輪胎墊帶研究進展

雷惠舉，孟 唯，鄭 鵬，李 云，王 重*，趙 光，計 強

(1.沈陽化工大學，遼寧 沈陽 110142；2.朝陽華興萬達輪胎有限公司，遼寧 朝陽 122100)

墊帶在輪胎中起輔助作用，放置在內(nèi)胎和輪輞之間，保護內(nèi)胎在汽車行駛過程中不受輪輞磨損[1]。這就要求墊帶具有耐老化、抗撕裂、耐屈撓和較好的拉伸性能及較小的形變。墊帶雖然在輪胎中僅起輔助作用，但如果其質(zhì)量不合格，會導致輪胎的整體報廢。同時，從經(jīng)濟利益角度來看，墊帶在滿足使用性能的要求外，還要盡可能地降低制造成本[2]。

墊帶根據(jù)其使用條件可分為輕型載重汽車普通斷面輪胎墊帶、載重汽車普通斷面輪胎墊帶、工程機械輪胎墊帶、工業(yè)車輛充氣輪胎墊帶[3]。墊帶結(jié)構(gòu)和用膠種類幾乎相同，主要區(qū)別在于產(chǎn)品的尺寸。墊帶膠主要有天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠和三元乙丙橡膠，隨著膠粉和再生橡膠行業(yè)的發(fā)展，為了制備性能優(yōu)異且成本低廉的輪胎墊帶，近年來科研工作者和各企業(yè)做了大量研究，使再生天然橡膠在墊帶中的占比越來越高，以此來控制成本。為了更加明確輪胎墊帶的結(jié)構(gòu)和用料原則，本文對輪胎墊帶的研究進行了詳細論述。

1 墊帶結(jié)構(gòu)

墊帶在生產(chǎn)過程中主要是尺寸不同，其結(jié)構(gòu)形狀幾乎相同。根據(jù)斷面形狀，墊帶可分為凹型和平型。凹型墊帶的裝配比較便利，安放位置也容易對正，廣泛應用于汽車輪胎[4]。

1.1 帶體結(jié)構(gòu)

墊帶置于輪胎和輪輞之間，是一條環(huán)形膠帶，中間部分比較厚，兩側(cè)則由內(nèi)向外逐漸變薄。在墊帶的外表面有一條中心線，作為安裝時的對正線，在中心線上還有一個空洞，用來供內(nèi)胎氣嘴結(jié)構(gòu)的穿出，圖1為墊帶帶體截面圖。

圖1 墊帶帶體截面圖

1.2 氣嘴結(jié)構(gòu)

與內(nèi)胎和外胎相比墊帶的含膠率比較低，在使用中受到內(nèi)胎、外胎和輪輞三方面的擠壓、摩擦，導致墊帶易發(fā)生龜裂。由于內(nèi)胎氣門嘴處的強度比較大，在使用過程中，墊帶的氣嘴處易發(fā)生破裂和外翻。為解決此問題，目前有三種常用的墊帶氣嘴結(jié)構(gòu)：加厚型、加金屬片型和簾布層型。加厚型是通過增加氣嘴處的膠料厚度來提高強度，此方法成本較低，工藝簡單，但強度提升不大，長時間使用后墊帶膠嘴處還會出現(xiàn)外翻，甚至導致內(nèi)胎氣嘴與輪輞直接接觸，影響使用壽命，傳統(tǒng)墊帶多采用此方法。簾布層型是在氣嘴處設計增強層，通過黏貼簾布層的方法來增加氣嘴處的強度。金屬片型是在氣嘴處鑲嵌特定結(jié)構(gòu)的金屬片，使氣嘴處的橡膠被金屬包裹，利用金屬片的剛性來提高墊帶氣嘴處的強度[5]，此方法雖然成本高，但補強效果好，目前廣泛用于墊帶氣嘴的設計上。氣嘴結(jié)構(gòu)截面圖如圖2所示。

(a) 加厚型氣嘴結(jié)構(gòu)

(c) 金屬片型氣嘴結(jié)構(gòu)圖2 氣嘴結(jié)構(gòu)

2 墊帶用膠

為符合企業(yè)利益，墊帶在滿足性能要求的同時，還要盡可能降低成本，因此多采用天然橡膠來生產(chǎn)墊帶。同時，隨著膠粉和再生膠行業(yè)的發(fā)展，在墊帶膠料中通常會摻入一定比例的膠粉或再生膠。丁苯橡膠、順丁橡膠、三元乙丙橡膠等也會與天然橡膠復合或單獨使用來生產(chǎn)墊帶[6]。

