碳納米管在轎車(chē)輪胎高導(dǎo)熱硫化膠囊中的應(yīng)用

賈進(jìn)義，劉 鵬，丁全勇

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

近年來(lái)，轎車(chē)輪胎的硫化工藝向高溫高壓方向發(fā)展。輪胎硫化過(guò)程中外部模具和內(nèi)部膠囊同時(shí)向胎坯傳遞熱量，使胎坯內(nèi)的橡膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，橡膠大分子相互交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[1-7]。在硫化過(guò)程中，硫化膠囊負(fù)責(zé)將過(guò)熱水或過(guò)飽和蒸汽等硫化介質(zhì)的熱量從內(nèi)部傳遞給胎坯，硫化膠囊的導(dǎo)熱系數(shù)越大，輪胎硫化效率越高，同時(shí)硫化膠囊還需具有良好的物理性能，以保證其使用次數(shù)[8-10]。

本工作研究碳納米管在轎車(chē)輪胎高導(dǎo)熱硫化膠囊中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

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

1.2 配方

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

試驗(yàn)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(chǎn)配方。

1.3 主要設(shè)備和儀器

XM-250型密煉機(jī)和XK-660型開(kāi)煉機(jī)，大連橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品；MDR2000E型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀、MV2000型門(mén)尼粘度儀和T2000電子拉力機(jī)，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；TPS2200型導(dǎo)熱系數(shù)儀，瑞典HOT DISK AB公司產(chǎn)品；GT-7017-ELU型熱氧老化箱，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；Squirrel 2020型硫化測(cè)溫儀，英國(guó)Grant公司產(chǎn)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(jī)中和XK-660型開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行。一段混煉初始轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20 r·min-1）→壓壓砣（100 s）→排膠（170 ℃）至開(kāi)煉機(jī)→持續(xù)混煉4 min→下片；二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20 r·min-1，壓砣初始?jí)毫?.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(hù)蠟RW227→壓壓砣（60 s，壓砣壓力調(diào)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(kāi)煉機(jī)→持續(xù)混煉至膠料溫度≤105℃（輥筒溫度為65 ℃）→2/3硫化樹(shù)脂SP-1045→持續(xù)混煉3 min→剩余1/3硫化樹(shù)脂SP-1045→持續(xù)混煉3 min（左、右割刀各不少于3次）→下片。

為了確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，除碳納米管外的物料均采用相同批次，試驗(yàn)配方和生產(chǎn)配方的膠料在同班次同機(jī)臺(tái)生產(chǎn)；膠囊硫化工藝條件相同。

1.5 性能測(cè)試

膠料各項(xiàng)性能均按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)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(jiàn)，與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗(yàn)配方膠料的門(mén)尼粘度顯著提高，門(mén)尼焦燒時(shí)間縮短約1.5 min，密度相當(dāng)，邵爾A型硬度、定伸應(yīng)力和撕裂強(qiáng)度（最小值）明顯增大，拉伸強(qiáng)度略有增大，拉斷伸長(zhǎng)率顯著減小，拉斷永久變形增大，導(dǎo)熱系數(shù)增大約33%。綜上所述，試驗(yàn)配方膠料的加工難度較生產(chǎn)配方膠料可能增大，硫化膠囊生產(chǎn)過(guò)程中需注意防止膠料焦燒，提高硫化機(jī)注射壓力，保證膠料良好的流動(dòng)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(guān)，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(jiàn)，與生產(chǎn)配方膠料相比，老化后試驗(yàn)配方膠料的邵爾A型硬度、100%定伸應(yīng)力和撕裂強(qiáng)度（最小值）增大，拉伸強(qiáng)度相當(dāng)，拉斷伸長(zhǎng)率和拉斷永久變形明顯減小，導(dǎo)熱系數(shù)增大約32%。綜上所述，試驗(yàn)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(chǎn)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(chǎn)配方膠料相比，試驗(yàn)配方膠料的一段混煉工藝性能相當(dāng)，膠料不散碎、不脫輥，下片后膠料表面光滑；二段混煉時(shí)升溫速率略大，混煉時(shí)間短，因此采用低壓砣壓力和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速混煉后，膠料下片良好。試驗(yàn)配方硫化膠囊制作過(guò)程中的注射壓力、硫化溫度、硫化時(shí)間等均與生產(chǎn)配方硫化膠囊相同，成品外觀(guān)及斷面良好，未見(jiàn)氣泡等缺陷，生產(chǎn)過(guò)程工藝性能良好。

2.3 硫化效率

使用試驗(yàn)配方和生產(chǎn)配方硫化膠囊在同一工廠(chǎng)相同機(jī)臺(tái)和班次硫化205/65R16輪胎，測(cè)試硫化膠囊上表面（輪胎上胎圈內(nèi)側(cè)）、中表面（輪胎氣密層中部表面）、下表面（輪胎下胎圈內(nèi)表面）在硫化過(guò)程中的溫度變化，結(jié)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(yàn)配方硫化膠囊上表面、中表面、下表面的起始溫度較生產(chǎn)配方硫化膠囊高，升溫快。試驗(yàn)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(chǎn)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(gè)硫化過(guò)程中，試驗(yàn)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(chǎn)配方硫化膠囊高。

綜上可知，試驗(yàn)配方硫化膠囊的導(dǎo)熱系數(shù)更大，熱傳導(dǎo)效率高，輪胎達(dá)到合適硫化程度所需硫化時(shí)間更短。根據(jù)時(shí)溫等效原理計(jì)算，試驗(yàn)配方和生產(chǎn)配方硫化膠囊硫化相同硫化程度的205/65R16輪胎所需時(shí)間分別為10.8和11.4 min。可見(jiàn)，試驗(yàn)配方硫化膠囊的最佳硫化時(shí)間比生產(chǎn)配方硫化膠囊縮短0.6 min，硫化效率提升約5.5%。對(duì)于年產(chǎn)能1 000萬(wàn)條輪胎的工廠(chǎng)，若全部使用試驗(yàn)配方硫化膠囊硫化輪胎，輪胎年產(chǎn)量可提升約50萬(wàn)條。

2.4 使用次數(shù)

使用試驗(yàn)配方和生產(chǎn)配方硫化膠囊（各20個(gè)）在相同機(jī)臺(tái)硫化185/60R15輪胎的平均使用次數(shù)分別為432和398。可見(jiàn)，試驗(yàn)配方硫化膠囊比生產(chǎn)配方硫化膠囊使用次數(shù)多34次，提升約8.5%。

3 結(jié)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(dǎo)熱系數(shù)增大，生產(chǎn)工藝性能良好，硫化膠囊的使用次數(shù)增多，輪胎硫化時(shí)間縮短，硫化效率提高，生產(chǎn)成本降低，能夠給企業(yè)帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益。