轮胎在负载条件下在公路上滚动，由于受到负荷作用以及路面的反作用，使轮胎在行驶过程中受到了复杂的动态变形和磨损。随着公路的发展，特别是高等级公路的发展，车速的提高，轮胎的变形和磨损变的更为复杂，其寿命和安全性及其对汽车的操纵稳定性能的影响，更成为人们日益关心的问题。因此对汽车轮胎的结构设计和配方设计及其相应的工艺投入了巨大的力量进行研究和改进。子午胎的出现，从根本上改变了轮胎的力学性能和轮胎的使用性能，大大提高了轮胎的使用寿命，显示了极大的优越性能，被称之为轮胎工业的革命。在世界范围来讲，子午胎问世于二十世纪40年代，50年代起步，60年代推广，70年代大发展，90年代基本实现子午化。目前在西欧和美国等发达国家汽车轮胎基本上100%子午化，农业轮胎、航空轮胎也正在子午化。
我国的子午胎起步于60年代，经历了70年代的徘徊不前，直到80年代的中后期才有足够的认识和一定的经济实力发展子午胎。通过引进邓录普、皮列里和费尔斯通等的半钢和全钢子午胎生产技术，并通过以北京橡胶院为代表的研究单位的消化吸收，我国的子午胎得到了大发展，行成了国有、股份、合资和民营齐头并进的局面。到2003年末，汽车轮胎子午化率达到了47%，特别是载重子午胎从2001年开始每年以50%的速度递增，2003年产量突破了1000万条。随着橡胶加工制造业的向中国的转移，斜交胎也得到了一定的发展，中国的小型、中型斜交胎有1/3以上出口，填补了部分发达国家的市场空缺，满足了发展中国家的需要，在2002年中国首次超过美国，成为世界第一橡胶消费大国，可以讲，我们正迎来橡胶工
业，特别是轮胎工业的大发展阶段。
胶料和骨架材料作为轮胎的组成部分，其物理性能和工艺性能关系到轮胎的制造工艺的可行性和轮胎的使用性能，因此胶料的配方设计成为轮胎工业的一个重要组成部分。
随着轮胎结构从实心到充气轮胎，从斜交胎到子午胎，从高断面轮胎到低断面即扁平化，从有内胎到无内胎，从全天候到高行驶性能轮胎；骨架材料从棉帘线到人造丝、尼龙、聚酯和钢丝帘线、芳纶；以及橡胶原材料和橡胶加工工艺的一系列的发展过程中，轮胎胶料配方的设计也随之有较大的发展和变化。这是由于胶料配方的设计首先必须满足轮胎的使用性能要求，同时又要求制造工艺是可行的、经济上是合理的，原材料的来源是可靠的。换句话说，胶料配方的设计，除了要满足轮胎使用要求外，还要受到橡胶加工工艺及原材料的发展的制约，这是每个配方工作者必须考虑到的三个方面的因素。
本讲座是以充气轮胎配方为研究对象，结合我公司以及目前国际、国内的最新轮胎配方发展技术来进行讲解，主要内容包括：子午胎配方设计、斜交载重胎、工程和农业轮胎的配方设计。
第一节配方设计的基本原则
一、轮胎的使用性能
1、轮胎作为汽车滚动时力的承受者，其基本功能包括：
（1）承受汽车的全部负荷和传递
（2）具有减震和缓冲性能
（3）操纵稳定性好
（4）具有抗滑湿性能
（5）轮胎的安全性能好
2、轮胎的本身必要的使用性能包括：
（1）胎面胶的耐磨性能和抗刺扎性能好
（2）滚动阻力小，油耗低；
（3）温升低，行驶寿命长；
（4）噪声低；
（5）安全性高
所以配方设计者首先要针对轮胎的基本功能和使用性能进行设计，满足其综合要求。轮胎的使用性能不是一成不变的，随着轮胎工业的发展，高等级公路的开发，对轮胎的使用性能的要求日益苛刻，胶料配方的设计要求与之相适应。
二、轮胎各部件胶料的不同性能要求
