CN107825738B - 短切碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶工艺 - Google Patents

Abstract

短切碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶工艺。现有工程机械车辆翻新轮胎经常出现崩花掉块、易被刺扎和磨耗快等问题，导致工程机械翻新轮胎的使用寿命低下。本发明短切碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶工艺通过以下步骤实现：碳纤维以5%聚二苯基甲烷二异氰酸酯的甲苯溶液浸渍，在200°C下干燥1min，再用10%的橡胶糊进行涂层，并在160°C下干燥2min；将生橡胶基体加入密炼机中塑炼4min；胎面橡胶混炼过程：在密炼机上加入短切碳纤维及其配合剂混炼；当混炼过程后的温度降至约60°C时，压延成薄片；然后硫化。本发明能够提高短切碳纤维与橡胶基体的粘结强度，使翻新轮胎使用寿命延长。

Description

短切碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶工艺

技术领域：

本发明涉及一种短切碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶工艺。

背景技术：

工程机械轮胎一般是在苛刻的环境下工作，例如路面不平坦且有尖锐的碎石块、岩石、钉子和碎玻璃等杂物，轮胎工作时受硬物冲击大，并且经常是昼夜连续作业。此外，各种工程机械车辆一般都是露天作业，冬、夏季温差变化大，工程机械轮胎要承受较宽的温度变化范围，而且受风吹日晒雨淋。工程机械轮胎的这些使用特点，要求轮胎胎面胶胶料需具有耐切割、耐疲劳、耐磨损、硬度高、变形小、生热低等优良性能。近年来，我国工程机械轮胎翻新行业发展极其迅速，但是国内不少工程机械轮胎翻新厂设计翻新胎面胶配方及选择原材料时没有充分考虑轮胎使用场地情况，例如工作在露台石矿或者铁矿的工程机械车辆翻新轮胎，在作业过程中经常出现崩花掉块、易被刺扎和磨耗快等问题，导致工程机械翻新轮胎的使用寿命低下，工程机械轮胎的价格在几千甚至几万元人民币，延长其寿命对工程车辆的经济性有直接影响。在工程机械轮胎使用过程中，抗刺扎性能、抗崩花掉快性能及耐磨性能是其很重要的性能指标，因此为了提高工程机械翻新轮胎的耐刺扎、耐磨性、抗崩花掉块及提高使用寿命，将短切碳纤维材料作为增强体，工程机械翻新轮胎胎面橡胶材料作为基体，在翻新轮胎胎面胶中添加适当长度及适当份数的碳纤维，研究碳纤维与橡胶结合界面特性机理，并借助性能测试等手段，研究碳纤维增强后工程机械翻新轮胎胎面的耐切割、抗崩花及耐磨等性能。

碳纤维作为一种高性能纤维材料，具有高比模量、高比强度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗辐射、导电、传热、减震、降噪等一系列优异性能，在先进复合材料的增强体中占据越来越重要的位置，被誉为21世纪最有生命力的新型材料。近年来，碳纤维增强高性能橡胶基复合材料的开发成为研究热点之一，据文献资料表述，由于碳纤维的引入，使橡胶制品的耐热性、耐磨性、回弹性、导电性以及其他力学性能都得到改善，碳纤维增强橡胶复合材料的性能显著优于橡胶制品。橡胶是三大合成材料(橡胶、塑料和纤维)中内聚能最小，杨氏模量最低的高分子弹性体，与炭黑混炼可提高其诸多性能，碳纤维增强橡胶复合材料，是刚性碳纤维增强弹性橡胶的复合体，以碳纤维增强后不仅可提高其力学性能，而且赋予其导电、导热和耐磨损等特性。在制备碳纤维增强橡胶复合材料过程中，至关重要的问题是解决两相之间的粘接，使其能够形成承受外力的整体，因此在制备碳纤维复合胎面橡胶过程中，碳纤维与橡胶均匀混合，两相紧密粘结是首先需要突破的技术问题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种短切碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶工艺。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种短切碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶工艺，所述的翻新工艺通过以下步骤实现：

步骤一、短切碳纤维表面处理；

碳纤维以5％聚二苯基甲烷二异氰酸酯的甲苯溶液浸渍，在200℃下干燥1min，再用10％的橡胶糊进行涂层，并在160℃下干燥2min；min表示时间单位，分钟；

步骤二、胎面橡胶基体塑炼过程：

将胎面橡胶基体加入密炼机中塑炼4min；min表示时间单位，分钟；

步骤三、胎面橡胶基体混炼过程：

在110±1℃的温度下，转子转速为40r/min的6寸双辊密炼机上，在步骤二塑炼处理后的胎面橡胶基体中依次加入短切碳纤维、增粘剂和配合剂、操作油以及硫化剂后混炼15min，待混炼中短切碳纤维均匀地分散于胎面橡胶基体中，得到短切碳纤维与胎面橡胶基体复合的多相共混体系；r表示转数，min表示时间单位，分钟；

