热电偶法研究195/60R15 88H轿车子午线轮胎的硫化时间

李世军 ，邬素华

（1.天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津 300457；2.银川佳通轮胎有限公司，宁夏 银川 750011）

轮胎是一种典型的厚橡胶制品，原材料品种多，结构复杂。轮胎硫化是一个非稳态传热过程，各部位温度和硫化程度不同，各部位胶料的硫化时间不能直接作为轮胎整体的硫化时间。轮胎硫化时间的确定通常采用宁过勿欠的传统方法，但该方法延长了硫化时间，产品普遍存在过硫现象，这不仅降低了轮胎性能，还造成了能源浪费。因此，确定合理的硫化时间是轮胎开发过程中必须面对和解决的问题。

确定轮胎硫化时间通常采用气泡点法和热电偶法[1]。气泡点法通过分段硫化并测试不同硫化程度硫化胶的多孔性，当硫化胶中不再形成气泡时，该硫化时间被确定为最佳硫化时间。热电偶法是测试不同时间点下各部位的温度，通过计算硫化效应来判断硫化时间。最佳硫化时间的确定应当考虑以下情况：硫化最慢的部位（一般为最厚的部位）必须达到正硫化；开模后硫化反应还在进行，即后硫化效应；理想状况是硫化结束时各部位胶料同步达到正硫化。

热电偶法利用化学反应原理和数学计算确定轮胎的硫化条件，适用于任何品种和规格的轮胎[2]，能够全面反映轮胎各部位胶料的硫化程度，且不需要像气泡点法那样多次反复硫化和解剖分析。本工作采用热电偶法确定195/60R15 88H轿车子午线轮胎的硫化时间。

1 实验

1.1 主要仪器与设备

ZIW-16型测温仪，北京橡胶工业研究设计院产品；MDR2000型硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；LLP-B120×1960×2A型双模定型硫化机，福建三明化工机械厂产品。

1.2 测试点位置

本工作选取具有代表性的12个测试点，测试点位置如图1所示。

图1 测试点位置示意

1.3 初步硫化条件

参考我公司相似规格轮胎硫化工艺，初步制定195/60R15 88H轿车子午线轮胎硫化时内压过热水循环时间为4.5 min，不循环时间为8 min，硫化总时间为16 min。

2 结果与讨论

2.1 硫化温度系数（K）的确定

根据范特霍夫法则，硫化温度和硫化时间的关系式[3]为：

式中，T1和T2为硫化温度，℃；t1和t2分别为T1和T2对应的正硫化时间，min。

在不同温度下用硫化仪测出各部位胶料的正硫化时间，将硫化温度和相应的正硫化时间代入式（1），计算出各部位胶料的K。根据测量和计算，195/60R15 88H轿车子午线轮胎K的平均值为1.88。

2.2 计算方法

硫化强度（I）计算公式为：

式中，K为1.88；T为实际硫化温度，℃；T0为规定硫化温度，取160 ℃。

硫化效应（E）即等效硫化时间计算公式为：

式中，Δt为测温间隔时间，min。

硫化效果（F）的计算公式为：

式中，t0为规定硫化温度下各部位胶料的正硫化时间，min。用硫化仪测得T0（160 ℃）下各部位胶料的t0分别为：胎面胶10.1 min，带束层胶9.4 min，气密层胶12.5 min，三角胶7.4 min，胎圈胶9.2 min。

2.3 测试与计算

在外部热板蒸汽温度173 ℃、内部过热水温度193 ℃下进行轮胎硫化，并每间隔1 min测量各测试点的温度，绘制成硫化温度-时间曲线，见图2和3；用公式（2）和（3）计算E，绘制出各测试点的E-硫化时间曲线，见图4和5，用公式（4）计算F。

图2 测试点1～6的硫化温度-时间曲线

图3 测试点7～12的硫化温度-时间曲线

图4 测试点1～6的E-硫化时间曲线

从图2～5可以看出：胎面胶中心上表面（测试点1）及上、下模胎圈胶外表面（测试点9和10）直接与硫化模具内表面接触，初始温度较高，出模后上述部位直接向空气中散热，致使降温较快，后硫化效应小，E较小。上、下模（胎侧）气密层胶表面（测试点5和6）处的硫化胶囊内压过热水温度高，且胶层厚度最小，传热较快，故升温较快，E较大；内压过热水加热结束后，由于内压冷却水的加入，降温较快，后硫化效应较小。上、下模（胎圈）气密层胶内表面（测试点7和8）处的硫化胶囊壁较厚，升温较慢，E较小；由于过热水加热结束后内压冷却水的加入，后硫化效应也较小。带束层上表面（测试点2），上、下模带束层胶端点（测试点3和4）及上、下模三角胶下表面（测试点11和12）在胶层中部，硫化初期升温较慢，E较小；但出模后降温较慢，后硫化效应较大。

图5 测试点7～12的E-硫化时间曲线

根据公式（2）～（5）计算得到胎面胶中心上表面（测试点1）在不同硫化时间下的E和F，见表1。

从表1可以看出：硫化时间16 min开模时，测试点1的E为12.35，F为1.22；硫化时间39 min全程测试结束时，测试点1的E为14.70，F为1.46，F均达到企业标准（≥1.1）的要求。

表1 测试点1的E和F

采用同样的方法，可以计算出各测试点开模时和测试结束时的E和F，见表2。

从表2可以看出：除了上、下模（胎圈）气密层胶内表面（测试点7和8）开模时的F低于1.1以外，其它测试点均达到了企业标准要求。利用开模后的后硫化效应，测试点7和8测试结束时的F分别达到1.11和1.13，满足企业标准的要求。

表2 各测试点开模时和测试结束时的E和F

根据以上测试与计算，195/60R15 88H轿车子午线轮胎各测试点在测试结束时F全部达到企业标准要求。结合我公司半钢子午线轮胎硫化工艺，最终制定出该规格轮胎的硫化工艺，见表3。

表3 195/60R15 88H轿车子午线轮胎的硫化工艺

3 成品轮胎性能

3.1 物理性能

用以上硫化条件生产195/60R15 88H成品轮胎，并进行物理性能测试，结果见表4。

表4 成品轮胎的物理性能

从表4可以看出，成品轮胎物理性能均达到企业标准的要求，满足使用需要。

3.2 耐久性能

按照企业标准进行成品轮胎耐久性能试验，试验速度为120 km·h－1，结果见表5。

从表5可以看出：成品轮胎行驶时间达到67.5 h，满足企业标准（≥67.5 h）要求，试验结束时轮胎未损坏。

表5 成品轮胎的耐久性能

3.3 高速性能

按照企业标准进行成品轮胎高速性能试验，试验气压为280 kPa，负荷为448 kg。成品轮胎高速性能试验结果如表6所示。

从表6可以看出：试验结束时成品轮胎最高速度达到220 km·h－1，行驶13 min后才出现肩部脱层，达到了企业标准要求（在速度不低于220 km·h-1条件下行驶1 min以上）。

表6 成品轮胎的高速性能

4 结语

采用热电偶法研究195/60R15 88H轿车子午线轮胎的硫化时间。根据测温和计算分析，确定在外部热板蒸汽温度173 ℃、内部过热水温度193 ℃下，轮胎硫化总时间为16 min，各测试点在测试结束时F全部达到企业标准要求。用该硫化工艺生产的成品轮胎物理性能、耐久性能和高速性能均达到企业标准要求，完全能满足使用需要。热电偶法能较全面地反映出轮胎各部位胶料的硫化效果，对于判定产品尤其是新产品硫化条件的适宜性，提高产品质量具有重要的意义。