一种用于重型工程车辆的轮胎及其制备方法

技术领域

本申请涉及一种用于重型工程车辆的轮胎及其制备方法，属于轮胎技术领域。

背景技术

重型工程车辆（例如卡车、挖掘机和推土机等）是在工程施工、采矿、物料运输等领域中使用的车辆，通常具有大功率、大载重、强耐用等特点。这些车辆常常需要在恶劣的工程环境下运行，因此为了适应不同的工作环境和工作要求，重型工程车辆的轮胎通常具有高承载能力、优异的抗磨损性能和良好的耐久性等特点。

随着工程车辆的大型化和高速化，轮胎在行驶过程中面临着更大的压力和挑战，因此对重型工程车辆承载能力的要求不断增加。传统轮胎的胎冠主要采用橡胶材料，虽然橡胶材料具有一定的强度和耐磨性，但其承载能力仍然存在局限；为了提高轮胎的承载能力，目前通常会在轮胎中添加大量高强度材料，例如帘布层与带束层均为钢丝帘布，以增强轮胎的抗压性和耐久性，从而提高轮胎的承载能力；然而，这也导致轮胎的重量不断增加，轮胎的重量增加后不仅会影响车辆的运行速度和燃油经济性，还会对轮胎寿命和安全性产生不利影响，因此难以满足当下重型工程车辆对轮胎的要求。

发明内容

为了解决上述问题，提供了一种用于重型工程车辆的轮胎及其制备方法，兼具高承载能力和轻量化的特点，同时具有优异的抗磨损性、抗切割性和良好的耐久性，满足重型工程车辆用轮胎的需求。

本发明通过下述技术方案予以实现：

一种用于重型工程车辆的轮胎的制备方法，包括以下步骤：

（1）将玻璃纤维进行预处理，并与热塑性树脂在200-340℃下搅拌混合5-30min，得到带束层；

（2）将天然橡胶、异戊二烯橡胶、丙烯酸酯橡胶、炭黑、改性纳米氧化锆、聚苯乙烯树脂、醇酸树脂和助剂均匀混合，得到复合胶料；

（3）将步骤（1）中带束层均布在胎冠表面，并在80-180℃下固化处理20-45min，然后再在胎冠上涂布步骤（2）的复合胶料，成型、硫化和修整后即得成品。

可选地，步骤（1）中，玻璃纤维的预处理步骤具体包括：

将玻璃纤维放入含有处理气体的等离子体反应室内，在0.05-0.1MPa和50-300W条件下使玻璃纤维表面激活，并于激活状态下向其表面喷洒羟基有机物，直至羟基有机物充分覆盖在玻璃纤维表面，然后再对玻璃纤维清洗、干燥即可。

可选地，所述处理气体为氧气、氮气和氢气中的至少一种；

所述羟基有机物选自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和异丙醇中的一种或几种。

可选地，所述热塑性树脂的添加量为玻璃纤维的20-35wt%；

所述热塑性树脂选自聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺、聚碳酸酯和聚氧化苯乙烯的一种或几种。

可选地，步骤（2）中，按质量份数计，所述复合胶料包括如下组分：天然橡胶55-70份、异戊二烯橡胶32-45份、丙烯酸酯橡胶25-38份、炭黑16-23份、改性纳米氧化锆12-18份、聚苯乙烯树脂6-10份、醇酸树脂5-8份、防老剂3-6份、硫化剂2-4份和促进剂1-3份。

可选地，复合胶料的制备方法包括如下步骤：首先将55-70份天然橡胶、32-45份异戊二烯橡胶和25-38份丙烯酸酯橡胶加入密炼机中混炼0.5-1.5min，排胶温度为100-130℃；然后再加入16-23份炭黑、12-18份改性纳米氧化锆、6-10份聚苯乙烯树脂和5-8份醇酸树脂混炼4-6min，排胶温度为110-140℃；最后加入3-6份防老剂、2-4份硫化剂和1-3份促进剂混炼5-8min，排胶温度为105-120℃，薄通，打卷，打三角包，混合均匀后下辊，得到复合胶料。

