一种煤矿运输用全钢巨型工程子午线轮胎低生热胎面胶及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种煤矿运输用全钢巨型工程子午线轮胎低生热胎面胶及其制备方法，该低生热胎面胶主要用于59/80r63全钢巨型工程子午线轮胎的胎面胶胶料。


背景技术：

2.煤矿为了运输效率最大化一般都是使用330吨以上的特大型矿卡运输，其特殊的运输能力是煤矿上运输工具的首选，其配套的目前全球最大的全钢巨胎59/80r63轮胎，其单胎载重量达100吨，而且全钢巨胎在煤矿使用现场条件苛刻、路面差、行驶里程长、行驶速度较快经常超过轮胎的tkph值，使得轮胎生热很大，橡胶是热的不良导体，产生的热量很难及时排出，就会造成热量的积累，且59/80r63全钢巨胎断面较厚热量的积累会更加严重，长时间工作下会使其热老化速度加快，胶料力学性能迅速下降，橡胶分子链发生降解，造成轮胎出现早期热剥离、脱空等现象，全钢巨胎价格高，使用寿命缩短会增加运营成本。这就要求全钢巨胎胎面胶胶料具有优异低生热性能、高导热性能、抗硫化还原性来改善轮胎升温提高使用寿命的关键。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种煤矿运输用全钢巨型工程子午线轮胎低生热胎面胶及其制备方法；该橡胶材料在机械运动压缩过程中产生相对比较少的热量，其良好的导热性能及抗硫化返原性能，减少热量对橡胶材料性能的影响延长橡胶材料的使用时间，从而提高轮胎的使用寿命。
4.本发明的目的是保证全钢巨型工程轮胎在煤矿运输上使用所需轮胎胎面胶其它性能前提下，提高煤矿运输用全钢巨型工程子午线轮胎胎面胶的低生热性能、抗硫化返原性能及导热性能，提高轮胎的使用寿命，降低成本，提高经济效益。
5.本发明的目的通过如下技术方案实现：
6.一种煤矿运输用全钢巨型工程子午线轮胎低生热胎面胶，其特征在于：它的原料配方包括按重量份计的以下组份：
7.天然橡胶60
‑
70份、氧化锌1
‑
3份、硬脂酸0.5
‑
1份、防老剂rd 0.5
‑
1.5份、防老剂4020 1
‑
2份、硅烷偶联剂1
‑
2份、防护蜡1
‑
2份、炭黑15
‑
20份、gc
‑
21碳纳米管1
‑
3份、超轻多孔硅5
‑
8份、硫磺0.5
‑
1.5份、促进剂0.3
‑
1份、功能改性剂dc
‑
01 0.1
‑
0.5份、防焦剂0.1
‑
0.3份。
8.所述天然橡胶为rss 3#烟片胶，硬度为65shore a
‑
70shore a；拉伸强度为25mpa
‑
30mpa；伸长率为450％
‑
500％。
9.所述炭黑为炭黑n220，比表面积为121m2/g，吸油值为114ml/100g。
10.所述超轻多孔硅，比表面积为114m2/g，粒径13.5μm为精选自然界中天然多孔结构矿石，经研磨筛选处理后，最终形成具有亚微米孔径的球形结构，具有球形颗粒、多孔、大粒
径、低密度等特点。
11.所述gc
‑
21碳纳米管，比表面积为282m2/g为垂直定向阵列多壁碳纳米管的湿法造粒产品。湿法造粒过程对碳纳米管有预分散的作用，提高了碳纳米管在橡胶分散效果。
12.所述功能改性剂dc
‑
01化学名称为n
’‑
(1，3
‑
二甲基亚丁基)
‑3‑
羟基
‑2‑
萘并酰肼，是一种对天然橡胶有降低生热和抗硫化返原效果的功能改性剂。
13.本发明的防老剂包括防老剂rd和防老剂4020。其中，防老剂rd的化学名称为2,2,4
‑
三甲基
‑
1，2
‑
二氢化喹啉聚合体，防老剂4020的化学名称为n
‑
(1,3
‑
二甲基丁基)
‑
n
’‑
苯基对苯二胺。
14.所述氧化锌为白色粉末，主要用于橡胶活性剂。
15.所述硬脂酸为十八烷酸，其分子式c
18
h
36
o2，由油脂水解生产，主要用于生产硬脂酸盐。
16.所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂si
‑
69，其为双
‑
[y
‑
(三乙氧基娃)丙基]四硫化物。
[0017]
