Brevet FR3069190A1 — publié le 20190125

- 1 - PNEUMATIQUE PRESENTANT DES PROPRIETES D'USURE ET DE RESISTANCE AU ROULEMENT AlVIELIOREES [0001] La présente invention concerne un pneumatique, à armature de carcasse radiale et plus particulièrement un pneumatique destiné à équiper des véhicules portant de lourdes charges et roulant à vitesse soutenue, tels que, par exemple les camions, tracteurs, remorques ou bus routiers. [0002] D'une manière générale dans les pneumatiques de type poids-lourds, l'armature de carcasse est ancrée de part et d'autre dans la zone du bourrelet et est surmontée radialement par une armature de sommet constituée d'au moins deux couches, superposées et formées de fils ou câbles parallèles dans chaque couche et croisés d'une couche à la suivante en faisant avec la direction circonférentielle des angles compris entre 100 et 450 . Lesdites couches de travail, formant l'armature de travail, peuvent encore être recouvertes d'au moins une couche dite de protection et formée d'éléments de renforcement avantageusement métalliques et extensibles, dits élastiques. Elle peut également comprendre une couche de fils ou câbles métalliques à faible extensibilité faisant avec la direction circonférentielle un angle compris entre 45° et 90°, cette nappe, dite de triangulation, étant radialement située entre l'armature de carcasse et la première nappe de sommet dite de travail, formées de fils ou câbles parallèles présentant des angles au plus égaux à 45° en valeur absolue. La nappe de triangulation forme avec au moins ladite nappe de travail une armature triangulée, qui présente, sous les différentes contraintes qu'elle subit, peu de déformations, la nappe de triangulation ayant pour rôle essentiel de reprendre les efforts de compression transversale dont est l'objet l'ensemble des éléments de renforcement dans la zone du sommet du pneumatique. [0003] Radialement à l'extérieur de l'armature de sommet, on trouve la bande de roulement habituellement constituée de matériaux polymériques destinés à venir au contact du sol dans l'aire de contact entre le sol et le pneumatique. -2- 100041 Des câbles sont dits inextensibles lorsque lesdits câbles présentent sous une force de traction égale à 10% de la force de rupture un allongement relatif au plus égal à 0,2%. [0005] Des câbles sont dits élastiques lorsque lesdits câbles présentent sous une force 5 de traction égale à la charge de rupture un allongement relatif au moins égal à 3% avec un module tangent maximum inférieur à 150 GPa. [0006] Des éléments de renforcement circonférentiels sont des éléments de renforcement qui font avec la direction circonférentielle des angles compris dans l'intervalle + 2,5°, - 2,5° autour de 0°. 10 [0007] La direction circonférentielle du pneumatique, ou direction longitudinale, est la direction correspondant à la périphérie du pneumatique et définie par la direction de roulement du pneumatique. [0008] La direction transversale ou axiale du pneumatique est parallèle à l'axe de rotation du pneumatique. 15 [0009] La direction radiale est une direction coupant l'axe de rotation du pneumatique et perpendiculaire à celui-ci. [0010] L'axe de rotation du pneumatique est l'axe autour duquel il tourne en utilisation normale. [0011] Un plan radial ou méridien est un plan qui contient l'axe de rotation du 20 pneumatique. [0012] Le plan médian circonférentiel, ou plan équatorial, est un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du pneu et qui divise le pneumatique en deux moitiés. [0013] Certains pneumatiques actuels, dits "routiers", sont destinés à rouler à grande vitesse et sur des trajets de plus en plus longs, du fait de l'amélioration du réseau routier et 25 de la croissance du réseau autoroutier dans le monde. L'ensemble des conditions, sous lesquelles un tel pneumatique est appelé à rouler, permet sans aucun doute un accroissement - 3 - du nombre de kilomètres parcourus, l'usure du pneumatique étant moindre ; par contre l'endurance de ce dernier et en particulier de l'armature de sommet est pénalisée. [0014] Il existe en effet des