可选地，所述防老剂为防老剂SP、防老剂RD和防老剂MBZ中的一种或几种；

所述硫化剂为硫磺或二甲基二硫化物；

所述促进剂为促进剂DM、促进剂NS和促进剂DOTG中的一种或几种。

可选地，所述改性纳米氧化锆的制备方法包括如下步骤：

S1、将纳米氧化锆分散在乙醇溶液中，然后加入甲基三异丙氧基硅烷和三乙氧基硅烷，并于40-80℃下超声处理5-20min，离心、洗涤和干燥后，得到预处理后的纳米氧化锆；

S2、将聚醚羧酸分散在水中，然后加入预处理后的纳米氧化锆，并于30-60℃下加热搅拌0.5-2h，离心、洗涤和干燥后，得到改性纳米氧化锆。

可选地，步骤S1中，所述甲基三异丙氧基硅烷和三乙氧基硅烷的加入总量为纳米氧化锆的5-8wt%；

所述甲基三异丙氧基硅烷和三乙氧基硅烷的质量比为1：（0.8-1.2）；

步骤S2中，所述聚醚羧酸和纳米氧化锆的质量比为1：（2-5）。

可选地，步骤（3）中，成型温度为150-200℃，硫化温度为120-180℃。

根据本申请的又一个方面，提供了一种用于重型工程车辆的轮胎，由上述任一项所述的制备方法制备得到。

本申请的有益效果包括但不限于：

1．本申请的用于重型工程车辆的轮胎，将带束层中钢丝帘线替换成玻璃纤维，减轻了轮胎的整体重量，同时保证轮胎的强度和刚性，并且本申请的带束层还具有良好的抗腐蚀性和抗疲劳性，使得轮胎的适用范围更广，使用寿命更长；通过在复合胶料中添加改性纳米氧化锆，不仅能够改善橡胶的分散性和界面粘合力，提高轮胎的抗撕裂性，且有助于增强填充网络，提高轮胎的硬度、强度和耐磨性，从而增强轮胎的抗剪切性能和耐久性；该兼具高承载能力和轻量化的轮胎质量在0.83-0.86之间，最小破坏能为2828.6-2862.4J，耐久时间为73.1-74.5h，能够满足重型工程车辆对于负荷和性能的双重需求，确保车辆的稳定和安全行驶。

2．本申请的用于重型工程车辆的轮胎中，通过对玻璃纤维进行预处理，可以在其表面引入羟基官能团，使玻璃纤维表面具有亲水性，能够与热塑性树脂中的活性基团进行氢键作用，提高二者的相容性和黏附性，从而有助于提升带束层的耐久性和机械强度；通过等离子体反应不仅可以有效提高玻璃纤维表面羟基官能团的密度和均匀性，同时避免采用传统化学方法，不会出现污染和残留问题；采用的热塑性树脂具有较高的强度和韧性，有助于提高轮胎的承载能力和耐磨性。

3．本申请的用于重型工程车辆的轮胎中，改性纳米氧化锆可以均匀分散在橡胶基体中，改善轮胎的质量和稳定性，并且其与炭黑相结合能够形成强大的填充网络，有助于提高轮胎的强度、硬度和刚性，增强轮胎的承载能力和耐久性；异戊二烯橡胶和丙烯酸酯橡胶的配合使用可以提高轮胎的操控性和稳定性，使车辆在转弯、加速和制动时具有良好的性能表现；聚苯乙烯树脂的低密度可以降低轮胎的重量，提高燃油经济性，其与醇酸树脂配合使用有利于促进复合胶料的加工和黏合，提高轮胎的强度、耐磨性和耐老化性。

