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载重子午胎配方设计原理
载重子午胎线轮胎的配方设计除遵循轮胎配方设计的一般原理以外，由于它的结构特点和制造要求，在配方设计上具有它的特殊性。
一、 午胎结构特点及其优越性
从斜交结构轮胎到子午线结构轮胎系充气轮胎的重大变革，由于它的优越性能，发展迅速，目前世界上子午胎已占轮胎产量的90%，而我国轮胎子午化率仅达35%左右，所以要加快发展。
所谓子午线，系地球从北极到南极通过格林威治的那条经线叫0°经线，又称本初子午线，其他经线通称子午线。如图1，轮胎的两个胎圈尤其如南北极，胎体帘线按子午线排列，称之为子午胎。
子午胎整体系刚柔结合，在胎冠周向有多层钢丝帘线紧着，产生胎冠部位的刚性，在胎圈由胎圈钢丝及各种硬胶组成，产生胎圈刚性。
在胎侧部位仅有一层钢丝帘线全钢丝载重子午胎不管多大规格或多大负荷，仅是一层钢丝帘线）和胎侧胶组成，产生柔性部位。
由于以上结构特点，在轮胎力学上具有“两大”、“四小”的特点。
二大：（1）侧向变形大
（2）法向变形大
四小：（1）周向变形小
（2）滚动变形小
（3）高速旋转下变形小
（4）材料变形小
由于子午胎力学上具有这些特点，带来许多优越性能：
（1） 滚动阴力低，节油。
（2） 高速安全性，生热低。
（3） 耐磨、耐刺、耐用。
（4） 减震，乘坐舒适，汽车配件减少损坏。
（5） 操纵性好，直线行驶性高，驱动力、制动力、索动力、索引力大，转向稳定。
二、 载重子午胎配方设计特点
1． 部件多，硬胶多
一条外胎组成部件有16-17种之多，而配方至少也有13-14外，比载重斜交胎和轿车子午胎都复杂多，而且胶料硬度高，门尼粘度高的配方也多，对工艺装备要求高，工艺条件严格。
根据其结构特点，带束层承受了轮胎整个内应力的60-75%，为保证一个刚性整体，胶料硬度高（一般77-81度），同时胶料与钢丝帘线的粘合力要高，附胶要好，在热氧、机械和介质（水）的作用下能保持较高水平。带束层与胎体，胎面产生相当大的剪切应力，胶料承受高度的应变强度，为分散这种高强剪切应力，除带束层胶本身要求很高的性能的外，在其上、下应设过渡胶。
载重子午盈的胎侧径向变形比斜交胎大10-30%，承受应力比斜交胎约高出一倍，在胎侧中部经受双向伸张，在胎圈区和胎面端部则受到双向压缩。剪切应力最大区域则易损坏部位。首先钢丝圈承受应力要比斜交胎大30-40%，胎侧柔性易造成胎圈刚性不足，变形大，行驶稳定性差，因此，子口部位需十分重视，各种胶料性能的匹配要严格按设计达到要求。
载重轮胎除确定其室内各种性能之外，非常重要的就是根据不同的使用条件进行调整，避免出现轮胎冠空、肩空、子口裂、胎侧起鼓等质量问题。所以载重子午盈配方设计院是复杂的。子午胎的翻新率也将是一个重要问题。
2． 材料要求高，天然胶比例高
为满足各种不同部件的要求，原材料设置品种多，一条外胎多达50多种，且对质量要求高，性能波动范围较小，否则就导致轮胎质量问题，常用品种如附表1所示：
