近十年來，隨著新能源汽車快速發展，國內輪胎行業規模迅速提升，目前中國已成為全球輪胎生產強國。但在高速發展的同時，輪胎行業也面臨著各種挑戰，低端產能結構性過剩、中美貿易等國際壁壘以及輪胎節能、安全等方面的要求日趨嚴格。

從全球市場來看，綠色輪胎已經成為一種必然發展趨勢。與普通輪胎相比，用含硫硅烷制備的綠色輪胎將降低滾動阻力，減少輪胎重量，節省汽車的燃油消耗，不論從安全性、舒適性還是功能性等方面，都要優于普通輪胎，是新能源汽車選用的環保原材料。

 

綠色輪胎

綠色輪胎是指由于應用新材質和設計，而導致滾動阻力小，因而耗油低、廢氣排放少的子午線輪胎。在汽車行駛中，能量會被各種阻力所消耗，其中約20%的汽油被輪胎滾動阻力所消耗。使用綠色輪胎就可以減少這方面的能量消耗，從而達到省油的目的。

綠色輪胎運用特殊的硅土混合技術、結構設計技術和生產技術，在不損失輪胎基本安全性能的情況下，使滾動阻力比普通輪胎下降20%，減少油耗5%以上，有效降低汽車燃油消耗，增強燃料使用效率，降低二氧化碳排放的環保型輪胎。這種輪胎可使環境和駕駛者雙雙獲益，一方面對環境的不利影響最小化，另一方面可為消費者節省燃料費用。

 

 

車輛行駛時，輪胎受壓變形，橡膠分子之間相互摩擦生熱就會造成能量損失，產生滾動阻力。綠色輪胎富含的二氧化硅就像是潤滑劑，可以填平作為輪胎胎面膠的溶聚丁苯膠分子的間隙，減少橡膠分子之間的摩擦，這樣就減小了輪胎與地面之間的阻力，減少油耗，達到控制汽車廢氣排放的環保效應。同時，綠色輪胎還能有效降低噪音，提高輪胎的抓著力、舒適性、操控性等安全性能。

 

 

二綠色輪胎的靈魂【含硫硅烷】

 

含硫硅烷可有效提高白炭黑與橡膠分子的結合能力，促進橡膠硫化，同時具有偶聯劑、促進劑和硫化劑的作用，可以顯著降低輪胎滾動阻力和輪胎生熱。使用該體系的輪胎被稱為綠色輪胎。在歐盟、日本、韓國、美國、巴西等地，政府通過輪胎標簽法等形式強制推廣綠色輪胎，使其迅猛發展。

 

表1 國內常見含硫硅烷類型

 

 

 

圖1 含硫硅烷與白炭黑的作用機理

 

 

 

圖2 含硫硅烷改性后的白炭黑與橡膠的作用機理

 

 

 

含硫硅烷市場概況

目前，我國已經成為世界重要的含硫硅烷生產基地，涌現出江西宏柏、荊州江漢等規模較大的生產企業。2017年我國含硫硅烷有效產能約10萬噸／年。

 

表2 2017年我國主要含硫硅烷企業產能統計

 

 

 

圖3 我國含硫硅烷產量及增長率

 

 

 

2017年我國含硫硅烷產量約7.43萬噸，占功能性硅烷總產量的33.6%。

 

圖4 2017年我國功能性硅烷生產結構（按折純量）

 

 

 

根據SAGSI統計，2017年我國橡膠加工行業消費含硫硅烷合計約為5.29萬噸，同比增長約9.7％，其中在輪胎行業的消費量為5.17萬噸，其他橡膠制品消費約0.12萬噸。考慮到國內綠色輪胎法規的逐步實施，以及新能源市場逐步成熟，3-5年后中國輪胎工業對硅烷的需求將有望恢復高速增長，預計到2022年對含硫硅烷需求量年均有望達到9.3%的增長率，2022年將達到8.2萬噸，詳見圖5。

 

圖5 我國含硫硅烷消費量及橡膠產量統計及預測

 

 

 

四新型含硫硅烷研發進展

我國是含硫硅烷的生產、消費和出口大國，產品以常規的多硫型品種為主。這些常規產品含硫官能團活性高，對溫度的耐受能力差，混煉時易焦燒，只能分段混煉，耗時較長；其在硫化過程中會水解產生醇類揮發物，使橡膠中形成孔洞。近年來，隨著用戶要求的不斷提高，新型含硫硅烷的開發方興未艾。

1、邁圖NXT系列

邁圖公司發布的NXT系列硅烷引入辛酰基以保護巰基，具備更強的耐高溫能力，減少混煉焦燒現象，實現了一次混煉成型。且硫酰基與橡膠基材的連接強度要大于多硫基，增強了體系穩定性。NXT在橡膠中還起到增塑劑的作用，使白炭黑更易于分散并提高其用量，有效提高了輪胎耐摩擦性能和低溫力學性能。

 

邁圖公司還發布了NXT衍生系列， 包括NXTＬｏｗＶ和NXTＺ，這兩個產品對NXT初型產品進行了優化，NXTＬｏｗＶ產品將分子中的乙氧基與２－甲基－１，３－丙二醇反應，提前釋放出部分醇類VOC揮發物；NXTＺ產品則是將NXT與巰基型含硫硅烷如ＫＨ５９０、ＫＨ５８０聚合，生成一個帶有含硫基團支鏈的硅烷長鏈。這兩種新型含硫硅烷都在NXT初型產品的基礎上，減少了混煉時醇類VOC揮發物的產生，避免了輪胎產品中大量孔洞的出現。

