熱電偶法研究195/60R15 88H轎車子午線輪胎的硫化時(shí)間

李世軍 ，鄔素華

（1.天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)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(jié)構(gòu)復(fù)雜。輪胎硫化是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)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(shí)間不能直接作為輪胎整體的硫化時(shí)間。輪胎硫化時(shí)間的確定通常采用寧過勿欠的傳統(tǒng)方法，但該方法延長了硫化時(shí)間，產(chǎn)品普遍存在過硫現(xiàn)象，這不僅降低了輪胎性能，還造成了能源浪費(fèi)。因此，確定合理的硫化時(shí)間是輪胎開發(fā)過程中必須面對和解決的問題。

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

熱電偶法利用化學(xué)反應(yīng)原理和數(shù)學(xué)計(jì)算確定輪胎的硫化條件，適用于任何品種和規(guī)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(diǎn)法那樣多次反復(fù)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(shí)間。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要儀器與設(shè)備

ZIW-16型測溫儀，北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院產(chǎn)品；MDR2000型硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；LLP-B120×1960×2A型雙模定型硫化機(jī)，福建三明化工機(jī)械廠產(chǎn)品。

1.2 測試點(diǎn)位置

本工作選取具有代表性的12個(gè)測試點(diǎn)，測試點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 測試點(diǎn)位置示意

1.3 初步硫化條件

參考我公司相似規(guī)格輪胎硫化工藝，初步制定195/60R15 88H轎車子午線輪胎硫化時(shí)內(nèi)壓過熱水循環(huán)時(shí)間為4.5 min，不循環(huán)時(shí)間為8 min，硫化總時(shí)間為16 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化溫度系數(shù)（K）的確定

根據(jù)范特霍夫法則，硫化溫度和硫化時(shí)間的關(guān)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(yīng)的正硫化時(shí)間，min。

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

2.2 計(jì)算方法

硫化強(qiáng)度（I）計(jì)算公式為：

式中，K為1.88；T為實(shí)際硫化溫度，℃；T0為規(guī)定硫化溫度，取160 ℃。

硫化效應(yīng)（E）即等效硫化時(shí)間計(jì)算公式為：

式中，Δt為測溫間隔時(shí)間，min。

硫化效果（F）的計(jì)算公式為：

式中，t0為規(guī)定硫化溫度下各部位膠料的正硫化時(shí)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(jì)算

在外部熱板蒸汽溫度173 ℃、內(nèi)部過熱水溫度193 ℃下進(jìn)行輪胎硫化，并每間隔1 min測量各測試點(diǎn)的溫度，繪制成硫化溫度-時(shí)間曲線，見圖2和3；用公式（2）和（3）計(jì)算E，繪制出各測試點(diǎn)的E-硫化時(shí)間曲線，見圖4和5，用公式（4）計(jì)算F。

圖2 測試點(diǎn)1～6的硫化溫度-時(shí)間曲線

圖3 測試點(diǎn)7～12的硫化溫度-時(shí)間曲線

圖4 測試點(diǎn)1～6的E-硫化時(shí)間曲線

從圖2～5可以看出：胎面膠中心上表面（測試點(diǎn)1）及上、下模胎圈膠外表面（測試點(diǎn)9和10）直接與硫化模具內(nèi)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(yīng)小，E較小。上、下模（胎側(cè)）氣密層膠表面（測試點(diǎn)5和6）處的硫化膠囊內(nèi)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(nèi)壓過熱水加熱結(jié)束后，由于內(nèi)壓冷卻水的加入，降溫較快，后硫化效應(yīng)較小。上、下模（胎圈）氣密層膠內(nèi)表面（測試點(diǎn)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(jié)束后內(nèi)壓冷卻水的加入，后硫化效應(yīng)也較小。帶束層上表面（測試點(diǎn)2），上、下模帶束層膠端點(diǎn)（測試點(diǎn)3和4）及上、下模三角膠下表面（測試點(diǎn)11和12）在膠層中部，硫化初期升溫較慢，E較??；但出模后降溫較慢，后硫化效應(yīng)較大。

圖5 測試點(diǎn)7～12的E-硫化時(shí)間曲線

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

從表1可以看出：硫化時(shí)間16 min開模時(shí)，測試點(diǎn)1的E為12.35，F(xiàn)為1.22；硫化時(shí)間39 min全程測試結(jié)束時(shí)，測試點(diǎn)1的E為14.70，F(xiàn)為1.46，F(xiàn)均達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（≥1.1）的要求。

表1 測試點(diǎn)1的E和F

采用同樣的方法，可以計(jì)算出各測試點(diǎn)開模時(shí)和測試結(jié)束時(shí)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(nèi)表面（測試點(diǎn)7和8）開模時(shí)的F低于1.1以外，其它測試點(diǎn)均達(dá)到了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。利用開模后的后硫化效應(yīng)，測試點(diǎn)7和8測試結(jié)束時(shí)的F分別達(dá)到1.11和1.13，滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 各測試點(diǎn)開模時(shí)和測試結(jié)束時(shí)的E和F

根據(jù)以上測試與計(jì)算，195/60R15 88H轎車子午線輪胎各測試點(diǎn)在測試結(jié)束時(shí)F全部達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。結(jié)合我公司半鋼子午線輪胎硫化工藝，最終制定出該規(guī)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(chǎn)195/60R15 88H成品輪胎，并進(jìn)行物理性能測試，結(jié)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(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，滿足使用需要。

3.2 耐久性能

按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行成品輪胎耐久性能試驗(yàn)，試驗(yàn)速度為120 km·h－1，結(jié)果見表5。

從表5可以看出：成品輪胎行駛時(shí)間達(dá)到67.5 h，滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（≥67.5 h）要求，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行成品輪胎高速性能試驗(yàn)，試驗(yàn)氣壓為280 kPa，負(fù)荷為448 kg。成品輪胎高速性能試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

從表6可以看出：試驗(yàn)結(jié)束時(shí)成品輪胎最高速度達(dá)到220 km·h－1，行駛13 min后才出現(xiàn)肩部脫層，達(dá)到了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(jié)語

采用熱電偶法研究195/60R15 88H轎車子午線輪胎的硫化時(shí)間。根據(jù)測溫和計(jì)算分析，確定在外部熱板蒸汽溫度173 ℃、內(nèi)部過熱水溫度193 ℃下，輪胎硫化總時(shí)間為16 min，各測試點(diǎn)在測試結(jié)束時(shí)F全部達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。用該硫化工藝生產(chǎn)的成品輪胎物理性能、耐久性能和高速性能均達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)品尤其是新產(chǎn)品硫化條件的適宜性，提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。