载重子午胎根据其结构特点及制造工艺要求，使用全天然胶的部件较多，天然胶具有物性和工艺的综合性能高，尤其是与钢丝粘合胶，均为全天然胶，未硫化胶的强度，粘合性能是至关重要的，天然胶在外胎中约占耗胶的80%以上，对合成胶使用比例虽不高，但对特殊性能要求，也使用了一些新的胶种，如高顺式异戊橡胶，低顺式聚丁二烯橡胶，新型溴化丁基胶等。
根据多年来对国外载重子午胎使用胶种的分析，有许多相同之处，如胎侧胶均用45-55BR，耐磨条（子口护胶）均用50-80BR或LCBR；气密层胶均用90-100CIIR或BIIR，此外，胎圈钢丝胶有的公司用SBR/NR，胎面胶也有个别用少量SBR或NR的。而其他主要部件均为100 NR详见（附表2）。
3． 胶料性能的匹配
3．1刚性匹配
一般以定伸应力，硬度表征，子午胎以硬度表示其刚性匹配更为确切些，定伸应力也应以较低形京戏原应力，如100%或以下为宜。
硬度匹配如下：（各公司情况不完全相同）
胎面胶 69-73 （越野型要低一些）
带束层胶 77-81 带束垫胶 61-55
胎体层胶 75-79 气密层胶 54-58
胎侧胶 56-60 子口护胶 83-87
上胶芯胶 64-68 下胶芯胶 92-96
胎圈钢丝胶 77-81
3．2硫化速度匹配
由于系全钢丝结构，硫化历程明显不同于斜交胎和半钢丝子午胎。胶囊方向传热热比模外温传热更快，胎面胶硫化速度要适当加快，而钢丝帘布胶适当慢些。
3．3界面层的关系
界面层的化学作用及其结合强度问题应考虑。
硫化过程，S、促进剂进行迁移，界面层交联结构特性及物性产生变化接触部件界面层尽量采用相同的胶种，避免影响界面层硫化的同步性。
三、 橡胶与钢丝粘合，只有当S和橡胶交联反应速度同步，才能获得最佳的粘合水平。载重子午胎的各部件配方设计。
1.胎面胶
根据九十年代国外大轮胎公司对胎面胶配方设计具有高定伸、高强度、高弹性、低生热、中等硬度的趋势，详见表3。
当然轮胎使用条件不同，用途不同，在硬度和不定期伸应力方面作适当调整，如好路面（一般为条形花纹）硬度和定伸要高些，差些的路面（一般越野型花纹）而相对要低一些，但由于载重子午胎胎冠刚性较大，在硬度方面要保持较为达到此目的，具体设计如下：
1.1生胶
选用100%天然胶，一般用标准胶，但也有个别掺用20-30%。顺丁胶或丁苯胶的。
1.2补强体系
一般选用耐磨性较高的N110系列炭黑，其中N121炭黑结构高，定伸应力高，而N115在结构上与N110相当但比表面积略高，综合性能比N110进一步。从价格考虑N324，在综合性能方面应与N115接近，详见附表4：
最大特点是选用了白炭黑和硅烷偶联剂SI-69，目前白炭黑用量为15PHR左右，炭黑40-45PHR，而SI-69为1.5-2.0 PHR，这种配方与工程胎耐刺扎配方类似。
从现代轮胎性能要求，采用白炭黑取代部份炭黑已成为趋势，其目的系为降低滚动阴力而又保持较高防滑性如下例：
胶料编号
1
2
3
4
N339
50
39
37
37
白炭黑

