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CN104837649A - 包含短纤纱的加强结构 - Google Patents

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CN104837649A
CN104837649A CN201380063246.7A CN201380063246A CN104837649A CN 104837649 A CN104837649 A CN 104837649A CN 201380063246 A CN201380063246 A CN 201380063246A CN 104837649 A CN104837649 A CN 104837649A
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CN
China
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yarn
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tire
parts
spun yarn
Prior art date
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Application number
CN201380063246.7A
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English (en)
Inventor
D.G.安比格
M.C.麦内尔
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EIDP Inc
Original Assignee
EI Du Pont de Nemours and Co
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Publication date
Application filed by EI Du Pont de Nemours and Co filed Critical EI Du Pont de Nemours and Co
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Abstract

本发明涉及一种轮胎、传输软管、液压式软管、传送带或动力传动带，其包括结构纤维增强部件，所述部件还包括短纤纱，所述短纤纱具有对应于17/1至10/5的棉纱支数的线密度。

Description

包含短纤纱的加强结构
背景技术
1.技术领域
本发明涉及用于轮胎或弹性体带或软管中的结构纤维增强部件。
2.相关领域的说明
减少轮胎噪音是轮胎工业的持续目标。大部分轮胎包括掺杂连续长丝纱的部件以提供结构增强。短纤纱可提供轮胎部件，所述轮胎部件具有较低刚度和较高减震特性，两者均是减少轮胎噪音所期望的特征。
发明内容
本发明涉及一种轮胎、传输软管、液压式软管、传送带或动力传动带，其包括结构纤维增强部件，所述部件还包括短纤纱，所述短纤纱具有对应于17/1至10/5的棉纱支数的线密度。
具体实施方式
所谓短纤纱是指由切割长丝或纱(短纱)在棉、毛纺、精纺或类似纺丝机上生产的纤维，所述切割长丝或纱通常具有约10mm至300mm的长度。在一些应用中，切割长丝或纱具有为约10mm至150mm的切割长度。纺丝短纤维通常通过加捻而在纱中结合在一起。优选的纺丝技术为环锭纺纱、转子纺丝、喷气纺丝或摩擦纺丝。此类短纤纱及其制备方法是纺织工业中所熟知的。