充气轮胎本身是一个弹性体，在负荷下滚动时，由于受到地面的反作用力，轮胎在轮辋上就受到径向力、切向力、侧向力的作用，并由此产生相应的三个力矩，也存在三个弹性（即径向弹性、切向弹性和侧向弹性），亦即造成轮胎在滚动时产生了复杂的力学形变。轮胎各部件由于力的传递过程影响，各部件承受的应力应变有较大的差异和产生的较大的剪切力。而这种形变和应力是周期性的和复杂性的，因此为了避免应力集中和减少剪切应力，满足轮胎的使用要求，在轮胎的结构设计上和配方设计上，使轮胎成为一个多部件的带有骨架材料的厚制品，从而使配方设计工作变得更为复杂。各部件胶料配方设计必须满足其力学状态及其功能要求。例如胎面胶是作为轮胎直接与地面接触的部件，直接传递地面的反作用力的主要部件，要求胶料耐磨、耐刺、耐湿滑、耐空气和臭氧、日光老化以及屈挠龟裂，滞后损失要小，而且不同结构，不同规格以及不同用途的轮胎，其具体要求有所侧重。例如高速轿车胎为了提高临界速度（或驻波速度），要求胶料刚性大（即定伸高），生热低，同时还必须具
有较高的耐湿滑性能以及提高高速时的操作稳定性和安全性，而耐磨耗不是其主要的技术指标。胶料配方设计就可以采用以充油胶为主，填充大量的生热比较低的N300系列的炭黑。而对工程胎的胎面胶的耐磨、耐刺扎、降低生热，提高寿命却是主要的技术指标。胶料应该以天然胶为主，填充补强性能好的N100和N200系列炭黑，必要时还要添加白炭黑和硅烷偶联剂，以提高胶料的强撕性能，为降低生热，胎面胶还需分层，其基部胶为低生热胶料。
胎侧胶则由于其变形大于其它部件，尤其是子午胎的胎侧变形更大，其胶料配方的耐曲挠龟裂、耐臭氧老化往往又成为主要的性能指标。在配方设计上，胶种的选择是最主要的。一般选用BR胶并用量在50%以上，则可以完全满足使用要求。对高性能、高要求的胎侧则可以并CIIR、EPDM等，可获得优异的耐曲挠、耐臭氧、耐日光等性能。
胎体帘布在斜交胎中承受了轮胎部分应力，轮胎变形时，由于滞后损失，产生大量的热，因此胎体帘布胶要求耐热、弹性高，并与胎侧胶、缓冲胶（带束胶）、油皮胶有良好的附着力，而且这种附着力越大，轮胎的质量越高。
而缓冲胶为了排除胎体和胎面基部产生的热量，缓冲胶应有很好的导热性能，在反复变形的条件下，其胶料生热应极小，具有良好的缓冲性和导热性、耐老化性能及高度的耐疲劳性和耐热性，并与骨架材料有良好的粘合力。配方设计上以天然胶为主，并用部分SBR 和BR以提高附着力与弹性和降低生热，炭黑品种的选择以N660和N550系列为主。
对子午胎来讲，带束层承受了轮胎内应力的60～70%。胶料配方定伸要与钢丝相适应，而且与钢丝粘合力要高，不仅要求有较高的初始粘合力，而且还要求在热、盐水、湿热等苛刻老化条件下有较高的粘合保持率，要有较低的生热性能。为提高带束胶与钢丝的粘合性能，必须添加粘合增进剂。胶料配方一般以全天然胶为主，亦可并用少量的BR。炭黑以N375，N326为主，并用量在40～60份之间，添加粘合增进剂和采用高硫、后效性促进剂的硫化体系。
对于胎圈部位胶料，首先是钢丝圈的钢丝隔离胶，要适应钢丝强度大、刚性高、并附有一定弹性的柔软性要求，与钢丝有良好的粘合。胶料配方中填充大量的填充剂和再生胶，添加与钢丝的粘合剂，使胶料硬度达到90以上，并与钢丝有良好的粘合。对子午胎则由于其胎圈应力比斜交胎高30～40%，要求胎圈部位刚性大，除设计上采取措施外，则要求三角胶和子口胶硬度高，耐屈挠性能，子口胶还需耐磨。在配方设计上，可以采用NR/BR并用，以提高耐屈挠性能，采用高炭黑、高硫配合，并添加增硬剂，一般可用高苯乙烯、苯
