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动态硫化合金内衬
作者:埃克森美孚化工 Donald S. Tracey    来源:Rubber World
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轮胎成型机展厅
轮胎成型机, 轮胎切圈机, 废旧轮胎胶粉设备, 轮胎翻新设备, ...
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)。

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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。

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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)。

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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。

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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)。

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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)。

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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。
文章内容仅供参考 (投稿) (6/28/2009)
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