出于本文的目的，术语“长丝”被定义为相对柔韧、宏观上均匀的主体，所述主体在垂直于其长度的整个横截面上具有高长宽比。长丝横截面可以是任何形状，但是通常是圆形或豆形。本文中，术语“纤维”与术语“长丝”互换使用。可将多根长丝合并在一起以形成复丝。
在一些实施例中，所述短纤纱具有对应于17/1至10/5的棉纱支数的线密度。在一些其它实施例中，所述纱具有对应于10/2至10/4的棉纱支数的线密度。在一些实施例中，所述短纤纱包含相同的纤维。
在一些实施例中，所述短纤纱呈单纱的形式，所述单纱包含纤维的共混物。单纱是纺织领域中熟知的术语。
在一些其它实施例中，短纤纱为纱的共混物，所述纱被加捻在一起以形成合并纱。包括合并纱的单根纱本身可被加捻。
在一些其它实施例中，短纤纱为皮-芯型纱，其包含在所述芯中的至少一种连续长丝和在所述皮中的短纤纱。所述芯的连续长丝可以为聚合物、无机材料、天然纤维或金属。适用于连续长丝的聚合物为芳族聚酰胺、芳族共聚酰胺、脂族聚酰胺、聚酯、人造丝、变性腈纶、聚烯烃、丙烯酸类纤维、聚唑、液晶聚合物或聚乳酸(PLA)。合适的无机纤维包括碳或玻璃。天然纤维包括基于纤维素的那些。优选的金属长丝或股线为钢。
短纤纱组合物
在此所述的相同材料还可用作前述皮-芯纤维的芯中的连续长丝部件。
适用于短纤纱的纤维为芳族聚酰胺、芳族共聚酰胺、脂族聚酰胺、聚酯、人造丝、变性腈纶、聚烯烃、丙烯酸类纤维、聚唑、液晶聚合物或聚乳酸。合适的无机纤维包括碳或玻璃。合适的天然纤维为纤维素诸如莱赛尔纤维或人造丝。一些纤维可以呈纳米管的形式。单壁和多壁纳米管两者均是合适的。
优选的芳族聚酰胺为对位芳族聚酰胺。术语“芳族聚酰胺”是指其中至少85％的酰胺键(-CONH-)直接附接到两个芳族环的聚酰胺。合适的芳族聚酰胺纤维包括全部均购自Teijin Aramid的 购自Kolon Industries Inc.的HeraconTM或者购自E.I.du Pont deNemours and Company，Wilmington DE(DuPont)的芳族聚酰胺纤维在Man-Made Fibres-Science and Technology第2卷(IntersciencePublishers，1968年)的标题为“Fibre-Forming Aromatic Polyamides”的章节中(第297页，W.Black等人)有所描述。芳族聚酰胺纤维及其制备也公开于美国专利3,767,756；4,172,938；3,869,429；3,869,430；3,819,587；3,673,143；3,354,127；和3,094,511中。
一种优选的对位芳族聚酰胺是被称为PPD-T的聚(对苯二甲酰对苯二胺)。所谓PPD-T是指由对苯二胺和对苯二甲酰氯的等摩尔比聚合反应产生的均聚物，以及由少量其它二胺与对苯二胺结合、和少量其它二酰氯与对苯二甲酰氯结合产生的共聚物。作为一般原则，其它二胺和其它二酰氯可按至多多达约10摩尔％的对苯二胺或对苯二甲酰氯，或可能略高的量使用，唯一的前提条件是其它二胺和二酰氯不含干扰聚合反应的活性基团。PPD-T还指由其它芳族二胺和其它芳族二酰氯结合产生的共聚物，所述芳族二酰氯诸如，例如2，6-萘亚甲基酰氯或氯或二氯对苯二甲酰氯、或3，4’-二氨基二苯醚。
添加剂可与芳族聚酰胺一起使用，并且已发现，按重量计至多多达10％或更多的其它聚合物材料可与芳族聚酰胺共混。可使用其中多达10％或更多的取代芳族聚酰胺的二胺的其它二胺或其中多达10％或更多的取代二酰氯或芳族聚酰胺的其它二酰氯的共聚物。
另一种合适的纤维是基于芳族共聚酰胺的纤维，所述芳族共聚酰胺可通过对苯二甲酰氯(TPA)与50/50摩尔比的对苯二胺(PPD)和3，4′-二氨基二苯醚(DPE)的反应来制备。另一种合适的纤维通过两种二胺、对苯二胺和5-氨基-2-(对-氨基苯基)苯并咪唑与对苯二甲酸或酸酐或这些单体的酰氯衍生物的缩聚反应形成。
