对HMLS帘子线的一些个人认识

kennygu · 发表于 2011-5-12 18:13:56

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附件是对HMLS帘子线的一些个人认识，总感觉到轮胎厂可能对帘子线的某些指标存在误解，同时不做高温分析，评价帘子布，有些好坏不分的味道。毕竟买的不如卖的精。

HMLS帘子线的模量和轮胎耐久的关系

先说说半钢子午线轮胎为何要用HMLS帘子线：

如果帘子线是一种弹性材料，那么在转弯时，我们转动方向盘，轮毂也随之转动，如果帘线没有模量，轮胎的外壳与地面接触，依然保持向前运动，这样汽车就会失控。因此帘线的模量越高，轮胎的可操纵性能STEERING越好。
由于半钢子午胎主要是轿车轮胎，高速转动中，容易升温，如果骨架材料随着温度的提高，模量就会大幅度下降。断裂伸长变大，定负荷伸长也变大，就将严重影响轮胎对转向的反应能力，方向打小了，转弯不足，打大了，则会转向过度，来不及复位，造成事故。
因此早先开发子午线轮胎使用的帘子线是人造丝的，目前依然在高速轮胎上使用。而当今子午线轮胎大量使用聚酯工业丝，其主要原因是价格成本的因素，聚酯的生产成本远远低于人造丝，而且也低于锦纶工业丝，因此聚酯占据了半钢子午线轮胎胎体骨架材料的90%以上的市场空间：
那么人造丝和聚酯工业丝的差异在哪里？我们可以从下图看出其中的差异：

rayon 人造丝 aramid 芳纶 PA66 锦纶66 PA6 锦纶6
PET HMLS 聚酯高模低收缩 PET regular 聚酯普通高强

上述材料中，人造丝和芳纶是热固性材料，因此在高温下，会分解，不会熔融，而聚酯、锦纶均为热塑性材料，超过玻璃化温度以后，材料的机械性能会接近橡胶。在高温下材料会熔融。
从上图可见，在常温下，除了芳纶外，所有的骨架材料似乎没有很大的本质差异，人造丝的模量并没有想象的高，但到了130℃后，人造丝中的水分完全干燥了，模量反而高了，热固性材料，不会随温度的提高，而出现模量的大幅度下降。而聚酯和锦纶纤维是热塑性材料，玻璃化温度在50-80℃之间，因而在高温下，模量和断裂伸长均发生了变化，模量显著下降，而断裂伸长明显变大。
因为我们轮胎在高速下的温度会由于橡胶、帘线的滞回特性，出现温升，温度可达100温度左右，显然轮胎帘线在高温下的模量就显得十分重要了。那么如何提高聚酯在高温下的模量就成为聚酯替代人造丝的关键：我们再来比较不同的聚酯的特性：
1 -  在20℃时的强伸曲线    2  -  自由收缩后在20℃ 时的强伸曲线
3 - 自由收缩后在80℃ 时的强伸曲线    4 - 自由收缩后在120℃ 时的强伸曲线

所谓自由收缩是是模拟帘线在橡胶中的硫化过程，因此模拟190度的硫化温度，让聚酯工业丝在烘箱中受热15分钟，受热过程中不施加任何张力。
那么，对比左右两张图，我们可以明显看到，模拟硫化前，两种帘线没有很大的本质差异，而模拟硫化后，帘线的模量差异就明显体现出来；而且是受热状态下，温度越高，差异越明显。

那么我们再把不同聚酯帘线拉伸曲线的起始段放大做个比较：

轮胎帘线的高温特性，一般厂家不检测。

目前的纺丝技术，已经可以生产出完美的超模低收缩了，我们可以更加明显地看到它在高温下的模量，比普通聚酯提高了一倍。
我们可以说，HMLS工业丝的发展进程，就是尽可能提高在高温下的模量，接近人造丝。
如果大家同意上述观点，那么评价HMLS帘子线最为核心的关键就是高温下的模量，很可惜，国内轮胎厂，这个实验是不做的。其实很简单，就是在硫化温度下，进行热处理15分钟，随后测定纱线缩短的程度（干热收缩率），再测定拉伸强度和模量。由于纱线热收缩变粗了，此时我们要进行修正的。这才是评价帘子线机械性能最好的方法，我受到的培训是这样的。

