pneumatique, la couche de carcasse, ainsi que les autres couches de l’ébauche de carcasse, sont posées sur un cylindre à plat au cours d’une étape dite de confection. A la fin de la confection de l’ébauche de carcasse, on procède à la conformation du pneumatique en gonflant l’ébauche cylindrique de confection pour arriver à la forme torique bien connue des pneumatiques. Lors de la phase du moulage dans le moule de la presse de vulcanisation, l’ébauche torique du pneumatique ainsi obtenue subit alors un supplément de conformation.
[0026] Les différentes transformations subies par les ébauches non vulcanisées de carcasse et de pneumatique provoquent un phénomène dit de fluage des couches intérieures de mélanges, plus particulièrement dans la région épaule du pneumatique, phénomène de fluage qui est variable circonférentiellement en amplitude et qui est un facteur important dans le manque d’endurance de l’armature de carcasse du pneumatique.
[0027] On entend par fluage, le phénomène physique qui provoque la déformation irréversible différée, c'est-à-dire non-instantanée, d’un matériau soumis à une contrainte constante, inférieure à la limite d'élasticité du matériau, pendant une durée suffisante.
[0028] En conséquence du fluage, le mélange de la couche intérieure d’étanchéité pénètre entre les renforts métalliques de la couche de carcasse notamment dans la région de l’épaule. La perforation de la couche intérieure d’étanchéité entraîne la mise à plat du pneumatique, puis sa détérioration.
[0029] Le niveau de fluage est évalué de façon visuelle selon une échelle allant de 0 à 3. Le niveau 0 correspond à l’absence de fluage, le niveau 1 correspond à un fluage où le mélange de la couche intérieure d’étanchéité a pénétré d’une profondeur correspondant à la moitié du diamètre d’un renfort de la couche de carcasse, pour le niveau 2 la profondeur de pénétration est égale au diamètre du renfort, et enfin pour le niveau 3 la profondeur de pénétration va au- delà du diamètre du renfort de la couche de carcasse.
[0030] Une solution connue pour résoudre de tels problèmes consiste à augmenter fortement l’épaisseur de la couche intérieure d’étanchéité, mais une telle solution n’est pas optimale tant du point de vue des propriétés thermiques du pneumatique que de celui du coût de fabrication. Le mélange de la couche intérieure d’étanchéité a, en général, une composition élastomérique avec du butyle, ce qui conduit à une forte hystérèse et à un coût matière relativement élevé.
[0031] Une autre difficulté rencontrée dans la zone épaule est la thermo -oxydation du mélange d’enrobage de la couche de carcasse. Bien que le mélange de la couche intérieure d’étanchéité soit étanche, il existe tout de même une faible quantité d’oxygène qui le traverse pour pénétrer dans le mélange d’enrobage de la couche de carcasse. Soumis à la température de l’air interne qui, dans un pneumatique de génie civil en roulage, peut atteindre environ 90°C, l’oxygène présent dans le mélange d’enrobage de la couche de carcasse est à l’origine de réactions de thermo -oxydation néfastes pour l’endurance du pneumatique.
[0032] En effet, l’oxydation du mélange d’enrobage de la couche de carcasse est accélérée par une température relativement élevée. Ce phénomène occasionne le vieillissement prématuré de ce mélange le fragilisant ainsi par rapport à la fissuration. [0033] Les inventeurs se sont ainsi donnés pour objectif d’améliorer l’endurance thermique d’un pneumatique pour un véhicule de génie civil, en ralentissant l’évolution thermo oxydante du mélange d’enrobage de la couche de carcasse.
