江畹蘭 (華南理工大學(xué)高分子系，廣東廣州510641) 編譯

輪胎工業(yè)中的注射工藝

江畹蘭 (華南理工大學(xué)高分子系，廣東廣州510641) 編譯

文中簡(jiǎn)略地總結(jié)了俄羅斯輪胎工業(yè)研究院進(jìn)行的輪胎注射成型工藝的研究過(guò)程，確認(rèn)由橡膠注壓成型充氣輪胎部件在原則上是可行的，但目前尚缺乏實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)和未經(jīng)經(jīng)濟(jì)上的可行性論證。液體聚氨酯澆注輪胎的工藝經(jīng)過(guò)了廣泛的實(shí)驗(yàn)性研究，正準(zhǔn)備工業(yè)推廣。

輪胎;注壓成型;注射成型;液體聚氨酯澆注成型

0 前言

注壓成型是加工聚合物材料的先進(jìn)而準(zhǔn)確的方法，目前已廣泛用于制造許多聚合物產(chǎn)品。在輪胎工業(yè)中，盡管注壓工藝已研究了多年，但至今仍未有廣泛應(yīng)用。

注壓法彈性體制品可由膠料和液態(tài)反應(yīng)性單體-聚氨酯預(yù)聚體組分材料來(lái)生產(chǎn)。可采用如下幾種注壓成型方法:如注壓法、壓力注射法、反應(yīng)注射成型法等。

1 注壓法

膠料注壓用的一般柱塞式壓力機(jī)為專(zhuān)用的柱塞型(傳遞式)注壓機(jī)或用螺桿喂料的注壓機(jī)。在注壓時(shí)，將冷膠料或經(jīng)預(yù)熱的膠料置入專(zhuān)門(mén)的注壓室。膠料通過(guò)注塞或其它移動(dòng)部件由注壓室經(jīng)過(guò)狹窄的通道被壓入閉合的模型中。由于膠料在注壓澆道口或充填模腔時(shí)已預(yù)光被加熱，在充模過(guò)程中可比直接模壓成型的硫化周期要短，注壓法容易實(shí)施且有多種用途。與壓力注射成型相比，對(duì)一次注壓成型的制品的體積也無(wú)限制。該法的缺點(diǎn)是產(chǎn)品有大量硫化膠飛邊，機(jī)械化和自動(dòng)化水平不高。

在專(zhuān)利文獻(xiàn)中，介紹了三種用于輪胎的注壓模式(見(jiàn)圖1)，即:(1)在半開(kāi)模的帶進(jìn)料室的模壓機(jī)上進(jìn)行(圖1a);(2)在帶注壓室及環(huán)狀柱塞的模壓機(jī)上進(jìn)行(圖1б);(3)在帶圓筒柱塞、注射室、單點(diǎn)、多點(diǎn)或狹縫注射口的注壓機(jī)上進(jìn)行(圖1в)。

圖1 輪胎部件注壓示意圖

1.1 充氣輪胎

在計(jì)算數(shù)據(jù)及實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，探索了由輪胎膠料注壓成型輪胎不同部件的可能性。試驗(yàn)在250-1200-1Э注壓機(jī)上進(jìn)行。注壓機(jī)公稱(chēng)壓力2500 kN，閉合行程350 mm，合模時(shí)間12 S。注壓成型了無(wú)內(nèi)胎轎車(chē)胎175/70R13的不同部件(見(jiàn)圖2)。計(jì)算和研究采用了Moldflow公司的程序MPI1.1。它可以預(yù)測(cè)膠料在注射模具成型腔中充模的任一點(diǎn)及任一時(shí)刻狀態(tài)的參數(shù)，其中包括膠料的溫度及速率、流動(dòng)方向、壓力、應(yīng)力及剪切速率等等。預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)是解決了液體在平面裂口處的非等溫及不穩(wěn)定流動(dòng)問(wèn)題。而此種液體是流變學(xué)上復(fù)雜的緊縮液體，且又是熱力學(xué)膨脹的液體。在解題時(shí)使用了綜合有限元終端差異計(jì)算程序。

