CN105539013A - 一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎 - Google Patents

一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎，该热塑性聚氨酯低载荷轮胎包括用于直接与地面接触的表皮层以及位于表皮层内部的里层，该表皮层的硬度高于里层的硬度，该表皮层和里层采用TPU发泡粒子一体发泡成型。其成型工艺则包括如下步骤：①在TPU发泡粒子的外表面形成不发泡皮层；②往具有不发泡皮层的TPU发泡粒子的泡孔结构中注入高压流体；③将含有高压流体的TPU发泡粒子注入模具中，向模具中通入高温水蒸气，经冷却、排水和吹风后制得TPU发泡粒子成型体材料；④对TPU发泡粒子成型体材料在40－60度下进行热处理，使之尺寸稳定，制得TPU发泡轮胎。

Description

一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎
本发明专利申请是中国专利申请号201410589416.1的分案申请，原申请的申请号为201410589416.1，申请日为2014年10月28日，发明名称为一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎及其成型工艺。
技术领域
本发明属于热塑性聚氨酯微发泡材料领域，具体涉及的是一种用于免充气轮胎的热塑性聚氨酯微发泡粒子组合物的成型。
背景技术
根据百度百科，轮胎是指在各种车辆或者机械上装配的接地滚动的圆环形弹性橡胶制品，它通常安装在支架上，能够支撑车身，缓冲外界冲击等。自行车、童车、玩具汽车等为轻型非机动车辆，自身重量小，轮胎所承受的载荷小，因此所用的轮胎属于一种低载荷轮胎。对于上述低载荷轮胎，轮胎自身的弹性和轻便性对车的操控性尤为重要。
市场上所用的低载荷轮胎主要包括充气轮胎和免充气轮胎。充气轮胎使用过程中易受损伤，对于小尺寸的低载荷轮胎，更换较为困难，因此充气轮胎很少应用于童车轮胎和玩具轮胎上。免充气轮胎可以避免充气轮胎存在的问题，可广泛应用于童车、玩具等领域。免充气轮胎包括不发泡实芯轮胎、发泡实芯轮胎、发泡体填充型轮胎等。
不发泡实芯轮胎所用的材质主要为热固性橡胶、热固性聚氨酯弹性体、热塑弹性体等。热固性材质的成型工艺一般为模压成型，而热塑性材料可以注塑成型。一般来说，注塑成型具有高的生产效率。另外，热塑性材质在使用后仍可以熔融加工回收。不发泡轮胎存在重量大、使用轻便性差的问题。同时，橡胶和聚氨酯弹性体在制做轮胎时均需要化学交联，涉及到多种化学助剂，而交联后的材料不能进一步熔融加工，因此存在环保问题。
发泡实芯轮胎所用到的材质主要为橡胶、聚氨酯弹性体等，在制备发泡轮胎时，高分子材料的分子链需进行化学交联反应，所以目前技术制备的发泡实芯轮胎均为热固性发泡轮胎。如中国发明专利CN102250313A公开了一种具有自结皮微孔结构聚氨酯发泡轮胎的制备方法。这种方法涉及将液体组份A和B混合后注入模具，A、B组份接触时会发生化学交联反应，组份中的HFC类发泡剂利用反应过程产生热量诱导泡孔成核和增长，从而制备发泡材料。和不发泡的聚氨酯弹性体相似，发泡聚氨酯弹性体也存在制备过程不环保和制品不能熔融回收的问题。中国发明专利CN103707720A公开了一种车辆橡胶发泡轮胎的制备方法。这种方法涉及将化学发泡剂混入橡胶组份，蒸汽硫化橡胶时会诱导发泡剂分解产生气体从而导致发泡结构的形成。当前技术制备的发泡实芯轮胎除了材质为热固性不能熔融回收外，还存在泡孔尺寸大、发泡倍率低、不耐磨等问题。
发泡体填充轮胎的制备方法已经公开，主要通过在轮胎空腔中注入可发性组份，经现场发泡实现对轮胎空腔的填充。轮胎空腔中填充的发泡材料一般为聚氨酯弹性体发泡材料。聚氨酯弹性体发泡过程中扩散出的发泡剂易导致空腔中形成大孔结构，导致轮胎性能不稳定。同时，这种工艺较为复杂，存在加工效率低和加工成本过高的问题。当然，热固性聚氨酯弹性体的存在也导致发泡体填充轮胎在使用后不能熔融回收使用。
热塑性聚氨酯（TPU）是一种可以热塑加工的热塑弹性体材料，它拥有高耐磨、高弹性、抗疲劳、耐化学腐蚀等诸多优点而广泛应用于鞋材、轮胎等领域。
可以采用物理发泡技术来制备TPU发泡材料，特别是TPU发泡粒子材料，如中国专利文献CN101291789A、CN1161401A、CN103642200A等，可以通过水蒸气成型工艺来实现TPU发泡粒子的粘结，如CN103371564A。和TPU树脂相比，TPU发泡材料具有更低的密度和更好的弹性，因而所制备的轮胎有望表现出良好的轻便性和弹性。
