含有部分取向增强纤维的弹性体，用该弹性体制成的轮胎及其制法的制作方法

专利名称：含有部分取向增强纤维的弹性体，用该弹性体制成的轮胎及其制法的制作方法
技术领域：
本发明关于纤维增强弹性体和用纤维增强弹性体制成的轮胎。
一般，在硫化橡胶胶料中掺入短纤维使得初始或低应变(低伸长)模量(刚度)显著提高。伴随而来地，橡胶中短纤维的存在常常造成周期应力下耐疲劳强度降低和滞后生热增加。
例如，由于在滚动着的轮胎中，橡胶经受周期性变形，故希望用于此目的的短纤维增强复合物的疲劳破裂性能至少与未增强橡胶基质相等。
人们曾使用各种各样不连续的短纤维来提高橡皮的刚度(模量)。例如，U.S.专利号3,697,364、3,802,478和4,236,563，曾使用在橡胶中分散体形式的不连续纤维素纤维。还建议或使用过诸如芳族聚酰胺、脂族聚酰胺(耐纶)、棉、人造丝、聚酯、玻璃、碳和钢等其他不连续纤维。
轮胎技术上使用的许多聚合物纤维据知是全或高取向短纤维。用短纤维譬如Kevlar碎屑增强的弹性体表现出良好的刚性。随着弹性体中Kevlar碎屑加入量的提高，复合物刚度提高，然而抗裂纹扩展性却下降。故而，就某些应用场合而言，只使用全或高取向短纤维，也许不可能在弹性体刚度和抗裂纹扩展性之间获得适当的平衡。
国际专利申请号WO90/04617(Allied Signal公司)讲述部分取向丝(POY短纤维)的制取方法并披露，这种短纤维能用于轮胎中。该申请没有提到这种纤维能用于胎面基部，用于胎面基部要达到的特定性能，也未提到要求的纤维用量。
通常，凡使用不连续纤维的场合，橡胶复合物还包含一种颗粒增强剂与之联合使用。
本发明建议，可以用短纤维增强部件代替轮胎中的传统部件。例如，先有技术已知道，在经受高速度的轮胎内胎冠区提供护带帘布层。按本发明的一个实施方案建议，不需要先有技术的护带帘子布而采用短纤维增强橡胶层作胎面基部，它可以采用压延或者与胎面胶复合挤出。用复合挤出制造此种材料将减少制造轮胎消耗的劳动力。
鉴于上述，本发明的一个目的是提供弹性体基质的增强方法，从而以最低的成本在弹性体基质要求的诸性能间获得良好的平衡。
还公开了用本发明的增强基质制成的轮胎。
本发明其他的目的，在读完下文及权利要求之后就变得很清楚。
提供一种包含增强的可硫化组合物的充气轮胎用轮胎部件。在举出的实施方案中，描述了一种胎面基材组合物。该组合物包含一种可硫化弹性体基质材料，该材料中分散有有效增强数量的模量小于10GPa，较好小于6GPa的部分取向纤维。该部分取向纤维长约0.2～12mm，直径约0.005～0.03mm，长径比约25～1000，其含量按每100重量份可硫化弹性体基质材料计，约1～14重量份(Phr)。该部分取向纤维可以包括聚酰胺、聚酯或者聚烯烃类，，而做为具体实例可包括选自由耐纶6、耐纶46、耐纶66、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚邻萘二甲酸乙二酯(PEN)以及其混合物构成的一组聚合物。
作为另一种方案，轮胎部件可以用POY纤维和原纤化纤维碎屑的混合物来增强。
还提供一种组合物，它包含分散了有效增强数量的部分取向纤维与原纤化纤维碎屑混合物的可硫化弹性体基质材料。
部分取向纤维已如上述，而全取向纤维可包括碎屑形式的纤维。在一个实例中，碎屑纤维包括长度约0.2～5mm、直径约0.0005～0.02mm和长径比约25～1,000的干部，所述纤维具有从所述干部向外伸出的许多原纤，所述纤维具有约5～20m2/g的表面积。
在弹性体材料中，部分取向纤维包含约0.5～10Phr(每100重量份可硫化基质材料的重量份数)，而全取向纤维包含约0.5～8Phr，2种纤维的总和包含约1～14Phr(总份数)。


图1画的是一个可用本发明复合物制造的轮胎。
图2是对照弹性体，以及掺入POY耐纶和标准耐纶纤维同样弹性体的哑铃试片拉伸模量直方图。
