WO2021036327A1 - 一种聚氨酯充气轮胎及其制造方法 - Google Patents

一种聚氨酯充气轮胎及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种聚氨酯充气轮胎及其制造方法,轮胎包括由外向内依次设置的聚氨酯胎面(1)、聚氨酯带束层(3)、聚氨酯胎侧(4)、聚氨酯胎体(8)、聚氨酯软三角(5)、聚氨酯硬三角(6)、钢丝圈(7)、子口耐磨胶(9)。使用聚氨酯材料替换橡胶材料,使轮胎性能更加卓越,寿命大幅延长。且聚氨酯材料比天然胶材料具有更加全面的性能,比橡胶轮胎结构更简单。

Description

一种聚氨酯充气轮胎及其制造方法 技术领域
本发明涉及轮胎技术领域,具体涉及一种聚氨酯充气轮胎及其制造方法。
背景技术
当前,卡客车轮胎主要为二十世纪五十年代米其林推出的全钢子午线轮胎。如图1所示,全钢子午线轮胎结构包括胎面、基部胶、带束层、胎体、软硬三角、子口耐磨胶、胎侧胶、气密层、过渡层等。使用的材料主要包括天然胶、丁苯胶、顺丁胶、溴化丁基胶等。经过近70年的发展,全钢子午线轮胎在性能、能耗等方面优势明显,目前在全球范围内得到了推广。
轮胎在滚动过程中受力极其复杂,各部位功能不尽相同,仅仅使用一种或两种橡胶材料很难满足需求,因此轮胎结构上演化出了以上多种部位进行相互补充。各个部位功能不同,对材料的要求也不同,例如胎侧需要抗紫外线、耐磨、抗疲劳等性能,气密层对气密性要求较高。
与此同时,以上全钢子午线轮胎配方和结构特点也决定了其制造工艺较为复杂。主要过程分为密炼、挤出、压延、裁断、成型、硫化等。
传统轮胎制造主要有以下特点:
工厂建设方面:
1工序数量多且复杂:几十个工序,质量管控复杂,任何一个工序出现问题,直接影响产品质量。
2占地面积大:一般的轮胎厂车间长宽大约各1公里,该特点严重制约了轮胎厂的发展,只能建在市郊或土地廉价偏远的地区。
3投资额度大:由于车间、设备、工序等较复杂,建设普通轮胎厂的投资一般以10亿人民币为单位,达到20-40亿,且建设周期漫长,一般至少为3-5年。
4人工数量众多:轮胎生产的众多工序决定了需要有足够的技术工人 才可维持生产,普通轮胎厂最少需要500-800名工人才可保证一条生产线的生产。
5污染严重:轮胎制造过程中密炼、压延、硫化工序中粉尘、废气、噪音等污染源常年存在,国家也采取多项措施限制传统轮胎厂的扩张与新建。
6能耗巨大:生产线长,设备多,能耗极大,特别是硫化过程最严重,需要大量使用蒸汽提供热源。
技术方面:由于轮胎某些部件极厚,在成型及硫化时不可避免的出现各类技术缺陷。例如橡胶导热缓慢,胎面过厚使硫化时间较长且里外硫化程度不均匀,造成材料里外特性不同,在行驶过程中极易破损。此类问题是橡胶材料的本身属性造成的,虽然各厂家通过调整配方、调整结构及工艺,整体技术在不断改善,但是无法从根本上解决。另外,橡胶材料在苛刻的矿山工况下耐磨及抗刺扎性能较差,导致工程胎和矿山巨胎寿命极低,仅有几千小时甚至几百小时的使用寿命,造成工程用轮胎成为矿山开采成本的主要耗费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚氨酯充气轮胎及其制造方法,其与传统轮胎相比较,使用聚氨酯材料替换橡胶材料,使轮胎性能更加卓越。同时,聚氨酯材料比天然胶材料具有更加全面的性能,因此比橡胶轮胎结构更简单。以上特点决定了聚氨酯轮胎制造工艺与传统轮胎相比可大幅简化。聚氨酯轮胎适合各种类型的充气式轮胎,包括轿车胎、卡客车胎、工程胎、巨胎、及各类特种轮胎等,特别适合速度较慢、载荷较高的工程胎和巨胎。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
包括由外向内依次设置的聚氨酯胎面、聚氨酯带束层、聚氨酯胎侧、聚氨酯胎体、聚氨酯软三角、聚氨酯硬三角、钢丝圈、子口护胶;其中,聚氨酯胎面为轮胎与地面直接接触的部位;聚氨酯带束层为用于改善轮胎支撑和受力的部位;聚氨酯胎体是轮胎的骨架部件,聚氨酯胎侧用于为聚氨酯胎体提供保护;聚氨酯胎面、聚氨酯带束层、聚氨酯胎侧、聚氨酯胎 体相互之间通过聚氨酯填充胶连接;钢丝圈通过聚氨酯钢丝圈挂胶与聚氨酯胎体粘合,聚氨酯硬三角为钢丝圈提供支撑,聚氨酯软三角是聚氨酯胎侧与聚氨酯硬三角之间的过渡部件;该聚氨酯充气轮胎的子口部位设置有用于与轮辋接触并保护子口部位的子口耐磨胶。
