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动态硫化合金内衬 |
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作者：埃克森美孚化工 Donald S. Tracey 来源：Rubber World |
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一种基于尼龙的动态硫化合金（DVA）和Exxpro特种弹性体的新型的热塑性弹性体已经被制备出来。它提供了优良的抗渗透性，同时具有优秀的挠性和韧性，可以用于轮胎内衬层。Exxpro特种弹性体是溴化共聚物（异丁烯和对甲基苯乙烯的溴化共聚物）,根据ASTM术语，也叫做BIMSM。
高度抗渗性尼龙与某种最具抗渗性的橡胶相结合，可以产生一种商业化的热塑性弹性体，相对于基于100单位卤化丁基橡胶的内衬化合物来说，其渗透性低了5倍到10倍。
尼龙动态硫化合金和Exxpro特种弹性体是一种优势互补的产物：
● 尼龙提供了极高的抗渗性，良好的低温性能，可以当作热塑性塑料来处理；
● Exxpro提供高抗渗性，优良的低温性能，在高挤出温度下不容易降解，具有弹性；
● 尼龙/Exxpro提供了反应界面增容，良好的橡胶分散体,优良的韧性和抗疲劳性；
● 动态硫化提供了稳定的形态，较高的橡胶负荷度（更软和有弹性）。
这种新材料具有高抗渗性，是软的，显半弹性，表现为热塑性，耐油，并且其可用温度范围很广。
依靠尼龙和BIMSM之间的反应增容作用，来抑制分散凝结，在BIMSM-DVA衬层里可以得到非常好的BIMSM橡胶分散体。尼龙的增塑作用和BIMSM的动态硫化性控制着BIMSM-DVA衬板的相位连续性。由于其高橡胶含量以及很好的橡胶分散度，在橡胶分散体，到尼龙反结晶之间形成了薄薄一层尼龙带（见图1）。 
图1、尼龙DVA和BIMSM
因此，在BIMSM-DVA内衬里，可以从尼龙交叉结晶，尼龙-橡胶封接界面以及高橡胶含量中，获得良好的韧性，可扩展性和抗疲劳性。
把BIMSM混合在尼龙里面的能力是通过相位连续性指标来判定的。在尼龙和BIMSM的橡胶共混物里，遵循了保罗（Paul）和巴洛（Barlow）相转化规则，即：
Φ1 /Φ2 = η1 /η2
其中Φ是体积分数，η是粘度系数。下标1和2分别代表了尼龙和BIMSM。考虑到从BIMSM中得到的强大的剪切变稀特征，这是异丁烯聚合物的典型特征，而尼龙显示的特性则是较弱的剪切变稀或者是伪牛顿性。在两者的混合处，较高的剪切率条件下，尼龙的粘度系数比BIMSM的高得多。尼龙的塑化是希望提高BIMSM可以获得的尼龙含量的最大值，但是尼龙的抗渗透性能却被折中了。在BIMSM-DVA内衬中，一种相对不稳定的BBSA增塑剂（正丁苯磺酰胺）被用于DVA混配和动态硫化的制备，并且可以在随后的轮胎硫化中去除。因此，可以在高橡胶含量情况下从BIMSM-DVA内衬中得到良好的BIMSM橡胶分散体，从而满足内衬对灵活性、韧性、高温性的要求，却不牺牲尼龙的抗渗透性。
由于在热塑性基体里具备良好的橡胶分散性，BIMSM-DVA内衬与传统的主要基于卤化橡胶热塑性内衬材料有着显著地不同。制备BIMSM-DVA使用的是双轧挤出机，并对其设计了专门的混合参数，以最大限度地减少破裂。然后在吹膜操作中与胶粘层进行共挤，以提供圆柱形轮胎内衬薄层，而不需要进行剪接。胶粘层大概20～30微米厚，并且能够给基于天然橡胶的胎体胶，提供足够的粘性和硫化粘接。
具备BIMSM-DVA内衬的轮胎制备出来后，显示出了通过内衬重量的减轻改善了轮胎的性能。由于在制备这些含有BIMSM-DVA内衬的轮胎时，使用的是相对温和的硫化过程，BBSA增塑剂并没有完全被消除。相对于总的BIMSM-DVA重量，残留的BBSA增塑剂比重大约为1%到2%，BIMSM-DVA内衬在经过硫化之后的透气性是100%的卤化丁基内衬材料的17%。需要指出的是，如果BBSA增塑剂被完全去除，BIMSM-DVA内衬的透气性可以达到100%的卤化丁基内衬材料的10%。
实验
BIMSM-DVA内衬颗粒的典型特性为，其颜色是黄色或者橙色，源于尼龙稳定剂；其密度为1.016g/cm3。物理特性（未硫化）如下：硬度（durometer A）为86，100%模量为6.5Mpa,延伸率为390%，捶击脆性为-40℃，以及抗疲劳强度在-35℃以及40%应变状态下，大约为350,000转。在180℃下硫化10分钟之后，捶击脆性降到-44℃，原因是N-丁苯磺酰胺（BBSA）得以移除。
典型的吹塑薄膜是浅黄色的，其含有粘胶剂的胶粘白色边缘。物理特性（未硫化）如下：硬度（A）是79，100%模量为7.6Mpa,抗拉强度为23Mpa以及延伸率为400%（图2）。在180℃下模拟轮胎硫化10分钟之后，100%模量达到10.8兆帕，抗拉强度为23Mpa以及延伸率为400%。其脆性温度（落镖冲击实验）小于-40℃。在125℃下，烘箱老化72小时后，这些特性没有什么变化。