TPU发泡材料在制备和成型过程中不使用交联剂，所制备的材料可以再次熔融加工，因而可以熔融回收。不过，目前的技术仅能用于制备低硬度的鞋材，还不能用于制备具有表面硬度高中间层硬度低、密度低的实芯发泡轮胎。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎，其可以热塑加工和熔融回收，同时还具有高的表皮硬度和低的密度，以及优异的力学性能和良好的回弹性。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎，其中，包括用于直接与地面接触的表皮层以及位于表皮层内部的里层，该表皮层的硬度高于里层的硬度，该表皮层和里层采用TPU发泡粒子一体发泡成型。
进一步，该TPU发泡粒子均具有位于粒子外表面的不发泡皮层。
进一步，该TPU发泡粒子的不发泡皮层的厚度为0.01-2mm，优选为0.1-1.2mm。
进一步，该热塑性聚氨酯低载荷轮胎表皮层的硬度为邵A55－95度。
进一步，该热塑性聚氨酯低载荷轮胎的密度为0.3－0.7g/cm3，优选为0.4－0.6g/cm3。
本发明的另一目的在于提供一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎的成型工艺，其中，包括如下步骤：
①在TPU发泡粒子的外表面形成不发泡皮层；
②往具有不发泡皮层的TPU发泡粒子的泡孔结构中注入高压流体；
③将含有高压流体的TPU发泡粒子注入模具中，向模具中通入高温水蒸气，经冷却、排水和吹风后制得TPU发泡粒子成型体材料；
④对TPU发泡粒子成型体材料在40－60度下进行热处理，使之尺寸稳定，制得TPU发泡轮胎。
进一步，步骤①中TPU发泡粒子的不发泡皮层是采用如下步骤制得：把TPU颗粒在高压流体物理发泡剂中浸渍，将浸渍后的TPU颗粒转移出高压流体氛围并在常压室温条件下放置1－60分钟，采用热介质加热TPU颗粒使其膨胀，得到具有不发泡皮层的TPU发泡粒子。
进一步，步骤②中的高压流体为高压空气、高压氮气或高压二氧化碳，所述高压流体的压力为0.1－0.6Mpa，优选为0.2－0.5MPa。
进一步，步骤②中注入高压流体是采用如下步骤制得：将具有不发泡皮层的TPU发泡粒子放入高压气体载压装置，注入高压流体并使高压流体不断扩散入TPU发泡粒子的泡孔结构中。
进一步，在步骤③中，高温水蒸气对TPU发泡粒子进行周期性加热，以使TPU发泡粒子中的高压流体受热发生体积膨胀以填充发泡粒子间的缝隙。
采用上述结构后，本发明涉及的一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎及其成型工艺，其利用TPU发泡粒子一体发泡成型出低载荷轮胎，且让所成型出来的低载荷轮胎具有高的表面硬度，防止轮胎在负载的情况下发生大尺度压缩变形，增加车体运动时受到的阻力。具体地，本发明是采用在TPU发泡粒子表面形成不发泡皮层，再往TPU发泡粒子的泡孔结构中注入高压流体，接着再通过通入高温水蒸气，如此TPU发泡粒子内部的发泡部会膨胀，从而将TPU发泡粒子的不发泡层仅仅地抵顶在模具上端面，如此形成一个硬度要高于里层的表皮层。
更具体地，本发明可以根据工艺的调整来调节表皮层的厚度以及硬度，从而达到满足轮胎所需参数的最终效果。
附图说明
图1为本发明实施例1中TPU发泡粒子不发泡皮层的电镜示意图；
图2为本发明实施例1中TPU发泡粒子成型轮胎上不发泡粘结层界面的光学照片示意图；
图3为本发明涉及热塑性聚氨酯低载荷轮胎的立体结构示意图。
图中：
表皮层-1；里层-2；不发泡粘结层界面-3；沟槽条纹-4。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
实施例1：
把TPU颗粒浸渍在高压CO2流体中使高压流体扩散到TPU颗粒中，将浸渍后的TPU颗粒转移至常压室温环境放置3分钟，然后加热使其膨胀，制备TPU发泡粒子。
把TPU发泡粒子注入压力为0.2MPa的高压CO2中载压，使高压空气不断扩散至TPU发泡粒子的泡孔结构中。
将载压后的TPU发泡粒子注入轮胎模具的缝隙中，向模具中周期性通入水蒸气对TPU发泡粒子进行加热，经冷却、排水、吹风，制得TPU发泡粒子成型轮胎。
对TPU发泡粒子轮胎进行热处理，制得结构稳定的TPU发泡粒子成型轮胎。
