【Crown视界】轮胎行业新材料/新技术/新工艺

摘要: 克罗恩化学本期为大家整理出轮胎制造中应用的新材料、新技术、新工艺。其中白炭黑、环保橡胶油、SSBR等新材料;缺气保用轮胎、标签法、轮胎工业自动化等新技术;低温连续混炼、湿法混炼、半硫化、高温充氮硫化等新工艺,以及相关应用实例。

12-13 02:27 Doctor.Luo 首页 青岛克罗恩化学


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轮胎行业新材料

      在绿色环保的大趋势下,轮胎制造中使用的传统添加剂,正在被一些生态环保的材料所取代,以下这6种新材料,白炭黑、石墨烯、碳纳米管、杜仲胶、银胶菊橡胶、蒲公英橡胶。在轮胎制造业的应用正变得日益广泛。

白炭黑

白炭黑是一种环保、性能优异的助剂,主要生产原料为石英砂、纯碱和硫酸。它具有超强的粘附力、抗撕裂及耐热和抗老化性能。在轮胎制造行业,它可代替炭黑作为补强填料,以获得高质量的橡胶制品,包括各种高性能轮胎。目前,绿色轮胎和硅橡胶需求的增长,以及轮胎生产厂家产能不断扩大,为白炭黑带来持续增长的市场需求。国家鼓励在轮胎和橡胶制品生产中,使用白炭黑替代炭黑。据分析,随着绿色轮胎时代到来,高分散白炭黑的市场需求将呈现跨越式增长。

石墨烯

石墨烯是目前已知最薄、最轻,也最强韧的二维材料。这种材料应用于轮胎生产,可显著优化轮胎的抗磨损能力及抓地力等特性。截至目前,全球石墨烯年产能已达到百吨级,包括轮胎业在内,不少石墨烯研发项目顺利完成,并进入商业化准备期。2016年9月,世界首条石墨烯导静电轮胎生产线,在山东青岛投产运行,这条生产线由青岛森麒麟轮胎股份有限公司与青岛华高墨烯科技股份有限公司联合打造。由华高墨烯公司提供高品质石墨烯,由森麒麟公司提供独特的密炼工艺和世界顶尖的工业4.0轮胎制造生产线,双方的研发团队紧密配合,在世界上首次实现了石墨烯导静电轮胎的量产化业内人士预计,石墨烯产业有望迅速进入井喷发展期,并对传统的轮胎原材料产生颠覆作用。目前,各大轮胎企业正在逐步推出自己的石墨烯轮胎。

碳纳米管

碳纳米管具有优异的力学性能及导电、导热性能。添加这种材料的轮胎,与普通轮胎相比,具有低滚动阻力、高耐磨性能、低碳节能等优势。经检测,这种轮胎拥有高导热、高导电和高耐磨性能。可预见的是,在绿色轮胎产业蓬勃发展的时代潮流下,碳纳米管的应用前景十分广阔。该材料是一种具有特殊结构的一维量子材料,其电导率、热导率通常可达铜的1万倍,抗拉强度是钢的100倍,密度却只有钢的1/6,是实用性广泛的尖端材料。目前,山东丰源轮胎有限公司已生产出市场认可的碳纳米管轮胎。此外,固特异轮胎橡胶公司日前宣布,将在华推出一款新材料轮胎,其核心原料二氧化硅可从稻谷壳中提取

杜仲胶

杜仲胶是具有橡塑二重性的优异高分子材料,具有“橡胶-塑料二重性”特点,是不可多得的天然橡胶替代材料2016年,北京杜仲胶集成材料研究院,在中关村正式挂牌成立。之后,沈阳化工大学研发出基于杜仲胶的自修复功能弹性体材料,可在多个领域广泛应用。近年来,中国在轮胎、高铁及汽车零部件等领域,对杜仲胶集成材料进行了应用开发,均证明其具有巨大的发展潜力。杜仲作为中国特有树种,是世界上适应范围最广的优质胶源树种。我国拥有世界95%以上的杜仲资源,因此其可能更适合我国国情。把杜仲胶采用不同方式用于胎面、胎侧、三角芯或带束层等部位,可明显提高其性能,具有较高的性价比。 同时,杜仲胶新型轮胎明显延长了现有轮胎的使用寿命,可以减少年耗胶量。未来,杜仲胶有望成为破解中国天然橡胶供应不足的重要资源。

