摘要：聚氨酯彈性體既有橡膠的高彈性，又有塑料的高硬度和高強度，其耐磨性能卓越，具有較高的機械強度和優異的耐油、耐化學藥品、耐屈撓、耐低溫性能。聚氨酯輪胎滾動阻力低，有利於降低汽車燃油消耗；耐磨性能提高數倍，使用壽命長；胎麵材料中不含炭黑和橡膠填充油，磨損時不會汙染空氣和土壤；廢舊輪胎部分可以回收用作其他聚氨酯產品，不會造成環境汙染。聚氨酯彈性體是製造綠色輪胎和輪胎綠色製造的理想材料。   關鍵詞：聚氨酯彈性體；聚氨酯輪胎；耐磨性能；滾動阻力；壽命；環保   中圖分類號：ＴＱ３２３．８；ＴＱ３３６．１　　文獻標誌碼：Ｂ　　文章編號：１００６－８１７１（２０１３）０２－００６７－０６
    長期以來，橡膠一直是輪胎製造業的首選材料，在輪胎中使用已經有１００多年曆史，而聚氨酯彈性體在輪胎中的規模化應用僅有５０年時間。在第二次世界大戰期間，為了克服資源供應緊缺的問題，西方各國開始竭力研究開發合成橡膠等聚合物，德國科學家Ｏｔｔｏ　Ｂａｙｅｒ最早合成出聚氨酯彈性體，其目的是替代天然橡膠、鋼材等緊缺戰略物資。聚氨酯特有的性能使其逐漸發展成為材料加工工業的重要材料，到２０世紀６０年代，在美國從原料生產、彈性體合成以及加工應用領域已經形成較完整的工業化體係。
    聚氨酯彈性體是一類在分子鏈中含有氨基甲酸酯基團（—ＮＨＣＯＯ—）的彈性體聚合物材料，通常以低聚物多元醇、二元或多元異氰酸酯、擴鏈劑／交聯劑以及少量助劑製得。從分子結構上看，聚氨酯彈性體是一種嵌段聚合物，一般由低聚物多元醇柔性長鏈構成軟段，以二異氰酸酯及擴鏈劑構成硬段，硬段和軟段交替排列，形成重複結構單元。除含有氨酯基團外，聚氨酯分子內及分子間可形成氫鍵，軟段和硬段可形成微相區並產生微觀相分離。這種分子結構，使聚氨酯彈性體成為一種性能介於一般橡膠與塑料之間的高分子合成材料，既有橡膠的高彈性，又有塑料的高硬度和高強度，耐磨性能卓越（為一般橡膠的３～１０倍），有“耐磨橡膠之王”的美譽，還具有良好的機械強度、耐油性、耐化學藥品、耐屈撓性和優異的耐低溫性能［１］。自２０世紀６０年代，人們開始了聚氨酯彈性體在輪胎中的應用研究，從那時起，聚氨酯和普通橡膠一樣成為輪胎製造業關注的重點材料。
    １　聚氨酯輪胎的開發與應用
    最早的聚氨酯輪胎是實心輪胎，在苛刻條件下運輸貨物，表現出耐磨性能優異和承載能力大的優勢，至今仍在廣泛應用。２０世紀七八十年代開始，國內外一些輪胎公司或研發機構紛紛研究製造充氣聚氨酯輪胎［２］。奧地利Ｓｃｈｍｉｄｔ兄弟的ＬＩＭ 公司研製了客車、載重汽車、拖拉機和越野車用的ＬＩＭ 