卤化丁基橡胶轮胎气密层加工指南_图文

1、E xxon TM卤化丁基橡胶轮胎气密层加工指南 摘要在轮胎中使用卤化丁基橡胶气密层可显著改善气密性，进而提高轮胎的耐久性。气密层中卤化丁基橡胶的含量越高，轮胎的耐久性越好。卤化丁基橡胶弹性体（如氯化丁基橡胶和溴化丁基橡胶）代表了在材料加工中需要特殊工序及预防措施的特种弹性体。此类预防措施包括较低的 Banbury 密炼机排胶温度、特殊的压延及挤出条件，并谨慎防止硫化后轮胎气密层中形成气泡。与含通用弹性体（如天然橡胶、聚丁二烯和苯乙烯丁二烯共聚物）的混炼胶相比，卤化丁基橡胶气密层混炼胶对收缩更为敏感。欠佳的加工条件也会导致气密层组件的粘性和粘合性下降。本手册提供了有关混炼和加工卤化丁基橡胶混炼

2、胶以生产轮胎气密层的资料。还介绍了有关防止形成气密层气泡、保持充分的组件粘性以便轮胎成型以及获得混炼胶机械性能方面的一些基本原理。 目录前言 4卤化丁基橡胶含量与轮胎性能 6轮胎气密层混炼胶示例 6卤化丁基橡胶轮胎气密层的加工 11工厂胶料和轮胎组件制备 11 丁基橡胶和卤化丁基橡胶弹性体的加工 11 胶料的混炼 12 混炼胶的老化期 15 轮胎气密层的压延 16 压延条件 16 压型气密层 22 轮胎气密层的挤出 23 热喂料挤出机设置 24 冷喂料挤出机设置 25 垫胶或隔离胶的电子束辐射 25 胶料和组件准备清单 26轮胎成型 27 气密层接头 27 粘性和粘合性 27 轮胎气密层中的气

3、泡 29 气密层收缩 32轮胎气密层质量和性能检验 33氯化丁基橡胶与溴化丁基橡胶的加工及性能比较 34总结 35附录 36 附录 1：故障排除指南 36 附录 2：业界公认的促进剂缩写 38 附录 3：业界公认的聚合物缩写以及异丁烯基弹性体添加剂缩写 39参考资料 40免责声明 41 前言异丁烯基弹性体包括丁基橡胶 (IIR、卤化丁基橡胶 (HIIR、这些聚合物的星形支化异构体，以及溴化异丁烯-对 甲基苯乙烯共聚物 (BIMSM。由于具备不渗透性、耐热性和耐氧化性，这些聚合物在轮胎气密层、内胎、硫化胶囊和密封件，以及其它需要气密性、耐热性、耐氧化性的特殊领域中得以广泛应用。丁基橡胶是在低于

4、-90°C 的温度下经氯甲烷稀释溶液中的阳离子聚合反应制成。丁基橡胶这些独特的特性，加之较高的制造要求，使其不同于聚丁二烯橡胶 (BR、天然橡胶 (NR 和丁苯橡胶 (SBR 等通用橡胶 (GPR，而归属于特种弹性体之列1。随着卤化丁基橡胶在气密层中的应用，现代子午线轮胎在许多方面有了突破。在气密层混炼胶中使用这类聚合物，可以改善气密性，提高气密层与轮胎胎体之间的粘合性，并提高轮胎耐久性。在商业用途中，氯化丁基橡胶 (CIIR 和溴化丁基橡胶 (BIIR 是丁基橡胶弹性体的两种重要衍生物。图 1 显示了溴化丁基橡胶中含溴基团的结构2，3。大多数异戊二烯单元都是反式构型。结构 II 是

5、溴化丁基橡胶中的主要结构，占 50% 至 60%， 其次是结构 I，占 30% 至 40%。其余约有 5% 至 15% 为结构 III。结构 IV 通常只有 1% 至 3%。图 1溴化丁基橡胶中的异戊二烯单元结构 对照氯化丁基橡胶弹性体，结构 I 约占异戊二烯单元的 30%，结构 II 约占 60%，结构 III 只占卤化异戊二烯的不到 1%，通常检测不到，结构 IV 则最多占聚合物中异戊二烯的 10%（图 2）。图 2氯化丁基橡胶中的异戊二烯结构 表 I 列举了埃克森美孚化工公司当前供应的部分商用牌号异丁烯基弹性体。表 I埃克森美孚商用牌号异丁烯基弹性体示例4 卤化丁基橡胶含量与轮胎性能在轮

6、胎气密层中使用氯化丁基橡胶和溴化丁基橡胶，可降低湿气渗透性，并提高轮胎的气密性。卤化丁基橡胶弹性体经常与天然橡胶或其它通用弹性体共混。虽然这可能有助于满足某些特定要求，但会减弱轮胎气密层的不渗透性。图 3 说明了降低气密层混炼胶中天然橡胶的含量对渗透性的影响。可以看到，溴化丁基橡胶含量为 100 份的混炼胶的渗透性最低，随着天然橡胶含量的增加，渗透性随之升高4。图 4 说明了气密层中溴化丁基橡胶含量对轮胎胎面抗分离性能的影响，此关系与混炼胶的渗透系数有直接联系5。提高轮胎气密层中卤化丁基橡胶的含量虽然有好处，但也给橡胶技术人员带来了诸多挑战，如防止气泡、最大限度减少组件收缩、获得良好的气密层与

7、胎体的粘合性等。轮胎气密层混炼胶示例根据产品用途的不同，充气轮胎可分为七大类别6，7。这些类别包括：1. 赛车及跑车轮胎。 2. 乘用车及客车轮胎3. 汽车总重低于 16,000 磅的轻型卡车及运动型多用途汽车 (SUV 轮胎。 4. 商用卡车轮胎。 5. 农用轮胎。6. 汽车总重可达 300 吨的推土设备轮胎。 7. 飞机轮胎。轮胎气密层最多可占轮胎胶料总重的 9%。气密层必须提供充分的不渗透性、防水汽渗透性、胎体粘合性以及良好的耐龟裂性和耐疲劳性，因此它的重要性不言而喻。以上每种应用中的轮胎往往采用不同类型的气密层混炼胶。例如，轿车和赛车轮胎的气密层厚度通常较薄，而且往往含有天然橡胶。添加

