摘要：本文通過氮氣排凝、氮氣不排凝兩種工藝方式，運(yùn)用硫化測溫技術(shù)，測定輪胎各部位硫化程度與溫度動態(tài)差，進(jìn)一步檢驗成品輪胎的性能優(yōu)異度。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，兩種方式均存在由溫度變化引起的過硫現(xiàn)象，但在氮氣排凝中輪胎各部位溫度變化更小。在DSC數(shù)據(jù)分析下，氮氣排凝的硫化程度更低；在RPA變溫分析下，氮氣排凝的過硫程度更低；在檢測成品輪胎的性能中，氮氣排凝生產(chǎn)的輪胎的各項指標(biāo)更優(yōu)。
隨著工業(yè)的發(fā)展，能源的消耗越來越快，這是地球難以承受的負(fù)擔(dān)。在政策的積極響應(yīng)下，更多的工廠創(chuàng)新技術(shù)，生產(chǎn)低耗能產(chǎn)品，以降低能源的使用，保障自然環(huán)境的可持續(xù)性。在汽車領(lǐng)域中，由于汽車長時間的行駛，對輪胎的損壞更高，所以輪胎的質(zhì)量需要達(dá)到更高的水平，如耐磨損性、高耐熱性、穩(wěn)定性等。其中輪胎硫化過程是輪胎生產(chǎn)中非常重要的一步，輪胎的質(zhì)量取決于硫化程度的高低[1-2]。但硫化耗能也是非常高，并存在嚴(yán)重的過硫問題，所以怎樣優(yōu)化配方、改善工業(yè)硫化是一項重要的研究課題，亟待解決。
1 硫化測溫技術(shù)
輪胎由多層橡膠制作而成，由外向里的分層傳遞熱量，導(dǎo)致內(nèi)外熱量的不均勻擴(kuò)散而形成動態(tài)溫度差，以致于硫化不統(tǒng)一進(jìn)而影響輪胎質(zhì)量[3]。但是常規(guī)的測溫方式并不能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，則需要采用硫化測溫技術(shù)。硫化測溫技術(shù)包括硫化測溫和硫化計算。硫化測溫以熱電偶作為溫度傳感器，以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)。硫化測溫中的
熱電偶能實現(xiàn)溫度信號到熱電勢信號的轉(zhuǎn)變，確立位置、時間、溫度三者的動態(tài)變化，是硫化測溫儀重要的組成部分，工業(yè)中常用的T型熱電偶，擁有高精度、高靈敏等優(yōu)異性能，能精確的測定輪胎硫化程度及各部位溫度差異的實時變化[4-5]。硫化測溫儀主要分為3種：高檔型、簡易型、智能型。硫化計算則是結(jié)合測定的大數(shù)據(jù)，通過計算來分析硫化工藝的可行性，并研究測定輪胎的質(zhì)量水平。在硫化測溫得到的實驗數(shù)據(jù)中只能粗略了解時間-溫度-位置三者之間的動態(tài)關(guān)系，而要細(xì)致的分析測定輪胎的硫化程度，還需進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算得到過硫度、硫化時間、活化能值等準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
2 氮氣蒸汽硫化
硫化作為輪胎生產(chǎn)中非常重要的一步，是決定輪胎質(zhì)量和使用時間的決定性因素，因此硫化工藝的技術(shù)革新至關(guān)重要，在長時間的發(fā)展中，輪胎硫化技術(shù)從等溫等壓轉(zhuǎn)變?yōu)樽儨兀褂玫牧蚧橘|(zhì)也從高壓蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨饬蚧に噺亩D(zhuǎn)變?yōu)榈獨庹羝蚧痆6-7]。在氮氣蒸汽硫化中，氮氣供壓、蒸汽產(chǎn)熱的方式既簡單又高效，被廣泛的應(yīng)用于輪胎生產(chǎn)中。氮氣的優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）氮氣為無污染氣體，能直接排放在空氣中，降低工藝成本。
（2）氮氣的比熱容較低，因此吸收的熱量更少，這樣對硫化中的溫度影響更小，硫化質(zhì)量更高。
