輪胎輻射預(yù)硫化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

韓秀東

（江蘇達(dá)勝加速器制造有限公司，江蘇 蘇州 215214）

子午線輪胎在成型或硫化時(shí)受較大的作用力，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變化。根據(jù)輪胎生產(chǎn)工藝和輪胎部件尺寸的要求，選擇適當(dāng)?shù)碾娮蛹铀倨鲗?duì)輪胎部件進(jìn)行輻射預(yù)硫化，可以提高膠料強(qiáng)度，增強(qiáng)輪胎部件尺寸穩(wěn)定性，節(jié)約用膠量，從而提升輪胎質(zhì)量并降低生產(chǎn)能耗。

1 輪胎輻射預(yù)硫化技術(shù)發(fā)展概況

20世紀(jì)50年代末，國(guó)外就開(kāi)始研究輪胎輻射預(yù)硫化技術(shù)。20世紀(jì)80年代美國(guó)費(fèi)爾斯通公司建成世界第1條輪胎輻射預(yù)硫化生產(chǎn)線。之后，美國(guó)最大的輪胎企業(yè)固特異公司采用了輻射預(yù)硫化技術(shù)，日本和前蘇聯(lián)等國(guó)家的輪胎企業(yè)也相繼推廣了該技術(shù)。20世紀(jì)80-90年代，為提高輪胎質(zhì)量、減小用膠量和降低生產(chǎn)能耗等，法國(guó)米其林公司、德國(guó)大陸公司、美國(guó)寶蘭山公司等世界著名輪胎企業(yè)紛紛采用該技術(shù)。日本排名前3位的輻射加工應(yīng)用領(lǐng)域是輪胎、電纜電線和發(fā)泡材料行業(yè)。1977年日本安裝了第1臺(tái)用于輪胎膠料預(yù)硫化的電子加速器，1987年增加到8臺(tái)，2005年日本日新高電壓公司生產(chǎn)的300多臺(tái)電子加速器中60多臺(tái)用于輪胎行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前美國(guó)和日本輪胎輻射產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值分別為醫(yī)療用品輻射產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的2.8倍和3.6倍，日本90%以上的子午線輪胎經(jīng)過(guò)輻射預(yù)硫化處理。

由于發(fā)達(dá)國(guó)家輪胎輻射預(yù)硫化技術(shù)保密，再加上我國(guó)輪胎行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較低、電子加速器和輻射工藝成本較高，制約了我國(guó)輪胎輻射預(yù)硫化技術(shù)的發(fā)展。自2004年我國(guó)引進(jìn)輪胎輻射預(yù)硫化技術(shù)以來(lái)，該技術(shù)已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)輻射加工行業(yè)和輪胎行業(yè)的極大關(guān)注。特別是近幾年，國(guó)產(chǎn)大功率低能電子加速器性能有了長(zhǎng)足的發(fā)展，江蘇達(dá)勝加速器制造有限公司研制生產(chǎn)的低能耗、大束流、高功率加速器與國(guó)外同級(jí)別產(chǎn)品性能相當(dāng)，這為我國(guó)輪胎輻射預(yù)硫化技術(shù)升級(jí)提供了性能可靠、成本低廉的裝備支持。

輪胎市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，高性能輪胎、特種輪胎和綠色輪胎的需求日益增大，輪胎工業(yè)必須引進(jìn)新技術(shù)，不斷研發(fā)創(chuàng)新。輪胎輻射預(yù)硫化技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)非常成熟，而在我國(guó)起步較晚。隨著輪胎產(chǎn)業(yè)政策和綠色輪胎產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的出臺(tái)，我國(guó)輪胎產(chǎn)業(yè)面臨新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，輻射預(yù)硫化技術(shù)在我國(guó)輪胎行業(yè)的應(yīng)用前景非常廣闊。

2 輪胎輻射預(yù)硫化技術(shù)特征

輻射加工是指用γ射線、能量低于5 MeV電子束產(chǎn)生的X射線或能量低于10 MeV電子束對(duì)材料進(jìn)行輻射處理。目前輻射加工主要應(yīng)用于消毒滅菌、輻射交聯(lián)、環(huán)保處理和半導(dǎo)體器件改性4個(gè)方面。作為民用非動(dòng)力核技術(shù)，我國(guó)的輻射加工產(chǎn)業(yè)與美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家差距還很大。

