Кордная гибридная ткань для каркаса многослойных шин Российский патент 2020 года по МПК B60C9/02 

Изобретение относится к автомобильной промышленности, а именно к конструкции обрезиненного текстильного корда для каркаса пневматических многослойных шин радиальной и диагональной конструкции.

Понятия и определения, используемые в описании изобретения.

Под нитью, изготовленной в два или более сложений, понимается нить, образованная скручиванием на крутильной машине двух или более нитей.

Полиамид 6 - капрон.

Полиамид 6.6., может именоваться как полиамид 66, - анид.

Гибридная ткань - ткань, нити которой выполнены из разных материалов (полимеров).

Каркас - армированная торообразная оболочка, является одним из основных элементов современных шин. Каркас шины состоит из слоев обрезиненного материала, нити которого могут быть из текстильного волокна либо стали, число слоев каркаса в шине - от одного до нескольких десятков.

Текс, международное обозначение tex, - внесистемная единица линейной плотности. Текс равен линейной плотности такого однородного тела (волокна, нити и т.п.), масса которого равна 1 г, а длина - 1 км. Применяется в текстильной промышленности [1].

ASTM D885/D885M - Стандартные методы испытаний шинных кордов, тканей шинного корда и волоконной пряжи технического назначения из искусственного волокна на органической основе.

В качестве армирующего материала каркаса пневматических многослойных шин радиальной и диагональной конструкции обычно используются крученые стальные или текстильные нити. Существуют классы шин, в которых ввиду высокой нагруженности используется текстильный каркас с числом слоев каркаса от четырех до нескольких десятков, это грузовые, строительно-дорожные, индустриальные, сельскохозяйственные, крупногабаритные шины и сверхкрупногабаритные шины [1-4]. Как правило, материалом армирования каркасов таких шин являются ткани из полиамидных крученых нитей на основе полиамида 6 (капрон) или полиамида 66 (анид). Типовые характеристики текстильных тканей, выпускаемых сегодня для данного назначения, определены, в частности, ТУ 2281-058-00205311-2013 «Ткань кордная капроновая пропитанная» и ТУ 13.96.15-067-00205311-2016 «Ткань кордная анидная пропитанная» [5, 6] и приведены в таблице 1.

Таблица 1. Типовые характеристики серийных полиамидных кордных тканей

№
п/п Наименование показателя Ед. изм. 1440×2 1880×2
(1870×2) 2100×2 1550×3 2200×2 1 Линейная плотность, структура корда текс 144×1×2 187×1×2 210×1×2 155×1×3 220×2 2 Толщина мм 0,66±0,03 0,76±0,03 0,80±0,03 0,78±0,03 0,78±0,03 3 Разрывная нагрузка, не менее Н (кгс) 196 285 285 325 325 4 Удлинение 4.1 - при нагрузке 20 Н (2 кгс) % 3,0±1,0 3,0±1,0 2,5±1,0 2,5±1,0 2,5±1,0 4.2 - при нагрузке 39 Н (4 кгс) % 6,0±1,0 6,0±1,0 5,5±1,0 5,5±1,5 5,5±1,5 4.3 - при разрыве % Мин 20 Мин 20 Мин 20 Мин 20 Мин 20 5 Число кручений на 1 м 5.1 - первая крутка 370±20 326±20 320±20 225±20 300±20 5.2 - вторая крутка 360±20 318±20 320±20 220±20 300±20 6 Ширина ткани см 140 140 140 140 140 7 Число нитей на 10 см по основе 70-116 60-100 60-100 70-95 70-95

Общей тенденцией развития шин является повышение их технических показателей для обеспечения возросших потребностей автомобильной, сельскохозяйственной и прочей техники. В первую очередь это касается увеличения скорости. Однако на этом пути основной проблемой является возникновение высоких температур, развивающихся в различных зонах многослойной шины, обусловленных гистерезисными свойствами резины как конструкционного материала, что накладывает ограничения на выбор материалов, используемых в каркасах. При этом производители шин стремятся повысить экономическую эффективность своего производства.

Для решения этих вопросов разработаны конструкции шин на основе высокопрочных полиамидных тканей (Таблица 2 [7, 8]). Их применение позволяет уменьшить число слоев в шине и уменьшить количество операций при ее производстве. Снижение числа слоев в каркасе позволяет снизить количество резины в конструкции и, соответственно, снижается и разогрев шины, связанный с гистерезисными свойствами резины.

