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1、Compound DesignCompound Design 工工 程程 机机 械械 轮轮 胎胎 配配 方方 设设 计计 O O T T R R 20122012年年1010月月 第一节、橡胶配方设计的原则与程序第一节、橡胶配方设计的原则与程序 1 橡胶配方设计的原则 1）橡胶配方设计时的要考虑的问题（3P） 价格（Price）：成本尽可能低 加工（Processing）：胶料加工性好、易于生产 。 性能（Property）：性能满足使用要求 环境安全性 2 2）具体的设计原则）具体的设计原则 对轮胎产品的性能要求、使用条件要求均要有充分正 确的认识，进行有针对性的设计。使产品性能满足使 用的
2、要求或给定的指标。 对轮胎各部件的特殊性能要求和胶料的加工性能(加工 过程中的温度、胶料流动性等)要求要有充分正确的认 识，要与轮胎结构设计工程师进行交流，既要考虑各 不同部件在使用、加工过程的差异性，又要考虑它们 的共性和相关性，确保各部位的胶料性能达到要求。 在保证满足使用性能或给定的指标情况下，尽量节约 原材料和降低成本，或者在不提高成本情况下提高质 量。 加工性能：使胶料适合于混炼、压延、压出、硫化等 工艺操作，以及有利于提高设备生产效率。 对轮胎的硫化条件包括硫化介质、硫化温度、硫化压 力等要了解，对轮胎整体配方设计时，要充分考虑各 个配方的硫化速度的匹配。要考虑产品各部位不同橡 胶
3、的整体配合，使各部件胶料在硫化速度上和硫化性 能上达到协调。例如，轮胎胎面胶和缓冲层、帘布层 间。 配方设计时，除考虑同一配方中各配合剂之间的内在 联系，同时要考虑相接触的胶料中的配合剂的联系。 如，相邻胶料配方的硫黄、促进剂等。 配方设计人员在考虑选取配合剂时，要避免使用有毒 原材料，尽力不使用能导致职业病的配合剂和溶剂， 减少污染和公害，加强劳动保护，确保操作人员的健 康和环境的清洁。 保证质量前提下，尽可能简化配方。 最终使橡胶的性能、成本和工艺可行性三方面取得综 合平衡。 2 2 配方设计的程序配方设计的程序 1. 制品性能和使用条件的分析 进行调查研究，了解产品使用时的负荷、工作温度
4、、 接触介质、使用寿命以及胶料在产品结构中所起的作 用，作为配方设计依据。 2. 加工性能和制造工艺的分析 1）混炼的易加工性 2）混炼胶料的焦烧性、稳定性要求 3）生胶的并用状态 4）成型性、压出性、压延性、粘结性等的要求 5）硫化特性的要求 6）使用材料的安全性要求 3. 确定胶料的技术要求 收集国内外有关同类产品或类似产品研制的技术资料作为 配方设计参考。 技术要求的内容： 1）产品用途、使用部位及应起之作用 2）产品具体的使用条件（工作条件），包括工作温度、工 作压力、工作周期、频率及使用寿命等。 3）胶料的工艺性能（可塑度、焦烧性、硫化特性） 4）确定胶料的主要性能指标，物理机械性能
5、、耐介质性能 及耐环境（臭氧、热、紫外线）性能。 4. 性能研究配方制订 制定基本配方步骤如下： 1）确定生胶的品种和用量。根据主要性能指标确定主体胶料品种（ 单用与并用），用量与含胶率有关。 2）确定硫化体系。根据生胶的类型和品种，硫化工艺及产品性能要 求来确定。 3）确定补强剂品种和用量。根据胶料性能、比重及成本确定。 4）确定软化剂品种和用量。根据生胶及填料种类，胶料性能及加工 条件确定。 5）确定防老剂品种和用量。根据产品使用环境的条件来确定。 6）确定其它专用配合剂的品种和用量。（如着色剂，发泡剂等） 4进行试验并选取最佳配方 通过在实验室进行基本配方和变量实验，优选出综合平衡性能