2.1 輪胎輻射預(yù)硫化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

輻射預(yù)硫化是利用電子束或γ射線，在常溫常壓下使橡膠實(shí)現(xiàn)交聯(lián)的一種加工方法。橡膠輻射預(yù)硫化研究始于20世紀(jì)40年代，經(jīng)過(guò)70多年的發(fā)展，橡膠輻射預(yù)硫化技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室研究邁向工業(yè)化應(yīng)用。天然橡膠和合成橡膠經(jīng)過(guò)高能射線作用，形成C—C鍵交聯(lián)結(jié)構(gòu)，隨著輻射劑用量增大，膠料的物理性能改善。輻射預(yù)硫化避免了傳統(tǒng)熱硫化膠料內(nèi)部溫度呈梯度變化而導(dǎo)致的交聯(lián)不均勻。由于具有節(jié)能、降低成本及提高產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)橡膠輻射預(yù)硫化技術(shù)逐漸受到業(yè)界的關(guān)注。

輪胎輻射預(yù)硫化不改變?cè)a(chǎn)工藝，僅用電子加速器對(duì)輪胎部件進(jìn)行輻射，使其產(chǎn)生輕度交聯(lián)，即預(yù)硫化。預(yù)硫化提高了膠料強(qiáng)度，使各部件初步定型，在后續(xù)工序中不會(huì)產(chǎn)生變形或流溢而影響輪胎的尺寸，顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量與性能。

總的來(lái)說(shuō)，輪胎預(yù)硫化技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）輪胎部件經(jīng)輻射預(yù)硫化后強(qiáng)度增大，尺寸穩(wěn)定性好，在成型和硫化過(guò)程中不會(huì)拉伸變薄或發(fā)生簾線位移，輻射預(yù)硫化對(duì)胎體變形的改善示意見(jiàn)圖1；（2）采用輻射預(yù)硫化的輪胎部件可適當(dāng)減薄而不影響輪胎性能，從而降低原材料成本，減小輪胎質(zhì)量，減小燃油消耗量；（3）采用輻射預(yù)硫化的輪胎膠料可以加入較高比例的合成橡膠；（4）輻射預(yù)硫化能改善輪胎硫化內(nèi)外溫度不均勻造成的輪胎硫化程度不均勻；（5）輻射硫化與熱硫化配合使用，可以提高輪胎部件的耐熱性能；（6）硫化時(shí)間縮短，降低能耗；（7）氣密層膠經(jīng)輻射預(yù)硫化后強(qiáng)度提高，耐久性能提高。

圖1 輻射預(yù)硫化對(duì)胎體變形的改善示意

2.2 電子束加速器與輻射預(yù)硫化工藝

電子加速器是使電子在高壓真空?qǐng)鲋惺艽艌?chǎng)力控制、電場(chǎng)力加速而提供高能電子束的現(xiàn)代化的設(shè)備。用于輪胎輻射預(yù)硫化的電子加速器一般為自屏蔽高頻高壓型電子加速器，其主要技術(shù)參數(shù)為：電壓500 keV，電流60 mA，功率30 kW，掃描寬度180 cm。該設(shè)備具有節(jié)省空間（占地面積約10 m2）、束流大、處理量大、輻射場(chǎng)穩(wěn)定、易維護(hù)和安全性好等優(yōu)點(diǎn)。電子束加速器對(duì)胎體的輻射預(yù)硫化如圖2所示。

圖2 電子束加速器對(duì)胎體的輻射預(yù)硫化示意

輻射預(yù)硫化分為壓延機(jī)聯(lián)機(jī)輻射和獨(dú)立輻射2種工藝。壓延機(jī)聯(lián)機(jī)輻射工藝又稱一體化工藝，這種工藝是將電子加速器及其束下設(shè)備嵌入壓延生產(chǎn)線，成為壓延的一個(gè)工藝階段。該工藝借用壓延機(jī)的各種資源與設(shè)備，具有成本低、生產(chǎn)穩(wěn)定和高效的優(yōu)點(diǎn)。壓延機(jī)聯(lián)機(jī)輻射工藝如圖3所示。

圖3 壓延機(jī)聯(lián)機(jī)輻射工藝示意

獨(dú)立輻射工藝獨(dú)立于壓延工藝之外，除了加速器及束下設(shè)備外，具有獨(dú)立的卷曲、導(dǎo)開(kāi)、接頭、牽引、糾偏和儲(chǔ)布等裝置，除了處理胎體以外，還可以處理輪胎的其他部件，實(shí)現(xiàn)多樣化生產(chǎn)。獨(dú)立輻射工藝的處理速度在0~40 m·min-1內(nèi)可調(diào)，甚至可以更高。

通過(guò)上述手段把現(xiàn)代教育技術(shù)與高中生物教學(xué)深度融合在一起，可以幫助高中生物教師改變授課方式單一、授課內(nèi)容受局限的現(xiàn)狀，拓展學(xué)生對(duì)未知生物學(xué)的視野，降低學(xué)生對(duì)高中生物教學(xué)內(nèi)容理解的難度，達(dá)到很好的教學(xué)效果。

