CN101808790B

CN101808790B - 橡胶制品的硫化时间调节

Info

Publication number: CN101808790B
Application number: CN200780100800.9A
Authority: CN
Inventors: S·曼努埃尔; C·诺曼; R·杨
Original assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland; Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Current assignee: Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: ATE555887T1; JP2010540279A; CN101808790A; EP2205416B1; CA2700590A1; CA2700590C; WO2009041971A1; EP2205416A4; US8412380B2; JP5593225B2; BRPI0722122A2; US20100298979A1; EP2205416A1; MX2010003228A

Abstract

一种硫化橡胶制品的方法，该方法包括：将测量硫化温度保持在高温极限(TH)与低温极限(TL)之间。其中TH和TL分别从高温硫化曲线和低温硫化曲线导出。其他步骤可包括：获得硫化目标A1或A2，其中A1和A2分别是高温硫化曲线与基础温度(TB)之间的面积以及低温硫化曲线与基础温度(TB)之间的面积，其中选择TB以使A1和A2在彼此的至少10％之内；确定测量硫化曲线下方的面积，测量硫化曲线下方的面积在测量硫化曲线与TB之间，其中测量硫化曲线被定义为测量硫化温度随时间变化的曲线。

Description

橡胶制品的硫化时间调节

技术领域

本发明总体上涉及橡胶硫化，特别涉及橡胶制品(rubber articles)的硫化。

背景技术

当轮胎被磨损时，可以用新的胎面(thread)修复轮胎。例如大卡车轮胎以及公共汽车轮胎通常把胎面翻新作用常规的轮胎管理程序的一部分。这些类型的轮胎的胎体(carcass)预计能够持续几十万公里，并且能够承受几次装载新胎面。这样的轮胎很贵，因此期望其高昂的初始成本能够被胎体的较长服务寿命和相对较低的胎面翻新成本抵消。实际上，这种轮胎的选择和购买中所包含的经济状况通常决定了初始轮胎能够被胎面翻新三次或四次。

在对充气轮胎进行胎面翻新时，可以使用多种过程和不同类型的设备。对磨损轮胎进行胎面翻新的第一步骤之一是从轮胎胎体上拆除剩余的胎面材料，例如通过已知的抛光过程。然后，将一层被称为“垫胶”的生胶(未硫化)应用到胎体上。这层挤压的未硫化橡胶可以缝合或者粘结到胎体上。然后，在垫胶层上应用胎面带。在冷胎面翻新过程中，胎面是硫化橡胶，并且在其外表面上具有已经压印好的胎面花纹。然后轮胎被放置在压热锅中，在压力下加热适当的时间，以便引起胶层的硫化，并使胶层结合到胎面和胎体上。在热胎面翻新过程中，胎面是未硫化橡胶，且不具有胎面花纹。然后轮胎被放置在轮胎模具中，在压力下加热适当的时间，以便硫化胶层和胎面，并使胶层结合到胎面和胎体上。术语“硫化(cure)”是指在橡胶化合物中的弹性体分子之间形成交联，其也被称为“硫化(vulcanization)”。

发明内容

本发明的特别实施例包括用于硫化橡胶制品的方法、计算机程序产品和系统。根据本发明的特别实施例的方法包括以下步骤：将测量硫化温度(TM)保持在高温极限(TH)与低温极限(TL)之间，其中TH从高温硫化曲线导出，TL从低温硫化曲线导出。其他步骤可包括：获得硫化目标A1或A2，其中A1是高温硫化曲线与基础温度(TB)之间的面积，A2是低温硫化曲线与基础温度(TB)之间的面积，其中选择TB以使A1和A2在彼此的至少10％之内；以及确定测量硫化曲线下方的面积，测量硫化曲线下方的面积在测量硫化曲线与TB之间，其中测量硫化曲线被定义为测量硫化温度随时间变化的曲线。

该方法的特别实施例可以包括以下步骤：当测量硫化曲线下方的面积达到硫化目标时指示完成硫化，以及获得基础温度。

该方法的特别实施例可以包括以下步骤：当测量硫化曲线下方的面积达到硫化目标时指示完成硫化。

本发明的特别实施例还包括计算机程序产品，该计算机程序产品包括包含在计算机可读存储介质上的指令，该计算机程序产品用来硫化橡胶制品。本发明的特别实施例是，包含在计算机可读存储介质上的用于硫化橡胶制品的指令包括用于执行上述方法的指令。