[0034] Cet objectif a été atteint par un pneumatique pour véhicule lourd de type génie civil comprenant un sommet relié à deux flancs prolongés par deux bourrelets, l’ensemble délimitant une cavité intérieure destinée à être gonflée par un gaz, et comprenant, à partir de la cavité intérieure :
- une couche intérieure d’étanchéité constituant la paroi de la cavité intérieure, destinée à entrer en contact avec un gaz de gonflage, ayant une épaisseur El et constituée par un mélange élastomérique Ml ;
- une couche anti-fluage, extérieure à la couche d’étanchéité, ayant une épaisseur E2 et constituée par un mélange élastomérique M2 ayant une perte élastique P60 mesurée à 60°C ;
- une couche de carcasse, extérieure à la couche anti-fluage, constituée, de l’intérieur vers l’extérieur, par une couche intérieure d’enrobage de carcasse, en contact avec la couche anti- fluage et ayant une épaisseur E3, une couche de renforts métalliques et une couche extérieure d’enrobage de carcasse, les couches intérieure et extérieure d’enrobage de carcasse étant constituées par un mélange élastomérique M3 ;
- les épaisseurs El, E2 et E3 étant mesurées dans une zone d’épaule assurant la transition entre le sommet et chaque flanc du pneumatique,
- la couche intérieure d’étanchéité a une épaisseur El en millimètre comprise dans l’intervalle
[2 ; 4] ;
- la somme E2+E3 des épaisseurs respectives E2 de la couche anti-fluage et E3 de la couche intérieure d’enrobage de carcasse est au moins égale à 6 mm ;
- le rapport E1/E2 entre l’épaisseur El de la couche intérieure d’étanchéité et l’épaisseur E2 de la couche anti-fluage est au plus égal à 0.60 ;
- la perte viscoélastique P60 du mélange élastomérique M2 de la couche anti-fluage est au plus égale à 20%.
[0035] L’idée principale de l’invention consiste à diminuer la température de fonctionnement du pneumatique, notamment dans la zone épaule, en limitant l’épaisseur de la couche intérieure d’étanchéité à une très faible épaisseur pour assurer l’étanchéité, et en optimisant l’hystérèse d’une couche anti-fluage intercalée entre la couche de carcasse et la couche intérieure d’étanchéité. La couche anti-fluage est constituée du mélange M2 à faible hystérèse, et a une épaisseur suffisante pour éviter le fluage dans les renforts de la couche de carcasse.
[0036] La faible hystérèse du mélange M2 entraîne une baisse de température sur la surface intérieure du mélange de la couche intérieure d’étanchéité en contact avec l’air interne de gonflage. Cette baisse de température à la surface du mélange Ml entraîne à son tour une amélioration de la perméabilité de ce mélange qui diminue donc le flux d’oxygène vers la masse du pneumatique. Par ailleurs dans certaines réalisations de l’invention, l’ajout de sels thiosulfate dans la composition du mélange M2 agit contre son vieillissement et donc améliore la pérennité de la solution.
[0037] Avec l’introduction de la couche anti-fluage, la diffusion de l’oxygène jusqu’au mélange d’enrobage de la couche de carcasse n’est pas bloquée, elle est seulement limitée pour être compatible avec l’utilisation du pneumatique en toute sécurité.
[0038] La solution pour éviter les problèmes d'oxydation dans le mélange d’enrobage de la couche de carcasse se résume à piéger chimiquement l’oxygène par thermo -oxydation accélérée d'une composition élastomérique servant de tampon, disposée entre la couche de carcasse et la couche intérieure d’étanchéité.
[0039] Selon l’invention, la couche intérieure d’étanchéité a une épaisseur El en millimètre comprise dans l’intervalle [2 ; 4]
[0040] Sur le périmètre dimensionnel considéré, les inventeurs ont établi que l’épaisseur de la couche intérieure d’étanchéité comprise dans l’intervalle en millimètre de [2; 4] garantit un fonctionnement correct de l’invention, sans perte de pression préjudiciable pour l’endurance du pneumatique.
[0041] Encore selon l’invention, la somme E2+E3 des épaisseurs respectives E2 de la couche anti-fluage et E3 de la couche intérieure d’enrobage de carcasse est au moins égale à 6 mm.
[0042] Lors de la fabrication du pneumatique, les efforts dus à la conformation du bandage conduit à des contraintes élevées dans les couches axialement et radialement intérieures à l’armature de carcasse. En l’absence de la couche anti-fluage, le mélange d’enrobage de la couche de carcasse commence par fluer entre les renforts, puis si les efforts de conformation sont suffisamment élevés, la couche intérieure d’étanchéité finit à son tour par fluer toujours entre les renforts de la couche de carcasse.
[0043] L’évaluation de l’épaisseur de la couche anti-fluage dépend du procédé de conformation. Les inventeurs ont trouvé que la somme E2+E3 des épaisseurs respectives E2 de la couche anti-fluage et E3 de la couche intérieure d’enrobage de carcasse est au moins égale à 6 mm.
[0044] Encore selon l’invention, le rapport de l’épaisseur de la couche intérieure d’étanchéité El, sur l’épaisseur de la couche anti-fluage E2, E1/E2, est au plus égal à 0.6.