银胶菊橡胶

银胶菊是一种生长于美国西南地区的旱生灌木,它可以在干燥地区栽培,其所含橡胶成分的性质与三叶橡胶十分相似。目前,普利司通、倍耐力、固铂等知名轮胎企业,已成功研发出银胶菊橡胶轮胎。经测试,性能与普通橡胶轮胎没有区别。已在美国进行商业化规模种植的银胶菊,有望成为新的天然橡胶替代材料。倍耐力表示:测试模拟了各种极端状况甚至包括湿地路面,新轮胎都表现出了与合成橡胶轮胎相同的性能。

蒲公英

世界上已知所有橡胶品种中,蒲公英橡胶性能最接近三叶橡胶,可直接胶实现替代。三叶橡胶树种植后,需要5-7年才能开始采集树液;而蒲公英从播种到收获只需1年,时间优势更为明显。世界上不少企业和机构在研究利用蒲公英提取橡胶,包括美国固铂、日本普利司通、印度阿波罗及捷克米塔斯等。德国大陆集团称,其研发出的蒲公英橡胶轮胎已经进入测试阶段,并有可能在5年内投入大批量生产。目前,美国、俄罗斯和中国对蒲公英橡胶的研究成果显著。美国研究团队表示,按照这种进展速度,5年后即可进行蒲公英橡胶草的商业化开发。蒲公英橡胶是最接近于三叶橡胶的原材料,有望可以直接代替。 山东玲珑轮胎股份有限公司董事长王锋指出,玲珑轮胎也已组建蒲公英橡胶研发团队,预计研发出的蒲公英橡胶产品,可以继承天然胶80%的性能。

    与此同时,许多新材料已经已广泛在轮胎行业,其目的主要是提高产品性能,应对国内外环保法规、如环保填充油、环保促进剂、新型硅烷偶联剂、SSBR。

环保填充油

受欧盟环保要求,环保填充油已经逐渐取代毒性较大的芳烃油,目前市面上的环保型橡胶填充油主要有4种,即TDAE、 MES、NAP和RAE,都满足环保非致癌要求。具代表性的产品主要有汉圣V700/500,尼纳斯4700。以4700为代表的环保环烷油填充的硫化胶耐磨性能最好,较大负荷下的滚动阻力最低 ,而且货源充足,价格适中,目前已逐渐被众多轮胎企业接受。

环保促进剂

受欧盟环保影响,以及国内环保法规的严厉执行,各种环保促进剂也逐渐取代传统促进剂,促进剂行业也迎来了发展的良机。一些污染性促进剂几近停产,环保促进剂将迎来跨越式发展。

新型硅烷偶联剂

轮胎工业正在寻求一种将轮胎目前的水平提高到下一个更高的水平。人们在怎样改善轮胎的燃油经济性方面给予了很多关注。轮胎生产商能做的方法是增加轮胎胎面胶配方中的白炭黑用量,这需要更大用量的硅烷偶联剂,以使作为补强填充剂的白炭黑可以与生胶反应。当轮胎胶料混炼时,旧一代硅烷偶联剂会释放出乙醇。乙醇的释放被认定为挥发性有机物。由于这个原因,轮胎工业正在发展下一代巯基硅烷偶联剂。这种硅烷偶联剂可以很少甚至不会释放乙醇。另外,在典型的硫黄硫化体系中,这些新型硅烷偶联剂能起到促进剂的作用。

溶聚丁苯橡胶SSBR

溶聚丁苯橡胶具有耐磨、耐寒、生热低、收缩性低、色泽好、灰分少、纯度高以及硫化速度快等优点,兼具有滚动阻力小,抗湿滑性和耐磨性能优异等优点,在轮胎工业,尤其是绿色轮胎、防滑轮胎、超轻量轮胎等高性能轮胎中具有广泛的应用。

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轮胎行业新技术

    轮胎行业也涌现出许多新技术,比如缺气保用轮胎进入普及阶段、斜交胎加速淘汰、标签法推动绿色轮胎发展、轮胎工业自动化成风潮 、智能轮胎逐渐投入实用、自修复轮胎日趋成熟 、非充气轮胎受追捧。

缺气保用轮胎进入普及阶段

缺气保用轮胎已从多年前的新生事物,进入了“寻常百姓家”。 据了解,玲珑、万力、固特异、米其林、普利司通、邓禄普、韩泰、佳通等中外轮胎制造商,都推出了各自的缺气保用胎。 不久前,邓禄普缺气保用胎成功配套英菲尼迪,韩泰缺气保用胎成功套奔驰C级车。 业内人士分析,缺气保用胎以其独特的性得以普及,但也在噪声、舒适度等方面受到部分车主的诟病能。 