作为优选,所述聚氨酯胎面上设置有不同形状的花纹。
作为优选,所述聚氨酯带束层在聚氨酯胎面与聚氨酯胎体之间用钢丝按不同角度排列。
作为优选,各个部件的邵氏硬度为:
聚氨酯胎面55°-95°、聚氨酯填充胶50°-80°、聚氨酯带束层75°-95°、聚氨酯胎侧50°-80°、聚氨酯胎体75°-95°、聚氨酯软三角50°-70°、聚氨酯硬三角85°-99°、聚氨酯钢丝圈挂胶85°-99°、子口耐磨胶80°-95°。
上述任一项所述的聚氨酯充气轮胎,其制造方法如下:
其一,部件的制造。
聚氨酯胎面:其采用胎面离心式浇注工艺、胎面直浇式浇注工艺、注塑\注射成型工艺、挤出工艺、分块浇注后组合成圆工艺、聚氨酯发泡工艺、3D打印工艺、加工成型工艺、任何搭接方式或直接成圆筒型成型工艺及其结合;
聚氨酯带束层:其采用压延斜裁搭接工艺、带式直浇工艺、挤出成型工艺、磁力吸附工艺、注射\注塑成型工艺、3D打印工艺、任何搭接方式或直接成圆筒型成型工艺及其结合;
聚氨酯胎侧:其采用直接浇注工艺、多层贴合工艺、注塑\注射成型工艺、挤出工艺、聚氨酯发泡工艺、3D打印工艺、加工成型工艺及其结合;
聚氨酯软三角、聚氨酯硬三角、钢丝圈,采用钢丝圈缠绕工艺加工钢丝圈。其中钢丝附胶时,除采用压延的方式,还可采用挂胶工艺、喷胶工艺、刷胶工艺以及浸渍工艺。其中浸渍工艺,在钢丝表面经过处理后通过装有胶水的料槽完成浸渍;另外采用直接浇注、多次浇注制备聚氨酯软三角、聚氨酯硬三角;聚氨酯胎体:其采用胎体直浇成型工艺、筒式胎体成型工艺、梭型钢丝分层浇注工艺、电磁吸附钢丝工艺、3D打印工艺、压延 \挤出成型工艺、注塑\注射成型工艺及其结合;
子口耐磨胶:胎体制备完成后,胎体模具的外模打开,在已成型胎体的子口部位安装子口护胶模具,直接浇注,最终在胎体上完成子口护胶的制作;
其二,整体成型工艺。
聚氨酯胎面与聚氨酯带束层之间的复合,首先将轮胎的各层带束层通过缠绕的方式复合到带束层成型鼓上,带束层全部复合完成后,带束层成型鼓运动到已制备好胎面的离心车处,整体插入已制备好的环形胎面中央位置,带束层与胎面的缝隙通过浇注入的填充胶进行充满,最终形成整体的胎面-带束层组件;
整体复合,通过设备及模具的运动,将带有内芯的聚氨酯胎体(包含已经与胎体复合好的聚氨酯软三角、聚氨酯硬三角、钢丝圈、子口耐磨胶组件)带有聚氨酯胎侧的侧板模具及胎面-带束层组件闭合成一个密闭的模具型腔通过侧板模具上保留的注料孔,注入及填充胶最终形成整个轮胎。
作为优选,将轮胎的各层带束层通过缠绕的方式复合到带束层成型鼓上,复合过程中各个带束层之间通过涂特制材料达成紧密结合的目标。
作为优选,整体成型工艺中,整体复合步骤之后,还包括:
固化成型,在所有浇注完成后,保持设计温度到指定时间;其中固化阶段,可以在设备上直接进行保温固化过程,也可在产品达到可移动的要求后,将模具及产品整体从设备上拆下,放入恒温室进行固化。
作为优选,整体成型工艺中,固化成型之后,还包括:
后硫化及产品取出,产品固化完成后开模,将产品及内芯取出,放入恒温室进行后硫化,后硫化完成后拆出内芯,得到整个产品。
本发明所提供的聚氨酯充气轮胎及其制造方法,与传统轮胎相比较,其使用聚氨酯材料替换橡胶材料,使轮胎性能更加卓越。同时,聚氨酯材料比天然胶材料具有更加全面的性能,比橡胶全钢子午线胎结构更简单。以上特点决定了聚氨酯轮胎制造工艺与传统轮胎相比可大幅简化。聚氨酯轮胎适合各种类型的充气式轮胎,包括轿车胎、卡客车胎、工程胎、巨胎、及各类特种轮胎等,特别适合速度较慢、载荷较高的工程胎和巨胎。
聚氨酯材料性能突出,耐磨性能和抗刺扎性能是天然胶的3-8倍,还具有极高的承载特性,更加适合对耐磨、刺扎、承载要求较高的矿山用巨胎。不同于天然胶,液体橡胶硫化方式为自内向外硫化,材料固化后更加均匀,解决了橡胶硫化不均造成的各类病象,提高了轮胎的使用寿命。
液体聚氨酯材料颠覆了以往轮胎生产,采用浇注工艺,避免了传统轮胎生产的大多数技术问题。由表1所示,聚氨酯充气轮胎投资额大约为传统轮胎的1/10,占地面积约为1/20,劳动力为1/10,工序数量为3/10。因此,该专利技术将传统轮胎生产转变成投资小、占地小、劳动力少的项目,规避了传统轮胎的弊端,大幅降低了入行轮胎行业的门槛,使得在轮胎制造行业小投资实现大产值、高利润变为可能。
