碳納米管在轎車輪胎高導熱硫化膠囊中的應用

賈進義，劉 鵬，丁全勇

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

近年來，轎車輪胎的硫化工藝向高溫高壓方向發展。輪胎硫化過程中外部模具和內部膠囊同時向胎坯傳遞熱量，使胎坯內的橡膠發生化學反應，橡膠大分子相互交聯成三維網狀結構[1-7]。在硫化過程中，硫化膠囊負責將過熱水或過飽和蒸汽等硫化介質的熱量從內部傳遞給胎坯，硫化膠囊的導熱系數越大，輪胎硫化效率越高，同時硫化膠囊還需具有良好的物理性能，以保證其使用次數[8-10]。

本工作研究碳納米管在轎車輪胎高導熱硫化膠囊中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

丁基橡膠（IIR），牌號IIR268，美國埃克森美孚公司產品；氯丁橡膠（CR），山納合成橡膠有限責任公司產品；炭黑N330，上海卡博特化工有限公司產品；乙炔炭黑，焦作市和興化學工業有限公司產品；碳納米管，山東大展納米材料有限公司產品；防護蠟RW227，江蘇銳巴新材料科技有限公司產品；蓖麻油，通遼市通化蓖麻化工有限公司產品；硫化樹脂SP-1045，萊茵化學（青島）有限公司產品。

1.2 配方

生產配方（用量/份）：IIR 100，CR 4.5，炭黑N330 31，乙炔炭黑 27，防護蠟RW227 2，蓖麻油 6，氧化鋅 5.5，硫化樹脂SP-1045 8.5。

試驗配方：采用6份碳納米管替代部分乙炔炭黑，其他組分和用量同生產配方。

1.3 主要設備和儀器

XM-250型密煉機和XK-660型開煉機，大連橡塑機械有限公司產品；MDR2000E型無轉子硫化儀、MV2000型門尼粘度儀和T2000電子拉力機，美國阿爾法科技有限公司產品；TPS2200型導熱系數儀，瑞典HOT DISK AB公司產品；GT-7017-ELU型熱氧老化箱，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；Squirrel 2020型硫化測溫儀，英國Grant公司產品。

1.4 混煉工藝

膠料采用兩段混煉工藝，一段和二段混煉均在XM-250型密煉機中和XK-660型開煉機上進行。一段混煉初始轉子轉速為25 r·min-1，壓砣壓力為0.8 MPa，混煉工藝為：生膠→壓壓砣（45 s）→炭黑N330和1/3乙炔炭黑→壓壓砣（85 s）→剩余2/3乙炔炭黑→壓壓砣（85 s）→蓖麻油→壓壓砣（100 s）→提壓砣，保持15 s（轉子轉速為20 r·min-1）→壓壓砣（100 s）→排膠（170 ℃）至開煉機→持續混煉4 min→下片；二段混煉轉子轉速為20 r·min-1，壓砣初始壓力為0.7 MPa，混煉工藝為：一段混煉膠→壓壓砣（45 s）→碳納米管→壓壓砣（60 s）→氧化鋅、防護蠟RW227→壓壓砣（60 s，壓砣壓力調至0.6 MPa）→提壓砣，保持15 s→壓壓砣（60 s）→提壓砣，保持15 s→壓壓砣（60 s）→排膠（140 ℃）至開煉機→持續混煉至膠料溫度≤105℃（輥筒溫度為65 ℃）→2/3硫化樹脂SP-1045→持續混煉3 min→剩余1/3硫化樹脂SP-1045→持續混煉3 min（左、右割刀各不少于3次）→下片。

