CN111500051A - 一种tpu微孔发泡颗粒、制备方法及轮胎 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种TPU微孔发泡颗粒,及工艺，以及使用该发泡颗粒制备的轮胎,本技术方案中改进了颗粒的材料成分及配比，以改性后氢氧化铝按比例与TPU材料混合制备成TPU微孔发泡颗粒并对应改进工艺，以及改进轮胎的结构，制备的实心轮胎具有高回弹、密度小、增强耐热、导热及传热性能的优点。

Description

一种TPU微孔发泡颗粒、制备方法及轮胎
技术领域
本发明涉及轮胎领域，尤其涉及一种TPU微孔发泡颗粒、制备方法及轮胎。
背景技术
随着社会的发展，世界各国轮胎的结构都向无内胎、子午线结构、扁平(轮胎断面高与宽的比值小)和轻量化的方向发展。由此人们提出了“实心轮胎”这一概念，同时也投入了对其的研究。目前，实心轮胎作为与传统充气轮胎相对应的一款不需要充气的轮胎，具有使用寿命长、故障率低等优点，致使其也占领了当前部分市场，如适应于低速、高负载苛刻使用条件下运行车辆及防暴车、运钞车、反恐车、工程车辆、林业机械等特殊车辆领域。
而用于低速行驶的车辆或高负荷机械上的实心轮胎所采用的材料主要为橡胶材料和聚氨酯材料。橡胶材料制备的实心轮胎，具有高耐磨性、结构简单、耐久性好、防爆等优点。聚氨酯材料制备的实心轮胎具有耐油性好、滚动阻力低、防爆等优点。但是两者都存在整体重量过重、对路面适应能力差、防震能力较弱、内部生热过高易导致爆胎等不足。与此同时，实心轮胎还会产生明显的驻波现象。当轮胎复原形状的速度赶不上转速时就会产生驻波现象。这会导致轮胎内部受到严重摩擦，温度急速上升，而高温和形变会让轮胎内部结构层和橡胶层发生脱离，最终导致轮胎损坏,并且实心轮胎比普通充气轮胎更容易产生驻波现象。
TPU微孔发泡材料作为近几年新型的材料，由于其轻的密度(0.15～0.25g/cm3)、高的回弹(≥60％)、低温性能好(-20℃具有好的柔软性)、耐折性好(常温下可达20万次)、环保等优异性能而受到人们的关注，也促使人们将其用于实心轮胎这一方面。制作TPU微孔发泡实心轮胎主要采用的是多种材料相结合、注入模具成型或模压成型等工艺。成型的实心轮胎不仅具有轻的质量、耐扎等优点，其次还拥有缓冲减震的作用。但是由于TPU微孔发泡材料在高温下无法长时间使用，且传热及导热性差，在车辆运转一段时间会导致内部温度过高，且热量集聚在一起，无法散开，从而使轮胎发生爆胎破损的现象，影响使用的寿命。
所以需要对现有的TPU微孔发泡材料作改性处理以及改进实心轮胎的结构。
发明内容
针对上述问题，本申请文件第一方面提供一种TPU微孔发泡颗粒，技术方案是：
一种TPU微孔发泡颗粒，包括TPU与改性氢氧化铝，改性氢氧化铝与TPU的质量比:12％-18％，其中采用硅烷偶联剂对纳米氢氧化铝进行表面改性形成改性氢氧化铝。
本技术方案中改进了颗粒的材料成分及配比，以改性后氢氧化铝按比例与TPU材料混合制备成的TPU微孔发泡颗粒具有高回弹、密度小、耐热性能增强的优点，适合制备实心轮胎。
更佳地，改性氢氧化铝与TPU的质量比:15％，在该比例下，微孔发泡颗粒具有更好的耐热性能。