表1聚氨酯充气轮胎与传统橡胶轮胎技术投资、占地、劳动力数量、工序对比
  投资额(亿元) 占地面积(m 2) 劳动力 工序
聚氨酯 0.5-1 2000 40 3
橡胶轮胎 5-10 40000 400 10
比值 1/10 1/20 1/10 3/10
轮胎企业是环境污染大户,国家设定了较多准入环保条款,降低轮胎厂在环境方面的影响,但是无论如何轮胎厂都摆脱不了三废的身影。这些污染源严重影响了工人的身心健康,还经常出现轮胎厂周边住户向环保部门投诉的情况。传统轮胎企业的污染源主要是来源于密炼车间的粉尘(炭黑等)、硫化时的废气以及噪声等问题(图2)。另外,在能耗方面,国家也提出一系列入行门槛及推广各类节能新技术,但是效果并不明显。例如,在硫化过程中,需要加热到150℃-160℃橡胶轮胎才可以正常发生硫化反应,不管如何节能,不改变材料本身特点是无法实现真正的绿色发展。
聚氨酯充气轮胎技术硫化温度仅为100℃左右,大大低于150℃,且硫化时间仅为2h,效率提高了3-6倍,硫化压力降至原来的1/9,能耗大幅降低(表2)。环保方面,更是消除了粉尘、废气、噪声污染,符合目前绿色发展、节能减排的大趋势。
表2聚氨酯充气轮胎技术与传统轮胎技术工艺及三废对比
  硫化压力 硫化温度 硫化时间 三废
聚氨酯轮胎 0.2MPa 100℃ 2-4h
橡胶轮胎 1.8MPa 150℃-160℃ 12h 粉尘、废气、噪声
利用聚氨酯弹性体替代天然橡胶等材料,生产出的聚氨酯充气轮胎具备以下特点。(1)聚氨酯充气轮胎具有极好的耐磨性能、抗刺扎性能,较普通橡胶提高3-8倍,轮胎寿命可大幅延长,特别是对于耐磨、抗刺扎、载荷要求较高的工程轮胎(R25-R35)和巨胎(R49-R63,或R63以上)。寿命的提高意味着工程用胎的成本大幅下降(2)聚氨酯为液体原料,颠覆了以往传统天然胶轮胎工艺,大幅降低投资成本、降低占地面积、节约大量劳动力。(3)聚氨酯充气轮胎重量可降低10%-20%,使得轮胎的制造成本也大幅下降。(4)聚氨酯材料具有优越的抗紫外线作用,同时具有良好的气密性性能,因此聚氨酯充气轮胎结构较天然胶轮胎简单,重量更轻。(5)聚氨酯材料特性决定了与传统橡胶轮胎相比省油约5%-10%。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为橡胶全钢子午线轮胎结构图;
图2为传统轮胎企业污染源、热源图;
图3为本发明实施例提供的聚氨酯充气轮胎的结构图;
图4为胎面离心式浇注工艺示意图;
图5为胎面直浇式浇注工艺示意图;
图6为分块浇注工艺示意图(分块单独浇注再拼接成圆);
图7为胎面多层工艺复合示意图;
图8为胎侧浇注工艺示意图;
图9为三角胶组件制造模具示意图;
图10为胎体直浇工艺示意图;
图11为筒式胎体成型工艺示意图;
图12为梭型钢丝浇注工艺示意图;
图13为胎体带束层胎面复合示意图;
图14为轮胎整体复合示意图。
附图标记说明:
1、胎面;2、填充胶;3、带束层;4、胎侧;5、软三角;6、硬三角;7、钢丝圈;8、胎体;9、子口耐磨胶。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,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,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括……”或“包含……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外,在本文中,“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数;“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