全聚氨酯輪胎；美國固特異輪胎橡膠公司首先將工作重點放在了聚氨酯實心輪胎研製，也嚐試用聚氨酯彈性體製造充氣輪胎，固特異不僅僅局限於全聚氨酯輪胎，而且也對橡膠／聚氨酯複合結構輪胎開展了一定的研究工作；美國尤尼羅伊爾－固特裏奇輪胎公司也開發了一種聚氨酯輪胎，它是把聚氨酯覆蓋在金屬軸上，以１８５ｋｍ·ｈ－１速度可以行駛長達１０萬ｈ以上，這種輪胎適用於各種轎車和輕型載重汽車；法國米其林輪胎公司開發了由聚氨酯和其他塑料材料製成的名為Ｔｗｅｅｌ概念輪胎，這種輪胎使用聚氨酯彈性體做成輻條，輻條交叉連結成網，再安裝到輪轂上，外麵包１層膠，從而代替普通輪胎的胎體、胎側和胎圈成為承載負荷的元件，Ｔｗｅｅｌ輪胎不必充氣，但在承受負荷時仍能提供像充氣輪胎那樣的操縱性能、乘坐舒適性和安全性。美國的艾美萊輪胎公司（Ａｍｅｒｉｔｙｒｅ　Ｃｏｒｐ．）開發出與橡膠輪胎相當的聚氨酯防爆輪胎，性能通過了美國聯邦汽車安全標準ＦＭＶＳＳ　１０９。英國ＣｏｍｐｏｕｎｄｉｎｇＩｎｇｒｅｄｉｅｎｔｓ公司是聚氨酯專業生產廠家，開發出載重輪胎的聚氨酯翻新輪胎方案，並聲稱該方案翻新輪胎的使用壽命是傳統橡膠翻新輪胎的２倍。我國廣州華工百川科技股份有限公司開發的聚氨酯／橡膠新型複合結構輪胎已應用於叉車、轎車和載重汽車，而且進行了翻新輪胎的試驗和生產。
    聚氨酯彈性體的結構和性能特點，決定了用其製造的輪胎性能有別於普通橡膠輪胎。聚氨酯輪胎在自動裝載車上應用較為普遍，美國Ｔｈｏｍｂｅｒｔ公司的Ｒｅｇｇｉｅ　Ｃｏｌｌｅｔｔｅ先生對自動裝載車上使用的橡膠和聚氨酯輪胎進行了性能對比分析，同時，對輪胎適用的車輛類型和環境進行了評價［３］。一般來講，橡膠輪胎主要應用在丙烷液化氣動力和內燃機型的自動裝載車，這樣的車輛通常既在室內作業也在室外道路行駛，在這種使用環境下，橡膠輪胎能夠提供更好的駕乘舒適性和牽引性。相比之下，聚氨酯輪胎隻局限於應用在各種類型的電動自動裝載車，這種車主要在室內行駛，聚氨酯輪胎的承載能力遠遠超過橡膠輪胎，使用壽命是橡膠輪胎的４倍，減少更換輪胎次數和由此帶來的勞動損失；聚氨酯輪胎滾動阻力低，有助於延長電池使用周期，減少蓄電池充電次數。正是因為這些特點，在自動裝載車領域，聚氨酯輪胎與橡膠輪胎一樣具有重要地位，如果正確使用，都會實現各自為消費者專門設計的使用效果。
    ２　聚氨酯輪胎與橡膠輪胎性能對比
    ２．１　自動裝載車領域   ２．１．１　滾動阻力 
    聚氨酯材料的化學構成決定了其具有比橡膠更低的滾動阻力。較低的滾動阻力會提高電動自動裝載車的效率，減少蓄電池充電次數，電池充電越頻繁，處理蓄電池的勞動量就相應增加，生產效率就越低，因此，最好是在電動自動裝載車上使用聚氨酯輪胎。
    橡膠輪胎製造商也在生產類似的低滾動阻力輪胎，使用的是專門為電動車輛設計的電動車用橡膠配方，這些產品設計的目的就是降低滾動阻力，改善電池使用壽命，提高車輛生產效率。
    ２．１．２　緩衝性能
    輪胎的緩衝能力直接與其材料硬度有關，硬度值越高，輪胎越硬，吸收衝擊能的能力越低，緩衝性能越差。橡膠輪胎邵爾Ａ 型硬度通常在６７～７５度，而聚氨酯輪胎硬度往往高達８３～９５度，由於聚氨酯輪胎較硬，因此對於自動裝載車的駕駛員來說，乘坐舒適性遠不如橡膠輪胎。當乘坐舒適性作為很重要的衡量指標時，換上橡膠輪胎會得到顯著的改善。如果是電動車輛，推薦使用邵爾Ａ型硬度為８３度的聚氨酯彈性體材料，這樣在保證緩衝能力的前提下輪胎承載能力最大而且滾動阻力最小。
