轮胎是汽车上最重要的组成部件之一，它的作用主要体现在支持车辆的全部重量，承受负荷;传送牵引和制动的扭力，保证车轮与路面的附着力;减轻和吸收汽车在行驶时的震动和冲击力，防止汽车零部件受到剧烈震动和早期损坏。
聚氨酯轮胎的高强度、高承载、高回弹、高耐磨、高抗撕等性能是普通天然橡胶轮胎所不能比拟的。聚氨酯材料的化学结构保证了轮胎具有良好的稳定性。
1. 国内外厂家争先研发车用聚氨酯轮胎引关注
从20世纪50年代起，有不少轮胎制造商注资进行这方面的研究。但遗憾的是，聚氨酯轮胎在湿滑抓着性能、使用寿命或性能方面都不尽人意，无法与传统的橡胶轮胎媲美。
日前，美国固特异轮胎橡胶公司与艾美莱泰公司签定一项合作协议，旨在共同开发可以替代橡胶轮胎的新型聚氨酯轮胎。艾美莱泰是一家技术开发公司，在研制聚氨酯轮胎方面作了不少努力，取得了可喜的成绩，但也为此承受多达1200万元的财务亏损。据称，该公司已经研制出了一种新的胶料，试验数据显示，用这种胶料生产的聚氨酯轮胎，安全性能和使用性能可达到或超过橡胶轮胎。通过进一步的研究，还有望使胎面耐磨性、轮胎的磨损均匀性以及轮胎滚动阻力等指标获得进一步改善。固特异公司称，真正实现聚氨酯轮胎的商业化生产可能还需要几年的努力，但通过持续的开发研究，聚氨酯轮胎的前景无疑是美好的。
与普通橡胶相比，聚氨酯材料耐磨性好，用聚氨酯材料制造轮胎大多采用浇注工艺，比橡胶轮胎均匀性更好，而且不会出现胎面剥离现象。但由于聚氨酯材料熔点较低，所以很少用于制造高速轮胎。不过，最近艾美莱公司已研制出一种特殊的聚氨酯材料，克服了不耐热的缺点。这种材料由多元醇、二苯甲烷二异氰酸酯等成分组成，艾美莱公司已经为这种材料申请了专利，固特异公司已得到艾美莱公司允许，利用上述材料试制新一代聚氨酯轮胎。经试验证明，新产品在安全性、均匀性和耐磨性能上均比普通橡胶轮胎好，而且不易产生胎面剥离和爆胎。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将成为现实。
不久前，国内首家新型绿色聚氨酯复合轮胎正式投入生产，这种新型绿色轮胎采用绿色环保的聚氨酯材料做胎面，对人体无毒害作用，又能完全生物降解，还不必添加炭黑和芳烃油，既保持子午线轮胎滚动阻力小，安全性，舒适性高的优点，又保持聚氨酯弹性体特别耐磨和无污染的优点。这种复合轮胎，其行驶里程可比普通轮胎提高一至五倍，同时能消除大量的炭黑和芳烃油对环境的污染，大量减少废旧轮胎的数量。
2. 聚氨酯轮胎“绿色”材料脱颖而出
汽车工业是当今世界经济发展的支柱产业，进入21世纪以来，轮胎工业发展总的趋势仍然是进一步提高子午化、扁平化、无内胎化等。其中，人们对环保意识和节能意识越来越强烈，随着国家限制汽车燃料消耗的有关法规越来越严，各种低耗能轮胎———低滚动阻力轮胎相继问世。由于这种轮胎的能耗低，对环保极为有利，由此便产生绿色轮胎的概念。
在继续努力降低滚动阻力的同时，人们开始重视使用不污染环境的材料制造轮胎，而且努力延长轮胎的行驶里程，以减少废旧轮胎的数量。试验中的整体浇注型聚氨酯轮胎主要材料采用浇注型聚氨酯弹性体，这是目前最耐磨的弹性体，并且对人体无毒害，又能完全生物降解，还不必添加炭黑和一些有致癌作用的橡胶配合剂，是制造轮胎胎面的理想材料。将子午胎胎体与聚氨酯胎面组成复合轮胎，既能保持子午胎滚动阻力小，安全性、舒适性高的优点，又保持聚氨酯弹性体特别耐磨和无污染的优点。这种复合轮胎，其行驶里程比普通轮胎提高1～5倍，同时能消除部分橡胶配合剂对环境的污染，大量减少废旧轮胎的数量，其性能也提高了一个档次，对环境污染降到新的水平，成为新型绿色轮胎。