轎車(chē)輪胎175/70R13各元件成型過(guò)程的分析以主要部件為主(見(jiàn)圖2)，它們用四種膠料生產(chǎn)，膠料各具有不同的流變性能及焦燒時(shí)間τ(τ相當(dāng)于門(mén)尼黏度計(jì)上測(cè)得的τ5)(見(jiàn)表1)。在計(jì)算時(shí)使用了溫度增加10℃，硫化速率增加一倍的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則和黏度與剪切速率的乘方關(guān)系及與溫度的指數(shù)依賴(lài)關(guān)系。

圖2 輪胎175/70R13的主要部件

用與圖1б相近似的注壓示意圖進(jìn)行了計(jì)算機(jī)分析。使用帶環(huán)狀注壓槽的模型的好處是可以使充填過(guò)程及后續(xù)硫化有軸對(duì)稱(chēng)性。從而使由于力學(xué)非均勻性引起的模型元件及骨架件歪斜減至最小程度。表1及圖3示出了計(jì)算機(jī)研究的結(jié)果。

圖3 輪胎胎面注射成型時(shí)注射室膠料溫度(1-3)及壓力(1’-3’)與時(shí)間的關(guān)系

最難澆注的是大面積的薄壁部件，如密封層和簾布夾層。故在計(jì)算時(shí)討論了以下兩種極端成型條件(見(jiàn)表1):

(1)注壓機(jī)可達(dá)到的最大能量速率特性(最大注模速率，Q=max)，此時(shí)壓力P不應(yīng)高于100 MPa

(2)采用該特征的最小值(Q=min，P=min)，它可使膠料在焦燒開(kāi)始前即已充滿(mǎn)模腔。

計(jì)算表明，對(duì)于第一個(gè)條件，在充模時(shí)間短(1.7 s)時(shí)，膠料流動(dòng)具有非穩(wěn)態(tài)特性。澆注壓力大(至100 MPa)、橫向力也大(671 kN)。在第二個(gè)條件下，整個(gè)充填過(guò)程都是在膠溫接近模型溫度、壓力逐漸增至63 MPa及膨脹力不大于431 kN時(shí)以恒速進(jìn)行的。毫無(wú)疑問(wèn)，第二個(gè)條件最好，即能消耗最少和制品內(nèi)應(yīng)力最小。

通過(guò)環(huán)狀澆口在胎面下部往模腔里充填膠料，生產(chǎn)胎體簾布外部件時(shí)形成了不大的切應(yīng)力場(chǎng)(0.17～0.46 MPa)，在分析胎體簾布層簾線性狀(成型外層膠)時(shí)獲悉了這一點(diǎn)。

“密封層”及“簾布層”部件的膨脹力都比較大，這是因?yàn)樗麄兪潜”谥破罚诤夏Ｃ嫔系耐队懊娣e大，從而使充模階段的成型壓力很大。為了能在250-1200-1Э注壓機(jī)上注射這些部件，必須使用帶自動(dòng)鎖閉裝置的模型，在延長(zhǎng)焦燒時(shí)間的前提下，當(dāng)鎖模力不超過(guò)注壓機(jī)額定壓力250 kN時(shí)，原則上可實(shí)現(xiàn)恒速充模。

在注射成型“胎側(cè)”時(shí)與“密封層”和“胎體簾布層”不同的是采用恒速充模條件(條件2)。要求有較條件1大的膨脹力(144 kN)及較長(zhǎng)的充模時(shí)間(50 s)。采用條件1時(shí)每階段的最大充模速率(在注壓機(jī)許可范圍內(nèi))受到限制(注射常壓P=const)相當(dāng)于小于144 kN膨脹力。采用條件1最大橫向鎖模力可減至96 kN，充模時(shí)間縮短為25 s。同等厚度的部件“密封層”“簾布層”與“胎側(cè)部件”在注射條件上的差異是由于模腔厚度在膠料流動(dòng)方向上的改變所致。