如图3所示,一种聚氨酯充气轮胎,包括由外向内依次设置胎面1、带束层3、胎侧4、软三角5、硬三角6、钢丝圈7、胎体8、子口护胶9;其中,胎面1为轮胎与地面直接接触的部位;带束层3为用于改善轮胎支撑和受力的部位;胎体8是轮胎的骨架部件,胎侧4用于为胎体提供保护;胎面1、带束层3、胎侧4、胎体8相互之间通过填充胶2连接;钢丝圈7通过钢丝圈挂胶与胎体8粘合,硬三角6为钢丝圈提供支撑,软三角5是胎侧4与硬三角6之间的过渡部件;该充气轮胎的子口部位设置有用于与 轮辋接触并保护子口部位的子口耐磨胶9。
上述聚氨酯充气轮胎中胎面1、填充胶2、带束层3、胎侧4、软三角5、硬三角6、胎体8、子口耐磨胶9均由聚氨酯材料制成。聚氨酯由于优越的气密性,可将传统橡胶胎的内衬层(包括气密层和过渡层)省略。带束层层数也可根据实际情况进行大幅缩减。
上述聚氨酯充气轮胎中各个部件的结构和作用具体如下:
胎面1:胎面1是轮胎与地面直接接触的部位,因使用状况的不同以及不同需求的用途,具有不同形状的花纹,它具有保护胎体的作用,也是轮胎被使用最多、损耗最大的部位,它提供驱动、牵引、制动、排水防滑、减震、转向等功能。聚氨酯轮胎可大幅提高车辆泥地和雪地牵引性能。可以提高胎面的强度和耐磨性,降低其日常磨损损耗。聚氨酯耐磨性能是橡胶的3-8倍,因此可降低轮胎花纹深度,使轮胎整体重量降低5%-20%。
填充胶2:填充胶2是上述聚氨酯充气轮胎中连接胎面1、带束层3、胎体8及胎侧4的部件。其作用在于使得其接触的各个部位能够紧密连接,填充各个部件之间的空隙,防止出现气泡或空缺处,同时对各受力部件起到良好的缓冲作用。使用液体聚氨酯作为填充胶,可以完整的填满各个部件间的空隙,避免传统橡胶工艺制作时可能造成的气泡和脱层现象。
带束层3:带束层3是在胎面1与胎体8之间用钢丝按不同角度排列,用于改善轮胎支撑和受力的部位。其主要作用为:其一,和胎体帘子布层一起抵抗离心力,防止出现由于离心力作用导致的胎冠向外凸起现象,确保稳定的轮胎外直径及轮胎周长。其二,控制轮胎印痕理想的形状,从而有效提供抓地力/牵引力。其三,提供轮胎过弯、转向时所需要的刚性从而带来出色的操控性。其四,抵抗路面异物的侵袭。在聚氨酯充气轮胎中,聚氨酯与钢丝之间具有天然的高粘合度,所以在生产制作过程中避免了传统橡机带束层制造工艺中使用的重金属和苯酚等致癌类有毒物质,改善了车间的操作环境,降低了轮胎产品生命周期内对自然环境的污染和破坏。同时,高强度的材料性能,使得聚氨酯全钢胎可以在最大程度上减少带束层数量,降低轮胎重量及厚度,从而大幅降低生热。
胎侧4:胎侧4是为轮胎胎体8提供保护的部位,避免胎体8被外物 擦伤。胎侧4需具备较强的耐磨性和抗老化性能,同时此部位需长期承受周期性应力应变,需具备极强的抗曲挠性能。聚氨酯的耐磨性能是普通橡胶的3-8倍,48小时100℃老化后性能几乎不变,同时又具有良好的抗曲挠性,因此聚氨酯胎侧替代橡胶后具有更为优越的性能。
胎体8:胎体8是轮胎的骨架部件,主要用于承受轮胎的冲击力,如轮胎的承载压力,内部空气压力及横向的剪切力。聚氨酯具有较高的强度和较强的钢丝、帘线粘合力,与聚氨酯带束层生产类似,制作过程中既保证了绿色生产又可使轮胎提高承载能力。
需要特别说明的是,因为聚氨酯材料的气密性要好于现有轮胎气密层材料溴化丁基胶和丁苯胶,对于聚氨酯全钢子午线轮胎可以取消现有轮胎结构中存在的气密层和过渡层(内衬层)。因此,聚氨酯胎体可同时具备支撑和气密性两种功能。该种结构使得整个轮胎重量降低5%-20%。没有内衬层的无内胎全钢子午线轮胎结构也是本专利在结构上的创新点。并属于本专利的保护内容。
软三角5:软三角5是胎侧4和硬三角6之间的过渡部件。聚氨酯性能及硬度范围较广,完全符合软三角性能要求。
硬三角6:硬三角6为钢丝圈7提供支撑,具有较强的刚性。聚氨酯性能及硬度范围较广,完全符合硬三角性能要求。针对相关需求,可将软硬三角胶合并为一个部位。该点也为本专利的保护内容。
钢丝圈7:钢丝圈7是确保轮胎能够紧紧地固定于轮辋上的部件。聚氨酯作为一种天然钢丝胶黏剂,可以起到高强度粘合和保护的作用。
子口耐磨胶9:子口耐磨胶9是与轮辋接触,保护子口部位的部件。聚氨酯的耐磨性及硬度完全符合该处需求。
聚氨酯充气轮胎一切在以上结构上的相关改进均属于本专利保护内容。