contraintes au niveau de l'armature de sommet et plus particulièrement des contraintes de cisaillement entre les couches de sommet, alliées à une 5 élévation non négligeable de la température de fonctionnement au niveau des extrémités de la couche de sommet axialement la plus courte, qui ont pour conséquence l'apparition et la propagation de fissures de la gomme au niveau desdites extrémités. [0015] Pour limiter des élévations de température trop importantes au niveau du sommet du pneumatique, les matériaux constitutifs de la bande de roulement sont 10 avantageusement choisis avec des pertes hystérétiques adaptées aux conditions de fonctionnement du pneumatique. [0016] Par ailleurs, afin d'améliorer l'endurance de l'armature de sommet du type de pneumatique étudié, des solutions relatives à la structure et qualité des couches et/ou profilés de mélanges caoutchouteux qui sont disposés entre et/ou autour des extrémités de 15 nappes et plus particulièrement des extrémités de la nappe axialement la plus courte ont déjà été apportées. [0017] Le brevet FR 1 389 428, pour améliorer la résistance à la dégradation des mélanges de caoutchouc situés au voisinage des bords d'armature de sommet, préconise l'utilisation, en combinaison avec une bande de roulement de faible hystérésis, d'un profilé 20 de caoutchouc couvrant au moins les côtés et les bords marginaux de l'armature de sommet et constitué d'un mélange caoutchouteux à faible hystérésis. [0018] Le brevet FR 2 222 232, pour éviter les séparations entre nappes d'armature de sommet, enseigne d'enrober les extrémités de l'armature dans un matelas de caoutchouc, dont la dureté Shore A est différente de celle de la bande de roulement surmontant ladite 25 armature, et plus grande que la dureté Shore A du profilé de mélange caoutchouteux disposé entre les bords de nappes d'armature de sommet et armature de carcasse. [0019] La demande française FR 2 728 510 propose de disposer, d'une part entre l'armature de carcasse et la nappe de travail d'armature de sommet, radialement la plus proche de l'axe de rotation, une nappe axialement continue, formée de câbles métalliques - 4 - inextensibles faisant avec la direction circonférentielle un angle au moins égal à 60°, et dont la largeur axiale est au moins égale à la largeur axiale de la nappe de sommet de travail la plus courte, et d'autre part entre les deux nappes de sommet de travail une nappe additionnelle formée d'éléments métalliques, orientés sensiblement parallèlement à la 5 direction circonférentielle. [0020] La demande française WO 99/24269 propose encore, de part et d'autre du plan équatorial et dans le prolongement axial immédiat de la nappe additionnelle d'éléments de renforcement sensiblement parallèles à la direction circonférentielle, de coupler, sur une certaine distance axiale, les deux nappes de sommet de travail formées d'éléments de 10 renforcement croisés d'une nappe à la suivante pour ensuite les découpler par des profilés de mélange de caoutchouc au moins sur le restant de la largeur commune aux dites deux nappes de travail. [0021] La couche d'éléments de renforcement circonférentiels est usuellement constituée par au moins un câble métallique enroulé pour former une spire dont l'angle de 15 pose par rapport à la direction circonférentielle est inférieur à 2.5°. [0022] Cette amélioration de l'endurance des pneumatiques permet d'envisager au moins la possibilité d'un rechapage lorsque la bande de roulement est usée. En effet, lorsqu'il est souhaité faire un rechapage du pneumatique après usure de la bande de roulement, il faut être en mesure de rechaper un pneumatique dont le vieillissement n'est 20 pas trop avancé afin d'optimiser l'utilisation de la nouvelle bande de roulement. [0023] Afin d'augmenter encore la durée de vie des pneumatiques, il est usuelle de choisir des matériaux polymériques constitutifs de la bande de roulement présentant des propriétés de résistance en usure améliorées. De tels matériaux pénalisant le plus souvent les propriétés hystérétiques, il est encore connu de réaliser la bande de roulement