CN103101399A - 一种聚氨酯无空气轮胎及其制造方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于轮胎制造领域，公开了一种聚氨酯无空气轮胎及其制造方法与应用。本发明的聚氨酯无空气轮胎是由金属轮辋和直接浇注粘合在金属轮辋上的聚氨酯层所组成，所述的聚氨酯层为镂空结构；其制造方法包括金属轮辋的表面处理、聚氨酯预聚体的制备、备料和浇注等步骤。本发明轮胎镂空的聚氨酯胎面结构，有利于行驶中胎面的散热，轮胎行驶温度低，可杜绝胎体爆破的质量问题；镂空的聚氨酯结构大幅度提高轮胎的缓冲减震性能，减少噪音以及对车辆零部件的损伤。此外，本发明制造工艺简单，只有金属轮辋处理和轮胎浇注两道工序，减少了橡胶轮胎、聚氨酯/橡胶复合结构轮胎生产的诸多工序。本发明克服了现有同类产品制造工艺复杂、减震性能差等缺陷。

Description

一种聚氨酯无空气轮胎及其制造方法与应用

技术领域

本发明属于轮胎制造领域，具体涉及一种聚氨酯无空气轮胎及其制造方法与应用。

背景技术

聚氨酯是一种综合性能优异的材料，具有独特的综合性能：很宽的硬度、强度和模量范围，高伸长率，宽的使用温度范围，并且还有很好的耐油、耐低温、耐臭氧老化等特性，及首屈一指的耐磨性，俗称“耐磨橡胶”，其耐磨性是天然橡胶的2-10倍，并且成型工艺和设备简单，是一种比较理想的轮胎胎面材料。目前聚氨酯轮胎主要有两大类型，一是聚氨酯胎面/橡胶胎体复合结构轮胎，这种复合轮胎的制备包括橡胶胎体的制备、胎体的表面处理以及复合轮胎浇注三个主要步骤，工艺过程较复杂；另一种是聚氨酯实心轮胎，将聚氨酯直接浇注在金属轮辋上，实心轮胎制造工艺简单，但轮胎行驶中下沉量小，缓冲减震性能较差，噪音大、对车辆也有一定的损伤。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种能适应各种负荷条件并且使用寿命长的聚氨酯无空气轮胎。

本发明的另一目的在于提供上述聚氨酯无空气轮胎的制造方法，该制造方法工艺简单、容易工业化。

本发明的再一目的在于提供上述聚氨酯无空气轮胎的用途。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种聚氨酯无空气轮胎，是由起支撑和传递力作用的金属轮辋和直接浇注粘合在金属轮辋上的聚氨酯层所组成；

所述的金属轮辋由钢圈、加强板和安装板组成，无空气轮胎通过安装板上的安装孔装配到车辆上。

所述聚氨酯层的厚度200～500mm，为同规格橡胶轮胎总断面厚度的30～150％；

所述的聚氨酯层设计成镂空结构，以增加轮胎使用时的下沉量，起到缓冲和散热的作用，镂空部份的体积为聚氨酯胎面总体积的20-80％；

镂空结构单元在排列上可对称排列，也可无规排列，可通透聚氨酯层，也可不通透；

镂空结构单元可以是各种形状，包括：圆柱形、椭圆形、圆锥形、弧形、菱形以及其它各种形状的三角形、四边形等，或上述各形状混合组成的其它形状。

上述聚氨酯无空气轮胎的制造方法，包括以下步骤：

(1)金属轮辋的表面处理：将金属轮辋表面进行喷砂、除油脱脂处理，清理干净后均匀喷涂或刷涂胶粘剂，20-30℃停放0.5-1小时，烘干，即可用于浇注；

(2)聚氨酯预聚体的制备：将100重量份的低聚物多元醇加热至110-130℃，抽真空至余压小于500Pa，保温2小时，然后降温至60-90℃，加入20-200重量份的异氰酸酯，升温至73-97℃反应2小时；再将反应混合物进行短程蒸馏至混合物中游离异氰酸酯单体的百分含量低于0.5％，得到聚氨酯预聚体；

所得到的聚氨酯与金属粘结强度高、承载能力强、内生热小、力学性能高、耐曲挠、耐切割；

(3)备料：将步骤(2)制备的聚氨酯预聚体移至浇注机A罐中，加热至60-90℃，抽真空至余压小于500Pa，脱泡15-30分钟，将扩链剂移至浇注机B罐中，按扩链系数0.85-0.95调整聚氨酯预聚体与扩链剂的比例；

