1、电动汽车轮胎用高性能橡胶材料的研究进展梁滔1，燕鹏华1*，徐典宏1，蒋攀2，孟令坤1，朱晶1，翟云芳1，史工昌1（1.中国石油石油化工研究院 兰州化工研究中心，兰州730060；2.中国石油兰州石化公司 合成橡胶厂，兰州730060）摘要：对电动汽车轮胎的技术要求、国内外电动汽车轮胎及电动汽车轮胎用高性能橡胶材料的研究进展进行了总结，并对电动汽车轮胎产业的发展进行了展望。关键词：电动汽车轮胎；溶聚丁苯橡胶；稀土顺丁橡胶；丁戊橡胶；综述中图分类号：TQ 336.1文献标志码：A文章编号：1000-1255（2023）02-0163-05DOI:10.19908/ki.ISSN1000-1255.
2、2023.02.0163专论 综述合成橡胶工业，2023-03-15，46（2）：163167CHINASYNTHETICRUBBERINDUSTRY收稿日期：2022-06-14；修订日期：2023-01-30。作者简介：梁滔（1963-），男，甘肃兰州人，博士，教授级高工。主要从事合成橡胶材料的研究工作，已发表论文100余篇。基金项目：中国石油天然气股份有限公司项目（2022 DJ 6404）。*通讯联系人。随着新能源汽车的快速发展，特别是纯电动汽车的迅猛发展，我国汽车产业面临变革的机遇，将实现数字化、人工智能及低碳等系列发展目标1。整个电动汽车行业在发生变化，产业政策对产业链各类资源重新
3、配置，世界主要汽车制造国都采取了产业扶持政策2-3。目前，我国汽车以传统石油能源为主，但我国石油对外依存度已高达70%以上，所以可通过开发电动汽车来缓解过渡依赖能源进口的局面，解决汽车尾气环境污染等系列问题4-6。纯电动汽车是新能源汽车的一种，动力来源全部依靠充电电池7。充电电池是电动汽车的核心技术，电池寿命、电池储能和充电时长等因素，则是影响纯电动汽车发展的关键因素8-15。轻量化技术对纯电动汽车的影响较大，新型复合材料的出现为纯电动汽车轻量化设计提供了便利16-17。目前，用于汽车轻量化设计的非金属复合材料主要包括碳纤维、聚氨酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、乙丙
4、橡胶、溶聚丁苯橡胶（SSBR）、稀土顺丁橡胶、丁腈橡胶及氢化丁腈橡胶等，整车质量减重达15%20%18。汽车材料轻量化也必将伴随着轮胎的高性能化与轻量化，这将是轮胎行业最重要的攻关方向19-20。汽车轮胎的性能和质量是汽车安全的重要保证，轮胎新材料的开发是高性能和轻量化的关键。本工作从电动汽车对轮胎的需求出发，总结了国内外电动汽车轮胎及所需高性能合成橡胶材料的研究进展，并对电动汽车轮胎产业的发展进行了展望。1电动汽车轮胎的技术要求电动汽车的快速发展促进了电动汽车轮胎的发展，在电动汽车的轻量化、长续航等发展需求下，对电动汽车轮胎提出了更高的技术要求。电动汽车带来了更好的加速性能和驾驶操控体验，但
5、也对轮胎的侧壁强度提出了挑战，传统燃油车的轮胎已经不适合电动车轮胎的特殊性能要求。电动汽车轮胎要求充气压力大，滚动阻力低同时具有优异的抗湿滑性能，也对电动汽车轮胎轻量化提出了较高的要求21。轮胎质量越轻、滚动阻力越低，意味着轮胎行驶过程中越节能。通常情况下，轮胎的滚动阻力约损耗电机功率的30%40%，轮胎形变形成的阻力能达到总滚动阻力的90%以上22，电动汽车车身质量的增大，也直接影响到轮胎的磨损和刹车距离。英国独立测试机构Emission Analytics的研究表明，车身质量每增加500 kg，轮胎的磨损率将会增加20%。所以，对电动汽车轮胎制造材料的选择和制造工艺有着更高的要求23。在开
6、发电动汽车配套轮胎时面临着许多技术挑战，电动汽车轮胎要在设计、研发和生产中积极采用更环保的新技术和新工艺。国内轮胎企业针对高性能轮胎申请的专利数量也在逐年增加。青岛EVE研究院开发出合成橡胶工业第46卷了SSBR和白炭黑的液相混炼工艺，山东玲珑轮胎股份有限公司开展了低噪音、低滚动阻力电动汽车轮胎的研究，杭州中策橡胶有限公司开展了超高湿抓性能和超低滚动阻力轮胎胎面胶料的研究。目前，电动汽车发展较快，但国内电动汽车轮胎的发展相对滞后，市场可供选择的电动汽车专用轮胎产品还不多，制备电动汽车轮胎的材料与技术都处于研发的关键时期，综合来看电动汽车轮胎的技术要求主要体现在以下六个方面：（1）低滚动阻力。由
