輪胎過渡層與氣密層膠料摻用比的研究

吳忠成，李紅衛，劉華僑，顧培霜，朱家順

[特拓（青島）輪胎技術有限公司，山東 青島 266100]

輪胎在車輛行駛過程中兼具安全、承載、減震和牽引的功能，輪胎主要靠以丁基橡膠（IIR）為主體材料的氣密層保持充氣壓力。早期的輪胎氣密層和胎體采用分層設計并且分別硫化。隨著技術的進步，輪胎氣密層和胎體逐漸采用一體式設計，在成型工藝中氣密層與胎體貼合在一起并進行整體硫化。相比于氣密層分層設計，一體化設計減少了能量損耗，節省燃油，更少的部件也有利于輪胎生產工藝控制。此外，當輪胎被釘子刺扎后，分層設計的氣密層會馬上“塌陷”，輪胎整體嚴重變形，危害行駛安全；而一體化設計輪胎被釘子刺扎后，只要釘子不被拔出，輪胎仍能夠保持形狀，行駛安全性較好[1-3]。

一體化設計氣密層在硫化前需要與胎體緊密地物理貼合，防止硫化時脫層、起泡，硫化后氣密層要和胎體結合良好，不能在使用過程中脫層[4]。但IIR粘合性能較差，輪胎企業使用天然橡膠（NR）為主體材料的膠料作為過渡層，利用NR粘性好的特點，提高氣密層與胎體的粘合性能。成型時過渡層與氣密層膠料通過壓延機貼合在一起制成復合膠片，然后裁剪成寬度相同的膠片，裁剪后會產生多余的復合膠片，由于IIR具有污染性[5]，多余的復合膠片只能摻用到氣密層膠料中使用，如果摻入過渡層膠料中，會造成過渡層膠料硫化不足。

本工作研究輪胎過渡層膠與氣密層膠摻用比（以下簡稱摻用比）對膠料性能的影響，以便對輪胎企業的生產工藝調整提供參考。

1 實驗

1.1 主要原材料

溴化丁基橡膠（BIIR），牌號2222，美國埃克森美孚化工有限公司產品；NR，牌號STR20，泰國正大農業集團公司產品；環保油V500，寧波漢圣化工有限公司產品；炭黑N660，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；氧化鋅，山東博奧實業有限公司產品；硬脂酸，廣州卓迪化工有限公司產品；硫黃，中雅化工有限公司產品；促進劑CBS和DM，寧波艾克姆新材料有限公司產品。

1.2 配方

氣密層：BIIR 80，NR 20，炭黑N660 70，氧化鋅 2，硬脂酸 1，環保油V500 5，防老劑4020 1，硫黃 1，促進劑DM 1.5。

過渡層：NR 100，炭黑N660 60，氧化鋅4，硬脂酸 2，環保油V500 5，防老劑4020 2，防老劑RD 1，硫黃 1.8，促進劑CBS 1。

1.3 主要設備和儀器

Φ160 mm×320 mm型開煉機和X（S）M-1.6L型密煉機，青島科技大學混煉工程研究室產品；MM4130C型無轉子硫化儀，高特威爾檢測儀器（青島）有限公司產品；UT-2060型拉力試驗機，優肯科技股份有限公司產品；VAC-V2型壓差法氣體滲透儀，濟南蘭光機電技術有限公司產品；H17A型邵爾A電子硬度計，華萊士有限公司產品。

1.4 試樣制備

氣密層和過渡層膠料均采用2段混煉工藝。氣密層膠料混煉時，促進劑DM于一段混煉加入，氧化鋅和硫黃于二段混煉加入；過渡層膠料混煉時，氧化鋅于一段混煉加入，硫黃和促進劑CBS于二段混煉加入。

一段混煉在密煉機內進行，轉子轉速為55 r·min-1，總混煉時間為5 min，冷卻水溫度為40℃，排膠溫度控制在160 ℃以下。混煉工藝為：生膠→壓壓砣30 s→小料和1/2炭黑→壓壓砣60 s→1/2炭黑和油→壓壓砣90 s→提壓砣、清掃→壓壓砣120 s→排膠→開煉機上下片冷卻。

二段混煉在開煉機上進行，輥溫設為40 ℃，一段混煉膠包輥后加入終煉藥品，薄通3次，打三角包8次，下片停放。按照表1的4個方案分別在開煉機上摻混兩種膠料，各薄通5次，打三角包10次。

表1 不同比例氣密層和過渡層的摻混方案

1.5 性能測試

（1）氣密性按照GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法 壓差法》進行測試，采用99%高純氧氣，抽真空12 h，氣體壓力為0.5 MPa，循環水溫度為23 ℃，硫化試片厚度為1 mm。

（2）加工性能按照GB/T 1232.1—2016《未硫化橡膠 用圓盤剪切粘度進行測定 第1部分：門尼粘度的測定》進行測試。

（3）硫化特性按照GB/T 16584—1996進行測試。

（4）密度按照GB/T 533—2008進行測試；硬度按照GB/T 531.1—2008進行測試；拉伸性能按照GB/T 528—2009進行測試，使用Ⅰ型裁刀。

2 結果與討論

2.1 氣密性

不同摻用比膠料的氣體透過系數見表2。

表2 不同摻用比膠料的氣體透過系數×1014[cm3·cm·（cm2·s·Pa）-1]

從表2可以看出：摻用過渡層膠料后，膠料氣體透過系數增大，氣密性有所降低；當摻用比為8%和11%時，膠料氣體透過系數僅增大31%和50%；當摻用比為18%時，膠料氣體透過系數增大183%。這是因為NR氣密性不如IIR[6]，在氣密層膠中摻用以NR為主的過渡層膠料后，影響了氣密層膠料的氣密性。根據輪胎實車里程測試經驗，當氣體透過系數不大于10×10-14[cm3·cm·（cm2·s·Pa）-1]時，輪胎氣密性可以達到使用要求。因此過渡層膠在氣密層膠料中的最大摻用比應不大于11%。

2.2 門尼粘度和硫化特性

不同摻用比膠料的門尼粘度和硫化特性如表3所示。

從表3可以看出，隨著摻用比的增大，膠料門尼粘度和t10變化不大，t5、t90和t100延長，硫化速度變慢，這可能是由于摻用過渡層膠后促進劑DM在膠料中的占比降低。

表3 不同摻用比膠料的加工性能和硫化特性

2.3 物理性能

不同摻用比膠料的物理性能如表4所示，硫化條件為160 ℃×20 min。

表4 不同摻用比膠料的物理性能

從表4可以看出：不同摻用比膠料的的拉伸強度、撕裂強度和耐屈撓性能變化不大，密度稍有降低；隨著摻用比增大，膠料硬度稍有增大，100%和300%定伸應力先增大后減小，拉斷伸長率和拉伸永久變形減小。

3 結論

隨著過渡層膠在氣密層膠中的摻用比增大，膠料氣密性逐漸下降，摻用比大于11%時，氣密性明顯變差；門尼粘度變化不大，焦燒時間延長，硫化速度變慢；硫化膠密度降低，硬度略有增大，定伸應力先增大后減小，拉伸強度、撕裂強度和耐屈撓性能變化不大，拉斷伸長率減小，成本降低。