    聚氨酯輪胎邵爾Ａ型硬度在低於８３度時物理性能快速下降，聚氨酯越軟，其韌性和承載能力下降速率越快。多年來，為了滿足提高承載能力的需求，聚氨酯的製造者為提高輪胎性能已經開發出硬度高達９５度的聚氨酯配方。盡管這一配方能夠承擔巨大的負荷，卻幾乎不能為操作者提供減震作用。通常情況下，硬度為９５度的聚氨酯輪胎比硬度為８３度的聚氨酯輪胎承載能力提高１５％，提高裝卸的噸位數，減少更換損壞輪胎造成的停歇時間。 
    ２．１．３　牽引性能
    橡膠或聚氨酯輪胎與路麵接觸時的附著性存在明顯區別。橡膠輪胎胎麵較軟，而聚氨酯輪胎卻很硬，所以橡膠輪胎比聚氨酯輪胎接地印痕麵積大，即使與最軟的聚氨酯輪胎相比，橡膠輪胎提供的牽引性能也具有明顯的優勢。聚氨酯輪胎製造商為了改善聚氨酯輪胎牽引性能，通常在輪胎表麵加刻刀槽花紋或加刻不同形式花紋，這樣做不但能夠提高牽引性能，還不會損失輪胎較高的承載能力。
    ２．１．４　承載能力
    聚氨酯輪胎的承載能力大約是橡膠輪胎的２倍，正是因為這一點，自動裝載車的製造商一般在載重軸上使用聚氨酯輪胎。聚氨酯輪胎具有優異的抗裂口增長、抗撕裂和抗崩花掉塊性能，而橡膠輪胎經常由於發生這樣的問題而早期損壞。近年來，由於各種類型的自動裝載車的承載能力和速度在持續提高，無論是橡膠輪胎還是聚氨酯輪胎，因持續超負荷行駛造成的早期損壞成為輪胎失效的主要現象，“超負荷＝生熱＝失效”，對於使用聚氨酯輪胎和橡膠輪胎都一樣。
    ２．１．５　耐磨性能
    橡膠輪胎柔軟，乘坐舒適性好，但是不如聚氨酯輪胎耐磨，一般來說，聚氨酯輪胎的耐磨壽命是橡膠輪胎的４倍。橡膠輪胎在行駛過程中，與路麵接觸發生常規磨損時通常會從胎麵磨掉碎屑，即發生磨蝕磨耗、卷曲磨耗等。聚氨酯材料比較堅韌，能夠經受得起粗糙路麵的磨損，產生碎屑的情況遠遠好於橡膠輪胎，大多情況下聚氨酯輪胎傾向於發生滑動摩擦。
    ２．１．６　抗切割／抗撕裂性能
    橡膠的抗切割／抗撕裂強力不高，一旦被切割或撕裂，切割或撕裂的區域會在橡膠輪胎中延伸擴大，最終導致輪胎早期失效。而聚氨酯既抗切割也抗撕裂，類似於橡膠輪胎被切割和撕裂的現象，在聚氨酯輪胎中的表現隻是相當於割口或裂口鑲嵌在胎麵中，一般不會發生延伸擴大，也就不會引起輪胎整體的切割或撕裂。但是，無論是聚氨酯還是橡膠，切割和撕裂最終都會導致聚合物壽命的降低。
    ２．１．７　速度性能 
    如果說聚氨酯有一個致命的弱點，那就是生熱。聚氨酯輪胎無法將內部產生的熱量快速傳導到外部，其正常工作溫度上限一般是８０～９０℃，溫度升高後，聚氨酯材料的耐疲勞性和耐屈撓性等動態物理性能明顯下降，導致輪胎早期損壞。內燃機型和丙烷液化氣動力自動裝載車，通常在戶外作業而且行駛速度很快，不適合裝配聚氨酯輪胎，而橡膠輪胎則是最好的選擇，橡膠輪胎散熱好，適合於長時間保持高速行駛。大多數電動自動裝載車行駛速度為９～１３ｋｍ·ｈ－１，在這個速度範圍，聚氨酯輪胎具有一定優勢。