為了確保試驗結果的準確性，除碳納米管外的物料均采用相同批次，試驗配方和生產配方的膠料在同班次同機臺生產；膠囊硫化工藝條件相同。

1.5 性能測試

膠料各項性能均按相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 膠料性能

膠料性能如表1所示。

表1 膠料性能

從表1可見，與生產配方膠料相比，試驗配方膠料的門尼粘度顯著提高，門尼焦燒時間縮短約1.5 min，密度相當，邵爾A型硬度、定伸應力和撕裂強度（最小值）明顯增大，拉伸強度略有增大，拉斷伸長率顯著減小，拉斷永久變形增大，導熱系數增大約33%。綜上所述，試驗配方膠料的加工難度較生產配方膠料可能增大，硫化膠囊生產過程中需注意防止膠料焦燒，提高硫化機注射壓力，保證膠料良好的流動性。

硫化膠囊的使用性能與膠料老化后的物理性能直接相關，老化后膠料的物理性能如表2所示。

表2 老化后膠料的物理性能

從表2可見，與生產配方膠料相比，老化后試驗配方膠料的邵爾A型硬度、100%定伸應力和撕裂強度（最小值）增大，拉伸強度相當，拉斷伸長率和拉斷永久變形明顯減小，導熱系數增大約32%。綜上所述，試驗配方硫化膠囊在使用后期的永久變形更小，更不易撕裂，理論上較生產配方硫化膠囊更耐用，硫化效率也更高。

2.2 工藝性能

與生產配方膠料相比，試驗配方膠料的一段混煉工藝性能相當，膠料不散碎、不脫輥，下片后膠料表面光滑；二段混煉時升溫速率略大，混煉時間短，因此采用低壓砣壓力和轉子轉速混煉后，膠料下片良好。試驗配方硫化膠囊制作過程中的注射壓力、硫化溫度、硫化時間等均與生產配方硫化膠囊相同，成品外觀及斷面良好，未見氣泡等缺陷，生產過程工藝性能良好。

2.3 硫化效率

使用試驗配方和生產配方硫化膠囊在同一工廠相同機臺和班次硫化205/65R16輪胎，測試硫化膠囊上表面（輪胎上胎圈內側）、中表面（輪胎氣密層中部表面）、下表面（輪胎下胎圈內表面）在硫化過程中的溫度變化，結果分別如圖1—3所示。

圖1 硫化膠囊上表面溫度變化

圖2 硫化膠囊中表面溫度變化

圖3 硫化膠囊下表面溫度變化

從圖1—3可以看出，試驗配方硫化膠囊上表面、中表面、下表面的起始溫度較生產配方硫化膠囊高，升溫快。試驗配方硫化膠囊上表面、中表面和下表面最高硫化溫度分別為175，180和181 ℃，比生產配方硫化膠囊最高硫化溫度（上表面、中表面和下表面分別為171，173和174 ℃）分別高4，7和7 ℃。在整個硫化過程中，試驗配方硫化膠囊上表面、中表面和下表面的硫化溫度均比生產配方硫化膠囊高。

綜上可知，試驗配方硫化膠囊的導熱系數更大，熱傳導效率高，輪胎達到合適硫化程度所需硫化時間更短。根據時溫等效原理計算，試驗配方和生產配方硫化膠囊硫化相同硫化程度的205/65R16輪胎所需時間分別為10.8和11.4 min。可見，試驗配方硫化膠囊的最佳硫化時間比生產配方硫化膠囊縮短0.6 min，硫化效率提升約5.5%。對于年產能1 000萬條輪胎的工廠，若全部使用試驗配方硫化膠囊硫化輪胎，輪胎年產量可提升約50萬條。

2.4 使用次數

使用試驗配方和生產配方硫化膠囊（各20個）在相同機臺硫化185/60R15輪胎的平均使用次數分別為432和398。可見，試驗配方硫化膠囊比生產配方硫化膠囊使用次數多34次，提升約8.5%。

3 結論

硫化膠囊配方中采用6份碳納米管等量代替部分乙炔炭黑后，膠料的綜合物理性能良好，導熱系數增大，生產工藝性能良好，硫化膠囊的使用次數增多，輪胎硫化時間縮短，硫化效率提高，生產成本降低，能夠給企業帶來較好的經濟效益。