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(duì)膠料的增強(qiáng)效果及其用量對(duì)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(huì)刺穿輪胎的胎面膠，但在接觸到芳綸短纖維防刺層時(shí)，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(zhǎng)度6 mm以下未卷曲芳綸精切短纖維混煉時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)率減小，相對(duì)界面滑脫能沒(méi)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)防刺層膠料相對(duì)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(guò)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(guò)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(shí)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)胎體粘合性影響規(guī)律不明顯。

圖5 防刺層厚度對(duì)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(huì)增大輪胎的質(zhì)量，對(duì)輪胎的輕量化不利；防刺層厚度的增大也會(huì)增大輪胎的成本；過(guò)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(wèn)題。

4.3 硫化時(shí)間

溫度、壓力和時(shí)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(shí)間是影響輪胎性能的關(guān)鍵因素。硫化時(shí)間對(duì)橡膠制品的性能影響顯著[10-11]。

硫化時(shí)間對(duì)胎體強(qiáng)度和粘合強(qiáng)度的影響如圖6所示。

圖6 硫化時(shí)間對(duì)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(dòng)較?。坏?dāng)輪胎處于欠硫和過(guò)硫的情況下，隨著欠硫和過(guò)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(shí)間，可采用氣泡臨界點(diǎn)時(shí)間法。首先明確兩個(gè)定義，一個(gè)是氣泡點(diǎn)時(shí)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(shí)間；另一個(gè)是氣泡臨界點(diǎn)時(shí)間，即在一定的溫度和壓力下硫化，氣泡恰好消失的時(shí)間。例如:某規(guī)格輪胎在現(xiàn)有溫度、壓力下，不同硫化時(shí)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(shí)間為8.5 min，氣泡臨界點(diǎn)時(shí)間為9.0 min。

圖7 不同硫化時(shí)間下輪胎的硫化氣泡情況

初始?xì)馀菖R界點(diǎn)時(shí)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(shí)間，即以暫定硫化時(shí)間減去安全時(shí)間。實(shí)測(cè)氣泡臨界點(diǎn)時(shí)間法是按初始?xì)馀菖R界點(diǎn)時(shí)間硫化輪胎，若沒(méi)有出現(xiàn)氣泡，則再適當(dāng)縮短硫化時(shí)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(shí)間；若出現(xiàn)氣泡，則適當(dāng)延長(zhǎng)硫化時(shí)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(shí)間。

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

5 結(jié)論

分析對(duì)比了芳綸短纖維與芳綸漿粕對(duì)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(shí)間對(duì)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(shì)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(dòng)較小；但當(dāng)輪胎處于欠硫或過(guò)硫狀態(tài)下，隨著欠硫和過(guò)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(duì)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。