CN116728860B - 一种应用于轮胎的全氮气硫化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及轮胎硫化技术领域，具体涉及一种应用于轮胎的全氮气硫化方法及系统，包括以下步骤：胎坯使用0.04‑0.1Mpa低压氮气定型，得到定型胎坯；对所述的定型胎坯同步进行内温硫化和外温硫化，所述内温硫化为内温氮气传热硫化，首先通入缓冲氮气，然后通入高压氮气，并在加热氮气后，在一定时间内保持氮气温度处于设定温度范围，在达到最优硫化时间CT后停止；所述外温硫化为同步在热板和壳体区域通电加热，热量通过模具传递到胎坯。本发明可以降低上下模温差，提高轮胎硫化程度的均匀性；设备热工管路简单且投资成本低；相比蒸汽/氮气硫化工艺，单胎能耗成本可以降低40%；轮胎外观缺陷降低，成品高速耐久性能提升。
Description
技术领域
本发明涉及轮胎硫化技术领域，具体涉及一种应用于轮胎的全氮气硫化方法及系统。
背景技术
构建基于低碳经济的轮胎产业，可以减少能源消耗、降低轮胎生产成本，低碳技术开发与创新也必将提升轮胎企业的竞争力，各大轮胎企业都在努力提升技术以保持最低的生产成本。
硫化工序传统企业使用过热水或蒸汽硫化工艺，由于成本较高，许多轮胎企业将轮胎的硫化介质改为蒸汽/氮气。目前已有越来越多的轮胎企业掌握此项硫化技术，几乎所有新建PCR（Passenger Car Radial 乘用车子午线轮胎，简称PCR）生产线都采用蒸汽/氮气同时作为硫化介质。
由于蒸汽/氮气硫化工艺外温和内温使用不同压力的饱和蒸汽，随着硫化反应历程的进行，饱和蒸汽在热板、胶囊内部形成冷凝水，此部分冷凝水会造成热板或胶囊内部温度不均一性，且排放的冷凝水含有热量较高，对轮胎行业可回收利用价值低。PCR轮胎一般要求硫化结束时介质温度大于150℃，此部分混合气体中含有的热量对轮胎生产可利用价值也较低，造成能源浪费。
为降低冷凝水对硫化程度的影响，硫化机在热工管路和控制系统中增加了复杂的排凝单元，在硫化工艺中也需要增加对应排凝程序，造成设备管路、控制系统复杂，设备造价、维护成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于轮胎的全氮气硫化方法及系统，解决上述技术问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种应用于轮胎的全氮气硫化方法，包括以下步骤：
胎坯使用0.04-0.1Mpa低压氮气定型，得到定型胎坯；
对所述的定型胎坯同步进行内温硫化和外温硫化，所述内温硫化为内温氮气传热硫化，首先通入缓冲氮气，然后通入高压氮气，并在加热氮气后，在一定时间内保持氮气温度处于设定温度范围内，在达到最优硫化时间CT后停止加热；
所述外温硫化为同步在热板和壳体区域通电加热，热量通过模具传递到胎坯，热板和壳体温度通过PLC程序分别调节。
作为本发明进一步的方案：所述的缓冲氮气的压力为0.8-1.2MPa，所述的高压氮气的压力为2.2-2.8MPa。
作为本发明进一步的方案：获取所述的最优硫化时间CT的具体步骤包括：
选取生胎坯，在确定好的子口、胎肩、胎冠、模具表面和胶囊表面预埋测温导线，使用测温仪对导线测温数据进行记录，记录间隔为10s；轮胎出模后，常温条件下自然冷却，待轮胎内温度降至110℃以下停止温度记录；
计算胶料的活化能E；选取测温点对应部位胶种混炼胶，用硫化仪分别测得141℃、151℃、161℃、171℃四个温度下的硫化曲线，记录t90和r95特性时间，得出各个胶料硫化平坦期范围，使用最小二乘法计算活化能E，并通过线性拟合确定拟合系数R2，公式如下：
；
其中，E表示活化能，单位为KJ·mol-1；R表示气体常数，数值为8.3144J/（K·mol）；变量X=T-1，单位为K；变量Y=Ln（t90），单位为min；