甲酸、补强树脂增硬，而以补强树脂的效果好，应用广泛。
胶料物理性能的多项性和矛盾性往往制约了配方设计。胎面胶的耐磨性与耐湿滑性相矛盾，胶料的耐磨性能和刚度又与胶料的高弹性低生热相矛盾，这就需要根据轮胎的使用条件、矛盾的主次，进行协调和取舍。
三、轮胎整体配方设计
轮胎在行驶过程中是一个复合的整体，因此除了满足各部件性能要求外，还必须考虑轮胎的整体配合，使应力应变有合理的过渡，避免应力集中，避免脱层。
由于胶料的定伸应力、硬度代表了胶料的应力—应变特性，因此一般以定伸应力和硬度作为胶料的力学性能的表征。用胶料定伸、硬度的匹配作为平衡各部件之间应力应变的过渡。
子午胎轮胎胎体帘线是以90度沿着径向排列，而周向是用刚性很大的钢丝带束层箍紧。轮胎周向变形很小，而胎侧和胎圈变形很大，因此力的传递完全不同于斜交胎。首先带束层承受了轮胎内应力的60～70%，钢丝的刚度又很大，为了承受内应力和减少胶与钢丝的剪切应力，适应其变形，带束胶需用高定伸、高硬度配合，一般定伸应力在15～19Mpa，硬度在70～78度之间。
胎肩部位是刚性的胎面部位和柔软胎侧的过渡区，形成刚性的断层。受到力的冲击、传递和变形都比较大，又处于带束层的端部，因此在带束层端部下的胎肩部位应放置高弹性、低生热、低硬度、低定伸应力的胎肩垫胶。以传递和吸收由胎面传至肩部的冲击应力，防止带束层端部与胎面或带束层间受外力冲击而产生的剥离。同时避免或减轻带束层端部的位移和变形引起脱层的可能性，在载重胎的二～三层带束层之间的端部则放置一个高硬度、高定伸应力的胶片，一般硬度应在80度以上。
子午胎的胎圈部位所受的应力比斜交胎高30～40%，因此必须加大胎圈的刚性，三角胶芯的硬度一般应高于80度，轿车子午胎甚至达到90度以上，而子口护胶一般也要在70度以上。而胎面部分由于周向带束层刚性较大，胎面胶变形很小，胶料不仅耐磨而且生热低，在配方设计上有较大的宽容度。在硬度、定伸应力上除了与带束层有合理过渡外，主要根据轮胎使用条件进行设计。
胎侧胶变形大大超过斜交胎，是所有部件中应变最大部分。对其定伸应力设计目前有三种观点：一种认为采用高定伸应力（高达13～14Mpa）以减少胎侧变形，一种是采用低定伸（低于7Mpa）以顺应变形以减少内应力；第三种是采用中定伸（8～10Mpa）。无论采用何种定伸应力配比，配方设计的前题是胶料具有优异的耐屈挠龟裂性能。其它各部件胶料的定伸应力和硬度的配比的原则是与相邻部件过渡平缓、避免应力应变集中。
同时为了满足复合制品的特点，要求各部件胶料硫化速度要相互匹配。在硫化过程中，由于热传递过程，各部分胶料热历程实际上是一个温度场分布不均的不等温过程，各胶料的受热历程有较大的差别。各胶料的硫化速率应根据其受热历程来确定最佳的硫化时间，并尽可能有较长的硫化平坦性。硫化速度匹配是以硫化结束时，各部分胶料均应达到最佳的硫化程度为原则，亦即达到同步硫化，取得最佳物理性能和最佳的界面状态。不同结构、不同规格轮胎的各部件胶料的受热历程是不同，可以通过硫化测温和热传导计算来确定各部分胶料的等效硫化时间，从而确定各部分胶料的硫化速度。为了节省能源，还应考虑采取尽可能短的硫化时间。
四、胶料功能和成本的综合考虑