[0045] Il s’agit d’avoir ici, une couche intérieure d’étanchéité d’une épaisseur El, limitée au juste nécessaire pour diminuer la diffusion de l’oxygène vers la masse du pneumatique. Une épaisseur de la couche intérieure d’étanchéité égale à la moitié de l’épaisseur de la couche anti-fluage suffit à garantir une étanchéité du pneumatique compatible pour son utilisation en toute sécurité, d’après les inventeurs.
[0046] D’après l’invention, la perte viscoélastique P60 du mélange élastomérique M2 de la couche anti-fluage est au plus égale à 20%.
[0047] Lors du roulage d’un pneumatique de génie civil, une partie de l’énergie fournie pour entretenir le mouvement du véhicule est dissipée sous forme de chaleur. Pour les pneumatiques sans la couche anti-fluage, la masse d’air, ou plus généralement la masse du gaz interne de gonflage qui est en contact avec la couche intérieure d’étanchéité voit sa température s’équilibrer avec celle du mélange. Typiquement, sur un pneumatique de dimension, 59/80R63, à une vitesse de 28 km/h, la température du gaz interne dans le cas d’un gonflage à l’air atteint un niveau 80°C à 90°C.
[0048] L’hystérèse du mélange de la couche anti-fluage doit diminuer signifîcativement avec une valeur à viser de la perte à 60°C inférieure ou égale à 20%. L’objectif étant d’obtenir une baisse de température autour de 5°C dans la zone épaule pour observer un bon fonctionnement de l’invention.
[0049] La composition du mélange M2 de la couche anti-fluage doit répondre donc à plusieurs exigences : quand le gaz de gonflage est de l’air, le mélange M2 doit avoir des propriétés pour retarder la diffusion de l’oxygène en le piégeant dans cette couche, ledit mélange doit aussi protéger la couche intérieure d’étanchéité des fissures provenant d’agressions extérieures avec une épaisseur appropriée et des propriétés de résistance à la fissuration, enfin ledit mélange M2 doit avoir une faible hystérèse pour diminuer la température de l’air interne de la cavité.
[0050] Il est avantageux que le module de cisaillement visqueux G" du mélange M2 de la couche anti-fluage soit inférieur ou égal à 0.15 MPa.
[0051] Dans la zone étudiée, le pneumatique travaille à déformations imposées. La dissipation est donc directement liée au module de cisaillement visqueux du mélange M2. Les inventeurs ont établi une double condition sur la perte à 60°C, et sur le module de cisaillement visqueux qui doit être inférieur à 0.15 MPa pour les mélanges éligibles au poste anti-fluage afin de garantir un fonctionnement pérenne de l’invention.
[0052] Selon un premier mode réalisation de l’invention, le mélange élastomérique M2 de la couche anti-fluage a une composition de caoutchouc à base d’une matrice d’au moins un coupage de polyisoprène de caoutchouc naturel ou de synthèse, de polybutadiène, d’un système de réticulation, et d’une charge renforçante à un taux global au plus égal à 45 pce, et comprenant majoritairement de la silice à un taux au moins égal à 20 pce, et au plus égal à 45 pce.
[0053] La base élastomérique du mélange M2 est un coupage de polyisoprène de caoutchouc naturel, ou de polyisopène de synthèse et de polybutadiène, qui répond au besoin de résistance aux agressions d’abrasion. Des additifs antioxydants sont ajoutés pour le protéger du vieillissement sous l’action de l’oxygène de l’air de gonflage. Le gain en hystérèse est obtenu par la charge en silice majoritairement avec un taux compris entre 20 pce et 45 pce.
[0054] Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, le mélange élastomérique M2 de la couche anti-fluage a une composition de caoutchouc à base d’une matrice de polyisoprène de caoutchouc naturel, ou de synthèse, d’un système de réticulation, et d’une charge renforçante, à un taux global au plus égal à 45 pce, et comprenant majoritairement du noir de carbone à un taux au moins égal à 20 pce et au plus égal à 45 pce.
[0055] Dans ce mode de réalisation de l’invention, l’élastomère de base de la composition est constitué de caoutchouc naturel à 100%. Les charges renforçantes sont principalement du carbone avec un taux allant de 20 pce à 45 pce, pour améliorer la résistance mécanique et la résistance à l’abrasion. [0056] Selon un troisième mode de réalisation préférée de l’invention, le mélange M2 de la couche anti-fluage a une composition de caoutchouc à base d’une matrice de polyisoprène de caoutchouc naturel, ou de synthèse, d’un système de réticulation, et d’une charge renforçante, à un taux global au plus égal à 45 pce, et comprenant majoritairement de la silice à un taux au moins égal à 20 pce et au plus égal à 45 pce.