轮胎是个充气材料，轮胎的耐压后的抗爆破能力的大小，是决定轮胎抗冲击和耐重载的关键。因此帘线的强度是个重要因素，但断裂伸长的大小，比强度更加重要。
比如轮胎充气前胎体的表面积为1个平方，充气后由于帘线模量低，象气球一样变大了，变成2个平方，那么单位面积中的帘线就会减少1半，自然轮胎的耐压性能降低至少一半。因此，轮胎的耐压是与帘线的强度F成正比例关系，与（1+ E%）2成反比例关系。
P ≈  F / (1+E%)2    E：断裂伸长； F：帘线总强力
如果帘线的数量一定，那么，轮胎的耐压与单根帘线的强度有关，更与这根帘线的断裂伸长有关。我们的轮胎行业的同事，过于注重帘线的强度。其实轮胎帘线的断裂伸长更为重要，而且往往是断裂伸长降低，模量提高。
因为汽车轮胎是一旦轮胎的温度升高，胎压也会升高，轮胎的受力提高，而聚酯帘线模量下降，轮胎胎体会胀大，轮胎的耐压性能会下降。
有一个奇怪的现象，聚酯的高模低收缩性能越好，强度越低，断裂伸长也低，我可以大胆的告诉大家，如果帘子线的强度降低的同时，模量依然保持，或断裂伸长可以大幅度降低，轮胎的耐久性能反而更好。
此时，可以总结性地说：HMLS是生产高性能高速轮胎的关键材料，其模量高低，决定了轮胎的可操纵性能。确定帘线性能的好坏，更要注重帘线在高温下的特性。
我们强调一点，采用HMLS工业丝是为了提高轮胎的高速性能，半钢子午线轮胎，常常需要在高速公路上跑高速的，因此必须使用高温下依然保持高模量、低伸长的HMLS。

但是，我们的汽车轮胎往往并不总是在高速上运行，因此有了另外一个问题，在低速状态下的耐久性能。我想告诉大家，模量越高，轮胎的耐久性能越差。
我们看一下生活中的常见现象，硬的的东西容易折断开裂，比如，男人穿的硬皮的皮鞋，是在褶皱处断裂的，女人穿的羊皮皮鞋，很少在褶皱处断裂，就是说，弯曲模量大的东西最容易出现褶皱，也容易压缩疲劳损坏。
我们分析一下轮胎主要损坏的部位，一个胎肩，一个就是胎圈，这两个部位就是轮胎受到压缩挤压处，胎肩处的挤压力来自带束层钢丝更多一些，而胎侧胎圈处的损坏主要与帘线有关，特别是与帘线的模量有关。
我们先来分析一下，胎圈处的状况：

L1-L4分别是胎侧的聚酯帘线。从上面的三角胶处的形变看，在正常情况下，轮胎的帘线分别为L1，反包长度为L3，轮胎一旦接地后，轮胎就会下沉变形， L2就会比L1长，而L4就会比L3短。也就是说，L1<L2，表示内层帘线在下沉变形后，必须能够伸长，L3>L4，表示外层反包部分的帘线必须能够压缩，或者如上图红色线条所示为原来帘线的长度L1和L3。如果帘线不会伸长变形，那么胎体帘线和反包的帘线，会出现最大的剪切变形处就是三角胶起点处。显然，帘子线的模量不能太高，如果不能伸长或压缩，反包起点处的帘线显然是有问题的。
如果反包帘线不能压缩，而内层帘线模量过高，不能伸长，则在反包端点存在非常大的长度差异，也就是剪切变形量非常大。此时内外层帘线的贴胶层比较薄，在巨大的剪切力作用下，橡胶反复拉伸压缩从而疲劳，同时帘线和橡胶的压缩生热。随着温度的提高，使得帘线与橡胶粘合力变差，一旦脱层，将迅速扩展，整个圆周方向出现脱层。同时脱层后，生热量急剧上升，导致帘线熔融，我在某些轮胎厂亲眼所见，反包帘线出现熔融的，而内层帘线依然良好。
更为可怕的是，反包帘线在三角胶端点有个支撑作用，如果反包帘线端点也恰好在这个位置，那么胎体在反包起点处的变形量会更大，应力集中点就在这里，这样胎体容易生热。而反包端点的贴合状态，往往不是非常理想的，该位置出现脱层，最后导致整圈起鼓。
为了避免这个现象，轮胎结构设计上就要主要反包端点处帘线之间增加缓冲橡胶的弹性和厚度了。
而帘子布的解决方法是：提高捻度，降低帘子线的模量。听起来好像有些反了，这就是我说的，帘子线在高温下的模量一定要高，在常温下，模量就尽可能要低了。加捻的结果就是把细钢丝绕成弹簧，这样弹簧就可以拉伸，也可以有一定的压缩。这就是提高轮胎耐久的方面，帘子线唯一可做的的事情了。此外帘线的刚度不能太硬，太硬将导致反包困难，同时反包端点处的应力更加容易集中，造成严重问题。
因此，比较BS等厂家的帘线，其捻度要比国内厂家高5-10%，比如1000D/2，捻度要达到485捻/米。
如果负载越大，下沉变形越大，轮胎越容易出事。
如果要解决这个问题：
1、减层，用更粗的帘线，降低层数，可以降低内层帘线和外层反包帘线的结合处的厚度，从而降低内外层的形变量，从而降低剪切应力。
2、反包端点不要留在三角胶端点，因为三角胶所抵抗的变形，在端点处集中，如果帘线也在那个压缩模量突变的地方，必然应力集中。所以可以放低反包端点。或者反包端点过中线。
3、降低反包高度，提高三角胶硬度，利用三角胶的硬度逐步变形，同时也利用橡胶的拉伸应变能力强的优点，防止帘线之间的出现巨大的剪切力。
4、降低帘线的模量，最好进一步提高捻度，这样可以降低帘线的初始模量。如果是高模低收缩，我们不用担心高温下的模量。
5、对于轻载轮胎，层数必须多，不妨用普通聚酯帘子线，因为其模量比较低。
6、三层胎体，应用锦纶66帘子线生产的成功，说明低模量对改善轮胎耐久是有帮助的。
7、如果反包端点提高，适当提高反包帘线与内层帘线之间的缓冲胶厚度，有利于减轻变形后的帘线之间的剪切应力。

