熱電偶法研究195/60R15 88H轎車子午線輪胎的硫化時間

李世軍 ，鄔素華

（1.天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津 300457；2.銀川佳通輪胎有限公司，寧夏 銀川 750011）

輪胎是一種典型的厚橡膠制品，原材料品種多，結構復雜。輪胎硫化是一個非穩態傳熱過程，各部位溫度和硫化程度不同，各部位膠料的硫化時間不能直接作為輪胎整體的硫化時間。輪胎硫化時間的確定通常采用寧過勿欠的傳統方法，但該方法延長了硫化時間，產品普遍存在過硫現象，這不僅降低了輪胎性能，還造成了能源浪費。因此，確定合理的硫化時間是輪胎開發過程中必須面對和解決的問題。

確定輪胎硫化時間通常采用氣泡點法和熱電偶法[1]。氣泡點法通過分段硫化并測試不同硫化程度硫化膠的多孔性，當硫化膠中不再形成氣泡時，該硫化時間被確定為最佳硫化時間。熱電偶法是測試不同時間點下各部位的溫度，通過計算硫化效應來判斷硫化時間。最佳硫化時間的確定應當考慮以下情況：硫化最慢的部位（一般為最厚的部位）必須達到正硫化；開模后硫化反應還在進行，即后硫化效應；理想狀況是硫化結束時各部位膠料同步達到正硫化。

熱電偶法利用化學反應原理和數學計算確定輪胎的硫化條件，適用于任何品種和規格的輪胎[2]，能夠全面反映輪胎各部位膠料的硫化程度，且不需要像氣泡點法那樣多次反復硫化和解剖分析。本工作采用熱電偶法確定195/60R15 88H轎車子午線輪胎的硫化時間。

1 實驗

1.1 主要儀器與設備

ZIW-16型測溫儀，北京橡膠工業研究設計院產品；MDR2000型硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產品；LLP-B120×1960×2A型雙模定型硫化機，福建三明化工機械廠產品。

1.2 測試點位置

本工作選取具有代表性的12個測試點，測試點位置如圖1所示。

圖1 測試點位置示意

1.3 初步硫化條件

參考我公司相似規格輪胎硫化工藝，初步制定195/60R15 88H轎車子午線輪胎硫化時內壓過熱水循環時間為4.5 min，不循環時間為8 min，硫化總時間為16 min。

2 結果與討論

2.1 硫化溫度系數（K）的確定

根據范特霍夫法則，硫化溫度和硫化時間的關系式[3]為：

式中，T1和T2為硫化溫度，℃；t1和t2分別為T1和T2對應的正硫化時間，min。

在不同溫度下用硫化儀測出各部位膠料的正硫化時間，將硫化溫度和相應的正硫化時間代入式（1），計算出各部位膠料的K。根據測量和計算，195/60R15 88H轎車子午線輪胎K的平均值為1.88。

2.2 計算方法

硫化強度（I）計算公式為：

式中，K為1.88；T為實際硫化溫度，℃；T0為規定硫化溫度，取160 ℃。

硫化效應（E）即等效硫化時間計算公式為：

式中，Δt為測溫間隔時間，min。

硫化效果（F）的計算公式為：

式中，t0為規定硫化溫度下各部位膠料的正硫化時間，min。用硫化儀測得T0（160 ℃）下各部位膠料的t0分別為：胎面膠10.1 min，帶束層膠9.4 min，氣密層膠12.5 min，三角膠7.4 min，胎圈膠9.2 min。

2.3 測試與計算

在外部熱板蒸汽溫度173 ℃、內部過熱水溫度193 ℃下進行輪胎硫化，并每間隔1 min測量各測試點的溫度，繪制成硫化溫度-時間曲線，見圖2和3；用公式（2）和（3）計算E，繪制出各測試點的E-硫化時間曲線，見圖4和5，用公式（4）計算F。

