轮胎电荷消散专利技术综述

张瑾　郭紫琪　李晓文

【摘 要】“绿色轮胎”在使用中，轮胎与地面摩擦会产生静电，轮胎上的静电若不能及时导出，则会出现干扰车辆的电子设备之间的通信、使得下车的乘客受到电震、放电产生的臭氧加速轮胎老化等问题，本文对轮胎电荷消散装置的国内外专利申请情况进行统计分析，并重点分析轮胎行业的几大生厂商的技术发展路线，得到电荷消散装置的发展趋势。

【关键词】绿色轮胎；电荷消散；专利分析

中图分类号： TQ336.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）08-0118-003

Patented Technology of Electric Charge Dissipating Arrangements

ZHANG Jin GUO Zi-qi LI Xiao-wen

（Sichuan Center，Patent Examination and Cooperation，Patent Office，State Intellectual Property Office，Chengdu Sichuan 610213，China）

【Abstract】During the using of the “Green tire”， the friction of the tire and the ground will produce static electricity. If the static electricity cant be exported in time， the communication between electronic devices will be interfered. This paper introduces a statistical analysis on the patent application of the electric charge dissipating arrangements， and focus on the analysis of the technical development routine， then， the development trend of the electric charge dissipating arrangements is obtained.

【Key words】Green tire； Electric charge dissipating arrangements； Patent analysis

0 引言

“綠色轮胎”的概念始于20实际90年代，是指在轮胎的配方中用二氧化硅（白炭黑）取代炭黑，从而降低轮胎的滚动阻力、减少油耗，达到减少汽车废气排放的环保效应。“绿色轮胎”的最大特点是超低的滚动阻力，胶料配方中通过加入大量白炭黑来减少滚动摩擦[1]。

随着“绿色轮胎”的大量应用，人们发现在车辆行驶的过程中，“绿色轮胎”会产生静电积累的情况。在某些特定的条件下，当乘车人触摸车体时，累计在轮胎中的静电会造成电击，放电产生的臭氧会加速轮胎的老化[2]。导致“绿色轮胎”胎面的静电积累的主要原因是由于二氧化硅填料为非导电材料，在汽车行驶时轮胎和路面之间产生摩擦使得胎面产生的静电无法消散导致静电积累。因此，大量研究人员开始研究如何使“绿色轮胎”累积的静电电荷消散。

1 轮胎电荷消散专利技术发展状况

1.1 技术来源和目标市场分布

专利申请的地域分布可以反应相关技术在各个国家的发展水平、受重视程度，图1 为轮胎电荷消散的申请量在不同国家所占百分比的地域分布图。从图1中可以看出，日本、欧盟、美国这五国或地区的申请量占所有申请的大部分，是轮胎电荷消散领域的主要技术研发国，其中日本的申请量最大，分析其原因可知，由于日本在轮胎胎面领域具有广泛的研究，同时日本对于车辆的燃油经济性要求特别高，而提高轮胎的燃油经济性很多是牺牲轮胎的导电性为代价的，这就促使日本在该领域进行深入的研究。欧盟国家和美国的申请量紧随日本，因为欧盟具有米其林、倍耐力、大陆轮胎等轮胎巨头公司，美国具有轮胎巨头固特异公司，它们在绿色轮胎方面有较深入的研究，而绿色轮胎容易导致胎面静电大量积聚，所以也会将研究重点放在轮胎电荷消散领域。日本、欧盟和美国除了在国内申请大量关于轮胎电荷消散的专利外，还将目光转移到了中国、俄罗斯和韩国，可见掌握了轮胎电荷消散核心技术的国外企业非常重视在中国轮胎电荷消散行业的专利布局。随着中国政府对环境问题的重视，对节能减排的车辆的需求也十分迫切，绿色轮胎作为新型节能、减排的轮胎，也越来越受到企业、科研院所的重视，开始促进国内在轮胎电荷消散以及相关产业的发展。

1.2 核心专利

通过对核心专利进行梳理和分析得到图2的核心专利图解。从图2可以看出，核心专利主要涉及胎面胶组成成分、胎面结构、成型装置、成型方法等方面，核心专利主要集中在1994至2000年间，主要集中在对胎面结构和胎面胶组成成分反面的研究，其中，胎面胶组成成分涵盖了添加导电聚合物和添加特殊导电材料这两种方法，这两种方法相较于改变橡胶炭黑与二氧化硅比例，其在保证了二氧化硅添加量的同时，减少了炭黑的使用量并保证了胎面的导电性能，做到了降低轮胎的滚动阻力、减少油耗、减少汽车废气排放的同时避免了胎面静电大量积聚。同时，胎面结构方面的研究主要包括在胎面内插入导电元件、具有导电层的多层橡胶胎面和在胎面设置导电涂层这几个方面。其中，主要集中在在胎面内插入导电元件这个方面，而主要的结构就是各大公司重点研究的胎面结构——“烟囱法胎面结构”，而成型装置及方法也主要是用于成型“烟囱法胎面结构”。