(4)浇注：将步骤(1)的金属轮辋放在预热的轮胎模具中，开动浇注机进行浇注，浇注完后保温30-300分钟，出模，烘干，即制得成品聚氨酯无空气轮胎；

步骤(1)所述烘干是在100℃下烘焙0.5-1小时；

步骤(2)所述异氰酸酯是脂环族、芳脂族或芳香族的异氰酸酯；优选平均官能度为2的芳香族异氰酸酯；特别优选二苯基甲烷二异氰酸酯、聚合MDI、甲苯二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯或3，3′-二甲基-4，4′-联苯二异氰酸酯中的一种；

步骤(2)所述低聚物多元醇是分子量500-8000的羟基封端的化合物；优选分子量为500-4000的、平均官能度为2的低聚物多元醇；特别优选分子量为1000-2000的聚四氢呋喃二醇、聚己内酯二醇或聚酯二醇中的一种以上；

步骤(2)中，合成体系还可以添加纳米填料，即将纳米填料先与低聚物多元醇混合再加热，以增强聚氨酯的耐磨、耐撕裂、抗刺扎性能，减少聚氨酯材料的热膨胀系数；所述纳米填料为碳酸钙、蒙脱土、白炭黑或硅微粉中的一种，添加量为合成体系总质量的0.5-10％；

步骤(3)所述的扩链剂为醇类扩链剂或胺类扩链剂；

所述的醇类扩链剂为1，4-丁二醇、氢醌-双(β-羟乙基)醚、Vibracure A250或Caytur-31(美国科聚亚公司)中的一种；

所述的胺类扩链剂为3，5-二甲硫基甲苯二胺或3，3′二氯-4，4′-二氨基二苯甲烷；

步骤(4)所述预热和保温温度均为110-130℃；

步骤(4)所述烘干是在110-130℃下烘焙10-30小时。

上述的聚氨酯无空气轮胎可以作为载重汽车轮胎、农业车辆轮胎、工程机械轮胎、工业车辆轮胎等。

与现有橡胶轮胎、聚氨酯/橡胶复合结构轮胎、橡胶或聚氨酯实心轮胎相比，本发明的聚氨酯无空气轮胎有如下优点：

1、本发明的聚氨酯无空气轮胎其胎面耐切割、抗刺扎，使用寿命长。

2、镂空的聚氨酯胎面结构，有利于行驶中胎面的散热、胎面生热低；同时聚氨酯与金属轮辋直接结合形成的胎体散热性能良好，轮胎行驶温度低，可杜绝胎体爆破的质量问题。

3、镂空的聚氨酯结构大幅度提高轮胎的缓冲减震性能，减少噪音以及对车辆零部件的损伤。

4、本发明制造工艺简单，只有金属轮辋处理和轮胎浇注两道工序，减少了橡胶轮胎、聚氨酯/橡胶复合结构轮胎生产的诸多工序，生产效率高，降低了生产成本和投资成本。

5、本发明的聚氨酯无空气轮胎载重量大。

6、本发明制造工艺能耗小，废气、废水的排放少，节能减排、绿色环保。

附图说明

图1是本发明的聚氨酯无空气轮胎的结构示意图；其中，1-聚氨酯，2-钢圈，3-安装板，4-安装孔，5-镂空结构单元，6-加强板。

图2是图1结构的C-C剖视图；其中，1-聚氨酯，2-钢圈，3-安装板，4-安装孔，5-镂空结构单元，6-加强板。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种聚氨酯无空气轮胎的制造方法，包括以下步骤：

(1)金属轮辋的表面处理

将金属轮辋表面进行喷砂、除油脱脂，清理干净后均匀喷涂胶粘剂开姆洛克218，30℃下停放30分钟，再放入100℃烘箱中烘1小时，即可用于浇注；

(2)聚氨酯预聚体的制备

称取平均分子量为1000的聚四氢呋喃二醇100重量份、纳米白炭黑12重量份(8％)，将两者混合并高速分散后投入反应釜中，加热至120±10℃，抽真空至余压小于500Pa，脱除水分2小时，降温至65±5℃后，投入二苯基甲烷二异氰酸酯200重量份，升温至75±2℃反应2小时。然后将反应混合物转移到短程蒸馏设备中，去除未反应的二苯基甲烷二异氰酸酯单体，即得到聚氨酯预聚体，测得其中异氰酸根含量约为6.2％，游离二苯基甲烷二异氰酸酯单体百分含量小于0.5％；

(3)备料

将步骤(2)制备的聚氨酯预聚体移至浇注机的A罐中，加热至65±5℃，抽真空至余压小于500pa，脱泡15分钟后备用，将扩链剂Vibracure A250(美国科聚亚公司)放在B罐中；按扩链系数0.90调整聚氨酯预聚体与扩链剂的比例；