脂族聚酰胺的示例为尼龙。合适的尼龙类型包括尼龙6；尼龙6，6；尼龙6，10；尼龙6，12；尼龙11和尼龙12。
当聚合物为聚烯烃时，在一些实施例中，聚乙烯或聚丙烯是优选的。当将纤维和弹性体配混以便压延或挤出化合物或固化轮胎组件中的化合物所需要的加工温度小于聚烯烃的熔点时，可仅使用聚烯烃纤维。术语“聚乙烯”是指分子量优选地大于一百万的主要是线性聚乙烯材料，其可包含少量的链分支或每100个主链碳原子中不超过5个改性单元的共聚单体，并且其还可包含与其混合在一起的不超过约50重量％的一种或多种聚合物添加剂，如烯烃-1-聚合物，具体地低密度聚乙烯、丙烯等，或低分子量添加剂，如通常掺入的抗氧化剂、润滑剂、紫外线遮蔽剂、着色剂等。此类物质通常被称为伸展链聚乙烯(ECPE)或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。聚乙烯纤维的制备在美国专利4,478,083、4,228,118、4,276,348和4,344,908中讨论。高分子量线性聚烯烃纤维可商购获得。聚烯烃纤维的制备在U.S.4,457,985中讨论。
聚唑的示例为聚芳烃并唑，诸如聚吲哚和聚吡啶并唑。合适的聚唑包括均聚物以及共聚物。添加剂可与聚唑一起使用，并且按重量计，最多多达10％的其它聚合材料可与聚唑共混。另外，可使用的共聚物具有多达10％或更多的取代聚唑单体的其它单体。合适的聚唑均聚物和共聚物可由已知的程序制成，诸如描述于或衍生自美国专利4,533,693、4,703,103、5,089,591、4,772,678、4,847,350和5,276,128的那些。
优选的聚吲哚包括聚苯并咪唑、聚苯并噻唑、和聚苯并唑，并且更优选可形成具有30克/旦尼尔(gpd)或更大的纱韧度的纤维的那些聚合物。在一些实施例中，如果聚吲哚为聚苯并噻唑，则优选其为聚(对亚苯基苯并二噻唑)。在一些实施例中，如果聚吲哚为聚苯并唑，则优选地其为聚(对亚苯基苯并二唑)，并且更优选为被称为PBO的聚(对亚苯基-2，6-苯并二唑)。
优选的聚吡啶并唑包括聚吡啶并咪唑、聚吡啶并噻唑、和聚吡啶并唑，并且更优选地可形成具有30gpd或更大纱韧度的纤维的此类聚合物。在一些实施例中，优选的聚吡啶并唑为聚吡啶并二唑。一种优选的聚(吡啶并二氧杂唑)为聚(1，4-(2，5-二羟基)亚苯基-2，6-吡啶并[2，3-d：5，6-d′]双咪唑，其也被称为PIPD。适宜的聚吡啶并唑，包括聚吡啶并二唑可由已知的程序制得，诸如美国专利5,674,969中所述的那些。
如本文所用，术语“聚酯”旨在涵盖其中至少85％的重复单元为二羧酸和二元醇的缩合产物的聚合物，其中通过形成酯单元而产生键。这包括芳族、脂族、饱和和不饱和二元羧酸和二元醇。如本文所用，术语“聚酯”也包括它们的共聚物(诸如嵌段、接枝、无规和交替共聚物)、共混物和改性形式。在一些实施例中，优选的聚酯包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二酯和液晶聚酯。聚对苯二甲酸乙二酯(PET)可包括多种共聚单体，包括二甘醇、环己烷二甲醇、聚乙二醇、戊二酸、壬二酸、癸二酸、间苯二甲酸等。除了这些共聚单体之外，还可使用支化剂如均苯三甲酸、均苯四酸、三羟甲基丙烷和三羟甲基乙烷以及季戊四醇。聚对苯二甲酸乙二酯可通过已知的聚合技术由对苯二甲酸或其低级烷基酯(例如，对苯二甲酸二甲酯)和乙二醇或这些物质的共混物或混合物获得。另一种潜在可用的聚酯为聚萘二甲酸乙二酯(PEN)。PEN可通过已知的聚合技术由2，6萘二羧酸和乙二醇获得。