1.3 专利技术发展演进

通过对轮胎电荷消散各个时期的专利文献进行梳理与分析，可以得到轮胎电荷消散的技术演进路线，图3是对轮胎电荷消散各个技术分支进行梳理得到的年代演进图。早期的轮胎电荷消散的研究主要着重于特殊轮胎导电性能的研究，例如油罐车、重型卡车等轮胎胎面电荷消散，直到1991年初成功研发的绿色轮胎被广泛应用，才使得人们对于轮胎胎面静电积聚的问题产生重视。所以，轮胎电荷消散技术的核心专利也基本集中在1994-2000年之间，几大轮胎巨头公司在改变橡胶配方组分上、成型方法、装置以及研究改变胎面结构上进行了大量的研究。最初的要就主要集中在改变二氧化硅和炭黑的配比，以平衡轮胎的滚动阻力和导电能力。倍耐力轮胎提出，在原有的炭黑、白炭黑体系中加入硅烷偶联剂克服了白炭黑难分散的缺点，使得耐磨性能得到了显著的提升。因为炭黑加入量的增加会导致滚动阻力的增加，所以人们开始研究在保证导电能力的前提下如何减少炭黑的加入量，住友橡胶工业株式会社提出了用导电短切纤维替代炭黑，即胎面橡胶至少部分地包括导电橡胶，导电橡胶从胎面克服了白炭黑难分散的缺点，使得耐磨性能得到了显著的提升。因为炭黑加入量的增加会导致滚动阻力的增加，所以人们开始研究在保证导电能力的前提下如何减少炭黑的加入量，住友橡胶工业株式会社提出了用导电短切纤维替代炭黑，即胎面橡胶至少部分地包括导电橡胶，导电橡胶从胎面橡胶的径向内表面延伸到地面接触表面，导电橡胶由100重量份的二烯橡胶和2至30重量份的导电短纤维。导电短纤维通过用导电物质涂覆增强短纤维而形成，并且导电橡胶具有小于1×108欧姆厘米的体积电阻。普利司通公司提出在胎面胶材料中加入非离子型表面活性剂或磷酸酯，这种橡胶组合物可以降低体积电阻率本身，从而提供导电性。此外，橡胶组合物对基础物理性能没有任何影响，并且保持抗静电性能，而没有橡胶配混剂之间相互作用的缺点，导电性显着提高。因此，可以制造充气轮胎，其具有在汽车中的无线电中不产生噪声的优点，并且在触摸汽车时不会对人体产生电击。

对于胎面结构，住友橡胶工业株式会社和轮胎制造有限公司提出的典型的在胎面内插入导电元件的方式——“烟囱法胎面结构”。因为这种结构易于成型，制备的胎面在保证了耐磨损性能和滚动阻力性能的同时有效地将电荷传送到地面。普利司通提出了在外胎表面涂覆导电材料，在胎面表面涂覆一层导电聚合物，从而将轮胎摩擦产生的电荷传导至地面，但是因为是在胎面表面涂覆导电涂层，在轮胎长期使用的条件下，涂层会产生磨损，造成轮胎胎面导电性下降。所以，其再次提出了一种胎面胶为具有导电层的多层结构，其中径向最外侧的胎面胶不导电，导电层具有穿过径向最外侧的导电胶到达胎面表面的接地部，由于胎面胶具有多层结构，径向最外侧的胎面胶可以通过添加硅石来提高耐磨损性能和降低滚动阻力，而径向内部的导电层可以提供导电路径，从而实现轮胎的防静电和耐磨损、滚动阻力性能的平衡和优化。

对于成型装置、成型方法来说，最常用的方法是挤出成型法。米其林公司提出一种用于获得具有周期性条带的层的工艺包括：（1）用挤压机挤压出所述的层，所述挤压机包括一个挤压头，挤压头设有一个通向一个挤压孔的流道；（2）在一个切断装置的辅助下，将置于挤压孔下游的运输装置上的生产出的部分切断；（3）在未硫化条件下挤压出导电橡胶混合物条带，并通過一个活动微型挤压机的喷嘴将其夹入切口的两壁之间，所述喷嘴指向所述运输装置的壁并经受一个平行于所述壁且振幅为10mm的周期运动。在挤出制备胎面的基础上，固特异公司还提出了导电丝线贯穿胎面缝纫法，制造用于车辆的充气轮胎的方法包括以下步骤：将部分轮胎卷绕成沿着轮胎的圆周方向延伸的多个绕组的形状，基本上与至少一个材料条对齐，以形成胎面而不是特别是在已经具有延伸胎体的部分轮胎上硫化，并且将带组设置在径向外侧，使得带组的涂覆橡胶的电阻率小于108Ωcm。住友橡胶工业株式会社提出一种导电胶楔入法，通过将锥形导电胶插入胎面来形成烟囱法胎面结构。

2 结语

随着“绿色轮胎”的大量应用，轮胎静电积累的问题越来越受到重视，本文对近些年来的轮胎电荷消散技术的发展历程进行分析，从中不难发现，直到1991年初成功研发的“绿色轮胎”被广泛应用，才使得人们对于轮胎胎面静电积聚的问题产生重视。在随后的十几年里，该领域的专利申请量猛增，其中核心技术主要掌握在住友橡胶、米其林、固特异、普利司通等为代表的轮胎公司中，而近些年的研究方向主要侧重于设备的改进和对产生的电荷进行回收利用方面进行研究，以平衡轮胎的诸多性能要求。

【参考文献】

[1]李承民.导电轮胎生产工艺和设备研究[J].轮胎工业，2013（33）：41-45.

[2]王云兰，张艳芬.轮胎电荷消散装置专利技术综述[J]. 科技与企业，2016（05）：198.