具体改性过程如下：将硅烷偶联剂加入醇溶液中，搅拌均匀，之后将氢氧化铝粉末与上述制得的偶联剂溶液混合，搅拌直到混合均匀为止，放置10-14h。将得到的氢氧化铝匀浆，平摊到玻璃板上，在烘箱中在110-130℃条件下放置3-5h。反复几次，蒸掉多余溶剂，然后研磨至粉末形成改性氢氧化铝粉末，其中氢氧化铝与硅烷偶联剂的质量比10：1-15:1。
本申请文件的第二方面提供上述TPU微孔发泡颗粒的制备工艺，技术方案为：将TPU与改性氢氧化铝按上述质量比混合造粒，采用超临界二氧化碳作为发泡剂，通过间歇式泄压升温法，使颗粒体积膨胀5-10倍制成TPU微孔发泡颗粒。
在一实施例中，以反应釜为例，制备工艺的具体步骤如下：
1)将TPU材料造成的颗粒置于反应釜中，充入二氧化碳直至釜内压强达到7.38mpa-9.0mpa，温度32-35℃，渗透时间2-3h；
2)泄压升温，升温至95℃-115℃。
改进工艺及工艺参数，以上述工艺制备微孔发泡颗粒，整个过程环保无污染，整套工艺耗时短且能进一步增强微孔发泡颗粒的各项性能。
在进一步的优化中，步骤1)中将TPU材料造成的颗粒置于反应釜中，充入二氧化碳直至釜内压强达到7.38MPa以上，温度33℃，渗透时间2-3h。
在进一步的优化中，步骤2)中升温至100℃-110℃。
其中步骤2)中反应釜泄压：15-25s内泄至0mpa，升温：20-30min内升至95-115℃。
本申请文件第三方面提供一种轮胎，由上述TPU微孔发泡颗粒制备成型。
以模压为例，具体如下：将TPU微孔发泡颗粒蒸汽模压成型，压力：0.1MPa-0.4MPa，模具的模缝12mm-25mm，蒸汽穿透时间：60s-180s，水冷定型时间：100s-200s。
为进一步提高轮胎的散热性能，本公司经过大量实验提出如下方案：在轮胎的侧面设多个深孔，深孔开口深度优选为实心轮胎旁侧宽度的1/4-2/5，孔径为实心轮胎半径差值的1/6-1/4，更佳地，深孔开口深度优选为实心轮胎旁侧宽度的1/3，孔径为实心轮胎半径差值的1/5，如实心轮胎内径152mm，外径252mm，选择在轮胎两侧面各打20mm深，底部直径10mm，斜度5°的锥形台体状的深孔，以深孔将实心轮胎内的转动产生的热量导出。
为进一步提高散热性能，轮胎的胎面和/或侧面开圆周型槽口，如在轮胎胎面上并列开2条圆周型槽口，在两侧面各开一条圆周型槽口，优选地，以轮胎侧面的圆周型槽口将轮胎侧面的多个深孔连接起来，提高散热性能。
更佳地，还包括导向槽，位于相邻圆周型槽口之间，如顶部和侧面设导向槽，导向槽为V型，以胎面上导向槽连通轮胎胎面上并列的两条圆周型槽口，并以侧面上的导向槽连通胎面及其相邻侧面上的圆周型槽口，在此结构下，进一步有利于气流循环，提高散热性能。
在一实施例中，优选以侧面的圆周型槽口将多个深孔连接起来，更佳地，并以顶部及侧面的导向槽将圆周型槽口和深孔连接起来，当轮胎运转时会达到一种气流循环的状态，将热量带出从橡胶外壳侧面散出，达到降温的目的，本实心轮胎上圆周型槽口及导向槽的结构所起到的作用不同于市面上常见轮胎上花纹的作用。
优选地，轮胎侧面的多个深孔环绕轮胎中心点分布，如以中心点画圆，在圆周线上均布深孔。
同时为了保护实心轮胎，避免其受到损坏，本实施例中，轮胎上包覆有外保护层，如采用橡胶合成物或聚氨酯弹性体制备外保护层，保护实心TPU轮胎，使其不易受到损坏。
更佳地，橡胶制备的外保护层侧面开孔，提高散热性能。