所述促进剂为促进剂ns、促进剂cz中的一种或二者的混合物。
[0018]
所述防焦剂为防焦剂ctp，其分子式为c
14
h
15
o2ns，它是白色或淡黄色结晶，易溶于苯、乙醚，丙酮和醋酸乙酯，溶于温热的正庚烷和四氯化碳中，微溶于汽油，不溶于煤油和水。
[0019]
所述的煤矿运输用全钢巨型工程子午线轮胎低生热胎面胶，它的原料配方优选包括按重量份计的以下组份：
[0020]
天然橡胶65.6份、氧化锌2.0份、硬脂酸0.7份、防老剂rd 1.0份、防老剂4020 1.3份、硅烷偶联剂si
‑
69 1.3份、防护蜡1.3份、炭黑n220 16.4份、gc
‑
21碳纳米管2.0份、超轻多孔硅6.6份、硫磺1.0份、促进剂0.5份、功能改性剂dc
‑
01 0.3份、防焦剂0.1份。
[0021]
所述的煤矿运输用全钢巨型工程子午线轮胎低生热胎面胶的制备方法，采用密炼机变速混炼工艺，控制密炼机转子速度30
‑
60rpm，上顶栓压力30
‑
60n/cm2，密炼机冷却水温度30
‑
35℃，具体包括如下步骤：
[0022]
(1)母炼：在密炼机中，先将天然橡胶塑炼，得到天然橡胶塑炼胶；
[0023]
(2)一段母胶炼胶：按所述的原料配方将塑炼胶、炭黑、超轻多孔硅、氧化锌、硬脂酸、硅烷偶联剂、gc
‑
21碳纳米管以及防护蜡，按照70％
‑
75％的填充系数加入到密炼机中混炼，制得一段母胶，其中，炭黑的用量为原料配方中炭黑总量的三分之二；
[0024]
(3)二段母胶炼胶：将一段母胶、剩余的三分之一的炭黑、防老剂rd以及防老剂4020按照70％
‑
75％的填充系数加入到密炼机中混炼，制得二段母胶；
[0025]
(4)终炼：将二段母胶、硫磺、促进剂、防焦剂、功能改性剂dc
‑
01按照70％
‑
75％的填充系数加入到密炼机中混炼后，排胶至开炼机，翻炼冷却胶料，即得所述煤矿运输用全钢巨型工程子午线轮胎低生热胎面胶，之后将胶料卷曲存放即可。
[0026]
其中，步骤(1)的具体操作方法为：将密炼机转子速度控制为40rpm，上顶栓压力控制为40n/cm2，之后，加入天然橡胶，压上顶栓保持40～50秒；接着，升上顶栓，保持5～10秒；再压上顶栓30～40秒，于155
‑
165℃条件下排胶，挤出机的下片控制胶片厚度为5
‑
10mm，卷曲胶料停放6
‑
8h，制备得到天然橡胶塑炼胶。
[0027]
步骤(2)的具体操作方法为：
[0028]
1)按所述的原料配方将步骤(1)所得的塑炼胶、三分之二的炭黑、超轻多孔硅、氧
化锌、硬脂酸、硅烷偶联剂、gc
‑
21碳纳米管、防护蜡、按照70％
‑
75％的填充系数加入到密炼机中混炼，压上顶栓保持25～45秒；将密炼机转子速度控制为50rpm，上顶栓压力控制为50n/cm2；
[0029]
2)升上顶栓，保持5～10秒；
[0030]
3)压上顶栓使胶料升温至140～145℃；
[0031]
4)升上顶栓，保持5～10秒；
[0032]
5)压上顶栓使胶料在145℃
‑
150℃、密炼机转子速度降至30rpm、上顶栓压力为30n/cm2的条件下，恒温混炼90～150秒；
[0033]
6)升上顶栓，保持5～10秒，且密炼机转子速度升至60rpm，上顶栓压力控制为60n/cm2；
[0034]
7)压上顶栓使胶料升温至165～170℃；
[0035]
8)排胶至螺杆挤出机，螺杆挤出机下片控制胶片厚度为5
‑
7mm，接着，输送至开炼机，翻炼冷却胶料，卷曲胶料停放6
‑
8h，制得一段母胶。
[0036]
步骤(3)的具体操作方法为：
[0037]
将一段母胶、剩余的三分之一的炭黑、防老剂rd、防老剂4020、按照70％
‑
75％的填充系数加入到密炼机中混炼，密炼机转子速度控制为50rpm，上顶栓压力控制为50n/cm2，排胶温度控制为为155
‑
160℃，炼胶时间为2
‑
3min；之后，排胶至螺杆挤出机，螺杆挤出机下片控制胶片厚度为5
‑
7mm；接着，输送至开炼机，翻炼冷却胶料，卷曲胶料停放6
‑
8h，制得二段母胶。
[0038]
步骤(4)的具体操作方法为：