聚氨酯材料的化学结构保证了轮胎具有良好的稳定性。由于聚氨酯是一种完全反应的聚合物，其分子间都是通过化学键连接的，从而避免了被氧化或被其他化学品滤取的可能，从而在理论上延长了轮胎的寿命。聚氨酯轮胎的生产成本更低。通常，生产橡胶轮胎的过程很复杂，往往需要使用昂贵的设备，如密闭式混炼机、压光机、挤出机以及平板硫化机，而且其硫化过程周期长达30～40min。
聚氨酯轮胎的性能好。长久以来，通过原型工艺生产的聚氨酯轮胎在测试过程中总是存在着诸如抗湿滑、刹车时熔融等方面的问题。据介绍，使用Amerityre公司的配方生产的聚氨酯轮胎完全能够达到同橡胶轮胎一样的所有测试指标，甚至还超过橡胶轮胎所具有的性能值。
3. 聚氨酯轮胎的结构特点及花纹
全聚氨酯充气轮胎是由胎体、带束层和胎面3部分构成。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。
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;均匀性更好，且不会出现胎面剥离现象。
由于聚氨酯含有强极性氨基甲酸酯基团，调节配方中NCO/OH的比例，可以制得热固性聚氨酯和热塑性聚氨酯的不同产物，按其分子结构可分为线型和体型两种。体型结构中由于交联密度不同，可呈现硬质、软质或介乎两者之间的性能，具有高强度、高耐磨和耐溶剂等特点。根据所用原料的不同，可有不同性质的产品，一般为聚酯型和聚醚型两类，可用于制造塑料、橡胶、纤维、硬质和软质泡沫塑料、胶粘剂和涂料等。
聚氨酯轮胎胎面包括橡胶体，且胎面上设有花纹沟，橡胶体上面设有凹槽，聚氨酯弹性体位于凹槽内。胎面冠部磨耗面一部分面积是聚氨酯材料，另一部分为橡胶材料，两部分材料通过共交联结合成为一体。聚氨酯部分提高了轮胎胎面的耐磨性，橡胶部分保证了胎面的防滑性和制动性，综合性能优于单一的橡胶材料胎面和聚氨酯材料胎面，可通过复合挤出或浇注方式再与橡胶胎体共硫化等工艺制成轮胎。
聚氨酯轮胎的胎圈是轮胎安装在轮辋上的部分，由胎圈芯和胎圈包布组成，起固定轮胎作用。轮胎的规格以外胎外径D、胎圈内径或轮辋直径d、断面宽B及扁平比(轮胎断面高H/轮胎断面宽B)等尺寸加以表示，单位一般为英寸。胎踵是胎圈外侧与轮辋胎圈座圆角着合的部分；胎圈芯是由钢圈，三角胶条和胎圈芯包布制成的胎圈部分；钢丝圈是有镀铜钢丝缠绕成的刚性环，是将轮胎固定到轮辋上的主要部件；装配线是模压在胎侧与胎圈交接处的单环或多环胶棱，通常用以指示轮胎正确装配在轮辋上的标线。
斜交轮胎胎面与胎体之间的胶帘布层或胶层，不延伸到胎圈的中间材料层，用于缓冲外部冲击力，保护胎体，增进胎面与帘布层之间的粘合。子午线结构轮胎的缓冲层由于其作用不同，一般称为带束层。子午线轮胎胎面基部下，没胎冠中心线圆周方向箍紧胎体的材料层。
4. 聚氨酯微孔弹性体的原材料及合成原理
聚氨酯弹性体是一种既具有塑料的高硬度，又具有橡胶高弹性的高分子合成材料。基于优异的力学性能，有关厂家从20世纪60年代开始就进行了聚氨酯弹性体在轮胎中的应用研究。特别是浇注型聚氨酯弹性体是目前最耐磨的弹性体，具有可着色、高耐切割性、吸振、减震、负重容量非常大以及优良的耐油及耐化学品等优点，而且对人体无毒害作用，又能完全生物降解，还不必添加炭黑和芳烃油，是制造轮胎胎面的理想材料。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区别。
合成微孔弹性体的原材料包括多元醇、二异氰酸酯、扩链剂、催化剂、发泡剂、匀泡剂及其它添加剂。多元醇有聚酯多元醇和聚醚多元醇等;其它助剂包括阻燃剂、抗氧剂和着色剂等。
