隨著工業的發展，能源的消耗越來越快，這是地球難以承受的負擔。在政策的積極響應下，更多的工廠創新技術，生產低耗能產品，以降低能源的使用，保障自然環境的可持續性。在汽車領域中，由于汽車長時間的行駛，對輪胎的損壞更高，所以輪胎的質量需要達到更高的水平，如耐磨損性、高耐熱性、穩定性等。其中輪胎硫化過程是輪胎生產中非常重要的一步，輪胎的質量取決于硫化程度的高低[1-2]。但硫化耗能也是非常高，并存在嚴重的過硫問題，所以怎樣優化配方、改善工業硫化是一項重要的研究課題，亟待解決。

 

1　硫化測溫技術

       輪胎由多層橡膠制作而成，由外向里的分層傳遞熱量，導致內外熱量的不均勻擴散而形成動態溫度差，以致于硫化不統一進而影響輪胎質量[3]。但是常規的測溫方式并不能得到準確的結果，則需要采用硫化測溫技術。硫化測溫技術包括硫化測溫和硫化計算。硫化測溫以熱電偶作為溫度傳感器，以熱電效應為基礎。硫化測溫中的熱電偶能實現溫度信號到熱電勢信號的轉變，確立位置、時間、溫度三者的動態變化，是硫化測溫儀重要的組成部分，工業中常用的T型熱電偶，擁有高精度、高靈敏等優異性能，能精確的測定輪胎硫化程度及各部位溫度差異的實時變化[4-5]。硫化測溫儀主要分為3種：高檔型、簡易型、智能型。硫化計算則是結合測定的大數據，通過計算來分析硫化工藝的可行性，并研究測定輪胎的質量水平。在硫化測溫得到的實驗數據中只能粗略了解時間-溫度-位置三者之間的動態關系，而要細致的分析測定輪胎的硫化程度，還需進行復雜的數學計算得到過硫度、硫化時間、活化能值等準確數據。

 

2　氮氣蒸汽硫化

       硫化作為輪胎生產中非常重要的一步，是決定輪胎質量和使用時間的決定性因素，因此硫化工藝的技術革新至關重要，在長時間的發展中，輪胎硫化技術從等溫等壓轉變為變溫，使用的硫化介質也從高壓蒸汽轉變為氮氣硫化工藝從而轉變為氮氣蒸汽硫化[6-7]。在氮氣蒸汽硫化中，氮氣供壓、蒸汽產熱的方式既簡單又高效，被廣泛的應用于輪胎生產中。氮氣的優點體現在以下幾個方面：

       （1）氮氣為無污染氣體，能直接排放在空氣中，降低工藝成本。

       （2）氮氣的比熱容較低，因此吸收的熱量更少，這樣對硫化中的溫度影響更小，硫化質量更高。

       （3）氮氣與水的不相溶性，因此壓力的損失更小，并且可以在一定范圍內調試，極大提高生產過程。

       （4）氮氣化學性質穩定，不會與周圍物質產生化學作用，因此不會對材料產生破壞。

 

3　輪胎組成中的各種橡膠

       輪胎由各種橡膠組成，其中包括天然橡膠與合成橡膠[8]。天然橡膠主要組成成分為-1，4-聚異戊二烯，質量分布均勻，相對分子質量較高，具有很高的強度，能有效提高橡膠的綜合性能。并且其擁有彈性極佳，比熱容低，抗沖擊性強等特點，因而使用廣泛。輪胎中使用的合成橡膠分為以下兩種：聚丁二烯橡膠，丁苯橡膠。聚二丁烯橡膠化學性質與天然橡膠相似，通過單體丁二烯合成，有較好的耐磨能力且彈性極佳。丁苯二烯的主要組成成分為苯乙烯和丁二烯，分子量較為聚集，因此擁有一定的定向性結構。其主要特點為：抗低溫、耐油、耐磨等。

 

4　硫化體系

4.1　硫化優點

硫化體系中，硫磺硫化應用非常廣，技術非常成熟，且擁有促進劑。硫磺硫化有以下優點：

       （1）減少硫磺使用量，提高硫磺使用的有效率，大大節省了生產成本。

       （2）在擁有促進劑的情況下，能有效的縮短輪胎生產時間，降低能源消耗。而在促進劑與硫化劑用量的不同配比下，又分為不同的硫化體系。

 

4.2　硫化體系

       硫化體系包括：高溫快速硫化體系、平衡硫化體系、半有效硫化體系、有效硫化體系、普通硫化體系等5種硫化體系。高溫快速硫化體系溫度非常高可達240℃，能顯著的降低橡膠的交聯密度，當然，選取高溫硫化的必要條件為材料有一定的耐高溫性；平衡硫化體系能消除橡膠的不飽和度，使橡膠有一個穩定的交聯密度，使硫化過程變為穩定的反應過程。選取的橡膠一定要擁有較低的比熱容并且要具有較高的機械強度；半有效硫化體系通過促進劑和硫磺的共同作用，硫化膠網絡結構由大量的單硫鍵和雙硫鍵構成，硫化過程穩定，使用廣泛。其中所用到的橡膠需要具備抗硫化還原、耐熱等特點。有效硫化體系分為兩種，一種為活性劑與硫化劑的共同作用；一種為活性劑、硫化、促進劑的不同混合比例下的化學作用，兩種方式均能有效的降低橡膠的硫化還原。所用到的材料需要有耐老化、耐熱性等特點。普通硫化體系主要為促進劑、硫磺、活性劑不同配比下的共同化學作用，能夠有效的降低交聯密度，生產的橡膠耐疲勞極佳、彈性極佳、擁有較高的動態性能。選取的材料通常要具有良好的耐熱、耐高溫。