对测温数据积分处理，从而得到151℃下的等效硫化时间Tg，使用计算得到的Tg对比t90计算硫化度CD，绘制主要部位硫化度CD曲线，确定最慢测温导线硫化度CD达到1的时间，得到CT，公式如下：
；
其中，t表示硫化测温时间，单位为min；T表示测温仪采样温度，单位为K；T0表示硫化基准温度，单位为K；x表示时间变量。
作为本发明进一步的方案：在确定最优硫化时间CT后，使用发泡法验证硫化程度，最优硫化时间CT减去预设的安全时间Δt，硫化得到成品轮胎。
作为本发明进一步的方案：在所述的内温硫化过程中，所述的设定温度范围为190-215℃，并且在硫化结束时内温大于150℃。
作为本发明进一步的方案：在所述的外温硫化的过程中，所述的外温保持在170-180℃范围内。
一种应用于轮胎的全氮气硫化系统，包括：
胎坯定型模块：胎坯使用0.04-0.1Mpa低压氮气定型，得到定型胎坯；
硫化模块：对所述的定型胎坯同步进行内温硫化和外温硫化，所述内温硫化为内温氮气传热硫化，首先通入缓冲氮气，然后通入高压氮气，并在加热氮气后，在一定时间内保持氮气温度处于设定温度范围190-215℃内，在达到最优硫化时间CT后停止，硫化结束时内温大于150℃；
所述外温硫化为同步在热板和壳体区域通电加热，热量通过模具传递到胎坯，热板和壳体温度通过PLC程序分别调节，硫化过程中外温保持170-180℃。
本发明的有益效果：可以降低上下模温差，提高轮胎硫化程度的均匀性；设备热工管路简单且投资成本低；相比蒸汽/氮气硫化工艺，单胎能耗成本可以降低40%；轮胎外观缺陷降低，成品高速耐久性能提升。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明中硫化机热工管路示意图；
图2是本发明实施例中规格205/55R16测温埋线示意图；
图3是本发明实施例规格205/55R16主要位置硫化程度变化图；
图4是本发明中轮胎硫化工艺曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明使用B型胶囊作为硫化内模，使用活络模具为轮胎外模，相比蒸汽/氮气硫化工艺，主要区别为加热方式改变。外温使用电壳体、电热板，内温使用电加热氮气，无冷凝水产生、温度分布均匀，降低了上下模温差。由于同等条件蒸汽的热焓H（KJ·M-3）远大于氮气，硫化结束排放气体的热能较低，能源利用率明显提升，热工管路示意图见图1。
实施例规格为205/55R16的轮胎，实施例步骤为：
1.胎胚使用0.04-0.1Mpa低压氮气定型，得到定型胎坯。
2.对所述定型胎坯同步进行内温硫化和外温硫化。
所述内温硫化为内温氮气传热硫化，首先通入缓冲氮气，然后通入高压氮气，并加热氮气在一定时间内保持设定温度190-215℃，达到最优硫化时间CT后停止，硫化结束时内温大于150℃；
所述外温加热硫化为同步在热板、壳体区域通电加热，热量通过模具传递到胎胚，热板、壳体温度通过PLC程序分别调节，硫化过程外温保持170-180℃。
3.所述缓冲氮气压力为0.8-1.2MPa，所述高压氮气的压力为2.2-2.8MPa。
4.在氮气保压过程中对设备氮气泄露检查，避免不必要的氮气浪费，最后氮气回收、抽真空至硫化结束。
上述CT通过胎胚埋线测温和发泡法确定。具体步骤为：
①选取生胎胚，在确定好的子口、胎肩、胎冠、模具表面和胶囊表面预埋测温导线，具体位置见图2，在所述的图2中包括：
上模肩部胎冠胶内部1、下模肩部胎冠胶内部2、上模二号带束层端点3、下模二号带束层端点4、上模胎肩对应内表面5、下模胎肩对应内表面6、上模胎圈对应内表面7、下模胎圈对应内表面8、上模气密层9、下模气密层10、上模子口耐磨胶11、下模子口耐磨胶12、上模胎侧胶13、下模胎侧胶14、上模三角胶芯15、下模三角胶芯16、模具中心-胎冠胶17、胶囊表面-气密层18；
