齿轮式滤胶机过滤全钢胎气密层实验研究

边慧光 ，顾希红 ，汪传生 ，隋志华 ，朱东林 ，郝国强

(1. 青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061 2. 江苏无锡双象橡塑机械有限公司，江苏 无锡 214000)

0 绪论

全钢胎用于大型家用轿车，运输卡车等高载重场合[1]，它由胎冠，胎侧，帘布，气密层等组成[2]。在高载重下轮胎的气密性显的尤为重要[3]，例如Fei Cai, 等人通过研究溴化丁基橡胶的小分子扩散行为并且得到了更好的气密性能，但是溴化丁基与普通丁基，两者的价格相比不占优势[4]。Moumita Kotal 等人使用石墨烯接枝到溴化丁基上来提高气密性，该方法使丁基橡胶的气密性与机械性能有了较明显的提升且石墨烯的束缚使得溴化丁基的剥离程度更高，但是在方法实现相对比较困难，价格较高且不适合工业化[5]。YurongLiang 等人在丁基中加入蒙脱石来提升气密性和机械性能[6]。但是这均是通过化学改性的方式来提升丁基胶的气密性，存在一定误差和危险性，所以同样橡胶和填料的前提下，如何通过橡塑机械来更多的提高胶料的气密性，是亟需解决的问题。

滤胶机[7]不仅可以去除胶料杂质，还可以起到精细滤胶，细化胶料的作用，滤胶机又分为齿式滤胶机，螺杆式滤胶机和柱塞式滤胶机，因为螺杆式滤胶机流量稳定且可靠性高[8～9]，所以螺杆式滤胶机应用比较广泛，为了进一步的提高过滤能力，便于上下游设备协调工作等[10]，滤胶机加齿轮泵的组合被开发出来，因为它逆流量与倒流量相较于其它装置都减少[11]，整体能耗低且易于实现连续化生产，应用较为广泛[12]。

本文利用自主研发的双驱同步齿轮式滤胶机来过滤气密层，探究过滤后给气密层是否带来提升，并探究最佳的过滤目数。

1 实验

1.1 实验原料

丁基橡胶 德国朗盛化工有限公司，氯丁橡胶 道达尔化学弹性体有限公司，炭黑N330 卡博特（中国）化学有限公司，氧化锌ZnO 阿拉丁试剂（上海）有限公司，硬脂酸SAD 国药集团化学试剂有限公司，防老剂4020NA 上海成锦化工有限公司，防老剂RD 山东瑞祺化工有限公司，促进剂TMTD 莱茵化学（青岛）有限公司，促进剂MBTS 莱茵化学（青岛）有限公司，硫磺S 巴斯夫（中国）有限公司，滤网 国标304 不锈钢工业筛网 上海嘉羽五金筛网。

1.2 气密层配方

气密层配方见表1。

表1 气密层配方

1.3 实验主要设备和仪器

实验主要设备和仪器见表2。

图1 双驱同步橡胶齿轮泵式滤胶机- 主视图

表2 实验主要设备和仪器

1.4 试样制备

一段混炼在密炼机上进行，冷却水温度为40 ℃，转速65 r/min，填充系数为0.65，上顶栓压力为0.65 MPa。具体混炼工艺如下：加入丁基橡胶，混炼25 s后加入氯丁橡胶，混炼60 s 后加入1/3 量炭黑N330、氧化锌ZnO、硬脂酸SAD、防老剂4020、防老剂RD，混炼30 s 后加入剩余2/3 量的炭黑N330，再次混炼90 s 后提栓，直至混炼胶温度到达150 ℃时排胶；

二段混炼在开炼机上进行，对混炼胶进行补充混炼，辊温为（50±5）℃。具体混炼工艺如下：在最小辊距下进行压延，薄通五次后，将辊距调为4 mm 左右下片。

胶料停放24 h 后，将胶料裁剪成宽为5 cm 左右的胶条，进行最佳滤网目数实验。

将裁好的胶料投进单螺杆挤出部分，经过螺杆的挤压进入双驱同步橡胶齿轮式滤胶机，经过齿轮的挤压与滤网的过滤后的胶料排出。

胶料再次停放24 h 后在将开炼机调到合适的辊距，薄通五次后，下片。停放10 h 后进行硫化。

因为气密层内的主体橡胶为丁基橡胶，根据橡胶的特性，要将硫化温度设置为165°，硫化压力设定为10 MPa。

1.5 性能测试及表征

1.5.1 门尼黏度测试

测试标准为GB/T 1232.1—2000，利用专用的裁刀裁剪试样后放入UM-2050 型门尼黏度仪模腔中进行测试，设备温度到达设定温度后进行测试，实验进行3 次，取其平均值。