4．本申请的用于重型工程车辆的轮胎中，预处理后的纳米氧化锆表面包裹了稳定的有机硅化合物保护层，可以提高纳米氧化锆的耐久性，并且防止纳米氧化锆颗粒之间的聚集；通过引入聚醚羧酸，聚醚羧酸中的羧基不仅可以与有机硅化合物中的硅氧键反应形成酯键，还可以与醇酸树脂中的醇官能团反应，形成酯键交联结构，实现了改性纳米氧化锆与其他组分的有效结合，从而增加复合胶料的硬度和耐化学性，进一步提升了轮胎的承载能力和耐候性。

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用原料或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下述所采用的纳米氧化锆的粒径在10-20nm范围内；聚醚羧酸的分子量为1200-6000。

实施例1

一种用于重型工程车辆的轮胎的制备方法，包括以下步骤：

（1）将玻璃纤维放入含有氮气的等离子体反应室内，在0.05MPa和300W条件下使玻璃纤维表面激活，并于激活状态下向其表面喷洒甲醇，直至甲醇充分覆盖在玻璃纤维表面，然后再对玻璃纤维清洗、干燥，并与20wt%的聚苯硫醚在200℃下搅拌混合30min，压制得到带束层；

（2）按质量份数计，首先将55份天然橡胶、32份异戊二烯橡胶和38份丙烯酸酯橡胶加入密炼机中混炼0.5min，排胶温度为130℃；然后再加入16份炭黑、12份改性纳米氧化锆、6份聚苯乙烯树脂和8份醇酸树脂混炼4min，排胶温度为140℃；最后加入2份防老剂RD和1份防老剂MBZ、2份硫磺和1份促进剂DOTG混炼5min，排胶温度为120℃，薄通，打卷，打三角包，混合均匀后下辊，得到复合胶料；

（3）将步骤（1）中带束层均布在胎冠表面，并在80℃下固化处理45min，然后再在胎冠上涂布步骤（2）的复合胶料，于150℃成型，于120℃下充分硫化，修整后即得成品；

其中，改性纳米纳米氧化锆的制备方法包括如下步骤：

S1、将纳米氧化锆分散在乙醇溶液中，然后加入5wt%的甲基三异丙氧基硅烷和三乙氧基硅烷（二者质量比为1：0.8），并于40℃下超声处理20min，离心、洗涤和干燥后，得到预处理后的纳米氧化锆；

S2、将聚醚羧酸分散在水中，然后加入预处理后的纳米氧化锆，二者质量比为1：2，并于30℃下加热搅拌2h，离心、洗涤和干燥后，得到改性纳米氧化锆。

实施例2

一种用于重型工程车辆的轮胎的制备方法，包括以下步骤：

（1）将玻璃纤维放入含有氧气的等离子体反应室内，在0.08MPa和180W条件下使玻璃纤维表面激活，并于激活状态下向其表面喷洒丙醇和异丙醇的混合物，直至丙醇和异丙醇的混合物充分覆盖在玻璃纤维表面，然后再对玻璃纤维清洗、干燥，并与28wt%的聚对苯二甲酸乙二酯和聚碳酸酯的混合物在260℃下搅拌混合15min，压制得到带束层；

（2）按质量份数计，首先将62份天然橡胶、40份异戊二烯橡胶和30份丙烯酸酯橡胶加入密炼机中混炼1min，排胶温度为120℃；然后再加入18份炭黑、15份改性纳米氧化锆、8份聚苯乙烯树脂和6份醇酸树脂混炼5min，排胶温度为125℃；最后加入3份防老剂SP、2份防老剂RD、3份二甲基二硫化物、1份促进剂DM和1份促进剂NS混炼6min，排胶温度为112℃，薄通，打卷，打三角包，混合均匀后下辊，得到复合胶料；

（3）将步骤（1）中带束层均布在胎冠表面，并在120℃下固化处理28min，然后再在胎冠上涂布步骤（2）的复合胶料，于180℃成型，于150℃下充分硫化，修整后即得成品；

