Para-aramid được sử dụng trong lốp xe hiệu suất cao do có các đặc tính cơ học tuyệt vời như độ bền cao, mô đun cao, khả năng chống mỏi và độ rão thấp.
Kể từ khi lốp khí nén đầu tiên của Michelin được chính thức sản xuất vào năm 1895, cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô, ngành công nghiệp lốp xe đã không ngừng cải tiến công nghệ và cho ra đời những sản phẩm mới. Hiện nay, một chuỗi sản xuất lốp xe hoàn chỉnh và trưởng thành đã được hình thành trên toàn thế giới. Đối với lốp xe, vật liệu khung sườn là vật liệu chủ chốt để đảm bảo độ bền, khả năng chịu tải và duy trì độ ổn định kích thước của lốp. Với sự phổ biến ngày càng tăng của lốp radial, lốp radial hiệu suất cao và lốp xe thân thiện với môi trường đang dần được phát triển, đặt ra yêu cầu cao hơn về hiệu suất của vật liệu khung sườn. Nhờ những đặc tính vật liệu tuyệt vời, para-aramid đang dần được sử dụng trong lốp xe hiệu suất cao.
Phân loại và hiệu suất của vật liệu khung lốp
Vật liệu khung là lớp chịu lực chính của sản phẩm cao su, đóng vai trò quyết định đến hiệu suất, tuổi thọ và giá trị sử dụng của sản phẩm cao su. Vật liệu khung lý tưởng phải có các đặc tính cơ học như độ bền cao, mô đun đàn hồi cao, khả năng chống mỏi, độ rão thấp, và các đặc tính vật lý và hóa học như mật độ thấp, khả năng chịu nhiệt độ cao và thấp, khả năng chống ăn mòn và chống cháy. Có bốn loại vật liệu khung sợi lốp chính, mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng.
(1) Dây Rayon có đặc tính duy trì mô đun đàn hồi ở nhiệt độ cao tuyệt vời và độ co ngót thấp, độ ổn định kích thước tốt hơn nhiều so với dây nylon và polyester. Có thể sử dụng trong thân lốp xe bán kính để lốp xe đạt được hiệu suất xử lý tuyệt vời, nhưng dây Rayon có độ bền ướt thấp và gây ô nhiễm sản xuất nghiêm trọng.
(2) Dây polyester có ưu điểm là mô đun đàn hồi cao, độ bền cao, độ giãn dài thấp, độ co ngót nhiệt thấp, độ ổn định kích thước tốt, độ bền khô và độ bền ướt gần như nhau. Khả năng chống mỏi và chống va đập của nó tốt hơn dây rayon, nhưng nhiệt độ tăng cao sẽ gây ra hiện tượng phân giải amin ở nhiệt độ cao.
(3) Ưu điểm của dây nylon là độ bền cao, mật độ tương đối thấp, tổn thất trễ thấp, tỷ lệ hấp thụ độ ẩm thấp, độ bền ướt cao, độ đàn hồi tốt, khả năng chống uốn gấp 10 lần so với dây rayon và khả năng chống mỏi tốt hơn các loại dây sợi khác. Nhược điểm chính là độ co ngót nhiệt lớn, độ ổn định nhiệt và độ ổn định kích thước kém.
(4) Dây aramid đã dần được mở rộng trong những năm gần đây nhờ khả năng chịu nhiệt độ cao, độ bền cao, mô đun đàn hồi cao và biến dạng nhỏ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng dây aramid không chỉ có thể giảm khối lượng và lực cản lăn của lốp xe mà còn giúp cải thiện khả năng chống thủng và chống cắt của lốp xe.
So sánh hiệu suất của các vật liệu khung lốp thường dùng được thể hiện ở Bảng 1.
| Mặt hàng |
Para aramid |
Dây thép |
Tơ nhân tạo |
Nylon 66 |
Polyester |
| Mật độ/（Mg∙m^-3） |
1,44 |
7,85 |
1,53 |
1.14 |
1,38 |
| Nhiệt độ phân hủy (nitơ)/°C |
>500 |
1600 |
200 |
255 |
260 |
| Độ bền kéo/MPa |
2830 |
2550 |
780 |
960 |
1150 |
| Độ bền riêng/(mN∙tex^-1) |
1970 |
330 |
510 |
840 |
830 |
| Mô đun ban đầu/GPa |
80 |
160 |
18 |
6 |
14 |
| Mô đun riêng/(N∙tex^-1) |
55 |
20 |
12 |
5 |
10 |
| Hệ số giãn nở nhiệt ×10⁶/K^-1 |
-2,2 |
3.7 |
- |
- |
- |
| Độ giãn dài khi đứt/% |
3.6 |
1.9 |
13.0 |
20.0 |
13,5 |
| Tỷ lệ duy trì cường độ sau 200 °C×48 h/% |
90 |
100 |
20 |
45 |
55 |
| Co ngót nhiệt khô bằng không khí (160 °C ×4 phút)/% |
<0,1 |
0 |
1.0 |
3.8 |
5.0 |
Cường độ riêng và mô đun riêng của para-aramid gần gấp 6 lần và 3 lần so với dây thép, và gấp 2 lần và 10 lần so với nylon 66. Vật liệu para-aramid vẫn có thể duy trì hiệu suất bình thường trong phạm vi nhiệt độ từ -200 đến 200°C. Với cùng cường độ kéo, khối lượng của sản phẩm cao su có thể giảm đáng kể, đáp ứng nhu cầu sử dụng trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt. Para-aramid có độ rão thấp, khả năng chống mỏi, độ co ngót nhiệt thấp và khả năng chống ăn mòn hóa học tuyệt vời, giúp cải thiện đáng kể độ ổn định kích thước của sản phẩm cao su và kéo dài tuổi thọ. Do đó, para-aramid là vật liệu khung lốp xe cực kỳ lý tưởng.