图3是图2试样弹性体的Strebler粘合力直方图。
图4是胶料中含有“W”方向取向POY纤维和标准纤维的割口增大速率。
图5是胶料中含有“A”方向*取向POY纤维和标准纤维的割口增大速率。
图6是胶料中含有POY纤维、芳族聚酰胺纤维和POY纤维与芳族聚酰胺纤维混合物时哑铃试片的拉伸模量。
图7是图6所示复合物的动态模量。
图8是图6所示复合物的低应变粘弹数据。
图9是图6所示复合物的Strebler粘合力。
图10表示图6所示复合物的扯断性能。
图11表示图6所示复合物的破裂性能(“A”方向)。
*注W方向＝顺纹方向A方向＝横纹方向当弹性体材料中形成裂纹时，在不断扩展的裂纹尖部将出现应力集中。有一些大量记载的应力分散机理，能减慢裂纹增大的速率。例如(a)某些弹性体，最熟悉的是顺式1，4-聚异戊二烯(天然橡胶)，受拉伸时发生结晶(应变诱导结晶)。在裂纹尖部高应力区，即使当总的应变较小时也发生结晶，而伴随结晶产生的能量分散在很大程度上提高了撕裂强度。
(b)颗粒状填料，最常见的是碳黑，显著提高无定形弹性体的撕裂强度。普遍的看法是，填料的增强作用主要是由于撕裂方向偏离(曲折撕裂)，加上粘性耗散作用的增加而造成的；(c)以热量形式的能量耗散(滞后)不参与促进裂纹扩展。
原纤化短纤维，如Kevlar碎屑、或其他高结晶、高取向、刚性棒状成纤材料，会迫使裂纹沿着曲折的路径发展，从而使弹性体复合物的抗裂纹增大得到改善。同时，这些纤维材料还相当程度地提高弹性体基质的低应变模量。
还有，与(纯)弹性体相比，采用碎屑纤维的复合物的滞后增大，抗疲劳、抗割口增大和抗撕裂能力都提高了。
按本发明的观点，曾建议采用部分取向纤维丝(POY)或者POY短纤维与原纤化碎屑的混杂物，来代替先有技术采用的全取向纤维。
据信，采用POY纤维的复合物具有改进的割口增大性能，因为，POY纤维提供了另一能量分散的手段，此时，当橡胶基质变形时，POY纤维受到拉伸或取向。而且，POY纤维的这种低模量也可能导致纤维-橡胶界面处应力的降低。
POY纤维是由具有大无序区(或非取向区)的聚合物链构成的。当纤维受到伸长应变时，酷似弹性体链在受到力作用时拉长一样，无序区可以伸长，故而这种纤维拉伸模量低，抗张强度也低，然而扯断伸长高。POY纤维，在伸长过程中吸收能量(否则这部分能量将贡献给弹性体的破裂传播)的同时，差不多象在复合物中加入全取向柔性链纤维一样，增加了弹性体的刚度。
POY短纤维，较好POY耐纶66或耐纶6，将提供在低应变模量上适度的提高，还借部分取向纤维分子结构取向度提高(应变诱导结晶)，提供了受到变形立即起作用的能量耗散机制。
典型地说，与全取向柔性链短纤维增强的弹性体基质相比较，含有POY纤维的弹性体基质具有近似的刚度和较低的割口增大速率，较高的滞后，以及近似的硬度、撕裂强度、抗张强度和扯断伸长等性能。所以说，可以采用POY纤维(在复合物中)达到在刚度上近似相等的提高，其他性能则同采用标准纤维时一样，但在抗割口增大方面却获得了显著的优势。
加入1～10Phr部分取向耐纶66短纤维的碳黑充填弹性体，50％伸长下的拉伸模量可能在约0.8到9MPa之间(测试条件室温，速率为20英寸/分)。其室温和10Hz循环速率下30％应变时测得的割口增大速率可从2～8×102mm/Mc(Mc百万次)。上述条件下测得的滞后介于1.0～3.0×102KPa之间。因加入最高达10Phr的部分取向耐纶66短纤维，此种碳黑充填弹性体在相同条件下测得的抗张强度可从18.0MPa降至7.0MPa。同样地，扯断伸长可从600％降至300％。该组合物在室温下的邵氏A硬度可介于50～70点之间。
同POY纤维呈鲜明对照，全取向纤维，例如象Kevlar这样的刚性棒状液晶纤维，含有由僵直排列的全取向聚合物链构成的子晶。相应地，这种纤维基本上为不可伸长的，与用POY制成的复合物相比，当加入复合物中去时，使得复合物相对地更为刚硬(高模量)，伸长更受限制(低伸长性)。