[0057] Dans ce troisième mode de réalisation préférée de l’invention, l’élastomère de base de la composition est toujours du caoutchouc naturel à 100%, mais cette fois-ci, renforcé avec de la silice majoritairement. L’accent est mis ici sur la baisse de l’hystérèse, obtenue avec la charge en silice.
[0058] Avantageusement, le mélange M2 de la couche anti-fluage a une composition comprenant un sel de thiosulfate, l’hexaméthylène 1,6-bisthiosulfate de sodium (HTSNa) en proportion de 0.5 pce à 2 pce.
[0059] La présence du sel de thiosulfate, l’hexaméthylène 1,6-bisthiosulfate de sodium, agit bénéfïquement contre la réversion lors de la phase cuisson du pneumatique. De ce fait, les propriétés mécaniques et hystérétiques du mélange anti-fluage perdurent sans la dégradation liée au passage en réversion. En outre, durant l’utilisation du pneumatique qui fonctionne avec un environnement thermique élevé, la présence de ce sel de thiosulfate dans la composition du mélange garantit la pérennité de ces propriétés mécaniques et hystérétiques. En outre, les sels de thiosulfate sont relativement peu onéreux et relativement neutres vis-à-vis de l'environnement.
[0060] Il est avantageux que le mélange des flancs du pneumatique ait la même composition que le mélange anti-fluage M2 quand sa composition est à base d’une matrice d’au moins un coupage de polyisoprène de caoutchouc naturel ou de synthèse, de polybutadiène, d’un système de réticulation, et d’une charge renforçante à un taux global au plus égal à 45 pce, et comprenant majoritairement de la silice à un taux au moins égal à 20 pce, et au plus égal à 45 pce.
[0061] Bien que le mélange de la couche anti-fluage soit positionnée à l’intérieur du pneumatique, les attendues de performances sont proches de celles des flancs en contact avec l’environnement extérieur. Pour une optimisation du coût de fabrication du pneumatique en limitant le nombre de matériaux utilisés, la même composition peut être utilisée pour ces deux postes. Les flancs contribuent pour environ 15% de la dissipation viscoléastique du pneumatique et donc une composition de faible hystérèse participe à l’amélioration de l’endurance du pneumatique. Par ailleurs, les attendues relatives aux résistances aux agressions mécaniques, à l’abrasion et à l’oxydation conduisent à choisir des élastomères à base de NR et de BR fortement chargés, conformément aux choix opérés ici.
[0062] Selon un mode de réalisation l’invention telle que définie à la revendication 5, le mélange élastomérique de la couche coussin a la même composition que le mélange anti- fluage M2.
[0063] La couche coussin est positionnée le long de la couche de carcasse, axialement vers l’extérieur, dans la zone épaule. Elle est constituée d’un mélange qui assure le couplage de l’armature de carcasse à l’armature de sommet par cisaillement. La couche coussin est en contact sur sa face axialement intérieure avec la couche de carcasse, et sur sa face axialement extérieure avec les couches composites du sommet.
[0064] Dans cette configuration, le mélange anti-fluage M2 a une composition de caoutchouc à base d’une matrice de polyisoprène de caoutchouc naturel ou de synthèse, d’un système de réticulation, et d’une charge renforçante à un taux global au plus égal à 45 pce, et comprenant majoritairement de la silice à un taux au moins égal à 20 pce, et au plus égal à 45 pce.
[0065] La composition du mélange telle que définie ci-dessus, représente un bon compromis entre la cohésion et l’hystérèse. Il est donc résistant à la fissuration. Son niveau en hystérèse est relativement faible avec une perte viscoélastique P60 à 12%. L’absence de plastifiant dans sa composition évite les problèmes de migration d’huile vers les couches sommet composites quand ce mélange est utilisé dans le poste couplage carcasse-sommet.
[0066] Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le mélange élastomérique de l’élément de bourrage a la même composition que le mélange anti-fluage M2.
