本发明涉及工程子午胎技术领域，具体涉及一种巨型工程子午胎防火阻燃胎面橡胶组合物及其制备方法。
背景技术：
巨型工程子午胎应用场景广泛，基于刚性自卸车轮胎需求量大的原因，现有轮胎生产厂家主要重视对匹配刚性自卸车的巨型工程子午胎研究，而对于特殊用途如匹配渣包车的巨型工程子午胎没有进行专用技术研究。渣包车主要用于运输高温渣滓、钢水或其他固态物体，在装载、运输及卸载过程中高温渣滓、钢水或其他固态物体溅至轮胎胎冠部位，极易灼伤轮胎并引起燃烧，轮胎在磨损早期即燃烧失效，导致轮胎使用寿命短、成本高，同时安全隐患大、设备使用率降低。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种巨型工程子午胎防火阻燃胎面橡胶组合物及其制备方法，采用本发明的防火阻燃胎面橡胶组合物的巨型工程子午胎保证在防火阻燃胎面橡胶组合物磨损完之前轮胎不会因燃烧失效，有效避免了轮胎在使用过程中早期燃烧失效的问题，提高了轮胎的整体使用寿命，降低了轮胎使用成本。
第一方面，本发明提供了一种巨型工程子午胎防火阻燃胎面橡胶组合物，包括以下重量份的组分：
本发明采用天然橡胶与丁苯橡胶并用，保证橡胶组合物的耐磨耐切性能与加工工艺性能的综合平衡。
本发明采用白炭黑与中超耐磨炭黑并用的补强体系，白炭黑用量远超过传统巨型工程子午胎胎面橡胶组合物，白炭黑属于不可燃无机材料，采用高填充量的白炭黑可提升橡胶组合物的阻燃性能，且得到的橡胶组合物耐刺扎性能提升、生热降低。
本发明的巨型工程子午胎防火阻燃胎面橡胶组合物为提升阻燃性能，采用十溴二苯醚、三氧化二锑、硼酸锌、氢氧化铝多种阻燃材料并用，并充分利用不同阻燃材料的特性及协同作用提升巨型工程子午胎防火阻燃胎面橡胶组合物的阻燃性能。
优选地，所述橡胶包括70-80重量份的天然橡胶和30-20重量份的丁苯橡胶。
优选地，所述硫化促进剂为n-环己基-2-苯并噻唑基次磺酰胺(促进剂cz)。
优选地，所述防焦剂为n-环己基硫代邻苯二甲酰亚胺(防焦剂ctp)。
第二方面，本发明提供了一种巨型工程子午胎防火阻燃胎面橡胶组合物的制备方法，包括以下步骤：
(1)一段混炼
将100重量份的橡胶、20-25重量份的白炭黑、20-25份中超耐磨炭黑、1.5-3重量份热塑性对叔丁基酚醛树脂、3-5重量份氧化锌、2-4重量份硬脂酸、1-2重量份防护蜡、1-2重量份2，2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合物(防老剂rd)、15-20重量份十溴二苯醚、5-7重量份三氧化二锑、8-10份硼酸锌投入gk400密炼机混炼室中混炼，转子转速34-38rmb，胶料温度达到90-100℃时提栓5-8s；再次压栓，温度达到125-130℃时提栓5-8s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到158-162℃时排胶，得到一段母胶；
第一次停放，将一段母胶置于空气中冷却4-12h；
(2)二段混炼
将冷却后的一段母胶与10-12重量份的白炭黑、4-6重量份的硅烷偶联剂、1-2重量份的n-(1,3-二甲基丁基)-n’-苯基对苯二胺(防老剂4020)、5-10重量份的十溴二苯醚、3-5重量份的三氧化二锑、35-40份重量份的氢氧化铝投入gk400密炼机混炼室中混炼，转子转速34-38rmb，胶料温度达到90-95℃时提栓5-8s；再次压栓，温度达到120-125℃时提栓5-8s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到145-150℃时排胶，得到二段母胶；
第二次停放，将二段母胶置于空气中冷却4-12h；
(3)三段混炼
将冷却后的三段母胶投入gk400密炼机中混炼，转子转速30-35rmb，胶料温度达到90-95℃时提栓5-8s；再次压栓，转子转速降至24-28rmb，温度达到120-125℃时提栓5-8s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到140-145℃时排胶，得到三段母胶；
第三次停放，将三段母胶置于空气中冷却6-24h至室温；
(4)终炼
将三段母胶、1-1.8重量份的硫磺粉、1.2-1.8重量份的硫化促进剂、0.1-0.3重量份的防焦剂投入gk255密炼机中混炼，转子转速18-21rmb，第一步压栓30-35s，提栓5-8s；再次压栓20-30s，提栓5-8s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到100-107℃时排胶，得到防火阻燃胎面橡胶组合物；