8、天然橡胶虽然对不渗透性有着不利影响，却有助于提高生胶强度，防止露帘线，并有助于满足加工要求。相反，商用卡车轮胎的卤化丁基橡胶含量往往是最高的。此类型轮胎的气密层较厚，采用高粘度的卤化丁基橡胶，且生胶强度更高。 图 3渗透系数随混炼胶中溴化丁基橡胶含量的增加而降低 4 图 4轮胎气密层成分与胎面抗分离性能 5（轿车轮胎尺寸：205/65R15） 在轮胎气密层中使用高含量卤化丁基橡胶的好处显而易见。不过，这也带来了不少此类特种弹性体所独有的加工难题。表 II 列出了适用于不同轮胎应用的典型气密层混炼胶示例及其典型机械特性。表 III 说明了气密层混炼胶中每种原材料的基本功能，不过具体配方中不一定会

9、使用所有原材料。以下是针对不同应用选择卤化丁基橡胶牌号的通用准则：1. 如果气密层较薄，且需要添加天然橡胶以提高生胶强度，那么应优先选用粘度较低的卤化丁基橡胶。例如，乘用车轮胎气密层。2. 如果要求气密层较厚，即需要满足极高气密性要求（如商用卡车轮胎和飞机轮胎），那么应优先选用粘度较高的卤化丁基橡胶。这样可获得更好的生胶强度，以简化轮胎制造工艺中的各种加工。3. 与其它通用弹性体共混时，卤化丁基橡胶的粘度应尽可能接近其它弹性体的粘度，以便于加工。4. 100% 卤化丁基橡胶气密层往往使用溴化丁基橡胶，因为在与轮胎中的相邻组件共硫化时，溴化丁基橡胶的硫化速度更快。5. 对于丁苯橡胶 (SBR 和

10、天然橡胶的共混物，应优先选用氯化丁基橡胶。例如，卡车斜胶轮胎气密层和有内胎卡车轮胎，其气密层的天然橡胶含量最高可达 60 份。6. 星形支化溴化丁基橡胶 (SBB 的加工性和生胶强度特性都更好，可替代粘度相近的其它溴化丁基橡胶弹性体。溴化丁基橡胶与氯化丁基橡胶之间的主要差别在于碳-溴键的反应活性较高。这是这两种弹性体之间诸多差异的根源所在。溴化丁基橡胶的硫化速度更快，在聚合物中每摩尔卤素的交联密度更高，与其它不饱和橡胶的共硫化效果更好。过氧化物硫化体系对溴化丁基橡胶更有效，而基于硫磺或给硫剂的无锌硫化体系只对溴化丁基橡胶有效8。溴化丁基橡胶的缺点是，它的焦烧时间比氯化丁基橡胶要短。此外，溴化丁

11、基橡胶还存在“门尼粘度蠕变”现象，胶料粘度会随时间的推移而增加，因而必须规定较短的静置期。埃克森美孚化工公司的网站 ( 上提供了大量的参考气密层胶料及其特性。这些胶料说明了使用 EXXONTM 丁基橡胶、溴化丁基橡胶、氯化丁基橡胶和 Exxpro 聚合物可实现的性能，继而为进一步的开发研究提供一个起点。胶料中的另一个主要成分为炭黑。此材料的功用是改善加工性能、增强机械性能并帮助优化成本。最后，胶料中还包含加工助剂（油、均匀剂）、增粘树脂和硫化体系。 表 II参考轮胎气密层胶料示例4 表 III丁基橡胶和卤化丁基橡胶配合原料、填充量及功能说明（注释：胶料中并不一定使用所有材料）材料典型含量（份）

12、功能卤化丁基橡胶60.0 - 100.0聚合物。低粘度牌号有利于增强混炼、压延和接头完整性。炭黑 (GPF 50.0 - 65.0高粘度的卤化丁基橡胶使用较少炭黑填充量， 以改善接头和生胶强度。芳烃与脂肪烃 6.0 10.0提高粘合性、耐疲劳性。共混物作为增塑剂 和增容剂。环烷油 2.0 - 25.0耐焦烧性优于芳烃油。石蜡油通常用于 石蜡油 丁基橡胶 (IIR，不过可与环烷油互换。增粘树脂 1.0 - 4.0 酚醛树脂可在寒冷天气条件下为轮胎成型提供良好的长期粘性（> 24 小时）。烃类树脂用在温暖环境中以控制粘性，提供更好的短期粘性（< 24 小时），促进成型鼓脱模， 并提供更

13、长的焦烧时间。硬脂酸 1.0 - 2.0 硫化活化剂。氧化镁0.1 - 0.2通常为 0.15 份。提供焦烧安全性，并可帮助优化硫化。由于它具有耐焦烧性，通常不与氯化丁基橡胶 (CIIR 结合使用。 氧化锌 0.5 - 3.0 硫化体系。 硫磺 0.5 - 1.0 硫化剂。二硫化二苯并噻唑1.0 1.5促进剂（可缩短或延长焦烧时间和加快硫化速度）(MBTS参见注释注释：缩写请参见附录 2。 卤化丁基橡胶轮胎气密层的加工卤化丁基橡胶弹性体在许多方面都与天然橡胶、丁苯橡胶或聚丁二烯橡胶等通用弹性体不一样。因此，其加工过程往往侧重于以下方面：1. 气密层胶料和轮胎气密层组件制备，包括原材料处理、混炼

