近年来,随着载重子午线轮胎工艺技术的进步、原材料的国产化、生产装备水平的提高,汽车载重全钢子午线轮胎全面代替载重斜交轮胎。过去国内报道的多数是关于胶粉在斜交轮胎中应用的研究成果,这对胶粉在子午线轮胎中的应用还是具有一定借鉴作用的。
1、使用硫化胶粉应考虑的一些因素
(1) 胶粉类别。主要从胶粉来源上来考虑,原则上不是所有胶粉都可以用于轮胎中。废氯化丁基胶粉、废丁基胶粉等一般不用于机动车外胎的胎面中,否则会影响轮胎胎面的耐磨性等。但在无内胎轮胎的气密层使用氯化丁基橡胶或溴化丁基橡胶时可以考虑使用一定比例的丁基胶粉或卤化丁基胶粉。一般情况下,只有废轮胎胶粉才能用于轮胎中。废轮胎胶粉的质量也根据其生产时所使用轮胎的类型不同而不同。即使是同一种类废轮胎,生产厂家不同做出的废胶粉质量也不同。对同一条废轮胎来说,使用不同部位做出的胶粉质量差别也较大。例如全胎胶粉、胎面胶粉、胎侧胶粉等。但无论如何分类,根本的一条就是橡胶制品的配方决定了由此橡胶制品报废后生产的胶粉质量的高低。废轮胎胶粉使用过程中,如果有条件,最好是同种类型轮胎生产的胶粉用于同种类型轮胎中。如载重胎胎面胶粉仍然用于载重胎胎面中,巨胎胎面胶粉仍然用于巨胎胎面胶料中。这是由于胶粉掺用于未破化胶时,胶粉的份数较少,未硫化胶的份数较多。所以对于胶粉与未硫化胶的混合物来说,未硫化胶是海相或连续相、是对混合物各项性能起决定作用的组分;而硫化胶粉则是岛相或不连续相。同种类型制品的胶粉与所要用到制品的胶料配方、各方面 性能比较接近,则岛相接近于海相,两者易于结合。如果两者使用的生胶、硫化体系和补强填充体系等比较接近,特别是在模量和刚度等性能上更接近一些,这样,胶粉和其所接触的胶料更容易进行物理、化学、力学等方面的结合。如果两者在物化性质上差别较大,特别是模量或刚性相差较大,那么两种材料的结合就会差一些,这时胶料加入胶粉就像加入杂质一样,会引起胶料刚度和强度的下降。此时,胶粉就变成了应力集中点,充当了破坏引发点。有试验证明,做完拉伸试验后,拉伸试样的破环表面可以看出有一些胶粉拔出后较大的凹坑。注意:同种胶粉用于同种生胶为基质的胶料中。一般二烯类不饱和橡胶的胶粉仍然用于二烯类不饱和橡胶的胶料中;而饱和丁基橡胶胶粉用于饱和橡胶胶料中。否则,物理性能和硫化动力学特性等相差加大,共硫化等比较困难。
(2) 生产方法。常温法和低温冷冻法都可以,但从两种生产方法生产的胶粉表面形态来看,相同目数的常温法胶粉的比表面积要远大于低温冷冻法胶粉,常温法胶粉与基质橡胶物理结合会更好一此。也有资料认为常温粉碎法制得的胶粉经历的热历程和氧化过程长,胶粉的化学结合性能低于低温粉碎法。
(3) 粒度。关于胶粉粒度对胶料性能的影响,国外有不同的报道。有的资料报道胶粉粒径越小对胶料性能影响越小,胶料的定伸应力、拉伸强度、伸长率和磨耗越接近对比配方,对硬度和弹性无影响,拉伸疲劳、弯曲疲劳和抗裂口增长等动态性能有不同程度的提高,粒径越小,提高幅度越大。一般认为,粒径越小,力学性能越好。这是因为粒径小,比表面积就大,与其他材料接触面积大,结合紧密。但粒径越小,成本越高。反之,如果使用较粗的胶粉时,尽管成本较低,但胶料的力学性能下降明显。资料表明,配用粗普通胶粉 (30-40目)的胶料,其拉伸强度、伸长率、撕裂强度明显降低,普通胶粉用于胎侧胶就会发生这种情况。根据经验法则,加入胶料中的粗胶粉多于3份时,预计每多加入1份胶粉,胶料的物理机械性能下降3%~4%。加入胶料中的胶粉若是30目的,便会使胶料的表面结构很快恶化,若是精细胶粉,则胶料的表面结构和完善性将保持不变。与30~40目的普通胶粉相比,精细胶粉(80目以上)能够应用于要求更为严格的用途,而且可用量也大得多。这种精细胶粉不但起到补强性填料和加工助剂的作用,而且是降低胶料成本的首选原材料。当精细胶粉的用量为10 份时,终炼胶的物理机械性能没有变化,同时需要增大操作油用量、按比例减小促进剂用量,于是胶料的总成本得到降低。80目轮胎胶粉适用于大多数胶料。80目胶粉被添加到一般胶料后,与基质胶料构成均相体系。配用80目胶粉的硫化胶的物理机械性能的下降幅度一般比配用粗胶粉的硫化胶的小。配合30~40目胶粉的胶料,通常有外观缺陷,但若改用80目胶粉,外观缺陷几乎完全消除。就目前国内硫化胶粉总的生产情况来看,钢丝子午线轮胎中选择80目 (0.2mm)胶粉能取得技术与经济效果。随着硫化胶粉生产成本的降低,可以选用目数更大、粒径更小的120目左右的胶粉,产品综合性能会更好一些。斜交载重轮胎可以选择60~80目胶粉。实际应用过程中可以根据最终产品的要求,从综合质量和成本两方面因素来选择合适粒径的胶粉。
