齒輪式濾膠機(jī)過濾全鋼胎氣密層實(shí)驗(yàn)研究

邊慧光 ，顧希紅 ，汪傳生 ，隋志華 ，朱東林 ，郝國(guó)強(qiáng)

(1. 青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061 2. 江蘇無錫雙象橡塑機(jī)械有限公司，江蘇 無錫 214000)

0 緒論

全鋼胎用于大型家用轎車，運(yùn)輸卡車等高載重場(chǎng)合[1]，它由胎冠，胎側(cè)，簾布，氣密層等組成[2]。在高載重下輪胎的氣密性顯的尤為重要[3]，例如Fei Cai, 等人通過研究溴化丁基橡膠的小分子擴(kuò)散行為并且得到了更好的氣密性能，但是溴化丁基與普通丁基，兩者的價(jià)格相比不占優(yōu)勢(shì)[4]。Moumita Kotal 等人使用石墨烯接枝到溴化丁基上來提高氣密性，該方法使丁基橡膠的氣密性與機(jī)械性能有了較明顯的提升且石墨烯的束縛使得溴化丁基的剝離程度更高，但是在方法實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較困難，價(jià)格較高且不適合工業(yè)化[5]。YurongLiang 等人在丁基中加入蒙脫石來提升氣密性和機(jī)械性能[6]。但是這均是通過化學(xué)改性的方式來提升丁基膠的氣密性，存在一定誤差和危險(xiǎn)性，所以同樣橡膠和填料的前提下，如何通過橡塑機(jī)械來更多的提高膠料的氣密性，是亟需解決的問題。

濾膠機(jī)[7]不僅可以去除膠料雜質(zhì)，還可以起到精細(xì)濾膠，細(xì)化膠料的作用，濾膠機(jī)又分為齒式濾膠機(jī)，螺桿式濾膠機(jī)和柱塞式濾膠機(jī)，因?yàn)槁輻U式濾膠機(jī)流量穩(wěn)定且可靠性高[8～9]，所以螺桿式濾膠機(jī)應(yīng)用比較廣泛，為了進(jìn)一步的提高過濾能力，便于上下游設(shè)備協(xié)調(diào)工作等[10]，濾膠機(jī)加齒輪泵的組合被開發(fā)出來，因?yàn)樗媪髁颗c倒流量相較于其它裝置都減少[11]，整體能耗低且易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，應(yīng)用較為廣泛[12]。

本文利用自主研發(fā)的雙驅(qū)同步齒輪式濾膠機(jī)來過濾氣密層，探究過濾后給氣密層是否帶來提升，并探究最佳的過濾目數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

丁基橡膠 德國(guó)朗盛化工有限公司，氯丁橡膠 道達(dá)爾化學(xué)彈性體有限公司，炭黑N330 卡博特（中國(guó)）化學(xué)有限公司，氧化鋅ZnO 阿拉丁試劑（上海）有限公司，硬脂酸SAD 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，防老劑4020NA 上海成錦化工有限公司，防老劑RD 山東瑞祺化工有限公司，促進(jìn)劑TMTD 萊茵化學(xué)（青島）有限公司，促進(jìn)劑MBTS 萊茵化學(xué)（青島）有限公司，硫磺S 巴斯夫（中國(guó)）有限公司，濾網(wǎng) 國(guó)標(biāo)304 不銹鋼工業(yè)篩網(wǎng) 上海嘉羽五金篩網(wǎng)。

1.2 氣密層配方

氣密層配方見表1。

表1 氣密層配方

1.3 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備和儀器

實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備和儀器見表2。

圖1 雙驅(qū)同步橡膠齒輪泵式濾膠機(jī)- 主視圖

表2 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備和儀器

1.4 試樣制備

一段混煉在密煉機(jī)上進(jìn)行，冷卻水溫度為40 ℃，轉(zhuǎn)速65 r/min，填充系數(shù)為0.65，上頂栓壓力為0.65 MPa。具體混煉工藝如下：加入丁基橡膠，混煉25 s后加入氯丁橡膠，混煉60 s 后加入1/3 量炭黑N330、氧化鋅ZnO、硬脂酸SAD、防老劑4020、防老劑RD，混煉30 s 后加入剩余2/3 量的炭黑N330，再次混煉90 s 后提栓，直至混煉膠溫度到達(dá)150 ℃時(shí)排膠；

