CN107501581B - 一种改性橡胶的制备方法、改性橡胶和防弹防刺穿轮胎 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种改性橡胶的制备方法及改性橡胶，通过紫外光照射高性能短纤维以在高性能短纤维中引入活性基团，再采用偶联剂对该高性能短纤维进行改性，增加了该高性能短纤维与橡胶基体的相容性，最后利用十二烷基硫酸钠的电荷排斥作用，有效避免了高性能短纤维在橡胶基体中团聚，有利于制得改性橡胶。本发明提供的的改性橡胶及该改性橡胶制得的防弹防刺穿轮胎，该防弹防刺穿轮胎的缓冲层采用该改性橡胶，该防弹防刺穿轮胎的胎面、带束层和气密层中的至少一层使用该改性橡胶，且防弹防刺穿轮胎的帘布层采用加捻的高性能长纤维编织而成，使得该防弹防刺穿轮胎不仅具有防弹防刺穿功能，而且重量轻便、行驶平稳。
Description
技术领域
本发明涉及汽车用复合材料技术领域，且特别是涉及一种改性橡胶的制备方法、改性橡胶和防弹防刺穿轮胎。
背景技术
轮胎是指在各种车辆或机械上装配的接地滚动的圆环形弹性橡胶制品。它通常安装在金属轮辋上，能支承车身，缓冲外界冲击，实现与路面间的接触并保证车辆的行驶性能。轮胎常在复杂和苛刻的条件下使用，它在行驶时承受着各种变形、负荷、力以及高低温作用，它必须具有较高的承载性能、牵引性能、缓冲性能。错综复杂的地形及战时对轮式车辆的要求，迫切需要开发一种新型防弹防刺入轮胎。目前现有的防弹轮胎主要分为灌注式实心轮胎、内支撑体轮胎和内沉陷限制器轮胎，其中灌注式实心轮胎的主要缺点是：由于轮胎重量较大，行驶阻力也较大，影响汽车行驶速度，并使油耗增高，因而对车辆动力系统的要求高。内支撑体轮胎和内沉陷限制器轮胎的主要缺点：一是受损后靠支撑体或内限制器承受车辆负荷时，轮胎有一定的下沉量，造成几个车轮的高度不一，故行驶平顺性较差；二是要使用特制轮辋；三是在将支撑体与轮胎、轮辋进行装配时，必须有专门的装胎设备。
高性能纤维是具有特殊的物理化学结构、性能和用途，或具有特殊功能的化学纤维，具有密度低、强度高、韧性好、耐高温、易于加工和成型等优点，其强度为同等质量钢铁的至少5倍，但密度仅为钢铁的五分之一，不仅重量轻而且用料少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性橡胶的制备方法、改性橡胶和防弹防刺穿轮胎，以解决现有防弹轮胎重量大且行驶平稳性差的问题。
本发明解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。
本发明还提供一种防弹防刺穿轮胎，包括从外至内依次设置的胎面、带束层、缓冲层、帘布层和气密层，该缓冲层的材质采用如上所述的改性橡胶。
本发明通过提供一种改性橡胶的制备方法、改性橡胶和防弹防刺穿轮胎，该改性橡胶中加入高性能短纤维，该防弹防刺穿轮胎的缓冲层采用该改性橡胶，该防弹防刺穿轮胎的胎面、带束层和气密层中的至少一层使用该改性橡胶，且该防弹防刺穿轮胎的帘布层采用加捻的高性能长纤维编织而成，使得该防弹防刺穿轮胎不仅具有防弹防刺穿功能，而且重量轻便、行驶平稳。
附图说明
图1为本发明实施例中防弹防刺轮胎的截面结构示意图。
图2为本发明实施例中帘布层的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术方式及功效，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
本发明提供一种改性橡胶的制备方法，包括步骤：
将高性能短纤维在紫外光下照射一段时间后，加入乙醇中，通过搅拌制得均匀分散的纤维悬浮液；
向制得的纤维悬浮液中加入偶联剂，调节PH为8～9，常温下反应2～4小时，再加入十二烷基苯磺酸钠，继续反应1～2小时后得到反应液，减压抽滤，除去反应液中的液体，得到改性纤维浆液；
将改性纤维浆液加入炭黑、无机填料中混合均匀制成改性纤维浆液混合物；
将塑炼过的极性或非极性橡胶加入密炼机中加压密炼1～2min制得橡胶基体，向该橡胶基体中再加入改性纤维浆液混合物，继续加压密炼1～2min后得到密炼好的胶料；
将密炼好的胶料置于开炼机上压片得改性橡胶。
在制备改性橡胶的步骤中，利用紫外光对高性能短纤维进行照射时，有利于在高性能短纤维的表面形成羟基、酯基等活性基团，可以使高性能短纤维与偶联剂发生酯交换反应，从而将偶联剂的分子引入到高性能短纤维的分子链上，而偶联剂上的烷基链与橡胶基体相容性良好，从而可以改善高性能短纤维与橡胶基体的相容性。一般将长度在35～150mm之间的纤维定义为短纤维，本实施例中，高性能短纤维的长度即为35～150mm。
