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高性能子午线轮胎胶料产业分析报告
2016-11-25 15:30:53 阅读

  近年来,随着绿色轮胎兴起,降低滚动阻力的同时能兼顾湿地抓着力和耐磨性,成为了现阶段高性能子午线轮胎追求的主要目标,也是轮胎行业的一个技术难题。

  针对国内轮胎行业的发展状况和产业需求,国家知识产权局专利分析普及推广项目高性能子午线轮胎课题组从胎面胶料、石墨烯填充体系和带束层胶料三个视角出发,对轮胎胶料技术进行了深度剖析。
PART 1——胎面胶料
 
  胎面胶料按照技术内容可分为基体橡胶、填充体系、配方优化、其它添加剂、加工工艺和硫化体系6个技术分支。图1显示了主要申请地对胎面胶料各分支的关注度,从中可以看出,日本、美国、欧洲对基体橡胶给予了足够的重视,韩国对填充体系的关注度最高,而中国对胎面胶料各分支的关注度与其它申请地有很大差别,其关注度最高的在其它方面,主要包括对胎面胶的配方优化。
 
 
  在基体橡胶方面,日本是最大的技术来源国,其在欧洲和中国的申请量超过了欧洲和中国的本土申请人在本国申请的申请量,说明日本非常重视欧美和中国的市场。美国是第二大技术来源国,其专利布局侧重美国本土和欧洲。中国的申请量集中在国内,可见我国在胎面基体橡胶领域与日本、美国等技术大国相比,技术积累不足,无法进入高端技术竞争激烈的日本和欧美市场。
 

 
  胎面胶料的基体橡胶大部分采用天然橡胶,鉴于目前天然橡胶供需紧缺以及我国对外依存度高,因而迫切需要开发天然橡胶的替代技术,目前,替代技术主要集中在其它橡胶体系和其它橡胶的改性这两个技术分支。
 
 

  根据上述技术路线图,可以总结出以下三种替代天然橡胶的技术路线:

  (1)通过调节丁苯橡胶中苯乙烯含量、乙烯基含量和聚合物链段分布以改善轮胎的滚动阻力、抗湿滑性和耐磨性等性能,由此提高胎面胶中丁苯橡胶的用量,从而降低天然橡胶的使用。在此技术路线上,有米其林公司在1992年申请的标志性的“绿色轮胎”专利EP0501227A1。

  (2)在合成丁苯橡胶中加入异戊二烯共聚单体以改善橡胶的性能,进而替代天然橡胶,异戊二烯共聚单体的加入可以提高弹性和加工性能,同时也可以保持丁二烯链段带来的低滚动阻力和高耐磨性,以及苯乙烯链段的高抗湿滑性。

  (3)使用改性剂对橡胶分子末端进行改性,以提高橡胶的性能进而替代天然橡胶。近年来对橡胶分子链的改性技术的申请量呈飞速增长态势,该领域是如今和未来的研究热点。
PART 2——胎面胶料中的石墨烯填充体系
 
  在填充体系领域,石墨烯开始受到人们广泛关注,涉及该填料的专利申请量自2009年开始逐年上升。截至2014年年底,将石墨烯作为胎面胶填充体系的全球专利申请共计23项,全部来自于美国、欧洲、日本、韩国和中国这五个地区,参考图4。
 
 
  石墨烯(Graphene) 是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,具有非常好的导热性和电导性,以及高强度、超轻薄、超大比表面积等特性,作为填充体系应用于胎面胶能够从三个方面提高胎面胶性能,分别是导电性、导热性和机械性能,其中,能够有效提高胎面胶的强度、耐磨性、抓地性、耐久性等性能,并能解决白炭黑静电积累问题以及胎面胶热量积累问题,从而可以很好地平衡传统填充体系无法克服的性能缺陷。
 
 
  从石墨烯用作胎面胶填充体系的专利申请的技术路线图中看,在石墨烯方面中国申请人多以大学科研院所为主,这与外国申请人以企业为主的情况不同,虽然目前有关石墨烯的技术尚处在科研阶段,但国外轮胎生产商Vittoria最近已经公布了一款石墨烯自行车轮胎,石墨烯轮胎产业化已经不远,中国企业需要对这个领域予以重视,适当时候可以与大学科研院所联手,推动我国石墨烯轮胎产业化进程。
 
PART 3——带束层胶料
 
  在带束层材料领域,最受重视的是带束层材料的粘结性能,按照对粘结性能的改进手段划分为基体橡胶、帘线、粘结剂、制备方法和其它手段五个技术分支,其中,带束层胶料配方的改进归入其它类中。从图6中可以看出,对于改进粘结性能,全球专利申请侧重通过改进粘结剂和改进帘线来提高粘结性能,而在华专利申请侧重通过改进粘结剂和调整胶料配方来提高粘结性能。
 
 
  对于改进粘结性能中最常采用的粘结剂,按照种类划分为含甲醛类粘结剂、不含甲醛的金属盐类粘结剂、不含甲醛的小分子类粘结剂、不含甲醛的高分子类粘结剂四个技术分支,各分支的发展趋势略有不同。如图7中所示,改进含甲醛的粘结剂的专利申请量处于下降趋势中,从上世纪六十年代开始,国外申请人的相关专利的研究重点就在于改进亚甲基给予体或亚甲基受体以降低毒性和保持良好的粘结性。
 
 
  与含甲醛类粘结剂相反的是,金属盐类粘结剂仍是2000年以后的研究重点,并且,小分子类粘结剂和高分子类粘结剂也成为了2000年以后的研究热点。
 
 
  从图8中展示的带束层胶料领域的粘结剂技术演进路线中可以看出:在金属盐类粘结剂改进路线上,研发人员通常采用两种途径来提高钴盐类粘结剂的性能,一种是将钴盐与其它金属盐或金属氧化物混合使用,这种途径是最常被采用的研发路线,另一种是将钴和其它金属复合在一种化合物中;在高分子类粘结剂改进路线上,现今的研究热点为在现有的高分子类粘结剂的基础上引入特殊官能团以改善性能;对于小分子类粘结剂的改进通常也采用两种方式,一种是改进只具有粘结作用的助剂来提高粘结性能,另一种是被改进的助剂不仅具有增强粘结性能的作用,还具有其它功能,例如促进硫化、具有偶联作用等。(国家知识产权局专利分析普及推广项目高性能子午线轮胎课题组)
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