二段混煉在開煉機(jī)上進(jìn)行，對(duì)混煉膠進(jìn)行補(bǔ)充混煉，輥溫為（50±5）℃。具體混煉工藝如下：在最小輥距下進(jìn)行壓延，薄通五次后，將輥距調(diào)為4 mm 左右下片。

膠料停放24 h 后，將膠料裁剪成寬為5 cm 左右的膠條，進(jìn)行最佳濾網(wǎng)目數(shù)實(shí)驗(yàn)。

將裁好的膠料投進(jìn)單螺桿擠出部分，經(jīng)過螺桿的擠壓進(jìn)入雙驅(qū)同步橡膠齒輪式濾膠機(jī)，經(jīng)過齒輪的擠壓與濾網(wǎng)的過濾后的膠料排出。

膠料再次停放24 h 后在將開煉機(jī)調(diào)到合適的輥距，薄通五次后，下片。停放10 h 后進(jìn)行硫化。

因?yàn)闅饷軐觾?nèi)的主體橡膠為丁基橡膠，根據(jù)橡膠的特性，要將硫化溫度設(shè)置為165°，硫化壓力設(shè)定為10 MPa。

1.5 性能測(cè)試及表征

1.5.1 門尼黏度測(cè)試

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1232.1—2000，利用專用的裁刀裁剪試樣后放入U(xiǎn)M-2050 型門尼黏度儀模腔中進(jìn)行測(cè)試，設(shè)備溫度到達(dá)設(shè)定溫度后進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 次，取其平均值。

1.5.2 硫化特性測(cè)試

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 16584—1996。設(shè)定無轉(zhuǎn)子流變儀測(cè)試時(shí)間60 min，測(cè)試溫度150 ℃，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0.5°。取混煉膠放入無轉(zhuǎn)子流變儀模腔中進(jìn)行測(cè)試。

1.5.3 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試

測(cè)試方法為：應(yīng)變掃描溫度為60 ℃，應(yīng)變掃面頻率為0.01 Hz，應(yīng)變范圍0.28%～50%。取混煉膠放入RPA2000 橡膠加工分析儀模腔中進(jìn)行測(cè)試，每組試樣進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)，取其中值。

1.5.4 力學(xué)性能測(cè)試

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 528—1998。每組試樣測(cè)試五次，取其平均值。

1.5.5 動(dòng)態(tài)黏彈性測(cè)試

溫度掃描時(shí)采用拉伸模式，掃描頻率為10 Hz，掃描時(shí)靜態(tài)應(yīng)變?yōu)?%，靜態(tài)應(yīng)力為70 N，動(dòng)態(tài)應(yīng)變?yōu)?.25%，動(dòng)態(tài)應(yīng)力為60 N，溫度范圍為-65℃～65 ℃， 升溫速率為2 ℃/min。 將試樣放入GABOMETER-150 型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀模腔中進(jìn)行測(cè)試。

1.5.6 硬度測(cè)試

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 231.1—2008，測(cè)試方法為國(guó)際硬度計(jì)法：測(cè)選取兩個(gè)位置相距6mm 以上的點(diǎn)的硬度值，測(cè)量五次選取平均值。

1.5.7 回彈測(cè)試

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1681—1991。測(cè)試溫度條件設(shè)置為20 ℃。測(cè)試3 次取平均值。

1.5.8 磨耗測(cè)試

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 9867—1988。測(cè)試3 次取其平均值。

1.5.9 氣密性測(cè)試

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1038—2000. 測(cè)試3 次取中值。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 濾網(wǎng)目數(shù)對(duì)氣密層硫化性能的影響

表3 為不同濾網(wǎng)目數(shù)過濾后氣密層的硫化特性參數(shù)。

表3 不同濾網(wǎng)目數(shù)過濾后氣密層的硫化特性參數(shù)