液晶聚酯也可用于本发明。所谓“液晶聚酯”(LCP)在本文中是指当使用TOT测试进行测试时，为各向异性的聚酯或其任何适当的变型，如美国专利4,118,372中所述。液晶聚酯的一种优选形式为“全芳族”；即，聚合物主链中的所有基团均为芳族(除了连接基团如酯基团之外)，但是可存在不是芳族的侧基团。合适的材料可以商品名Vectran购自KurarayCompany Ltd.。
聚乳酸或聚交酯(PLA)为衍生自可再生资源诸如玉米淀粉、木薯产品(根、条或淀粉)或甘蔗的热塑性脂族聚酯。
丙烯酸纤维为合成纤维，其由聚丙烯腈制成并具有约100,000的平均分子量，约1900个单体单元。在一些实施例中，所述聚合物包含至少85％丙烯腈单体。典型的共聚单体为乙酸乙烯酯或丙烯酸甲酯。
变性聚丙烯腈纤维为合成共聚物纤维，其由丙烯腈和其它聚合物制成。此类纤维可购自Solutia Inc.或Kaneca Corporation。
E-玻璃是可商购获得的低碱玻璃。一种典型的组合物由54重量％的SiO2、14重量％的Al2O3、22重量％的CaO/MgO、10重量％的B2O3和少于2重量％的Na2O/K2O组成。一些其它材料也可以杂质含量存在。
S-玻璃是可商购获得的氧化镁-氧化铝-硅酸盐玻璃。该组合物比E-玻璃更硬、更坚固、也更贵，其通常用于聚合物基体复合物。
碳纤维可商购获得，并且是本领域技术人员所熟知的。在一些实施例中，这些纤维的直径为约0.005至0.010mm并且主要由碳原子组成。
纤维素纤维可通过将纤维素酯(甲酸酯和乙酸酯)的液晶溶液纺丝，随后皂化以产生再生纤维素纤维而制成。另一种合适的天然纤维为纤维素诸如莱赛尔纤维(一种得自木浆的纤维素)，或人造丝。
短纱也可由金属条如钢丝制成。
织物
在一些实施例中，结构纤维增强复合材料部件为包含短纤纱的织物。
织物的一个示例为织造织物。术语“织造”是指可通过编织；即，通过使至少两根长丝或纱(通常彼此成直角)交织或交叉编织而制成的任何织物。一般来讲，此类织物通过使一组被称为经纱的长丝或纱与另一组被称为纬线或纬纱的长丝或纱交织而制成。织造织物可具有基本上任何编织形式，诸如平织、四经破缎纹织、方平织、缎纹编织、斜纹编织、非平衡编织等。
在一些其它实施例中，织物包含彼此平行对齐的长丝或纱。这种类型的织物在很多情况下被称为单向织物。在一些情况下，仅出于向所述单向织物提供一些稳定性并防止织物破裂的目的，单向织物可包含以与单向对齐纱不同的取向来定向的一些长丝或纱。此类长丝或纱通常占织物总长丝或纱的小于5％或甚至小于3％。
另一种合适的织物类型为针织织物。针织织物通过将一系列一个或多个纱的线圈进行双罗纹针织而形成。
粘附涂层
优选地，包含短纤纱的织物涂覆有表面涂层，以促进对橡胶的粘附。在一些实施例中，涂层占所述纱加涂层的0.1至25重量百分比或1至20重量百分比或2至15重量百分比。优选的是涂层渗透至少三根长丝而深入织物中。优选地，施用的涂层量应该为促进橡胶与织物的良好粘附的最小必要值，因为过量的涂层量可增加织物的刚度。
一般来讲，涂层与可用于浸渍轮胎帘线的涂层相同。涂层可选自环氧树脂、异氰酸酯和各种间苯二酚-甲醛胶乳(RFL)混合物。在一些实施例中，涂层材料为环氧树脂底涂层和间苯二酚-甲醛面涂层。此类涂层是轮胎和工业橡胶制品贸易中所熟知的。
弹性体制品
包含短纤纱，优选地涂覆有粘合增进剂的织物可用作轮胎和工业橡胶制品如传送软管、液压式软管、传送带或动力传动带(power transmissionbelt)中的结构组件。
可包括所述织物的轮胎中的适宜部件包括胎体、胎侧、带束层、叠层(overlay)、缓冲层、加强层、鸭脚板(flipper)或踏步底板(subtread)。叠层是优选的部件。
轮胎的制备
在一些方面，本发明涉及用于制备包含纤维帘线的轮胎的方法，其中所述方法包括作为一个步骤，通过压延或挤出弹性体片材来制备一个或多个层。所述方法还可包括整合弹性体的多个层。