    ２．１．８　地麵印跡
    聚氨酯材料的基本化學構成決定了聚氨酯輪胎不會在地麵留下印跡，即使是色彩鮮豔的輪胎，也不會在地麵留下任何著色劑的痕跡。聚氨酯輪胎容易將地麵上的髒物粘帶起來，然後又掉落回地麵，掉落在地麵的髒物看上去似乎是從輪胎上脫落下來的，有時被誤認為是聚氨酯輪胎在地麵留下了印跡。
    橡膠輪胎則不同，如果使用普通的橡膠配方，確實會在地麵留下印跡，橡膠中的炭黑是形成印跡的元凶。市場上也有不汙染地麵的橡膠產品，通常不會在地麵留下印跡，這些輪胎一般是灰色的，其中沒有添加炭黑。
    ２．１．９　濕滑性能
    有些物品在貯存期間需要涼爽和潮濕的環境，這時庫房的工作區域地麵往往有潮濕現象，由於聚氨酯輪胎與濕滑地麵附著性不佳，因此在這樣的環境下使用聚氨酯輪胎會給電動自動裝載車的操作帶來一些麻煩，這時，人們便會想到使用牽引性能更好的橡膠輪胎。目前，有一些聚氨酯輪胎產品，通過在胎麵加刻刀槽花紋（即在胎麵刻劃一定角度的小切口），達到了不會犧牲承載能力的同時提高牽引性能的目的。在這種環境下具有與橡膠輪胎基本相當的牽引性能，在濕滑地麵使用橡膠輪胎，確實能夠提高牽引性能，但是會損失裝載車的承載能力和搬運效率。
    ２．１．１０　耐化學性
    聚氨酯輪胎與橡膠輪胎相比，在耐化學性方麵具有顯著區別。橡膠輪胎長時間接觸有機溶劑，容易發生溶脹現象，可能會出現抗撕裂強度和抗崩花掉塊的能力逐漸減弱的現象。而聚氨酯輪胎卻不同，即使其長期接觸這些溶劑，各項性能也會保持不變，特別是像甲乙酮、二氯甲烷或酸類等強凯发k8国际8500性的溶劑，也不會凯发k8国际8500聚氨酯輪胎。
    ２．１．１１　性價比
    橡膠原材料相對聚氨酯彈性體便宜，因此僅依據材料配方，橡膠輪胎比聚氨酯輪胎便宜２５％～５０％。聚氨酯輪胎價格雖然比橡膠輪胎高，但是其使用壽命比橡膠輪胎提高了２倍以上，性價比優勢明顯，綜合的經濟效益和社會效益顯著。
    ２．２　全聚氨酯汽車輪胎
    國內外一些著名輪胎公司和研究機構，針對聚氨酯彈性體在汽車輪胎、工業車輛輪胎和翻新輪胎中的應用進行了大量研究工作，與橡膠輪胎的性能對比結果同上述的自動裝載車輪胎對比結果呈現很多相似之處。
    ＬＩＭ 公司研製的聚氨酯輪胎，與全鋼子午線原裝胎在同等狀態下對比行駛１萬ｋｍ後顯示出如下特點［２］：
    （１）節油９．９５％；
    （２）胎麵磨耗量降低５１％，胎麵使用壽命延長；
    （３）質量減輕２２％；
    （４）內生熱降低５４％；
    （５）可操縱性能及道路行駛性能相當，駕乘者基本無法判別裝配的輪胎種類。