圖2 測試點1～6的硫化溫度-時間曲線

圖3 測試點7～12的硫化溫度-時間曲線

圖4 測試點1～6的E-硫化時間曲線

從圖2～5可以看出：胎面膠中心上表面（測試點1）及上、下模胎圈膠外表面（測試點9和10）直接與硫化模具內表面接觸，初始溫度較高，出模后上述部位直接向空氣中散熱，致使降溫較快，后硫化效應小，E較小。上、下模（胎側）氣密層膠表面（測試點5和6）處的硫化膠囊內壓過熱水溫度高，且膠層厚度最小，傳熱較快，故升溫較快，E較大；內壓過熱水加熱結束后，由于內壓冷卻水的加入，降溫較快，后硫化效應較小。上、下模（胎圈）氣密層膠內表面（測試點7和8）處的硫化膠囊壁較厚，升溫較慢，E較小；由于過熱水加熱結束后內壓冷卻水的加入，后硫化效應也較小。帶束層上表面（測試點2），上、下模帶束層膠端點（測試點3和4）及上、下模三角膠下表面（測試點11和12）在膠層中部，硫化初期升溫較慢，E較小；但出模后降溫較慢，后硫化效應較大。

圖5 測試點7～12的E-硫化時間曲線

根據公式（2）～（5）計算得到胎面膠中心上表面（測試點1）在不同硫化時間下的E和F，見表1。

從表1可以看出：硫化時間16 min開模時，測試點1的E為12.35，F為1.22；硫化時間39 min全程測試結束時，測試點1的E為14.70，F為1.46，F均達到企業標準（≥1.1）的要求。

表1 測試點1的E和F

采用同樣的方法，可以計算出各測試點開模時和測試結束時的E和F，見表2。

從表2可以看出：除了上、下模（胎圈）氣密層膠內表面（測試點7和8）開模時的F低于1.1以外，其它測試點均達到了企業標準要求。利用開模后的后硫化效應，測試點7和8測試結束時的F分別達到1.11和1.13，滿足企業標準的要求。

表2 各測試點開模時和測試結束時的E和F

根據以上測試與計算，195/60R15 88H轎車子午線輪胎各測試點在測試結束時F全部達到企業標準要求。結合我公司半鋼子午線輪胎硫化工藝，最終制定出該規格輪胎的硫化工藝，見表3。

表3 195/60R15 88H轎車子午線輪胎的硫化工藝

3 成品輪胎性能

3.1 物理性能

用以上硫化條件生產195/60R15 88H成品輪胎，并進行物理性能測試，結果見表4。

表4 成品輪胎的物理性能

從表4可以看出，成品輪胎物理性能均達到企業標準的要求，滿足使用需要。

3.2 耐久性能

按照企業標準進行成品輪胎耐久性能試驗，試驗速度為120 km·h－1，結果見表5。

從表5可以看出：成品輪胎行駛時間達到67.5 h，滿足企業標準（≥67.5 h）要求，試驗結束時輪胎未損壞。

表5 成品輪胎的耐久性能

3.3 高速性能

按照企業標準進行成品輪胎高速性能試驗，試驗氣壓為280 kPa，負荷為448 kg。成品輪胎高速性能試驗結果如表6所示。

從表6可以看出：試驗結束時成品輪胎最高速度達到220 km·h－1，行駛13 min后才出現肩部脫層，達到了企業標準要求（在速度不低于220 km·h-1條件下行駛1 min以上）。

表6 成品輪胎的高速性能

4 結語

采用熱電偶法研究195/60R15 88H轎車子午線輪胎的硫化時間。根據測溫和計算分析，確定在外部熱板蒸汽溫度173 ℃、內部過熱水溫度193 ℃下，輪胎硫化總時間為16 min，各測試點在測試結束時F全部達到企業標準要求。用該硫化工藝生產的成品輪胎物理性能、耐久性能和高速性能均達到企業標準要求，完全能滿足使用需要。熱電偶法能較全面地反映出輪胎各部位膠料的硫化效果，對于判定產品尤其是新產品硫化條件的適宜性，提高產品質量具有重要的意義。