14、、挤出和压延工序。2. 轮胎成型，包括各种因素，如组件拉伸最小化、粘性、轮胎气密层接头完整性以及避免气密层气泡。3. 质量控制，包括在整个轮胎成型过程中遵守规范、避免污染以及最终产品检验。上述各个方面可认为是依次进行的。工厂胶料和轮胎组件制备用于轮胎成型的轮胎气密层的制备始于轮胎厂对原材料的接收。许多购买商使用代码或标识号来接收橡胶。这不仅可建立与采购或技术指标的连接，还可简化原材料识别，同时便于计算机编程。原材料应具有用以证明其符合技术指标的分析证书，如有需要，还应具有物料安全数据表(MSDS。对原料接收进行相应记录之后，在应用于气密层胶料制备之前，应将原料在适当条件下存放。丁基橡胶和卤化丁

15、基橡胶聚合物需特别关注，因此，接下来将对它们进行深入探讨。丁基橡胶和卤化丁基橡胶弹性体的加工材料工程师或配方人员需要重点注意以下三个质量因素：i. 一致性和均匀性，ii. 包装，iii. 污染。与许多合成橡胶一样，生产的卤化丁基橡胶弹性体的门尼粘度范围很窄，因而可确保混炼的稳定性和均匀性。橡胶用低熔点的 EVA 薄膜包装以确保在混炼过程中包装膜熔化，并均匀分散于混炼胶中。应避免橡胶中含有杂质并保持聚合类添加剂含量足够低，以免造成不良影响或与其它配合添加剂相互作用。丁基橡胶弹性体被认为是与通用橡胶不相容。因此，这些聚合物与乙丙共聚物（二元乙丙橡胶 (EPM、三元乙丙橡胶 (EPDM）和聚氯丁烯（

16、氯丁橡胶 (CR）属于同一类别。如果不相容聚合物与通用橡胶胶料混炼，会导致胶料耐磨性、撕裂强度以及粘合特性损失。在从挤出机排胶时可以看到挤出胶料呈条纹状，也就是挤出机涡流。当螺杆与机头之间的间隙过大时，也可以观察到此现象。 在进行配合时，需要采取以下预防措施：1. 良好的整洁和清洁标准有助于避免丁基橡胶聚合物和丁基胶料与其它胶料之间的交叉污染。在可能的情况下，丁基橡胶和卤化丁基橡胶弹性体应尽量与其它橡胶分开放置，以防错误地使用。应实施相应操作规范，以确保杜绝交叉污染。2. 将卤化丁基橡胶和丁基橡胶置于不超过 40ºC 的烘房中，将有助于这些原料的混炼。但是，在烘房内的时间应尽可能短，

17、不应超过 72 小时。胶块和存胶托盘周围必须保持良好的空气流通。3. 对于卤化丁基橡胶料，建议采用专用的 Banbury 混炼机或密炼机混炼。4. 开炼机、挤出机和压延机在进行卤化丁基橡胶胶料加工前后都应进行清洁。5. 在加工卤化丁基橡胶料之前进行设备准备以及在加工之后进行清洁时，使用天然橡胶清洁胶都非常有效。6. 在成型机岗位，不合格的原料应予以正确标记以便处置。有一种情况无需防止交叉污染，即在较大的轮胎中，多余的卤化丁基橡胶料被掺入气密层与帘布层之间的垫胶、阻隔或隔离层中。使用这种掺入消化法可以更好地控制多余的气密层胶料。胶料的混炼橡胶块应置于正常的工厂工作温度下。如果聚合物块在混炼以前存

18、放于烘房中，那么烘房的温度不应超过 55ºC（建议 40ºC），且在烘房内的时间应尽量短（如 48 小时）。对于卤化丁基胶料，如含 EXXONTM 溴化丁基橡胶 2222 或 EXXONTM 溴化丁基橡胶 2255 的胶料，建议采用两步法进行混炼。第一步通常称为第一段或非终炼段，具体过程如下：1. 将橡胶预热至正常工作温度。不要使用低温或冷冻胶块。2. 根据所用设备的不同，单车重量应当比类似比重的通用橡胶胶料高出 5% 至20%。 图 5参考气密层胶料以及建议的混炼周期 注释：请参见 这有助于防止橡胶中带入空气，并确保在混炼过程中产生足够的剪切力。3. 设定单车重量时必须进

19、行工艺试验。在此研究中应考虑如下因素：混炼周期能耗、混炼时的温升、Banbury 混炼机填充系数、转子转速、上顶栓压力、原料添加顺序和时间，以及密炼机声音和浮动上顶栓位置等主观因素。4. 图 5 中给出了建议的混炼周期。多数情况下，在将聚合物、氧化镁和加工助剂加入 Banbury 混炼机中时，压下上顶栓，然后升起上顶栓，再加入炭黑、油等。当配方中含诸如工艺分类橡胶牌号 10 (TSR10 的天然橡胶时，建议加入预塑炼步骤。如果使用恒定粘度 (CV 牌号（如 TSR 50CV）或合成聚异戊二烯，则无需预塑炼9。这种做法在 Banbury 的混炼能力有限的情况下更为重要。5. 加入聚合物和填料之后

20、，可添加油、树脂、加工助剂、硬脂酸和所有剩余炭黑，以完成第一段配方。6. 卤化丁基橡胶料的排胶温度应该在 125ºC 至 145ºC 之间，以防止橡胶发生脱卤化氢反应。相比而言，以溴化异丁烯-对甲基苯乙烯共聚弹性体 (BIMSM 为基础的气密层的排胶温度可以在 150ºC 至 160ºC 范围内。7. 排胶温度过高可导致混炼胶焦烧时间缩短，以及粘性和硫化粘合性的损失。8. 卤化丁基橡胶料通常会停留在出片开炼机的冷辊。为最大限度减少包辊或粘后辊，应保持前辊温度低于后辊温度（5°C 至 10°C 的温差）。9. 与通用弹性体的混炼一样，可

