環境溫濕度對輪胎硫化性能的影響

任衍峰，陳建軍，李衛國

（賽輪金宇集團股份有限公司，山東 青島 266500）

輪胎是典型的厚橡膠制品，其構成材料（橡膠、纖維和鋼絲等）多樣、形狀復雜。輪胎硫化過程是非穩態傳熱過程，輪胎內部存在溫度變化（梯度）和分布，同樣硫化程度也存在變化和分布。組成輪胎各部件膠料的硫化曲線得出的正硫化時間不能直接作為輪胎的硫化時間。為實現輪胎各部件達到均一的硫化程度，需要制定合理的硫化條件[1]。目前常用來確定輪胎硫化時間的方法主要有氣泡點法、熱電偶法以及這兩種方法的結合。

氣泡點法[2]根據橡膠發泡原理來確定硫化條件。橡膠產品中膠料內氣泡的形成與模具卸壓時達到的硫化程度有關，且存在一個恰好能夠平衡上述現象的極限值，這個值稱為發泡點。當確定輪胎產品的發泡時間后，給予一定安全系數，即為該產品的硫化時間。該方法適用于轎車輪胎和載重子午線輪胎。

熱電偶法[2]是基于阿累尼烏斯方程，將埋線測溫數據換算為等效硫化時間。該方法適合于任何種類和規格的輪胎，特別是大規格及高成本的輪胎。

無論采用哪種方法確定輪胎硫化條件，必須滿足硫化最慢的部位（往往為最厚的部位）達到正硫化，而且需有一定安全時間。影響輪胎硫化安全時間的因素主要包括硫化速度、輪胎厚度、胎坯初始溫度、硫化壓力、硫化溫度和膠囊厚度等。

本工作研究環境溫濕度對輪胎膠料硫化速率和硫化時間的影響。

1 實驗

1.1 試驗方案

1.1.1 環境溫濕度對膠料硫化速率影響的驗證試驗

目前子午線輪胎硫化最慢點一般位于胎肩和胎圈，因此選取基部膠和三角膠進行驗證。分別對比在23和40 ℃以及55%和85%濕度下保存后膠料的硫化速率。

1.1.2 胎坯停放溫度對膠料硫化時間影響的驗證試驗

選取規格為205/55R16的轎車子午線輪胎胎坯分別在25和45 ℃下停放，進行現場發泡試驗。

1.1.3 發泡點對應膠料硫化程度的確認試驗

分別通過實驗室模擬測試和現場發泡試驗確定膠料發泡點對應的硫化程度。

1.2 主要設備和儀器

XLB500-30型平板硫化機，青島科高橡塑機械技術裝備有限公司產品；MDR2000型無轉子硫化儀和MV2000型門尼粘度儀，美國阿爾法科技有限公司產品；TC-Ⅲ型硫化測溫儀，北京澳瑪琦科技有限公司產品。

2 結果與討論

2.1 環境溫濕度對膠料硫化速率的影響

2.1.1 基部膠

環境溫濕度對基部膠焦燒性能和硫化特性的影響如圖1所示。

從圖1（a）可以得到基部膠的門尼焦燒時間，如表1所示。

圖1 環境溫濕度對基部膠焦燒性能和硫化特性的影響

表1 基部膠的門尼焦燒時間（125 °C） min

從表1可以看出：相同溫度下，隨著濕度增大，膠料的焦燒時間縮短；相同濕度下，隨著溫度升高，膠料的焦燒時間同樣縮短。

從圖1（b）可以得到基部膠的硫化特性參數值，如表2所示。

從表2可以看出，t25與焦燒時間具有一定相關性，因此t25變化趨勢與焦燒時間變化趨勢相近。膠料的正硫化時間隨著溫濕度的增大略有縮短。

表2 基部膠的硫化特性（150 °C）

2.1.2 三角膠

環境溫濕度對三角膠焦燒性能和硫化特性的影響如圖2所示。

從圖2（a）可以得到三角膠的門尼焦燒時間，如表3所示。

從表3可以看出：相同溫度下，隨著濕度增大，膠料的焦燒時間縮短；相同濕度下，隨著溫度升高，膠料的焦燒時間同樣縮短。

表3 三角膠的門尼焦燒時間（125 °C） min

從圖2（b）可以得到三角膠的硫化特性參數值，如表4所示。

圖2 環境溫濕度對三角膠焦燒性能和硫化特性的影響

從表4可以看出，在不同環境溫濕度下存放，三角膠的焦燒時間與硫化特性變化趨勢與基部膠相似。

表4 三角膠的硫化特性（160 °C）

目前，子午線輪胎硫化促進劑一般以次磺酰胺類為主，次磺酰胺類促進劑是由噻唑類促進劑為原材料加工而成。次磺酰胺類促進劑氮-硫鍵可發生水解，轉換為噻唑類促進劑，在高溫、高濕條件下，其水解更為劇烈[3]，從而導致膠料焦燒時間縮短，硫化速率增大。

