耐裂口高氣密性全鋼子午線輪胎氣密層膠配方的開發(fā)

崔 曉，董凌波，周鵬程，李 超，周忠偉，于志勇

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

輪胎氣密層的主要作用是密封氣體，阻止氧氣和水蒸氣向輪胎內(nèi)部滲透，保持輪胎內(nèi)部充氣壓力，防止輪胎內(nèi)部各部件氧化[1]。溴化丁基橡膠（BIIR）由于富有密集的側(cè)甲基分子鏈結(jié)構(gòu)，其化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較高，氣密性較好，因此成為輪胎氣密層用主要膠種[2]。但全BIIR的氣密層存在成本高、粘合性能差等缺點(diǎn)，通常要與其他膠種并用[3]；同時添加納米碳酸鈣等無機(jī)填料，雖然價格便宜，但氣密性會降低。隨著輪胎的長期使用，尤其是公交車輪胎，載質(zhì)量大且剎車頻繁，氣密層膠的透氣率高且長期處于屈撓變形狀態(tài)，導(dǎo)致氣密層出現(xiàn)裂口現(xiàn)象。

本工作開發(fā)了一種耐裂口高氣密性全鋼子午線輪胎氣密層膠配方，可使輪胎的氣密性和耐屈撓裂口性能得到提高，同時改善輪胎使用后期出現(xiàn)的氣密層裂口問題。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

BIIR，牌號2222，?？松梨诨す井a(chǎn)品；炭黑N660，蘇州寶化炭黑有限公司產(chǎn)品；無機(jī)填料Suprex，益瑞石北美陶瓷技術(shù)集團(tuán)產(chǎn)品；環(huán)保油，TUDALEN 5138，德國漢圣公司產(chǎn)品；硫化劑S200-1，無錫華盛橡膠新材料科技股份有限公司產(chǎn)品；促進(jìn)劑MBTS，榮成市化工總廠有限公司 產(chǎn)品。

1.2 配方

全鋼子午線輪胎氣密層膠配方見表1。

表1 全鋼子午線輪胎氣密層膠配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

XM370型密煉機(jī)，大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司產(chǎn)品；MV2000型門尼粘度儀和MDR2000型無轉(zhuǎn)子硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；Instron 3367型電子拉力試驗(yàn)機(jī)，美國英斯特朗公司產(chǎn)品；壓差法氣體滲透儀，濟(jì)南蘭光機(jī)電有限公司產(chǎn)品；MD-HL1804型輪胎氣密性試驗(yàn)機(jī)，上海銘控傳感技術(shù)有限公司產(chǎn)品；WORLDEK-TS1200型輪胎氮氧老化試驗(yàn)機(jī)，昆山創(chuàng)研科技有限公司產(chǎn)品；GT-7011-D型屈撓試驗(yàn)機(jī)，中國臺灣高鐵科技股份有限公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

大配合膠料采用兩段混煉工藝，均在XM370型密煉機(jī)中進(jìn)行。一段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為35 r?min-1，混煉工藝為：生膠、炭黑、填料、氧化鎂和烴類樹脂混合物→壓壓砣35 s→提壓砣，清掃10 s→環(huán)保油→壓壓砣35 s→提壓砣，清掃10 s→壓壓砣→排膠（125 ℃）；二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20 r?min-1，混煉工藝為：一段混煉膠、氧化鋅、硫化劑S200-1和促進(jìn)劑MBTS→壓壓砣35 s→提壓砣，清掃10 s→壓壓砣30 s→提壓砣，清掃10 s→壓壓砣30 s→排膠（105 ℃），擠出下片。

1.5 性能測試

（1）物理性能。各項(xiàng)性能均按照相應(yīng)的國家或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

（2）氣密性。膠料的氣密性采用壓差法氣體滲透儀進(jìn)行測試，輪胎的氣密性采用輪胎氣密性試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試。輪胎氣密性測試條件：溫度為23 ℃，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷，停放3個月，測試輪胎的充氣壓力保持率。

（3）耐屈撓性能。按照GB/T 13934—2006進(jìn)行測試，屈撓頻率為300次?min-1。

（4）耐氮氧老化性能。采用輪胎氮氧老化試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，測試條件為：溫度 65 ℃，將氮?dú)馀c氧氣混合（體積比為1∶1），按照標(biāo)準(zhǔn)氣壓充入輪胎內(nèi)部，每周定期測量并補(bǔ)充氣體，測試周期為35 d。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化分析

納米碳酸鈣和無機(jī)填料Suprex的理化分析結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：納米碳酸鈣的pH值大于7，呈堿性，而無機(jī)填料Suprex的pH值小于7，呈酸性，且硫含量小于納米碳酸鈣；兩種填料的理化性能均符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 兩種填料的理化分析結(jié)果

2.2 大配合試驗(yàn)

2.2.1 硫化特性

膠料的硫化特性如表3所示。

表3 膠料的硫化特性

從表3可以看出，與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗(yàn)配方膠料的t5和t90延長。這是因?yàn)樵囼?yàn)配方中加入了無機(jī)填料Suprex，其在橡膠基體中具有一定的隔熱作用[2]，且本身偏酸性，導(dǎo)致膠料的門尼焦燒時間延長，硫化速度減慢。