在配方设计中，另一个要考虑的因素是，胶料的物理性能与轮胎实际使用效果和寿命的关系，亦即要考虑降低成本，提高经济效益，要充分发挥轮胎各部件的物理性能，避免个别部件的剩余功能的浪费。例如轿车子午胎，由于行驶速度高，但路面好，胎面的设计主要考虑高速安全性，要求胶料生热低，定伸应力高，防湿滑，而耐磨性能不是主要指标，加上子午胎耐磨性本身就好，在配方设计上应选择低生热炭黑，并可以填充大量的炭黑，选用充油胶种，甚至全合成胶，其拉伸强度达到12～16Mpa就行，而无需达到20Mpa以
上甚至更高。
五、胶料工艺性能的新要求和控制
橡胶加工工艺应满足胶料配方的要求，但胶料配方设计在很大程度上又受到加工工艺水平的制约。
在配方设计中，未硫化胶的性能要满足工艺要求，其门尼粘度、门尼焦烧、可塑性均作为未硫化胶胶料加工性能特性的最基本指标。
对胶料性能的严格要求，上述三项指标已不能完全满足未硫化胶的要求，而必须从以下几个方面加以综合考虑。
（一）胶料的均一性
为了提高混炼胶的均一性，首先是采用高效率、高自动化的密炼机。
为进一步提高胶料的均一性，还可以在胶料配方中添加均匀剂。
为控制未硫化胶的均一性，目前普遍采用硫变仪来控制生产。硫变仪有效地表征了未硫化胶的加工特性，还可以表征硫化胶的硫化特性，并可以由此来研究各种配合剂对胶料硫化特性的影响。
（二）胶料的粘着性
在胶料配方中，增粘树脂应用越来越普遍，也使配方设计中合成胶并用比例增大成为可能（如全合成胶的胎面和胎侧胶）。在配方设计中采用充油型的不溶性硫黄是解决胶料喷霜，尤其是高硫配方的必要措施，而保证加硫温度和各种加工过程的加工温度是保证胶料的不喷霜的必要条件。
在胶料配方中添加增粘树脂，采用充油型不溶性硫黄，控制加工温度以及半成品用塑料薄膜等有效措施使半成品表面新鲜、粘着力高，保证了成型和其它过程的工艺要求。
当然过大的粘着力对加工过程会带来诸多不便，应根据需要采取相应的措施。测定粘着力可采用华莱士粘着计或蒂里（Tel）粘着计。其原理是把两片胶片在规定时间，用一定压力压下，然后测定分开它们所需的力，以示胶料的粘着性。
（三）胶料的流变性
影响聚合物加工性能的流变性质主要有胶料的屈服应力、粘度（流动性的量度）、弹性记忆效应和压出破裂等方面。
不同聚合物的流变性能是不同的，首先表现在粘度上，粘度值的高低显示了加工性能的不同。橡胶的粘度值不仅高，而且在一定温度下不是一个恒定值，会随着切变速率变化而变化，随着加工机械速率升高而下降，亦即“粘度对切变速率有依赖性”，也简称为“流变性”。不同高聚物粘度对切变速率的依赖性不同。例如顺丁胶在压出的切变速率下，粘度会大大下降，加工性能大为改善，有利于压出。（这里的粘度是指表观粘度性ηa），而在流动停止时切变速率→0，粘度上升，胶料有良好的挺性，亦即在停放过程中，胶料不变形，有利于提高胶料的尺寸稳定性。
生产中往往是用门尼粘度来控制胶料的流变性，从某种意义上来讲有不确切之处。因为高聚物的分子量及其分子量分布不同，粘度对切变速率的依赖性就不同，而门尼粘度是在固定切变速率范围内测定，而且分子量大，门尼粘度值大。因此相同门尼粘度的胶料会因分子量分布和支化度不同，胶料在加工过程中会表现出不同的“流变性”。仅用单速下的门尼粘度不能完全反映生产实际。最好用变速门尼粘度计，在接近加工操作的切变速率下测定粘度，用此来控制各种胶料的流变性。
在高聚物确定的前提下，炭黑的用量、粒径、结构对门尼粘度有明显影响。炭黑用量增加、粒径减少
、结构升高可使门尼粘度值升高，直接影响胶料的加工性能。