6、最好的配方。 5.复试和扩大中试 6.确定生产配方 生产配方包括：配方组份和用量，胶料性能指标，工艺条件（ 塑炼、混炼条件，硫化条件等）和检验方法整套资料。 3 3、橡胶配方的五大体系 （1）生胶最重要的组成部分，决定了胶料的使用 性能、工艺性能和产品的成本。 （2）硫化体系使橡胶大分子发生化学交联。 （3）填充补强体系提供胶料的强度和降低成本 （4）防老体系提高胶料的耐老化性能（耐臭氧、 耐热和耐疲劳）。 （5）软化增塑体系改善胶料的加工性能，降低成 本，提高硫化胶料的耐寒性）。 第二节第二节: :工程轮胎配方设计工程轮胎配方设计 1. 工程机械轮胎使用特点 工程机械轮胎一般是在苛刻的环境下
7、工作的。如推土机、 挖掘机、压路机等工程车，作业场地大，路面不平坦且有尖锐的 碎石块、岩石、钉子和碎玻璃等杂物，行驶速度较慢，受硬物冲 击大，经常是昼夜连续作业，轮胎胎面易被割伤或刺穿或出现崩 花掉块等现象，工作时易发生单胎压爆、撞爆、刺爆等事故。对 于装载机、起重机、搅拌机、大型自卸车等机械，虽在较平坦的 路面上工作，但负荷大，运距短，转弯多，速度较快，使用过程 中易出现热脱层等问题。运输机工作在碎石和平坦路面，行驶速 度快，载荷大，运距长，轮胎易出现磨损、热脱层而爆胎。此外 ，各种工程车一般都是露天作业，冬、夏季温差变化大，如北方 冬季矿山气温达-38，夏季采场高达38左右，工程轮胎要承
8、受较宽的温度变化范围，而且受风吹日晒雨淋。工程轮胎的这些 使用特点，对其使用寿命均会产生重要影响。 2. 性能要求 综合分析工程机械轮胎使用特点，可以看出，这种轮胎的作业场地条件 恶劣，要求轮胎整体刚性大；胎面胶耐切割、耐刺扎、抗崩花掉块、耐磨耗 、弹性好、硬度高、变形小、生热低；胎体胶生热低、耐疲劳、耐热、耐老 化、胶与帘线及不同胶料之间粘合强度高。对于巨型、大型工程机械轮胎， 由于花纹沟深、基部胶厚、胎体厚、帘布层数多（OTR）、外胎硫化时间长 ，因此要求各部件胶料的物理机械性能、硫化速度具有较好的匹配性。对于 胎里密封胶和胎圈密封层胶要求气密性好，胶料与胎体、胶料与帘线粘合强 度高，不脱
9、层、不起泡，保持轮胎气压稳定，延长轮胎使用寿命。 3 配方设计 1）胶种的选择 主要采用NR制造工程机械轮胎，因为NR无论是工艺还是综 合性能都是较适宜的。 从不同国家不同规格的工程机械轮胎胎冠胶化学组分分析 看出，巨型、大型工程机械轮胎胎面胶大部分采用100%NR，也 有并用1015份SBR的。小规格工程机械轮胎采用NR/SBR=70/30 或NR/SBR=60/40的并用体系。 2）补强体系 就粒子填料而言，对橡胶的补强作用主要取决于粒子大小、结构和 表面活性三个因素。这三个因素对胶料的性能有着各自的影响。为提高 胶料耐切割、耐刺扎、抗崩花掉块等性能，各部件胶料的补强体系应采 用补强性能较
10、高的新工艺炭黑。由于轮胎各部件受力状态不同，对胶料 性能要求亦不同，我们必须仔细选择炭黑品种，以适应特定的使用要求 ，如胎面胶常用的炭黑有N115、N234、N220、N375等，胎体胶常用的炭 黑有N375和N326等。 另外，还可采用短纤维补强，如孟山都介绍的配方（NR 60， SBR1500 40，白炭黑 10，N231炭黑 40，油 3，氧化锌 5，硬脂酸 2， 防老剂124 2，防老剂4020 2，促进剂MBS 0.7，促进剂DTDM 0.6，短纤 维 2.25，微晶蜡 1.5，硫黄 1.5）可提高胶料的抗撕裂和抗崩花掉块性 能，但对疲劳寿命有一定的不利影响。 还有采用TESPT改性
11、白炭黑与炭黑并用体系的补强体系。 该体系有5大特点： （1）减轻或消除胶料的硫化返原； （2）将磨耗指安适保持在全用炭黑补强水平； （3）提高胶料的抗撕裂、抗裂口增长能力； （4）降低胶料生热； （5）提高胶料的耐动态疲劳性能。 3）硫化体系的选择 目前，二烯类橡胶常采用普通硫化体系硫化（硫黄含量多达2.5phr） ，这种硫化体系不能保证橡胶在长时间硫化过程中和在轮胎使用过程中的抗 返原和耐老化性能。 采用有效和半有效硫化体系的胶料具有较高的耐热性和耐氧性。这种 硫化体系中含有大量的次磺酰胺类促进剂，同时硫黄用量降低到0.5 1.5phr，或者用硫黄给予体（DTDM）代替部分硫黄。 但是有效和