斜交胎加速淘汰

“十二五”期间,中国轮胎的子午化率从85%逐步提升至90%,斜交胎被加速淘汰。 作为国内最大的轮胎生产省份,山东省在《轮胎产业转型升级实施方案》中明确提出,将加快淘汰斜交胎产能,到2020年末,淘汰相关产能2000万套。此前,国内陆续有企业完全或部分淘汰了斜交胎。 业内人士称,今后,除了农林业机械轮胎、工业车辆轮胎、特种车辆轮胎等特定领域还需斜交胎外,其市场将变得越来越小。

标签法推动绿色轮胎发展

欧盟“轮胎标签法”曾让中国轮胎企业望而生畏,就像面对美国的“双反”一样。 据悉,国内现在已实施绿色轮胎自律性标准,绿色轮胎强制性分级标签法案将正式实施,所有轮胎都将贴上类似冰箱能效标识的标签。 国内外轮胎标签全面推行,将倒逼国内轮胎企业加速绿色轮胎的生产、布局。 不过,分析人士认为,绿色轮胎在国内仍处于产品导入阶段,很多消费者乃至企业的认知度严重不足,仍将其当成一种时尚概念,而没有真正予以重视。 距离真正普及,绿色轮胎还有很长的路要走。

轮胎工业自动化成风潮 

如今,自动化、智能化不再是国外轮胎巨头的专利,森麒麟、双星、三角、玲珑、中策、双钱、风神、万力等中国企业,都已经开始轮胎生产自动化、智能化的尝试。 森麒麟泰国工厂建成世界轮胎行业自动化、智能化程度最高的生产线;风神轮胎子午胎生产实现了自动化生产线的全部覆盖。 此外,三角轮胎已经建成全数字化的“智能工厂”;青岛双星已启用的4.0工厂,也将打造绿色轮胎智能化生产基地作为目标。万力合肥工厂工业4.0也正式投产。

智能轮胎逐渐投入实用

所谓智能轮胎,就是轮胎内装有计算机芯片,或将计算机芯片与胎体相连接。它能自动监控,并调节轮胎的行驶温度、气压和轮胎使用情况,大大提高轮胎的安全系数。目前,智能轮胎已由前沿技术逐渐转入实用过程。普利司通、固特异、米其林、马牌、韩泰等国际轮胎制造商都已开发出多种智能轮胎技术及产品。 中国在这方面也不甘落后,风神轮胎发布了全钢工程机械数字化智能轮胎,山东青岛开始在公交车上推行智能轮胎。

自修复轮胎日趋成熟

自修复轮胎最新的技术成果是:在橡胶轮胎中加入碳/氮化合物,对橡胶中遭到破坏的聚合物链进行修复。这样,爆胎几个小时后,轮胎便可以进行完全的自我修复。 目前,米其林、韩泰、德国马牌、日本住友橡胶等企业均推出拥有自修复功能的轮胎产品。 在德国,米其林正在斥巨资大规模兴建厂房,扩大自修复轮胎的生产能力。马牌、韩泰等企业研发的自修复轮胎已成功配套大众汽车。 有业内人士认为,自修复轮胎短期内不会在太多车型上采用,因为价格难以让普通消费者接受,其进入普及阶段还需相当时日。 

非充气轮胎受追捧

非充气轮胎摒弃了作为充气轮胎重要组成部分的压缩空气,取而代之以轮胎与轮辋一体化的设计。其轮辋和弹性轮辐可以通过变形来减轻振动,并能够非常轻松地回弹,以吸收来自地面颠簸的能量。由于没有传统轮胎的充气需求,同时也没有传统轮胎的轮辋,所以非充气式轮胎相比于普通轮胎而言具有免维护、免爆胎、免泄露的功能。另外,非充气轮胎在纵向受到冲击载荷时,其内部的支撑结构能够拥有相比于普通的充气轮胎要大得多的形变量,由此减轻了崎岖路面通过轮胎传递到悬架和车身的路面冲击,提高车辆的舒适性表现。自米其林推出全球首款非充气轮胎以来,该类型轮胎广受追捧。近年来,非充气轮胎专利申请量快速增加,涉及该领域的企业越来越多,其中包括米其林、韩泰、普利司通、马牌、横滨等轮胎制造商。这表明业界对其重视程度逐渐升高,研发、投资的规模也越来越大。相比之下,中国轮胎企业在这方面还重视不够。 

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轮胎行业新工艺

      随着轮胎制造业的发展,国内外轮胎技术的革新,轮胎制造业也出现了许多新工艺,炼胶工艺实现低温连续混炼工艺、橡胶湿法混炼工艺、半成品部件实现多机头复合挤出工艺、胎体和带束层帘布压延时进行半硫化工艺、高温充氮硫化工艺。

