輪胎硫化生熱規(guī)律及傳熱特性研究.pdf

1、硫化是橡膠制品制造工藝的最后一個流程，也是橡膠制品加工中最主要的化學(xué)過程，賦予橡膠各種寶貴的物理性能，使橡膠成為廣泛應(yīng)用的工程材料?，F(xiàn)有輪胎硫化工藝存在硫化不均的缺點，為了解決硫化不均的問題進(jìn)而改進(jìn)硫化工藝，探究橡膠硫化機(jī)理、確定硫化過程中熱物性參數(shù)變化規(guī)律和探索交聯(lián)反應(yīng)吸放熱規(guī)律是必要的。本文以11.00R20S815全鋼載重子午胎為研究對象，利用硫化儀法確定了輪胎用9種橡膠的硫化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，實驗測量了膠料熱物性參數(shù)隨溫度的變化規(guī)

2、律，并對全鋼子午線輪胎的硫化過程進(jìn)行了實際測溫，對輪胎硫化過程進(jìn)行了數(shù)值計算。
　　(1)使用LFA447型激光導(dǎo)熱分析儀、DSC差示掃描量熱儀分別測量了11.00R20S815型子午線輪胎各部位膠料常壓和經(jīng)過2.5MPa加壓處理兩種情況下的熱物性參數(shù)。經(jīng)過2.5MPa壓力處理后各膠料的熱物性參數(shù)的變化趨勢與常壓下相同，即熱擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高逐漸減小，導(dǎo)熱系數(shù)和比熱則隨著溫度的升高而逐漸變大，與溫度的關(guān)系近似呈線性變化。硫化壓

3、力對熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的影響較大，對比熱的影響較小，其隨溫度的變化關(guān)系與常壓下相一致，即隨著溫度的升高近似呈線性變化。加載常壓下的熱物性參數(shù)得到的數(shù)值計算結(jié)果與實際硫化測溫結(jié)果符合度更高。
　　(2) HTME膠料在78.75℃-102.94℃期間存在吸熱峰，在95.49℃達(dá)到峰值，吸熱量為-35.3mJ，在173.27℃-201.23℃范圍存在放熱峰，在184.28℃達(dá)到峰值，放熱量為81.9mJ，從整個反應(yīng)過程來看，HTME

4、膠料放熱46.6mJ，膠料在硫化過程中為放熱反應(yīng)。測量并擬合了其它各膠料交聯(lián)反應(yīng)吸放熱量隨溫度的依賴規(guī)律。
　　(3)利用硫化儀測量了輪胎用9種混煉膠的扭矩變化曲線，計算了焦燒階段、熱硫化階段、和平坦硫化階段的硫化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。硫化誘導(dǎo)期并不遵循1級反應(yīng)，熱硫化階段硫化反應(yīng)是一級反應(yīng)，在平坦硫化階段，某些配方的膠料呈現(xiàn)為兩個一級反應(yīng)。硫化誘導(dǎo)期反應(yīng)速率最小，熱硫化階段反應(yīng)速度居中，平坦硫化期間反應(yīng)速率最大。以lnk對1/T作圖和

5、為以In(1/t90)對1/T作圖兩種方法計算的活化能較為接近，最大相對偏差為8.3％，但是兩種方法回歸分析所得到的指前因子相差很大，通過前者擬合的Arrhenius方程更符合實際。
　　(4)各膠料的拉伸強(qiáng)度隨著硫化時間的增長先增大后減小，在正硫化時間達(dá)到最大值，拉斷伸長率隨著硫化時間的增長先逐漸減小后逐漸增大，在正硫化階段達(dá)到最小值，各膠料在正硫化區(qū)域附近時力學(xué)性能參數(shù)達(dá)到極值，欠硫和過硫時橡膠的使用性能均不能達(dá)到最優(yōu)。胎面膠

6、的磨耗體積量隨著硫化時間的增加先減小后增大，在正硫化時間達(dá)到最小值。
　　(5)各硫化膠的拉伸強(qiáng)度和300％定伸應(yīng)力隨硫化壓力的升高而逐漸增大，拉斷伸長率、拉伸永久變形以及撕裂強(qiáng)度則隨硫化壓力的升高而降低，硫化壓力越大，胎面膠的磨耗體積越小，硫化壓力對不同膠料橡膠力學(xué)性能參數(shù)的影響程度不同。
　　(6)由于橡膠材料導(dǎo)熱系數(shù)低且厚度不相等，在三種工藝的硫化過程中，輪胎在硫化過程中各部位升溫歷程不同、受熱程度不同，產(chǎn)生了硫化程度

7、不均勻現(xiàn)象。正常硫化工藝下，機(jī)內(nèi)硫化時間(54min)結(jié)束輪胎胎冠胎肩等部位硫化程度較淺，胎側(cè)部位硫化程度高。輪胎在冷卻過程中胎肩、胎冠底部、上下三角膠部位后硫化效應(yīng)顯著，輪胎表面和較薄部位后硫化效應(yīng)比較小，后硫化效應(yīng)使輪胎硫化不均勻的程度更高。保壓工藝整個硫化過程結(jié)束時，各測溫點中硫化程度最高的部位與正常工藝相同，各部位的硫化程度相對正常工藝都有所提高。調(diào)整硫化時間工藝下輪胎各部位的硫化程度都有所降低，但輪胎整體硫化程度的均勻性有了提

8、高。
　　(7)通過數(shù)值計算研究輪胎硫化過程溫度場分布，比較各熱物性參數(shù)對溫度場分布的影響，結(jié)果顯示熱物性參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系對研究輪胎硫化過程有重要影響。加載交聯(lián)反應(yīng)熱后獲得的輪胎各部位的溫升歷程比未加載交聯(lián)反應(yīng)熱的模擬結(jié)果更接近實驗實測值，說明交聯(lián)反應(yīng)熱對輪胎硫化溫度場分布有重要影響。
　　(8)在現(xiàn)有的11.00R20S815全鋼子午線輪胎硫化工藝的基礎(chǔ)上，使用數(shù)值模擬的方法對邊界溫度對輪胎各部位的硫化程度的影響進(jìn)行了

9、分析，其中過熱水溫度對6#、16#、23#、10#以及18#測溫部位的硫化程度影響較大，模套溫度對24#、18#以及16#測溫部位的硫化程度影響較大，熱板溫度對8#、6#及23#測溫部位的硫化程度影響較大。根據(jù)分析結(jié)果提出了優(yōu)化調(diào)整方案:模套溫度提高4K，過熱水溫度提高3K，熱板溫度提高2K，機(jī)內(nèi)加熱硫化時間從54分鐘縮短至45分鐘，結(jié)果表明該調(diào)整方案能夠在保證硫化質(zhì)量的同時提高輪胎硫化生產(chǎn)的效率。
　　(9)傳統(tǒng)加熱方式的時間長

10、效率低，而微波加熱升溫速率更快，溫度分布更均勻，最低溫度的升溫速率是傳統(tǒng)加熱方式的8.95倍。圓波導(dǎo)和同軸波導(dǎo)模式下，膠料經(jīng)微波加熱后，膠料內(nèi)焦耳熱密度和溫度場隨著波在徑向和軸向的傳輸而逐漸降低，焦耳熱密度的最大值、最小值隨著微波功率的增大而線性增大，且隨微波功率的增大，膠料中間部位具有較大焦耳熱密度值的區(qū)域不斷變大。膠料的最低和最高溫度大小都隨著微波功率和加熱時間的增大而線性增大，且膠料最高溫度增大的趨勢較大。微波加熱能夠使膠料整體被