Ứng dụng para-aramid trong vật liệu khung lốp xe
Ứng dụng đầu tiên của aramid trong cấu trúc lốp là lớp đai lốp bố thép. Nhờ những đặc tính đặc biệt, aramid hiện đang được sử dụng ngày càng nhiều trong các thành phần lốp khác nhau. Về mặt kỹ thuật, aramid có thể được sử dụng làm vật liệu khung cho bất kỳ bộ phận nào của lốp, và thậm chí có thể được kết hợp với nhựa để thay thế dây thép tạo thành tanh lốp, giúp giảm đáng kể trọng lượng của lốp. Hiện nay, có nhiều ứng dụng của aramid trong lớp đai mép hở, lớp đai gấp, lớp đai tròn, khung lốp bố thép, vỏ tanh lốp, vành đai, khung lốp bias đua và lớp đệm lốp bias.
Việc sử dụng sợi aramid 1680dtex/2 thay cho sợi thép 2×0.30HT trong lớp đai của lốp xe du lịch có thể giảm trọng lượng lốp từ 6,4% đến 7,5% và giảm lực cản lăn 12,5%. Sử dụng sợi aramid 1680dtex/2 cho lớp khung và đai có thể giảm trọng lượng lốp 15%, các tính chất khác của lốp đều đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn, đồng thời cải thiện sự thoải mái khi lái xe.
Cùng khối lượng, độ bền và mô đun đàn hồi của sợi aramid vượt xa các vật liệu như polyester, polyamide và dây thép, đồng thời có độ an toàn và độ bền cực kỳ cao. Ưu điểm nổi bật nhất của việc sử dụng sợi aramid thay cho dây thép cho lốp xe đua gấp là giảm trọng lượng lốp và giúp lốp có thể gấp lại được. Đặc tính nhẹ của aramid rất phù hợp cho lốp xe đua hiệu suất cao. Đồng thời, giảm trọng lượng xe, aramid có thể giúp phanh nhanh hơn và vào cua tốt hơn.
Ứng dụng sợi aramid ngắn trong cao su đệm của lốp xe radial chịu lực toàn thép. Cấu trúc và tính chất đặc biệt của sợi aramid ngắn mang lại cho sản phẩm cao su những đặc tính tuyệt vời như mô đun đàn hồi cao, độ cứng cao, độ bền cao, độ ổn định kích thước và khả năng chống mài mòn. Kết quả thử nghiệm cho thấy sợi aramid ngắn làm giảm độ nhớt Mooney của hợp chất cao su, rút ngắn T90, giảm sự gia tăng nhiệt độ, giảm hệ số hao mòn, giảm hiệu ứng Payne và có độ bền tốt cho lốp xe thành phẩm, cho thấy vật liệu aramid rất hiệu quả trong việc cải thiện hiệu suất lốp.
| Mặt hàng |
1100dtex/2 |
1680dtex/2 |
| Sức mạnh phá vỡ/N |
≥330 |
≥450 |
| Tỷ lệ độ bền kéo đứt không đồng đều/% |
≤3,5 |
≤3,5 |
| 66,6 N Độ giãn dài ở tải trọng định mức/% |
1,8 ± 0,6 |
2,0±0,6 |
| Độ giãn dài khi đứt/% |
4,5 ± 1,5 |
6,0±1,5 |
| Độ giãn dài khi đứt không đều/% |
≤5.0 |
≤5.0 |
| Độ co ngót nhiệt khô/% |
≤0,5 |
≤0,5 |
| Lực hút H/（N•cm^-1) |
≥100 |
≥130 |
Mặc dù sợi aramid có nhiều ưu điểm, nhưng là vật liệu khung cao su, nó cũng có những vấn đề như khả năng chịu nén và uốn kém, khó liên kết và chi phí sản xuất cao, những hạn chế này làm hạn chế việc ứng dụng rộng rãi của sợi aramid. Do đó, vải sợi tổng hợp aramid/nylon cường độ cao đã được phát triển. Vải sợi tổng hợp thu được bằng cách kéo sợi, xoắn, nhúng và xử lý nhiệt aramid và nylon theo một tỷ lệ nhất định có thể khắc phục những nhược điểm của nylon và aramid, đồng thời kết hợp ưu điểm của cả hai, hiện thực hóa các đặc tính vật liệu bổ sung và đáp ứng các yêu cầu khắt khe của lốp xe hiệu suất cao. Trong tương lai, vải sợi tổng hợp sẽ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lốp xe.