聚氨酯材料具有极好的耐磨性和抗刺扎性能,所需原材料基本性能如下(表3):聚氨酯材料原料较多,包括各类聚醚或聚酯类多元醇(PTMG、PCL等)、异氰酸酯(MDI、TDI、NDI等)、固化剂(Moca、BDO等)等,一切可实现以下性能需求的聚氨酯材料(TPU、CPU、MPU)及其原 材料,以及相关原材料合成的预聚体及固化剂、催化剂,或涉及以上原材料的相关配方用于聚氨酯轮胎的制造均属于本专利保护范围,特别是以MDI、TDI、NDI为异氰酸酯所制备的预聚体的材料均属于制备聚氨酯轮胎各部位材料的保护范围。
表3聚氨酯轮胎各部位配方性能要求
  硬度(shore A) 耐磨、抗刺扎 低生热 钢丝粘合性
胎面 55°-95° ●●● ●●● ---
填充胶 50°-80° ---- ●●●
带束层 75°-95° ---- ●●● ●●●
胎体 75°-95° --- ●●● ●●●
胎侧 55°-80° ●● ●●● ---
软三角 50°-70° --- ●●● ---
硬三角 80°-99° --- ●●●
钢丝圈挂胶 85°-99° --- ●●● ●●●
子口护胶 80°-95° ●●● ●●● ---
上述聚氨酯充气轮胎,其制造方法如下:
部件的制造:
胎面1:(1)胎面离心式浇注工艺(图4),将制作好的模具型腔(花纹块及外固定板)加热后装到离心车上,外部加装保温罩,整体转动到足够速度后,将浇注头探至指定位置,开始浇注后,浇注头沿离心车轴向按照计算后的速度进行往复运动,最终胶料达到需要的重量后,浇注头离开离心车,离心车继续转动至额定时间达到基本固化,胎面制作完成。使用该工艺制备的胎面材质均匀,性能稳定。该工艺制备的胎面最大程度上避免了气泡的产生。还可根据不同产品的需求随时对厚度及多层结构的不同材料配方进行调整。同时在胎面的浇注完成后浇注基部胶。该工艺还可以先通过离心制备出一定厚度的胎面,再将两条或三条进行贴合,使其达到要求厚度来制备胎面。胎面离心浇注工艺包括卧式离心和立式离心均属于该专利保护内容。(2)胎面直浇式浇注工艺(图5),模具型腔为密闭空 间,在模具上开数个浇注点,由浇注机流出的胶料通过分流锥后均匀的分为数股料流,在每股胶料流道的进料端安装截留装置,可根据实际情况设置成同时进料或依次进料,以保证胶料在模具中的流动性及固化的均匀性(或使用多台浇注机浇注)。料流充满模具型腔后,通过溢流道进入余料仓,在胶料固化过程中通过对余料仓给压,还可通过余料仓进行胶料的补料,从而完成胎面的制作。另外,采用(3)注塑\注射成型工艺。(4)使用挤出机对任何种类的聚氨酯通过挤出工艺制备聚氨酯充气胎胎面胶。(5)分块浇注后组合成圆工艺(图6)。(6)聚氨酯发泡工艺。(7)3D打印工艺。(8)加工成型工艺,使用任意形状的胚料通过机加工(车,铣等)和钳工手段,使其成为胎面设计形状。(9)任何搭接方式(带式)或直接成圆筒型成型工艺。(10)任何方法进行的多层贴合工艺,包括无论层数及每层的材料是否为一种或几种的情况(图7),以及达到以上多层材料所构成的胎面而进行的任何形式的离心浇注工艺。(11)采用以上任意方法的真空、压力进料工艺。(12)以上方法的任意交叉、混合使用的工艺,或改进工艺。均属于本专利所保护的内容。
带束层3,带束层3部件的制作方法分为两个主要过程,第一是钢丝的布置,钢丝为0度或其他角度。其二是钢丝布置完成后的附胶过程。(1)压延斜裁搭接,钢丝布置好后进行压延附胶,根据设计需要对带束层进行斜裁,斜裁后的带束层条之间通过特制胶料进行粘合,最终形成整条带束层。此方法与传统轮胎带束层压延及斜裁工艺类似。(2)带式直浇工艺,将钢丝按照设计的角度和间距,均匀的布置在模具上,合模后浇注成整条带束层,使用该工艺的优点在于整条带束层一体成型,避免了传统带束层斜裁搭接造成的接缝问题。(3)挤出/压延成型,利用挤出机/压延机进行挤出或压延进行钢丝附胶。另外采用其他挂胶工艺,例如喷胶工艺、刷胶工艺等也属于本专利保护的内容。(4)磁力吸附,利用磁力将钢丝吸附于模具表面再进行浇注而形成的带式或环式带束层。(5)注射\注塑成型,采用注塑机或注射机进行成型的方式。(6)3D打印,对带束层钢丝、附胶或钢丝和胶同时,采用3D打印技术进行制造。(7)任何搭接方式(带式)或直接成圆筒型成型工艺。(8)采用以上任何工艺或混合交叉工艺而 制备的单层带束层后,进行的多层贴合工艺。(9)采用以上任何工艺或混合交叉工艺而制备的单层或多层带束层。(10)聚氨酯全钢子午线轮胎结构带束层角度在大于等于0°,小于等于180°范围内的钢丝布置工艺。(11)以上方法的任意交叉、混合使用的工艺,或改进工艺。均属于本专利所保护的内容。