[0067] Chaque bourrelet comprend un élément de bourrage axialement intérieur au flanc et à l’élément de protection et axialement extérieur au retournement de la couche de carcasse qui comprend des renforts métalliques enrobés dans un mélange élastomérique. L’élément de bourrage est donc en contact avec le mélange d’enrobage des renforts métalliques de la couche de carcasse. [0068] Dans ce mode de réalisation, deux compositions sont possibles pour le mélange M2. Dans le premier cas, le mélange M2 de la couche anti-fluage a une composition de caoutchouc à base d’une matrice d’au moins un coupage de polyisoprène de caoutchouc naturel, ou de polyisoprène de synthèse, de polybutadiène, d’un système de réticulation, et d’une charge renforçante à un taux global au plus égal à 45 pce, et comprenant majoritairement de la silice à un taux au moins égal à 20 pce, et au plus égal à 45 pce. La perte viscoélastique à 60°C est à 12 %.
[0069] Avec la composition du mélange ci-dessus citée, on retrouve un bon compris sur l’hystérèse et la cohésion et donc sur la résistance à la fissuration. Par ailleurs, quand ce mélange est utilisé en poste de bourrage du bourrelet, il est en contact avec le retournement de la couche de carcasse sur la face axialement intérieure. Plus précisément, le contact s’établit avec le mélange d’enrobage de la couche de carcasse comme lors d’une utilisation en poste anti-fluage à l’épaule. La qualité de l’adhésion et donc la tenue de l’interface est favorisée. Enfin, dans la zone qui subit de fortes charges, les propriétés d’allongement de ce mélange participent à une bonne endurance du bourrelet. Sous une contrainte à 100% de déformation, de 1.5 MPa, l’allongement du mélange peut atteindre 15%.
[0070] Toujours dans ce même mode de réalisation, la deuxième composition possible pour le mélange M2 de la couche anti-fluage est d’avoir une composition de caoutchouc à base d’une matrice de polyisoprène de caoutchouc naturel, ou de polyisoprène de synthèse, d’un système de réticulation, et d’une charge renforçante, à un taux global au plus égal à 45 pce, et comprenant majoritairement du noir de carbone à un taux au moins égal à 20 pce et au plus égal à 45 pce. La perte viscoélastique à 60°C est à 13.5
[0071] Pour les mêmes raisons que celles vues précédemment au paragraphe [0069], le mélange M2 dotée de la composition du paragraphe [0070] est également éligible à un usage en poste de bourrage bourrelet du pneumatique.
[0072] Selon un mode de réalisation de l’invention, une troisième couche de mélange, ci- après désignée couche de liaison interne, est intercalée entre la couche intérieure d’étanchéité et la couche anti-fluage.
[0073] Pour certaines dimensions pneumatiques, le vieillissement prématuré du mélange de la couche anti-fluage se traduit par des amorces de fissures qui se propagent dans le mélange d’enrobage de la couche de carcasse. Dans ces cas, il devient donc nécessaire d’ajouter une couche de mélange de liaison interne supplémentaire entre la couche intérieure d’étanchéité et la couche anti-fluage. Le mélange de la couche de liaison interne est composé d’éléments pour réagir avec l’oxygène transmis au travers de la couche intérieure d’étanchéité. L’oxygène ainsi piégé dans la couche de liaison interne arrive en faible quantité dans la couche anti-fluage qui voit son vieillissement atténué, et donc son endurance améliorée.
[0074] Selon un autre mode de réalisation de l’invention, la couche de liaison interne, intercalé entre la couche intérieure d’étanchéité et la couche anti-fluage et a une épaisseur égale à 25 % de l’épaisseur de la couche intérieure d’étanchéité.
[0075] Dans cette configuration de l’invention, deux barrières de mélanges sont introduites: la couche de liaison interne, et la couche anti-fluage protègent l’armature de carcasse de l’oxygène transmis au travers de la couche intérieure d’étanchéité. L’épaisseur totale de cette double couche de protection, mesurée selon la droite normale à la couche de carcasse dans la zone épaule du pneumatique peut atteindre jusqu’au double de l’épaisseur de la couche intérieure d’ étanchéité .
[0076] Les caractéristiques de l’invention seront mieux comprises à l’aide de la description de des figures annexées 1 et 2, non à l’échelle pour une présentation simplifiée.
[0077] [Fig.l] la figure 1 représente une vue schématique en coupe dans un plan méridien d’un pneumatique pour véhicule lourd de type génie civil selon l’invention.
[0078] La figure 2 est un agrandissement dans la zone épaule du positionnement de la couche de carcasse, de la couche anti-fluage ainsi que la couche intérieure d’étanchéité.