一种方法涉及原料(弹性体和其它添加剂)的高剪切混合，以将弹性体配混，之后进行辊轧和/或压延。高剪切混合确保成分均匀分散在弹性体中。第一配混处理阶段包括将聚合物粉碎或破碎。天然橡胶可在开炼机上破碎，但更常见的操作是使用具有反向旋转刀片的高剪切搅拌器，诸如班伯里密炼机或肖式搅拌器。有时，可使用单独的预粉碎步骤。就合成橡胶而言，预粉粹仅在化合物包含聚合物共混物时是必要的。在这之后，当将大部分成分掺入橡胶中时形成母料。这确保成分在橡胶中彻底且均匀的分散。在混合过程中，重要的是保持温度尽可能低。不包括在该步骤中的成分为构成固化体系的那些。这些成分通常在最后步骤中，通常在较低的温度下添加。
关于弹性体配混的其它信息包含于由R.T.Vanderbilt Company Inc.(Norwalk，CT)出版的The Vanderbilt Rubber Handbook，第13版，第496至507页，以及美国专利5,331,053；5,391,623；5,480,941和5,830,395中。
在一些环境中，成分的混合还可通过辊轧来实现。压延机是一组多个大直径辊，所述辊将橡胶化合物挤压成薄片。
另一种方法是使用挤出法，其中以单个过程将原料混合并挤出成片。挤出机由螺杆和圆筒、螺杆驱动、加热器和模具组成。挤出机向化合物施加热和压力。就轮胎胎面而言，模具横截面轮廓适用于期望的胎面设计并且所述胎面可以一片形式挤出。
在轮胎制造中存在三个主要阶段，即部件组装、挤压和固化。在部件组装中，将转筒或圆筒用作各种部件铺设于其上的工具。在组装期间，各种部件拼接或结合有粘合剂。用于铺叠轮胎部件的典型顺序是首先定位橡胶片内衬。此类内衬与产生低透气性的添加剂配混。这使其能够将空气密封在轮胎中。第二部件为压延胎体帘片织物的层或涂覆有橡胶的帘线和粘合增进剂。一个或多个胎体帘片在转筒处向下翻转。施加钢胎图，并使内衬帘片向上翻起，从而包裹所述胎圈。胎圈橡胶包括添加剂以使强度和韧性最大化。接着，定位三角胶。所述三角胶为三角形挤出型材，其相对于所述胎图匹配，并在刚性胎图与柔性内衬和胎体帘片组件之间提供衬垫。在此之后定位一对胎图包布条和胎侧。当将轮胎安装到轮辋上时，这些部件防止擦伤。然后使转筒塌缩并且第一阶段组件准备好用于第二部件组装阶段。
在可膨胀囊安装在钢图上时，进行第二阶段组装。将新的第一阶段组件装配在所述图上方，并且所述囊向上膨胀直至导带组件。然后将用于提供耐刺穿性的钢带置于适当位置。所述带为压延片材，其由橡胶层、密集的钢帘线层和第二橡胶层组成。钢帘线在径向轮胎构造中径向取向，并在偏置轮胎构造中以相对方向径向取向。乘用车轮胎通常由两个或三个带制成。将叠层施加在顶带上方。这些技术的示例可见于美国专利6,106,752(注塑)；6,899,782(挤出)和7,005,022(挤出和针刺)中。
然后施加最终部件，踏步底板和胎面花纹块层的胎面橡胶型材。轧制胎面组件以将其压实到带上，然后使成品组件(新覆盖件)与机器脱离。许多高性能轮胎包括介于带束层和胎面之间的任选的挤出衬垫组件，以使胎面免受钢带的机械磨损。如果需要，轮胎构建过程可通过沿多个组装点单独施加每个部件来自动化。在铺设之后，挤压所述组件，以将所有组件整合成非常接近最终轮胎尺寸的形式。
将弹性体固化或硫化成最终轮胎形状在热模具中进行。所述模具刻有轮胎胎面图案。将新的轮胎组件放置在下模胎图座上，将橡胶囊插入新轮胎中，并将模具密闭，同时使橡胶囊膨胀至约25kgf/cm2的压力。这导致新轮胎流入模具中，从而获得胎面图案。所述囊填充有再循环热传递介质诸如蒸汽、热水或惰性气体。对于不同的轮胎类型和弹性体制剂而言，固化温度和固化时间将有差别，但典型的值为约150至180℃，并且固化时间为约12至25分钟。就大型轮胎而言，固化时间可以更长。在固化结束时，降低压力，打开模具，并将轮胎与模具剥离。所述轮胎可放置在后固化膨胀机上，所述膨胀机可在所述轮胎冷却时保持其充分膨胀。