Таблица 2. Характеристики серийных высокопрочных полиамидных кордных тканей

№
п/п Наименование показателя Ед. изм. 2800×2 1880×3 1 Линейная плотность, структура корда текс 280×1×2 188×1×3 2 Толщина мм 0,90±0,03 0,90±0,03 3 Разрывная нагрузка, не менее Н (кгс) 450 450 4 Удлинение: 4.1 - при нагрузке 45 Н % 2,5-3,0±0,7 2,5-3,0±0,7 4.2 - при разрыве % Мин 16 Мин 16 5 Число кручений на 1 м: 5.1 - первая крутка 215±20 215±20 5.2 - вторая крутка 210±20 210±20 6 Ширина ткани см 140 140 7 Число нитей на 10 см по основе 60-90 60-90

Критичным параметром для данных конструкций явилась необходимость достижения минимального уровня прочности 450 Н и низких величин промежуточного удлинения, т.е. достижения высокого модуля нити. Величины удлинения 2,5-3,5±0,5 % (по ASTM D885) дают возможность модернизации существующих конструкций шин без изготовления новой оснастки (прессформ), ограничением является существующий для всех шин норматив на ширину профиля шины, который регламентирован ГОСТ, ETRTO и нормами МЭК ООН.

Использование же еще более прочных кордных тканей типа с разрывной нагрузкой 550 Н и более [10] ограничено существующими технологическими возможностями. Для их термообработки на существующих линиях необходимо существенно снижать ширину ткани, так как усилие натяжения в линии при термообработке ограничено, что приводит к большим отходам при производстве шин, поскольку все каландровое и раскройное оборудование оптимизировано под ширины 135-145 см. С другой стороны, сама технология сборки многослойных шин не позволяет производить каркасы с числом слоев менее 3-4 из-за деформирования последнего в процессе сборки шины.

Ткани из вискозных, полиамидных и полиэфирных волокон для повышения прочности связи с резиной и повышения модуля (жесткости) пропитывают различными адгезивными составами на линиях для пропитки шинного корда. На заводах по производству шинного корда для пропитки тканей применяют агрегаты Litzler, Benninger Zell. При этом ткань пропитывают, погружая в жидкость, а затем удаляют излишки пропиточного состава, сушат при высокой температуре и натяжении, а затем охлаждают под натяжением. Термообработка кордов при высоких натяжениях является одним из путей снижения их ползучести и, соответственно, разнашиваемости шин в эксплуатации.

Из уровня техники известна полиэфирная кордная ткань [10], применяемая в производстве текстильных армирующих материалов, в частности для каркаса радиальных крупногабаритных шин. Технический результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик, в частности в увеличении срока эксплуатации грузовых шин. Полиэфирная кордная ткань образована переплетением основных и уточных нитей, при этом в качестве основной нити использована полиэфирная нить, а в качестве уточной нити - двухкомпонентная хлопкополиамидная нить, при этом ткань выполнена пропитанной, причем после пропитки ткань имеет модуль упругости не более 2 % при нагрузке 39-45 Н, удлинение при разрыве не более 18 % и жесткость 50-70 сН. Однако данное техническое решение не позволяет увеличить рабочие скорости шины и существенно снизить количество резины в конструкции и, соответственно, не допустить повышение рабочих температур при качении. Кроме того, полиэфирный корд не используется в конструкциях каркаса с числом слоев больше трех из-за скалывания жесткой полиэфирной нити в зонах сжатия, которые неизбежно возникают во внутренних слоях многослойного каркаса при качении.

Из уровня техники известно решение [11], направленное на создание высокопрочного пропитанного термофиксированного корда, изготовленного из полимера полиамид 66 на 25-50 %. Решение заключается в том, что двух- или трехнитевый пропитанный и термофиксированный корд из полиамида 6,6 изготовлен из исходных нитей из полиамида 6,6, имеющих значение растягивающего напряжения при 4%-ном удлинении больше чем 1,30 сН/децитекс, предпочтительно - от 1,35 до 1,60 сН/децитекс (определяемое с помощью динамометра в соответствии со стандартом ASTM D885-16), характеризуется тем, что - его напряжение при 4%-ном удлинении (определяемое с помощью динамометра в соответствии со стандартом ASTM D885-16) превышает 1,2 сН/децитекс и мене 2,0 сН/децитекс, - и его термоусадка, определяемая при 177°C под предварительным натяжением 0,045 г/децитекс и при времени выдержки 2 мин, является более высокой, чем 4,0 %, и более низкой, чем 7,0 %. При этом значение напряжения при 4%-ом удлинении исходной нити предпочтительно является более высоким, чем 1,35 сН/децитекс, и более низким, чем 1,50 сН/децитекс. При этом корд имеет термоусадку предпочтительно от 5,0 до 6,5 %, полную толщину минимум 300 децитекс и максимум 4000 децитекс, а коэффициент крутки корда минимум 100 и максимум 250, предпочтительно - от 120 до 180, вычисляемый в соответствии со следующей формулой: Коэффициент крутки = (t/m × SQRT (текс/1000)).