本发明的特别实施例还包括用于硫化橡胶制品的系统。该系统包括：压热锅，包括用于硫化橡胶制品的可控加热的腔；温度传感器，用于以压热锅的腔内的硫化温度为函数来产生信号。该系统还包括控制器，用于控制压热锅内的硫化温度，该控制器包括处理器和存储由处理器执行的可执行指令的存储器存储设备。所述可执行指令包括执行上述方法的指令。

根据如附图所示的本发明的特别实施例的以下详细描述，本发明的前述以及其他目的、特征和优点将显现，其中相同的附图标记表示本发明的类似部件。

附图说明

图1是适于硫化胎面翻新轮胎的压热锅的示意图。

图2是根据本发明的特别实施例的适于控制压热锅中的温度的控制器的示意图。

图3是显示了对于给定的橡胶制品，在不同温度下的顺应硫化曲线的图。

图4是显示了对于给定的橡胶制品，在不同温度下的顺应硫化曲线的图。

图5是显示了橡胶制品的典型硫化循环的图。

图6是显示了高温硫化曲线与基础温度之间的面积的图。

图7是显示了低温硫化曲线与基础温度之间的面积的图。

图8是显示了根据本发明的特别实施例的测量硫化曲线与基础温度之间的面积的图。

图9是在根据本发明的图1的系统上执行的用于硫化橡胶制品的示例性方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供用于调节橡胶制品的硫化时间的方法、计算机程序和系统。本发明的特别实施例包括作为制品的胎面翻新轮胎。

未硫化的橡胶在高温时容易变形，在低温时非常脆。橡胶制品的硫化在橡胶的聚合物链之间提供了交联，并赋予橡胶制品弹性，该弹性是由硫化橡胶制成的制品的典型特性。可以通过在压热锅内将橡胶制品以设定温度、设定压力保持设定的时间周期来硫化橡胶制品。如果硫化循环过程中的温度波动超过可接受的公差一定程度，则认为硫化是非顺应硫化(noncompliant cure)，不当硫化的制品必须被废弃。本发明的特别实施例提供一种自动调节硫化时间的方法，以便考虑更大的温度波动并提供顺应硫化(compliant cure)。

在业内通常使用压热锅来硫化橡胶制品。压热锅包括在硫化过程中容纳橡胶制品的腔和控制压热锅内的温度和压力的机构。

图1是适于硫化胎面翻新轮胎的压热锅10的示意图。压热锅10包括在硫化过程中容纳轮胎12的延长腔11。诸如热电偶的温度指示器19发送信号至控制器20。控制器20通过发送信号至控制设备来控制压热锅内的温度，所述控制设备例如是阀17，其控制输入压热锅中的热量。例如可以利用电阻线圈通过加热诸如蒸汽的介质或者通过循环诸如热水、热油等介质来提供热量输入。在所示实施例中，加热介质是例如热水的循环加热介质，其包括通入和离开热交换器13的热水入口16和热水出口18。

通过流经热交换器13，空气在压热锅10中循环，其中空气在热交换器13被循环加热介质加热。空气在空气入口14进入热交换器，并在空气出口15离开热交换器13，在空气出口15，空气流入供气管27。供气管27导入腔11的远端中，并流回到热交换器13的空气入口14。在硫化过程中，循环空气在轮胎12上流过并对其进行加热。

图2是根据本发明的特别实施例的适于控制图1的压热锅中的温度的控制器的示意图。控制器20可以是如图2所示的可编程逻辑控制器或者具有可以执行可编程指令的处理器的其他设备，例如个人计算机、大型计算机或其他控制系统。

控制器20翻译从温度指示器19接收的信号。非限制性的，来自温度指示器19的信号可以通过无线通信发送到控制器20，例如通过红外信号或者通过射频、通过包括光纤的一条或多条电缆、或者通过其他任何本领域技术人员已知的方法或设备。

可编程逻辑控制器20通常从温度指示器19接收信号以便监测和控制压热锅10内的温度。控制器20提供信号26至阀17，以便操纵阀17从而控制腔11中的温度。

控制器20包括可以是微处理器的处理器21。控制器20还包括存储器存储设备22，例如RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)，和至少一个与温度指示器19和阀17进行通信的输入/输出(I/O)电缆26。此外，控制器20可以包括用于容纳具有I/O电缆连接器29的I/O卡的I/O槽23。操作者可以利用用户接口28来监测温度测量值、编程或者控制或指示控制器20以及压热锅10的操作，这包括执行根据本发明的特别实施例的与硫化橡胶制品相关的每个步骤和方法。

