轮胎是一种典型的厚橡胶制品, 原材料品种多, 结构复杂。轮胎硫化是一个非稳态传热过程, 各部位温度和硫化程度不同, 各部位胶料的硫化时间不能直接作为轮胎整体的硫化时间。轮胎硫化时间的确定通常采用宁过勿欠的传统方法, 但该方法延长了硫化时间, 产品普遍存在过硫现象, 这不仅降低了轮胎性能, 还造成了能源浪费。因此, 确定合理的硫化时间是轮胎开发过程中必须面对和解决的问题。

确定轮胎硫化时间通常采用气泡点法和热电偶法[1]。气泡点法通过分段硫化并测试不同硫化程度硫化胶的多孔性, 当硫化胶中不再形成气泡时, 该硫化时间被确定为最佳硫化时间。热电偶法是测试不同时间点下各部位的温度, 通过计算硫化效应来判断硫化时间。最佳硫化时间的确定应当考虑以下情况:硫化最慢的部位 (一般为最厚的部位) 必须达到正硫化;开模后硫化反应还在进行, 即后硫化效应;理想状况是硫化结束时各部位胶料同步达到正硫化。

热电偶法利用化学反应原理和数学计算确定轮胎的硫化条件, 适用于任何品种和规格的轮胎[2], 能够全面反映轮胎各部位胶料的硫化程度, 且不需要像气泡点法那样多次反复硫化和解剖分析。本工作采用热电偶法确定195/60R15 88H轿车子午线轮胎的硫化时间。

ZIW-16型测温仪, 北京橡胶工业研究设计院产品;MDR2000型硫化仪, 美国阿尔法科技有限公司产品;LLP-B120×1960×2A型双模定型硫化机, 福建三明化工机械厂产品。

本工作选取具有代表性的12个测试点, 测试点位置如图1所示。

参考我公司相似规格轮胎硫化工艺, 初步制定195/60R15 88H轿车子午线轮胎硫化时内压过热水循环时间为4.5 min, 不循环时间为8 min, 硫化总时间为16 min。

根据范特霍夫法则, 硫化温度和硫化时间的关系式[3]为:

式中, T1和T2为硫化温度, ℃;t1和t2分别为T1和T2对应的正硫化时间, min。

在不同温度下用硫化仪测出各部位胶料的正硫化时间, 将硫化温度和相应的正硫化时间代入式 (1) , 计算出各部位胶料的K。根据测量和计算, 195/60R15 88H轿车子午线轮胎K的平均值为1.88。

硫化强度 (I) 计算公式为:

式中, K为1.88;T为实际硫化温度, ℃;T0为规定硫化温度, 取160℃。

硫化效应 (E) 即等效硫化时间计算公式为:

式中, Δt为测温间隔时间, min。

硫化效果 (F) 的计算公式为:

式中, t0为规定硫化温度下各部位胶料的正硫化时间, min。用硫化仪测得T0 (160℃) 下各部位胶料的t0分别为:胎面胶10.1 min, 带束层胶9.4min, 气密层胶12.5 min, 三角胶7.4 min, 胎圈胶9.2min。

在外部热板蒸汽温度173℃、内部过热水温度193℃下进行轮胎硫化, 并每间隔1 min测量各测试点的温度, 绘制成硫化温度-时间曲线, 见图2和3;用公式 (2) 和 (3) 计算E, 绘制出各测试点的E-硫化时间曲线, 见图4和5, 用公式 (4) 计算F。

从图2~5可以看出:胎面胶中心上表面 (测试点1) 及上、下模胎圈胶外表面 (测试点9和10) 直接与硫化模具内表面接触, 初始温度较高, 出模后上述部位直接向空气中散热, 致使降温较快, 后硫化效应小, E较小。上、下模 (胎侧) 气密层胶表面 (测试点5和6) 处的硫化胶囊内压过热水温度高, 且胶层厚度最小, 传热较快, 故升温较快, E较大;内压过热水加热结束后, 由于内压冷却水的加入, 降温较快, 后硫化效应较小。上、下模 (胎圈) 气密层胶内表面 (测试点7和8) 处的硫化胶囊壁较厚, 升温较慢, E较小;由于过热水加热结束后内压冷却水的加入, 后硫化效应也较小。带束层上表面 (测试点2) , 上、下模带束层胶端点 (测试点3和4) 及上、下模三角胶下表面 (测试点11和12) 在胶层中部, 硫化初期升温较慢, E较小;但出模后降温较慢, 后硫化效应较大。

根据公式 (2) ~ (5) 计算得到胎面胶中心上表面 (测试点1) 在不同硫化时间下的E和F, 见表1。

从表1可以看出:硫化时间16 min开模时, 测试点1的E为12.35, F为1.22;硫化时间39min全程测试结束时, 测试点1的E为14.70, F为1.46, F均达到企业标准 (≥1.1) 的要求。

采用同样的方法, 可以计算出各测试点开模时和测试结束时的E和F, 见表2。

从表2可以看出:除了上、下模 (胎圈) 气密层胶内表面 (测试点7和8) 开模时的F低于1.1以外, 其它测试点均达到了企业标准要求。利用开模后的后硫化效应, 测试点7和8测试结束时的F分别达到1.11和1.13, 满足企业标准的要求。

根据以上测试与计算, 195/60R15 88H轿车子午线轮胎各测试点在测试结束时F全部达到企业标准要求。结合我公司半钢子午线轮胎硫化工艺, 最终制定出该规格轮胎的硫化工艺, 见表3。

用以上硫化条件生产195/60R15 88H成品轮胎, 并进行物理性能测试, 结果见表4。

从表4可以看出, 成品轮胎物理性能均达到企业标准的要求, 满足使用需要。

按照企业标准进行成品轮胎耐久性能试验, 试验速度为120 km·h-1, 结果见表5。

从表5可以看出:成品轮胎行驶时间达到67.5h, 满足企业标准 (≥67.5 h) 要求, 试验结束时轮胎未损坏。

按照企业标准进行成品轮胎高速性能试验, 试验气压为280 k Pa, 负荷为448 kg。成品轮胎高速性能试验结果如表6所示。

从表6可以看出:试验结束时成品轮胎最高速度达到220 km·h-1, 行驶13 min后才出现肩部脱层, 达到了企业标准要求 (在速度不低于220 km·h-1条件下行驶1 min以上) 。

采用热电偶法研究195/60R15 88H轿车子午线轮胎的硫化时间。根据测温和计算分析, 确定在外部热板蒸汽温度173℃、内部过热水温度193℃下, 轮胎硫化总时间为16 min, 各测试点在测试结束时F全部达到企业标准要求。用该硫化工艺生产的成品轮胎物理性能、耐久性能和高速性能均达到企业标准要求, 完全能满足使用需要。热电偶法能较全面地反映出轮胎各部位胶料的硫化效果, 对于判定产品尤其是新产品硫化条件的适宜性, 提高产品质量具有重要的意义。