 

5　硫化工藝

       以硫化測溫技術為基礎，通過數據分析驗證不同的硫化工藝下輪胎的成型質量，進而對輪胎工藝進行有效的改善。輪胎由橡膠構成，橡膠在制造輪胎過程中，會產生硫化現象。所以，對橡膠的理化性質要進一步探討研究。硫化大致經過3個階段：①活性劑、硫磺、促進劑的化學反應。②橡膠大分子相互反應產生交聯現象。③交聯反應經過熟化、短化、重排、改性等過程，交聯鍵逐漸穩固。橡膠的線性大分子在一定的壓力、溫度下通過物理化學作用而生成三維網狀結構，這個過程就是硫化[9]。硫化工藝的改善是在硫化測溫的基礎上進行，因此測溫的數據能更直觀的反映出生產輪胎的質量水平，從而改善硫化工藝和硫化配方。硫化測溫發展多年，隨著以前誤差大、精度小的不成熟階段到現在精度高、誤差低的高技術階段的轉變，硫化測溫對輪胎生產硫化過程的影響逐漸提升，因此，要制造出性能優越的輪胎，需要更好、更成熟的硫化測溫技術。因此，以下通過實驗具體分析在測溫技術下對硫化工藝的改進。

 

       硫化大致材料為某輪胎制造公司192/62R1490H型橡膠產品，儀器有MDR2000無轉子硫化儀、DSC204F1差示掃描量熱儀等。DSC試樣從輪胎斷面取得，參與比較的硫化特性試樣從終煉膠中獲取。差示掃描量熱儀測試中：升溫速率為12.5℃/min，溫度非常高280℃，測試品質量5~15g。硫化測溫中需滿足以下指標：①熱電偶在胚胎的位置合適，胚胎溫度范圍達到條件。②硫化器具正常工作，機器內部沒有損壞。③硫化過程中溫度波動范圍、內外壓差大小均滿足規定條件。在測溫之前，要選擇好胚胎中合適的位置，并埋入熱電偶。硫化工藝選擇為：氮氣排凝、氮氣不排凝。通過硫化測溫技術測定兩種工藝的各項指標，進而分析得出非常優的硫化工藝。表1和表2為測得的兩種工藝的具體指標。

       由此可以得出，兩種方式均有過硫現象，氮氣排凝各項指標更優。但是在氮氣不排凝的方式下，橡膠的過硫程度較大，上下模溫差較大。氮氣排凝的特點在于：①不僅能排除冷凝水也可以排除部分水蒸汽，達到降低溫度的效果。②能排除部分氣體，降低橡膠內外壓力差，并使得壓力變化趨于平緩穩定。在硫化氮氣排凝中：溫度增加幅度低、上下模溫差小，降低了硫化程度，進而提高輪胎成型品質。在DSC分析下，氮氣排凝產生的硫化程度更低。在對成品的檢測中，通過氮氣排凝工序生產的輪胎性能更優。

 

6　硫化配方

       以硫化測溫技術為基礎，通過數據研究不同材料的硫化還原現象，對各種組成成分進行不同程度的配比，進而對硫化配方優化。由于實驗的局限性，本次實驗僅在配方配比上做小幅的微調，本次用到的主要材料為充油20%不溶性硫磺IS-7020、促進劑CZ。以下為正交實驗數據，見表3、表4。

       配比完成后，通過硫化測溫技術分別在140℃、160℃、180℃下測定不同配比組合所需要的硫化時間。

       由此可以看出，在140℃時，3#配比非常優；在160℃時，2#配比非常優；在180℃時，1#配比非常優。非常佳為2#、180℃。

 

7　結語

       硫化的復雜性是導致技術革新難以實現的主要問題，其中非常難的問題就在于怎樣測定硫化過程中輪胎的實時溫度。因為輪胎由多層橡膠合制而成，所以輪胎各層的溫度不一，而且是隨著時間的變化而變化，這一動態的溫度測定是常規測溫方式難以實現的，隨著各國相關研究的進行，硫化測溫得以實現，有效的解決了輪胎硫化過程中動態溫度的實時測定。硫化測溫多應用于輪胎的生產過程，這種測溫方式能夠準確的描述硫化過程中時間-位置-溫度三者的動態變化關系，在硫化測溫、變溫硫化、硫化傳熱等過程中有著重要的意義。通過硫化測溫技術分析得出：在硫化工藝中，氮氣排凝能有效的降低硫化程度；在硫化配方中，當CZ、IS-7020配比為1.3:4.3，溫度為180℃時，硫化時間非常少，硫化程度非常低。