21、延迟添加增塑剂和油以促进炭黑结合，并且可与油一起添加少量炭黑（最多 25%）以防胶料在转子上打滑。10. 图 6 的功率曲线表明，添加油的时间过早或过晚均可导致分散性差或者混炼周期变长。如果为变速驱动，可在塑炼和炭黑结合期间选择高速，然后在混炼周期后期采用低速以保持较低的排胶温度。在混炼时间不变的情况下，分散程度会随着密炼机转速的提升（能量输入增大）而增加。第一段完成后，应彻底干燥和冷却出片后的母胶，然后再进行终练。在混炼周期过程中，可以通过改变上顶栓压力来改善分散性。混炼周期开始时采用高上顶栓压力有助于缩短混炼时间并提高分散质量。而足够将胶料压住的较低的上顶栓压力有助于保持较低的排胶温度。第

22、二段，即混炼周期的终炼段或生产段，也是添加硫化体系的步骤。简而言之：1. 将一段胶或非终炼胶加入 Banbury 混炼机或密炼机中，同时加入包括氧化锌、硫磺和促进剂在内的硫化剂。2. 与第一段或非生产段的混炼不同，在最后的终炼段，标准的 Banbury 填充系数便已足够。3. 排胶温度不应超过 115ºC，最好介于 100ºC 至 105ºC 之间。105°C的排胶温度有利于赶出残留的水分。 图 6在卤化丁基橡胶气密层胶料中添加油和炭黑的功率曲线 氧化锌是卤化丁基橡胶的一种硫化剂，只能在终炼段与硫化体系的其它成分一起加入。应小心避免氧化锌对炭黑回收系统的

23、污染8。抗氧化剂和抗臭氧剂，尤其是苯二胺会与卤化丁基橡胶发生反应。这可能成为污染源，应在母胶段予以避免。混炼胶可被排至出片机或带辊筒的挤出机。胶料出片后，加入防粘剂或隔离剂，然后通常通过挂帘系统进行冷却。最后收皮时应小心确保折叠的胶片之间无夹带水分。对于非专用于气密层胶料的密炼机，建议在混炼其它系列的不同胶料（如胎面胶）之前，采用清洁胶全面清洁密炼机。混炼后的卤化丁基橡胶料的存储时间应尽可能短。混炼胶的停放期取决于混炼胶存储区域的环境条件，因而差别很大。不过，存储和计划程序应当遵循胶料在混炼后 72 小时之内使用的原则。多余的卤化丁基橡胶料可按最高不超过10%被处置或掺入至垫胶或隔离层中。掺入

24、的混炼胶应在 Banbury 混炼机或其它密炼机掺入，而不是在开炼机上添加，以确保分散充分。当使用卤化丁基橡胶含量为 100 份的气密层时，不建议掺入含有通用橡胶的混炼胶，这会导致气密层的不渗透性损失。混炼胶的老化期混炼胶的老化期与其成分组成和配方有关。母胶应当在 48 小时内用完。从混炼到挤出或压延，建议老化期最长为 72 小时。不过，更重要的是，胶料每一天的老化期应该保持一致。 U 轮胎气密层的压延压延机可采用多种构造，具有不同的复杂程度。气密层混炼胶可通过挤出机或进料开炼机传送到压延机。压延后的胶片可通过不同构造的冷却筒传送到最终卷取 系统10。以下列出了一些压延机的构造示例：1. 立式

25、两辊压延机，气密层胶片绕过冷却辊后与垫胶或隔离层贴合（图 7）。 2. 立式三辊压延机（图 8）。3. 立式三辊双复合（两路）压延机组（图 9）。 4. 带中辊偏移的立式三辊压延机（图 10）。5. 带冷却辊和下料皮带的卤化丁基橡胶气密层压延方案（图 11）。 6. 立式四辊压延机（图 12）。7. 倒 L 形四辊压延机配置（图 13）。 8. Z 形四辊压延机配置（图 14）。根据工艺的不同，气密层可采用织物或聚乙烯卷取。聚乙烯在粘性保持方面更胜一筹。压延条件与通用橡胶混炼胶相比，卤化丁基橡胶气密层的压延温度较高，最高可能达到 121°C (250ºF。这有利于气密层胶片

26、脱辊，并减少混炼胶中的残留空气。卤化丁基橡胶料往往会粘冷辊。因此，建议辊筒之间保持 10ºC 至 15ºC 的温差，以确保气密层留在正确的辊筒上以利于生产的进行。此外，温度应保持尽量低。建议将起始温度设定如下： 冷辊 83ºC 热辊 93ºC此外，了解以下其它事项有助于设定压延工艺指标。1. 可使用两种类型的压延机进料系统：(i 挤出机，(ii 进料开炼机系统。无论哪种系统，在压延之前都需要充分预热胶料。如果使用进料开炼机系统，则其中一台可用于混炼胶预热，第二台为压延加工线供胶。保持 70ºC 的条状进料可降低空气残留几率。此处不建议使用胎面挤

27、出生产线中所使用的中间开炼机或缓冲开炼机。2. 压延机的进料速度必须保持恒定，且混炼胶的接取应保持恒温。3. 压延机辊间隙的滚动堆积胶必须保持最少。4. 卷取温度低于 40ºC 有利于混炼胶保持良好粘性。 5. 压延机辊、冷却筒以及卷取辊的速度应当同步。整个系统或“压延机组”的速度差不应超过卷取辊速度的 1.5% 至 2.0%。过度拉伸会导致收缩、厚度失真以及气密层接头分离。6. 压延速度可以不同，但应当按照设备的最佳性能来设定。7. 压延厚度通常为 0.5 毫米至 1.0 毫米。如果尝试采用更薄的厚度，则可能会产生针孔或小点，从而导致破裂或达不到足够的气密性。表 IV 中列出了一些

28、硫化后轮胎气密层厚度的常见示例。8. 建议将压延气密层先存储 4 至 24 小时后再用于轮胎成型，以确保充分冷却且应力松弛，但又不至于损失粘性。一个好的控制方法是每天保持相同的存储 时间。 图 7带卷取装置的两辊压延机示意图 10 图 8三辊单路压延机示意图 10 图 9立式三辊双路压延机组示意图 10 图 10带中辊偏移的立式三辊压延机示意图 10 图 11卤化丁基橡胶气密层方案 10 图 12 四辊压延机 10 图 13倒 L 形四辊压延机配置 10 图 14Z 形四辊压延机 10 表 IV轮胎气密层名义厚度轮胎类型 气密层厚度乘用车 0.4 - 1.0 毫米 轻卡 0.5 - 1.1 毫

