芳綸漿粕在自行車輪胎防刺層中的應(yīng)用

羅乃良，許 敏，葉 之

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018）

將芳綸纖維用于自行車輪胎中，既可保證輪胎強(qiáng)度，又能達(dá)到輕量化的目的[1-2]。本工作研究芳綸短纖維在自行車輪胎防刺層中的應(yīng)用。首先確定輪胎防刺層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其次分析芳綸短纖維對膠料的增強(qiáng)效果及其用量對膠料性能的影響，最后研究輪胎性能的影響因素。

1 芳綸短纖維防刺層輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在自行車輪胎簾布層與胎面膠之間增加一層芳綸短纖維防刺層（如圖1所示）能有效增強(qiáng)輪胎的抗刺扎能力。雖然鐵釘?shù)燃怃J物會刺穿輪胎的胎面膠，但在接觸到芳綸短纖維防刺層時，在輪胎內(nèi)壓的支撐下，防刺層能很好地阻止外物的刺入，從而避免內(nèi)胎被刺破。

圖1 芳綸短纖維防刺層示意

2 芳綸短纖維在防刺層中的應(yīng)用

考慮芳綸短纖維防刺層自行車輪胎生產(chǎn)的可行性，防刺層的基本配方采用輪胎生產(chǎn)中應(yīng)用較廣的自行車輪胎胎面膠配方，在基本配方的基礎(chǔ)上考察不同芳綸短纖維用量的應(yīng)用效果。

2.1 芳綸短纖維增強(qiáng)效果分析

膠料中常用的短纖維增強(qiáng)材料包括纖維素纖維、棉纖維、聚酯纖維、錦綸纖維和芳綸纖維等[3-6]，它們都能提高膠料的強(qiáng)度。

芳綸漿粕上有微原纖，從三維形態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)，芳綸漿粕微原纖可以使芳綸漿粕與橡膠基體的結(jié)合更牢固[7]，如圖2所示。

圖2 芳綸漿粕在橡膠中的分散

長度6 mm以下未卷曲芳綸精切短纖維混煉時較難均勻分散。高比表面積（7～9 m2·g-1）的芳綸漿粕比較蓬松，容易產(chǎn)生靜電，也不易混入膠料，導(dǎo)致分散不均勻。為使芳綸漿粕能更好地分散在橡膠基體中，芳綸漿粕的混煉可以采用分散體或母料的方式，杜邦公司研發(fā)了一種相關(guān)專利技術(shù)，能將芳綸漿粕更好地分散到橡膠基體中，用這種方式制得的產(chǎn)品稱為Kevlar?EE。

試驗(yàn)證明Kevlar?EE芳綸漿粕增強(qiáng)膠料的復(fù)合模量隨芳綸漿粕含量的增大而提高，因此本研究使用Kevlar?EE芳綸漿粕。

2.2 芳綸漿粕用量對橡膠界面粘合的影響

為了表征膠料的模量和抵抗變形能力，研究了芳綸漿粕用量對膠料強(qiáng)伸性能的影響[8-9]，結(jié)果如表1所示。

表1 芳綸漿粕用量對膠料強(qiáng)伸性能的影響

由表1可見，隨著芳綸漿粕用量的增大，膠料的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度增大，界面滑脫伸長率減小，相對界面滑脫能沒有變化。

隨著外界拉伸力的逐步增大，防刺層的芳綸纖維與膠料間會發(fā)生界面間的滑移，最終產(chǎn)生界面滑脫，從而出現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的拐點(diǎn)。芳綸纖維膠料的相對界面滑脫能表現(xiàn)在膠料應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，相當(dāng)于曲線與橫坐標(biāo)圍成的近似三角形圖形的面積。使用相對界面滑脫能可以更直觀地反映膠料產(chǎn)生界面滑脫的能量。不同用量芳綸漿粕填充膠料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。由此分析也可得出芳綸漿粕用量對防刺層膠料相對界面滑脫能的影響不大。

圖3 不同用量芳綸漿粕膠料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 芳綸漿粕防刺層的制備

自行車輪胎芳綸漿粕防刺層的膠料制備過程包括橡膠塑煉→下片→膠片返煉→加入配合劑→防刺層壓片→冷卻→裁斷。

通過分析可以確定影響芳綸漿粕防刺層性能的主要因素有芳綸漿粕用量、防刺層厚度和輪胎硫化時間。芳綸漿粕防刺層膠料在密煉后，依據(jù)不同規(guī)格自行車輪胎的生產(chǎn)工藝參數(shù)，通過壓片機(jī)和裁斷機(jī)裁成不同厚度和寬度的防刺層膠片待用。

4 輪胎性能影響因素分析

4.1 芳綸漿粕用量

防刺層膠料中芳綸漿粕用量對胎體強(qiáng)度和粘合強(qiáng)度的影響如圖4所示。

圖4 芳綸漿粕用量對胎體強(qiáng)度和粘合強(qiáng)度的影響

由圖4可見，隨著芳綸漿粕用量的增大，胎體強(qiáng)度顯著提高，可提高輪胎的抗刺扎性能。這是由于隨著芳綸漿粕用量的增大，膠料的復(fù)合模量增大，從而使胎體強(qiáng)度相應(yīng)增大。