2.2.2 物理性能

硫化膠的物理性能如表4所示。

從表4可以看出，與生產(chǎn)配方硫化膠相比，試驗(yàn)配方硫化膠的硬度、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率、拉斷永久變形和撕裂強(qiáng)度明顯增大，其他性能相當(dāng)。這是由于試驗(yàn)配方中加入了無機(jī)填料Suprex，含膠率降低，且環(huán)保油用量減小。

表4 硫化膠的物理性能

2.2.3 氣密性

膠料的氣密性如表5所示。

表5 膠料的氣密性

通常以透氣量和透氣率來表征膠料的氣密性，透氣量和透氣率越小，表明膠料的氣密性越好。從表5可以看出，試驗(yàn)配方膠料的氣密性比生產(chǎn)配方膠料提高了40%以上。這主要是由于試驗(yàn)配方中加入了無機(jī)填料Suprex，片層狀填料分散在橡膠基體中，延長了氣體的行進(jìn)路程，從而提高了膠料的氣密性。

2.2.4 耐屈撓性能

膠料的耐屈撓性能如表6所示。

表6 膠料的屈撓等級

從表6可以看出：屈撓20萬次后，生產(chǎn)配方膠料出現(xiàn)了針眼，而試驗(yàn)配方膠料無針眼；屈撓70萬次后，試驗(yàn)配方膠料一直未出現(xiàn)針眼；屈撓120萬次后，試驗(yàn)配方膠料出現(xiàn)了針眼，生產(chǎn)配方膠料出現(xiàn)了2 mm裂口。這表明試驗(yàn)配方膠料的耐屈撓性能比生產(chǎn)配方膠料提高了50%以上。

2.2.5 耐裂口性能

膠料的耐裂口性能如表7所示。

從表7可以看出，試驗(yàn)配方膠料的裂紋增長率比生產(chǎn)配方膠料減小56%。這是由于無機(jī)填料Suprex為片層狀結(jié)構(gòu)，可均勻分散在膠料中，從而改變了裂紋的增長路徑，延緩了裂紋增長速度，這也表明試驗(yàn)配方膠料的耐裂口性能比生產(chǎn)配方膠料提高了50%以上。

表7 膠料的耐裂口性能

2.3 成品輪胎性能

分別采用試驗(yàn)配方和生產(chǎn)配方膠料試制295/80R22.5 16PR TR686輪胎，并對成品性能進(jìn)行測試。

2.3.1 耐久性能

分別對輪胎的胎冠和胎體進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，耐久時間（室內(nèi)機(jī)床試驗(yàn)至輪胎損壞為止）測試結(jié)果如表8所示。

表8 成品輪胎的耐久時間 h

從表8可以看出，試驗(yàn)輪胎胎冠和胎體的耐久時間均比生產(chǎn)輪胎延長，說明試驗(yàn)輪胎的耐久性能優(yōu)于生產(chǎn)輪胎。

2.3.2 氣密性

輪胎充氣壓力與測試時間的關(guān)系曲線如圖1 所示。

圖1 輪胎充氣壓力與測試時間的關(guān)系曲線

從圖1可以看出：隨著測試時間的延長，生產(chǎn)輪胎和試驗(yàn)輪胎的充氣壓力均呈下降趨勢；測試7 d內(nèi)的充氣壓力下降幅度較大，測試后期的充氣壓力下降幅度減小且趨于穩(wěn)定。分析認(rèn)為，由于輪胎在充氣狀態(tài)下靜止停放，輪胎內(nèi)腔與胎里之間存在一定的壓差，導(dǎo)致氣體快速向胎里滲透，滲透一定時間后內(nèi)外壓差趨于平衡，氣壓保持不變。

從圖1還可以看出，生產(chǎn)輪胎和試驗(yàn)輪胎的充氣壓力損失率分別為1.4%和0.8%，試驗(yàn)輪胎的充氣壓力保持率比生產(chǎn)輪胎增大。這主要是由于試驗(yàn)輪胎的氣密性優(yōu)于生產(chǎn)輪胎。

2.3.3 耐氮氧老化性能

輪胎氮氧老化氣壓與測試時間的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 輪胎氮氧老化氣壓與測試時間的關(guān)系曲線

從圖2可以看出，經(jīng)過35 d氮氧老化試驗(yàn)后，試驗(yàn)輪胎的氣壓下降幅度比生產(chǎn)輪胎小。這是由于試驗(yàn)配方中增加了無機(jī)填料Suprex，提高了膠料的氣密性，增大了輪胎的氣壓保持率。

經(jīng)氮氧老化試驗(yàn)后對輪胎胎冠進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

從表9可以看出，經(jīng)過35 d氮氧老化試驗(yàn)后，試驗(yàn)輪胎胎冠的耐久時間比生產(chǎn)輪胎延長，耐久性能提高。從輪胎損壞形式分析，由于生產(chǎn)輪胎的氣密性差，導(dǎo)致氣體滲透至胎側(cè)鼓包脫層；試驗(yàn)輪胎的氣密性好，試驗(yàn)結(jié)束時由于輪胎帶束層端點(diǎn)應(yīng)力集中熱量累積而引起了胎面龜裂。

表9 氮氧老化試驗(yàn)后輪胎胎冠耐久性試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

在全鋼子午線輪胎氣密層膠配方中，通過添加無機(jī)填料Suprex，減小炭黑N660和環(huán)保油用量，并調(diào)整硫化體系，膠料的門尼焦燒時間和硫化時間延長，硫化膠的物理性能、氣密性、耐屈撓和耐裂口性能提高；成品輪胎的耐久性能、氣密性和耐氮氧老化性能提高。