采用POY纤维同原纤化碎屑短纤维构成的混杂物能取得改进的胶料增强作用，显示出互补的能量耗散机制。在举出的实例中，互补性能量耗散机制是裂纹偏离和因变形引起的高的伸长能。
含有部分取向和全取向液晶两种纤维的复合物(一种混杂短纤维增强复合物)的性能与每种纤维的加入量有关，故可以在很宽的范围内改变。经常是，针对一特定目的而言，混杂复合物具有比对应的POY复合物或者含有原纤化碎屑纤维的复合物均优的性能平衡。
为了充分理解纤维增强机制，必须了解纤维结构以及纤维是如何制取的，特别是有关聚合物链在纤维内的取向。
要把象聚酯、尼龙或者聚烯烃制成长丝纱，需要将熔体或溶液纺成丝，还需要所谓取向或牵伸的过程。在传统的聚合物熔体或溶液中，分子是按无规线团构形排列的；若在这种状态下固化，生成的材料就不会有所要求的拉伸性能。
最重要的取向阶段发生在纤维被从喷丝板孔处生成的膨大部分拉下来的时候。纤维固化也发生在这一过程中。该膨大部是由于聚合物分子从纺丝组件内的压力下释放后膨胀而形成的。这种取向过程常常被称为纺丝牵伸。
在纤维制造过程中可能采取的另一种类型的牵伸是机械牵伸。
根据生产丝的方法不同，机械牵伸的程度彼此相差很远。以1500m/min以下的速度纺丝和固化的耐纶或聚酯没有什么纺丝取向。这种丝被称为未牵伸丝、未取向丝或低取向丝。纺丝完成以后大部分要求的牵伸是在牵伸-加捻机上以机械方法进行的单独工序完成的，牵伸比约为5.0。由于初生纤维在室温下存放时在未取向状态下发生结晶，此种纺制纤维的一个缺点就是存放时间短。
在现代纺丝/牵伸过程中，纺丝和牵伸是在同一台机器上同时完成的，生成的丝称为全取向丝，纺丝在约1,500m/min条件下进行，接着进行大约2.5倍的机械牵伸。该方法的关键是高卷绕速度(3000～4000m/min)以及用于把固化纤维在机械牵伸之前预热的快速加热技术。纺丝/牵伸方法被广泛地用来生产聚酰胺、聚酯和聚丙烯长丝纤维。
在POY纺丝过程中，所用的设备非常类似于纺丝/牵伸过程；主要区别是纺丝机上取消了机械牵伸。卷绕机仍旧以2500～4,000m/min之间的速度运转；这样，纤维便以足够的速度从纺丝板拉出以提供足够的纺丝取向，这样纺制的纤维性能稳定，储存时间长。用这种方法纺制的纤维被称为部分取向丝(POY)，而由于它能长时间存放，人们开发出许许多多以POY为原料丝的工艺。
可部分取向的纤维的例子有聚酰胺、聚酯和聚烯烃类纤维。
可部分取向的具体纤维的例子有耐纶6、耐纶46、耐纶66、聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚邻萘二甲酸乙二酯(PEN)。
传统的纤维，象聚酰胺、聚酯和聚烯烃类纤维，具有柔性分子链结构故易于结晶成折叠链结晶区。完全取向的，严格地说高度取向的伸直链、结晶纤维可以用刚性链聚合物的液晶熔体或溶液(分别叫做热致变和感胶离子聚合物)的纺丝来制取。当用液晶(各向异性)熔体或溶液纺丝时，要获得高取向纤维只需要纺丝过程而不一定进行牵伸。
在下面各段中，我们将讨论某些典型的可用于本发明的液晶纤维。
1.Vectran是由一种刚性、棒状、芳族共聚聚酯的液晶熔体纺成的纤维，其分子结构由两种单体组成，即对羟基苯甲酸和6-羟基-2-萘甲酸，呈随机顺序地分布，且含不同的分子比例。它是一家德国的Hoechst股份公司独资的分公司-Hoechst-Celanese公司(美国)生产的。
2.由刚性、棒状、芳族聚酰胺经干喷咀(空气隙)湿法纺丝技术纺制的纤维是由美国的杜邦公司(商品名Kevlar)和荷兰的Akzo Nobel纤维公司(商品名Twaron)工业化生产的。这种对位聚酰胺纤维的化学结构是聚(对亚苯基对苯二甲酰胺)。