通常，可以通过已知的图形或文本语言来对控制器20编程。编程指令、数据、输入和输出可以存储在处理器21可以访问的存储器存储设备22中。特别地，与在此公开的方法相关的编程指令可以存储在存储器存储设备22中并由处理器21执行。存储器存储设备22可以包括任何已知的商业储存设备，例如硬盘驱动器、光学存储设备、闪存等。处理器21执行与在此公开的方法相关的编程指令以及在此讨论的其他操作。存储器存储设备22还存储输入、输出和其他信息，例如在硫化时间周期内测量的压热锅10中的温度，操作者输入的基础温度和/或如下所述的硫化目标。

橡胶制品可以包括，例如软管、带、振动底座、缓冲器、轮胎和包括垫胶的轮胎部件、以及利用在此公开的方法和系统的修理件。

在橡胶制品的硫化过程中，向橡胶制品提供足量的热能以便完成橡胶制品的硫化。在业内这种方法是公知的，且可根据被硫化的制品来设计硫化过程。如上所述，硫化过程包括设定待硫化的制品在设定温度和设定压力下被保持的时间周期。可以通过绘制硫化温度随时间变化的硫化曲线来描述为获得顺应硫化而该制品必须被保持所需的时间周期和温度。

通常硫化曲线来自于试验或者有限的分析方法。ASTM D2084和ISO 3417描述了如何利用摆动流变仪(oscillating rheometer)来测量橡胶化合物所需的硫化时间。确定硫化过程和硫化曲线的因素包括：例如橡胶制品的橡胶组合物和厚度。如本领域技术人员所知，橡胶制品必须被硫化足够的时间以使橡胶制品的温度升高到完成顺应硫化所需的温度。

例如，特定的橡胶制品可以在高温下硫化较短的时间周期或者在低温下硫化较长的时间周期，以便获得制品的顺应硫化。类似地，在硫化时间内被保持并且由硫化曲线显示的温度曲线不必是常数。这些概念显示在图3和4中。

图3为显示了对于给定的橡胶制品，在不同温度下的顺应硫化曲线的图。如图所示，可以沿着硫化曲线51在最高温度下保持最短的时间周期以获得橡胶制品的顺应硫化。可选地，可以沿着中间温度硫化曲线52在较长的时间周期内硫化制品以获得顺应硫化。此外，另外可选地，可以沿着最低温度硫化曲线53在更长的时间周期内硫化制品以获得顺应硫化。每条硫化曲线51、52、53都是通过本领域技术人员公知的方法获得的。

图4是显示了对于给定的橡胶制品，在不同温度下的顺应硫化曲线的图。图4所示的图显示，为获得顺应硫化，温度不一定如图3所示遵循线性关系。如图4所示，高温硫化曲线61比低温硫化曲线62在更短的时间周期内提供顺应硫化。

图5是显示了橡胶制品的典型硫化循环的图。该图显示了制品被硫化的时间周期内在压热锅内的测量温度。如图所示，测量温度从环境温度升高到狭窄硫化温度范围TC。对于顺应曲线，温度将被保持在温度范围TC内。狭窄硫化温度范围TC被确定为硫化曲线附近的可接受公差，如图3和4所示。该公差通常不超过大约正负5℃。

测量温度达到硫化温度范围TC之后，硫化时间在“ts”处开始，并持续了“tf”处结束的指定时间周期。只要在从“ts”到“tf”的指定时间周期内压热锅内的温度保持在狭窄硫化温度范围TC的可接受公差内，则认为硫化是顺应的。

如上所述，业内存在的问题是如果压热锅内的温度不是沿着例如图5中的TC的指定的硫化曲线被保持，温度降到指定的硫化温度范围以下，则橡胶制品的硫化是非顺应的且制品必须被废弃或修复，这增加了处理过程的时间和成本。本发明的特别实施例还包括调节橡胶制品的硫化时间的方法，以便防止或最小化这种非顺应硫化以及相关成本的出现。

在本发明的一个实施例中，硫化橡胶制品的方法包括以下步骤：保持测量硫化温度(TM)在高温极限(TH)与低温极限(TL)之间。高温极限和低温极限分别由高温硫化曲线和低温硫化曲线导出。这些不同的硫化曲线都为橡胶制品提供了顺应硫化，一个在较高温度下、时间周期较短，另一个在较低的温度下、时间周期较长。

例如，如图3所示，最高温度处显示的硫化曲线51可以被看作高温硫化曲线，最低温度处显示的硫化曲线53可以被看作低温硫化曲线。所示的第三条曲线52在与低温硫化曲线53对比时可以被看作高温硫化曲线，或者在与高温硫化曲线51对比时可以被看作低温硫化曲线。

在本发明的特别实施例中，高温极限(TH)从高温硫化曲线导出，低温极限(TL)从低温硫化曲线导出。例如TH可以是高温硫化曲线上的最高温度，TL可以是低温硫化曲线上的最低温度。图3显示了该极限的例子。