29、米 商用卡车 2.0 - 2.5 毫米 推土机2.0 - 2.5 毫米9. 在某些情况中，气密层由两层压延胶片贴合而成。这有助于通过总的气密层厚度来消除针孔，不过应当注意防止残留气穴（图 9、10、13）。 10. 气密层卷绕包装中应无褶皱。压型气密层对于高宽比较大的轮胎而言，压型气密层很重要，这是因为在胎体形成过程中，轮胎要经过充气、膨胀或成形步骤（图 15）。成形步骤之后，再贴合带束层、胎面和其它胎冠区域组件。在此成形步骤中，气密层在中线区域会受到拉伸。因此，为补偿此厚度损失，中线及相应胎肩区域应保持较厚的厚度，以确保最终硫化轮胎厚度均匀。气密层中线与边缘厚度保持 2.5:1.0 的比率，

30、是厚度优化试验的一个较好参考初值。图 15轮胎成形和气密层压型的重要性 6 轮胎气密层的挤出挤出作为一种轮胎气密层成型方法，普及程度越来越高，因为与压延加工线及其配套的开炼机相比，挤出加工线所需的资金较少，而且运转设备所需的操作人员也较少。挤出加工线有以下两种类型（图 16）：1. 热喂料系统，为挤出机供应带状混炼胶，进料开炼机通常为两台，最多四台。 2. 冷喂料挤出机，具较大长径比 (L/D，往往采用低得多的工作温度。图 16热喂料挤出机和冷喂料挤出机简单示意图 11 热喂料挤出机配置 冷喂料挤出机设计挤出机由进料箱、带螺杆的机筒、过滤系统和口型组成，用于生产最终的混炼胶型材。挤出机螺杆在复

31、杂程度上各不相同，但大体上都由三个基本区域构成：进料箱下方的进料区、压缩区和计量区。在进料区中，螺杆的螺纹保持适当间距，以确保混炼胶高效流入机筒。随后橡胶胶料进入压缩区，在此区域中，温度随着剪切力的提高而逐渐上升。随后混炼胶进入计量区，此区域中将积聚更多热量，且粘度降低，然后进入滤网（如果需要）和口型以形成剖面形状。 热喂料挤出机的机筒和螺杆通常要短一些，这是因为混炼胶在进入进料箱时已经过预热，故压缩区和计量区较短。套筒的长径比可从 4:1 至 6:1。冷喂料挤出机的机筒长径比较大，因为必须降低混炼胶粘度、加热混炼胶并增大压力才能产出所需的剖面形状或挤出胶片。长径比为 20:1 到 24:1。

32、应定期监测螺杆螺纹与机筒之间的间距，以最大限度降低流动通道中的背压和胶料涡流或回流。由于销钉机筒挤出机中会产生湍流，可能会有残留空气。因此应格外注意，在许多情况下可能需要卸除销钉或有选择地卸除销钉（图 17）。图 17销钉机筒挤出机中的销钉配置图示 热喂料挤出机设置热喂料挤出机的机筒温度应当设定为 75ºC 到 80ºC。这可以防止最终挤出温度不超过 100ºC。应注意防止挤出机筒缺料，并避免气密层中产生气穴。建议采用挤出机强制进料，以防挤出机筒缺料，并确保挤出机进料速度均匀且稳定。气密层胶片通过带压型和辊筒口型板挤出。随后气密层通过一系列冷却辊，并根据需要与垫胶

33、或隔离层胶贴合后再去卷取工位。通常，将两批不同的气密层混炼胶放在相邻两台进料开炼机上，随后从这两台进料开炼机向挤出机供应的带状胶料在挤出机进料箱处合二为一。这种掺混有利于改善轮胎中胶料的均匀性。此外，还应考虑以下预防措施：1. 最大限度减小开炼机上的滚动堆积胶以避免残留空气。2. 将橡胶带状进料的温度设定为 70°C +/- 5°C。这可以通过调整开炼辊的冷却水流速来实现。3. 开炼辊的速比应当介于 1.05 - 1.10（前辊）：1.0（后辊）范围内。 4. 两台开炼机的工作顺序通常为预热机在前，进料机在后。5. 卤化丁基胶混往往包在温度较低且转速较快的辊上。这一点对于开

34、炼机工作条件的设置非常重要。 冷喂料挤出机设置由于停留时间较长，冷喂料挤出机的机筒温度必须低于热喂料挤出机的温度。建议将进料箱温度设定为 60ºC 至 70ºC，机筒中心温度设定为 55ºC 至 65ºC，挤出机模头和辊筒口型板温度设定为 50ºC 至 60ºC。较高的辊筒口型温度有利于防止热的气密层粘附在辊筒上，导致在传输至接取输送带系统时气密层厚薄不均。可优先选用挤出机强制进料，以防挤出机筒缺料，并确保挤出机进料速度均匀稳定。以下列出了三种挤出口型：1. 简易挤出机，可生产类似较大内胎的气密层，然后在顶端切开。2. 带辊筒口型的挤

35、出机，可生产宽度只基于口型宽度的胶片（见图 18）。此类型具有很多优点： 挤出模具成本最低。由于工作温度较低，其产量比第一种类型更高，可与压延机的产量相当。 资金投入低于压延加工线。 可生产压型胶片。3. 挤出机配备有一个辊筒的辊筒模头工艺，可提供压延机工作宽度的胶片。这可控制压延辊的滚动堆积胶并将夹气降至最低。可用于生产极薄的型胶，如轿车轮胎所需的型胶。与辊筒口型工艺相比，其所需资金较多，但可更好控制厚度。图 18销钉挤出机和辊筒口型或辊筒模头组合 垫胶或隔离胶的电子束辐射卤化丁基橡胶混炼胶不能采用电子束辐射 (EBR 处理，因为这可能会引起聚合物的脱卤化氢反应。不过，可以通过处理垫胶，增强

