绿色轮胎的理想材料—— 聚氨酯弹性体
李汉堂
聚氨酯轮胎在耐磨性、滚动阻力以及抗撕裂性等方面都明显优于橡胶轮胎；同样尺寸的聚氨酯轮胎负重容量是
橡胶轮胎的6～7倍；生产过程可以实现连续化和自动化；在生产和使用过程中产生废料很少，而且聚氨酯废旧轮
胎的部分胎体可以回收用于制造其他聚氨酯产品，不会造成环境污染；制造工艺简单——液体浇注成型，属于新型
无帘线浇注轮胎。因而，聚氨酯轮胎被称为2l世纪的绿色环保轮胎。
聚氨酯轮胎的研制
1.航空轮胎
早在20世纪70年代，美国空军飞行动力试验室曾与Zedron公司合作，对浇注轮胎和活胎面浇注轮胎在美国
空军飞机上使用的可行性进行研究。据透露，该研究采用的材料是热塑性聚氨酯弹性体，胎体和胎圈均无补强层材
料。研究结果表明，开发浇注飞机轮胎或活胎面（用补强材料补强）浇注飞机轮胎是可行的。之后，Zedron公司
又与美国飞行动力试验室签订了一项研究开发合同，研究7.00×8/16层级A-37飞机浇注轮胎的可行性。试验结论
认为：改性的热塑性聚氨酯弹性体（商品名为Hytrel）具有最好的动态性能，在额定负荷下成功地滑行了3英里
(1英里=1.609km)，最高的爆破压力400磅/英寸2（1磅/英寸2=6.89kPa）；该项研究所用的试验材料，基本上能
为特殊设计的浇注轮胎提供足够的静态尺寸稳定性、垂直和侧向刚性、滞后的摩擦性能。但是，印痕面积、刹车力、
回正转矩不足；爆破试验、动态鉴定试验仍达不到要求。
2.充气汽车轮胎
聚氨酯轮胎采用浇注工艺制造，其结构和目前生产的轮胎有很大的区别。全聚氨酯充气轮胎是由胎体、带束层
和胎面3部分构成。其中胎体由较高模量的聚氨酯弹性体浇注而成，比较硬(邵尔A硬度约为85～95度)，因而耐
疲劳性能、尺寸稳定性和耐切割性能都比较好；胎体上部的带束层由沿周向缠绕的芳纶或钢丝帘线构成，胎面则由
低模量聚氨酯弹性体(邵尔A硬度约为70～75度)浇注而成，以保证轮胎的耐磨性和行驶性能。
在研究开发全聚氨酯充气轮胎的同时，人们也研究开发出了部分聚氨酯充气轮胎。部分聚氨酯充气轮胎有两种
形式：一种是胎体为浇注的聚氨酯，而胎面则为制造普通轮胎用的橡胶；另一种是胎体为子午线胎体，而胎面则是
聚氨酯。前一种主要是成本较低，而且其牵引性要好于聚氨酯作胎面的轮胎。后一种则在翻胎业中较受重视。聚氨
酯充气轮胎与普通钢丝子午线轮胎相比具有下列优点：耗油量平均低10%；胎面磨耗低51%；重量轻30%；滚动阻
力低35%以上。另外，聚氨酯轮胎操纵性能和路面性能与子午线轮胎近似，只是制动性能较子午线轮胎低6%，侧偏
比子午胎低7%。另外，聚氨酯轮胎比橡胶轮胎均匀性好，不会出现胎面剥离现象，并且具有优越的抗割口增长性。
华南理工大学研制成功了一种集子午胎和浇注型聚氨酯轮胎优点于一身的新型“绿色轮胎”，这是一种由子午
线胎体与聚氨酯胎面组成的新型复合轮胎。它既具有子午胎滚动阻力小、安全性好、舒适性高的优点，又具有聚氨
酯弹性体高耐磨性等优点，克服了聚氨酯弹性体内生热高的缺点。并且在制造过程中不添加炭黑和有致癌作用的芳
烃油。据报道，上海、宁波等拟于2007年建成300万条/a轿车新型轮胎、100万条/a载重新型轮胎生产线。
3.实心轮胎
美国罗利兹车轮公司用拜耳聚合物公司生产的Texin牌热塑性聚氨酯(TPU)制造车轮并为此申请了专利。这种
