轮胎过渡层与气密层胶料掺用比的研究

吴忠成，李红卫，刘华侨，顾培霜，朱家顺

[特拓（青岛）轮胎技术有限公司，山东 青岛 266100]

轮胎在车辆行驶过程中兼具安全、承载、减震和牵引的功能，轮胎主要靠以丁基橡胶（IIR）为主体材料的气密层保持充气压力。早期的轮胎气密层和胎体采用分层设计并且分别硫化。随着技术的进步，轮胎气密层和胎体逐渐采用一体式设计，在成型工艺中气密层与胎体贴合在一起并进行整体硫化。相比于气密层分层设计，一体化设计减少了能量损耗，节省燃油，更少的部件也有利于轮胎生产工艺控制。此外，当轮胎被钉子刺扎后，分层设计的气密层会马上“塌陷”，轮胎整体严重变形，危害行驶安全；而一体化设计轮胎被钉子刺扎后，只要钉子不被拔出，轮胎仍能够保持形状，行驶安全性较好[1-3]。

一体化设计气密层在硫化前需要与胎体紧密地物理贴合，防止硫化时脱层、起泡，硫化后气密层要和胎体结合良好，不能在使用过程中脱层[4]。但IIR粘合性能较差，轮胎企业使用天然橡胶（NR）为主体材料的胶料作为过渡层，利用NR粘性好的特点，提高气密层与胎体的粘合性能。成型时过渡层与气密层胶料通过压延机贴合在一起制成复合胶片，然后裁剪成宽度相同的胶片，裁剪后会产生多余的复合胶片，由于IIR具有污染性[5]，多余的复合胶片只能掺用到气密层胶料中使用，如果掺入过渡层胶料中，会造成过渡层胶料硫化不足。

本工作研究轮胎过渡层胶与气密层胶掺用比（以下简称掺用比）对胶料性能的影响，以便对轮胎企业的生产工艺调整提供参考。

1 实验

1.1 主要原材料

溴化丁基橡胶（BIIR），牌号2222，美国埃克森美孚化工有限公司产品；NR，牌号STR20，泰国正大农业集团公司产品；环保油V500，宁波汉圣化工有限公司产品；炭黑N660，江西黑猫炭黑股份有限公司产品；氧化锌，山东博奥实业有限公司产品；硬脂酸，广州卓迪化工有限公司产品；硫黄，中雅化工有限公司产品；促进剂CBS和DM，宁波艾克姆新材料有限公司产品。

1.2 配方

气密层：BIIR 80，NR 20，炭黑N660 70，氧化锌 2，硬脂酸 1，环保油V500 5，防老剂4020 1，硫黄 1，促进剂DM 1.5。

过渡层：NR 100，炭黑N660 60，氧化锌4，硬脂酸 2，环保油V500 5，防老剂4020 2，防老剂RD 1，硫黄 1.8，促进剂CBS 1。

1.3 主要设备和仪器

Φ160 mm×320 mm型开炼机和X（S）M-1.6L型密炼机，青岛科技大学混炼工程研究室产品；MM4130C型无转子硫化仪，高特威尔检测仪器（青岛）有限公司产品；UT-2060型拉力试验机，优肯科技股份有限公司产品；VAC-V2型压差法气体渗透仪，济南兰光机电技术有限公司产品；H17A型邵尔A电子硬度计，华莱士有限公司产品。

1.4 试样制备

气密层和过渡层胶料均采用2段混炼工艺。气密层胶料混炼时，促进剂DM于一段混炼加入，氧化锌和硫黄于二段混炼加入；过渡层胶料混炼时，氧化锌于一段混炼加入，硫黄和促进剂CBS于二段混炼加入。

一段混炼在密炼机内进行，转子转速为55 r·min-1，总混炼时间为5 min，冷却水温度为40℃，排胶温度控制在160 ℃以下。混炼工艺为：生胶→压压砣30 s→小料和1/2炭黑→压压砣60 s→1/2炭黑和油→压压砣90 s→提压砣、清扫→压压砣120 s→排胶→开炼机上下片冷却。

二段混炼在开炼机上进行，辊温设为40 ℃，一段混炼胶包辊后加入终炼药品，薄通3次，打三角包8次，下片停放。按照表1的4个方案分别在开炼机上掺混两种胶料，各薄通5次，打三角包10次。

表1 不同比例气密层和过渡层的掺混方案

1.5 性能测试

（1）气密性按照GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》进行测试，采用99%高纯氧气，抽真空12 h，气体压力为0.5 MPa，循环水温度为23 ℃，硫化试片厚度为1 mm。

（2）加工性能按照GB/T 1232.1—2016《未硫化橡胶 用圆盘剪切粘度进行测定 第1部分：门尼粘度的测定》进行测试。

（3）硫化特性按照GB/T 16584—1996进行测试。

（4）密度按照GB/T 533—2008进行测试；硬度按照GB/T 531.1—2008进行测试；拉伸性能按照GB/T 528—2009进行测试，使用Ⅰ型裁刀。

2 结果与讨论

2.1 气密性

不同掺用比胶料的气体透过系数见表2。

表2 不同掺用比胶料的气体透过系数×1014[cm3·cm·（cm2·s·Pa）-1]

从表2可以看出：掺用过渡层胶料后，胶料气体透过系数增大，气密性有所降低；当掺用比为8%和11%时，胶料气体透过系数仅增大31%和50%；当掺用比为18%时，胶料气体透过系数增大183%。这是因为NR气密性不如IIR[6]，在气密层胶中掺用以NR为主的过渡层胶料后，影响了气密层胶料的气密性。根据轮胎实车里程测试经验，当气体透过系数不大于10×10-14[cm3·cm·（cm2·s·Pa）-1]时，轮胎气密性可以达到使用要求。因此过渡层胶在气密层胶料中的最大掺用比应不大于11%。

2.2 门尼粘度和硫化特性

不同掺用比胶料的门尼粘度和硫化特性如表3所示。

从表3可以看出，随着掺用比的增大，胶料门尼粘度和t10变化不大，t5、t90和t100延长，硫化速度变慢，这可能是由于掺用过渡层胶后促进剂DM在胶料中的占比降低。

表3 不同掺用比胶料的加工性能和硫化特性

2.3 物理性能

不同掺用比胶料的物理性能如表4所示，硫化条件为160 ℃×20 min。

表4 不同掺用比胶料的物理性能

从表4可以看出：不同掺用比胶料的的拉伸强度、撕裂强度和耐屈挠性能变化不大，密度稍有降低；随着掺用比增大，胶料硬度稍有增大，100%和300%定伸应力先增大后减小，拉断伸长率和拉伸永久变形减小。

3 结论

随着过渡层胶在气密层胶中的掺用比增大，胶料气密性逐渐下降，掺用比大于11%时，气密性明显变差；门尼粘度变化不大，焦烧时间延长，硫化速度变慢；硫化胶密度降低，硬度略有增大，定伸应力先增大后减小，拉伸强度、撕裂强度和耐屈挠性能变化不大，拉断伸长率减小，成本降低。