胎侧4成型工艺:(1)直接浇注工艺,根据设计的胎侧部件形状,将胎侧直接浇注成型,成型后模具的动模直接开模,胎侧保留在定模中(图8),人工整修浇口和毛边后直接用于后续整体成型。(2)任何方法进行的多层贴合工艺,包括无论层数及每层的材料是否为一种或几种的情况,以及达到以上多层材料所构成的胎侧而进行的任何形式的离心浇注工艺。(3)注塑\注射成型工艺。(4)使用挤出机对任何种类的聚氨酯通过挤出工艺制备胎侧。(5)聚氨酯发泡工艺。(6)3D打印工艺。(7)加工成型工艺,使用任意形状的胚料通过机加工(车,铣等)和钳工手段,使其成为设计形状。(8)采用以上任意方法的真空、压力进料生产聚氨酯充气子午线轮胎的胎侧部件。(9)以上方法的任意交叉、混合使用的工艺,或改进工艺。均属于本专利所保护的内容。
软三角5、硬三角6、钢丝圈7三个组件,首先采用传统的钢丝圈缠绕工艺加工钢丝圈7。其中钢丝附胶时,除采用传统口型板挤出/压延的方式,还可采用浸渍工艺,在钢丝表面经过处理后通过装有特制胶水的料槽完成浸渍、另外采用其他类似挂胶工艺、喷胶工艺、刷胶工艺制备聚氨酯三角胶组件等也属于本专利保护的内容。钢丝圈制备完成后放入模具,通过一次或多次浇注,分别制成软三角5、硬三角6,最终制成软三角5、硬三角6、钢丝圈7组合而成的三角胶组件(图9)。
胎体8,(1)胎体直浇成型工艺(图10),将胎体钢丝及特殊材质的编织线(包括任意规格的钢丝或高分子材料线,例如凯拉夫纤维、TPU线等)均匀的编织到内芯部件上(内芯可视为一个封闭的轮胎内轮廓形状的内模),安装软硬三角及钢圈组成的三角胶组件后,将钢丝反包,外部模具合模后浇注整个胎体。制成内含软硬三角及钢圈的胎体组件(其中带有内芯)。(2)筒式胎体成型工艺(该工艺类似现有轮胎成型工艺,图11), 在特制成型鼓上均匀布置胎体钢丝并通过编织线使其形成筒状结构(或通过磁力吸附),合模后浇注,使之形成一个包覆在成型鼓上的筒状胎体,开模后在其上安装由软三角5、硬三角6、钢丝圈7组成的三角胶组件,安装后成型鼓中部胶囊鼓起,中部胶囊鼓起到一定位置后两侧反包胶囊鼓起,反包完成后,反包胶囊收缩后撤出,中部胶囊持续保持压力,最终制成内含软三角5、硬三角6、钢丝圈7的胎体组件,如图10(3)所示(其中带有特制的成型鼓及胶囊)。(3)梭型钢丝分层浇注工艺,如图12示意。布置好的钢丝呈桶状,内芯进入桶中心后,钢丝两端向内芯两边中心处移动,直到勒紧内芯后,置入软硬、三角、钢丝圈组件,完成反包,合外模后进行浇注,完成胎体的制造。(4)电磁吸附钢丝工艺进行浇注。(5)3D打印,对胎体钢丝或附胶、钢丝和胶采用3D打印技术进行制造。(6)压延\挤出成型胎体(7)注塑\注射成型(8)任何搭接方式或直接成圆筒型成型工艺(9)采用以上任何工艺或混合交叉工艺而制备的单层或部分胎体而进行的分步贴合工艺。(10)采用以上任何工艺或混合交叉工艺而制备的多层胎体工艺。(12)以上方法的任意交叉、混合使用的工艺包括基于以上工艺进行的真空、压力浇注等,或改进工艺。均属于本专利所保护的内容。
子口耐磨胶9:胎体8制备完成后,胎体模具的外模打开,组装软硬三角胶、钢丝圈组件,在已成型胎体上的子口部位安装子口护胶模具,直接浇注,最终在胎体上形成子口护胶。
整体成型工艺:
胎面1与带束层3之间的复合:
根据设计的不同要求,首先将轮胎的各层带束层3通过缠绕的方式复合到带束层成型鼓上,复合过程中各个带束层之间通过涂特制材料达成紧密结合的目标。带束层3全部复合完成后,带束层成型鼓运动到已制备好胎面的离心车处(或直接浇注的胎面模具处),整体插入已制备好的环形胎面中央位置,带束层3与胎面1的缝隙通过浇注入的填充胶2进行充满。最终形成整体的胎面-带束层组件(图13)。
整体复合:
通过设备及模具的运动,将带有内芯的聚氨酯胎体(包含已经与胎体复合好的软三角5、硬三角6、钢丝圈7、子口耐磨胶9组件)、带有胎侧的侧板模具及胎面-带束层组件闭合成一个密闭的模具型腔通过侧板模具上保留的注料孔,注入填充胶最终形成整个轮胎。(图14)。
固化成型