以Texin TPU为材料、用排气注塑(blowmold)法生产的实心轮胎，强韧性很好，耐磨、抗冲击、不怕刺穿。目前，
该公司正准备将这种TPU实心轮胎推荐给各种轮式运输工具使用，包括手推车和沙滩车等。因为这种轮胎能够适应
地球上的所有地形，所以罗利兹车轮公司把它称为“Roleez全地形轮胎”。
米哈依轮胎公司制造的安全轮胎的胎腔内装有Tirfil泡沫填料。这种泡沫填料为双组分的高弹性聚氨酯橡胶。
使用这种填料的轮胎在负荷时可保证与空心轮胎有同样的刚性，这种材料除了不能用于高速轮胎以外，在其他任何
轮胎中都能使用。
4.漏气保用轮胎用聚氨酯辅助支撑环
米其林公司的PAX漏气保用轮胎配备了新的轻量聚氨酯辅助支撑环。这种辅助支撑环通过注射成型制得，支撑
环的重量比原来的橡胶支撑环轻4㎏左右。
5.轮胎翻新材料
橡胶轮胎的胎面必须添加炭黑和有致癌作用的芳烃油，它们随着胎面磨损而散发在空气中，严重污染环境。用
聚氨酯作为轮胎翻新材料可解决上述问题。据报道，聚氨酯翻新轮胎的关键技术是采用纳米技术提高聚氨酯弹性体
的热稳定性，使其最高使用温度达到120℃；研制出成本低廉、使用方便、效果好的橡胶表面处理剂和粘合剂，使
聚氨酯胎面与普通橡胶能牢固地粘合在一起。采用聚氨酯胎面翻新的轮胎实际行驶里程可比普通轮胎高1～2倍，
同时能消除大量的炭黑和芳烃油对环境的污染，是提高翻新胎性能的新途径。与普通天然橡胶轮胎相比，聚氨酯翻
新胎具有优良的耐溶剂油、耐燃油和耐化学品性能，是油库、码头等特殊车辆轮胎的理想选择。
存在的主要问题
目前聚氨酯轮胎研究中仍然有一些工作需要做：①提高聚氨酯轮胎的牵引制动性能；②提高耐水解性能；③载
重汽车轮胎的多次注射成型工艺；④提高耐高温性能。
在开发聚氨酯轮胎过程中，耐高温性能是影响聚氨酯轮胎实用化的主要因素。在紧急制动时，由于胎面热积累
而导致升温快，致使轮胎在制动过程中性能迅速下降(100℃下的耐磨性和抗撕裂强度只有常温下的20%左右)。另
外，聚氨酯胎面绿色轮胎生产的关键技术是聚氨酯胎面与橡胶胎体(包括子午线轮胎和斜交轮胎)的粘合和聚氨酯胎
面的浇注工艺等。
解决途径
在研究过程中发现聚氨酯中氨基甲酸酯含量高是导致高温性能较差的主要原因，现在国外研制出由三聚异氰酸
酯作原料制得的聚氨酯弹性体耐高温性能非常好，通常可耐170℃的高温，最高可达210℃，而且其他物理机械性
能，如撕裂强度、耐磨性能等都有所提高，因此聚氨酯的耐高温性能已经基本得到解决。最近，艾美莱公司已经研
制出一种特殊的聚氨酯材料，这种材料由多元醇、二苯基甲烷二异氰酸酯等成分组成。固特异公司利用这种材料试
制的新一代聚氨酯轮胎，经试验证明，新产品安全性、均匀性和耐磨性均比橡胶轮胎好，而且不易产生胎面剥离和
爆胎。
尤尼罗伊尔·固特里奇公司开发了一种新型轮胎生产工艺技术，将设计原理和浇铸型聚氨酯材料特性相结合。
这种轮胎有一弹性胎体，胎体上面有无胎面皆可，胎体在压力作用下安装在金属车轮或轮圈上，为非充气轮胎。制
造非充气轮胎胎体的材料必须是性能良好的弹性体，它与一定的设计相配合时，即使超过500%的变形也能够回复
弹性体原状。浇铸型聚氨酯是惟一可以满足设计和材料所需刚性要求的现有材料。
随着聚氨酯材料性能以及聚氨酯轮胎生产工艺的改进，大规模生产聚氨酯轮胎在不久的将来将成为现实。用聚
氨酯轮胎代替橡胶轮胎是将来世界轮胎业的发展方向。