分析表格可知，經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后的膠料的焦燒時(shí)間均增加，隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，焦燒時(shí)間出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為150 目時(shí)，焦燒時(shí)間最長(zhǎng)。

經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后的膠料t90正硫化時(shí)間減少，且隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，t90呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為150 時(shí)，t90達(dá)到最小，意味著此時(shí)膠料的硫化反應(yīng)最快，獲取最佳性能的時(shí)間最短。

經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后膠料的MH-ML的差值均增大，且隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，該差值呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)達(dá)到150 目時(shí)，MH-ML值最大，此時(shí)硫化膠的交聯(lián)密度最大，交聯(lián)程度最高。

這說明膠料在經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后，膠料內(nèi)的氣泡隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加是逐漸減少的，有助于膠料形成更加致密的分子鏈網(wǎng)絡(luò)，硫化后形成了更致密的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，交聯(lián)密度提高，但是目數(shù)越高的濾網(wǎng)，對(duì)膠料的擠出產(chǎn)生越大的內(nèi)阻力，導(dǎo)致膠料的擠出漲大更加嚴(yán)重，分子鏈與分子網(wǎng)絡(luò)分散，不易形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

2.2 濾網(wǎng)目數(shù)對(duì)氣密層物理機(jī)械性能的影響

表4 和圖2 分別為不同目數(shù)濾網(wǎng)過濾后氣密層的物理機(jī)械性能和物理機(jī)械性能的曲線對(duì)比圖。由表4 可以看出，經(jīng)過過濾后的氣密層的物理機(jī)械性能有著顯著的提高。并且隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，膠料的邵爾A 型硬度、100% 定伸應(yīng)力，300% 定伸應(yīng)力、撕裂強(qiáng)度都呈先增加后減小的趨勢(shì)。且當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為150 目時(shí)，氣密層的拉伸強(qiáng)度達(dá)到9.21MPa，比未過濾的膠料的拉伸強(qiáng)度提升了17.17% ；撕裂強(qiáng)度達(dá)到36.27kN·M-1，比未過濾的膠料的撕裂強(qiáng)度提升了20.21%。這說明濾網(wǎng)過濾膠料雜質(zhì)的同時(shí)還能平順分子鏈的作用，濾網(wǎng)目數(shù)越高，分子鏈更加平順。但是濾網(wǎng)目數(shù)越高，過濾時(shí)對(duì)膠料的阻力越大，當(dāng)膠料過濾后，阻力消失，由于熱運(yùn)動(dòng)與微構(gòu)象的轉(zhuǎn)化，分子鏈會(huì)自發(fā)恢復(fù)到混亂狀態(tài)，導(dǎo)致膠料的機(jī)械性能會(huì)先上升后下降。

圖2 不同濾網(wǎng)目數(shù)過濾后氣密層的物理機(jī)械性能

表4 不同濾網(wǎng)目數(shù)過濾后氣密層的物理機(jī)械性能

2.3 濾網(wǎng)目數(shù)對(duì)氣密層動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的分析

圖3 為不同濾網(wǎng)目數(shù)過濾后氣密層動(dòng)態(tài)力學(xué)性能?？梢詮膱D中看出，過濾后的膠料形成的填料網(wǎng)絡(luò)比未過濾的膠料的填料網(wǎng)絡(luò)更加發(fā)達(dá)。隨著應(yīng)變的增大，膠料的彈性模量G′ 呈下降趨勢(shì)，這一結(jié)果符合Payne效應(yīng)。同時(shí)隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，膠料的初始彈性模量增大，且隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，膠料彈性模量下降趨勢(shì)越來越大，也就是說△G′ 的值增大。這說明隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，膠料的Payne 效應(yīng)更加明顯，填料網(wǎng)絡(luò)化程度更高[13]。

圖3 不同濾網(wǎng)目數(shù)過濾后氣密層的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

2.4 濾網(wǎng)目數(shù)對(duì)氣密層動(dòng)態(tài)黏彈性的影響

圖4（a）是不同溫度下動(dòng)態(tài)黏彈性曲線；圖4（b）各曲線的tanδ的峰值代表不同濾網(wǎng)目數(shù)下膠料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg；濾網(wǎng)目數(shù)為150 目時(shí)，tanδ峰值最高，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度最高；