    據文獻［４］報道，國外關於聚氨酯輪胎研究的性能試驗結果表明：聚氨酯輪胎與普通全鋼子午線輪胎相比具有耗油量平均降低１０％，胎麵磨耗量降低５１％，輪胎質量減輕約３０％，滾動阻力降低３５％以上的優點；聚氨酯輪胎操縱性能和路麵行駛性能與子午線輪胎相近，隻是製動性能較子午線輪胎低６％，側偏性能比子午線輪胎低７％；抗割口增長方麵，按照德國ＴＵＶ 規定的試驗方法，在胎側切開３ｃｍ 的割口，然後在１５０％額定負荷和７５ｋｍ·ｈ－１的速度下進行行駛試驗，行駛３　０００ｋｍ 以後沒有發現割口增長，由此可見，聚氨酯輪胎具有優異的抗割口增長性能。
    ２．３　聚氨酯／橡膠複合輪胎
    在我國，廣州華工百川科技股份有限公司在聚氨酯綠色輪胎開發方麵進行了大量應用研究工作，並取得豐碩成果［５－６］。聚氨酯胎麵／橡膠胎體複合結構輪胎技術，應用於叉車、載重汽車、輕型載重汽車和轎車輪胎等試驗研究，並進行了裝車行駛試驗。他們開發的聚氨酯／橡膠新型複合結構綠色輪胎，采用傳統方法生產輪胎的胎體，胎麵部分采用聚氨酯澆注，攻克了聚氨酯胎麵與橡膠胎體粘合的關鍵技術，達到國際先進水平，生產的聚氨酯／橡膠複合輪胎在實際應用中取得良好效果。該產品集橡膠子午線輪胎和整體澆注型聚氨酯輪胎的優點於一身，克服了兩種輪胎各自的缺點，具有彈性好、舒適性好、滾動阻力低、耗油少、胎麵耐磨性能大大提高等突出優點。采用１０．００Ｒ２０全鋼載重子午線輪胎胎體製成聚氨酯複合輪胎，在國家橡膠輪胎質量監督檢驗中心進行室內耐久性能試驗，全部通過４７ｈ的國家標準，最長達到１６５ｈ；輪胎滾動阻力測試結果表明，聚氨酯／橡膠複合輪胎滾動阻力較相同規格橡膠輪胎小２０％～２５％。１０．００Ｒ２０聚氨酯複合輪胎在貨運大型拖車上進行路試，每條輪胎的行駛裏程都可達５萬ｋｍ 以上，在進入耐磨的１．５萬ｋｍ區間裏胎麵累計平均磨耗裏程最高可達１７　７００～２３　０００ｋｍ·ｍｍ－１。利用６．００－９斜交輪胎胎體製成的聚氨酯複合輪胎，在廣州、上海等地的橡膠廠、倉庫、化工廠等場合試用，耐磨性能是普通輪胎的２～１０倍，抗切割和抗刺紮能力優於橡膠輪胎，特別適用於在要求潔淨無印痕的庫房中使用。
    該項技術２００６年在杭州悍馬輪胎科技有限公司建成新型綠色輪胎生產線示範基地，生產聚氨酯／橡膠複合結構的工業車輛輪胎和部分載重輪胎，如７．００－９和２８×９－１５叉車充氣輪胎，１０．００－２０載重斜交輪胎等，產品性能達到國家標準要求，在實際應用中取得良好效果，輪胎耐磨性能和抗刺紮性能大大提高，受到用戶青睞，已經形成２０萬條·ａ－１不同類型輪胎的生產規模，還將繼續擴建生產聚氨酯／橡膠複合結構工程機械輪胎和輕型載重輪胎。