7、于电动汽车的电池蓄能有限，随着整车质量的增加，为了增加续航里程，就要求电动汽车轮胎具有更低的滚动阻力。（2）高抗湿滑性能。与燃油车相比，电动汽车整车质量增大，制动距离更长，特别是在路面湿滑的条件下，轮胎的抗湿滑性能是决定电动汽车安全的重要指标之一。（3）轮胎轻量化。电动汽车轮胎既要轮胎轻量化，又要有更高的承载能力，所以需采用性能更佳的合成橡胶材料。（4）高耐磨性。电动汽车启动加速快，初始转矩大，为了保障轮胎有较长的使用寿命及驾驶安全，其轮胎需要更好的耐磨性能及抓地性能，同时也需要平衡抓地性能、高耐磨性能和低滚动阻力。（5）低轮胎噪声。电动汽车电机产生噪声很低，电动汽车的噪声主要来源于轮胎与地面
8、产生的胎噪，所以电动汽车的轮胎噪声有较高的要求24。（6）较高的轮胎充气压力。电动汽车轮胎质量大，其充气压力比普通轮胎高，可提高轮胎的承载能力，这就要求轮胎满足轻量化要求的同时能够适应高充气压力。电动汽车轮胎设计应综合考虑以上六个方面的需求，特别是电动汽车轮胎需要具有非常低的滚动阻力和噪声、高的抗湿滑性能和负荷能力。2国内外电动汽车轮胎的研究进展目前电动汽车性能不断提升，但专业轮胎配套不足，因此发展电动汽车专用轮胎已经成为轮胎行业发展的新热点。美国Tesla公司是目前世界电动汽车技术创新的龙头企业，法国Michelin公司为Tesla公司的Model S车型配套了专业轮胎Pilot Sport
9、 2，该轮胎具有较低的滚动阻力、较高的承载能力、良好的抓地附着力和低生热等优点。为适合电动汽车的大扭矩，Michelin公司也推出了电动车轮胎Energy E-V，其滚动阻力降低20%，噪声降低40%。Michelin公司为美国电动汽车配套轮胎达45%以上，也在中国推出两款电动汽车轮胎。美国Goodyear公司推出了Eagle系列电动汽车轮胎，该系列轮胎具有静音、舒适和刹车性能好等优点，主要配套高端电动汽车品牌。意大利Pirelli公司与美国Lucid Motors公司共同开发了电动车专用轮胎，与以往轮胎对比，该轮胎承载力提升，能够额外承受6%9%的重量。日本Bridgestone公司开发了电
10、动汽车轮胎T 005EV，预计到2030年电动汽车轮胎产量占该公司轮胎产量的90%，Bridgestone公司将轮胎开发重点全面 聚焦在电动 汽车轮胎 上。与 此 同 时，Bridgestone公司还为荷兰Lightyear公司开发了全球首款专用Turanza Eco轮胎，首次将轻量化轮胎技术进行应用，原材料使用更少，实现了轮胎轻量化的同时获得了高胎压和低滚动阻力。同时采用新的混炼工艺，白炭黑分散性得到有效改善，每辆车的轮胎总质量约减小3.6 kg，延长了续航里程25。Turanza Eco轮胎将在胎侧标记全新Bridgestone公司的电动汽车标识，表明电动汽车轮胎已经开始商业化生产。我国山
11、东玲珑轮胎公司于2018年开发出首款电动专用胎EV 100，现在已成为国内多款车型的配套轮胎。山东赛轮公司采用液相混炼技术制备的高性能SSBR轮胎与多家公司的多款车型开展合作。但目前我国市场上真正使用专用轮胎的电动汽车占比较少，所以我国电动汽车轮胎是国内轮胎企业在产业链重构中的新发展机遇。3电动汽车轮胎用材料电动汽车轮胎的发展必将伴随高性能轮胎用新材料的开发26，解决高性能轮胎用基础材料的产业化难点是重要的攻关方向，为轮胎制造业提供更多可选择的新材料和新牌号，我国在降低轮胎滚动阻力、提高湿地抓着性能和降低外部滚动噪声等方面急需技术改进，特别是电动汽车用低滚动阻力的高性能轮胎27。高胎压、大轮胎