胎圈包布及三角膠的厚度有很大的差別，且其中都有較厚的區(qū)段。這些部件膠料容易在短時(shí)間內(nèi)(0.5～1.0 s)充滿(mǎn)模型。注壓室的額定壓力P=12 MPa。注模結(jié)束時(shí)，膠料溫度為100℃ ～110℃，尚未達(dá)到平衡值(180℃)，而橫向力也未達(dá)最大值。在保壓階段，由于溫度升高使膠料產(chǎn)生了熱膨脹，模腔中的壓力比在充模結(jié)束時(shí)要高出1倍以上，模腔中的壓力大于注射室內(nèi)的壓力，這樣，會(huì)產(chǎn)生從模腔流向注射室的逆流，使壓力均勻及橫向力減小。

表1 用不同注壓方法生產(chǎn)的輪胎部件的成型條件及成型特點(diǎn)

表2 在Desma注壓機(jī)上膠料4Э-1386塑化和空白注射時(shí)的溫度與時(shí)間條件

“胎面”及“胎趾”部件都較厚，故在充模后需要較長(zhǎng)的加熱時(shí)間。曾用增大生熱耗散的方法來(lái)縮短加熱時(shí)間，即在加大膠料注壓所需最大功的同時(shí)(W=max規(guī)程)，將注槽尺寸減小至0.5 ～1.0 mm，提高注射速度(0.3 ～1.6 s)并在注模階段將注射壓力加大到28～36 MPa，隨后降壓至12 MPa。這種方法可使膠料在充模后的溫度立即上升8℃ ～20℃，從而明顯地縮短了“胎面”和“胎趾”部件的硫化時(shí)間。

曾在配備專(zhuān)用注壓模型的250-1200-1Э注壓機(jī)上試生產(chǎn)了轎車(chē)環(huán)形外胎半成品(按圖1，a示意圖)。所得的環(huán)形半成品上有清晰的胎面花紋，且沒(méi)有氣孔。盡管在注壓模中沒(méi)有排氣孔。

實(shí)心輪胎為厚壁制品，其注射成型最好采用最大的充模速率，包括上述用于胎面半成品成型時(shí)增大生熱耗散的方法。在注壓實(shí)心輪胎時(shí)，除了使用帶環(huán)狀柱塞的工藝設(shè)備(見(jiàn)表1，第9)外，還可采用在分型面上設(shè)置注模室、單邊或雙邊充模等方案。以前曾設(shè)計(jì)加工了充模附件(見(jiàn)圖1，a)，其中注射室位于合模處的模腔中，并直接與成型模腔連接(無(wú)注射道)，這一方法易于實(shí)施，不需要專(zhuān)門(mén)的裝備和復(fù)雜的硫化機(jī)，且簡(jiǎn)化了工藝生產(chǎn)鏈。

曾用彩色塑料板制的透明模型模擬研究了從加料區(qū)到成型區(qū)膠料注壓過(guò)程的規(guī)律。研究表明，膠料流動(dòng)具有漸進(jìn)的特點(diǎn)。此時(shí)，膠料到達(dá)圓盤(pán)后，分成兩股實(shí)心流，將空氣從模腔中排出，從而有利于制得致密的制品。在蠕流過(guò)程中，膠料層間拉長(zhǎng)1.0～1.5倍，從而有助于活化界面層及增強(qiáng)粘合和自粘。

按上述工藝流程已生產(chǎn)和繼續(xù)生產(chǎn)不同用途的實(shí)心輪胎，其力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)及靜態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)證實(shí)，用注壓法生產(chǎn)的實(shí)心輪胎質(zhì)量高，抗疲勞性能優(yōu)于用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的輪胎。

因此，注壓法可用于生產(chǎn)充氣輪胎的所有部件，用傳統(tǒng)橡膠和填充短纖維的橡膠生產(chǎn)多規(guī)格實(shí)心輪胎、無(wú)骨架輪胎。

注壓法還可用于生產(chǎn)高抗動(dòng)態(tài)疲勞的實(shí)心輪胎、石棉剎車(chē)片及其它履帶設(shè)備的彈性履帶節(jié)、常壓輪胎及密封層，環(huán)狀硫化的外層部件，此外還可用于生產(chǎn)部分硫化或完全硫化的輪胎部件。