附图说明
图1：实心轮胎横截面结构图。
图2：实心轮胎立体结构图；
图3：实心轮胎侧视结构图；
图4：实心轮胎正视结构图；
图5：包覆有外保护层的轮胎横截面结构图；
图6：外保护层结构图；
图中：1、实心轮胎；2、深孔；3、槽口；4、导向槽。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。
一、制备TPU微孔发泡颗粒
首先制备改性氢氧化铝，原料：氢氧化铝，硅烷偶联剂(KH550)，均为分析纯级别，质量比，本实施例中采用10:1，具体改性过程如下：将硅烷偶联剂加入醇溶液中，用磁力搅拌器搅拌1.5h，静置一段时间，在将氢氧化铝粉末与上述制得的偶联剂溶液混合，手动搅拌，直到混合均匀为止，放置12h。将得到的氢氧化铝匀浆，平摊到玻璃板上，在烘箱中在120℃条件下放置4h。反复几次，蒸掉多余溶剂，然后研磨至粉末制备出改性氢氧化铝。
实施例1
以高压反应釜制备TPU微孔发泡颗粒，具体步骤如下：
1)将改性氢氧化铝与TPU按质量比12％混合均匀，使用双螺杆挤出机挤出，温度：160℃-180℃，进而通过水下切粒制备出粒径在2mm-4mm间的椭圆或圆形颗粒。
2)TPU材料造成的颗粒置于高压反应釜中，充入二氧化碳直至釜内压强达到7.38MPa以上，如7.58MPa，温度33℃，渗透时间2h。
3)泄压升温,反应釜泄压：18s内泄至0mpa，升温：20min内升至95-100℃，TPU颗粒体积膨胀5-10倍，形成TPU微孔颗粒。
实施例2
与实施例1相比，步骤1)中，改性氢氧化铝与TPU按质量比18％混合均匀.
步骤2)中，充入二氧化碳直至釜内压强达到8.0MPa，温度32℃，渗透时间2.5h。
步骤3)中，泄压后升温,反应釜泄压：20s内泄至0mpa，升温：30min内升至100-110℃，TPU颗粒体积膨胀5-10倍，形成TPU微孔颗粒。
实施例3
与实施例1相比，步骤1)中，改性氢氧化铝与TPU按质量比15％混合均匀。
步骤2)中，充入二氧化碳直至釜内压强达到9.0MPa，温度35℃，渗透时间3h。
步骤3)中，泄压后升温,反应釜泄压：24s内泄至0mpa，升温：30min内升至110-115℃，TPU颗粒体积膨胀5-10倍，形成TPU微孔颗粒。
二、制备轮胎
以蒸汽模压成型机制备为例，具体步骤如下：
实施例4
将上述实施例1-实施例3制备的TPU微孔发泡颗粒吸入蒸汽模压成型机中预先设计好的模具内，制备实心轮胎，其中蒸汽压力0.2MPa，模具的模缝12mm，蒸汽穿透时间：60s，水冷定型时间：100s，之后以橡胶包覆层包覆实心轮胎。
实施例5
将上述实施例1-实施例3制备的TPU微孔发泡颗粒吸入蒸汽模压成型机中预先设计好的模具内，制备实心轮胎，其中蒸汽压力0.32MPa，模具的模缝25mm，蒸汽穿透时间：180s，水冷定型时间：200s，之后以橡胶包覆层包覆实心轮胎。
实施例6
将上述实施例1-实施例3制备的TPU微孔发泡颗粒吸入蒸汽模压成型机中预先设计好的模具内，制备实心轮胎，其中蒸汽压力0.26MPa，模具的模缝20mm，蒸汽穿透时间：100s，水冷定型时间：150s，之后以橡胶包覆层包覆实心轮胎。
三、轮胎结构