12、直径、窄胎面、扁平化有利于整车的动力性、经济性、操作稳定性、湿地性能、噪声和磨耗性能的改善28。目前电动汽车轮胎用合成橡胶主要包括SSBR、稀土顺丁橡胶及增强用1，2-聚丁二烯橡胶等，国内近年正在开发适合电动汽车轮胎的集成橡胶（SIBR）和丁戊橡胶29作为电动汽车胎面材料，对合成橡胶材料的加工性能、微观结构、与填料的结合能力等都提出了更高的要求。目前，电动汽车胎面胶材料多为SSBR、稀土顺丁橡胶、SIBR及丁戊橡胶等，它们能与白炭黑混合形成复合材料30。164第2期3.1SSBRSSBR是丁二烯和苯乙烯单体的无规共聚物31，其微观结构及序列分布可调节，且具有抗湿滑性能好、滚动阻力低等优势，是高
13、性能、绿色轮胎的胎面胶首选用胶之一。电动汽车轮胎相对于传统燃油汽车轮胎性能要求更高，胎面胶可采用高性能SSBR。但目前国产SSBR品种较少，一些高端牌号还依赖进口，如不同乙烯基含量和结合苯乙烯含量的官能化SSBR。因此，发展SSBR产业对我国合成橡胶行业是新的发展机遇。随着欧盟轮胎标签法的实施，SSBR在国内得到了快速发展32。占世界产量80%的SSBR用于高端轮胎的设计制造，不同SSBR牌号可满足不同电动汽车高性能轮胎的设计制造要求。同时，国内也开发了链末端官能化33和链中环氧化官能化SSBR。官能化产品在分子链上增加了不同的极性基团，提高其与填料白炭黑的相互作用，进而提升材料的应用性能，满
14、足了未来电动汽车轮胎低滚动阻力、高抗湿滑性及高胎压等性能需求。杭州中策、青岛玲珑轮胎、青岛双星轮胎、特拓（青岛）轮胎等多家轮胎企业系统开展了不同SSBR在高性能轮胎胎面胶中的应用研究34-36，SSBR在国内轮胎企业已经开始得到大规模的推广应用。中国石油集团公司开发了SSBR成套技术，已在独山子石化公司拥有180 kt/a的SSBR产能，开发了系列SSBR产品，如环保SSBR充油牌号SSBR 2557-TH、冬季胎线型牌号SSBR 1550及SSBR 1540 S、高速胎牌号RC 3840 S及SSBR3550 S、星形结构牌号SSBR 1040、充油通用牌号RC 2564 S和RC 2557
15、 S等，轮胎企业可以根据设计需要选用不同的牌号。其中2个通用牌号中RC 2564 S是以环烷基环保橡胶油为填充油，产品主要用于高性能轮胎中，具有抗湿滑性能好及滚动阻力低等优点；SSBR 2557-TH是以芳香基环保型填充油生产的高门尼黏度、高乙烯基含量的充油SSBR新产品，二者性能见表1。Table 1SpecificationofRC2564SandSSBR2557-THSSBR 2557-TH25.51.525.828.86256065ItemMass fraction of bound styrene/%Mass fraction of filling oil/%Mooney visco
16、sityMass fraction of ash/%Mass fraction of volatile component/%Mass fraction of vinyl/%RC 2564 S25.02.035.741.45050.20.7560683.2稀土顺丁橡胶稀土顺丁橡胶是以稀土化合物为主催化剂制得的具有高顺式-1，4-结构含量的聚丁二烯橡胶。以稀土元素钕化合物催化合成的稀土顺丁橡胶，称为钕系顺丁橡胶（NdBR）37，它具有链结构规整度高及相对分子质量分布可调等优点。稀土顺丁橡胶是开发低滚动阻力轮胎的主要材料，也是性能较好的品种之一38。与镍系顺丁橡胶相比，稀土顺丁橡胶可以减少轮胎滞后损失和内生热，降低滚动阻力，提高耐磨性能和抗湿滑性能，符合高性能电动汽车轮胎在高速、安全、节能和环保等方面的要求。目前，高性能轮胎和节能轮胎中发展最快的为顺丁橡胶，开发的窄分子量分布和高门尼黏度NdBR是其主要研究方向39-40。高顺式聚丁二烯橡胶中含有微相分散的间同立构1，2-聚丁二烯的橡胶-树脂复合体（VCRBR），VCR BR的硫化胶弹性更好，弯曲抗疲劳性得到明显改善，半成品尺寸挤出稳定性好