18
20
10
CipTone1(3%A189)

10．3
Si-69

0．4
0．4

NS
1．4
1．95
2．05
2．05
性能

门尼粘度
59
74
72
74．5
硬度
66
69
68
68
100%定伸
2．4
2．6
2．7
2．6
拉伸强度
25．9
23．9
22．2
24．2
抗割口增长指数
100
136
130
122
皮克磨耗指数
136
137
138
137
0°tg§
0．18
0．19
0．18
0．19
60°tg§
0．178
0．16
0．154
0．156
1.3硫化体系
采用较低S（1-1.2PHR）和促进剂NS，与Si-69组成平衡硫化体系这个配方抗硫化原性与老化性能都是较好的。
1.4防老体系
防老剂4020+RD+抗臭氧防护蜡，已成为标准型的防护体系，用量一般2.0/1-1.5-2.0要综合考虑静态和动态老化。
1.5操作助剂
本配方不加油或操作油较少（＜4PHR＝，加入加工助剂对混炼，挤出都是必要的进口的AS0或国内A、Z210等等已较多。此外，由于采用SMR胶，直接混炼时加入塑解剂是必要的，还有防焦剂CTP。此配方掌握好混炼和热炼，挤出工艺非常重要。
胎面胶以上主要系胎冠胶的设计，还应设置胎面基部胶（或过渡胶），对大规格轮胎设此部件尤为重要的，主要弹性高，生热低，含胶率高些，有利于与带束层的结合。
1. 胎侧胶
采用高、中、低定伸匹配都有，各有理由，一般300%定伸在8-10Mpa或者更低些，要有很好的耐曲挠性，因此均采用BR/NR，BR用量40-60 PHR，几乎各公司都差不多，炭黑多为N375挤出性能及挺性较好，也有用N330、N660单用或并用，与国内斜交胎侧胶配方类似，但BR系克服子午胎胎侧顺向裂口的很好措施，在防老剂选用上很重要，现有非污染的黑色胎侧胶以及白胎侧胶配方。
2. 带束层、胎体层胶
这是子午胎的关键部件配方，硬度76-78，300%定伸16-19MPA较多，要求与钢丝粘合很好，同时，要求混炼胶较高的强度，挺性和粘性，但又易于操作。
通常采用NR100（SNR10），炭里有N375，N326，N330，各有优缺点。为了与钢丝镀铜的作用，S用量都较高，（一般4PHR左右），采用高稳定不溶性硫黄系列，同时为充油IS，一般为充油量20%和33%，促进剂以DZ对粘合效果较好。
粘合体系一般有如下几种类型
（1） 树脂—间甲或间甲白
以间苯二酚和甲醛或乙醛缩合的树脂，为—CH2接受体，有RE、RS、RL、RH、COFFILL-LL等。
—CH2给予体以粘合剂A为常用，有A、RA、HMMM等，配比一般RE/A=1/2特点湿热老化粘合好。
（2） 钴盐粘合增进剂
这类有环烷酸钴，硬脂酸钴，葵酸钴、硼酸钴等，其特 是动态粘合物但硫化敏感性大
（3） 间甲白钴复合体系
即由间苯二酚树胎，粘合A，硼酸钴（划葵酸钴），白炭黑组成。
综合性能较佳，系较新的粘合体系。
（4） 加入SI-69改善动态粘合性能。
详见附表
4. 胎圈部位胶
4.1 上下胶芯胶
下胶芯胶具有很高的硬度，高达92-96度上胶芯胶要有则柔过渡的特点，既有一定硬度又要曲挠性好。
胶料增硬的方法有：
（1） 高炭黑量，高S量。
（2） 树脂增硬，一般补强树脂/HMT=10/1
（3） 其他增硬剂高苯乙烯，苯甲酸等。
有的同时加入粘合剂，钴盐既增硬双提高粘全性。
现在多采用第（2）方法，并适当增加炭黑（N375）用量，适当加入增粘树脂出是必要的。
4.2 子口护胶(耐磨条)
要求中够的硬度,耐磨性.
因此采用BR/NR,BR50-90PHR,一般70 PHR,而且采用低顺式LCBR.
增硬采用高炭黑量（80份左右)还要加入加工助剂
4.3 胎圈钢丝夹胶
这是不可忽视的胶料,一般以NR/SBR或者IR/SBR,高炭黑、高S量增硬，同时与钢丝有较好的粘合，有的加入粘合体系。
以上各胶均具高硬度，高门尼，在混炼工艺、挤出工艺方面要控制好胶温，避免很快喷霜。
5、气密层胶
一般为两层或三层胶组成，胶料根据其作用有所不同。
气密层采用NR/CIIR并有用，或CIIR、BIIR单用，后者进一步提高气密性，BIIR100工艺更好，且价格两者相同，有用BIIR代替CIIR的趋势。
对气密层胶的要求：
（1） 混炼容易
（2） 减少气泡，成型粘性，硫化后附着力
（3） 减薄厚度
（4） 提高生胶强度
（5） 较快应力松驰
（6） 增加填料含量同时保持曲挠
（7） 降低生胶热敏感性
（8） 加快硫化速度同时足够的焦时间
最近发展的星形卤化丁基胶，能较好满足以上要求。详见附表6

附表6几种气密层胶配方比较
卤化丁胶
BIIR2222
SBB6222
BIIR2235
MD86-6
特征
低门尼溴化
低门尼星形
中门尼溴化
中门尼星形接枝
生胶门尼粘度
30
33
37
38
胶
N660环烷矿物油
40NS
SP1068树脂
硬脂胶
MgO
ZnO-80
S
DM
100
60
8
7
4
2
0.15
3
0.5
1.5
100

同左
100

同左
100

同左
合计
186.15

混炼胶门尼
ts(135℃)Min
ts290(160℃)Min
生胶强度,Psi(100%模量)

硬度
100%定伸应力,Mpa
300%定伸应力,Mpa
拉伸强度,Mpa
扯断伸长率%
松驰(75%)时间Min

53
14
29.9
39.3

57
1.3
4.3
9.3
721
1.5
49
14.9
27.7
48.5

54
1.4
3.9
7.7
683
1.5
62
16.6
24.2
46.9

60
1.2
3.7
9.1
812
2.4
58
19.2
21.3
54.3

61
1.3
3.9
9.0
727
2.0

5