[0079] Sur la figure 1, on peut voir dans un plan méridien d’un pneumatique 1 de l’invention : Un sommet 80 relié à deux flancs 90 prolongés par deux bourrelets 60, l’ensemble délimitant une cavité intérieure 100 destinée à être gonflée par un gaz, et comprenant, à partir de la cavité intérieure :
- une couche intérieure d’étanchéité 20 constituant la paroi de la cavité intérieure 100, destinée à entrer en contact avec un gaz de gonflage, ayant une épaisseur El et constituée par un mélange élastomérique Ml ;
- une couche de mélange anti-fluage 30, extérieure à la couche d’étanchéité, ayant une épaisseur E2 et constituée par un mélange élastomérique M2 ayant une perte élastique P60 mesurée à 60°C ;
- une couche de carcasse 40, extérieure à la couche de anti-fluage 30, constituée, de l’intérieur vers l’extérieur, par une couche intérieure d’enrobage de carcasse 46, en contact avec la couche anti-fluage 30 et ayant une épaisseur E3, une couche de renforts métalliques 44 et une couche extérieure d’enrobage de carcasse 42, les couches intérieure et extérieure d’enrobage de carcasse étant constituées par un mélange élastomérique M3 ;
- le bourrelet 60 comprend le retournement 62 de la couche de carcasse 40 autour de la tringle
64, un élément de remplissage 63 de la cavité formée par la partie principale de la couche de carcasse 40 et son retournement 62, un élément de protection 65 destiné à être en contact avec la jante 70 ;
- le sommet 80 du pneumatique comprend les couches de sommet, formées de renforts enrobés dans un mélange élastomérique, et faisant chacune un angle avec une direction circonférentielle XX’ ;
- l’armature de carcasse 40 est reliée à l’armature de sommet 80 par une couche de mélange coussin 50 positionnée le long de la couche de carcasse 40, axialement vers l’extérieur dans la zone épaule. Ce mélange coussin ci-après désigné mélange de couplage carcasse-sommet, assure le couplage de l’armature de carcasse 40 avec l’armature de sommet 80.
- les épaisseurs El, E2 et E3 sont mesurées dans une zone épaule dans la direction normale à la couche de carcasse passant par le milieu de la couche coussin 50.
[0080] [Fig.2] Sur la figure 2, on peut voir la couche de carcasse 40 comprenant de l’intérieur vers l’extérieur, une couche intérieure d’enrobage de carcasse 46, en contact avec la couche anti-fluage 30 et ayant une épaisseur E3, une couche de renforts métalliques 44 et une couche extérieure d’enrobage de carcasse 42 d’épaisseur E2 et enfin la couche intérieure d’étanchéité 20 d’épaisseur El, en contact avec l’air interne de gonflage. Le diamètre des renforts de la couche de renforts 44 est F.
[0081] L’invention a été plus particulièrement étudiée sur un pneumatique pour véhicule de type Dumper, de dimension 59/80 R63, telle que représentée sur la figure 1. Ce pneumatique est gonflé à 600 KPa pour une charge nominale à porter de 100 000 Kg.
[0082] Les résultats de l’invention ont été constatés sur un pneumatique réalisé suivant l’invention, comparés aux résultats de simulation obtenus sur un pneu de référence de même dimension conformément à l’état de l’art, c’est-à-dire sans la présence d’une couche anti- fluage optimisé en hystérèse.
[0083] Pour ce pneumatique, la couche de carcasse a une épaisseur moyenne de 7.8 mm, et l’épaisseur E3 du mélange d’enrobage au dos du renfort est d’environ 2.5 mm. La couche interne d’étanchéité a une épaisseur El de 3.5 mm. La couche anti-fluage a une épaisseur E2 de 6 mm.
[0084] Le tableau 1 qui suit donne des exemples de composition du mélange élastomérique M2 de la couche anti-fluage intercalée entre d’une part la couche de carcasse et d’autre part la couche de mélange intérieur d’étanchéité :
[0085] [Tableau 1]
Figure imgf000019_0001
[0086] Le mélange témoin de la couche anti-fluage a une composition de caoutchouc à base d’une matrice d’un coupage de polyisoprène de caoutchouc naturel à 50 pce, de polybutadiène à 50 pce, d’un système de réticulation, et d’une charge renforçante à un taux global égal de 50 pce comprenant uniquement du noir de carbone N330.
[0087] Le mélange A a la même matrice que le mélange témoin, mais avec une charge renforçante comprenant du noir de carbone N234 à 3 pce et de la silice à 29.5 pce.