1.2 注射成型

橡膠膠料的注射成型是在特制的高度自動(dòng)化的裝備—注射機(jī)上進(jìn)行的。它由相互聯(lián)系的兩個(gè)部分組成:

(1)注射機(jī)部分(單工位的或多工位的)，執(zhí)行合模、啟模及保證被加熱模型處于閉模狀態(tài);

(2)注射單元(主要為螺桿-柱塞型)。它進(jìn)行如下工藝操作:a.用螺桿塑化并預(yù)熱以冷膠條形式送入加料孔的膠料，使膠料溫度低于模溫15℃ ～20℃，b.在塑化筒前部積聚定量的加熱過(guò)的膠料;c.在壓力達(dá)到150～200 MPa時(shí)，通過(guò)注射口及注射道向閉合模中定量地注射膠料。

整個(gè)注射過(guò)程自動(dòng)完成。

注射成型優(yōu)于橡膠制品的注壓成型。因?yàn)樗苁构に囘^(guò)程最大程度地實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，大大地縮短硫化時(shí)間及生產(chǎn)周期，提高制品的精密度及其它性能指標(biāo)。此外，它還可降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減小生產(chǎn)場(chǎng)地的面積。

為了注射環(huán)狀的輪胎部件，最好是用環(huán)狀的窄口進(jìn)膠槽，膠料由中央錐形澆口經(jīng)徑向注膠道及環(huán)狀排列的澆口(圖4)進(jìn)入進(jìn)膠槽。注射成型與注壓成型不同點(diǎn)是溫度時(shí)間歷程(包括塑化階段)。它會(huì)影響焦燒的起步時(shí)間并對(duì)輪胎某些部件進(jìn)行注射的可行性作出修正，與以前適合于注壓的這些部件進(jìn)行比較。

目前，用參數(shù)J來(lái)評(píng)估膠料在注射機(jī)塑化筒中相對(duì)縮短的焦燒時(shí)間，參數(shù)J顧及了膠料的進(jìn)入塑化筒的瞬間至開(kāi)始注射時(shí)的溫度和時(shí)間對(duì)膠料的綜合作用。

式中 t-時(shí)間;T-溫度;τ-在 T=const條件下焦燒起步時(shí)間(τ=t5);τ(t)-在實(shí)際生產(chǎn)中膠料在注射機(jī)塑化筒中停留時(shí)的瞬間溫度值;J(tu)表征膠料在機(jī)筒中停留時(shí)相對(duì)推遲的焦燒起步時(shí)間。焦燒在J(tu)=1時(shí)開(kāi)始起步。

圖4 輪胎胎面注射成型時(shí)的“注射-成型腔系統(tǒng)”的模型(聯(lián)同有限元網(wǎng))

評(píng)估膠料在注射過(guò)程中的溫度-時(shí)間歷程時(shí)，使用了俄羅斯輪胎研究院與鄂木斯克輪胎公司共同研究的成果。實(shí)驗(yàn)在德國(guó)產(chǎn)工業(yè)注射機(jī)“Desma 905/8”上進(jìn)行，該機(jī)裝有螺桿-柱塞型塑化部件(PSA-123型)，最大注射容積Vmax=1 720 cm3，螺桿直徑90 mm，螺桿長(zhǎng)度1 400 mm。

根據(jù)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)闡明了塑化的適宜溫度及速率，這些參數(shù)能保證在規(guī)定的螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)頻率下有最短的注射時(shí)間。表2列出了推薦的膠料4Э-1386在 120℃下(焦燒起步時(shí)間 31.5 min，門(mén)尼黏度55)按區(qū)段的溫度分布及塑化和冷注射的溫度時(shí)間參數(shù)。