3.通过纤维素酯(甲酯或乙酯)的液晶溶液纺丝并随后皂化以获得再生纤维素纤维制成的纤维素纤维。如同芳族酰胺的情况一样，刚性、棒状、纤维素大分子，在适当的溶剂中，采取一种或多或少打开的伸直链构型。用这种溶液纺丝，结果生成初生状态的高取向纤维，不需要机械的后牵伸步骤。
4.由刚性、棒状、芳族杂环聚合物经液晶溶液纺丝路线制成的高取向、伸直链、结晶纤维。这类纤维中最著名的例子是聚(对亚苯基苯并二噻唑)或称PBZT，以及聚(对亚苯基苯并二噁唑)或称PBZO。
所有这些高取向刚性链聚合物纤维在机械剪切力作用下会原纤化成碎屑型物料。另外，高支化原纤化、高表面积碎屑还可以象纤维素和芳族聚酰胺碎屑那样，通过工业化机械方法由短、湿法纺丝的丙烯酸类(聚丙烯腈)丝束来制取。
高取向芳族聚酰胺纤维还可以通过共聚芳族酰胺各向同性溶液的传统纺丝，继而在极高的温度下超高倍拉伸来制取。一种此类纤维-共聚(对-亚苯基/3，41氧联二亚苯基对苯二甲酰胺)-是由日本帝人公司工业化生产的，商品名为Technora，此种纤维能转变为可用作本发明混杂增强剂复合物中的碎屑纤维。
高取向、伸直链结晶纤维还可以通过凝胶纺丝技术用柔性链聚合物来制取。此类纤维的例子有聚乙烯醇(PVA)纤维以及某些聚烯烃(例如聚乙烯)纤维。
我们注意到，所有这些纤维，不论是刚性链还是柔性链，不论是由液晶纺丝、传统的溶剂纺丝、还是凝胶纺丝工艺制取的，都有一个共同特点，即高度取向。这种超高的取向度以及随之而具有的机械性能上的各向异性，乃是这类纤维在剪力作用下不同程度地发生轴向劈裂和原纤化倾向的主要显微结构特征根源，而其结果是得到的产物是碎屑状。
虽然纤维取向(结晶及非晶区)可以根据X-射线衍射、双折射和声波模量测定结果计算出来，但就本发明的目的而言，较好的办法是根据其机械性能来鉴定纤维，即断裂伸长百分数(扯断伸长)、断裂强度，而最重要的是初始拉伸模量。
高取向(超高强度/超高模量)纤维，如上面各段描述的，提供了分布很宽的性能抗张强度从2.5到3.5GPa；拉伸模量从60到250GPa；断裂伸长从2.2％到4.6％ 。
用于本发明的POY纤维也表现出各项性能的宽区间变化初始拉伸模量(2％伸长下)从0.35到3.50GPa；极限伸长从50％到350％。
含有POY短纤维的复合物组合物在U.S.专利号5,225,457(1993年6月颁布)中已做过考察，该文被收做本文的参考文献。该专利指出，含有耐纶POY纤维的复合物具有比含有全取向耐纶纤维的复合物高的Tc(严重撕裂能)。
还指出，与含有全取向短纤维的复合物相比，含有POY纤维的复合物的抗破裂性能大大改善了。
在本发明的一个较好实例中，使用了Kevlar碎屑母炼胶和POY耐纶66短纤维(二者都系杜邦产品)。
由杜邦得到的耐纶66POY是用160旦包括17根圆截面单丝的丝条制成的，其强度为1.65gpd(g/d)，即0.166GPa，而断裂伸长为315％。这种由杜邦提供的连续长丝是用作高伸长纬纱的商业材料；在这里的实例中，把纱线切成1/4英寸纤维。
Kevlar芳族聚酰胺碎屑是杜邦用专有母炼胶工艺制造的专门设计的短纤维。Kevlar纤维具有高结晶度、取向、原纤化显微结构，而碎屑产品则是通过将纤维、弹性体和填料一起混炼使结晶结构破坏而制成的。所以，碎屑纤维是短的且带有许多各种不同形状的附着原纤，这些原纤有时是带卷的、分枝且常常呈带状。
在本发明的一个实施方案中，采用POY短纤维的弹性体组合物可以用作充气轮胎中的部件。在该举出的实施方案里，此种增强剂被用于轮胎的胎面基部。该胎面基部组合物包含其中分散了有效增强数量部分取向纤维的可硫化弹性体基质材料，纤维的模量小于10GPa，较好小于6GPa，纤维的用量约1～14phr，较好4～8phr。该部分取向纤维长度约0.2～12mm，直径约0.005～0.02mm，长径比约25～1000。该POY纤维在胎面基部组合物中的用量可约为1～14phr，较好1～10phr。