炼胶工艺实现低温连续混炼

在传统的轮胎制造工艺中,橡胶混炼都是在较高温度下分段进行的。在高温状态下,许多化学原料会发生化学反应,产生的气体和气味不利于人体健康和环境保护,而低温连续混炼就不会产生这种现象,并且提高了生产效率,降低了能源 消耗。低温连续混炼技术是集冷态碎胶、自动称量、一次法炼胶于一体的混炼工艺技术,一般采用“密炼机加6-8台开炼机”配置形式的一次法炼胶工艺,将原有传统的母炼加终炼工艺过程改为母炼到终炼一次完成。胶料通过密炼机高温混炼后,先经过第一台开炼机冷却,再通过中央输送系统对称地分配到周围多个开炼机上进行连续低温混炼,制得终炼胶,全过程实现自动控制。低温一次法连续混炼工艺减少了胶料中间传递环节,节约了混炼时间,使原材料转化为混炼胶的时间由原来的12小时缩短为30分钟,降低了企业原材料占用成本。由于只有一次密炼机高温混炼,胶料大部分时间在开炼机上低温混炼,降低了能耗,同时,低温混炼有利于改善炭黑分散,可以提高胶料的物理机械性能

橡胶湿法混炼

目前我国橡胶工业仍沿用能耗高、产业链长、环保差的机械干炼法,在密炼机中对橡胶/填料/配合剂进行多段混炼,制造每吨混炼胶耗电约400 kW·H,年耗电平均达50亿kW·H,约合人民币近40亿元。因此,混炼工艺的创新改造、节能混炼工艺的开发成为橡胶行业中节能措施的重中之重。混炼工艺的创新主要是将目前的间歇法混炼向连续法混炼工艺发展,其中低温一次法混炼和湿法混炼技术是发展前景最好、节能效果最显著的工艺技术。湿法混炼技术是指将经过预先加工的炭黑、白炭黑等填料制成水分散体,在液态下与橡胶胶乳充分混合,再经凝聚、脱水、干燥等过程生产橡胶混炼胶的方法。与传统的将干胶与炭黑、白炭黑等配合剂在密炼机中进行多段干法混炼完全不同。

半成品部件实现多机头复合挤出

为了提高生产效率,半成品部件的挤出由目前的两复合或三复合,变成四复合甚至五复合,该技术可以将不同性能的胶料在生产过程中合理使用,从而极大地降低生产成本,提高半成品质量,保证设计精度,满足高性能轮胎的制造需求

胎体和带束层帘布压延时进行半硫化

胎体和带束层半成品的质量对轮胎的质量和性能都有较大的影响。为了保证生产过程中帘线不变形,在压延时进行半硫化。该技术既可以减少胶料消耗,又可以改善轮胎的动平衡均匀性,提高外观合格率。玲珑集团在新建的1200万条/年高性能半钢子午胎项目中,对半成品部件采用了电子辐射预硫化技术。经过试验证明,使用该技术可以使胎体重量降低1.5%,仅此一项,每年可节约胶料540余吨,创效益2000多万元。此项技术如果在全行业推广使用,预计山东省轮胎行业每年节约成本约2亿元,经济和社会效益都非常可观。

高温充氮硫化工艺

无论是轿车子午线轮胎、全钢载重子午线轮胎,还是工程机械子午线轮胎,其硫化工艺都将逐步采用充氮硫化工艺,以提高生产效率和降低能源消耗。随着该工艺技术的应用成熟,能耗可降低30%以上,生产成本下降15%-20%,此项技术对于环境保护也用重要影响。

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新材料、新技术、新工艺实际应用案列

米其林C3M技术

Command+Control+Communication&Manufacture,建议译为:指挥、控制、通讯及制造一体化系统.C3M有如下5项技术要点:①连续低温混炼;②直接压出橡胶件;③成型鼓上编织/缠绕骨架层;④预硫化环状胎面;⑤轮胎电热硫化。C3M的关键设备是特种编织机和挤出机。C3M技术通过以成型鼓为核心,合理配置特种编织机组和挤出机组而得以实现。特种编织机环绕成型鼓编织无接头环形胎体帘布层和带束层,并环绕成型鼓缠绕钢丝得到钢丝圈。挤出机组连续低温(90℃以下)混炼胶料,压出胎侧、三角胶条以及其他橡胶件