根據(jù)螺桿的幾何參數(shù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算了膠料在塑化筒中停留的時(shí)間。對(duì)位于入口前區(qū)段的粒子該時(shí)間為720 s，而入口后區(qū)段的則為780 s。用表2列示的數(shù)據(jù)繪制了前區(qū)段與后區(qū)段在塑化過(guò)程中的T(t)及J(tu)的簡(jiǎn)圖。用圖解分析方法計(jì)算評(píng)估J(tu)的結(jié)果表明，在塑化筒出口處，J(tu)的最大值為0.20～0.22，即膠料4Э-1386的焦燒時(shí)間較原值縮短了20% ～22%。對(duì)于高黏度、短焦燒時(shí)間的膠料，這一數(shù)值將更大。例如實(shí)心輪胎34 PU 14膠料的焦燒時(shí)間t5=12～14 min(120℃下)，這表明，注射時(shí)膠料已焦燒。

因此，為了確保注射輪胎部件的條件和注壓時(shí)一樣，必須相應(yīng)延長(zhǎng)膠料的焦燒起步時(shí)間。

根據(jù)公認(rèn)的評(píng)估初步標(biāo)準(zhǔn)，采用注射成型加工法可以使用在100℃下門(mén)尼黏度不超過(guò)65及在120℃下焦燒時(shí)間為10～30 min的膠料。胎側(cè)、密封層、胎體及實(shí)心輪胎的膠料均能符合上述標(biāo)準(zhǔn)。從這些部件注壓成型過(guò)程的分析結(jié)果看，它們也可以用注射成型法生產(chǎn)，盡管在某些情況下需要延長(zhǎng)焦燒起步時(shí)間，(實(shí)心輪胎的注射成型參數(shù)計(jì)算評(píng)估示于表1，第9項(xiàng))。

胎圈包布及三角膠等部件膠料的門(mén)尼黏度比注射成型所允許的極限值(即100℃下65)要高出很多，故按現(xiàn)行的配方不可能用注射法生產(chǎn)這些部件。

胎面、胎趾及子口膠等部件的膠料，其門(mén)尼黏度比規(guī)定的上限要高出5～10個(gè)單位，但這些不屬于難注射的部件。通過(guò)調(diào)整配方或優(yōu)化塑化及注射條件便可進(jìn)行注射成型。

以胎面注射成型為例，在不改變膠料流變學(xué)性能的條件下進(jìn)行注射成型。采用Moldflow公司的程序來(lái)分析胎面部件注射過(guò)程對(duì)體系的適應(yīng)性(見(jiàn)圖4)?？紤]到部件較厚，為了縮短加熱時(shí)間分析時(shí)使用了增大生熱耗散的方法。設(shè)定了非?！翱量獭钡淖⑸潴w系的幾何狀況(注射直徑10 mm，進(jìn)膠槽厚1 mm)?？捎米⑸涑尚头ㄉa(chǎn)胎面來(lái)求證計(jì)算。表1第8項(xiàng)為該部件注射過(guò)程的設(shè)定和計(jì)算參數(shù)。注射機(jī)中心注膠口處的溫度定為100℃(建議采用強(qiáng)度不大的塑化過(guò)程)。所選擇的注膠口的尺寸要確保注入分流道的溫度為18℃及注入主流道的溫度為12～13℃，并能有效加熱膠料及較好地充模。充模后，壓力從100 MPa下降到40 MPa，從而極大地降低了橫向力，保證形成胎面花紋及制得無(wú)氣孔的硫化膠。

綜上所述，注射成型原則上既可用于生產(chǎn)充氣輪胎的大部分部件(在相應(yīng)調(diào)整配方工藝的條件下)，也可用于生產(chǎn)實(shí)心輪胎，注射生產(chǎn)1～3 kg的輪胎部件時(shí)，塑化及注射的總的時(shí)間比硫化周期要縮短80% ～86%。因此為了有效地利用注射成型大型制品的設(shè)備，必須使用多工位機(jī)組。這只有在大批量生產(chǎn)(年產(chǎn)量達(dá)數(shù)萬(wàn)的制品)中才經(jīng)濟(jì)合理。