在所有浇注完成后,保持设计温度到指定时间;其中固化阶段,可以在设备上直接进行保温固化过程,也可在产品达到可移动的要求后,将模具及产品整体从设备上拆下,放入恒温室进行固化。
后硫化及产品取出产品固化完成后,开模,将产品及内芯取出,放入恒温室进行后硫化,后硫化完成后拆出内芯,得到整个产品。
上述聚氨酯充气轮胎及其制造方法,与传统轮胎相比较,其使用聚氨酯材料替换橡胶材料,使全钢轮胎性能更加卓越。同时,聚氨酯材料比天然胶材料具有更加全面的性能,比橡胶全钢子午线胎结构更简单。以上特点决定了聚氨酯轮胎制造工艺与传统轮胎相比可大幅简化。聚氨酯轮胎适合各种类型的充气式轮胎,包括轿车胎、卡客车胎、工程胎、巨胎、及各类特种轮胎等,特别适合速度较慢、载荷较高的工程胎和巨胎。
聚氨酯材料性能突出,耐磨性能和抗刺扎性能是天然胶的3-8倍,还具有极高的承载特性,更加适合对耐磨、刺扎、承载要求较高的矿山用巨胎。不同于天然胶,液体橡胶硫化方式为自内向外硫化,材料固化后更加均匀,解决了橡胶硫化不均造成的各类病象,提高了轮胎的使用寿命。
液体聚氨酯材料颠覆了以往轮胎生产,采用浇注工艺,避免了传统轮胎生产的大多数技术问题。由表1所示,聚氨酯充气轮胎投资额大约为传统轮胎的1/10,占地面积约为1/20,劳动力为1/10,工序数量为3/10。因此,该专利技术将传统轮胎生产转变成投资小、占地小、劳动力少的项目,规避了传统轮胎的弊端,大幅降低了入行轮胎行业的门槛,使得在轮胎制造行业小投资实现大产值、高利润变为可能。
表1聚氨酯充气轮胎与传统橡胶轮胎技术投资、占地、劳动力数量、工序对比
  投资额(亿元) 占地面积(m 2) 劳动力 工序
聚氨酯 0.5-1 2000 40 3
橡胶轮胎 5-10 40000 400 10
比值 1/10 1/20 1/10 3/10
轮胎企业是环境污染大户,国家设定了较多准入环保条款,降低轮胎厂在环境方面的影响,但是无论如何轮胎厂都摆脱不了三废的身影。这些污染源严重影响了工人的身心健康,还经常出现轮胎厂周边住户向环保部门投诉的情况。传统轮胎企业的污染源主要是来源于密炼车间的粉尘(炭黑等)、硫化时的废气以及噪声等问题(图2)。另外,在能耗方面,国家也提出一系列入行门槛及推广各类节能新技术,但是效果并不明显。例如,在硫化过程中,需要加热到150℃-160℃橡胶轮胎才可以正常发生硫化反应,不管如何节能,不改变材料本身特点是无法实现真正的绿色发展。
聚氨酯充气轮胎技术硫化温度仅为100℃,大大低于150℃,且硫化时间仅为2h,效率提高了3-6倍,硫化压力降至原来的1/9,能耗大幅降低(表2)。环保方面,更是消除了粉尘、废气、噪声污染,符合目前绿色发展、节能减排的大趋势。
表2聚氨酯充气轮胎技术与传统轮胎技术工艺及三废对比
  硫化压力 硫化温度 硫化时间 三废
聚氨酯轮胎 0.2MPa 100℃ 2-4h
橡胶轮胎 1.8MPa 150℃-160℃ 12h 粉尘、废气、噪声
利用聚氨酯弹性体替代天然橡胶等材料,生产出的聚氨酯充气轮胎具备以下特点。(1)聚氨酯充气轮胎具有极好的耐磨性能、抗刺扎性能,较普通橡胶提高3-8倍,轮胎寿命可大幅延长,特别是对于耐磨、抗刺扎、载荷要求较高的工程轮胎(R25-R35)和巨胎(R49-R63,或R63以上)。寿命的提高意味着工程用胎的成本大幅下降(2)聚氨酯为液体原料,颠覆了以往传统天然胶轮胎工艺,大幅降低投资成本、降低占地面积、节约大量劳动力。(3)聚氨酯充气轮胎重量可降低10%-20%,使得轮胎的制造成本也大幅下降。(4)聚氨酯材料具有优越的抗紫外线作用,同时具有良好的气密性性能,因此聚氨酯充气轮胎结构较天然胶全钢子午线轮胎简单, 重量更轻。(5)聚氨酯材料特性决定了与传统橡胶轮胎相比省油约5%-10%。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例,毋庸置疑,对于本领域的普通技术人员,在不偏离本发明的精神和范围的情况下,可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此,上述附图和描述在本质上是说明性的,不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (8)