每100重量份聚氨酯预聚体所需扩链剂的重量份数为：

B＝0.062×1.08×0.90×100

其中，0.062为聚氨酯预聚体中异氰酸根含量6.2％，1.08为扩链剂采用Vibracure A250时的常数，0.90为扩链系数；

(4)浇注

将步骤(1)处理好的金属轮辋放在预热至110℃的轮胎模具中，开动浇注机进行浇注，浇注完后110℃保温60分钟，然后出模，将已脱模的轮胎放入110℃烘箱或烘道中后处理12小时，即制得聚氨酯无空气载重汽车轮胎。

所制得的聚氨酯无空气载重汽车轮胎其结构如图1和图2所示，其轮胎规格为11.00-20，由聚氨酯1和金属轮辋组成，聚氨酯层厚度为214mm，为11.00R20橡胶轮胎断面总厚度的75％，聚氨酯中镂空结构单元5为通透的圆柱形结构，镂空部份体积占聚氨酯总体积的50％，镂空结构单元5沿轮胎周向对称排列。其中的金属轮辋由钢圈2、加强板6和安装板3组成，无空气轮胎通过安装板3上的安装孔4装配到车辆上。

实施例2

一种聚氨酯无空气轮胎的制造方法，包括以下步骤：

(1)金属轮辋的表面处理

将金属轮辋表面进行喷砂、除油脱脂，清理干净后均匀喷涂胶粘剂CILBOND 48C，25℃下停放45分钟，再放入100℃烘箱中烘45分钟，即可用于浇注；

(2)聚氨酯预聚体的制备

称取平均分子量为1000的聚己内酯二醇50重量份、平均分子量为2000的聚己内酯二醇50重量份、纳米蒙脱土6.9重量份(5％)，将三者混合并高速分散后投入反应釜中，加热至120±10℃，抽真空至余压小于500Pa，脱除水分2小时，降温至85±5℃后，投入对苯二异氰酸酯24重量份，升温至95±2℃，反应2小时，即得到聚氨酯预聚体，其中氰酸根含量约为5.1％，游离对苯二异氰酸酯单体的百分含量小于0.5％；

(3)备料

将步骤(2)制备的聚氨酯预聚体移至浇注机的A罐中，加热至85±5℃，抽真空至余压小于500pa，脱泡25分钟后备用，将扩链剂氢醌-双(β-羟乙基)醚放在B罐中；按扩链系数0.85调整聚氨酯预聚体与扩链剂的比例；

每100重量份聚氨酯预聚体所需扩链剂的重量份数为：

B＝0.051×2.36×0.85×100

其中，0.051为聚氨酯预聚体中异氰酸根含量5.1％，2.36为扩链剂采用氢醌-双(β-羟乙基)醚时的常数，0.85为扩链系数；

(4)浇注

将步骤(1)处理好的金属轮辋放在预热至120℃的轮胎模具中，开动浇注机进行浇注，浇注完后在120℃保温120分钟，然后出模，将已脱模的轮胎放入120℃烘箱或烘道中后处理18小时，即制得聚氨酯无空气工程机械轮胎。

所制得的聚氨酯无空气工程机械轮胎其结构如图1和图2所示，其轮胎规格为23.5-25，由聚氨酯1和金属轮辋组成，聚氨酯层厚度为500mm，为23.5-25橡胶轮胎断面总厚度的100％，聚氨酯胎面镂空结构单元5为不通透的椭圆形结构，镂空部份体积占聚氨酯总体积的40％，镂空结构单元5沿轮胎周向无规排列。其中的金属轮辋由钢圈2、加强板6和安装板3组成，无空气轮胎通过安装板3上的安装孔4装配到车辆上。

实施例3

一种聚氨酯无空气轮胎的制造方法，包括以下步骤：

(1)金属轮辋的表面处理

将金属轮辋表面进行喷砂、除油脱脂，清理干净后均匀喷涂胶粘剂Thixon422，20℃下停放60分钟，再放入100℃烘箱中烘30分钟，即可用于浇注；

(2)聚氨酯预聚体的制备

称取平均分子量为1500的聚酯二醇100重量份，投入反应釜中，加热至120±10℃，抽真空至余压小于500Pa，脱除水分2小时，降温至65±5℃后，投入MDI-50(二苯基甲烷二异氰酸酯)34重量份，升温至75±2℃，反应2小时，即得到聚氨酯预聚体，其中氰酸根含量约为4.2％，游离MDI-50单体的百分含量小于0.5％。

(3)备料

将步骤(2)制备的聚氨酯预聚体移至浇注机的A罐中，加热至80±5℃，抽真空至余压小于500pa，脱泡30分钟后备用，将扩链剂3，3′二氯-4，4′-二氨基二苯甲烷放在B罐中；按扩链系数0.95调整聚氨酯预聚体与扩链剂的比例；