其中，改性纳米纳米氧化锆的制备方法包括如下步骤：

S1、将纳米氧化锆分散在乙醇溶液中，然后加入6wt%的甲基三异丙氧基硅烷和三乙氧基硅烷（二者质量比为1：1），并于60℃下超声处理12min，离心、洗涤和干燥后，得到预处理后的纳米氧化锆；

S2、将聚醚羧酸分散在水中，然后加入预处理后的纳米氧化锆，二者质量比为1：3，并于45℃下加热搅拌1.2h，离心、洗涤和干燥后，得到改性纳米氧化锆。

实施例3

一种用于重型工程车辆的轮胎的制备方法，包括以下步骤：

（1）将玻璃纤维放入含有氢气的等离子体反应室内，在0.1MPa和50W条件下使玻璃纤维表面激活，并于激活状态下向其表面喷洒丁醇，直至丁醇充分覆盖在玻璃纤维表面，然后再对玻璃纤维清洗、干燥，并与35wt%的聚氧化苯乙烯在340℃下搅拌混合5min，压制得到带束层；

（2）按质量份数计，首先将70份天然橡胶、45份异戊二烯橡胶和25份丙烯酸酯橡胶加入密炼机中混炼1.5min，排胶温度为100℃；然后再加入23份炭黑、18份改性纳米氧化锆、10份聚苯乙烯树脂和5份醇酸树脂混炼6min，排胶温度为110℃；最后加入3份防老剂SP和3份防老剂MBZ、4份二甲基二硫化物和2份促进剂NS和1份促进剂DOTG混炼8min，排胶温度为105℃，薄通，打卷，打三角包，混合均匀后下辊，得到复合胶料；

（3）将步骤（1）中带束层均布在胎冠表面，并在180℃下固化处理20min，然后再在胎冠上涂布步骤（2）的复合胶料，于200℃成型，于180℃下充分硫化，修整后即得成品；

其中，改性纳米氧化锆的制备方法包括如下步骤：

S1、将纳米氧化锆分散在乙醇溶液中，然后加入8wt%的甲基三异丙氧基硅烷和三乙氧基硅烷（二者质量比为1：1.2），并于80℃下超声处理5min，离心、洗涤和干燥后，得到预处理后的纳米氧化锆；

S2、将聚醚羧酸分散在水中，然后加入预处理后的纳米氧化锆，二者质量比为1：5，并于60℃下加热搅拌0.5h，离心、洗涤和干燥后，得到改性纳米氧化锆。

对比例1

一种用于重型工程车辆的轮胎的制备方法，包括以下步骤：

（1）将玻璃纤维放入含有氧气的等离子体反应室内，在0.01MPa和500W条件下使玻璃纤维表面激活，并于激活状态下向其表面喷洒丙醇和异丙醇的混合物，直至丙醇和异丙醇的混合物充分覆盖在玻璃纤维表面，然后再对玻璃纤维清洗、干燥，并与10wt%的聚对苯二甲酸乙二酯和聚碳酸酯的混合物在200℃下搅拌混合40min，压制得到带束层；

（2）按质量份数计，首先将40份天然橡胶、60份异戊二烯橡胶和10份丙烯酸酯橡胶加入密炼机中混炼2min，排胶温度为80℃；然后再加入30份炭黑、5份改性纳米氧化锆、20份聚苯乙烯树脂和2份醇酸树脂混炼3min，排胶温度为100℃；最后加入1份防老剂SP、1份防老剂RD、1份二甲基二硫化物、3份促进剂DM和2份促进剂NS混炼4min，排胶温度为90℃，薄通，打卷，打三角包，混合均匀后下辊，得到复合胶料；

（3）将步骤（1）中带束层均布在胎冠表面，并在60℃下固化处理60min，然后再在胎冠上涂布步骤（2）的复合胶料，于100℃成型，于80℃下充分硫化，修整后即得成品；