[0088] Le mélange B a une composition de caoutchouc à base d’une matrice de polyisoprène de caoutchouc naturel à 100 pce, d’un système de réticulation, et d’une charge renforçante de noir de carbone N330 à un taux global égal à 35 pce. [0089] Le mélange C a une composition de caoutchouc à base d’une matrice de polyisoprène de caoutchouc naturel à 100 pce, d’un système de réticulation, et d’une charge renforçante comprenant du noir de carbone N330 à 2 pce et de la silice à 35 pce.
[0090] Le mélange D est égal au mélange C mais sans le sel de thiosulfate. La comparaison entre C et D permet de tester l’effet du sel de thiosulfate.
[0091] En résumé, pour la composition du mélange anti-fluage, ont été testés : un effet de matrice entre un coupage de caoutchouc naturel et de polybutadiène versus une matrice uniquement en caoutchouc naturel, un effet de charge renforçante entre du noir de carbone ou de la silice, et enfin un effet de sels thiosulfate.
[0092] Pour le pneumatique de l’invention, les caractérisations des mélanges testés pour la couche anti-fluage sont regroupées dans le tableau 2 suivant:
[Tableau 2]
Figure imgf000020_0001
[0093] Le mélange anti-fluage C est la composition qui minimise le mieux l’hystérèse avec une perte à 60°C, P60 égale à 12%, et un module de cisaillement visqueux de 0.06 MPa.
[0094] L’effet des sels thiosulfate se lit sur les résultats des mélanges C et D. Pour le mélange C, la perte hystérétique varie de 12% à 15 % respectivement avant et après vieillissement. Autrement dit, l’hystérèse se dégrade de 25% avec le vieillissement en présence de sels thiosulfate. Pour le mélange D, sans sel thiosulfate, la dégradation de l’hystérèse est d’environ 35% pour le même vieillissement.
[0095] Pour le pneumatique de l’invention, le mélange anti-fluage C a été utilisé, et sur le pneumatique de référence, le mélange anti-fluage témoin. Les résultats obtenus sont la température moyenne de fonctionnement du pneumatique dans la zone épaule, la température moyenne de l’air interne dans la cavité de gonflage, le coefficient de perméabilité du mélange de la couche intérieure d’étanchéité, résumés dans le tableau 3 suivant :
[Tableau 3]
Figure imgf000021_0001
[0096] La baisse de l’hystérèse du mélange de la couche anti-fluage du pneumatique de l’invention a entraîné une baisse de 3% de la température moyenne de fonctionnement du pneumatique à l’épaule. La température de l’air interne dans la cavité a, quant à elle, baissé de 5%.
[0097] On observe une amélioration du coefficient de perméabilité du mélange de la couche intérieure d’étanchéité de 20% à 40%.
[0098] L’amélioration de la perméabilité de la couche intérieure d’étanchéité est corrélée avec la baisse de température de l’air interne. La perméabilité est reliée à la température par une loi de type Arrhenius qui exprime la décroissance exponentielle de la perméabilité quand la température croit. C’est ainsi qu’une diminution de 5°C de la température à la surface de la couche intérieure d’étanchéité, améliore la perméabilité du mélange d’au moins 20%. [0099] L’absence de fluage de la couche intérieure d’étanchéité a été observée sur toutes les solutions pneumatiques dotées d’une couche de mélange anti-fluage quelle que soit la composition du mélange M2.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Pneumatique (1) pour véhicule de Génie Civil comprenant un sommet (80) relié à deux flancs (90) prolongés par deux bourrelets (60), l’ensemble délimitant une cavité intérieure (100) destinée à être gonflée par un gaz, et comprenant, à partir de la cavité intérieure :
-une couche intérieure d’étanchéité (20) constituant la paroi de la cavité intérieure, destinée à entrer en contact avec un gaz de gonflage, ayant une épaisseur El et constituée par un mélange élastomérique Ml ;
-une couche anti-fluage (30), extérieure à la couche intérieure d’étanchéité, ayant une épaisseur E2 et constituée par un mélange élastomérique M2 ayant une perte élastique P60 mesurée à 60°C ;
-une couche de carcasse (40), extérieure à la couche anti-fluage (30), constituée, de l’intérieur vers l’extérieur, par une couche intérieure d’enrobage de carcasse (46), en contact avec la couche anti-fluage (30) et ayant une épaisseur E3, une couche de renforts métalliques (44) et une couche extérieure d’enrobage de carcasse (42), les couches intérieure et extérieure d’enrobage de carcasse étant constituées par un mélange élastomérique M3 ;
-les épaisseurs El, E2 et E3 étant mesurées dans une zone d’épaule assurant la transition entre le sommet et chaque flanc du pneumatique,
caractérisé en ce que la couche intérieure d’étanchéité (20) a une épaisseur El en millimètre comprise dans l’intervalle [2 ;4], en ce que la somme E2+E3 des épaisseurs respectives E2 de la couche anti-fluage (30) et E3 de la couche intérieure d’enrobage de carcasse (46) est au moins égale à 6 mm, en ce que le rapport E1/E2 entre l’épaisseur El de la couche intérieure d’étanchéité (20) et l’épaisseur E2 de la couche anti-fluage (30) est au plus égal à 0.60 et en ce que la perte viscoélastique P60 du mélange élastomérique M2 de la couche anti-fluage (30) est au plus égale à 20%.