使用测温仪对导线测温数据记录，记录间隔为10s。轮胎出模后，常温条件下自然冷却，待轮胎内温度降至110℃以下停止温度记录；
②计算胶料的活化能E。选取测温点对应部位胶种混炼胶，用硫化仪分别测得141℃、151℃、161℃、171℃四个温度下的硫化曲线，记录t90和r95特性时间，得出各个胶料硫化平坦期范围，使用最小二乘法计算活化能E，并通过EXCEL线性拟合确定拟合系数R2，公式如下：
；
E－活化能，KJ·mol-1;
R－气体常数，8.3144J/（K·mol）；
变量X=（T-1），K;
变量Y=Ln（t90），分；
其中，t90表示硫化仪转矩由最低值升高90单位所需时间，r95表示硫化仪转矩由最低值二次达到95单位所需时间；
③使用阿伦尼乌斯方程对测温数据积分处理，从而得到151℃下的等效硫化时间Tg，使用计算得到的Tg对比t90计算硫化度CD，通过EXCEL绘制主要部位CD曲线，具体见图3，确定最慢测温导线CD达到1的时间，并增加开模辅助程序时间，得到CT，公式如下：
；
t－硫化测温时间，min;
T-测温仪采样温度，K;
T0-硫化基准温度，K;
E－活化能KJ·mol-1;
R－气体常数，8.3144J/（K·mol）；
x-时间变量，10s；
④在确定CT后，使用发泡法验证硫化程度，CT缩减安全时间Δt硫化得到成品轮胎，切割轮胎主要部位无气泡产生即可，最优硫化时间CT是两部分相加：正硫化时间和安全时间Δt；轮胎在达到正硫化时间时，轮胎主要部位切割无气泡产生；
205/55R16规格测的硫化时间相比蒸汽/氮气硫化工艺缩短，硫化效率提升5%。
硫化过程中内压氮气压力、内温测温点温度、硫化外温随时间推移在平板电脑形成曲线图，具体见图4。
从内压氮气压力图可以看出，在胶料焦烧段由于缓冲氮气的使用，可以容许胎胚胶料的充分流动，保证了胶料与轮胎模具的充分结合，减少了缺胶类缺陷的产生；随即使用的2.2-2.8MPa高压氮气保压，提升了胶料致密性，轮胎性能提高。性能测试，检测标准按照GB/T4502-2016执行，采用本发明硫化工艺生产轮胎的高速性能有提高。205/55R16规格高速性能相比蒸汽/氮气硫化工艺提升7%。
设备安装电能表对使用能耗统计，相比蒸汽/氮气硫化工艺，205/55R16规格使用发明工艺生产能耗成本降低40%左右，经济效益显著。
综上所述，本发明提供的全充氮气硫化方法节约了能源使用，降低了上下模温差，提高轮胎硫化程度的均匀性，设备热工管路简单可靠且投资小，硫化生产效率提升。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (6)
1.一种应用于轮胎的全氮气硫化方法，其特征在于，包括以下步骤：
胎坯使用0.04-0.1Mpa低压氮气定型，得到定型胎坯；
对所述的定型胎坯同步进行内温硫化和外温硫化，所述内温硫化为内温氮气传热硫化，首先通入缓冲氮气，然后通入高压氮气，并在加热氮气后，在一定时间内保持氮气温度处于设定温度范围内，在达到最优硫化时间CT后停止加热；
所述外温硫化为同步在热板和壳体区域通电加热，热量通过模具传递到胎坯，热板和壳体温度通过PLC程序分别调节；
获取所述的最优硫化时间CT的具体步骤包括：
选取生胎坯，在确定好的子口、胎肩、胎冠、模具表面和胶囊表面预埋测温导线，使用测温仪对导线测温数据进行记录，记录间隔为10s；轮胎出模后，常温条件下自然冷却，待轮胎内温度降至110℃以下停止温度记录；
计算胶料的活化能E；选取测温点对应部位胶种混炼胶，用硫化仪分别测得141℃、151℃、161℃、171℃四个温度下的硫化曲线，记录t90和r95特性时间，得出各个胶料硫化平坦期范围，使用最小二乘法计算活化能E，并通过线性拟合确定拟合系数R2，公式如下：
；