d'un 25 pneumatique par une superposition radiale de deux matériaux différents pour obtenir un compromis des propriétés d'usure et d'hystérèse satisfaisant pour les applications envisagées. [0024] De tels pneumatiques sont par exemple décrits dans le document US 6,247,512. Ce document décrit la superposition de deux couches de matériaux pour former la bande de - 5 - roulement, le matériau externe venant au contact du sol étant notamment plus performant en termes d'usure alors que le matériau interne présente des propriétés hystérétiques permettant de limiter les montées en température du pneumatique dans la zone du sommet. [0025] Des pneumatiques ainsi réalisés sont tout à fait satisfaisants pour les 5 applications routières précitées. Pour assurer la possibilité d'effectuer un rechapage, il est toutefois recommandé d'éviter une dégradation trop importante du matériau interne, celui-ci présentant une usure relativement rapide comparée à celle du matériau externe, pour ne pas risquer un endommagement de l'armature du pneumatique. [0026] En conséquence, l'utilisation de la bande de roulement de tels pneumatiques ne 10 peut pas être totalement optimisée au risque de compromettre les possibilités de rechapage du pneumatique. [0027] Les inventeurs se sont ainsi donnés pour mission d'être en mesure de fournir des pneumatiques autorisant une distance de roulage toujours plus importante avant d'envisager un rechapage, les propriétés d'usure étant conservées ou améliorées quel que soit l'usage, 15 tout en procurant des propriétés de résistance au roulement améliorées. [0028] Ce but est atteint selon l'invention par un pneumatique à armature de carcasse radiale comprenant une armature de sommet, elle-même coiffée radialement d'une bande de roulement, ladite bande de roulement étant réunie à deux bourrelets par l'intermédiaire de deux flancs, l'armature de sommet comportant au moins une couche d'éléments de 20 renforcement circonférentiels, ladite bande de roulement comportant au moins une couche de mélange polymérique formant une surface de roulement destinée à venir en contact avec une chaussée et former une surface de contact, le rapport de la valeur maximale de tan(), noté tan()max, mesurée à 60 °C sur le cycle aller, de ladite couche de mélange polymérique formant la surface de roulement sur le module complexe de cisaillement 25 dynamique G*, mesuré à 25% et 60 °C sur le cycle aller de ladite couche de mélange polymérique formant la surface de roulement étant inférieur à 0.065 et le produit du module complexe de cisaillement dynamique G*, mesuré à 25% et 60 °C sur le cycle aller de ladite couche de mélange polymérique formant la surface de roulement par la valeur de déformation à rupture en élongation de ladite couche de mélange polymérique formant la surface de roulement étant supérieure ou égale à 1280 MPa.%. -6- 100291 Le facteur de perte tan() est une propriété dynamique de la couche de mélange caoutchouteux. Il est mesuré sur un viscoanalyseur (Metravib VA4000), selon la norme ASTM D 5992-96. On enregistre la réponse d'un échantillon de composition vulcanisée (éprouvette cylindrique de 2 mm d'épaisseur et de 78 mm2 de section), soumis à une 5 sollicitation sinusoïdale en cisaillement simple alterné, à la fréquence de 10Hz, à une température de 60°C. On effectue un balayage en amplitude de déformation de 0,1 à 100% (cycle aller), puis de 100% à 1% (cycle retour). Les résultats exploités sont le module complexe de cisaillement dynamique (G*) et le facteur de perte tan() mesuré sur le cycle aller. Pour le cycle aller, on indique la valeur maximale de tan() observée, noté tan(). 