据前苏联资料报道,胶粉粒径为350~40μm时能获得最大的疲劳性、耐撕裂性和相对伸长率,粒径过大或过小都会降低胶料的物理性能。我们认为,仅从胶粉粒径对胶料物理性能和动态性能的影响来说,粒径越小,胶料综合性能越好。如果胶粉粒径太小反而胶料物理性能变得更差,这时也许导致胶料物理性能变差的决定因素由胶粉粒径变成其他因素。例如,胶粉粒径越小,经历的热历程和氧化过程长,胶粉的化学结合性能也许变得太差。总之,胶粉粒径越小,胶料物理性能变差的说法还是有待于进一步深入的研究才能下结论。
2、 使用硫化胶粉的轮胎配方调整
配方需要调整的原因:各家所用轮胎类型不同,有的厂家用于轿车胎,有的用于载重胎,有的用于工程胎;即使都用于同一类型轮胎,各家轮胎生产配方不同,对胶料的物理性能和硫化动力学特性要求也不同。配方调整主要是两方面的调整。一是物理性能的调整,主要是胶粉用量即掺用比例的调整,掺用比例直接影响物理性能,物理性能中不可能几种物理量都达到要求,要使重点项目必须能够达到要求。比如胶粉掺用于胎面胶中,耐磨性必须不低于不加胶粉的胶料,其他性能略低于原来水平是允许的,但不能低得太多。二是硫化动力学特性调整,主要是胶粉和基质胶混合后的混炼胶的硫化体系调整。要求调整后混合胶料的焦烧时间和正硫化时间符合未加胶粉胶料的要求,否则会影响加胶粉胶料的硫化程度。硫化动力学特性调整也会影响到胶料的物理性能,。据文献报道,掺用胶粉的共混胶硫化时,由于浓度差的缘故,基质胶中的硫黄与促进剂会向胶粉表面定向迁移,且随胶粉用量的加大,这种迁移更为严重,使得胶粉与基质胶界面交联密度较低,且界面附近交联密度分布不均,整体交联密度改变从而导致力学性能改变。同时,使用模量较大的胶粉的胶料一般会定伸应力增大、拉断伸长率下降。硫化胶刚性增大一般是由胶粉的高模量引起的;反之也成立。由于胶粉是硫化的,难以同现有的未硫化的其他聚合物并用,表现为填充聚合物的力学性能下降。通过对加胶粉胶料的硫黄用量等的调整,可以对胶料的定伸应力等进行调整。这时,由于硫黄用量改变,势必又影响到硫化时间等硫化动力学特性的改变。因而,物理性能和硫化动力学特性这两方面的调整不是互相孤立的,要综合考虑同时进行。对于胶粉在轮胎中使用比例主要有两种情况,简略说明如下。
(1)胶粉在轮胎中按一定比例掺用 近几年来,有关使用胶粉的文章很多,其中大多数是在载重轮胎的胎面胶中添加60~120目5~15份胶粉,利用胶粉与橡胶共混后的界面特点,使共混胶产生良好的动态抗疲劳性、耐腊性以及低生热性,从而提高了轮胎使用寿命。无论多少目、多么细的胶粉,当用量超过15份时,虽然屈挠疲劳寿命和生热性能够有一定的改善,但拉伸强度、定伸应力、磨耗等性能下降幅度过大。
一般情况下,硫化胶粉用于机动车轮胎外胎中,无论用于胎面或胎侧等任何部件,都是有一定比例的,不可能100%使用硫化胶粉。
(2)直接用100%硫化胶粉生产非机动车橡胶轮胎或机动车有内胎轮胎的垫带 目前非机动车的轮胎通常采用天然橡胶生产,由于天然橡胶资源紧缺而且价格高,导致制品价格高;而采用再生橡胶生产需经过废橡胶粉碎、脱硫、精炼等复杂工艺过程,导致生产成本高。采用废轮胎粉碎制成30目胶粉,加入硫黄直接进行硫化,可制成非机动车橡胶轮胎。有些轮胎厂家生产有内胎轮胎外胎的垫带时,100%采用硫化胶粉。废轮胎胶粉因为有弹性,所以它本身的基质橡胶分子结构中仍然还有未参与交联或硫化反应的不饱和双键,天然橡胶只有在硫黄高达15~20份以上并完全硫化彻底失去高弹性后才基本上没有不饱和双键,只要胶粉还有高弹性就还有不饱和双键,再加硫化交联剂仍然可以继续参与硫化交联反应。这就是胶粉直接加硫黄和促进剂可生产硬度比原胶粉硬度更高的轮胎和垫带等橡胶制品的主要原因。