較大制品(超過(guò)5～10 kg)的成型最好采用下述將要敘述的成型條件。

圖5 厚度σ=2 cm制品的最大注射系數(shù)與膠料不同初始溫度T0及膠料焦燒起步時(shí)間t5(120℃)的關(guān)系

2 往復(fù)式螺桿注射成型

這是另一種形式的注射成型方法，用于在功率不大的萬(wàn)能注射機(jī)上生產(chǎn)橡膠制品。此種方法的特點(diǎn)是，大部分膠料從注射機(jī)筒壓入注射模腔時(shí)僅僅依靠螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而膠料注射則是由螺桿的軸向位移來(lái)完成的。這種注射方法可確保在模型中產(chǎn)生能保證制品質(zhì)量所需的壓力。系數(shù)KN，即通過(guò)螺桿旋轉(zhuǎn)送往模型中膠料的量與通過(guò)注射注入的膠料的量之比，一般在2～12之間，此時(shí)制品的體積可能比注射室的容積Vmax大12～13倍。

利用在“Desma 905/8”注射機(jī)上得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了在往復(fù)式注射機(jī)上用膠料4З-1386生產(chǎn)中型和大型實(shí)心輪胎時(shí)成型的溫度-時(shí)間歷程，并測(cè)定了處于膠料流前沿和最后部分的膠料在不同生產(chǎn)階段的J(t)值。

在計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上測(cè)定了在不同模溫TΦ、不同膠溫T0及膠料不同焦燒起步時(shí)間τ(τ=t5)條件下不同厚度注射制品如實(shí)心輪胎的臨界時(shí)間Tkp、相應(yīng)的臨界長(zhǎng)度Lkp和注射容積Vkp。利用所得數(shù)據(jù)，計(jì)算了最大值的注射系數(shù)(KN=Vkp、Vmax)與上述參數(shù)的關(guān)系，其中的一些關(guān)系示于圖5。由圖5可看出，Ku的最大值隨模溫及膠溫的下降而增大，也隨膠料早期硫化(焦燒)起步時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。隨成型縫隙厚度的增加，被成型物膠流前沿及其中心的平均積分溫度增加速率明顯減慢，從而使Ku值極大地增高。在注射物厚度達(dá)20～40 mm時(shí)，Ku最大值可達(dá)10～12。

因此，按焦燒參數(shù)，根據(jù)預(yù)計(jì)算-實(shí)驗(yàn)評(píng)估，往復(fù)成型注射原則上可以注射由4Э-1386膠料生產(chǎn)的大型輪胎(帶軟箍和不帶軟箍的輪胎，超大型輪胎的某些模型，安全輪胎支承環(huán))，其質(zhì)量達(dá)20 kg。在一定條件下，甚至可以注射質(zhì)量更大的制品。

3 液體聚氨酯澆注成型

由液態(tài)異氰酸酯預(yù)聚體澆注成型制品明顯的特點(diǎn)是將混煉、成型和聚合物合成等工藝過(guò)程融為一體。此時(shí)，由于原始組分的材料的黏度低(不大于2～3 Pa·s)，制品成型是在無(wú)壓力(自由注射)或真空、或不大的壓力(低于1 MPa)條件下進(jìn)行的。液態(tài)反應(yīng)性混合料在帶有簾線骨架的制品成型過(guò)程中能很好地浸漬簾線，深入線繩與纖維間的空間，使聚合物和簾線之間具有很高的粘合強(qiáng)度。在聚合物的合成過(guò)程中除分子鏈長(zhǎng)度增加外，同時(shí)還伴有化學(xué)交聯(lián)，生成帶硬段的空間物理結(jié)構(gòu)，由此可以制備具有獨(dú)特綜合性能的彈性體。

有關(guān)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用預(yù)聚體澆注工藝的研究主要集中在生產(chǎn)不同用途的聚氨酯輪胎，包括充氣輪胎，自承重輪胎及實(shí)心輪胎等方面。

3.1 充氣聚氨酯輪胎這是在結(jié)構(gòu)-工藝方面最復(fù)雜的制品。它由不同配方的三種彈性部件(胎面，內(nèi)外簾布層)及四種帶骨架部件(子午線簾線層、環(huán)狀或斜交簾線的緩沖層及二個(gè)鋼絲圈)組成。俄羅斯輪胎研究院開(kāi)發(fā)了聚氨酯澆注輪胎的工藝，它包括如下五個(gè)階段(見(jiàn)圖6):