3 輻射預(yù)硫化輪胎性能

理論上，胎體、帶束層、鋼絲圈、氣密層、胎圈包布、胎側(cè)膠和胎面膠等各個(gè)部件均可以采用輻射預(yù)硫化技術(shù)。由于各部件的功能不同，對(duì)其實(shí)行預(yù)硫化的效果也不同，目前輻射預(yù)硫化技術(shù)主要用于胎體、氣密層和帶束層的預(yù)硫化。

3.1 高速低斷面子午線輪胎

采用輻射預(yù)硫化工藝與普通熱硫化工藝試制的205/40ZR17高速低斷面子午線輪胎性能對(duì)比如表1所示[1]。

從表1可以看出：與普通熱硫化輪胎相比，輻射預(yù)硫化輪胎質(zhì)量減小，高速性能提高，最小破壞能增大，動(dòng)平衡性能和均勻性提高，滾動(dòng)阻力降低。

表1 輻射預(yù)硫化與普通熱硫化205/40ZR17輪胎性能對(duì)比

3.2 半鋼子午線輪胎

北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院用輻射預(yù)硫化和不輻射預(yù)硫化的胎體和帶束層分別制備3種165/70R13 83 T半鋼子午線輪胎，即1#輪胎（輻射預(yù)硫化胎體/未輻射預(yù)硫化帶束層）、2#輪胎（輻射預(yù)硫化胎體/輻射預(yù)硫化帶束層）和3#輪胎（未輻射預(yù)硫化胎體/未輻射預(yù)硫化帶束層）。在耐久性能試驗(yàn)中，3種輪胎均累計(jì)行駛100 h，累計(jì)行駛里程8000 km，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)均未損壞。耐久性能試驗(yàn)結(jié)束后3種輪胎氣壓和尺寸變化率見(jiàn)表2。

從表2可以看出：用輻射預(yù)硫化胎體和輻射預(yù)硫化帶束層制備的2#輪胎氣壓變化率最小，外直徑和斷面寬變化率也最小，可見(jiàn)輻射預(yù)硫化技術(shù)對(duì)保持輪胎尺寸穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品性能具有積極的意義。

表2 耐久性能試驗(yàn)結(jié)束后3種輪胎氣壓和尺寸變化率

4 投資效益

在我國(guó)輪胎企業(yè)所需的橡膠原材料中，70%的天然橡膠和40%的合成橡膠都依賴進(jìn)口，節(jié)約橡膠材料以降低成本是每個(gè)輪胎廠的關(guān)注點(diǎn)。采用輻射預(yù)硫化技術(shù)提高輪胎質(zhì)量、降低輪胎損耗已是刻不容緩的舉措。

表3 胎體輻射預(yù)硫化的經(jīng)濟(jì)效益

從表3可以看出，胎體采用輻射預(yù)硫化技術(shù)后，該廠每年可以節(jié)省成本4930萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

暫不考慮采用輻射預(yù)硫化工藝后膠料擠出速度加快、壓延設(shè)備折舊等因素，簡(jiǎn)單計(jì)算采用該技術(shù)每年新增運(yùn)營(yíng)成本，見(jiàn)表4。

表4 胎體采用輻射預(yù)硫化工藝每年新增運(yùn)營(yíng)成本

可以看出，輻射預(yù)硫化設(shè)備整機(jī)價(jià)格500萬(wàn)元加上每年運(yùn)營(yíng)成本115萬(wàn)元，合計(jì)615萬(wàn)元，該規(guī)模的輪胎企業(yè)數(shù)月內(nèi)即可收回設(shè)備投資。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)輪胎行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的進(jìn)一步加劇，輪胎銷售遇阻、行業(yè)利潤(rùn)增幅下降、產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題依然存在。我國(guó)輪胎企業(yè)應(yīng)積極規(guī)避落后產(chǎn)能，注重新技術(shù)的引進(jìn)和和高性能產(chǎn)品的研發(fā)，推動(dòng)行業(yè)整體的優(yōu)化升級(jí)。目前日本和美國(guó)的單胎平均耗膠量在7 kg左右，而我國(guó)的單胎平均耗膠量則超過(guò)10 kg。節(jié)約橡膠資源、降低成本、實(shí)現(xiàn)輪胎輕量化是我國(guó)輪胎行業(yè)亟待解決的問(wèn)題，輻射預(yù)硫化技術(shù)將成為提升我國(guó)輪胎行業(yè)技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量的有效舉措。