（3）氮氣與水的不相溶性，因此壓力的損失更小，并且可以在一定范圍內(nèi)調(diào)試，極大提高生產(chǎn)過程。
（4）氮氣化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會與周圍物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)作用，因此不會對材料產(chǎn)生破壞。
3 輪胎組成中的各種橡膠
輪胎由各種橡膠組成，其中包括天然橡膠與合成橡膠[8]。天然橡膠主要組成成分為-1，4-聚異戊二烯，質(zhì)量分布均勻，相對分子質(zhì)量較高，具有很高的強(qiáng)度，能有效提高橡膠的綜合性能。并且其擁有彈性極佳，比熱容低，抗沖擊性強(qiáng)等特點，因而使用廣泛。輪胎中使用的合成橡膠分為以下兩種：聚丁二烯橡膠，丁苯橡膠。聚二丁烯橡膠化學(xué)性質(zhì)與天然橡膠相似，通過單體丁二烯合成，有較好的耐磨能力且彈性極佳。丁苯二烯的主要組成成分為苯乙烯和丁二烯，分子量較為聚集，因此擁有一定的定向性結(jié)構(gòu)。其主要特點為：抗低溫、耐油、耐磨等。
4 硫化體系
4.1 硫化優(yōu)點
硫化體系中，硫磺硫化應(yīng)用非常廣，技術(shù)非常成熟，且擁有促進(jìn)劑。硫磺硫化有以下優(yōu)點：
（1）減少硫磺使用量，提高硫磺使用的有效率，大大節(jié)省了生產(chǎn)成本。
（2）在擁有促進(jìn)劑的情況下，能有效的縮短輪胎生產(chǎn)時間，降低能源消耗。而在促進(jìn)劑與硫化劑用量的不同配比下，又分為不同的硫化體系。
4.2 硫化體系
硫化體系包括：高溫快速硫化體系、平衡硫化體系、半有效硫化體系、有效硫化體系、普通硫化體系等5種硫化體系。高溫快速硫化體系溫度非常高可達(dá)240℃，能顯著的降低橡膠的交聯(lián)密度，當(dāng)然，選取高溫硫化的必要條件為材料有一定的耐高溫性；平衡硫化體系能消除橡膠的不飽和度，使橡膠有一個穩(wěn)定的交聯(lián)密度，使硫化過程變?yōu)榉�(wěn)定的反應(yīng)過程。選取的橡膠一定要擁有較低的比熱容并且要具有較高的機(jī)械強(qiáng)度；半有效硫化體系通過促進(jìn)劑和硫磺的共同作用，硫化膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由大量的單硫鍵和雙硫鍵構(gòu)成，硫化過程穩(wěn)定，使用廣泛。其中所用到的橡膠需要具備抗硫化還原、耐熱等特點。有效硫化體系分為兩種，一種為活性劑與硫化劑的共同作用；一種為活性劑、硫化、促進(jìn)劑的不同混合比例下的化學(xué)作用，兩種方式均能有效的降低橡膠的硫化還原。所用到的材料需要有耐老化、耐熱性等特點。普通硫化體系主要為促進(jìn)劑、硫磺、活性劑不同配比下的共同化學(xué)作用，能夠有效的降低交聯(lián)密度，生產(chǎn)的橡膠耐疲勞極佳、彈性極佳、擁有較高的動態(tài)性能。選取的材料通常要具有良好的耐熱、耐高溫。
5 硫化工藝
以硫化測溫技術(shù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)分析驗證不同的硫化工藝下輪胎的成型質(zhì)量，進(jìn)而對輪胎工藝進(jìn)行有效的改善。輪胎由橡膠構(gòu)成，橡膠在制造輪胎過程中，會產(chǎn)生硫化現(xiàn)象。所以，對橡膠的理化性質(zhì)要進(jìn)一步探討研究。硫化大致經(jīng)過3個階段：①活性劑、硫磺、促進(jìn)劑的化學(xué)反應(yīng)。②橡膠大分子相互反應(yīng)產(chǎn)生交聯(lián)現(xiàn)象。③交聯(lián)反應(yīng)經(jīng)過熟化、短化、重排、改性等過程，交聯(lián)鍵逐漸穩(wěn)固。橡膠的線性大分子在一定的壓力、溫度下通過物理化學(xué)作用而生成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這個過程就是硫化[9]。