此外，高聚物的粘度随着温度上升而下降，不同高聚物其粘度的下降幅度不同，亦即粘度对温度的敏感性不同。如SBR比NR和BR更敏感，在加工过程中温度控制更严格。
弹性记忆效应，是由于胶料在流动时有构象变化，产生高弹形迹，亦即在流动过程中，不仅有不可逆的塑性形变，还有产生回复的高弹形变，在外力消除后产生回复。如压出时
的口型膨胀效应。不同胶料的弹性记忆效应是不同的。要减少口型膨胀，加快压出速率，可以选用高结构炭黑。可以做压出试验，确定压出工艺性能。
胶料的屈服应力越大，胶料和半成品停放时的变形就越小，挺性就越好。加大炭黑用量可以提高屈服应力，控制半成品变形。
高聚物在压出过程中，当切变速率超过某个极限时，会产生不稳定流动，此时挤出物外观不光滑，产生波动、畸变、呈现无规破裂，添加炭黑可以降低胶料弹性，提高破裂的临界切变速率。
不同的高聚物的流变特性是不同的，当胶料确定之后，未硫化胶的硫变性能可以通过高速炭黑品种和用量来改变，目前各种加工助剂对胶料的流变性能也有一定影响。而胶料的流变性能及其均一性直接影响加工工艺的难易和半成品质量与尺寸的稳定性。
（四）胶料的安全性
胶料配方的工艺性能是否可行的一个重要标志是在加工过程中的安全性，亦即胶料的焦烧性能要满足工艺要求。这里不仅是指压出、压延过程还包括硫化过程中胶料的流动性。最为直接的检测项目是用门尼粘度计测定门尼焦烧（T5），它是直接反映胶料在加工过程中的安全性，要求胶料在加工过程中不产生焦烧现象。焦烧性能也可以用硫化仪的T10来表征。
为了提高胶料的门尼焦烧时间，在配方中可以选用迟延型的促进剂，必要时添加防焦剂，也可以选择合适的胶种来改善焦烧性能。
采用多段混炼保证了不溶性硫黄和某些特殊助剂在加工温度上的要求，多复合压出机的应用也为配方设计提供更宽前景。当然高温硫化的出现，无内胎的引入，配方人员除了考虑胶料的返原性外，还要考虑胶料在硫化过程中的流动性和排气性。
第二节新型原材料应用
一、生胶
NR
汽车轮胎知识
对天然胶进行改性，通过环氧化天然胶和通用胶共混，可改善综合性能，特别是气密性好，可用于气密层和内胎中。
BR、SBR
SBR因其耐热性能高、耐湿滑性能好，以及优异的抓着性，与骨架材料粘合力高等优良性能一直沿用至今，尤其是其优良耐湿滑性能在轿车子午胎的胎面胶中占有极大的优势。
BR胶耐磨性好、生热低、滚动阻力小，耐屈挠龟裂等优良性能。其优良的耐屈挠龟裂性能使其在子午胎的胎侧胶和胎圈胶中成为必不可少的胶料。
由于充油型的OE-SBR和OE－BR可以填充大量的炭黑，降低成本，而且还可以大大提高其耐湿滑性能和改善加工性能，完全改变了BR的湿滑性能差的缺点，得到广泛应用。目前载重子午胎使用的低顺式顺丁胶的工艺性能好，可以增大炭黑填充量，提高子口胶的门尼粘度，另外低顺式顺丁胶在国外被大量的应用在胎面和胎侧胶中。
IIR和EPDM
IIR/EPDM并用，即可大大改善内胎的耐热性和解决内胎使用后期胀大、发粘问题，并降低成本。
CIIR和EPDM并用于胎侧胶中可以大大改善胶料的耐臭氧老化性能和提高胶料的耐曲挠龟裂性和改善胶料的日光曝晒的变性能。
在胎面胶中并用少量的CIIR/BIIR胶可以提高胶料的耐湿滑性能和花纹沟的耐龟裂性能。
S－SBR
八十年代开发的无规溶聚丁苯胶（S－SBR）比E－SBR更耐容，生热低，用于制造轮胎，滚动阻力小，抗湿滑性能好，特别是在低温下或冰面上行驶的抗湿滑性能比E－SBR