(1)在帶活動(dòng)環(huán)狀芯軸的活絡(luò)模中真空澆注(液體成型)內(nèi)簾布筒;

(2)在芯軸表面徑向纏繞單根簾線，并固定在鋼絲圈上;以此來(lái)增強(qiáng)骨架層;

(3)真空澆注骨架層外圍部件;

(4)用單根簾線纏繞法增強(qiáng)緩沖層;

(5)真空澆注輪胎胎面。

俄羅斯輪胎研究院在化學(xué)-工藝綜合研究的基礎(chǔ)上，制定了可滿(mǎn)足力學(xué)和工藝綜合性能要求的聚氨酯彈性體輪胎配方。制定了真空澆注技術(shù)條件，這樣，可保證輪胎的薄壁彈性部件(至1 mm)的成型質(zhì)量以及該部件與簾線有良好的粘合強(qiáng)度，同時(shí)，與不同配方的彈性層間也有良好的粘合強(qiáng)度。此外，他們還制造了澆注、纏繞及成型裝備的試驗(yàn)樣機(jī)，確保了試驗(yàn)輪胎的生產(chǎn)。該院科研人員曾進(jìn)行了設(shè)計(jì)前的論證、提出了技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性報(bào)告，擬訂了商務(wù)計(jì)劃及生產(chǎn)工藝規(guī)程等。所有這些研究都說(shuō)明，澆注聚氨按酯輪胎與傳統(tǒng)的輪胎相比，具有如下幾大優(yōu)點(diǎn):

(1)質(zhì)量減少15% ～20%，滾動(dòng)阻力降低30%，從而使汽車(chē)行駛時(shí)節(jié)省5% ～8%的燃料;

(2)耐磨性提高30% ～50%，輪胎均一性也有提高;

(3)提高汽車(chē)行駛速度及輪胎的安全性;

(4)輪胎可有多種色彩，使汽車(chē)的藝術(shù)外觀有所改善。

(5)降低勞動(dòng)強(qiáng)度50% ～100%;

(6)可降低能耗100% ～200%及縮小生產(chǎn)場(chǎng)地的面積;

(7)工藝損耗小?？梢灾貜?fù)使用廢舊輪胎中的彈性體。

(8)減少輪胎在生產(chǎn)中和使用中對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。

圖6 聚氨酯充氣輪胎生產(chǎn)工藝流程示意圖

俄羅斯輪胎研究院生產(chǎn)了1 000套澆注輪胎。低聚物轎車(chē)胎165/70 p1З在冬季通過(guò)了全套試測(cè)項(xiàng)目，包括臺(tái)架試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室路面試樣及實(shí)際里程試驗(yàn)等。試驗(yàn)在俄羅斯和許多歐亞國(guó)家進(jìn)行。農(nóng)用輪胎240/70-508P也順利通過(guò)了臺(tái)架試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室田地試驗(yàn)及實(shí)際行駛試驗(yàn)。

3.2 聚氨酯實(shí)心輪胎曾用邵爾A硬度55到95的聚氨酯彈性體生產(chǎn)了多種規(guī)格的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)澆注型實(shí)心輪胎并將它們用于有軌和無(wú)軌交通運(yùn)輸，其中包括地鐵升降電梯的滾軸、廠內(nèi)運(yùn)輸車(chē)用的實(shí)心輪胎、冰鞋滑輪及滑雪輪等。實(shí)心輪胎采用一般自由澆注法成型。

聚氨酯實(shí)心輪胎在替代類(lèi)似結(jié)構(gòu)和用途的橡膠輪胎方面前途似錦。這是因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn):

(1)在相同尺寸的條件下，最大承載負(fù)荷較一般輪胎大3～4倍;

(2)耐磨性高10倍，滾動(dòng)阻力小100%;

(3)高抗光及臭氧老化性能及耐油性;