但是，高性能短纤维被紫外光照射的强度不宜过高且时间不宜过长，紫外光照射强度过高或者时间过长，会导致高性能短纤维分子链大量断裂，性能下降；紫外光的照射强度过低或时间过短，则偶联剂的接枝率不高，不足以改善高性能短纤维与橡胶基体的相容性，不足以降低高性能短纤维的团聚性。本实施例中，高性能短纤维被紫外光照射的强度优选为300～450W，照射时间优选为25～40s。
进一步地，高性能短纤维由以下组合中的一种或多种切断或拉断而成：芳纶纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维(PBO纤维)、聚[2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑纤维(M5纤维)、改性芳纶纤维、改性聚对苯撑苯并二噁唑纤维和改性聚[2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑纤维。
进一步地，偶联剂选自以下组合的一种或多种：γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷。
在制备改性橡胶的步骤中，制备纤维悬浮液时，需要将高性能短纤维加入乙醇中，乙醇对偶联剂的溶解性较好，有利于偶联剂与高性能短纤维发生接枝反应，在其他实施例中，也可以选择其他溶剂来制备纤维悬浮液。另外，在制备纤维悬浮液时，需要高速搅拌，搅拌的速度优选为1200～1500r/min。
在制备改性橡胶的步骤中，向制得的纤维悬浮液中加入偶联剂。偶联剂用于改善高性能短纤维与极性或非极性橡胶的相容性，以使得高性能短纤维与极性或非极性橡胶具有良好的相容性，并使得该高性能短纤维具有良好的力学性能。
在制备改性橡胶的步骤中，将改性纤维浆液加入炭黑、无机填料中混合均匀制成改性纤维浆液混合物。该改性纤维浆液混合物中，改性纤维浆液、炭黑和无机填料的质量比优选为1：(0.6～0.8)：(1～1.2)。本实施例中，该无机填料例如为蒙脱土、凹凸棒土、高岭土或碳酸钙中的一种或多种。
在制备改性橡胶的步骤中，将塑炼过的极性或非极性橡胶加入密炼机中加压密炼1～2min制得橡胶基体，再向该橡胶基体中加入改性纤维浆液混合物，继续加压密炼1～2min后得到密炼好的胶料。本实施例中，改性纤维浆液混合物与极性或者非极性橡胶的质量比优选为0.2:1～0.25:1。
本实施例中，被塑炼的极性或非极性橡胶选自以下组合中的一种或多种：天然橡胶、合成的聚异戊二烯、丁二烯橡胶、丁苯橡胶、溶液聚合的苯乙烯-丁二烯橡胶、乳液聚合的苯乙烯-丁二烯橡胶、丁腈橡胶、液体橡胶、卤化丁基橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、异戊二烯-异丁烯共聚物、三元乙丙橡胶、氯丁二烯橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶、硅橡胶、聚硫橡胶、表氯醇橡胶、苯乙烯-异戊二烯-丁二烯三聚物、氢化的丙烯腈-丁二烯橡胶、异戊二烯-丁二烯共聚物和氢化的苯乙烯-丁二烯橡胶。
在制备改性橡胶的步骤中，将密炼好的胶料置于开炼机上压片得改性橡胶。该改性橡胶的厚度优选为0.8～1.2mm。
高性能短纤维在使极性或非极性橡胶改性的过程中易产生纤维团聚、与橡胶基体相容性差等现象。通过紫外光照射在高性能短纤维中引入活性基团，使其与偶联剂发生化学反应，将偶联剂分子引入高性能短纤维分子结构中，能充分改善其与极性或非极性橡胶基体的相容性，同时偶联剂的分子链与十二烷基苯磺酸钠发生物理缠结，使得偶联剂与十二烷基苯磺酸钠结合在一起，又因为十二烷基苯磺酸钠之间的同电荷作用，使得高性能短纤维之间相互排斥，从而避免高性能短纤维之间发生团聚，使得高性能短纤维在橡胶基体中分散得更均匀。
本发明的实施例还提供一种改性橡胶，该改性橡胶利用如上所述的制备方法制得。
图1为本发明实施例中防弹防刺穿轮胎的截面结构示意图。请参考图1，本发明提供一种防弹防刺穿轮胎10，包括从外至内依次设置的胎面11、带束层12、缓冲层13、帘布层14和气密层15。该防弹防刺穿轮胎10的缓冲层13采用如上所述的改性橡胶，该防弹防刺穿轮胎10的胎面11、带束层12和气密层15中至少有一个采用如上所述的改性橡胶。本实施例中，缓冲层13和帘布层14延伸至该防弹防刺穿轮胎10的整个胎侧，因为防弹防刺穿轮胎10的侧面较薄弱，易被子弹及刺入物刺穿，将缓冲层13和帘布层14延伸至防弹防刺穿轮胎10的整个胎侧有利于防止其侧面被刺穿。
缓冲层13是介于带束层12和帘布层14之间的橡胶层。其主要作用是吸收从胎面11方向传来的冲击力，减少帘布层14的损伤并承受防弹防刺穿轮胎10在行驶时或突然停止时由于惯性作用而产生的剪切应力。本实施例采用改性橡胶作为防弹防刺穿轮胎10的缓冲层14，能有效吸收刺入物的部分能量，减少刺入物对防弹防刺穿轮胎10的帘布层14及内壁的损伤。