第四次停放，将终炼混炼得到的防火阻燃胎面橡胶组合物停放6-24h至室温即可用于轮胎的生产使用，为保证橡胶组合物的性能，终炼混炼后得到的防火阻燃胎面橡胶组合物应在120h内使用完毕。
优选地，所述橡胶包括70-80重量份的天然橡胶和30-20重量份的丁苯橡胶，所述硫化促进剂为n-环己基-2-苯并噻唑基次磺酰胺(促进剂cz)，所述防焦剂为n-环己基硫代邻苯二甲酰亚胺(防焦剂ctp)。
本发明因大量使用阻燃材料，为保证阻燃材料的充分分散，将白炭黑、阻燃材料分步在一段混炼和二段混炼中加入。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明针对渣包车使用场景特点，进行渣包车专用防火巨型工程子午胎研究，设计了一种巨型工程子午胎防火阻燃胎面橡胶组合物，该防火阻燃胎面橡胶组合物应用于轮胎外层胎冠。采用本发明的防火阻燃胎面橡胶组合物的巨型工程子午胎专用于运输高温渣滓、钢水或其他固态物体用途的渣包车，轮胎在使用过程中接触到上述高温渣滓、钢水或其他固态物体时不起火燃烧或者起火燃烧后在较短时间的自灭，保证在防火阻燃胎面橡胶组合物磨损完之前轮胎不会因燃烧失效，有效避免了轮胎在使用过程中早期燃烧失效的问题，提高了轮胎的整体使用寿命，降低了轮胎使用成本。
2.本发明的巨型工程子午胎防火阻燃胎面橡胶组合物因大量使用阻燃材料，为保证阻燃材料、白炭黑的充分分散，较传统巨型工程子午胎胎面橡胶组合物混炼工艺相比，本发明将母胶混炼转子转速降低5-8rmb，并在三段混炼过程中采用变速混炼，增加混炼时间。最终得到的胎面橡胶组合物较传统巨型工程子午胎胎面橡胶组合物，阻燃性能明显提升，组合物的氧指数提升了5.5％-8.8％。
3.采用本发明的胎面橡胶组合物生产的巨型工程子午胎，防火阻燃性能明显提升，装配于运输高温渣滓、钢水或其他固态物体的渣包车，在实际使用时有效磨损花纹(轮胎失效时已磨损掉的花纹深度)平均提升5倍以上，轮胎平均使用寿命提高了3倍以上。
4.采用本发明的胎面橡胶组合物生产的巨型工程子午胎，成本较采用传统胎面橡胶组合物增加了2.5％-4.2％(轮胎总生产成本)，但矿山轮胎使用成本降低了45％以上，可有效提升轮胎生产商效益，降低客户使用成本。
具体实施方式
实施例1-3
实施例1-3及对比例1的胎面橡胶组合物的组分如表1所示，其中表1中各组分含量单位为重量份：
表1
实施例1-3的胎面橡胶组合物的制备方法包括以下步骤：
(1)一段混炼
将全部橡胶、超耐磨炭黑、热塑性对叔丁基酚醛树脂、氧化锌、硬脂酸、防护蜡、2，2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合物(防老剂rd)、硼酸锌以及部分白炭黑、十溴二苯醚、三氧化二锑投入gk400密炼机混炼室中混炼，转子转速35rmb，胶料温度达到95-97℃时提栓7s；再次压栓，温度达到125-127℃时提栓7s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到160℃时排胶，得到一段母胶；
第一次停放，将一段母胶置于空气中冷却6-7h；
(2)二段混炼
将冷却后的一段母胶与剩余的白炭黑、十溴二苯醚及三氧化二锑，以及全部的硅烷偶联剂、n-(1,3-二甲基丁基)-n’-苯基对苯二胺(防老剂4020)及氢氧化铝投入gk400密炼机混炼室中混炼，转子转速34rmb，胶料温度达到90-92℃时提栓7s；再次压栓，温度达到120-122℃时提栓7s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到150℃时排胶，得到二段母胶；
第二次停放，将二段母胶置于空气中冷却6-7h；
(3)三段混炼
将冷却后的三段母胶投入gk400密炼机中混炼，转子转速31rmb，胶料温度达到92-94℃时提栓7s；再次压栓，转子转速降至24rmb，温度达到120-122℃时提栓7s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到145℃时排胶，得到三段母胶；
第三次停放，将三段母胶置于空气中冷却8-9h至室温；
(4)终炼
将三段母胶、全部的硫磺粉、硫化促进剂及防焦剂投入gk255密炼机中混炼，转子转速19rmb，第一步压栓35s，提栓7s；再次压栓25s，提栓7s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到105℃时排胶，得到防火阻燃胎面橡胶组合物；
