耐裂口高氣密性全鋼子午線輪胎氣密層膠配方的開發

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部滲透，保持輪胎內部充氣壓力，防止輪胎內部各部件氧化[1]。溴化丁基橡膠（BIIR）由于富有密集的側甲基分子鏈結構，其化學穩定性和熱穩定性較高，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，通常要與其他膠種并用[3]；同時添加納米碳酸鈣等無機填料，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，導致氣密層出現裂口現象。

本工作開發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的氣密層裂口問題。

1 實驗

1.1 主要原材料

BIIR，牌號2222，埃克森美孚化工公司產品；炭黑N660，蘇州寶化炭黑有限公司產品；無機填料Suprex，益瑞石北美陶瓷技術集團產品；環保油，TUDALEN 5138，德國漢圣公司產品；硫化劑S200-1，無錫華盛橡膠新材料科技股份有限公司產品；促進劑MBTS，榮成市化工總廠有限公司 產品。

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 主要設備和儀器

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

1.4 混煉工藝

大配合膠料采用兩段混煉工藝，均在XM370型密煉機中進行。一段混煉轉子轉速為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 ℃）；二段混煉轉子轉速為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。各項性能均按照相應的國家或企業標準進行測試。

（2）氣密性。膠料的氣密性采用壓差法氣體滲透儀進行測試，輪胎的氣密性采用輪胎氣密性試驗機進行測試。輪胎氣密性測試條件：溫度為23 ℃，標準充氣壓力，標準負荷，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機進行測試，測試條件為：溫度 65 ℃，將氮氣與氧氣混合（體積比為1∶1），按照標準氣壓充入輪胎內部，每周定期測量并補充氣體，測試周期為35 d。

2 結果與討論

2.1 理化分析

納米碳酸鈣和無機填料Suprex的理化分析結果如表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標準要求。

表2 兩種填料的理化分析結果

2.2 大配合試驗

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，與生產配方膠料相比，試驗配方膠料的t5和t90延長。這是因為試驗配方中加入了無機填料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，與生產配方硫化膠相比，試驗配方硫化膠的硬度、拉伸強度、拉斷伸長率、拉斷永久變形和撕裂強度明顯增大，其他性能相當。這是由于試驗配方中加入了無機填料Suprex，含膠率降低，且環保油用量減小。

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，試驗配方膠料的氣密性比生產配方膠料提高了40%以上。這主要是由于試驗配方中加入了無機填料Suprex，片層狀填料分散在橡膠基體中，延長了氣體的行進路程，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，生產配方膠料出現了針眼，而試驗配方膠料無針眼；屈撓70萬次后，試驗配方膠料一直未出現針眼；屈撓120萬次后，試驗配方膠料出現了針眼，生產配方膠料出現了2 mm裂口。這表明試驗配方膠料的耐屈撓性能比生產配方膠料提高了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，試驗配方膠料的裂紋增長率比生產配方膠料減小56%。這是由于無機填料Suprex為片層狀結構，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，這也表明試驗配方膠料的耐裂口性能比生產配方膠料提高了50%以上。

表7 膠料的耐裂口性能

2.3 成品輪胎性能

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

2.3.1 耐久性能

分別對輪胎的胎冠和胎體進行耐久性試驗，耐久時間（室內機床試驗至輪胎損壞為止）測試結果如表8所示。

表8 成品輪胎的耐久時間 h

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

2.3.2 氣密性

輪胎充氣壓力與測試時間的關系曲線如圖1 所示。

圖1 輪胎充氣壓力與測試時間的關系曲線

從圖1可以看出：隨著測試時間的延長，生產輪胎和試驗輪胎的充氣壓力均呈下降趨勢；測試7 d內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定。分析認為，由于輪胎在充氣狀態下靜止停放，輪胎內腔與胎里之間存在一定的壓差，導致氣體快速向胎里滲透，滲透一定時間后內外壓差趨于平衡，氣壓保持不變。

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

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系曲線

從圖2可以看出，經過35 d氮氧老化試驗后，試驗輪胎的氣壓下降幅度比生產輪胎小。這是由于試驗配方中增加了無機填料Suprex，提高了膠料的氣密性，增大了輪胎的氣壓保持率。

經氮氧老化試驗后對輪胎胎冠進行耐久性試驗，試驗結果如表9所示。

從表9可以看出，經過35 d氮氧老化試驗后，試驗輪胎胎冠的耐久時間比生產輪胎延長，耐久性能提高。從輪胎損壞形式分析，由于生產輪胎的氣密性差，導致氣體滲透至胎側鼓包脫層；試驗輪胎的氣密性好，試驗結束時由于輪胎帶束層端點應力集中熱量累積而引起了胎面龜裂。

表9 氮氧老化試驗后輪胎胎冠耐久性試驗結果

3 結論

在全鋼子午線輪胎氣密層膠配方中，通過添加無機填料Suprex，減小炭黑N660和環保油用量，并調整硫化體系，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。