Недостатком данного решения является существенное повышение стоимости корда, изготовленного из волокна полиамид 66. Практически реализованное на настоящий момент повышение прочности на 4-5 % привело к росту стоимости на 7-10 % (802 полиамид 66) и не может быть экономически обоснованным для модернизации существующих многослойных конструкций, с одной стороны; с другой стороны, такая прочность полимера даст уже возможность снизить количество слоев настолько, что собрать такую шину по существующей технологии многослойных шин невозможно. (Теоретически даже при использовании материалов из Таблицы 2 можно снизить число слоев грузовой шины 12.00R20 до 3, однако практическое применение нашли только четырехслойные конструкции из-за проблем с деформацией каркаса при двухстадийной сборке).

Высокая стоимость кордной ткани на основе полиамида 66 является существенным недостатком, препятствующим ее применению. В настоящий момент цена волокна из полиамида 66 в 1,6-2 раза выше цены волокна из полиамида 6.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание высокопрочной кордной шинной ткани при обеспечении возможности снижения числа слоев в многослойных шинах при сохранении существующей технологии и снижении ее стоимости в сравнении с существующими вариантами.

Поставленная техническая задача решается тем, что кордная гибридная ткань из полимеров, пропитанная и термообработанная, производится из нитей, крученных из волокон полимера полиамид 6 и полимера полиамид 66, с калибром 2800-3100 дтекс, при этом нити кордной гибридной ткани из двух видов полимера ткани характеризуется следующими параметрами в пропитанном и термообработанном состоянии:

число кручений 160-240 оборотов на метр;

минимальная разрывная нагрузка 450-550 Н;

промежуточное удлинение 3,0-3,5±0,5 % при 45 Н.

Нити кордной гибридной ткани из полимеров могут быть изготовлены из одной крученой нити волокна полиамид 6 и одной крученой нити волокна полиамид 66. Нити полиамидов берутся с близкими показателями по разрывной нагрузке и удлинениям.

Стоимость такой кордной ткани с снижается на 20-30 % по сравнению с существующей конструкцией на полиамиде 66. При этом большинство размеров грузовых комбинированных шин может быть произведено с четырехслойным каркасом.

Заявляемое изобретение поясняется примерами

Пример 1.

Кордная гибридная ткань из полимеров, пропитанная и термообработанная, нити которой изготовлены путем совместного кручения волокон полимера 6 и полимера 66. Волокно полимера полиамид 6 (капрон) имеет следующие характеристики: калибр 2800 дтекс, уровень крутки (число кручений) 210±30 оборотов на метр; волокно полиамид 66 (анид) имеет следующие характеристики: калибр 2800 дтекс, уровень крутки 210±30 оборотов на метр. Данные нити взяты по одной нити каждого полимера и скручены вместе с уровнем крутки 215 (число кручений оборотов на метр). Частота нитей в ткани - 83 нитей/дм. Пропитка ткани осуществляется на линии Benninger Zell составом на основе винилпиридинового латекса, термообработка с максимальным усилием натяжения 6970 кг на полотно и максимальной температурой в зоне нагрева пропиточной линии до 220 градусов, скорость полотна 60 метров в минуту. Нити полученной пропитанной и термообработанной кордной гибридной ткани, изготовленной из двух полимеров, полимера 6 и полимера 66, обладают следующими техническими характеристиками (по ASTM D885):

уровень крутки (число кручений) 200±30 оборотов на метр;

минимальная разрывная нагрузка 450 Н;

промежуточное удлинение 3,5±0,5 % при 45 Н.

Пример 2

Кордная гибридная ткань из полимеров, пропитанная и термообработанная, нити которой изготавливаются путем кручения двух волокон полимера полиамид 6 и двух волокон полимера полиамид 66, с калибром 3000 дтекс каждая, число кручений каждой из нитей - 200±30 оборотов на метр. Частота нитей в ткани - 80 нитей/дм. Пропитка ткани осуществляется на линии Benninger Zell составом на основе винилпиридинового латекса, термообработка с максимальным усилием натяжения 6980 кг на полотно и максимальной температурой в зоне нагрева пропиточной линии до 220 градусов, скорость полотна - 60 метров в минуту. Нити полученной пропитанной и термообработанной кордной гибридной ткани, изготовленной из двух полимеров, полимера 6 и полимера 66, обладают следующими техническими характеристиками (по ASTM D885):

уровень крутки (число кручений) 190±30 оборотов на метр;

минимальная разрывная нагрузка 500 Н;

промежуточное удлинение 3,5±0,5 % при 45 Н.