聚氨酯微孔弹性体的合成要历经下列反应:一是聚氨酯大分子的生成(链增长)：多官能度(尤以二官能度为主)的异氰酸酯和聚酯或聚醚醇发生聚加成反应生成聚氨酯大分子，通过控制NCO/OH摩尔比，使生成的聚氨酯大分子两个末端均为异氰酸酯基团；二是起泡：通过向反应体系中添加水，借助水与聚氨酯大分子的异氰酸酯基反应，产生大量的二氧化碳气体，达到起泡的目的。也可以通过添加低沸点卤代烃，使之受热气化，达到起泡的目的。三是胶凝：胶凝又称交联固化，它在制备发泡制品中是非常重要的反应，胶凝过早或过晚都将导致微孔制品质量下降，甚至造成废品。
聚氨酯微孔弹性体实心轮胎有非增强型和增强型两种，前者为轻载型(如自行车轮胎等)，后者为重载型(如叉车轮胎、电动车轮胎和拖拉机轮胎等)。非增强型仅由微孔弹性体构成，增强型由弹性体、增强材料和钢丝圈构成。聚氨酯微孔弹性体实心轮胎的弹性体部分，根据各部位的作用及结构不同可分为胎面、胎侧和胎芯几部分。聚氨酯微孔弹性体实心轮胎的胎面，是一层密度与无孔聚氨酯弹性体十分接近的微孔弹性体层，其作用和传统轮胎胎面完全相同，只是它的耐磨性、耐切割性、抗撕裂性更佳，其厚度由轮胎规格、胶料配方、轮胎模具及离心机的旋转速度等多方面因素决定。聚氨酯微孔弹性体实心轮胎的侧面类似于传统轮胎的胎侧，是密度和无孔聚氨酯弹性体相近的微孔弹性体结皮层，这一层具有良好的抗形变能力和耐屈挠性，其厚度由轮胎加工工艺、胶料配方决定。聚氨酯微孔弹性体实心轮胎的胎芯是由自外向内密度逐渐减小的微孔聚氨酯材料组成的，这种密度均匀变化的芯部结构，一方面可以保证轮胎具有足够的负荷能力，另一方面可以保证轮胎具有良好的动态性能。
聚氨酯微孔弹性体实心轮胎，虽然无需充气，但是仅靠弹性体本身的性能是不能满足高负荷轮胎使用要求的，必须进行必要的增强。通过增强，一方面可以保证轮胎长期使用后外形尺寸不发生很大变化，另一方面可以使轮胎的强度和承载能力大大提高。增强层分为径向增强层和周向冠部增强层。径向增强层可以采用高强度钢丝，利用一定设备，绕制成螺旋状;周向冠部增强层可以采用尼龙帘线、芳纶帘线、聚酯帘线或钢丝帘线，编织成环带结构。为了保证微孔弹性体实心轮胎和轮辋紧密着合，必须将钢丝圈埋入轮胎内部靠近轮辋的部位，钢丝圈穿过并固定于径向增强层上。钢丝圈的数量视轮胎规格而定，但为了防止使用过程中车厢侧壁瞬时过载时轮胎发生侧滑，钢丝圈数量应适当增加，其断面形状可以为方形、圆形或其它形状。
5. 聚氨酯轮胎的研发及市场前景
橡胶轮胎在使用过程中暴露出使用寿命短、耐磨性和抗撕裂强度较差等缺点，尤其是载重汽车轮胎，因负重能力有限，经常导致爆胎现象的发生。此外，橡胶轮胎在使用过程中会产生很多废料，报废后回收再利用难度很大，容易造成环境污染。与此相反，由于采用低密度的弹性材料，浇注轮胎的设备投资少，工艺过程简单，生产过程中出现的问题相对较少，轮胎重量可以减轻25%，浇注轮胎的行驶温度也较低，此外，浇注材料还可重复利用，可谓一举多得。
聚氨酯轮胎的研制基于聚氨酯弹性体特殊的耐磨性能及其优良的力学性能，从20世纪60年代开始就进行了聚氨酯弹性体在轮胎中的应用研究。特别是在1975年，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。
车辆行驶时，轮胎各部分受力较为复杂：在垂直方向有垂直反力，切线方向有纵向和横向反力， 使轮胎在这些方向存在整体或局部的相对滑移，引起胎面磨损及变形;在胎体内部产生拉伸、压缩而引起材料疲劳，从而降低强度;在帘布层之间产生剪应力，当此应力超过帘布层与橡胶层间的吸附力时，就会出现帘线松散现象;在轮胎变形中，外胎与内胎之间也会发生摩擦生热，一部分热量散发在空气中，另一部分热量积累起来，导致轮胎温度升高、性能下降，使轮胎非正常磨 损增加，引起帘线松散、折断及胎体破裂等现象。