在另一可选择方案中，轮胎部件，譬如胎面基部，可以用POY短纤维和原纤化碎屑纤维的混杂物增强。在可用于此目的的弹性体基质中，可使用0.5～10phr POY纤维和0.5～8phr碎屑纤维，而其中两种纤维的总加入量为1～14phr。较好地，基质含有1～8phr POY纤维和1～6phr碎屑纤维，总纤维含量2～10phr。
在制备复合物结构中，采用特点在于互相补充的能量耗散机制，即裂纹偏离和高变形能的短纤维混杂物，提供一种具有优异的性能平衡的混杂短纤维增强复合物。测试数据表明，一种3phr Kevlar碎屑/3phr POY耐纶66混杂的复合物能提高弹性体基质的动态刚度(弹性剪切模量)，同时，能改进抗裂纹传播。
上述混杂复合物显示了比全Kevlar增强复合物低的低动态应变下滞后和25％动态应变、“横纹(A向)”裂纹传播速率(图8、11)。
另外，混杂复合物显著提高弹性体基质的严重撕裂能和扯断伸长(图9、10)。一种以40～60phr碳黑和4～8phr POY耐纶短纤维增强的弹性体胎面基部，其50％伸长下拉伸模量为2.5～5.0MPa，割口增大速率为4～6×102mm/Mc，滞后为1.75～1.85×102KPa，拉伸强度约为11～15MPa，扯断伸长为400～600％，而邵尔A硬度为约53～68点。
一种以40～60phr碳黑和总纤维量1～12phr(其中0.5～6phr原纤化纤维和0.5～8phr的POY纤维)增强的弹性体胎面基部，其50％伸长下拉伸模量为1.0～7.0MPa，拉伸强度为9.0-15.0MPa，扯断伸长为300～600％，邵尔A硬度为52～70，割口增大速率1.0～10.0×102mm/Mc，以及滞后1.5～3.0×102KPa。
可用于本发明的其他弹性体包括但不限于，聚异戊二烯胶(IR)、丁苯胶(SBR)、丁基及卤化丁基胶(IIR、BIIR、CIIR)、乙丙胶(EPM、EPDM)、交联聚乙烯(XLPE)以及氯丁胶(CR)、丁腈胶(NBR)及上述的混合物。
在一个较好方案中，如上述的纤维增强弹性体可以同其他弹性体部件复合挤出，做为一种节省劳力的方法，提供一种复合制品或者更大复合制品的整体(复合挤出)复合部件。然而发现，当掺入纤维的弹性体与另一不含纤维的弹性体复合挤出时，挤出机往往令掺入纤维的弹性体变形。已发现，这个问题可以通过适当的挤出机设计加以控制，正如L.A.Goettler在其数篇发表的文章中阐述的。例如，可参见“异型挤出胶坯的短纤维增强问题”，<橡胶世界(RubberWorld)>，10月，1982。
一种含有纤维增强剂的胎面基部(配置在胎面和带束层之间的弹性体组合物)可以用一步操作同胎冠复合挤出制成整个胎面组件。该胎面基部，正象这门技术中通常做法一样，较好包括同轮胎胎侧一样的橡胶组合物。已发现，由于胎面基部已做了纤维加强，在某些实施方案中，冠(护)带层帘布可以不要，胎面组件可以用先有技术方法直接铺在轮胎的带束层上方。在给出的方案中，胎面基部内的纤维沿着与轮胎中心平面呈基本上0°角的方向取向。
短纤维的其他取向是可能的。
类似地，可以使用压延机制备可直接铺在带束层上的纤维增强弹性体片材。
下面来看图1，其中所画的轮胎70是用本发明纤维增强胎面基部80制成的。胎面基部80是通过与胎冠81复合挤出而加到胎面82中去的。轮胎的胎冠区可进一步由带束或缓冲层78、78a来加强。整个轮胎的做法可照本项技术的传统方法，唯不同之处是省去了冠带层。
如同传统的轮胎一样，该轮胎包括一对胎圈72，其上，包有胎体帘布76。胎体帘布76绕胎圈72的反包，在反包边77和胎体76之间形成三角胶条86。当制造无内胎轮胎时，在胎体帘布层76的内侧还配置有气密层74。轮胎70还可以有任选的胎圈包布90。侧壁84在胎肩88处与胎面82汇合就基本上构成了轮胎的整个结构。
已发现，用掺有纤维的胎面基部制成的轮胎，其性能基本上与采用传统耐纶冠带层制成的轮胎相当，而在制作过程中却节省了大量的劳力和材料。