    聚氨酯胎麵／橡膠胎體複合結構形式，在輪胎翻新領域也取得了較好應用效果。２００７年，廣州華工百川科技股份有限公司將聚氨酯／橡膠複合技術推廣到翻新輪胎領域，研發預硫化聚氨酯／橡膠複合胎麵，即冠部胎麵膠是聚氨酯，基部膠是普通橡膠胎麵，使用橡膠表麵處理劑和粘合劑使聚氨酯胎麵與橡膠牢固粘合在一起。聚氨酯胎麵最大的優點是可以大幅度延長翻新輪胎的使用壽命，聚氨酯／橡膠複合胎麵翻新輪胎行駛裏程比普通翻新輪胎提高１倍以上，減少輪胎翻新次數，減少對環境的汙染，節約能源，減少翻胎成本。聚氨酯翻新輪胎的優越性還體現在：①胎麵材料中不含有毒有害填充劑；②胎麵不含炭黑，在使用時能保持環境清潔；③能夠完全生物降解，不會導致環境汙染；④滾動阻力低，可以節省汽車燃油消耗；⑤與普通天然橡膠胎麵相比，具有優良的耐溶劑油、耐燃油和耐化學品性能［７］。
    ３·聚氨酯輪胎和橡膠輪胎的優劣勢比較
    試驗研究表明［８］，聚氨酯材料導熱係數比橡膠胎體材料小，傳熱慢，不利於輪胎滾動時產生的熱量由內向外散發，會引起聚氨酯和橡膠接合麵熱量積聚，溫度偏高，導致聚氨酯與橡膠胎體脫離而致輪胎損壞。普通聚氨酯不能在１００℃以上長時間使用，但采用特殊配方可耐１４０℃以上高溫，因此，優化設計聚氨酯彈性體分子結構，降低其動態生熱，提高動態高溫下力學性能和耐磨性能保持率以及聚氨酯與橡膠的界麵粘合性，是進一步深入研究聚氨酯彈性體在輪胎中廣泛應用的重要課題。美國艾美萊輪胎公司研製出一種特殊的聚氨酯材料，克服了不耐熱缺點，這種材料由多元醇、二苯甲烷二異氰酸酯等組成，固特異公司利用這種材料試製了輪胎，新產品的均勻性、安全性和耐磨性能均比普通橡膠輪胎好，且不易產生胎麵剝離和爆胎。隨著聚氨酯材料性能和輪胎生產工藝的改進，規模化生產聚氨酯輪胎不久將成為現實［５］。
    聚氨酯彈性體不僅是製造“綠色輪胎”的理想材料，也是實現輪胎“綠色製造”的最佳首選。采用澆注型聚氨酯彈性體製造輪胎，可使複雜的固相加工改變為簡單的液相加工，省去龐大的生產設備，大大簡化了加工工藝，實現了材料混合、成型、硫化一體化，大大減少製造過程能源消耗。即使是聚氨酯／橡膠複合結構工藝技術製造輪胎，也減少了橡膠胎麵膠的混煉膠量，減少汙染環境的炭黑和芳烴油的使用量，減少製造過程廢水、廢氣的排放。聚氨酯輪胎滾動阻力低，使汽車的燃油消耗減少；使用壽命長，減少輪胎使用數量和翻新次數，節省了製造輪胎的資源和能源。聚氨酯輪胎在使用過程中不會產生汙染環境的廢塵、廢料，充分體現了聚氨酯輪胎在使用過程中環境友好的特性。橡膠輪胎在使用過程中，胎麵中的多環芳烴和炭黑等材料會散發到空氣和土壤中，嚴重汙染環境，廢舊輪胎回收利用難度大，耗費更多的人力、財力和物力。聚氨酯材料通過改性可以實現生物降解，其回收利用比橡膠容易，采用物理方法回收可以用於生產性能要求不高的聚氨酯製品，采用化學方法回收可以獲得純淨的原料單體，如多元醇、異氰酸酯、胺等。
    聚氨酯輪胎與橡膠輪胎綜合性能對比見表１。從表１可以看出，聚氨酯輪胎在承載能力、耐磨、抗撕裂、抗切割、滾動阻力等性能方麵具有明顯優勢，適用於製造高負荷、節能、道路狀況惡劣或工作環境要求潔淨等特殊條件下使用的工業車輛或載重汽車輪胎。