由圖4還可以看出，隨著芳綸漿粕用量的增大，胎體粘合性能下降，從而導(dǎo)致輪胎耐久性能降低。這主要是由于隨著芳綸漿粕用量的增大，膠料的粘合性能下降導(dǎo)致防刺層與簾布層的粘合性能明顯下降。

4.2 防刺層厚度

防刺層厚度對胎體強(qiáng)度和粘合強(qiáng)度的影響如圖5所示。

由圖5可見:隨著防刺層厚度的增大，胎體強(qiáng)度增大，輪胎的抗刺扎性能明顯提高；防刺層厚度對胎體粘合性影響規(guī)律不明顯。

圖5 防刺層厚度對胎體強(qiáng)度和粘合強(qiáng)度的影響

防刺層厚度越大，輪胎抗刺扎性能越優(yōu)異，但會增大輪胎的質(zhì)量，對輪胎的輕量化不利；防刺層厚度的增大也會增大輪胎的成本；過厚的防刺層不利于輪胎散熱，在輪胎行駛中易產(chǎn)生其他問題。

4.3 硫化時間

溫度、壓力和時間是輪胎硫化的三要素，其中溫度和壓力通常是一定的，因此硫化時間是影響輪胎性能的關(guān)鍵因素。硫化時間對橡膠制品的性能影響顯著[10-11]。

硫化時間對胎體強(qiáng)度和粘合強(qiáng)度的影響如圖6所示。

圖6 硫化時間對胎體強(qiáng)度和粘合強(qiáng)度的影響

由圖6可見:在輪胎正常硫化區(qū)間（8.5～9.5 min）內(nèi)，胎體強(qiáng)度和粘合性能波動較小；但當(dāng)輪胎處于欠硫和過硫的情況下，隨著欠硫和過硫程度的增大，胎體強(qiáng)度和粘合性能的下降幅度較大。

為了快速確定不同芳綸漿粕用量和防刺層厚度下輪胎的正硫化時間，可采用氣泡臨界點(diǎn)時間法。首先明確兩個定義，一個是氣泡點(diǎn)時間，即在一定的溫度和壓力下硫化，輪胎恰好出現(xiàn)氣泡的時間；另一個是氣泡臨界點(diǎn)時間，即在一定的溫度和壓力下硫化，氣泡恰好消失的時間。例如:某規(guī)格輪胎在現(xiàn)有溫度、壓力下，不同硫化時間的氣泡情況如圖7所示，則可得出該規(guī)格輪胎的氣泡點(diǎn)時間為8.5 min，氣泡臨界點(diǎn)時間為9.0 min。

圖7 不同硫化時間下輪胎的硫化氣泡情況

初始?xì)馀菖R界點(diǎn)時間的設(shè)定可根據(jù)相似的規(guī)格，初步確定該規(guī)格輪胎的氣泡臨界點(diǎn)時間，即以暫定硫化時間減去安全時間。實(shí)測氣泡臨界點(diǎn)時間法是按初始?xì)馀菖R界點(diǎn)時間硫化輪胎，若沒有出現(xiàn)氣泡，則再適當(dāng)縮短硫化時間（根據(jù)具體規(guī)格每次遞減15～60 s），直至找到氣泡臨界點(diǎn)時間；若出現(xiàn)氣泡，則適當(dāng)延長硫化時間（根據(jù)氣泡的位置及大小遞增），直至找到氣泡臨界點(diǎn)時間。

確認(rèn)輪胎氣泡點(diǎn)時應(yīng)趁熱切開輪胎，觀察輪胎斷面（包括上下模之胎面、簾布層間、胎圈等部位）是否出現(xiàn)氣泡現(xiàn)象，并予以標(biāo)示。

正硫化時間為氣泡臨界點(diǎn)時間、安全時間與季節(jié)因素影響時間之和。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，氣泡臨界點(diǎn)時間為≤5，5～7，8～14，15～18和≥18 min時安全時間分別為1，2，3，4 min和氣泡臨界點(diǎn)時間的20%。

5 結(jié)論

分析對比了芳綸短纖維與芳綸漿粕對橡膠的增強(qiáng)效果，確定采用Kevlar?EE芳綸漿粕制備自行車輪胎防刺層，并研究芳綸漿粕用量、防刺層厚度和硫化時間對胎體強(qiáng)度和粘合性能的影響，結(jié)論如下:

（1）隨著芳綸漿粕用量的增大，胎體強(qiáng)度明顯提高，但粘合性能下降；

（2）隨著防刺層厚度的增大，胎體強(qiáng)度增大，粘合強(qiáng)度變化趨勢不規(guī)律；

（3）在輪胎正常硫化區(qū)間內(nèi)，胎體強(qiáng)度和粘合性能波動較小；但當(dāng)輪胎處于欠硫或過硫狀態(tài)下，隨著欠硫和過硫程度的增大，胎體強(qiáng)度和粘合性能下降幅度較大。

為了解關(guān)鍵工藝參數(shù)對輪胎性能的綜合影響，后期的研究計(jì)劃引入均勻設(shè)計(jì)方法，并在其基礎(chǔ)上用GMDH回歸建模方法建立回歸方程。