2.1 天然橡膠

天然橡膠在各行各業(yè)應用廣泛，如各種輪胎、排灌膠管、雨鞋、輸送帶等。其綜合性能優(yōu)異，具有高回彈性、高強度、耐熱、耐壓、耐磨、抗撕裂等特點，用于制作墊帶可有效保護內(nèi)胎，在使用過程中能適應各種行車條件，且能保證自身不受內(nèi)胎、外胎、輪輞三方面擠壓而產(chǎn)生撕裂、磨損。天然橡膠價廉易得，因此輪胎墊帶大多以天然橡膠為主體或少量摻入其他橡膠來生產(chǎn)[7]。

天然橡膠由聚異戊二烯組成，一般橡膠烴質(zhì)量分數(shù)約為92%～95%，而非橡膠烴質(zhì)量分數(shù)約為5%～8%。天然橡膠相對分子質(zhì)量較高，分子鏈較長。在分子鏈上有不飽和基團，如醛基等，易于發(fā)生硫化反應。天然橡膠的硫化溫度一般在140～150 ℃之間。生產(chǎn)企業(yè)為追求利益，生產(chǎn)墊帶時硫化溫度一般要高于150 ℃，以縮短硫化時間。天然橡膠溫度過高會產(chǎn)生硫化返原現(xiàn)象，降低硫化膠品質(zhì)，因此硫化溫度不宜過高，硫化時間也不宜過長[8-11]。

由于天然橡膠具有大量的不飽和鍵，制成的輪胎墊帶在放置一段時間后會被空氣降解老化。車輛在行駛過程中輪胎由于摩擦生熱，溫度可達100 ℃左右，易加速墊帶的熱氧老化，影響墊帶的使用壽命，因此在墊帶配方設計中要加入防老化體系。如加入防老劑RD、防老劑6PDD等，可顯著改善天然橡膠墊帶的熱氧老化性能[12-13]。

隨著科技的發(fā)展和原材料價格的上漲，目前已很少使用純天然橡膠來生產(chǎn)墊帶。各企業(yè)為滿足產(chǎn)品性能和利益，大多摻用其他膠種，如丁苯橡膠、順丁橡膠、再生天然橡膠來生產(chǎn)墊帶。

2.2 丁苯橡膠

丁苯橡膠是世界上最早也是產(chǎn)量最大的通用合成橡膠，廣泛應用于輪胎、膠管、潛水材料等領域。由于其結(jié)構(gòu)、物理性能和加工性能與天然橡膠相似，且耐熱、耐老化性能優(yōu)于天然橡膠，因此，丁苯橡膠常與天然橡膠并用生產(chǎn)墊帶[14]。

胡小芳等[15]利用50份天然橡膠、50份丁苯橡膠、70份再生天然橡膠為原料，加入炭黑N660、芳烴油、防焦劑等制備輪胎墊帶，提高了成品墊帶的斷裂伸長率和強度，使其分別達到440%和11.5 MPa，滿足航空輪胎墊帶的使用條件。

2.3 順丁橡膠

順丁橡膠由丁二烯聚合制得，廣泛應用于制備輪胎、膠管等。順丁橡膠分為低順式、中順式和高順式3種。其中高順式順丁橡膠分子間作用力小、相對分子質(zhì)量高、分子鏈柔性大且分子鏈比較規(guī)整，使其具有良好的強度、耐老化等特點。由于順丁橡膠的加工性能較差，幾乎沒有單獨使用順丁橡膠的制品，一般與天然橡膠、丁苯橡膠等并用。順丁橡膠由于其結(jié)構(gòu)特點，受炭黑補強提升效果明顯，因此在含有炭黑補強體系的墊帶膠中可適當摻入順丁橡膠來提升強度[16-17]。

李惠芬等[18]在原墊帶配方(天然橡膠40份、丁苯橡膠60份、再生膠100份)中用10份順丁橡膠替換掉10份天然橡膠，而且再生膠的用量增加了50份，使膠料的強度由7.4 MPa提升到8.7 MPa。且用順丁橡膠替代了部分價格較高的天然橡膠，降低了生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟效益，同時有效控制了墊帶邊緣處裂紋和氣嘴外翻等問題。

2.4 三元乙丙橡膠

三元乙丙橡膠是由乙烯、丙烯和非共軛二烯烴聚合而成的三元共聚物。三元乙丙橡膠的主要聚合物鏈是完全飽和的，具有很高的飽和度。與天然橡膠相比，具有優(yōu)異的耐老化和耐屈撓性，但其自黏型和互黏性較差，物理性能較差。在墊帶膠中天然橡膠和三元乙丙橡膠共用可改善成品墊帶的耐老化性能。三元乙丙橡膠與天然橡膠的分子結(jié)構(gòu)相差較大，其雙鍵的數(shù)量和活性不同，與硫化劑和促進劑的溶解度也相差較大，從而會降低并用膠的性能。因此，具體的混用方法需要進行大量的研究[19-21]。