可选地，在其他实施例中，TH(类似地TL)例如可以被选择为高(低)温硫化曲线上的三个最高(最低)温度的平均值、高(低)温硫化曲线上的所有温度的平均值、高(低)温硫化曲线上的第三高(低)温度或者适于给定应用的任何其他选择。

应指出，由于每条硫化曲线均具有硫化可能出现的公差，(图5中的TC)，该可接受的公差也适用于从高温硫化曲线和低温硫化曲线导出的TH和TL。例如，如果从高温硫化曲线导出的高温极限是130℃，且可接受的公差是5℃，则从高温硫化曲线导出的高温极限可能高达135℃。类似地，如果低温硫化曲线导出的低温极限是75℃，且可接受的公差是5℃，则从低温硫化曲线导出的低温极限可能低至70℃。

有利地，如果TH和TL充分分离，硫化过程中制品可以在很宽的温度范围内获得顺应硫化，从而减小导致非顺应硫化的机会，例如测量硫化温度降到可接受的测量硫化温度以下。不用于限制本发明，本发明的特别实施例包括：高温极限与低温极限之差在10℃到50℃之间，15℃到70℃之间，20℃到35℃之间，或者5℃到70℃之间。其他实施例包括温差至少为5℃，至少为10℃，或者至少为35℃。

根据本发明的特别实施例的硫化橡胶制品的方法还可以包括以下步骤：获得硫化目标A1或A2，其中A1是高温硫化曲线与基础温度(TB)之间的面积，A2是低温硫化曲线与基础温度(TB)之间的面积，其中选择TB以使A1和A2在彼此的至少10％之内。根据本发明的特别实施例的硫化橡胶制品的方法还可以包括获得基础温度的步骤。

在特别实施例中，例如可以通过控制器20从数据库或者通过手工操作者输入来获得硫化目标和基础温度。操作者可以在用户接口28输入硫化目标和基础温度。数据可以以值的形式存储在存储器设备22中，由控制器20获得。

通常，基础温度(TB)小于低温极限(TL)。不用于限制本发明，本发明的特别实施例包括TB与TL之差可以低至5℃或者15℃，也可以高达70℃。

由于压热锅内的测量温度可以在TH与TL之间的任何位置变化，必须设定硫化目标以确定何时获得顺应硫化。硫化目标可以被设定为等于高温硫化曲线与基础温度之间的面积，或者低温硫化曲线与基础温度之间的面积。在本发明的特别实施例中，基础温度被设定为使这两个目标面积在彼此的至少10％之内。在可选实施例中，基础温度被设定为使这些目标面积例如在彼此的至少5％之内，或者彼此相等。

图6和7为显示了高温硫化曲线与基础温度之间的目标面积以及低温硫化曲线与基础温度之间的目标面积的图。如图6和7所示，和预计的一样，与根据图7的低温硫化曲线75来硫化制品所需的时间周期(80分钟)相比，所示例子中的高温硫化曲线71在较短的时间周期内(50分钟)硫化制品。

在所提供的例子中，基础温度TB被选择为使高温硫化曲线71与TB之间的目标面积72等于低温硫化曲线75与TB之间的目标面积76。

可以通过许多方法来确定或计算使得目标面积72和76相等的TB。如图6和7的例子中所示，如果目标面积72和76基本是矩形，则可以这样计算目标面积：

A1＝(CH-TB)(CTH) (1)

A2＝(CL-TB)(CTL) (2)

其中A1是高温硫化曲线下的目标面积，A2是低温硫化曲线下的目标面积，CH和CL分别是高硫化温度和低硫化温度，CTH和CTL分别是高温硫化时间和低温硫化时间。由于TB被选择为使得A1＝A2，因此公式(1)和(2)被设定为彼此相等以求解TB，从而生成以下公式(3)：

TB＝((CL)(CTL)-(CH)(CTH))/(CTL-CTH) (3)

以图6和图7中的例子中提供的数字来求解公式(3)，可得TB为33.3℃。将该数字代入公式(1)或(2)中，可得对于图中所示的例子，硫化目标为3336度·分钟。

根据本发明的特别实施例的硫化橡胶制品的方法还可以包括以下步骤：确定测量硫化曲线下方的面积，测量硫化曲线下方的面积位于测量硫化曲线与TB之间，其中测量硫化曲线被定义为测量硫化温度随时间变化的曲线。该实施例可以包括额外的步骤：当测量硫化曲线下方的面积达到硫化目标时，指示完成硫化。设定硫化目标的步骤如上所述。例如，可以通过发送消息到操作者接口28或控制器20，或者通过简单地开始冷却压热锅来提供该指示。