如表1所示，所制备的TPU颗粒具有厚度为0.028mm的不发泡皮层，所制备的TPU发泡轮胎具有明显的不发泡粘结层界面3，其中密度为0.3g/cm3，表面硬度为邵A57度。请参照图1所示，所成型出来的热塑性聚氨酯低载荷轮胎具有表皮层1和里层1，该表皮层1的硬度高于里层1的硬度；如图2所示，该TPU发泡成型的低载荷轮胎也明显有不发泡粘结层界面3，提高了轮胎整体的硬度。
实施例2：
除了将浸渍后的TPU颗粒在常压室温环境放置10分钟，其他操作同实施例1。
如表1所示，所制备的TPU颗粒具有厚度为0.2mm的不发泡皮层，所制备的TPU发泡轮胎具有明显的不发泡粘结层界面，其中密度为0.4g/cm3，表面硬度为邵A72度。
实施例3：
除了将浸渍后的TPU颗粒在常压室温环境放置30分钟，其他操作同实施例1。
如表1所示，所制备的TPU颗粒具有厚度为0.5mm的不发泡皮层，所制备的TPU发泡轮胎具有明显的不发泡粘结层界面，其中密度为0.5g/cm3，表面硬度为邵A85度。
实施例4：
除了将浸渍后的TPU颗粒在常压室温环境放置60分钟，其他操作同实施例1。
如表1所示，所制备的TPU颗粒具有厚度为1.5mm的不发泡皮层，所制备的TPU发泡轮胎具有明显的不发泡粘结层界面，其中密度为0.7g/cm3，表面硬度为邵A94度。
实施例5：
除了采用压力为0.4MPa的高压N2载压TPU发泡粒子，其他操作同实施例2。
如表1所示，所制备的TPU发泡轮胎具有明显的不发泡粘结层界面，其中密度为0.4g/cm3，表面硬度为邵A65度。
实施例6：
除了采用压力为0.6MPa的高压空气载压TPU发泡粒子，其他操作同实施例2。
如表1所示，所制备的TPU发泡轮胎具有明显的不发泡粘结层界面，其中密度为0.4g/cm3，表面硬度为邵A62度。
实施例7：
除了改变TPU发泡粒子成型轮胎表面的纹饰结构，其他操作同实施例2。
如图3所示，TPU发泡粒子轮胎表面的纹饰结构可以为平行的沟槽条纹4；当然也可以替换为周期性的块线条纹，条纹的存在有力增加轮胎抓地的能力，降低轮胎打滑。
表1
放置时间(Min) 载压压力(MPa) 载压气氛 皮层厚度(mm) 密度(g/cm3) 表面硬度(邵A)
实施例1 3 0.2 CO2 0.028 0.3 57
实施例2 10 0.2 CO2 0.2 0.4 72
实施例3 30 0.2 CO2 0.5 0.5 85
实施例4 60 0.2 CO2 1.5 0.7 94
实施例5 10 0.4 N2 0.2 0.4 65
实施例6 10 0.6 空气 0.2 0.4 62
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (7)

1.一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎，其特征在于，包括用于直接与地面接触的表皮层以及位于表皮层内部的里层，该表皮层的硬度高于里层的硬度，该表皮层和里层采用TPU发泡粒子一体发泡成型。
2.如权利要求1所述的一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎，其特征在于，该TPU发泡粒子均具有位于粒子外表面的不发泡皮层。
3.如权利要求2所述的一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎，其特征在于，该TPU发泡粒子的不发泡皮层的厚度为0.01-2mm。
4.如权利要求3所述的一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎，其特征在于，该TPU发泡粒子的不发泡皮层的厚度为0.1-1.2mm。
5.如权利要求1所述的一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎，其特征在于，该表皮层的硬度为邵A55－95度。
6.如权利要求1所述的一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎，其特征在于，该热塑性聚氨酯低载荷轮胎的密度为0.3－0.7g/cm3。
7.如权利要求6所述的一种热塑性聚氨酯低载荷轮胎，其特征在于，该热塑性聚氨酯低载荷轮胎的密度为0.4－0.6g/cm3。
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