第四次停放，将终炼混炼得到的防火阻燃胎面橡胶组合物停放8-10h至室温即可用于轮胎的生产使用，为保证橡胶组合物的性能，终炼混炼后得到的防火阻燃胎面橡胶组合物应在120h内使用完毕。
其中，实施例1在步骤(1)一段混炼中加入20重量份白炭黑、20重量份十溴二苯醚、7重量份三氧化二锑；实施例2在步骤(1)一段混炼中加入20重量份白炭黑、15重量份十溴二苯醚、5重量份三氧化二锑；实施例3在步骤(1)一段混炼中加入25重量份白炭黑、17重量份十溴二苯醚、5重量份三氧化二锑。
对比例1的制备方法除原料与实施例1-3不同外，其余工艺步骤相同。
将实施例1-3及对比例1的橡胶组合物在140℃条件下，分别进行60min、90min硫化，硫化试样通过氧指数测试、路试测试项目验证其防火阻燃。氧指数测试结果如表2所示：
表2
材料的阻燃特性一般用氧指数表示，氧指数(oi)是指在规定的条件下，材料在氧氮混合气流中进行有焰燃烧所需的最低氧浓度，以氧所占的体积百分数的数值来表示。氧指数越高表示材料越不易燃烧，氧指数低表示材料容易燃烧。在所规定的试验条件下在室温下材料在o2、n2混合气体中刚好维持发焰燃烧时的最小氧浓度以体积的百分率表示，其氧指数越高表明阻燃性能越好。
由表2的氧指数测试结果可以看出，实施例1-3的橡胶组合物的氧指数均远高于对比例1，因此本发明的橡胶组合物具有优异的阻燃性能。
采用对比例1、实施例1、实施例3的橡胶组合物生产36.00r51规格轮胎发新喀里多尼亚某矿山装配于渣包车用于运输高温钢水进行实地测试，验证其防火阻燃性。采用实施例1、实施例3和对比例1的橡胶组合物生产的测试胎测试环境和测试条件相同，测试结果如表3所示：
表3
与对比例1的橡胶组合物生产的测试胎相比，实施例1和实施例3的橡胶组合物生产的测试胎虽然平均单位磨损降低，但有效磨损花纹提高5倍以上，进而使轮胎平均使用寿命提升3倍以上，轮胎使用寿命显著提高。
本发明的胎面橡胶组合物提高了巨型工程子午胎装配于运输高温运输高温渣滓、钢水或其他固态物体的渣包车在使用时的防火阻燃性能，在巨型工程子午胎防火阻燃胎面橡胶组合物磨损过程中轮胎不会因燃烧导致的失效，轮胎平均使用寿命大幅度提高。
实施例4-6
实施例4-6的胎面橡胶组合物的组分如表4所示，其中表4中各组分含量单位为重量份：
表4
实施例4的橡胶组合物的制备方法包括以下步骤：
(1)一段混炼
将全部橡胶、超耐磨炭黑、热塑性对叔丁基酚醛树脂、氧化锌、硬脂酸、防护蜡、2，2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合物(防老剂rd)、硼酸锌以及25重量份白炭黑、20重量份十溴二苯醚、7重量份三氧化二锑投入gk400密炼机混炼室中混炼，转子转速38rmb，胶料温度达到90-92℃时提栓6s；再次压栓，温度达到126-128℃时提栓6s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到162℃时排胶，得到一段母胶；
第一次停放，将一段母胶置于空气中冷却4-5h；
(2)二段混炼
将冷却后的一段母胶与剩余的白炭黑、十溴二苯醚及三氧化二锑，以及全部的硅烷偶联剂、n-(1,3-二甲基丁基)-n’-苯基对苯二胺(防老剂4020)及氢氧化铝投入gk400密炼机混炼室中混炼，转子转速35rmb，胶料温度达到93-95℃时提栓6s；再次压栓，温度达到123-125℃时提栓6s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到147℃时排胶，得到二段母胶；
第二次停放，将二段母胶置于空气中冷却9-10h；
(3)三段混炼
将冷却后的三段母胶投入gk400密炼机中混炼，转子转速33rmb，胶料温度达到90-92℃时提栓6s；再次压栓，转子转速降至27rmb，温度达到122-124℃时提栓6s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到140℃时排胶，得到三段母胶；
第三次停放，将三段母胶置于空气中冷却15-16h至室温；
(4)终炼
将三段母胶、全部的硫磺粉、硫化促进剂及防焦剂投入gk255密炼机中混炼，转子转速20rmb，第一步压栓32s，提栓6s；再次压栓22s，提栓6s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到100℃时排胶，得到防火阻燃胎面橡胶组合物；
第四次停放，将终炼混炼得到的防火阻燃胎面橡胶组合物停放22-24h至室温即可用于轮胎的生产使用，为保证橡胶组合物的性能，终炼混炼后得到的防火阻燃胎面橡胶组合物应在120h内使用完毕。
实施例5的橡胶组合物的制备方法包括以下步骤：