硫化工藝的改善是在硫化測溫的基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此測溫的數(shù)據(jù)能更直觀的反映出生產(chǎn)輪胎的質(zhì)量水平，從而改善硫化工藝和硫化配方。硫化測溫發(fā)展多年，隨著以前誤差大、精度小的不成熟階段到現(xiàn)在精度高、誤差低的高技術(shù)階段的轉(zhuǎn)變，硫化測溫對輪胎生產(chǎn)硫化過程的影響逐漸提升，因此，要制造出性能優(yōu)越的輪胎，需要更好、更成熟的硫化測溫技術(shù)。因此，以下通過實驗具體分析在測溫技術(shù)下對硫化工藝的改進(jìn)。
硫化大致材料為某輪胎制造公司192/62R1490H型橡膠產(chǎn)品，儀器有MDR2000無轉(zhuǎn)子硫化儀、DSC204F1差示掃描量熱儀等。DSC試樣從輪胎斷面取得，參與比較的硫化特性試樣從終煉膠中獲取。差示掃描量熱儀測試中：升溫速率為12.5℃/min，溫度非常高280℃，測試品質(zhì)量5~15g。硫化測溫中需滿足以下指標(biāo)：①熱電偶在胚胎的位置合適，胚胎溫度范圍達(dá)到條件。②硫化器具正常工作，機(jī)器內(nèi)部沒有損壞。③硫化過程中溫度波動范圍、內(nèi)外壓差大小均滿足規(guī)定條件。在測溫之前，要選擇好胚胎中合適的位置，并埋入熱電偶。硫化工藝選擇為：氮氣排凝、氮氣不排凝。通過硫化測溫技術(shù)測定兩種工藝的各項指標(biāo)，進(jìn)而分析得出非常優(yōu)的硫化工藝。表1和表2為測得的兩種工藝的具體指標(biāo)。
由此可以得出，兩種方式均有過硫現(xiàn)象，氮氣排凝各項指標(biāo)更優(yōu)。但是在氮氣不排凝的方式下，橡膠的過硫程度較大，上下模溫差較大。氮氣排凝的特點在于：①不僅能排除冷凝水也可以排除部分水蒸汽，達(dá)到降低溫度的效果。②能排除部分氣體，降低橡膠內(nèi)外壓力差，并使得壓力變化趨于平緩穩(wěn)定。在硫化氮氣排凝中：溫度增加幅度低、上下模溫差小，降低了硫化程度，進(jìn)而提高輪胎成型品質(zhì)。在DSC分析下，氮氣排凝產(chǎn)生的硫化程度更低。在對成品的檢測中，通過氮氣排凝工序生產(chǎn)的輪胎性能更優(yōu)。
6 硫化配方
以硫化測溫技術(shù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)研究不同材料的硫化還原現(xiàn)象，對各種組成成分進(jìn)行不同程度的配比，進(jìn)而對硫化配方優(yōu)化。由于實驗的局限性，本次實驗僅在配方配比上做小幅的微調(diào)，本次用到的主要材料為充油20%不溶性硫磺IS-7020、促進(jìn)劑CZ。以下為正交實驗數(shù)據(jù)，見表3、表4。
配比完成后，通過硫化測溫技術(shù)分別在140℃、160℃、180℃下測定不同配比組合所需要的硫化時間。
由此可以看出，在140℃時，3#配比非常優(yōu)；在160℃時，2#配比非常優(yōu)；在180℃時，1#配比非常優(yōu)。非常佳為2#、180℃。
7 結(jié)語
硫化的復(fù)雜性是導(dǎo)致技術(shù)革新難以實現(xiàn)的主要問題，其中非常難的問題就在于怎樣測定硫化過程中輪胎的實時溫度。因為輪胎由多層橡膠合制而成，所以輪胎各層的溫度不一，而且是隨著時間的變化而變化，這一動態(tài)的溫度測定是常規(guī)測溫方式難以實現(xiàn)的，隨著各國相關(guān)研究的進(jìn)行，硫化測溫得以實現(xiàn)，有效的解決了輪胎硫化過程中動態(tài)溫度的實時測定。硫化測溫多應(yīng)用于輪胎的生產(chǎn)過程，這種測溫方式能夠準(zhǔn)確的描述硫化過程中時間-位置-溫度三者的動態(tài)變化關(guān)系，在硫化測溫、變溫硫化、硫化傳熱等過程中有著重要的意義。通過硫化測溫技術(shù)分析得出：在硫化工藝中，氮氣排凝能有效的降低硫化程度；在硫化配方中，當(dāng)CZ、IS-7020配比為1.3:4.3，溫度為180℃時，硫化時間非常少，硫化程度非常低。