在其他实施例中，缓冲层13也可以由发泡材料制得，发泡材料选自聚氨酯发泡材料、聚苯乙烯发泡材料、聚丙烯发泡材料或乙烯-醋酸乙烯共聚物发泡材料中的一种或多种。
进一步地，该防弹防刺穿轮胎10的帘布层14由高性能长纤维加捻后制成的高性能纤维束编织而成。该高性能长纤维选自芳纶纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、聚[2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑纤维、改性芳纶纤维、改性聚对苯撑苯并二噁唑纤维和改性聚[2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑纤维中的一种或多种。帘布层14因采用高模量、高强度的高性能纤维束编织形成，进一步阻止刺入物继续刺入轮胎，从而避免防弹防刺穿轮胎10被刺穿。
图2为本发明实施例中帘布层的结构示意图。请结合图2，该防弹防刺穿轮胎10的帘布层14包括多条相互间隔且平行设置的经线141和多条相互间隔且平行设置的纬线142，多条经线141和多条纬线142交叉设置，每两条相邻的经线141与每两条相邻的纬线142围合形成平行四边形，帘布层14的平行四边形结构使得其具有良好的变形性。本实施例中，经线141与纬线142的织造角度优选为30°～60°。
经线141和纬线142均为加捻后的高性能纤维束。加捻是一个把原料丝或者原料纤维绕成线的过程，一根线由若干根丝组成，该若干根丝要相互缠绕才能使线更加结实精致，打线绕的越紧也就是捻度越高，织出来的布就相对紧致，垂感好、牢度好。不加捻的话就是没有打线，丝和丝或者纤维与纤维之间没有缠绕在一起，布面松弛，垂感差、牢度差。本实施例中，每根经线141和每根纬线142均为由多根高性能长纤维加捻形成的高性能纤维束，该高性能长纤维具有高强度和高模量，因此，该由多根经线141和多根纬线142编织而成的帘布层14具有极高的强度和模量。
进一步地，相邻经线141或相邻纬线142的之间的行间距决定了高性能纤维束编织形成的帘布层14的编织密度。行间距过大，则编织密度过小，帘布层14的强度有限，不能有效阻止刺入物刺入，防弹防刺穿效果不佳；行间距过小，则编织密度过大，一方面会增高成本，另一方面帘布层14的变形程度太低，行驶舒适性和安全性不佳。因此本实施例中，相邻两条经线141之间的间距优选为0.3～1mm，相邻两条纬线142之间的间距优选为0.3～1mm。
请结合图2，帘布层14的经线141和纬线142均为加捻的高性能纤维束，其编织形成的平行四边形的结构会使帘布层14具有高强度、高模量；而经线141和纬线142编织形成的平行四边形具有优良的变形能力，既能满足轮胎变形、舒适和安全的要求，又能满足高模量、高强度的要求。
本发明实施例提供的改性橡胶的制备方法、改性橡胶和防弹防刺穿轮胎，该改性橡胶中加入了高性能短纤维，该防弹防刺穿轮胎10的缓冲层13采用上述的改性橡胶，该防弹防刺穿轮胎10的胎面11、带束层12和气密层15中的至少一层使用该改性橡胶，且该防弹防刺穿轮胎10的帘布层14采用加捻的高性能长纤维编织而成，使得该该防弹防刺穿轮胎10不仅具有防弹防刺穿功能，而且重量轻便、行驶平稳。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种防弹防刺穿轮胎(10)，包括从外至内依次设置的胎面(11)、带束层(12)、缓冲层(13)、帘布层(14)和气密层(15)，其特征在于，所述缓冲层(13)的材质采用改性橡胶，所述缓冲层(13)和所述帘布层(14)延伸至所述防弹防刺穿轮胎(10)的整个胎侧，所述改性橡胶由以下方法制作而成：
高性能短纤维在紫外光下照射后，加入乙醇中，通过搅拌制得均匀分散的纤维悬浮液；
向制得的所述纤维悬浮液中加入偶联剂，调节PH值为8~9，常温下反应2~4小时，再加入十二烷基苯磺酸钠，继续反应1~2小时后得到反应液，减压抽滤，除去所述反应液中的液体，得到改性纤维浆液，所述偶联剂选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷 、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种；
将所述改性纤维浆液加入炭黑、无机填料中混合均匀制成改性纤维浆液混合物；
将塑炼过的极性或者非极性橡胶加入密炼机中加压密炼1~2min制得橡胶基体，向所述橡胶基体中加入所述改性纤维浆液混合物，继续加压密炼1~2min后得到密炼好的胶料；