12、半有效硫化体系胶料的耐疲劳性能和抗撕裂性能比正常体系 的低，这主要与单硫键占主导地位有关。 随着白炭黑在轮胎胶料中用量的不断增大，TESPT已发展成橡胶专用助 剂。在TESPT-促进剂-硫黄硫化体系中，两个交联反应进程基本上互不影响 。通过合理选取三组分的摩尔比，可使得硫黄硫化的返原速度与TESPT交联 反应形成新交联键的速度完全相等。在该硫化程度下，交联键的断裂与形成 速度相等。这种硫化体系称之为等效硫化体系。 等效硫化体系有如下几大特点： （1）产生多硫键，同时有少量单硫键产生。多硫键与单硫键的比例几乎 不随硫化时间的延长而改变。因此等效硫化体系可使有热传导问题的厚壁 制品均匀硫化，与不同
13、部件的硫化速度大小差异无关。硫化快与硫化慢的 部件，在硫化结束时，硫化程度相同。 （2）产生的多硫键具有非常高的热稳定性。 （3）允许采用较高的硫化温度，以缩短硫化时间，提高生产效率。 （4）等效硫化交联的白炭黑、炭黑NR胎面，行驶温度特别低。 （5）采用该体系硫化NR时，用20phr白炭黑代替部分炭黑，可提高胶料的抗 撕裂性和抗切割性。 4 配方特点 1）胎面胶 轮胎的胎面直接与地面接触摩擦,并通过胎面把路面的冲击 力、 摩擦生热传递到整个轮胎，因此胎面胶应具有耐磨、抗冲 击、耐刺扎、防湿滑、良好的操纵稳定性以及低的生热。 此外,胎面胶还应具有优异的防老化性能和良好的加工性,因 此, 在配方
14、中选用酮胺类与对苯二胺类防老剂并用,采用次磺酰 胺类促进剂,使胶料具有良好的抗焦烧性能和压出性能。 为了提高胎面胶耐磨、抗切割性能，中、小型工程机械轮胎 的硫化体系采用半有效硫化体系，巨型、大型工程机械轮胎采用 等效硫化体系。 为获得具有硬而韧的胎冠上层胶，即耐刺扎(snag resistance) 、抗 裂口增长(anti-crack-growth或crack propagation resistance或cut growth resistance)、抗崩花掉块(chipping-chunking resistance) 、生热低、耐热性好、硫化平坦性好的胶料，可着重进行TESPT/白炭 黑
15、/炭黑最佳用量和最佳比例关系方面的配方优化试验研究。 就胎面而言，矿山用大型工程机械轮胎的使用寿命主要受耐磨性和耐 刺扎性的影响。相对来说，耐刺扎性更为重要。 耐刺扎性好有助于防止轮胎早期损坏和延长其使用寿命。 影响大型工程机械轮胎胎面胶实际使用寿命的主要性能有耐磨性、耐 静态刺扎性、耐裂口增长性、耐动态切割性、耐压缩屈挠性、耐老化 性及抗硫化返原性。 当总交联密度(硬度)较大时，胶料的耐磨性、耐静态刺扎性和耐压缩屈挠性 较好，但耐裂口增长性和耐动态切割性较差； 多硫键与双硫键的和与总交联密度的比值较小时（主要是单S)，胶料的耐动 态切割性、耐压缩屈挠性、耐老化性和抗硫化返原性较好，但耐磨性、
16、耐裂口 增长性和耐静态刺扎性较差。 天然胶和丁苯胶的交联状态 因此，对于大型工程机械轮胎，要获得使用性能良好的胎面胶，应用硫化体系 来调整胶料的交联网络结构，使总交联密度较大和多硫键与双硫键的和与总交 联密度的比值较小，以达到胶料性能的优势互补，从而提高成品轮胎的使用性 能和延长其使用寿命。 配方工作者可根据需要，按有关规律来选定胶料的交联网络结构，即硫化 体系。 天然橡胶丁苯橡胶 单单硫双硫+多硫单单硫双硫+多硫 交联联种类类 %-S-S2+Sx-S-S2+Sx- 传统传统 体系01003862 有效体系46548614 HEAT RESISTANT / HIGH SPEED 耐热性能/高速性能 CUT RESITANT /SLOW SPEED 耐