10 [0030] La valeur de déformation à rupture en élongation est déterminée sur une mesure de traction. Les essais de traction permettent de déterminer les contraintes d'élasticité et les propriétés à la rupture. Ils sont effectués selon la norme française NF T 46-002 de septembre 1988. Toutes ces mesures de traction sont effectuées à 60°C, et dans des conditions normales d'hygrométrie (50±10% d'humidité relative). Les allongements à la 15 rupture sont exprimés en pourcentage. [0031] Les essais réalisés ont montré que les pneumatiques selon l'invention présentent des performances d'usure et d'endurance satisfaisantes quelles que soient les conditions d'utilisation des pneumatiques. [0032] Les inventeurs ont en effet su mettre en évidence qu'en comparaison avec des 20 mélanges plus usuels pour obtenir une bande de roulement présentant de faibles pertes hystérétiques, la vitesse d'usure de la couche de la bande de roulement, formant la surface de contact, selon l'invention est considérablement améliorée. Le rapport de la valeur maximale de tan(), noté tan()max, mesurée à 60 °C sur le cycle aller sur le module complexe de cisaillement dynamique G*, mesuré à 25% et 60 °C sur le cycle aller inférieur à 25 0.065 associé au produit du module complexe de cisaillement dynamique G*, mesuré à 25% et 60 °C sur le cycle aller de ladite couche de mélange polymérique formant la surface de roulement par la valeur de déformation à rupture en élongation supérieure ou égale à 1280 MPA.% confère en association avec des performances en résistance au roulement élevées et des performances d'endurance satisfaisantes du pneumatique, des performances en terme 30 d'usure également satisfaisantes. Les mélanges selon l'invention sont notamment favorables - 7 - pour résister aux agressions que subit un pneumatique en roulage et pour minimiser les vitesses d'usure en comparaison de mélanges plus usuels. [0033] Par contre, des mélanges présentant de telles propriétés de rigidité et de pertes hystérétiques sont connus pour conduire lors de l'usage des pneumatiques à une altération 5 des performances du pneumatique en termes d'usure et notamment de régularité d'usure. [0034] Les inventeurs pensent interpréter les résultats obtenus avec les pneumatiques selon l'invention par la présence de la couche d'éléments de renforcement circonférentiels qui semble pouvoir diminuer voire éviter ces irrégularités d'usure qui apparaissent notamment entre le centre de la bande de roulement et les bords du pneumatique. 10 [0035] De manière très surprenante, la couche d'éléments de renforcement circonférentiels, qui est usuellement présente pour limiter des effets de cisaillement entre les couches de sommet de travail, semble permettre de compenser les effets liés aux propriétés de rigidité et de pertes hystérétiques du mélange constituant la bande de roulement sur la régularité d'usure de ladite bande de roulement lors des roulages. 15 [0036] Avantageusement selon l'invention, la valeur maximale de tan(), noté tan()max, mesurée à 60 °C sur le cycle aller, de ladite couche de mélange polymérique formant la surface de roulement est inférieure ou égale à 0.14. [0037] Ces valeurs de tan()max de la couche de mélange polymérique limitent les montées en température des mélanges et favorisent ainsi l'endurance du pneumatique. Ces 20 valeurs favorisent encore les propriétés de résistance au roulement du pneumatique. [0038] Avantageusement encore selon l'invention, le module complexe de cisaillement dynamique G*, mesuré à 25% et 60 °C sur le cycle aller de ladite couche de mélange polymérique formant la surface de roulement est supérieure ou égal à 2. De telles valeurs caractérisent la rigidité des mélanges et ainsi favorisent les propriétés d'usure de la bande 25 roulement. [0039] Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ladite couche formant la surface de roulement est un mélange élastomérique à base de caoutchouc naturel ou de polyisoprène synthétique à majorité d'enchaînements cis-1,4 et éventuellement d'au moins - 8 - un autre élastomère diénique, le caoutchouc naturel ou le polyisoprène synthétique en cas de coupage étant présent à un taux majoritaire par rapport au taux de l'autre ou des autres élastomères diéniques utilisés et d'une charge renforçante constituée majoritairement d'une silice spécifique, avec un taux exprimé en pce (parties en poids pour cent parties 5 d'élastomères) supérieur à 40 et un taux de charge global exprimé en pce supérieur à 50, qui présente les caractéristiques suivantes : (a) une