我们再分析一下捻度对帘线的耐疲劳性能如何？
右图是测试帘子线耐疲劳性能的方法之一：
其测试结果如下图：

纵坐标为帘线的强度保持率，横坐标为捻系数，捻系数越大，表示捻度越高。在反复拉伸压缩试验一定的时间后
从图表中可以看出，模量越高的材料，比如芳纶和人造丝，如果捻度太低，是绝对不耐压缩的，而锦纶则相对无事，所以形变复杂的斜交轮胎是不可能用高模量的材料的。聚酯则必须加有一定的捻度。压缩量越大，对材料的损伤越大。人造丝和芳纶如果加很少的捻度，强度保持率不到30％，
因此低模量的锦纶材料，耐疲劳性能最好，而人造丝、芳纶，必须给与很高的捻度，才能解决压缩疲劳损伤。
加捻就是将钢丝绕成螺旋形弹簧的过程相类似，捻度越大，弹簧的圈数越多，也就就越容易压缩，或者也越容易伸长，就是模量下降。总之一点，为了提高耐疲劳性能，高模量一定要想办法做成低模量。
但捻度越高，而帘线的强度就会下降，这又是一个两难的选择。
如果轮胎厂，强调帘线的强度，那么牺牲的就是耐疲劳性能了。

通常，我们将干热收缩率 + 定负荷伸长率，评价帘子线的一个重要指标，这两项指标相加，基本为常数，也就是说，我们可以用同一种原料做出干热收缩率低而定负荷伸长高的帘子布（模量低），或者干热收缩高，而定负荷伸长高的帘子布（模量高）。
这两项指标相加的数值越低越好，但更好的做法是评价帘子线在高温下热收缩率和模量。

其实我们需要细细地评价帘子线在高温下所必须的耐高温特性，以及在常温需要的耐久特性，两者是有些相反的。其实也是不矛盾的，用好的HMLS来获得最好的高温性能，（提高高温下的模量）。通过加捻、浸胶改善常温下的物理性能，（降低常温下的模量）。

此外，我们轮胎厂家喜欢评价单根帘线的强度，但单根帘线强度确实重要，其实断裂时的曲线形态也是很重要的。
单根强度高，并不意味整体强度高，如下图，如果材料存在伸长差异。那么伸长小的材料会最先断裂，发挥了最大的强度，伸长大的晚断裂的材料，就无法与前一根纱线协同发挥出最大强度，其中的差值，就是多根纱线协同时的强度损失。而高模低收缩如右图，纱线断裂时，比较平坦，所以意味纱线可以协同发挥出最大的强度，因而强度损失小。
因此，不同种类的纱线，需要一同受力时，并不是单根纱线的强度高，就是集体的强度高。而高模低收缩由于断裂曲线的尾端平缓，或者说其断裂功大，所以有良好的韧性，在轮胎里，可以和多根帘线协同发挥出最高强度。
一般而言，高模低收缩工业丝的收缩越低，而模量越高，往往强度是偏低的，断裂曲线的尾端是平缓的，但抗爆破耐压性能，却是最好的。

希望轮胎厂理解，帘线的干热收缩越高，定伸长负荷越高，模量越高，一旦经过硫化，帘线的干热收缩将会降低，定伸长负荷降低。

所谓同一个起点，最后回到同一个终点，最终差异并不大的。

kennygu · 发表于 2011-5-12 20:43:11

附件太大了，要压缩。

liqianjin · 发表于 2011-5-13 08:57:17

不错的资料，谢谢LZ无私奉献。

liren005 · 发表于 2011-5-13 09:34:36

可惜图片看不到，辛苦楼主有没有DOC 上传一下
.....................
楼主真的不错，有求必应，
够朋友！
谢谢！

lor130 · 发表于 2011-5-13 11:12:52

呵呵，拜读，顺便赚点分

龙行天下 · 发表于 2011-5-13 11:15:17

资料不错，感谢楼主分享，谢谢

shenyude · 发表于 2011-5-13 15:00:39

资料不错，感谢楼主分享，谢谢
原文来源：橡胶技术网 http://bbs.sto.net.cn/thread-82739-1-1.html

juzitou74 · 发表于 2014-3-27 14:16:59

资料不错，感谢楼主分享，谢谢

Snowfall · 发表于 2014-3-31 09:10:52

楼主威武。感谢楼主分享

qg1986 · 发表于 2014-3-31 20:13:55

学习学习

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