(4)與輪箍金屬有良好的粘合性能。

3.3 履帶及拖拉機(jī)輪的澆注型彈性體部件

這類(lèi)產(chǎn)品包括可拆卸的聚氨酯石棉剎車(chē)片、泥地或雪地抓齒，它們能很好地保護(hù)路面，而在越野情況下仍具有良好的使用性能。這類(lèi)制品通常采用上澆口自由澆注方法生產(chǎn)。

3.4 自承重聚氨酯輪胎這是一種非充氣輪胎。在這種輪胎中為了提高聚氨酯實(shí)心體的緩沖性能設(shè)計(jì)有內(nèi)空腔。內(nèi)空腔或者是按圓周形式均勻分布的加勁棱條;或者是軸向、圓周向和徑向的空腔。它們可有不同的形狀，如圓筒形、錐形、棱形，也可能是其它空洞形式。由此形成隔離網(wǎng)和以徑向或漸近線形式排列的棱條。

美國(guó)Uniroyl公司生產(chǎn)的聚氨酯備用輪胎，其質(zhì)量較一般輪胎小66% ～75%，故在汽車(chē)行李箱中占的容積較小。

Michlin美國(guó)研究中心的專(zhuān)家們研制了自承重輪胎，連同輪輞一起被稱(chēng)之為T(mén)weel disk。在此類(lèi)輪胎中與外胎及輪輞連在一起的彈性聚氨酯輪輻起緩沖件的作用。

具有V形斷面的輪胎及傳統(tǒng)斷面的常壓輪胎也屬自承重輪胎。俄羅斯輪胎研究院曾研制了殘疾人坐椅及自行車(chē)37-553、37-540及47-110的牽引輪和承重輪，它們不需要充氣，但具有良好的緩沖性能，在地板上不留印痕，滾動(dòng)阻力小，耐磨性好，色彩艷麗。許多國(guó)家還用微孔發(fā)泡聚氨酯生產(chǎn)澆注型自行車(chē)胎。

用低模量聚氨酯填料“Teirfel”代替空氣填充的輪胎也自承重輪胎。原始組分的混合料在0.8 MPa壓力下通過(guò)螺旋開(kāi)關(guān)直接由混合機(jī)頭注入輪胎腔室。

聚氨酯自承重支撐圈彈性插入物用作輕型安全車(chē)輪。聚氨酯支撐圈的質(zhì)量比同類(lèi)輪胎的要輕50%。

多種反應(yīng)注射成型方法(如自由注射、真空注射等)可用于生產(chǎn)自承重輪胎。

4 結(jié)論

綜上所述，注射成型工藝(包括注壓、注射及液體注射成型)在輪胎工業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。特別是在生產(chǎn)實(shí)心輪胎及石棉剎車(chē)片、自承重安全輪胎、園林修枝用車(chē)胎、自行車(chē)胎及殘疾人輪椅車(chē)胎等方面。

研究表明，由膠料注壓成型充氣輪胎的大多數(shù)部件原則上是可行的。但是，目前還缺少對(duì)注射橡膠輪胎的實(shí)驗(yàn)確認(rèn)和經(jīng)濟(jì)、工藝上可行性的報(bào)告，固而還需要繼續(xù)進(jìn)行研究。

用纏繞-繞注工藝，由預(yù)聚體生產(chǎn)聚氨酯充氣輪胎經(jīng)過(guò)了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究，正準(zhǔn)備進(jìn)入工業(yè)中試生產(chǎn)。這一方法在生產(chǎn)各種用途的輪胎中有著廣闊的前景。

［1］ Beceлoв U.B 等，Kир［J］，2008，(5):27-35.

TQ 336.1

B

1671-8232(2011)11-0030-08

江畹蘭(1934-)，女，湖北省仙桃市人。1960年畢業(yè)于前蘇聯(lián)莫斯科羅蒙諾索夫精細(xì)化工學(xué)院。現(xiàn)任華南理工大學(xué)教授，從事聚合物結(jié)構(gòu)與變化的研究。

［責(zé)任編輯:楊耀祖］

2010-06-19

工藝與設(shè)備