surface spécifique BET entre 200 et 240 et de préférence entre 210 et 230 m2/g, (b) une surface spécifique CTAB entre 180 et 220 et de préférence entre 190 et 210 m2/g, (c) une taille moyenne (en masse) de particules, notée dw, de 45 à 75 nm. 10 [0040] La surface spécifique ("aire massique") BET est déterminée par adsorption de gaz à l'aide de la méthode de Brunauer-Emmett-Teller décrite dans "The Journal of the American Chemical Society" Vol. 60, page 309, février 1938), plus précisément selon la norme française NF ISO 9277 de décembre 1996 [méthode volumétrique multipoints (5 points) - gaz: azote - dégazage : lheure à 160°C - domaine de pression relative p/po : 0.05 à 15 0.17] [0041] La surface spécifique CTAB est la surface externe déterminée selon la norme française NF T 45-007 de novembre 1987 (méthode B). [0042] La taille moyenne (en masse) des particules, notée dw, est mesurée de manière classique après dispersion, par désagglomération aux ultrasons, de la charge à analyser dans 20 l'eau. [0043] La mesure est réalisée au moyen d'un sédimentomètre centrifuge à détection rayons X type "XDC" ("X-rays Disk Centrifuge"), commercialisé par la société Brookhaven Instruments, selon le mode opératoire qui suit. [0044] On réalise une suspension de 3,2 g d'échantillon de silice à analyser dans 40 ml 25 d'eau, par action durant 8 minutes, à 60% de puissance (60% de la position maxi du "output control"), d'une sonde ultrasons de 1500 W (sonificateur Vibracell 3/4 pouce commercialisé par la société Bioblock) ; après sonification, on introduit 15 ml de la suspension dans le 5 - 9 - disque en rotation ; après sédimentation pendant 120 minutes, la distribution en masse des tailles de particules est calculée par le logiciel du sédimentomètre "XDC". La moyenne géométrique en masse des tailles de particules ("géométrie mean (Xg)" selon l'appellation du logiciel), notée dw, est calculée par le logiciel à partir de l'équation suivante : Erni log di log dw = Emi i.1 avec mi masse de l'ensemble des objets dans la classe de diamètre di. [0045] Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la silice spécifique présente encore au moins l'une des caractéristiques suivantes, de préférence deux et plus préférentiellement les trois : 10 (d) une distribution de taille de particules telle que dw > (16 500 / CTAB) - 30, (e) une porosité vérifiant le critère L / IF > -0,0025 CTAB + 0,85, (f) un taux de silanols par unité de surface, noté Nsion/nm2, tel que Nsion/nm2 REVENDICATIONS1 - Pneumatique à armature de carcasse radiale comprenant une armature de sommet, elle-même coiffée radialement d'une bande de roulement, ladite bande de roulement étant réunie à deux bourrelets par l'intermédiaire de deux flancs, l'armature de sommet comportant au moins une couche d'éléments de renforcement circonférentiels, ladite bande de roulement comportant au moins une couche de mélange polymérique formant une surface de roulement destinée à venir en contact avec une chaussée et former une surface de contact, caractérisé en ce que le rapport de la valeur maximale de tan(), noté tan(5)max, mesurée à 60 °C sur le cycle aller, de ladite couche de mélange polymérique formant la surface de roulement sur le module complexe de cisaillement dynamique G*, mesuré à 25% et 60 °C sur le cycle aller de ladite au moins une couche de mélange polymérique formant la surface de roulement est inférieur à 0.065 et en ce que le produit du module complexe de cisaillement dynamique G*, mesuré à 25% et 60 °C sur le cycle aller de ladite couche de mélange polymérique formant la surface de roulement par la valeur de déformation à rupture en élongation de ladite couche de mélange polymérique formant la surface de roulement étant supérieure ou égale à 1280 MPa.%. 2 - Pneumatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur maximale de tan(), noté tan(8)max, mesurée à 60 °C sur le cycle aller, de ladite couche de mélange polymérique formant la surface de roulement est inférieure ou égale à 0.14. 