随着车速的提高，胎面与路面间积水来不及排除便会在两面间形成水膜，将轮胎慢慢托起，在一定条件下甚至完全离开路面，使汽车完全丧失操纵性，这种现象被称之为轮胎“滑水现象”。影响滑水临界速度的因素较多，但其中轮胎花纹型式和深信芭为主要因素之一，经常在高速公路上行驶的轿车，在有条件的情况下，应尽量选择抗滑水轮胎。聚氨酯轮胎花纹的优点就是增加胎面与路面间的摩擦力，以防止车轮打滑，这与鞋底花纹的作用如出一辙。聚氨酯轮胎花纹提高了胎面接地弹性，在胎面和路面间切向力的作用下，花纹块能产生较大的切向弹性变形.切向力增加，切向变形随之增大，接触面的“摩擦作用”也就随之增强，进而抑制了胎面与路面打滑或打滑趋势。这在很大程度上消除了无花纹(光胎面)轮胎易打滑的弊病，使得与轮胎和路面间磨擦性能有关的汽车性能--动力性、制动性、转向操纵性和行驶安全性的正常发挥有了可靠的保障。聚氨酯轮胎两个钢丝圈采用不同的内径，以保证钢丝圈底部材料压缩因数基本一致，防止钢丝圈受力不均。胎圈包布采用双层锦纶网眼布，胎圈底部倾斜角比轮辋倾斜角大1°，以提高胎圈与轮辋配合的紧密程度。轮胎性能要求、环境问题和性价比将决定未来的材料要求。为了面对巨大的轮胎损耗带来的环境危害问题，未来轮胎橡胶材料的发展将一方面集中在热塑性聚合物的开发上，也就是使这些聚合物可以回收，利用热处理、分离、和通过辐射或加入添加剂到橡胶化合物（这种橡胶化合物可被辐射激活）等手段使之生物降解。另一方面轮胎集中在有机聚合物的发展上。
具有星形支化结构的溶液聚合丁苯橡胶，α-甲基苯乙烯等级的丁苯橡胶和高苯乙烯含量的乳聚丁苯橡胶正在取代传统的丁苯橡胶等级。基于钕催化剂的丁基橡胶，环氧化的天然橡胶和合成异戊二烯橡胶作为天然橡胶的替代品，用于一般的用途，它们能够持续流行使用的原因各不相同。固体橡胶中聚氨酯的使用，加入用茂金属催化剂“INSITE”催化技术制成的的改进型填料后，三元乙丙橡胶的使用，还有就是越来越流行将溴丁基取代氯基等等都是其他聚酯方面主要的进展，这些进展都是为了满足日益增长的性能要求期望。在增韧材料中，制作商感兴趣的进展有：为改进轮胎耐久性的使用的双二倍体聚酯，为改进轮胎中接合性而开发的等离子处理人造丝，更多使用芳香尼龙纤维作为传带，还有开始使用聚乙烯基萘。其他受关注的开发领域有：为改进橡胶与金属的粘合性而新引入的钢丝尺寸和为改进橡胶与金属的连接性而引入的新的钢丝涂层配方。在增韧材料里面一个最大的突破就是纳米纤维的开发，纳米纤维能够排列在聚合物网络中，这样聚合物强度大大增加。这可以降低资金设备的要求还可以解决回收利用的问题。像在高分子结构中加入结晶部分这样的分子构筑，可以增韧柔性的无定性相，这样的轮胎中可以不需要加入纤维增韧剂。
6. 结束语
全球汽车保有量的增加，轮胎需求量也呈不断扩大之势，而通过橡胶树提取天然橡胶的做法很有可能在日后无法满足日益增大的轮胎需求量。如何获取更加宽广的天然橡胶提取渠道成为日益被重视的问题，为了寻找全新的天然橡胶资源，以替代目前在轮胎主要原料中占很大比例、产自橡胶树的天然橡胶，不少轮胎企业已经开始着手开展相应的研发工作。聚氨酯材料作为新源替代的方向之一，国内外轮胎厂家已经都在争先展开研发工作，相信不久的将来，汽车轮胎就将迎来一个崭新的时代。
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