更为优越。经锡偶联后的新型的无规S－SBR用于制造轮胎，与E－SBR相比，滚动阻力减少30%，抗湿滑性能提高3%，耐磨性提高11%。
锂系高乙烯基（70%）聚丁二烯橡胶（HVBR）可作为胎面胶的一个组份与BR或E－SBR掺用，在抗湿滑性和生热等方面超过BR与E－SBR并用胶性能。HVBR经锡偶联后可改善其断裂强度和磨耗性能。中乙烯聚丁二烯橡胶（MVBR）因Tg接近天然胶，其综合性能接近NR。采用稀土催化合成BR，可得高分子量高顺式1,4含量的顺丁胶，能填充大量的油和炭黑。
二、补强材料
（一）炭黑
炭黑的作用是提高橡胶的强度，使胶料耐磨、耐撕、耐热，而且还要改善胶料的加工工艺性能。
新工艺炭黑是严格控制原料油的喷雾，使所得炭黑聚集体尺寸分布较窄，质量较小，但具有较为开放的构象。与同样粒径的传统工艺炭黑相比，其炭黑的着力高，表面活性高，吸碘值对外表面积的比值低，因此补强性能比传统工艺炭黑高，耐磨性好，加工性能好。
N326，其炭黑特点是硬度高、强力高、粘合力高，而生热低、定伸应力低，适用于钢丝胎体胶中。而N375，则硬度高，拉伸强度高、定伸应力高，其生热却大大低于ISAF，适用于增硬胶料，以及要求高硬度、高定伸的轿车子午胎的胎面中。而N110、N121、N115、N234则以补强性能优异，耐磨性能良好，适用于载重胎的胎面胶中。
（二）无机补强材料
白炭黑不仅可以作粘合增进剂，改善胶料在湿热老化条件下的粘合保持率，而且还可以改善胶料的抗崩花裂口、抗冲击强度、降低滚动阻力和生热等，在轿车和载重子午胎、工程轮胎中得到广泛应用，其中大量使用白炭黑的轿车轮胎被称为“绿轮胎”。
三、加工助剂发展
随着子午胎引进技术原材料的国产化以及国外公司在中国的设厂，主要的加工助剂在国内均能够生产，
包括：增粘剂（叔丁基和辛基酚醛树脂）、均匀剂、增塑剂、分散剂等。
四、各种粘合增进剂
钢丝与橡胶的粘合，历来是子午胎配方研究的重点。目前粘合增进剂主要是三大体系，即钴盐、间甲白、间甲和间甲白钴混合体系。其中钴盐体系的初始粘合力高，耐盐水老化好，但对老化和过硫敏感，尤其是轮胎使用过程中温升对其粘合力影响极大。
间甲白体系可简写为HRH或RFS体系。“间”是指间苯二酚，作为次甲基的接受体；“甲”是指甲醛，通常为硫化温度下能释放出甲醛的物质，作为次甲基的给予体；“白”是指白炭黑。作用原理是“给予体”释放出甲醛，和“接受体”生成间苯二酚甲醛树脂，使钢丝与胶粘合。而白炭黑一般认为提供活性硅烷醇表面，间接参与粘合，对湿热老化的粘合保持率有明显的作用。HRH体系粘合力稳定，老化后保持谐调，但动态性能差，容易发硬发脆。
五、其它新型助剂
（一）硫化体系
促进剂已由五十年的单一的M、DM、T.T体系进入到NOBS、CBS、DCBS、DNBT、TBBS、TBSI等迟延性促进剂，及DTDM、V A－7等半有效硫化体系的硫黄给予体，使胶料配方的焦烧时间延长，硫
化平坦，老化性能优越，并为高温硫化提供了物质基础。
（二）防老剂
防老剂也由最初的防老剂A、D、石蜡，发展到4010、4010NA、4020、4030、RD、BLE、防护蜡等。国外多以4020/RD并用为主。
（三）增强剂
轮胎用的补强酚醛树脂的作用原理是线性的酚醛树脂（或各种改性的酚醛树脂），在硫
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