[0039]
1)将密炼机保持转子低速30rpm，上顶栓压力30n/cm2；
[0040]
2)将步骤(3)所得的二段母胶、硫磺、促进剂、防焦剂、功能改性剂dc
‑
01按照70％
‑
75％的填充系数加入到密炼机中混炼；
[0041]
3)压上顶栓30秒，升上顶栓保持10秒；
[0042]
4)压上顶栓使胶料升温至105℃提栓排胶；
[0043]
5)排胶至开炼机，翻炼冷却胶料，即得所述煤矿运输用全钢巨型工程子午线轮胎低生热胎面胶，之后将胶料卷曲存放即可。
[0044]
较之现有技术而言，本发明的优点在于：
[0045]
(1)本发明在配方胶料中加入超轻多孔硅替代传统白炭黑，相对传统白炭黑，超轻多孔硅球形结构在橡胶配方中更容易分散不易团聚，解决白炭黑橡胶配方中不容易分散，容易团聚形成二次结构问题，降低橡胶配方硫化胶生热。
[0046]
(2)本发明采用功能改性剂dc
‑
01降低轮胎胎面胶生热和提高抗硫化返原性能，它的作用机理是一方面能够把炭黑和橡胶更紧密地结合起来，增强它们之间的相互作用力，降低炭黑粒子之间的相互作用力，从面降低生热，另一方面提高硫磺的利用效率，提高硫化体系中单硫双硫的比例，从硫键组成方面提升抗返原能力。
[0047]
(3)本发明采用gc
‑
21碳纳米管解决的碳纳米管在橡胶难分散的问题，改善轮胎胎面胶导热性能，降低胶料热积累导致胶料性能下降。
[0048]
(4)本发明采用变速混炼工艺，提高炭黑分散等级及降低超轻多孔硅与硅烷偶联剂在特定的温度下所需的偶联化时间及gc
‑
21碳纳米管分散所需的时间。达到优化现有煤
矿用全钢巨型工程胎低生热胎面胶配方，提高煤矿用全钢巨型工程子午线轮胎胎面胶低生热性能。
[0049]
(5)本发明制得的橡胶材料(即本发明所得的低生热胎面胶)在机械运动压缩过程中产生相对比较少的热量。其良好的导热性能及抗硫化返原性能，减少热量对橡胶材料性能的影响延长橡胶材料的使用时间，从而提高轮胎的使用寿命。
[0050]
(6)本发明在保证煤矿运输用全钢巨型轮胎胎面胶其它性能前提下，提高煤矿运输用全钢巨型工程子午线轮胎胎面胶的低生热性能、抗硫化返原性能及导热性能，提高轮胎使用寿命，降低成本，提高经济效益。
具体实施方式
[0051]
下面结合实施例对本发明内容进行详细说明：
[0052]
一种煤矿运输用全钢巨型工程子午线轮胎低生热胎面胶，它的原料配方包括按重量份计的以下组份：
[0053]
天然橡胶65.6份、氧化锌2.0份、硬脂酸0.7份、防老剂rd 1.0份、防老剂4020 1.3份、硅烷偶联剂si
‑
69 1.3份、防护蜡1.3份、炭黑n220 16.4份、gc
‑
21碳纳米管2.0份、超轻多孔硅6.6份、硫磺1.0份、促进剂0.5份、功能改性剂dc
‑
01 0.3份、防焦剂ctp 0.1份。
[0054]
其中，所述天然橡胶为rss 3#烟片胶。所述促进剂为促进剂ns。
[0055]
所述煤矿运输用全钢巨型工程子午线轮胎低生热胎面胶的制备方法为采用密炼机变速混炼工艺，控制密炼机转子速度30
‑
60rpm，上顶栓压力30
‑
60n/cm2，密炼机冷却水温度30
‑
35℃，具体包括如下步骤：
[0056]
(1)母炼工艺：在密炼机中，先将天然橡胶塑炼，得到天然橡胶塑炼胶；
[0057]
具体方法为：将gk400n密炼机转子速度控制为40rpm，上顶栓压力设为40n/cm2，之后，加入天然胶rss3#，压上顶栓保持40～50秒；接着，升上顶栓，保持5～10秒；再压上顶栓30～40秒于155
‑
165℃条件下排胶，挤出机的下片控制胶片厚度为5
‑
10mm，卷曲胶料停放6
‑
8h，制备得到天然橡胶rss3#塑炼胶。
[0058]
(2)一段母胶炼胶工艺：按上述的原料配方将塑炼胶、炭黑、超轻多孔硅、氧化锌、硬脂酸、硅烷偶联剂、gc
‑
21碳纳米管以及防护蜡，按照70％
‑
75％的填充系数加入到密炼机中混炼，制得一段母胶，其中，炭黑的用量为原料配方中炭黑总量的三分之二。具体方法为：
[0059]