大陆MMP技术

Modular Manufacturing Process;建议译为:积木式成型法.众所周知,传统的轮胎生产工艺由四大工序组成:①塑/混炼;②压延和压出;③成型;④硫化。现有的轮胎厂,除部分通过购入成品混炼胶而省缺第一道工序外,大多数是上述四道工序全部齐备。MMP打破传统轮胎厂四大工序齐备的模式,将四大工序分割成两大块来操作。第一块包括了传统工艺的第一道工序(塑/混炼)、第二道工序(压延和压出)以及第三道工序的前半部分(胎体成型),第二块包括了传统工艺的第三道工序的后半部分(贴带束层、上胎面)和第四道工序(硫化);执行第一块生产任务的工厂被称之为"平台",执行第二块生产任务的工厂被称之为"卫星厂"。平台负责生产轮胎基本构件并进行预装配,卫星厂负责整体装配并完成轮制造工艺最后硫化。通常,一个平台可配置多间卫星厂,构成辐射网络。 

固特异的IMPACT技术

Integrated Manufacturing Precision Assembly Cellular Technology;建议译为:集成加工精密成型单元技术。若将缩写IMPACT看作是单词Impact,其英文意思为“碰撞、冲击、影响”。因此,海外业内传媒有将IMPACT谑称为Impact的,意喻对传统制造技术产生冲击的新技术。IMPACT有四大要素(又称四大单元):①热成型(Hot Former);②改进控制技术,提高生产效率;③自动化材料输送;④单元式制造。上述四要素既可以单独使用,也可以组合起来使用,而且无论是某个要素还是整个系统与现有的轮胎工艺流程都能够紧密结合成一体。IMPACT不会像其他新一代轮胎制造系统那样与现用系统不兼容。 

倍耐力MIRS技术

MIRS的全称为:Modular Integrated Robotized System;建议译为:积木式集成自动化系统。其精髓是:以成型鼓为中心,组织生产;多组挤出机配合遥控机械手,实现从胶料挤出到成型鼓直接成型;用胎胚气密层代替胶囊进行硫化。MIRS只有3道工序:①预制;②成型;③硫化。预制工序有多台挤出机,每台挤出机配备规格为1×1.5m的卷取轴架,上挂钢丝或浸渍帘线辊筒;架上的多股钢丝或帘线进入挤出机的直角机头,与胶料一同挤出,得到补强胶条,供下游工序使用。成型工序有3组共8台挤出机和3对遥控机械手,分成三工位操作。成型鼓为可折叠式,中空,鼓身由8块厚20mm铝板制成,上有小孔使鼓面与鼓腔连通。成型鼓经预热进入第一工位,并绕轴旋转;挤出机将胶料挤出到成型鼓上,机械手反复辊压胶料,挤出空气,使胶料紧贴鼓面,得到气密层;由于鼓面是热的,胶料被预硫化。接着成型鼓进入第二工位,第二对机械手将预制工序生产的各种补强胶条缠绕在成型鼓上,同时第二组挤出机将胶料挤出到成型鼓上,机械手和挤出机交叉操作,逐步形成胎体帘布层、胎圈等。然后成型鼓进入第三工位,第三对机械手贴预制带束层,挤出机组将隔离胶、胎侧胶、胎面胶直接挤出到成型鼓上,经压实、整形得到完整胎胚。胎胚连同成型鼓一起进入硫化工序,硫化机装在六工位圆盘运输带的立柱上。第一对机械手将未取下成型鼓的胎胚装入硫化机,合模,往成型鼓腔内通人高压氮气,氮气通过鼓壁的通气孔逸出到鼓面,使胎胚胀大,从而脱离鼓面并紧贴硫化模内壁,这样已经预硫化的胎胚气密层实际上起到胶囊的作用。和普通硫化一样,模腔内通人蒸气。经15分硫化后,圆盘运输带到达第六工位,第二对机械手开模,将轮胎连同成型鼓一起取出,折叠成型鼓,得到成品轮胎。成型鼓经拼装后送回第二道工序循环使用。至此完成一个生产周期。

邓禄普的数码轮胎技术

Digital Rolling Simulation,所谓的数码轮胎模拟技术是指在超级计算机中,通过模拟转动轮胎模型,实现各种不同的模拟实验技术。主要由轮胎花纹噪音模拟,空气压力变动模拟,钢丝外力吸收模拟,橡胶配方模拟,磨耗能量分布模拟,实车行驶模拟,气体穿透模拟,轮胎泥泞路面模拟,路面环境模拟等技术构成,数码旋转模拟较好的解决了高速转动中的轮胎无法收集轮胎接地面数据的弊端,缩短了轮胎设计生产周期。

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