日本三新化學工業公司的研究[4]表明，為保證次磺酰胺類促進劑的穩定性，在次磺酰胺類硫化促進劑中加入少量碳原子數為1～10的羧酸或碳原子數為2～10的酸酐，或是二者的混合物，可使次磺酰胺類促進劑在夏季或長期保存時不變質。推薦的羧酸有甲酸、乙酸、丙酸和安息酸等一元酸，以及草酸、丙二酸、丁二酸和鄰苯二甲酸等。

因此，為保證次磺酰胺類促進劑的穩定需做好藥品封口、防潮和藥品有效期的管理。

2.2 胎坯停放溫度對輪胎硫化時間的影響

選取規格為205/55R16的轎車子午線輪胎胎坯分別在25和45 ℃下停放2 h后進行硫化發泡點試驗。硫化條件：高壓蒸汽壓力為1.7 MPa，氮氣壓力為2.5 MPa，正常硫化時間為12.25 min。

胎坯停放溫度對輪胎硫化時間的影響如圖3所示。

從圖3可以看出，胎坯停放溫度相差20 ℃，發泡時間相差15 s，相應輪胎硫化時間可縮短15 s。

圖3 胎坯停放溫度對輪胎硫化時間的影響

曾釗等[5]對胎坯停放溫度的研究表明：胎坯停放溫度對輪胎表面影響很小，輪胎內部各點隨著胎坯溫度升高，其硫化溫度曲線愈加平坦；對于載重子午線輪胎而言，胎坯停放溫度每升高10 ℃，機內硫化時間可縮短1 min。

2.3 發泡點對應膠料硫化程度的確認

2.3.1 實驗室模擬

采用一種一邊薄另一邊厚的楔形模具進行實驗室硫化，并在不同位置點放置測溫線，試樣和模具如圖4所示。

圖4 試樣和模具示意

硫化出模后將試樣從中間切開，觀察起泡的位置（如圖5所示），采用臨近測溫點的測溫數據，通過阿累尼烏斯方程[如公式（1）所示]計算膠料發泡點對應的硫化程度。

圖5 硫化后試樣切割斷面的起泡位置示意

式中，E表示活化能；R為摩爾氣體常數；T1和T2為硫化溫度；t1為硫化溫度為T1時的硫化時間；t2為硫化溫度為T2時的硫化時間。

采用實驗室模擬的方法測試基部膠發泡點對應的硫化程度，結果如圖6所示。

圖6 基部膠發泡點對應的硫化程度模擬測試結果

從圖6可以看出，基部膠發泡點對應的硫化程度約為35%（等效硫化時間為3.5 min），該時間與硫化儀測試的t25相近。用相同的方法測試其他混煉膠，發現發泡點對應的硫化程度處于25%～40%之間。

2.3.2 現場發泡試驗

選取規格為315/60R22.5的胎坯進行發泡試驗，結果如圖7所示。硫化條件：蒸汽壓力為1 MPa，過熱水溫度為173 ℃，過熱水壓力為2.6 MPa，硫化時間為37 min。發泡位置位于輪胎肩部，對應膠料基部膠，發泡時間為37 min。

圖7 胎坯發泡試驗結果

2.3.3 硫化測溫確認試驗

選取規格為315/60R22.5的胎坯采用相同的硫化工藝進行測溫試驗。埋線測溫位置如圖8所示。

圖8 埋線測溫位置示意

測溫試驗結果顯示，發泡點時間對應基部膠（埋線測溫位置為2）的硫化程度約為31%。

實驗室模擬測試發泡點和實際割胎（測溫）的結果具有一定相關性，因此通過實驗室模擬的方式可對各膠料發泡點的硫化程度進行有效判定。

對于北方地區，夏季車間溫度可達到40 ℃，而冬季溫度較低時車間溫度約為15 ℃，車間保溫情況不良時甚至會低于0 ℃，冬夏季溫差較大，夏季平均濕度偏高。通過環境溫濕度對膠料硫化特性影響及對輪胎發泡點影響的研究可知，在冬夏季溫濕度差異較大的北方地區區分輪胎硫化條件是必要的。

3 結論

（1）混煉膠的焦燒時間與貯存溫濕度成反比，硫化速率與貯存的溫濕度成正比。

（2）隨著胎坯停放溫度升高，發泡時間（硫化時間）縮短。

（3）模擬試驗和現場發泡/測溫試驗均表明，發泡點對應膠料的硫化程度為25%～40%，該硫化程度與硫化儀測得的t25相近；t25與焦燒時間具有一定相關性，隨著環境溫濕度增大，t25縮短，即發泡時間縮短。

第19屆中國輪胎技術研討會論文