步骤四、当步骤三混炼过程后的短切碳纤维与胎面橡胶基体复合的多相共混体系的温度降至约60℃时，压延成型；

步骤五、然后下片在25t电热平板硫化机上硫化20min；其中，硫化温度为140℃，硫化压力为3.5MPa，硫化深度为保证胎面中部达到正硫化点；t表示重量的单位，吨；MPa表示压力的单位，兆帕；min表示时间的单位，分钟；

步骤六、冲片；至此，完成短切碳纤维增强的工程翻新轮胎胎面胶过程，形成短切碳纤维增强的工程翻新轮胎胎面胶。

有益效果：

本发明短切碳纤维以5％聚二苯基甲烷二异氰酸酯的甲苯溶液浸渍，在200℃下干燥1min，再用10％的橡胶糊进行涂层，并在160℃下干燥2min。与其他粘合体系相比，没有出现明显的屈服点，粘合效果最好。通过这种对短切碳纤维进行表面处理，并根据短切碳纤维增强体和胎面橡胶基体的特性设计合适的粘合体系的方法，能够提高短切碳纤维与胎面橡胶基体的粘结强度，增强短切碳纤维表面与胎面橡胶基体表面的反应活性，改变短切碳纤维表面的物理化学状态，调节复合材料的界面相容性。

加入适当长度和适当含量的碳纤维就能对胎面橡胶基体起到有效的补强作用，提高了材料的抗拉强度、撕裂强度、硬度、弹性模量及耐磨性能，同时，在一定程度上也限制了胎面橡胶基体的变形。高强度、高模量、低伸长率的碳纤维对硫化后的胎面橡胶确实起到了补强作用。这是由于碳纤维在橡胶中的分布是呈随机的相互搭结状态，这种随机分布、相互搭结的碳纤维在橡胶中形成骨架，阻碍其周围高分子链的移动，随着碳纤维长度及含量的提高,纤维之间的搭结点数目增加，致使纤维在橡胶基体中形成网状结构。这种网状结构的存在，对周围高分子链的移动起到很好的阻碍作用。碳纤维是一种高模量、低伸长率的材料，当试样受力时，主要是碳纤维周围的基体产生变形，在碳纤维的两端产生两个应变放大区域，即在碳纤维端部造成应力集中区。当碳纤维用量较低时，这种应力集中区密度较疏，引发破坏的可能性小。当碳纤维与基体粘接较好而不发生位移时，高强度的碳纤维可以承受一定的负荷，在一定程度上限制了基体的形变。当碳纤维之间的协同作用抵消甚至超过应力集中区的破坏力时，复合材料的拉伸强度和撕裂强度会有提高，弹性模量和硬度则明显增大，伸长率也随之下降。随着碳纤维长度和用量的继续增加，碳纤维端部的应力集中区增密，出现区域性的重叠，因而，容易在这些部位引发破坏，导致拉伸强度下降，但弹性模量和硬度则始终呈上升趋势，且成倍增加。虽然碳纤维在剧烈的混炼中遭到破碎，纤维变短、***糙了，但金相显微镜的观察结果表明，碳纤维基本上保持了纤维的微观形态结构，因此能够起到增强胎面橡胶基体作用。研究成果在哈尔滨惠良汽车轮胎翻新有限公司进行了碳纤维增强工程机械翻新轮胎的试制生产，并在矿山区域进行实地使用，经反馈，碳纤维增强后的工程机械翻新轮胎其抗崩花掉块、耐刺扎和耐磨性较普通翻新轮胎有了明显的提高，翻新轮胎使用寿命获得了大大提升。

具体实施方式：

具体实施方式一：

本实施方式的短切碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶工艺，包括以下步骤：

步骤一、短切碳纤维表面处理；碳纤维以5％聚二苯基甲烷二异氰酸酯的甲苯溶液浸渍，在200℃下干燥1min，再用10％的橡胶糊进行涂层，并在160℃下干燥2min；min表示时间单位，分钟；

步骤二、胎面橡胶基体塑炼过程：

将胎面橡胶基体加入密炼机中塑炼4min；min表示时间单位，分钟；

步骤三、胎面橡胶基体混炼过程：

在110±1℃的温度下，转子转速为40r/min的6寸双辊密炼机上，在步骤二塑炼处理后的胎面橡胶基体中依次加入短切碳纤维、增粘剂和配合剂、操作油以及硫化剂后混炼15min，待混炼中短切碳纤维均匀地分散于胎面橡胶基体中，得到短切碳纤维与胎面橡胶基体复合的多相共混体系；r表示转数，min表示时间单位，分钟；