此外，根据本发明，已发现，借助采用部分取向纤维和原纤化碎屑纤维的混合物来增强弹性体基质，有可能控制弹性体基质的性能。
下面，将结合实例进一步说明本发明。
实例1本实例给出了在基部胶配方中采用4phr和8phr的POY耐纶纤维和全取向耐纶碎屑纤维制成的复合物物理性能的比较。
除非另有说明，在本实例和随后的各实例中，一律使用下列的弹性体配方。成分 phr聚异戊二烯40聚丁二烯 60碳黑 50填充油10.6抗降解剂 5.25腊0.67硬脂酸1氧化锌3.5促进剂0.5硫磺 2.25总计 173.73胶料试样经塑炼使其中的纤维取向，制备试样并测试，其中纤维取向是沿着塑炼方向(顺纹(W))和垂直于塑炼方向(横纹(A))。纤维的加入未影响复合物的硫化特性。其他性能，象哑铃试片拉伸模量Strebler粘合力及割口增大速率均受到纤维添加的影响。测试结果载于表1。
在此表以及以后的各表中，IN指初始，AV意指平均，LD指负载，N指牛顿，SS指静态，PK指峰值，EC指整条曲线。
50％应变下哑铃试片拉伸模量绘于图2。POY耐纶66纤维的增强效果几乎同标准耐纶6纤维一样。
95℃下自身Strebler粘合力-一种扯断撕裂强度的度量，表示于图3。典型地，Strebler粘合力随纤维的加入量增加而降低。但是，加入8phr POY耐纶66纤维时，Strebler粘合力没有显著下降。
抗破裂传播随纤维的加入显著提高，尤其当加入POY耐纶66纤维时更为明显。如图4和5所画出的，割口增大速率，沿W和A方向(顺纹和横纹)均减慢，加入POY耐纶66纤维时，获得的抗割口增大性最佳。
实例2这个实例说明，在胎面基部配方中加入6phr POY耐纶66纤维、6phr Kevlar碎屑以及3phr POY耐纶66纤维与3phr Kevlar碎屑混合物的比较。胶料试样制备方法同实例1。
纤维的加入未影响复合物硫化特性，进一步证实了实例1中所见到的情况。其他表现出与加入的纤维种类有关的性能载于表2和图6～11。
若干应变水平的哑铃试片模量值绘于图6。动态拉伸和剪切数据绘于图7和8。用6phr Kevlar碎屑的试样达到最高复合物刚度。采用3phr POY耐纶66纤维和3phr Kevlar碎屑的混合物能达到相当于或超过含有6phr POY耐纶66纤维复合物的刚度。
95℃下自身Strebler粘合力数据绘于图9。最高刚度材料，即含有6phr Kevlar碎屑的复合物，显示出最低粘合撕裂强度。用3phr POY耐纶66代替3phr Kevlar碎屑，则撕裂强度恢复到无纤维胶料的水平。
还通过测定严重撕裂能和扯断伸长估计了扯断撕裂强度，结果如图10所示。该结果与Strebler粘合力数据有平行的关系。
图11所表示出的破裂传播表明，刚度最大的材料，即以6phrKevlar碎屑增强的复合物，抗破裂性也最差。以6phr POY耐纶66纤维增强的复合物的抗破裂性优于对照试样。混合使用3phr POY耐纶66纤维和3phr Kevlar碎屑可获得性能间的平衡。
从实例1和2的结果可以得出一个结论混杂的POY耐纶66与Kevlar碎屑复合物为工程师们提供了使Kevlar碎屑刚度性能与POY耐纶66纤维的扯断撕裂强度和抗破裂传播性平衡的手段。这种效果能在一系列为复合物混合及加工所接受的纤维含量范围内取得。
实例3在实验室内制作了模拟子午轮胎带束结构的复合层合物，并在一台负载控制方式、闭路、伺服液压试验机上测定其疲劳强度。
当斜裁帘布层复合物带束层合物经受循环拉伸负载时，层间剪应力产生并导致边缘裂纹，最终造成脱层失效。
图3和图4分别汇总钢丝带束复合物和芳族聚酰胺帘布带束复合物的疲劳试验结果。
改良的钢丝带束复合物结构由一个2-层、(2＋2)×0.25mm、20epi、±23°天然胶层合物，和又一层以3phr POY耐纶66和3phr Kevlar碎屑短纤维的混杂物增强的胎面基部胶料(纤维沿层合物长轴取向0°)构成。