[Revendication 2] Pneumatique(l) selon la revendication 1, le mélange élastomérique M2 de la couche anti-fluage (30) ayant un module de cisaillement visqueux G", dans lequel le module de cisaillement visqueux G" du mélange élastomérique M2 de la couche anti-fluage (30) est au plus égal à 0.15MPa.
[Revendication 3] Pneumatique(l) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le mélange élastomérique M2 de la couche anti-fluage (30) a une composition de caoutchouc à base d’une matrice d’au moins un coupage de polyisoprène de caoutchouc naturel ou de synthèse, de polybutadiène, d’un système de réticulation, et d’une charge renforçante à un taux global au plus égal à 45 pce, et comprenant majoritairement de la silice à un taux au moins égal à 20 pce, et au plus égal à 45 pce.
[Revendication 4] Pneumatique(l) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le mélange élastomérique M2 de la couche anti-fluage (30) a une composition de caoutchouc à base d’une matrice de polyisoprène de caoutchouc naturel ou de synthèse, d’un système de réticulation, et d’une charge renforçante à un taux global au plus égal à 45 pce, et comprenant majoritairement du noir de carbone à un taux au moins égal à 20 pce, et au plus égal à 45 pce.
[Revendication 5] Pneumatique(l) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le mélange élastomérique M2 de la couche anti-fluage (30) a une composition de caoutchouc à base d’une matrice de polyisoprène de caoutchouc naturel ou de synthèse, d’un système de réticulation, et d’une charge renforçante à un taux global au plus égal à 45 pce, et comprenant majoritairement de la silice à un taux au moins égal à 20 pce, et au plus égal à 45 pce.
[Revendication 6] Pneumatique (1) selon l’une des revendications 4 ou 5, dans lequel le mélange élastomérique M2 de la couche anti-fluage (30) a une composition comprenant un sel de thiosulfate, l’hexaméthylène 1,6-bisthiosulfate de sodium en proportion de 0.5 pce à 2 pce.
[Revendication 7] Pneumatique(l) selon la revendication 3, ayant deux flancs (90) constitués chacun d’un mélange élastomérique reliant la bande de roulement (10) au bourrelet (60), dans lequel le mélange des flancs (90) a la même composition que le mélange anti- fluage M2.
[Revendication 8] Pneumatique(l) selon la revendication 5, ayant une couche coussin (50) positionnée le long de la couche de carcasse (40), axialement vers l’extérieur, dans la zone épaule, étant constituée d’un mélange élastomérique dans lequel le mélange élastomérique de la couche coussin (50) a la même composition que le mélange anti-fluage M2.
[Revendication 9] Pneumatique(l) selon l’une des revendications 3 ou 4, chaque bourrelet (60) comprenant un élément de bourrage (61), axialement intérieur au flanc (90), et axialement extérieur au retournement (62), l’élément de bourrage (61) étant constitué d’au moins un mélange élastomérique dans lequel le mélange élastomérique de l’élément de bourrage (61) a la même composition que le mélange anti-fluage M2.
[Revendication 10] Pneumatique (1) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel une couche de liaison constituée par un mélange élastomérique M4 est intercalée entre la couche intérieure d’étanchéité (20) et la couche anti-fluage (30).
[Revendication 11] Pneumatique (1) selon la revendication 7, dans lequel, la couche de liaison a une épaisseur E4 égale à 25 % de l’épaisseur El de la couche intérieure d’étanchéité (20).
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