其中，改性纳米纳米氧化锆的制备方法包括如下步骤：

S1、将纳米氧化锆分散在乙醇溶液中，然后加入3wt%的甲基三异丙氧基硅烷和三乙氧基硅烷（二者质量比为1：2），并于30℃下超声处理30min，离心、洗涤和干燥后，得到预处理后的纳米氧化锆；

S2、将聚醚羧酸分散在水中，然后加入预处理后的纳米氧化锆，二者质量比为1：8，并于80℃下加热搅拌0.2h，离心、洗涤和干燥后，得到改性纳米氧化锆。

对比例2

与实施例2的不同之处在于：步骤（1）中，将玻璃纤维与28wt%的聚对苯二甲酸乙二酯和聚碳酸酯的混合物在260℃下搅拌混合15min，压制得到带束层。

对比例3

与实施例2的不同之处在于：步骤（1）中，将玻璃纤维放入含有氧气的等离子体反应室内，在0.08MPa和180W条件下使玻璃纤维表面激活，然后再对玻璃纤维清洗、干燥，并与28wt%的聚对苯二甲酸乙二酯和聚碳酸酯的混合物在260℃下搅拌混合15min，压制得到带束层。

对比例4

与实施例2的不同之处在于：将步骤（1）中聚对苯二甲酸乙二酯和聚碳酸酯的混合物替换为聚乙烯。

对比例5

与实施例2的不同之处在于：步骤（2）中，将改性纳米氧化锆替换为氧化锆。

对比例6

与实施例2的不同之处在于：步骤（2）中，将醇酸树脂替换为酚醛树脂。

对比例7

与实施例2的不同之处在于：改性纳米纳米氧化锆的制备方法包括如下步骤：将纳米氧化锆分散在乙醇溶液中，然后加入6wt%的甲基三异丙氧基硅烷和三乙氧基硅烷（二者质量比为1：1），并于60℃下超声处理12min，离心、洗涤和干燥后，得到改性纳米氧化锆。

对比例8

与实施例2的不同之处在于：改性纳米纳米氧化锆的制备方法包括如下步骤：将纳米氧化锆分散在乙醇溶液中，然后加入聚醚羧酸，聚醚羧酸与纳米氧化锆的质量比为1：3，并于30-60℃下加热搅拌1.2h，离心、洗涤和干燥后，得到改性纳米氧化锆。

对比例9

与实施例2的不同之处在于：步骤S1中，将甲基三异丙氧基硅烷和三乙氧基硅烷替换为三甲氧基硅烷；

步骤S2中，将聚醚羧酸替换为聚丙烯酸。

对比例10

与实施例2的不同之处在于：步骤S1中，将氧化锆替换为氧化铝。

试验例

轮胎轻量化试验：以现有载重工程车辆某轮胎的质量为1，获得实施例1-3和对比例1-10的轮胎质量。

轮胎强度试验：依据GB 9744-2015《载重汽车轮胎》对轮胎强度性能进行测试，施加压力为5kN，获得最小破坏能。

轮胎耐久性试验：以830kPa的气压充气，标准负荷3750kg，行驶速度65km/h，47h之后每2h负荷增加5％，直至轮胎损坏，获得轮胎耐久时间。

试验结果如下表1所示。

表1

由表1可知，与实施例1-3相比，对比例1-9的轮胎质量至少增加了9.3%，最小破坏能至少降低了1.7%，耐久时间至少降低了8.3%，对比例10的轮胎质量虽然最小，但是其最小破坏能和耐久时间也同样最差，而采用实施例1-3的制备方法制得的轮胎质量在0.83-0.86之间，最小破坏能为2828.6-2862.4J，耐久时间为73.1-74.5h，其中实施例2的轮胎质量最小（0.83），最小破坏能（2862.4J）和耐久时间（74.5h）最优，实现了强度和重量的平衡，提高轮胎的耐久性，保证重型工程车辆的稳定和安全行驶。

以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。