每100重量份聚氨酯预聚体所需扩链剂的重量份数为：

B＝0.042×3.18×0.95×100

其中，0.042为聚氨酯预聚体中异氰酸根含量4.2％，3.18为扩链剂采用3，3′二氯-4，4′-二氨基二苯甲烷时的常数，0.95为扩链系数；

(4)浇注

将步骤(1)处理好的金属轮辋放在预热至125℃的轮胎模具中，开动浇注机进行浇注，浇注完后在125℃保温40分钟，然后出模，将已脱模的轮胎放入125℃烘箱或烘道中后处理8小时，即制得聚氨酯无空气工业车辆轮胎。

所制得的聚氨酯无空气工业车辆轮胎其结构如图1和图2所示，其轮胎规格为6.50-10，由聚氨酯1和金属轮辋组成，聚氨酯层厚度为200mm，为6.50-10橡胶轮胎断面总厚度的120％，聚氨酯胎面镂空结构单元5为不通透的类似四边形结构，镂空部份体积占聚氨酯总体积的60％，镂空结构单元5沿轮胎周向对称排列。其中的金属轮辋由钢圈2、加强板6和安装板3组成，无空气轮胎通过安装板3上的安装孔4装配到车辆上。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种聚氨酯无空气轮胎，其特征在于：是由金属轮辋和直接浇注粘合在金属轮辋上的聚氨酯层所组成；

所述的聚氨酯层为镂空结构。

2.根据权利要求1所述的聚氨酯无空气轮胎，其特征在于：所述聚氨酯层的厚度为200～500mm。

3.根据权利要求1所述的聚氨酯无空气轮胎，其特征在于：所述镂空部份的体积为聚氨酯胎面总体积的20-80％。

4.根据权利要求1所述的聚氨酯无空气轮胎，其特征在于：

所述镂空结构单元为对称排列或无规排列；

所述镂空结构单元通透聚氨酯层或不通透聚氨酯层；

所述镂空结构单元为圆柱形、椭圆形、圆锥形、弧形、菱形、三角形、四边形、类三角形、类四边形，或为前述各种形状的混合。

5.权利要求1-4任一项所述聚氨酯无空气轮胎的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将金属轮辋表面进行喷砂、除油脱脂处理，清理干净后均匀喷涂或刷涂胶粘剂，20-30℃停放0.5-1小时，烘干，即可用于浇注；

(2)将100重量份的低聚物多元醇加热至110-130℃，抽真空至余压小于500Pa，保温2小时，然后降温至60-90℃，加入20-200重量份的异氰酸酯，升温至73-97℃反应2小时；再将反应混合物进行短程蒸馏至混合物中游离异氰酸酯单体的百分含量低于0.5％，得到聚氨酯预聚体；

(3)将步骤(2)制备的聚氨酯预聚体移至浇注机A罐中，加热至60-90℃，抽真空至余压小于500Pa，脱泡15-30分钟，将扩链剂移至浇注机B罐中，按扩链系数0.85-0.95调整聚氨酯预聚体与扩链剂的比例；

(4)将步骤(1)的金属轮辋放在预热的轮胎模具中，开动浇注机进行浇注，浇注完后保温30-300分钟，出模，烘干，即制得聚氨酯无空气轮胎。

6.根据权利要求5所述聚氨酯无空气轮胎的制造方法，其特征在于：步骤(2)所述的异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯、聚合MDI、甲苯二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯或3，3′-二甲基-4，4′-联苯二异氰酸酯中的一种。

7.根据权利要求5所述聚氨酯无空气轮胎的制造方法，其特征在于：步骤(2)所述的低聚物多元醇为分子量1000-2000的聚四氢呋喃二醇、聚己内酯二醇或聚酯二醇中的一种以上。

8.根据权利要求5所述聚氨酯无空气轮胎的制造方法，其特征在于：

步骤(2)中，低聚物多元醇与纳米填料混合后再加热；

所述纳米填料为碳酸钙、蒙脱土、白炭黑或硅微粉中的一种，其添加量为合成体系总质量的0.5-10％。

9.根据权利要求5所述聚氨酯无空气轮胎的制造方法，其特征在于：

步骤(3)所述的扩链剂为1，4-丁二醇、氢醌-双(β-羟乙基)醚、Vibracure A250、Caytur-31、3，5-二甲硫基甲苯二胺或3，3′二氯-4，4′-二氨基二苯甲烷中的一种；

步骤(4)所述预热和保温温度均为110-130℃。

10.权利要求1-4任一项所述的聚氨酯无空气轮胎用作载重汽车轮胎、农业车辆轮胎、工程机械轮胎、工业车辆轮胎。

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