测试方法
本发明由以下实例示出，所述实例实质上被设计成例证性而不是限制性的，其中所有份数、比例和百分比均按重量计，除非另外指明。
实例
在以下实例中，将在组成和尺寸上均相同的试样用于表示叠层和车轮触轨面组成和结构。通常，车轮触轨面包括所有轮胎部件，其包括胎体帘片、带、叠层和胎面，但不包括胎侧、三角胶和胎图部件。在构建常规轮胎时，可将不同组合物用于该组成部分。
在纺丝前的短纱长度为约2.5英寸(63.5mm)。用于制备实例1的缆线的短纱具有2.5旦尼尔/长丝(DPF)的线密度。
在所有实例中使用类似于上文所述的橡胶化合物。橡胶经由铣削和压延被成型为片材。在与橡胶结合之前，将所有帘线浸入间苯二酚-甲醛-胶乳分散体中，这是工业橡胶制品产业中熟知的方法。
比较例A
在该实例中，将包含32每英寸经密(约13经密/cm)的尼龙6，6的连续长丝帘线的橡胶片掺入复合橡胶条中。将所述条放置在圆柱形的模塑橡胶复合材料之上，模拟具有在适当位置处的内衬、胎体和带部件的轮胎。将所述部件组装在芯轴上，并在热和压力下将橡胶固化，以获得代表轮胎的经固化橡胶圆柱体。叠层和带束帘线围绕所述圆柱体包裹，从而正交于圆柱体的主轴，并且胎体帘线平行于圆柱体的主轴。
实例1
在实例1中，对位芳族聚酰胺短纤纱的帘线代替比较例A的连续长丝帘线。所述对位芳族聚酰胺短纤纱的帘线通过以2.4捻系数的平衡捻将10/1cc 100％对位芳族聚酰胺纱的两端并捻而制成。然后在对短纤纱最优化的条件下将帘线浸入RFL溶液中，用于改善对橡胶的粘附性。然后按照比较例A，将帘线结合到橡胶中。橡胶组成与比较例A的相同。按照比较例A，将包含对位芳族聚酰胺短纤纱的复合橡胶条进行模塑。
用于模拟轮胎发出的噪音的上述样品的测试将展示在与比较例A的设计进行比较时，来自实例1的设计显著降噪。

Claims (13)

1.一种轮胎、传输软管、液压式软管、传送带或动力传动带，其包括结构纤维增强部件，所述部件还包含短纤纱，所述短纤纱具有对应于17/1至10/5的棉纱支数的线密度。
2.根据权利要求1所述的部件，其中为促进对橡胶的粘附性用表面涂层渗透所述纱，使得所述涂层占所述纱加涂层的0.1至25重量百分比。
3.根据权利要求1所述的部件，其中所述短纤纱具有对应于10/2至10/4的棉纱支数的线密度。
4.根据权利要求1所述的部件，其中所述纱为单纱，所述单纱包含纤维的共混物。
5.根据权利要求1所述的部件，其中所述纱为加捻在一起以形成合并纱的纱的共混物。
6.根据权利要求1所述的部件，其中所述纱为皮-芯型纱，所述皮-芯型纱包含在所述芯中的至少一种连续长丝和在所述皮中的短纤纱。
7.根据权利要求1所述的部件，其中所述短纤纱为芳族聚酰胺、芳族共聚酰胺、脂族聚酰胺、聚酯、人造丝、碳、玻璃、变性腈纶、聚烯烃、丙烯酸类纤维、聚唑、液晶聚合物、纤维素、莱赛尔纤维、聚乳酸、金属或它们的共混物。
8.根据权利要求1所述的部件，其呈轮胎胎体、胎侧、带束层、叠层、缓冲层、加强层、鸭脚板或踏步底板的形式。
9.根据权利要求2所述的部件，其中用表面涂层渗透所述纱，使得所述涂层占所述纱加涂层的1至20重量百分比。
10.根据权利要求6所述的部件，其中所述芯材料是无机的。
11.根据权利要求7所述的部件，其中所述芳族聚酰胺为对位芳族聚酰胺。
12.根据权利要求8所述的部件，其中用表面涂层渗透所述纱，使得所述涂层占所述纱加涂层的2至15重量百分比。
13.一种用于减少车辆中轮胎噪音的方法，所述方法通过提供轮胎中的部件来进行，所述部件包括短纤纱，所述短纤纱具有对应于17/1至10/5的棉纱支数的线密度。
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