36、生胶强度，从而在确保与帘布层良好粘合的前提下，最小化垫胶厚度，进而使气密层与垫胶或隔离胶厚度最小化。通常，辐射只作用于压延胶片或挤出胶片帘布层一侧的垫胶。 电子束加工装置有三种基本设计：(i 扫描束装置；(ii 线性单丝装置；(iii 多丝装置。所有这三种结构都是在真空管中产生电子束辐射，发射的电子穿过含静电场的加速器，增加其能量，该能量以电子伏特 (eV 为单位计量。电子束加工所涉及到的参数如后文所示。设备定义如下：1. 加速器电压，即加速器阳极与阴极之间的电势差。用千伏 (kV 或兆伏 (MV表示。电子束加工设备设计成能够提供从 80 千伏直到 10 兆伏的电压。 产生250 至 750

37、电子伏特的电子束设备可用于垫胶或隔离层加工。2. 电子束电流，以毫安 (mA 为单位。3. 电子束功率。胶料的处理与胶料线速度、电子束对胶料的穿透深度以及其强度有关。在经辐射的橡胶胶料中，聚合物可能交联或降解（表 V）。橡胶所承受的辐射量与加速电流有关，高能电子的穿透深度与加速电压有关。垫胶或隔离胶在与气密层贴合之前，可采用介于 2兆拉德和 7兆拉德的电子束进行处理12。辐射处理通常只作用于紧邻轮胎帘布层的垫胶一侧。表 V聚合物对电子束辐射加工的反应示例12，13交联 降解丁苯橡胶 溴化丁基橡胶聚丁二烯橡胶 氯化丁基橡胶天然橡胶丁腈橡胶三元乙丙橡胶聚氨酯胶料和组件准备清单总而言之，在进行轮胎气

38、密层胶的混炼和加工试验时，应当准备一个清单来收集所建议的数据。在气密层制备过程中建议考虑收集以下数据：1. 门尼粘度（ML1+4，100°C）2. 流变仪硫化特性、3. 抗收缩性、4. 压型气密层尺寸稳定性，和/或5. 气密层表面外观。附录 2 和 3 中列出了原材料的缩写。附录 1 中提供了气密层混炼胶加工过程中所产生问题的故障排除指南。 轮胎成型气密层通常是放入轮胎机械成型鼓上的第一或第二个组件。轮胎可通过一段或两段成型。无论哪种情况，都有一些与气密层和轮胎成型有关的重要注意事项。其中包括：1. 气密层接头构造。2. 接头和胎圈部位气密层末端的粘性和粘合性。3. 避免气泡，以及4

39、. 防止气密层收缩。气密层接头当接头角度范围为 10º 至 25º 时，应优先选用锥形接头。在多层气密层（即气密层绕过成型鼓多于一圈）中，气密层末端可能会形成裂纹（图 19）。图 19可最大限度减少或消除接头开裂的锥形接头 粘性和粘合性粘性是指两个未硫化橡胶表面自接触后，在中等压力下短时间内粘合在一起或防止分离的能力14。以下定义了两种粘性类型：1. 自粘性，两种材料具有相同化学成分情况下。2. 互粘性，两种材料具有不同成分情况下。粘性的固有因素包括胶料的生胶强度，以及胶料在未硫化状态下的抗变形性和抗断裂性。 在轮胎制造中，未硫化橡胶组件的粘性或自粘性及生胶强度极为重要。粘

40、性性能需要进行优化。在成型操作过程中，过高的粘性值会给组件定位造成困难，并可能导致轮胎部件之间残留空气，从而产生硫化后缺陷。同时，又必须保证足够的粘性，以使生胎组件在硫化工艺之前能粘合在一起。另外，为了防止轮胎发生蠕变而导致组件变形，或在硫化成型中发生拉伸，轮胎必须具备良好的生胶强度。在轮胎成型过程中，气密层、帘布层或垫胶等橡胶组件应满足以下五个条件：1. 两个橡胶组件表面必须紧密接触以形成界面。2. 接触程度与接触时间内所施压力、橡胶粘度、表面微观粗糙度、表面杂质和吸附气体有关（选择棉质或聚乙烯作为气密层卷取衬布就显得非常重要）。3. 为增大接触面积，橡胶必须经历粘性流动并排除残留气穴。此外

41、，粘性流动应当令接触期间界面的局部弹性应力充分消散，以保持粘合。4. 实现分子接触后，来自每个表面的聚合物链必须穿过初始界面扩散开来。如果两个表面之间的相互扩散非常充分或彻底，那么界面将消失，且粘合强度等于材料本身的粘接强度。5. 成型之后，粘合强度必须足以抵挡断裂之前的高应力。粘性可通过使用增粘树脂来进行调节。卤化丁基橡胶气密层通常使用如下两类增粘树脂：酚醛树脂和烃类树脂。酚醛树脂可提供最大程度的粘性，在较冷天气条件下最为有效。不过，酚醛树脂会影响硫化体系，并且在较热天气条件下会导致粘性 过大，给操作员处理组件造成困难。酚醛树脂更适用于长期粘性（超过 24 小时）情况下。还可以选择使用烃类树

42、脂，如 ExxonMobil ESCOREZTM 1102（表 VI）15。例如，在夏季和较热天气条件下，可能需要较低粘性，此时可采用烃类树脂来替代酚醛树脂。如果需要控制短期粘性，则应优先选用烃类树脂。因此，可通过以下几种方法来调节粘性：1. 混炼胶中的酚醛树脂含量：树脂含量范围通常为 1.0 份到 5.0 份。2. 用烃类树脂替代酚醛增粘树脂或反之：烃类树脂（例如 Escorez 1102）使用量接近于所替代的酚醛树脂，通常为 2.0 份至 6.0 份。3. 提高油含量以降低混炼胶粘度并增大聚合物链的移动性（相互扩散）。4. 可通过以下措施来避免因加工所致的粘性损失：最大限度减少热历史。防止