改良的芳族聚酰胺帘布带束复合物结构由一个2-层、1500/2、20epi、±23°天然胶层合物和另一层以3phr POY耐纶66和3phrKevlar碎屑短纤维混杂物增强的胎面基部胶料(纤维沿层合物长轴取向(0°))构成。其中的术语意义如下1500是帘线的旦数；2指帘线中的纱股数，epi是每英寸复合物内帘子线数或根数，而23°是帘子线同复合物长轴的交角。
表3钢丝带束复合物的耐疲劳性拉伸/拉伸疲劳室 温最小负载114磅/英寸宽频率10Hz疲劳循环次数最大负载 标准带束结构(1) 改良的带束结构(磅/英寸宽) (对照试样) (2)700 4,990 16,100600 33,020 169,400580 43,000 439,000510 322,450 未疲劳
490 824,000 未疲劳470 未疲劳 未疲劳(1)带束层合物2＋2×0.25mm钢丝帘线层；20epi；±23°角。全天然胶涂胶层胶料。
(2)与(1)相同，但带有用3phr POY耐纶66和3phrKevlar碎屑增强的软橡胶层(胎面基部胶料/天然及合成橡胶共混物，配方如上文所述)。短纤维沿层合物长轴方向取向(0°)。
表4芳族聚酰胺帘布带束复合物拉伸/拉伸疲劳室 温最小负载114磅/英寸宽频率10Hz疲劳循环次数最大负载 标准带束结构(1) 改良的带束结构(磅/英寸宽) (2)720 3,960 10,035540 75,400 247,400510 139,000 264,500470 475,000 未疲劳430 未疲劳 未疲劳(1)带束层合物1500/2芳族聚酰胺帘子线；20epi；23°角。全天然胶涂胶层胶料。
(2)与(1)相同，但带有用3phr POY耐纶66和3phrKevlar碎屑增强的软橡胶层(胎面基部胶料)。短纤维沿层合物长轴方向取向(0°)。
表3和表4的数据表明，改良的带束结构在恒定最小负载的循环拉伸负载下沿试验的全部最大负载范围内所有情况下都具有比标准带束结构高的耐疲劳寿命。
虽然，已变换各种方式举例和说明了本发明，但熟悉此门技术的人会理解到，本发明可进行各种各样的修改，按各种各样的方案实施，均不违背本发明的原则。
权利要求
1.一种充气轮胎，其胎面基部包含分散有有效增强数量部分取向纤维的可硫化弹性体基质材料，所说部分取向纤维的模量小于10GPa，较好小于6GPa，所说部分取向纤维的长度约为0.2～12mm，直径约0.005～0.03mm，长径比为25～1000。
2.按照权利要求1的轮胎，其中所说部分取向纤维的含量为所说可硫化弹性体基质材料的大约0.5～约14phr。
3.按照权利要求1的轮胎，其中所说部分取向纤维的含量为每100重量份所说可硫化弹性体基质材料含大约4～约8重量份。
4.按照权利要求1的轮胎，其中所说部分取向纤维的模量小于约6GPa。
5.按照权利要求1的组合物，其中所说部分取向纤维的模量大约为2GPa。
6.按照权利要求1的轮胎，其中所说可硫化弹性体基质材料选自由天然橡胶/聚丁二烯橡胶、聚异戊二烯、丁苯橡胶、丁基橡胶及其混合物构成的组。
7.按照权利要求1的轮胎，其中所说部分取向纤维选自由聚酰胺、聚酯、聚烯烃及其混合物构成的组。
8.一种充气轮胎，其胎面基部包含分散有有效增强数量的部分取向纤维与原纤化碎屑纤维的混合物的硫化弹性体基质材料，所说部分取向纤维的模量小于10GPa，较好小于6GPa，长度约0.2～12mm，直径约0.005～0.03mm，长径比为25～1000，而所说原纤化碎屑纤维长度约0.2～5mm，直径约0.0005～0.02mm，长径比是25～1000。
9.按照权利要求8的轮胎，其中所说部分取向纤维的含量为所说弹性体材料的约0.5～10phr，所说原纤化碎屑纤维的含量为约0.5～8phr，其中纤维增强剂的总置为约1～14phr。
10.按照权利要求8的轮胎，其中所说部分取向纤维的模量小于约6GPa。
11.按照权和要求8的轮胎，其中所说部分取向纤维的模量约为2GPa。