上述实施例4-实施例6制备的实心轮胎如图1-图4所示，本实施例中实心轮胎内径152mm，外径252mm，在该轮胎的侧面环绕中心点开多个深孔，深孔均布在以中心点为圆心所画的虚拟圆的圆周线上，深孔的规格如下：选择在轮胎两侧面各打20mm深，底部直径10mm，斜度5°的锥形台体状的深孔，每个侧面12个深孔，以深孔将实心轮胎内的转动产生的热量导出。
参考图1-图4，本实施例中并在轮胎的胎面并列开2条圆周型槽口，两侧面各开1条圆周型槽口，当然也可根据需求在顶部开更少或更多的圆周型槽口，或在侧面开更多的圆周型槽口。
以侧面的圆周型槽口将深孔连接起来，并以在实心轮胎顶部及侧面开导向槽，顶部的导向槽在顶部并列的圆周型槽口之间以连通槽口，侧面的导向槽在侧面的圆周型槽口与顶部的圆周型槽口之间以连通槽口，导向槽选用V型，在此结构下，当轮胎运转时会达到一种气流循环的状态，将热量带出从橡胶外壳侧面散出，达到降温的目的。
在进一步的优化中，如图5、图6所示，TPU微孔发泡颗粒制备实心轮胎外包覆橡胶外保护层，橡胶外保护层的侧面开有弧形孔，有助散热。
四、测试
将上述实施例4-实施例6制备的实心轮胎进行称重，胎芯重量：275—305g，大大减轻了轮胎的重量。
同时进行回弹性测试，采用橡胶冲击回弹性试验机仪器进行测试，回弹性：≥65％，性能优异。
并进行柔顺性测试，采用的是低温耐寒试验箱，零下20℃具有好的柔软性，性能优异。
最后进行实用测试，将上述轮胎批量投入使用，长时间高速行驶过程中发现散热效果优异，驻波现象发生率大幅降低，爆胎率大幅降低。
当然，以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种TPU微孔发泡颗粒，其特征在于，包括TPU与改性氢氧化铝，改性氢氧化铝与TPU的质量比:12％-18％，其中采用硅烷偶联剂对纳米氢氧化铝进行表面改性形成改性氢氧化铝。
2.根据权利要求1所述的一种TPU材料，其特征在于，改性氢氧化铝与TPU的质量比:15％。
3.一种TPU微孔发泡颗粒的制备工艺，其特征在于，将TPU与改性氢氧化铝按上述质量比混合造粒，采用超临界二氧化碳作为发泡剂，通过间歇式泄压升温法，使颗粒体积膨胀5-10倍制成TPU微孔发泡颗粒。
4.根据权利要求1所述的一种TPU微孔发泡颗粒的制备工艺，其特征在于，
1)将TPU材料造成的颗粒置于反应釜中，充入二氧化碳直至釜内压强达到7.38mpa-9.0mpa，温度32-35℃，渗透时间2-3h；
2)泄压升温，升温至95℃-115℃。
5.根据权利要求4所述的一种TPU微孔发泡颗粒的制备工艺，其特征在于，1)将TPU材料造成的颗粒置于反应釜中，充入二氧化碳直至釜内压强达到7.38MPa以上，温度33℃，渗透时间2-3h。
6.根据权利要求4所述的一种TPU微孔发泡颗粒的制备工艺，其特征在于，2)中升温至100℃-110℃。
7.一种实心轮胎，其特征在于，由上述任一项权利要求所述的TPU微孔发泡颗粒制备成型实心轮胎。
8.根据权利要求7所述的实心轮胎，其特征在于，轮胎的侧面设多个深孔。
9.根据权利要求7所述的实心轮胎，其特征在于，轮胎的胎面和/或侧面开圆周型槽口。
10.根据权利要求7所述的实心轮胎，其特征在于，还包括导向槽，位于相邻圆周型槽口之间。
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