例如，图8为显示了根据本发明的特别实施例的测量硫化曲线与基础温度之间的面积的图。测量硫化曲线81是压热锅内的测量温度随时间变化的曲线，其中依照图6和7中显示的硫化曲线来控制压热锅。如图8的例子所示，压热锅内的温度快速升高到低温极限TL和高温极限TH之间的温度。当在时间“ts”温度达到TB时，硫化时间开始，并持续到时间“tx”。在时间“tx”，测量硫化曲线81下方所示的面积82不等于目标面积。因此硫化继续到“tf”，在时间“tf”，测量硫化曲线81下方的额外面积83使测量硫化曲线81下方的总面积82和83等于目标面积。在此点，获得顺应硫化。

本领域技术人员已知多种用于确定测量硫化曲线与基础温度之间的面积的方法，可以使用的一个公式是以下公式(4)：

Σ_{n = 1}^{tf} {(TM - TB)}_{n} {(Δt)}_{n} - - - (4)

其中TM是测量硫化温度，TB是基础温度，Δt是计算了第n次差的时间增量，n是硫化开始和硫化完成时间t_f之间的范围上所取的时间增量数。

图9是在根据本发明的图1的系统上执行的用于硫化橡胶制品的示例性方法的流程图。在状态101，包含待硫化的橡胶制品的压热锅被加热到至少低温极限。在状态103，压热锅内的温度被保持在高温极限与低温极限之间。

在状态105，为硫化设定硫化目标，在本实施例中，硫化目标的单位是度·分钟。在状态107，定义基础温度。

在状态109，以一分钟的间隔测量压热锅内的温度，并从每个测量温度中减去基础温度。在状态111，将这些差的每一个相加，以获得差的滚动和(running sum)。在状态113，将该滚动和与硫化目标比较，如果滚动和小于硫化目标，则方法返回状态109。如果滚动和至少等于或大于硫化目标，则方法继续到状态115，硫化完成。

权利要求以及本说明书中使用的术语“包含”、“包括”以及“具有”应当被理解为表示可以包括未提及的其他元件的开集。权利要求以及本说明书中使用的术语“基本上由……构成”应当被理解为表示可以包括未提及的其他元件的部分开集，只要其他元件不在实质上改变要求保护的本发明的基本的和新颖的特征。术语“一种”和词语的单数形式应当被认为包括相同词语的复数形式，从而该术语表示一个或多个所设置的某物。术语“至少一个”和“一个或多个”可互换使用。术语“一个”或“单个”用于表示某物有且只有一个。类似地，其他具体的整数值，例如“二”用于表示某物的具体数量。术语“优选地”、“优选”、“可选地”、“可以”是类似的术语，用于表示所提到的物品、条件或步骤是本发明的可选(非必须)特征。用“a与b之间”来描述的范围包括值“a”和“b”。

通过前述说明书应理解，对本发明的实施例的各种修改和改变都不背离本发明的实际精神。前述说明书仅以说明的目的给出，不应被理解为限制本发明。只有权利要求会限制本发明的范围。

Claims

1.一种硫化橡胶制品的方法，该方法包括：

将测量硫化温度TM保持在高温极限TH与低温极限TL之间，其中TH从高温硫化曲线导出，TL从低温硫化曲线导出；

获得硫化目标A1或A2，其中A1是高温硫化曲线与基础温度TB之间的面积，A2是低温硫化曲线与TB之间的面积，其中TB被选择为使A1和A2相等；

确定测量硫化曲线下方的面积，测量硫化曲线下方的面积在测量硫化曲线与TB之间，其中测量硫化曲线被定义为测量硫化温度随时间变化的曲线；以及

当测量硫化曲线下方的面积达到硫化目标时，指示完成硫化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中确定测量硫化曲线下方的面积的步骤包括：利用以下公式计算测量硫化曲线下方的面积

Σ_{n = 1}^{tf} {(TM - TB)}_{n} {(Δt)}_{n}

其中TM是测量硫化温度，TB是基础温度，Δt是计算了第n次差的时间增量，n是硫化开始和硫化完成时间tf之间的范围上所取的时间增量数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中TH和TL之差在10℃到50℃之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其中TH和TL之差在15℃到70℃之间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述制品是轮胎的至少一部分。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述制品是轮胎胎面与轮胎胎体之间的垫胶。

7.根据权利要求1所述的方法，其中TH是高温硫化曲线上的最高温度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中TL是低温硫化曲线上的最低温度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括：

获得基础温度。