2.5 丁基橡膠

丁基橡膠由異丁烯和少量異戊二烯合成，多用來制備防水卷材、內(nèi)胎、密封墊等密封裝置，其密封性較好且耐熱耐老化，但硫化時間較長、硫化溫度較高且與其他橡膠相容性差，一般不與天然橡膠等并用。劉燕生等[22]在墊帶膠料中加入少量丁基再生膠(天然橡膠10份，丁苯橡膠14.1份，再生天然橡膠49份，丁基再生橡膠5份)進行實驗，其中丁基橡膠不參與交聯(lián)，但卻使墊帶膠的屈撓龜裂性能由14萬次4級提升到21萬次3級，直角撕裂由46 kN/m提升到53 kN/m。

2.6 再生橡膠

廢舊橡膠屬于一種熱固體聚合物，在自然界中很難進行降解，長時間堆積會形成很嚴重的黑色污染，影響自然環(huán)境。因此，廢舊橡膠的循環(huán)利用一直是一個世界性的課題，在目前資源日益緊缺的今天，回收和利用廢舊橡膠制品成為必然的趨勢[23-24]。

在工業(yè)生產(chǎn)中，廢舊橡膠脫硫再生的方法很多，其中微生物脫硫、化學脫硫和物理脫硫為目前的三類常用脫硫再生方法[25]。

再生膠作為橡膠工業(yè)主體材料的“三膠”之一，在應用橡膠制品中可以部分甚至全部代替天然橡膠和合成橡膠[26]。隨著再生膠的發(fā)展，其在墊帶膠料中所占比例也越來越大。商立東等[27]在原有墊帶膠配方(天然橡膠 57.75份，甲級再生膠 185.3份，炭黑N330 18.75份，MT炭黑 46.5份，氧化鋅 6.3份，芳烴油 12份，其他 15.75份)的基礎上減少了天然橡膠、炭黑等的用量，增加了再生天然橡膠的用量(天然橡膠 45份，甲級再生膠 181份，高強度再生膠 43.5份，炭黑N330 30份，MT炭黑 15份，氧化鋅 4.5份，芳烴油 23份，其他 15.75份)，改善了膠料的加工性能，降低了其半成品易焦燒、擠出困難等現(xiàn)象，降低了生產(chǎn)成本。陳玉江[28]在全再生膠配方中加入了少量的天然橡膠(再生膠100份，天然橡膠5份)，同時降低了配方中的軟化劑的用量，使成品墊帶強度由7.8 MPa提高到8.5 MPa，斷裂伸長率由350%提高到420%，同時提高了膠料的可塑性，改善了工藝操作性能，減少了成品墊帶出現(xiàn)的疤痕、豁邊等瑕疵情況。

2.7 膠粉

目前膠粉有兩種制作工藝：冷凍粉碎和室溫粉碎。冷凍粉碎技術是將廢舊橡膠制品進行破碎后，將破碎的膠塊置于液氮中進行冷凍，然后經(jīng)球磨機研磨至0.6～0.15 mm。經(jīng)過冷凍粉碎的膠粉粒子表面光滑，流動性好，可在一定程度上改善膠料的加工性能。室溫粉碎有干磨和濕磨2種，干磨時，由于其溫度會大幅度提高，只能生產(chǎn)0.6～1.7 mm的膠粉。濕磨則是干磨的改良型，通常是以水為介質(zhì)，采用輥式研磨，膠粉的細度最高可達0.031 mm[29-31]。

膠粉可直接摻入墊帶膠中，如呂政可[32]使用細度為0.25 mm的膠粉替換掉炭黑，同時加入了增黏劑和流動劑，成功地保持了原有的性能，降低了生產(chǎn)成本，改善了工作場所粉塵問題。王偉等[33]將膠粉經(jīng)過脫硫罐脫硫，冷卻后直接向脫硫罐中投入促進劑、補強劑、硫化劑等小料，攪拌后排出進行精煉，節(jié)省了生產(chǎn)成本，同時配合劑在橡膠中分散更均勻，使成品墊帶性能更加穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，輪胎墊帶的需求量越來越多，其功能化和廉價化已成為必然趨勢。墊帶膠中再生膠和膠粉等環(huán)保、可循環(huán)的材料占比必然越來越多，這樣既能保護環(huán)境，又符合企業(yè)的經(jīng)濟利益。目前國內(nèi)企業(yè)和科研機構(gòu)應該加快研發(fā)速度，提升輪胎墊帶的技術含量，使墊帶的性能更好、成本更低、生產(chǎn)過程更環(huán)保。同時還應加快輪胎墊帶的國家級標準化進程。可以預見，輪胎墊帶會有更功能化、更環(huán)保的未來。