(1)一段混炼
将全部橡胶、超耐磨炭黑、热塑性对叔丁基酚醛树脂、氧化锌、硬脂酸、防护蜡、2，2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合物(防老剂rd)、硼酸锌以及20重量份白炭黑、15重量份十溴二苯醚、5重量份三氧化二锑投入gk400密炼机混炼室中混炼，转子转速34rmb，胶料温度达到98-100℃时提栓5s；再次压栓，温度达到128-130℃时提栓5s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到158℃时排胶，得到一段母胶；
第一次停放，将一段母胶置于空气中冷却11-12h；
(2)二段混炼
将冷却后的一段母胶与剩余的白炭黑、十溴二苯醚及三氧化二锑，以及全部的硅烷偶联剂、n-(1,3-二甲基丁基)-n’-苯基对苯二胺(防老剂4020)及氢氧化铝投入gk400密炼机混炼室中混炼，转子转速38rmb，胶料温度达到91-93℃时提栓5s；再次压栓，温度达到122-124℃时提栓5s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到148℃时排胶，得到二段母胶；
第二次停放，将二段母胶置于空气中冷却11-12h；
(3)三段混炼
将冷却后的三段母胶投入gk400密炼机中混炼，转子转速30rmb，胶料温度达到93-95℃时提栓5s；再次压栓，转子转速降至28rmb，温度达到123-125℃时提栓5s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到142℃时排胶，得到三段母胶；
第三次停放，将三段母胶置于空气中冷却23-24h至室温；
(4)终炼
将三段母胶、全部的硫磺粉、硫化促进剂及防焦剂投入gk255密炼机中混炼，转子转速18rmb，第一步压栓30s，提栓5s；再次压栓20s，提栓5s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到104℃时排胶，得到防火阻燃胎面橡胶组合物；
第四次停放，将终炼混炼得到的防火阻燃胎面橡胶组合物停放6-8h至室温即可用于轮胎的生产使用，为保证橡胶组合物的性能，终炼混炼后得到的防火阻燃胎面橡胶组合物应在120h内使用完毕。
实施例6的橡胶组合物的制备方法包括以下步骤：
(1)一段混炼
将全部橡胶、超耐磨炭黑、热塑性对叔丁基酚醛树脂、氧化锌、硬脂酸、防护蜡、2，2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合物(防老剂rd)、硼酸锌以及20重量份白炭黑、15重量份十溴二苯醚、5重量份三氧化二锑投入gk400密炼机混炼室中混炼，转子转速36rmb，胶料温度达到94-96℃时提栓8s；再次压栓，温度达到125-127℃时提栓8s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到160℃时排胶，得到一段母胶；
第一次停放，将一段母胶置于空气中冷却9-10h；
(2)二段混炼
将冷却后的一段母胶与剩余的白炭黑、十溴二苯醚及三氧化二锑，以及全部的硅烷偶联剂、n-(1,3-二甲基丁基)-n’-苯基对苯二胺(防老剂4020)及氢氧化铝投入gk400密炼机混炼室中混炼，转子转速36rmb，胶料温度达到92-94℃时提栓8s；再次压栓，温度达到120-122℃时提栓8s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到145℃时排胶，得到二段母胶；
第二次停放，将二段母胶置于空气中冷却4-5h；
(3)三段混炼
将冷却后的三段母胶投入gk400密炼机中混炼，转子转速35rmb，胶料温度达到91-93℃时提栓8s；再次压栓，转子转速降至25rmb，温度达到121-123℃时提栓8s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到144℃时排胶，得到三段母胶；
第三次停放，将三段母胶置于空气中冷却6-7h至室温；
(4)终炼
将三段母胶、全部的硫磺粉、硫化促进剂及防焦剂投入gk255密炼机中混炼，转子转速21rmb，第一步压栓34s，提栓8s；再次压栓30s，提栓8s；第三次压栓，混炼至胶料温度达到107℃时排胶，得到防火阻燃胎面橡胶组合物；
第四次停放，将终炼混炼得到的防火阻燃胎面橡胶组合物停放18-20h至室温即可用于轮胎的生产使用，为保证橡胶组合物的性能，终炼混炼后得到的防火阻燃胎面橡胶组合物应在120h内使用完毕。