1.5.2 硫化特性测试

测试标准为GB/T 16584—1996。设定无转子流变仪测试时间60 min，测试温度150 ℃，转动角度为0.5°。取混炼胶放入无转子流变仪模腔中进行测试。

1.5.3 动态力学性能测试

测试方法为：应变扫描温度为60 ℃，应变扫面频率为0.01 Hz，应变范围0.28%～50%。取混炼胶放入RPA2000 橡胶加工分析仪模腔中进行测试，每组试样进行三次实验，取其中值。

1.5.4 力学性能测试

测试标准为GB/T 528—1998。每组试样测试五次，取其平均值。

1.5.5 动态黏弹性测试

温度扫描时采用拉伸模式，扫描频率为10 Hz，扫描时静态应变为5%，静态应力为70 N，动态应变为0.25%，动态应力为60 N，温度范围为-65℃～65 ℃， 升温速率为2 ℃/min。 将试样放入GABOMETER-150 型动态热机械分析仪模腔中进行测试。

1.5.6 硬度测试

测试标准为GB/T 231.1—2008，测试方法为国际硬度计法：测选取两个位置相距6mm 以上的点的硬度值，测量五次选取平均值。

1.5.7 回弹测试

测试标准为GB/T 1681—1991。测试温度条件设置为20 ℃。测试3 次取平均值。

1.5.8 磨耗测试

测试标准为GB/T 9867—1988。测试3 次取其平均值。

1.5.9 气密性测试

测试标准为GB/T 1038—2000. 测试3 次取中值。

2 实验数据分析

2.1 滤网目数对气密层硫化性能的影响

表3 为不同滤网目数过滤后气密层的硫化特性参数。

表3 不同滤网目数过滤后气密层的硫化特性参数

分析表格可知，经过滤网过滤后的胶料的焦烧时间均增加，随着滤网目数的增加，焦烧时间出现先增大后减小的趋势，当滤网目数为150 目时，焦烧时间最长。

经过滤网过滤后的胶料t90正硫化时间减少，且随着滤网目数的增加，t90呈现先增加后减少的趋势，当滤网目数为150 时，t90达到最小，意味着此时胶料的硫化反应最快，获取最佳性能的时间最短。

经过滤网过滤后胶料的MH-ML的差值均增大，且随着滤网目数的增加，该差值呈现先增加后减少的趋势，当滤网目数达到150 目时，MH-ML值最大，此时硫化胶的交联密度最大，交联程度最高。

这说明胶料在经过滤网过滤后，胶料内的气泡随着滤网目数的增加是逐渐减少的，有助于胶料形成更加致密的分子链网络，硫化后形成了更致密的交联网络，交联密度提高，但是目数越高的滤网，对胶料的挤出产生越大的内阻力，导致胶料的挤出涨大更加严重，分子链与分子网络分散，不易形成交联网络。

2.2 滤网目数对气密层物理机械性能的影响

表4 和图2 分别为不同目数滤网过滤后气密层的物理机械性能和物理机械性能的曲线对比图。由表4 可以看出，经过过滤后的气密层的物理机械性能有着显著的提高。并且随着滤网目数的增加，胶料的邵尔A 型硬度、100% 定伸应力，300% 定伸应力、撕裂强度都呈先增加后减小的趋势。且当滤网目数为150 目时，气密层的拉伸强度达到9.21MPa，比未过滤的胶料的拉伸强度提升了17.17% ；撕裂强度达到36.27kN·M-1，比未过滤的胶料的撕裂强度提升了20.21%。这说明滤网过滤胶料杂质的同时还能平顺分子链的作用，滤网目数越高，分子链更加平顺。但是滤网目数越高，过滤时对胶料的阻力越大，当胶料过滤后，阻力消失，由于热运动与微构象的转化，分子链会自发恢复到混乱状态，导致胶料的机械性能会先上升后下降。