圖4 不同濾網(wǎng)目數(shù)過濾后氣密層的動(dòng)態(tài)黏彈性曲線圖

圖4（c）表示的是在-20～20 ℃區(qū)間tanδ的變化趨勢(shì)。0 ℃時(shí)的tanδ值可以用來表征材料的抗?jié)窕阅埽?dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為150 目時(shí)，氣密層的抗?jié)窕阅苓_(dá)到最佳；

圖4（d）表示的是在40～65 ℃區(qū)間tanδ的變化趨勢(shì)，60 ℃時(shí)的 tanδ值可以用來表征材料的滾動(dòng)阻力，可知，當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為150 目時(shí)，氣密層的滾動(dòng)阻力達(dá)到最佳。

從圖中可以得到，隨著濾網(wǎng)的目數(shù)越高，抗?jié)窕氏壬仙笙陆?，滾阻呈先下降后上升的趨勢(shì)，這主要是隨著濾網(wǎng)目數(shù)增加，膠料的分子柔順性越好，內(nèi)摩擦力低，所以損耗小。但是目數(shù)高的濾網(wǎng)在過濾雜質(zhì)的同時(shí)可能將膠料內(nèi)的大顆粒填料也過濾除去，使膠料內(nèi)的交聯(lián)密度降低，丁基與填料形成的化學(xué)鍵數(shù)量越來越少，玻璃化溫度越來越低，導(dǎo)致膠料的抗?jié)窕阅芘c滾阻性能會(huì)由高降到低。

2.5 濾網(wǎng)目數(shù)對(duì)氣密層的氣密性的影響

輪胎氣密層對(duì)氣密性的要求較高，好的氣密層，透氣量極少，透過系數(shù)較低。一般來講，透氣量與配方有很大的關(guān)系，對(duì)于橡膠基體來說，含有極性基團(tuán)的橡膠分子間的吸引力大，空間位移阻力較大，例如氯丁橡膠、丁基橡膠以及新開發(fā)的環(huán)氧化天然橡膠，對(duì)于橡膠填料來說，為保證高氣密性要求，配方中應(yīng)少加增塑劑。在選擇了合適的配方后，高氣密性的膠料透氣量較小，透過系數(shù)較低。

表5 為不同濾網(wǎng)目數(shù)過濾后氣密層的透氣量和透過系數(shù)。

表5 不同濾網(wǎng)目數(shù)過濾后氣密層的氣密性參數(shù)

根據(jù)表5 ，過濾后的膠料透氣量減少明顯，透過系數(shù)降低，當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為150 目時(shí)，透氣量比未過濾時(shí)的膠料下降了22.64%，透過系數(shù)降低了78.11%，此時(shí)膠料的氣密性最佳。這是因?yàn)槎‰嬷械募谆鶎?duì)稱分布，分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱，這使得聚集態(tài)結(jié)構(gòu)堆砌緊密，又由于齒輪泵的過濾，使得膠料內(nèi)的氣體減少，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)堆砌更加致密，氣密性提升。但是濾網(wǎng)目數(shù)越高，膠料所受到阻力越大，擠出濾網(wǎng)后的擠出漲大現(xiàn)象更加明顯，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)堆砌愈發(fā)松散，所以氣密性相對(duì)降低。

3 結(jié)論

（1）雙驅(qū)同步橡膠齒輪泵在過濾胎內(nèi)膠時(shí)，不僅可以提高氣密層的氣密性，而且在力學(xué)性能上也有一定的提升。實(shí)現(xiàn)了在同配方的情況下的性能提升，在一定情況下可以降低成本。

（2）在不同目數(shù)的濾網(wǎng)下過濾氣密層時(shí)，膠料的氣密性和力學(xué)性能的提升也不相同，在150 目時(shí)，膠料的性能提升的幅度最大，其中透氣系數(shù)降低了78%，撕裂強(qiáng)度提升了20%。