43、因硬脂酸、蜡、硫磺或二硫化二苯并噻唑 (MBTS 过多而形成喷霜。表 II 中的配方示例给出了建议的原材料用量4。确保压延或挤出之后充分冷却。在轮胎成型之前，采用优质聚乙烯或聚丙烯衬布存储气密层。衬布应当保持洁净，并且无任何外来杂质。最大限度缩短气密层存储期或静置期。避免采用棉质或其它织物衬布，因为空气会在这些材质的衬布中扩散。5. 确保气密层混炼胶具有足够的抗焦烧性，并且不含可能引起早期交联的物质（如胺类）。 表 VIEscorez 烃类增粘树脂示例15 与帘布层或垫胶的硫化粘合性通过以下条件来确保：两个组件之间具有足够的粘性、良好的聚合物链及硫化剂界面扩散，以及使用粘合增强剂（如芳烃和脂肪

44、烃共混物）。不过，溴化丁基橡胶的使用尤其要注意，因为其反应活性较高，因而与天然橡胶、丁苯橡胶 (SBR 或聚丁二烯橡胶的共硫化程度更高1，2，3。如上所述，喷霜会对粘性造成不利影响。喷霜可由以下因素引起：1. 二硫化二苯并噻唑 (MBTS。2. 硬脂酸含量过高。3. 硫磺含量过高。4. 混炼胶中含有过多的蜡，尤其是石蜡。5. 混炼胶存储时间过长。6. 存储温度过高，使得分子迁移性增大，从而导致混炼胶中的某些成分喷霜。轮胎气密层中的气泡出现气泡是令轮胎厂工程师们最为担心的事情。气泡可能出现在许多部位，如气密层混炼胶中或气密层与其它组件之间。多数情况下，用肉眼即可观察到轮胎内部的气泡，或者可采用错

45、位散斑干涉法或全息照相术观测是否有异常。造成气泡及相关缺陷的原因多种多样，并呈现出不同形式：1. 由残留空气引起的气泡。2. 由水气引起的气泡。3. 由易挥发的有机材料（如溶剂和低分子量油）引起的瘪泡。4. 由于例如喷霜造成局部缺乏粘性或粘合性。5. 外来杂质。6. 由于气穴破裂形成针孔（例如，在操作极薄气密层时会发生这种情况）。7. 因硫化胶囊压力和温度不当而留下褶皱或折痕。8. 硫化压力不足以将空气赶出轮胎胎体。 图 20 显示了含氯化丁基橡胶气密层的轮胎中发现的气泡示例10。气泡可以由多种因素引起，并在不同位置发现。因此，在考虑气泡的形成、位置、成因和避免方法时，应注意以下列出的多个独立

46、因素和预防措施：1. 混炼胶配方参数。应考虑的因素包括：使用较高粘度的卤化丁基橡胶聚合物或提高炭黑/油比例以增大混炼胶粘度，可以 减少气泡数量。使用较大分子量加工油或低分子量组分含量极低的油。防止胶料硫化还原（避免使用可能出现硫化还原现象的硫化体系，如含有二硫化 四甲基秋兰姆 (TMTD 或低分子量二硫代氨基甲酸盐的硫化体系）。图 20在气密层内、气密层两层之间以及气密层与帘布层之间存在气泡的氯化丁基橡胶气密层示意图10 图 21不匹配硫化体系的影响15 使硫化速度匹配并调节焦烧安全性，以确保与帘布层和垫胶或隔离胶组件的良好 键合。图 21 说明平衡欠佳的硫化体系会在轮胎内的两个组件之间产生不

47、良界面。162. 卤化丁基橡胶 (HIIR 气密层内的气泡。在卤化丁基橡胶气密层内发现的气泡：确保胶料混合充分，以排出弹性体和混炼胶中的空气。在收皮时，确保混炼胶在出片、经过防粘剂挂浆并通过 Banbury 混炼机输送系统 或挂帘冷却系统之后，胶片之间无残留水渍。在最大限度减少气穴形成方面，采用硬脂酸锌替代软粘土类隔离剂可能更有效10 （硬脂酸锌可加速硫化并缩短焦烧时间，在使用时应小心谨慎）。 最大限度减小开炼机和压延机辊间隙上的滚动堆积胶。 防止来自Banbury 混炼机密封圈和开炼机轴承的油污染。 气密层挤出机使用强制进料系统，以防挤出机筒缺料。 确保压延机辊温尽可能一致。将压延后的或挤出

48、的气密层存储在有湿度控制的环境中。确保气密层卤化丁基胶料具适当粘性和粘合性。3. 各层之间的气泡。帘布层与气密层之间的残留空气可能因以下原因造成： 组装轮胎时压合压力不够。此外，压合应当从胎冠或中线向外进行，并应小心确 保压合辊在胎冠靠拢，并不会在中线产生未处理的凹槽。帘布层和胎体帘线中的湿气含量过高。湿度控制对于最大限度降低此水平很重要。4. 防止气泡。在贴合气密层与垫胶或隔离胶时，应当使用挤压辊，且挤压辊压力应确保当两个组件接触时其界面接触均匀，并能够排除空气。接触角应当等于 或大于 90°。在此操作过程中，如果气密层粘度太低，则空气还可能残留在气密层与垫胶之间。5. 收缩。收缩

49、是指压延后或挤出后的气密层的宽度缩小，可能发生在轮胎成型之前，也可能发生于轮胎成型与轮胎硫化之间。收缩可导致气泡的形成。如果发生气泡，请按照以下检查表跟踪：1. 确定气泡的位置。2. 测量气密层混炼胶的收缩率，并确保符合工厂的质量保证的指标。 3. 检查焦烧安全性和硫化速度。4. 最小限度地缩短压延或挤出与轮胎成型和硫化之间的胶料老化时间。 5. 检查成型机压合压力，以及充气或成形胶囊的情况。 6. 检查气密层供胶器是否对准。7. 检查相邻组件的厚度和尺寸，如胎圈包布或趾口布。8. 检查混炼程序，查看是否因 Banbury 混炼机填充系数和填充量过低而导致混炼中未排尽残留空气。出料温度过低和以