步骤四、当步骤三混炼过程后的短切碳纤维与胎面橡胶基体复合的多相共混体系的温度降至约60℃时，压延成型；

步骤五、然后下片在25t电热平板硫化机上硫化20min；其中，硫化温度为140℃，硫化压力为3.5MPa，硫化深度为保证胎面中部达到正硫化点；t表示重量的单位，吨；MPa表示压力的单位，兆帕；min表示时间的单位，分钟；

步骤六、冲片；至此，完成短切碳纤维增强的工程翻新轮胎胎面胶过程，形成短切碳纤维增强的工程翻新轮胎胎面胶。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的短切碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶工艺，所述的短切碳纤维选为聚丙烯腈基碳纤维，PAN，由上海久扶碳纤维材料有限公司生产，其直径为7.05um，拉伸强度为3.56GPa，抗拉弹性模量为231.4Gpa，断裂伸长为1.62％。

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的短切碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶工艺，短切碳纤维的质量分数为7％的情况下，抗拉强度和撕裂强度达到最大值。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的短切碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶工艺，所述的短切碳纤维的长度为6mm。

具体实施方式五：

与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的短切碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶工艺，步骤三中胎面橡胶基体包括质量份为65的天然橡胶材料和质量份为35的丁苯橡胶材料，以及：

补强填充剂:在使用炭黑N231的基础上，加入高分散性白炭黑，质量份分别为40和10；

促进剂:选用武汉远城科技发展有限公司生产的NS型号的促进剂，质量份为1.6；硫化剂:选用武汉径河化工有限公司生产的WK-901.6型号的抗硫化返原剂，质量份为1.5；

防老剂:选用长春通达化学有限责任公司产的WH-02型号的防老剂，质量份为2.0；该防老剂无毒、无害、无污染；

助剂:选用HNZ型号的助剂，质量份为1.6；可提高胶料的定伸、硬度、耐撕裂和耐磨性；

硬脂酸：质量份为2.0；

氧化锌(ZnO)：质量份为5.0；

X-140型号芳烃油：质量份为3.0；

防臭氧蜡：质量份为0.4；

C501型号的增粘剂：质量份为2。

Claims (3)

1.一种短切碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶工艺，其特征是:包括以下步骤：

步骤一、短切碳纤维表面处理：碳纤维以5％聚二苯基甲烷二异氰酸酯的甲苯溶液浸渍，在200℃下干燥1min，再用10％的橡胶糊进行涂层，并在160℃下干燥2min；min表示时间单位，分钟；

步骤二、胎面生橡胶基体塑炼过程：将胎面橡胶基体加入密炼机中塑炼4min；min表示时间单位，分钟；

步骤三、胎面橡胶基体混炼过程：在110±1℃的温度下，转子转速为40r/min的6寸双辊密炼机上，在步骤二塑炼处理后的胎面橡胶基体中依次加入短切碳纤维、增粘剂和配合剂、操作油以及硫化剂后混炼15min，待混炼中短切碳纤维均匀地分散于胎面橡胶基体中，得到短切碳纤维与胎面橡胶基体复合的多相共混体系；r表示转数，min表示时间单位，分钟；

步骤四、当步骤三混炼过程后的短切碳纤维与胎面橡胶基体复合的多相共混体系的温度降至约60℃时，压延成型；

步骤五、然后下片在25t电热平板硫化机上硫化20min；其中，硫化温度为140℃，硫化压力为3.5MPa，硫化深度为保证胎面中部达到正硫化点；t表示重量的单位，吨；MPa表示压力的单位，兆帕；min表示时间的单位，分钟；

步骤六、冲片；至此，完成短切碳纤维增强的工程翻新轮胎胎面胶过程，形成短切碳纤维增强的工程翻新轮胎胎面胶；

其中，短切碳纤维增强的工程翻新轮胎胎面胶中短切碳纤维的质量分数为7；短切碳纤维的长度为6mm。

2.根据权利要求1所述的短切碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶工艺，其特征是:所述的短切碳纤维选为聚丙烯腈基碳纤维，PAN，其直径为7.05um，拉伸强度为3.56GPa，抗拉弹性模量为231.4Gpa，断裂伸长为1.62％。

3.根据权利要求1或2所述的短切碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶工艺，其特征是:步骤三中所述的胎面橡胶基体包括质量份为65的天然橡胶材料和质量份为35的丁苯橡胶材料，以及：

补强填充剂:在使用炭黑N231的基础上，加入高分散性白炭黑，质量份分别为40和10；

促进剂:选用NS型号的促进剂，质量份为1.6；

硫化剂:选用WK-901.6型号的抗硫化返原剂，质量份为1.5；

防老剂:选用WH-02型号的防老剂，质量份为2.0；

助剂:选用HNZ型号的助剂，质量份为1.6；

硬脂酸：质量份为2.0；

氧化锌：质量份为5.0；

X-140型号芳烃油：质量份为3.0；

防臭氧蜡：质量份为0.4；

2C501型号的增粘剂：质量份为2。