3 - Pneumatique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module 20 complexe de cisaillement dynamique G*, mesuré à 25% et 60 °C sur le cycle aller de ladite couche de mélange polymérique formant la surface de roulement est supérieure ou égal à 2. 4 - Pneumatique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche formant la surface de roulement est un mélange élastomérique à base de caoutchouc naturel ou de polyisoprène synthétique à majorité d'enchaînements cis-1,4 et éventuellement 25 d'au moins un autre élastomère diénique, le caoutchouc naturel ou le polyisoprène synthétique en cas de coupage étant présent à un taux majoritaire par rapport au taux de l'autre ou des autres élastomères diéniques utilisés et d'une charge renforçante constituée majoritairement d'une silice spécifique, avec un taux exprimé en pce (parties en poids pour cent parties - 24 - d'élastomères) supérieur à 40 et un taux de charge global exprimé en pce supérieur à 50, qui présente les caractéristiques suivantes : (a) une surface spécifique BET entre 200 et 240 et de préférence entre 210 et 230 m2/g, (b) une surface spécifique CTAB entre 180 et 220 et de préférence entre 190 et 210 m2/g, 5 (c) une taille moyenne (en masse) de particules, notée dw, de 45 à 75 nm. 5 - Pneumatique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la silice spécifique présente encore au moins l'une des caractéristiques suivantes, de préférence deux et plus préférentiellement les trois : (d) une distribution de taille de particules telle que dw > (16 500 / CTAB) - 30, 10 (e) une porosité vérifiant le critère L /1F > -0,0025 CTAB + 0,85, (0 un taux de silanols par unité de surface, noté Ns,0H/nm2, tel que Nsio11inm2 6 - Pneumatique selon l'une des revendications précédentes, l'armature sommet étant constituée d'au moins deux couches d'éléments de renforcement, caractérisé en ce que ladite 15 au moins une couche d'éléments de renforcement circonférentiels est radialement disposée entre deux couches de sommet de travail. 7 - Pneumatique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les largeurs axiales des couches de sommet de travail radialement adjacentes à la couche d'éléments de renforcement circonférentiels sont supérieures à la largeur axiale de ladite couche d'éléments de renforcement circonférentiels. 8 - Pneumatique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les couches de sommet de travail adjacentes à la couche d'éléments de renforcement circonférentiels sont de part et d'autre du plan équatorial et dans le prolongement axial immédiat de la couche d'éléments de renforcement circonférentiels couplées sur une largeur axiale, pour être ensuite découplées par des profilés de mélange de caoutchouc au moins sur le restant de la largeur commune aux dites deux couches de travail. - 25 - 9 - Pneumatique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'armature de sommet est formée d'au moins deux couches de sommet de travail d'éléments de renforcement, de préférence inextensibles, croisés d'une couche à l'autre en faisant avec la direction circonférentielle des angles compris entre 100 et 45°. 5 10 - Pneumatique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments de renforcement d'au moins une couche d'éléments de renforcement circonférentiels sont des éléments de renforcement métalliques présentant un module sécant à 0,7 % d'allongement compris entre 10 et 120 GPa et un module tangent maximum inférieur à 150 GPa. 10 11 - Pneumatique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'armature de sommet est complétée radialement à l'extérieur par au moins une nappe supplémentaire, dite de protection, d'éléments de renforcement dits élastiques, orientés par rapport à la direction circonférentielle avec un angle compris entre 10° et 450 et de même sens que l'angle formé par les éléments inextensibles de la nappe de travail qui lui est radialement adjacente. 15 12 - Pneumatique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'armature de sommet comporte en outre une couche de triangulation formée d'éléments de renforcement métalliques faisant avec la direction circonférentielle des angles supérieurs à 45°.