50、及混炼时间过短也可能不足以排除 空气。气密层收缩与轮胎中的其它许多组件一样，卤化丁基胶气密层也会出现收缩或尺寸稳定性不佳的情况。而且多数情况下，气密层的这种现象比其它组件更为严重。这会在轮胎成型时引发诸多问题，例如，接头完整性不佳、与包括趾口布或胎圈包布在内的胎体的粘合性差，以及气密层开裂。轮胎成型之后过度的收缩甚至会导致气密层从轮胎胎体上脱离。可通过以下简单的预防措施来尽量减少气密层收缩：表 VII气密层收缩测试间隔和结果解释读数 距测试开始时间 1 开始测量 2 1 分钟 3 5 分钟 4 10 分钟 5 15 分钟 6 30 分钟 7 60 分钟 8 2 小时 9 4 小时 10 压延/

51、挤出后 24 小时 收缩率 评级0% - 4%优异 5% - 6% 良好 7% - 10% 合格11% 及以上 需要评估混合、压延、挤出和卷取设置。1. 较低门尼粘度（ML1+4，100°C）的混炼胶往往收缩率较少。2. 通过使用低分子量卤化丁基橡胶或星形支化溴化丁基橡胶 (SBB，最大化混炼胶的应力松弛速度。 3. 确保足够的焦烧安全性。4. 避免采用芳烃油作为加工助剂。应优先选用石蜡油和环烷油。 5. 在压延或挤出与卷取工位之间，避免拉伸气密层。 6. 确保卷取温度处于室温与 高于室温5°C 之间。 7. 切勿在成型时拉伸气密层。收缩率的测量相当简单。切下一米长的压延或

52、挤出气密层，放在干净的钢桌上，钢桌上撒有薄薄一层滑石粉或其它粉末。撒粉是为了防止气密层粘附在桌面上。根据需要及混炼胶配方，测量样品随时间的长度变化。表 VII 中列出了建议的时间间隔。为了便于数据说明，还可以评估抗收缩性。例如，24 小时内 1% - 4% 的收缩结果可视为满意。或者，如果收缩超过 12%，则需要采取其它措施来进行纠正。改变配方、改变掺入混炼胶的含量、提高混炼胶粘度、改变混炼胶混炼周期或当专用设备不可用时改变混炼设备，都可能造成混炼胶抗收缩性的退化。轮胎气密层质量和性能检验除了对气密层进行定量性能测试之外，对胶料和轮胎进行主观观察也同样重要。在以下四个时间对轮胎气密层进行质量检

53、验非常重要：1. 对生产工艺进行总结时。2. 在定期进行轮胎质量保证检验时（如，质量保证 (QA 轮胎动平衡试验）。 3. 当生产中引入新的气密层混炼胶时。4. 在动平衡试验之后，或在试验场或车队测试之后，检验测试轮胎时。建议可从以下几方面进行观察和检测：1. 有无胶料降解的迹象。 2. 有无气密层胶料开裂。 3. 气密层中有无薄弱点。 4. 有无气泡。5. 气密层与帘布层或者垫胶或隔离胶有无脱开。 6. 有无分层。7. 轮胎胎趾区气密层末端是否完整。 8. 接头是否完整。对于肉眼不易观察到的可能缺陷，可以使用错位散斑干涉法。氯化丁基橡胶与溴化丁基橡胶的加工及性能比较溴化丁基橡胶是生产中占主导

54、地位的异丁烯基聚合物。由于它具有不渗透性以及硫化体系普适性，因而成为了轮胎气密层中的首选弹性体。为了便于说明，表 VIII 中列出了氯化丁基橡胶混炼胶的一些优点，并与溴化丁基橡胶混炼胶的典型特性进行了比较。根据轮胎开发工程师的需求以及工厂生产的需要，氯化丁基橡胶混炼胶（如用于轮胎气密层的）可提供某些优点。例如，当要求混炼胶具有良好的耐焦烧性时，以及在某些需要长时间高温硫化以防止硫化还原的情况下。表 VIII氯化丁基橡胶与溴化丁基橡胶混炼胶的比较氯化丁基胶的优点溴化丁基胶的优点1. 耐焦烧性 2. 良好的不渗透性 3. 抗硫化返原性 4. 热稳定性 5. 混料无障碍操作1. 硫化诱导时间短2.

55、良好的不渗透性 3. 硫化速度快4. 易于与其它基材粘合 5. 可适应广泛的硫化体系类型 总结随着卤化丁基橡胶气密层的推广和使用，现代子午线轮胎在许多方面有了突破。在气密层混炼胶中使用这类聚合物，可以改善气密性，提高气密层与轮胎胎体之间的粘合性，并提高轮胎耐久性。气密层中卤化丁基橡胶含量越高，轮胎的耐久性越好。卤化丁基橡胶弹性体（如氯化丁基橡胶和溴化丁基橡胶）代表了在材料加工中需要特殊工序及预防措施的特种弹性体。这些预防措施包括较低的 Banbury 混炼机排胶温度、特殊的压延及挤出条件、最小化组件收缩率，并小心防止硫化胎气密层中形成气泡。与含通用弹性体（如天然橡胶、聚丁二烯橡胶或丁苯橡胶共聚物 (SBR）的混炼胶相比，卤化丁基橡胶气密层混炼胶对收缩更为敏感。欠佳的加工条件也会导致气密层组件的粘性和粘合性下降。本手册旨在介绍如何混炼和加工卤化丁基橡胶料以生产轮胎气密层。此外，还为制订某些基本原理的检查表提供了铺垫，遵守这些基本原理即可防止形成气密层气泡、为轮胎成型保持充分的组件粘