图2、延伸率
BIMSM-DVA内衬膜的透气性大概是100单位溴丁基化合物（未硫化）样品的60%，该测试是在60℃下使用氧气渗透仪（MOCON Ox-TRAN系统）完成的（图3）。 
图3、DVA膜渗透性
硫化之后，渗透率变为100单位的溴丁基化合物（未硫化）的10%，因为增塑剂被完全去除。在老化之后，渗透率依然保持在溴丁基化合物的10%水平上。
在与天然橡胶胎体敷层化合物对比测试得出，含有黏附层的BIMSM-DVA内衬膜，拥有250kPa的Tel-Tak值。未硫化的强度松弛少于10秒，压力下降25%，和约十分钟，压力下降75%。硫化的黏附（T剥离试验）与天然橡胶敷层化合物的黏附力相比，撕裂强度大4N/mm以及最大负荷大200牛。叠层的德马提奥（Demattia）弯曲疲劳强度与胎体化合物相比多了100万转，测试是在室温下进行的。
轮胎成型完全是通过滑动吹塑薄膜圆筒，在轮胎成型滚筒上侧边粘接（图4）。然后添加胎体或轮胎胶质，两者缝合在一起。接下来的步骤和一般的轮胎成型工艺一样。
图4、轮胎成型
本次测试所用的轮胎是195/65R15 95V型轮胎，采用夏季胎面设计（图5）。
图5、轮胎内衬特性
用来作对比的车胎具有100单位的溴丁基，硫化厚度为1.0mm。BIMSM-DVA内衬轮胎含有170微米的内衬以及30微米的粘结剂。使用BIMSM-DVA内衬带来的轮胎减重为0.55千克（大约为5.5%）。厚度分布和100单位卤化丁基对照轮胎非常相似，并且在胎肩处减薄最显著，同样在胎冠处与侧壁和胎边区相比也有减薄。
结果
将这些轮胎分别放在常温和65℃条件下，来测量气压损失率，一般通过每月损耗百分比来表示（图6）。
图6、膨胀压力每月损耗率%
数据显示，在常温条件下，BIMSM-DVA内衬轮胎拥有与卤化丁基轮胎一样的气压损失率。即便其厚度显著地变小了。在65℃下，BIMSM-DVA内衬的损失率与卤化丁基参照物相比有所改善。
胎体内压，即中侧壁帘线表层的内部累积压力的测试，表明BIMSM-DVA显著降低了累积压力。
滚动阻力测试使用的是SAE J1269测试法，实验结果表明BIMSM-DVA在较高的负荷下略占优势。
这些轮胎接下来做了改进版本的新的FMVSS 139测试。第一项是高速测试。这项测试是在38℃的环境温度下，85％的负荷，220千帕的充气膨胀以及测试速度为140，150和160公里/小时条件下进行的，每个轮胎的测试时间为30分钟。我们改进了测试，让其继续运行在160公里/小时下，直到轮胎报废。测试结果显示，卤化丁基对照轮胎的轮带边缘在333.5和320.3小时的时候失效了。而BIMSM-DVA内衬轮胎的轮带边缘则是在647.7和554.6小时候的时候报废的。
FMVSS 139耐久性测试同样需要实施改进来运行轮胎直到其报废。这项测试是在38℃的环境温度下，180千帕的充气膨胀，测试速度为120公里/小时，和分别为85％，90%以及100%的负荷的条件下进行的，测试时间分别为4个小时，6个小时和24小时。我们改进了测试，运行了最后一个负荷，直到轮胎报废。
结果表明，卤化丁基对照轮胎在358.5小时和418.2小时的时候，其胎圈区域失效。而BIMSM-DVA内衬轮胎在689.6小时，519.6小时和610.4小时的时候，由于轮带边缘分离而失效。
FMVSS 139低膨胀压力测试一样被采用。这项测试使用的是完成了耐久测试的轮胎，然后在38℃下，施加100%的最大负荷，速度为120公里/小时，140kPa的充气膨胀，时间为90分钟。我们改进了测试来运行轮胎，使其报废。结果显示卤化丁基内衬在191.9和283.3小时的时候，其胎圈区域失效。
BIMSM-DVA内衬轮胎运行了365小时和357小时。两种轮胎的胎层都翘起，分离了，以及他们的轮带边缘也分离了。
除了这样的车轮测试，BIMSM-DVA内衬轮胎同样进行了低温性能测试。轮胎被拿到加拿大测试，测试期间，那里的平均气温低达-18℃。较高的温度可以达到-10℃，更低的温度低至-32℃。轮胎的里程范围为3417公里到19271公里。
用于测试的轮胎都是雪型胎面。共有25个尺寸为195/65R15和19个尺寸为215/70R15的轮胎用于测试。没有任何迹象表明轮胎有裂纹。
总结
根据政府以及公众购买的需求，增加轮胎性能和安全性，急需一种新的具有低渗透性的内衬材料。尼龙DVA内衬和BIMSM显示其能够：在减小厚度的情况下保持了同样的膨胀压力；改善了胎内压力；改进的高速性能，耐久性以及低膨胀轮胎性能；良好的低温性能和降低了滚动阻力以及减少燃油损耗。
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(6/28/2009) |
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