图2 不同滤网目数过滤后气密层的物理机械性能

表4 不同滤网目数过滤后气密层的物理机械性能

2.3 滤网目数对气密层动态力学性能的分析

图3 为不同滤网目数过滤后气密层动态力学性能。可以从图中看出，过滤后的胶料形成的填料网络比未过滤的胶料的填料网络更加发达。随着应变的增大，胶料的弹性模量G′ 呈下降趋势，这一结果符合Payne效应。同时随着滤网目数的增加，胶料的初始弹性模量增大，且随着滤网目数的增加，胶料弹性模量下降趋势越来越大，也就是说△G′ 的值增大。这说明随着滤网目数的增加，胶料的Payne 效应更加明显，填料网络化程度更高[13]。

图3 不同滤网目数过滤后气密层的动态力学性能

2.4 滤网目数对气密层动态黏弹性的影响

图4（a）是不同温度下动态黏弹性曲线；图4（b）各曲线的tanδ的峰值代表不同滤网目数下胶料的玻璃化转变温度Tg；滤网目数为150 目时，tanδ峰值最高，玻璃化转变温度最高；

图4 不同滤网目数过滤后气密层的动态黏弹性曲线图

图4（c）表示的是在-20～20 ℃区间tanδ的变化趋势。0 ℃时的tanδ值可以用来表征材料的抗湿滑性能，当滤网目数为150 目时，气密层的抗湿滑性能达到最佳；

图4（d）表示的是在40～65 ℃区间tanδ的变化趋势，60 ℃时的 tanδ值可以用来表征材料的滚动阻力，可知，当滤网目数为150 目时，气密层的滚动阻力达到最佳。

从图中可以得到，随着滤网的目数越高，抗湿滑呈先上升后下降，滚阻呈先下降后上升的趋势，这主要是随着滤网目数增加，胶料的分子柔顺性越好，内摩擦力低，所以损耗小。但是目数高的滤网在过滤杂质的同时可能将胶料内的大颗粒填料也过滤除去，使胶料内的交联密度降低，丁基与填料形成的化学键数量越来越少，玻璃化温度越来越低，导致胶料的抗湿滑性能与滚阻性能会由高降到低。

2.5 滤网目数对气密层的气密性的影响

轮胎气密层对气密性的要求较高，好的气密层，透气量极少，透过系数较低。一般来讲，透气量与配方有很大的关系，对于橡胶基体来说，含有极性基团的橡胶分子间的吸引力大，空间位移阻力较大，例如氯丁橡胶、丁基橡胶以及新开发的环氧化天然橡胶，对于橡胶填料来说，为保证高气密性要求，配方中应少加增塑剂。在选择了合适的配方后，高气密性的胶料透气量较小，透过系数较低。

表5 为不同滤网目数过滤后气密层的透气量和透过系数。

表5 不同滤网目数过滤后气密层的气密性参数

根据表5 ，过滤后的胶料透气量减少明显，透过系数降低，当滤网目数为150 目时，透气量比未过滤时的胶料下降了22.64%，透过系数降低了78.11%，此时胶料的气密性最佳。这是因为丁腈中的甲基对称分布，分子结构对称，这使得聚集态结构堆砌紧密，又由于齿轮泵的过滤，使得胶料内的气体减少，聚集态结构堆砌更加致密，气密性提升。但是滤网目数越高，胶料所受到阻力越大，挤出滤网后的挤出涨大现象更加明显，聚集态结构堆砌愈发松散，所以气密性相对降低。

3 结论

（1）双驱同步橡胶齿轮泵在过滤胎内胶时，不仅可以提高气密层的气密性，而且在力学性能上也有一定的提升。实现了在同配方的情况下的性能提升，在一定情况下可以降低成本。

（2）在不同目数的滤网下过滤气密层时，胶料的气密性和力学性能的提升也不相同，在150 目时，胶料的性能提升的幅度最大，其中透气系数降低了78%，撕裂强度提升了20%。