 

圖6 ＮＸＴ系列含硫硅烷分子結構

 

 

 

2、贏創VP-Si-363系列

贏創公司開發的VP-Si-363系列利用長鏈的屏蔽效應以保護巰基，減少橡膠混煉時的焦燒現象，可使水解反應副產的醇類VOC減少近60％，降低了橡膠的氣孔率。該產品的利用率也比傳統含硫硅烷高，同等效果下，其用量僅相當于多硫Ⅰ型用量的一半。

 

圖7 VP-Si-363系列含硫硅烷分子結構圖

 

 

 

 

 

3、我國新型含硫硅烷研發進展

我國也一直在尋找更加簡單有效的改進含硫硅烷結構、降低含硫硅烷揮發性物質釋放的方法，以便進一步滿足橡膠的混煉需求。江西宏柏新材料股份有限公司將硫氫化鈉與酰鹵反應得到硫代羧酸鈉，再與γ－氯丙基三乙氧基硅烷反應，得到了硫代羧酸酯硅烷偶聯劑（簡稱ＨＢ－１），用硫代羧酸酯替代了活潑的巰基，提高了其耐高溫能力，減少了混煉時的焦燒現象。該產品已獲得發明專利授權，并進行了工業化開發，具備了規模化生產能力。

 

荊州江漢精細化工有限公司以γ－巰丙基三乙氧基硅烷和封端含硫硅烷為原料，制得的含硫硅烷共聚物 （簡稱ＪＨ－１），可使 VOC 排放量減少80%以上；其將γ－巰丙基三乙氧基硅烷與多硫Ⅱ型反應，得到的含硫硅烷共聚合物 （簡 稱ＪＨ－２）在輪胎橡膠混煉中交聯效果好，混料段數少，乙醇排放量也得到較好控制；以γ－氯丙基三乙氧基硅烷多硫化鈉為原 料，制備了一種環狀含硫硅烷低聚物（簡稱ＪＨ－３），可有效減少32%-34%揮發性物質的釋放，混煉時多硫鍵斷裂成多個小分子迅速分散，反應效率高。

 

南京曙光化工集團有限公司采用高沸的二元醇，在鈦酸酯催化下反應取代含硫硅烷中的乙氧基，再蒸餾除掉乙醇得到改性含硫硅烷 （簡稱 ＳＧ－１），以降低乙醇的釋放。

 

江西晨光新材料有限公司采用含硫硅烷與白炭黑反應脫醇，制備成表面接枝好的白炭黑 （簡 稱ＣＧ－１），從而避免在橡膠混煉環節排出 VOC 。以上研究都是在傳統含硫硅烷的基礎上優化得來的，其發明、發展已有較長時間，目前已逐漸得到國外主流用戶認可。我國目前還沒有新型含硫硅烷的大規模發展、應用。主要原因一是原料成本和下游設備升級成本高，二是尚未形成較為穩定的工業化生產能力，需要進一步加大扶持力度。

 

 

 

含硫硅烷行業建議

 

1、加快開發新型含硫硅烷

 

我國常規含硫硅烷發展迅速，并已實現大量出口，但高端含硫硅烷的發展與國外差距明顯。隨著我國汽車工業快速發展以及綠色輪胎政策陸續出臺，新型含硫硅烷的發展已是大勢所趨，我國含硫硅烷企業應加快開發新型產品，盡快形成工業化生產能力，以滿足市場需求。

 

2、實現全產業鏈一體化發展

一體化經營是現階段我國含硫硅烷產業，乃至整個有機硅行業降低成本、分散風險、提高競爭力的主要手段之一。從原料橫向擴展至各類有機硅分支產品一體化生產已經成為企業發展的主流趨勢，產業鏈越完善，越能提高市場競爭力。企業如果不能向上下延伸成為一體化或多元化企業，那么必須要在所在領域成為區域性、或細分行業性的龍頭企業，穩定的占據一部分中高端市場，從而減少單一原料供需波動對經營的壓力。

 

3、發揮成本優勢，加大出口力度

國外企業因環保和成本高等因素開工不足，加之我國含硫硅烷生產技術和規模化水平不斷提高，國際競爭力逐漸加強。國外企業至今未能大規模向我國轉移生產，這為我國企業的快速壯大提供了機遇。未來，含硫硅烷企業應抓住這一機遇，在穩定國內市場的同時，不斷拓展國外市場，加大出口力度，將我國含硫硅烷成本低、規模大、品種全的優勢持續釋放到全球市場中去。

 

含硫硅烷小結：

中國是全球輪胎生產強國。隨著人們安全和環保意識的增強，對輪胎的性能和品質也提出了更高的要求。綠色輪胎不僅是一個環保概念，它還包含了將輪胎工業從高投入、高消耗、高排放、低效益的外延式發展方式，轉變為低投入、低消耗、低排放、高效益的內涵式發展方式的深刻內涵。綠色輪胎是橡膠工業未來發展的重要方向，含硫硅烷作為綠色輪胎的靈魂材料，也將助力我國新能源汽車的發展。

 

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