12.按照权利要求8的轮胎，它含有3phr POY纤维和3phr原纤化碎屑纤维。
13.按照权利要求8的轮胎，其中所说原纤化碎屑纤维选自由下列构成的组芳族共聚聚酯、聚对位芳族酰胺、液晶纤维素纤维、刚性棒状芳族杂环液晶纤维、凝胶纺丝纤维、湿纺丙烯酸类纤维、超取向芳族共聚聚酰胺纤维以及这些纤维的混合物。
14.按照权利要求8的轮胎，其中所说部分取向纤维选自由脂族聚酰胺、聚酯、聚烯烃及其混合物构成的组。
15.按照权利要求8的轮胎，其中所说部分取向纤维的模量小于约6GPa。
16.按照权利要求8的轮胎，其中所说部分取向纤维的模量为约2GPa。
17.一种复合物，它包含分散有有效增强数量的部分取向纤维与原纤化碎屑纤维的混合物的硫化弹性体基质材料，所说部分取向纤维的模量小于10GPa，较好小于6GPa，长度约0.2～12mm，直径约0.005～0.03mm，长径比为25～1000，而所说原纤化碎屑纤维长度约0.2～5mm，直径约0.0005～0.02mm，直径比是25～1000。
18.按照权利要求17的复合物，其中所说部分取向纤维的含量为所说弹性体材料的约0.5～10phr，所说原纤化碎屑纤维的含量为约0.5～8phr，其中总短纤维含量为约1～14phr。
19.按照权利要求17的复合物，它包含3phr POY纤维和3phr原纤化碎屑纤维。
20.权利要求17的复合物，其中所说原纤化碎屑纤维选自由下列构成的组芳族共聚聚酯、聚对位芳族酰胺、液晶纤维素纤维、刚性棒状芳族杂环液晶纤维、凝胶纺丝纤维、湿纺丙烯酸类纤维、超取向芳族共聚聚酰胺纤维以及这些纤维的混合物。
21.按照权利要求17的复合物，其中所说部分取向纤维选自由脂族聚酰胺、聚酯、聚烯烃及其混合物构成的组。
22.一种组合物，包括分散有有效增强数量的部分取向纤维和原纤化碎屑纤维的混合物的可硫化弹性体基质材料，所说部分取向纤维的模量小于10GPa，较好小于6GPa，所说原纤化碎屑纤维包括(a)长度约0.2～5mm、直径约0.0005～0.02mm及长径比约50～1000的干部；以及(b)自所说干部朝外延伸的许多纤维，所说纤维的表面积约为5～20m2/g。
23.按照权利要求22的组合物，其中所说部分取向纤维按每100重量份所说可硫化弹性体基质材料计包含约0.5～约10重量份，所说原纤化碎屑纤维按每100重量份可硫化弹性体基质材料计包含约0.5～8重量份。
24.按照权利要求22的组合物，其中所说部分取向纤维按每100重量份所说可硫化弹性体基质材料计包含大约2～4重量份，其中所说原纤化碎屑纤维按每100重量份可硫化弹性体基质材料计包含大约2～4重量份。
25.按照权利要求22的组合物，其中所说部分取向纤维的模量小于大约6GPa。
26.按照权利要求22的组合物，其中所说部分取向纤维的模量约为2GPa。
27.按照权利要求22的组合物，其中所说部分取向纤维选自由脂族聚酰胺、聚酯、聚烯烃及其混合物构成的组。
28.按照权利要求22的组合物，其中所说原纤化碎屑纤维选自由下列构成的组芳族共聚聚酯、聚对位芳族酰胺、液晶纤维素纤维、刚性棒状芳族杂环液晶纤维、凝胶纺丝纤维、湿纺丙烯酸类纤维、超取向芳族共聚聚酰胺纤维以及这些纤维的混合物。
全文摘要
现已发现，部分取向丝(POY)，当被加工成短纤维并用作弹性体内的纤维增强剂时，显示出弹性体内裂纹传播减慢。POY增强弹性体能用于轮胎以代替帘子线增强部件，从而不再需要冠带层帘布。在一个实例中发现，纤维增强弹性体的性能可采用部分取向纤维和原纤维碎屑纤维(如磨碎的高模量，刚性棒状液晶纤维)的混合物做为纤维增强剂达到优化。
文档编号B60C9/18GK1123220SQ9510774
公开日1996年5月29日 申请日期1995年6月30日 优先权日1994年7月1日
发明者A·G·科沙, C·H·奥伯迈耶, M·波罗扎克 申请人:固特异轮胎和橡胶公司