其中，E表示活化能，单位为KJ·mol-1；R表示气体常数，数值为8.3144J/（K·mol）；变量X=T-1，单位为K；变量Y=Ln（t90），单位为min，t90表示硫化仪转矩由最低值升高90单位所需时间，r95表示硫化仪转矩由最低值二次达到95单位所需时间；
对测温数据积分处理，从而得到151℃下的等效硫化时间Tg，使用计算得到的Tg对比t90计算硫化度CD，绘制主要部位硫化度CD曲线，确定最慢测温导线硫化度CD达到1的时间，得到CT，公式如下：
；
其中，t表示硫化测温时间，单位为min；T表示测温仪采样温度，单位为K；T0表示硫化基准温度，单位为K；x表示时间变量。
2.根据权利要求1所述的一种应用于轮胎的全氮气硫化方法，其特征在于，所述的缓冲氮气的压力为0.8-1.2MPa，所述的高压氮气的压力为2.2-2.8MPa。
3.根据权利要求1所述的一种应用于轮胎的全氮气硫化方法，其特征在于，在确定最优硫化时间CT后，使用发泡法验证硫化程度，最优硫化时间CT减去预设的安全时间Δt，硫化得到成品轮胎。
4.根据权利要求1所述的一种应用于轮胎的全氮气硫化方法，其特征在于，在所述的内温硫化过程中，所述的设定温度范围为190-215℃，并且在硫化结束时内温大于150℃。
5.根据权利要求1所述的一种应用于轮胎的全氮气硫化方法，其特征在于，在所述的外温硫化的过程中，所述的外温保持在170-180℃范围内。
6.一种应用于轮胎的全氮气硫化系统，其特征在于，包括：
胎坯定型模块：胎坯使用0.04-0.1Mpa低压氮气定型，得到定型胎坯；
硫化模块：对所述的定型胎坯同步进行内温硫化和外温硫化，所述内温硫化为内温氮气传热硫化，首先通入缓冲氮气，然后通入高压氮气，并在加热氮气后，在一定时间内保持氮气温度处于设定温度范围190-215℃内，在达到最优硫化时间CT后停止，硫化结束时内温大于150℃；
所述外温硫化为同步在热板和壳体区域通电加热，热量通过模具传递到胎坯，热板和壳体温度通过PLC程序分别调节，硫化过程中外温保持170-180℃；
获取所述的最优硫化时间CT的具体步骤包括：
选取生胎坯，在确定好的子口、胎肩、胎冠、模具表面和胶囊表面预埋测温导线，使用测温仪对导线测温数据进行记录，记录间隔为10s；轮胎出模后，常温条件下自然冷却，待轮胎内温度降至110℃以下停止温度记录；
计算胶料的活化能E；选取测温点对应部位胶种混炼胶，用硫化仪分别测得141℃、151℃、161℃、171℃四个温度下的硫化曲线，记录t90和r95特性时间，得出各个胶料硫化平坦期范围，使用最小二乘法计算活化能E，并通过线性拟合确定拟合系数R2，公式如下：
；
其中，E表示活化能，单位为KJ·mol-1；R表示气体常数，数值为8.3144J/（K·mol）；变量X=T-1，单位为K；变量Y=Ln（t90），单位为min，t90表示硫化仪转矩由最低值升高90单位所需时间，r95表示硫化仪转矩由最低值二次达到95单位所需时间；
对测温数据积分处理，从而得到151℃下的等效硫化时间Tg，使用计算得到的Tg对比t90计算硫化度CD，绘制主要部位硫化度CD曲线，确定最慢测温导线硫化度CD达到1的时间，得到CT，公式如下：
；
其中，t表示硫化测温时间，单位为min；T表示测温仪采样温度，单位为K；T0表示硫化基准温度，单位为K；x表示时间变量。
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2023
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| Title |
|---|
| 俞淇等.《子午线轮胎结构设计与制造技术》.北京：化学工业出版社,2006,第379-384页. * |
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