Пример 3

Кордная гибридная ткань из полимеров, пропитанная и термообработанная, нити которой изготавливаются путем кручения двух волокон: одной из полимера полиамид 6 и одной из полимера полиамид 66, с калибром 3100 дтекс каждая, число кручений каждой нити - 220±30 оборотов на метр, частота нитей в ткани - 75 нитей/дм. Пропитка ткани осуществляется на линии Benninger Zell составом на основе винилпиридинового латекса, термообработка с максимальным усилием натяжения 7000 кг на полотно и максимальной температурой в зоне нагрева пропиточной линии до 220 градусов, скорость полотна - 60 метров в минуту. Нити полученной пропитанной и термообработанной кордной гибридной ткани, изготовленной из двух полимеров, полимера 6 и полимера 66, обладают следующими техническими характеристиками (по ASTM D885):

уровень крутки (число кручений) 215±30 оборотов на метр;

минимальная разрывная нагрузка 547 Н;

промежуточное удлинение 3,3±0,5 % при 45 Н.

Предлагаемая кордная ткань для каркаса многослойных шин может быть произведена на стандартном оборудовании в условиях массового производства и использована для производства каркаса пневматических многослойных шин радиальной и диагональной конструкции.

Используемые источники:

Бидерман В.Л., Гуслицер Р.Л., Захаров С.П., Селезнев И.И. Автомобильные шины, Москва, «Госхимиздат»,1963 г.

Отчет по результатам анализа шин. Грузовые радиальные шины. Бюллетень «Информ-Простор» № 4. 0094-ИП. М., 2000 г.

Отчет по результатам анализа шин. Грузовые радиальные шины. Бюллетень «Информ-Простор». № 4 0095-ИП. М., 2000 г.

Отчет по результатам анализа шин. Грузовые радиальные шины. Бюллетень «Информ-Простор». № 4 0097-ИП. М., 2000 г.

ТУ 2281-058-00205311-2013 Ткань кордная капроновая пропитанная.

ТУ 13.96.15-067-00205311-2016 Ткань кордная анидная пропитанная.

Патент РФ № 2317212 Покрышка пневматической шины.

Патент РФ № 2377136 Покрышка пневматической шины.

Gent A.N, Walter J.D. The Pneumatic tire, U.D. Departament of Transportation, Washington DС 20590, 2005.

Полезная модель патент № 190363

Заявка на изобретении № 2017146385 Высокомодульные корды из нейлона 66.

Кордная гибридная ткань для каркаса многослойных шин относится к автомобильной промышленности, а именно к конструкции обрезиненного текстильного корда для каркаса пневматических многослойных шин радиальной и диагональной конструкции. Пропитанная и термообработанная кордная ткань из полимера производится из нитей, крученных из волокон полимера полиамид 6 и полимера полиамид 66, с калибром 2800-3100 дтекс, при этом нити кордной гибридной ткани из двух видов полимера ткани характеризуется следующими параметрами в пропитанном и термообработанном состоянии:

• число кручений 160-240 оборотов на метр;

• минимальная разрывная нагрузка 450-550 Н;

• промежуточное удлинение 3,0-3,5±0,5% при 45 Н.

Технический результат – повышение прочности кордной шинной ткани при снижении числа слоев в многослойных шинах. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Кордная гибридная ткань из полимеров, пропитанная и термообработанная, отличающаяся тем, что нити кордной ткани изготавливаются путем кручения волокон полимера полиамид 6 и полимера полиамид 66, с калибром 2800–3100 дтекс каждая, при этом нити кордной ткани характеризуются следующими параметрами в пропитанном и термообработанном состоянии:

– число кручений 160–240 оборотов на метр;

– минимальная разрывная нагрузка 450–550 Н;

– промежуточное удлинение 3,0–3,5±0,5% при 45 Н.

2. Кордная гибридная ткань из полимеров по п. 1, отличающаяся тем, что нить кордной ткани изготовлена из одной крученой нити волокна полиамид 6 и одной крученой нити волокна полиамид 66.

3. Кордная гибридная ткань из полимеров по п. 1, отличающаяся тем, что нити кордной ткани берутся с одинаковыми или близкими показателями.