将密炼好的所述胶料置于开炼机上压片得到所述改性橡胶。
2.如权利要求1所述的防弹防刺穿轮胎(10)，其特征在于，所述胎面(11)、所述带束层(12)和所述气密层(15)中至少有一个也采用所述改性橡胶。
3.如权利要求1所述的防弹防刺穿轮胎(10)，其特征在于，所述帘布层(14)由高性能长纤维加捻后形成的高性能纤维束编织而成。
4.如权利要求3所述的防弹防刺穿轮胎(10)，其特征在于，所述高性能长纤维为芳纶纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、聚[2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑纤维、改性芳纶纤维、改性聚对苯撑苯并二噁唑纤维或改性聚[2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑纤维中的一种或多种。
5.如权利要求3所述的防弹防刺穿轮胎(10)，其特征在于，所述帘布层(14)包括多条相互间隔且平行设置的经线(141)和多条相互间隔且平行设置的纬线(142)，所述多条经线(141)和所述多条纬线(142)交叉设置，每两条相邻的经线(141)与每两条相邻的纬线(142)围合形成平行四边形。
6.如权利要求5所述的防弹防刺穿轮胎(10)，其特征在于，每条所述经线(141)和每条所述纬线(142)均为经高性能长纤维加捻后形成的高性能纤维束，所述经线(141)与所述纬线(142)的织造角度为30°~60°，所述高性能纤维束的细度为50~300D。
7.如权利要求5所述的防弹防刺穿轮胎(10)，其特征在于，每两条相邻的所述经线(141)之间的间距为0.3~1mm，每两条相邻的所述纬线(142)之间的间距为0.3~1mm。
8.如权利要求1所述的防弹防刺穿轮胎(10)，其特征在于，在制作所述改性橡胶时，用于照射所述高性能短纤维的紫外光的强度为300W~450W，照射持续时间为25~40s。
9.如权利要求1所述的防弹防刺穿轮胎(10)，其特征在于，在制作所述改性橡胶时，所述搅拌的速度为1200~1500r/min。
10.如权利要求1所述的防弹防刺穿轮胎(10)，其特征在于，在制作所述改性橡胶时，所述改性纤维浆液、所述炭黑和所述无机填料的质量比为1：(0.6~0.8)：(1~1.2)。
11.如权利要求1所述的防弹防刺穿轮胎(10)，其特征在于，在制作所述改性橡胶时，所述无机填料为蒙脱土、凹凸棒土、高岭土或碳酸钙中的一种或多种。
12.如权利要求1所述的防弹防刺穿轮胎(10)，其特征在于，在制作所述改性橡胶时，所述极性或者非极性橡胶选自以下组合中的一种或多种：天然橡胶、合成的聚异戊二烯、丁二烯橡胶、丁苯橡胶、溶液聚合的苯乙烯-丁二烯橡胶、乳液聚合的苯乙烯-丁二烯橡胶、丁腈橡胶、液体橡胶、卤化丁基橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、异戊二烯-异丁烯共聚物、三元乙丙橡胶、氯丁二烯橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶、硅橡胶、聚硫橡胶、表氯醇橡胶、苯乙烯-异戊二烯-丁二烯三聚物、氢化的丙烯腈-丁二烯橡胶、异戊二烯-丁二烯共聚物和氢化的苯乙烯-丁二烯橡胶。
13.如权利要求1所述的防弹防刺穿轮胎(10)，其特征在于，在制作所述改性橡胶时，所述高性能短纤维由以下组合中的一种或多种切断或拉断而成：芳纶纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、聚[2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑纤维、改性芳纶纤维、改性聚对苯撑苯并二噁唑纤维和改性聚[2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑纤维。
14.如权利要求1所述的防弹防刺穿轮胎(10)，其特征在于，在制作所述改性橡胶时，所述高性能短纤维的长度为35~150mm。
15.如权利要求1所述的防弹防刺穿轮胎(10)，其特征在于，在制作所述改性橡胶时，所述改性橡胶的厚度为0.8~1.2mm。
16.如权利要求1所述的防弹防刺穿轮胎(10)，其特征在于，在制作所述改性橡胶时，所述改性纤维浆液混合物与所述极性或者非极性橡胶的质量比为0.2:1~0.25:1。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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