1)按原料配方，将步骤(1)所得的天然橡胶rss3#塑炼胶、三分之二的炭黑、超轻多孔硅、氧化锌、硬脂酸、硅烷偶联剂si
‑
69、gc
‑
21碳纳米管、防护蜡，按照70％
‑
75％的填充系数加入到gk400n密炼机中混炼，压上顶栓保持25～45秒；密炼机转子速度50rpm，上顶栓压力50n/cm2[0060]
2)升上顶栓，保持5～10秒；
[0061]
3)压上顶栓使胶料升温至140～145℃；
[0062]
4)升上顶栓，保持5～10秒；
[0063]
5)压上顶栓使胶料在145℃
‑
150℃、密炼机转子速度降至30rpm、上顶栓压力30n/cm2的条件下，恒温混炼90～150秒；
[0064]
6)升上顶栓，保持5～10秒，且密炼机转子速度升至60rpm，上顶栓压力控制为60n/cm2；
[0065]
7)压上顶栓使胶料升温至165～170℃；
[0066]
8)排胶至螺杆挤出机，螺杆挤出机下片控制胶片厚度为5
‑
7mm，接着，输送至开炼机，翻炼冷却胶料，卷曲胶料停放6
‑
8h，制得一段母胶。
[0067]
(3)二段母胶炼胶工艺：将一段母胶、剩余的三分之一的炭黑、防老剂rd以及防老剂4020按照70％
‑
75％的填充系数加入到密炼机中混炼，制得二段母胶；具体方法为：
[0068]
将一段母胶、剩余的三分之一的炭黑、防老剂rd、防老剂4020，按照70％
‑
75％的填充系数加入到gk400n密炼机中混炼，密炼机转子速度50rpm，上顶栓压力50n/cm2，排胶温度为155
‑
160℃，炼胶时间为2
‑
3min，之后，排胶至螺杆挤出机，螺杆挤出机下片控制胶片厚度为5
‑
7mm；接着，输送至开炼机，翻炼冷却胶料，卷曲胶料停放6
‑
8h，制得二段母胶。
[0069]
(4)终炼工艺：将二段母胶、硫磺、促进剂、防焦剂ctp、功能改性剂dc
‑
01按照70％
‑
75％的填充系数加入到密炼机中混炼后，排胶至开炼机，翻炼冷却胶料，即得所述煤矿运输用全钢巨型工程子午线轮胎低生热胎面胶，之后将胶料卷曲存放即可。具体方法为：
[0070]
1)将gk270n密炼机保持转子低速30rpm，上顶栓压力30n/cm2；
[0071]
2)将步骤(3)所得的二段母胶、硫磺、促进剂、防焦剂ctp、功能改性剂dc
‑
01按照70％
‑
75％的填充系数加入到密炼机中混炼；
[0072]
3)压上顶栓30秒，升上顶栓保持10秒；
[0073]
4)压上顶栓使胶料升温至105℃提栓排胶；
[0074]
5)排胶至开炼机，翻炼冷却胶料，即得所述煤矿运输用全钢巨型工程子午线轮胎低生热胎面胶，之后将胶料卷曲存放。
[0075]
对比实例与效果分析，现有的胎面胶配方和采用上述配比制作的低生热胎面配方进行比较。具体测试数据如表1所示。
[0076]
除橡胶耐切割性能、导热系数性能外其它硫化胶性能按国家标准进行物理机械性能试验，测试数据如下：
[0077]
表1硫化胶的各项性能数据
[0078]
[0079][0080]
其中，1)耐切割性能测试：在rcc
‑
1型橡胶动态耐切割试验机检测，测试原理：用一种经过特殊设计的刀头，以一定的能量反复冲击旋转着的圆轮状橡胶试样。模拟橡胶以相当的力量撞到尖锐的物体，表面被穿透或被切割，或是轮胎胎面在粗糙尖锐的路面上，由于牵引或刹车引起的切割撕裂、崩花等情况。试验结果以试验前、后橡胶试样的重量差表示，按企业标准执行。转速720r
·
min
－1
,冲击频率120
·
min
－1
。试验时间20min,切割损失率按试验前后质量损失百分比表示，数值越低耐切割性能越好。
[0081]
2)橡胶导热系数性能测试：在jtkd
‑
ii快速导热系数测试仪检测，测试原理:测试方法为瞬态法，利用试样非稳态传热的物理特性，通过附带加热和高精度温度传感器的测试膜，对试件表面的温度变化率进行高速采集，数值越高导热性能越好。
[0082]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干改变、改进和润饰，这些改变、改进和润饰也应视为本发明的保护范围。