  1. 一种聚氨酯充气轮胎,其特征在于,包括由外向内依次设置的聚氨酯胎面、聚氨酯带束层、聚氨酯胎侧、聚氨酯胎体、聚氨酯软三角、聚氨酯硬三角、钢丝圈、聚氨酯子口护胶;其中,聚氨酯胎面为轮胎与地面直接接触的部位;聚氨酯带束层为用于改善轮胎支撑和受力的部位;聚氨酯胎体是轮胎的骨架部件,聚氨酯胎侧用于为聚氨酯胎体提供保护;聚氨酯胎面、聚氨酯带束层、聚氨酯胎侧、聚氨酯胎体相互之间通过聚氨酯填充胶连接;钢丝圈通过聚氨酯钢丝圈挂胶与聚氨酯胎体粘合,聚氨酯硬三角为钢丝圈提供支撑,聚氨酯软三角是聚氨酯胎侧与聚氨酯硬三角之间的过渡部件;该聚氨酯充气轮胎的子口部位设置有用于与轮辋接触并保护子口部位的子口耐磨胶。
  2. 根据权利要求1所述的聚氨酯充气轮胎,其特征在于,所述聚氨酯胎面上设置有不同形状的花纹。
  3. 根据权利要求1所述的聚氨酯充气轮胎,其特征在于,所述聚氨酯带束层在聚氨酯胎面与聚氨酯胎体之间用钢丝按不同角度排列。
  4. 根据权利要求1所述的聚氨酯充气轮胎,其特征在于,所有部件均采用聚氨酯类材料,且各个部件的邵氏硬度为:
    聚氨酯胎面55°-95°、聚氨酯填充胶50°-80°、聚氨酯带束层75°-95°、聚氨酯胎侧50°-80°、聚氨酯胎体75°-95°、聚氨酯软三角50°-70°、聚氨酯硬三角85°-99°、聚氨酯钢丝圈挂胶85°-99°、子口耐磨胶80°-95°。
  5. 根据权利要求1至4中任一项所述的聚氨酯充气轮胎,其制造方法如下:
    其一,部件的制造;
    聚氨酯胎面:其采用胎面离心式浇注工艺、胎面直浇式浇注工艺、注塑\注射成型工艺、挤出工艺、分块浇注后组合成圆工艺、聚氨酯发泡工艺、3D打印工艺、加工成型工艺、任何搭接方式或直接成圆筒型成型工艺及其结合;
    聚氨酯带束层:其采用压延斜裁搭接工艺、带式直浇工艺、挤出成型工艺、磁力吸附工艺、注射\注塑成型工艺、3D打印工艺、任何搭接方式 或直接成圆筒型成型工艺及其结合;
    聚氨酯胎侧:其采用直接浇注工艺、多层贴合工艺、注塑\注射成型工艺、挤出工艺、聚氨酯发泡工艺、3D打印工艺、加工成型工艺及其结合;
    关于聚氨酯软三角、聚氨酯硬三角、钢丝圈三个组件,钢丝圈采用缠绕工艺加工;其中钢丝附胶时(包括胎体、带束层附胶),除采用压延的方式,还可采用挂胶工艺、喷胶工艺、刷胶工艺以及浸渍工艺;其中浸渍工艺,在钢丝表面经过处理后通过装有胶水的料槽完成浸渍;另外采用直接浇注、多次浇注制备聚氨酯软三角、聚氨酯硬三角;
    聚氨酯胎体:其采用胎体直浇成型工艺、筒式胎体成型工艺、梭型钢丝分层浇注工艺、电磁吸附钢丝工艺、3D打印工艺、压延\挤出成型工艺、注塑\注射成型工艺及其结合;
    子口耐磨胶:胎体制备完成后,胎体模具的外模打开,组装软硬三角-钢丝圈组件,在已成型胎体上的子口部位安装子口护胶模具,直接浇注,最终在胎体上完成子口护胶的制作;
    其二,整体成型工艺;
    聚氨酯胎面与带束层之间的复合,首先将轮胎的各层带束层通过缠绕的方式复合到带束层成型鼓上,带束层成型鼓运动到已制备好胎面的离心车处,整体插入已制备好的环形胎面中央位置,带束层与胎面的缝隙通过浇注入的填充胶进行充满,最终形成整体的胎面-带束层组件;
    整体复合,通过设备及模具的运动,将带有内芯的聚氨酯胎体(包含已经与胎体复合好的聚氨酯软三角、聚氨酯硬三角、钢丝圈、子口耐磨胶组件)、带有聚氨酯胎侧的侧板模具及胎面-带束层组件闭合成一个密闭的模具型腔,通过侧板模具上保留的注料孔,注入填充胶最终形成整个轮胎。
  6. 根据权利要求5所述的聚氨酯充气轮胎的制造方法,其特征在于,将轮胎的各层带束层通过缠绕的方式复合到带束层成型鼓上,复合过程中各个带束层之间通过涂特制材料达成紧密结合的目标。
  7. 根据权利要求5所述的聚氨酯充气轮胎的制造方法,其特征在于,整体成型工艺中,整体复合步骤之后,还包括:
    固化成型,在所有浇注完成后,保持设计温度到指定时间;其中固化 阶段,可以在设备上直接进行保温固化过程,也可在产品达到可移动的要求后,将模具及产品整体从设备上拆下,放入恒温室进行固化。
  8. 根据权利要求7所述的聚氨酯充气轮胎的制造方法,其特征在于,整体成型工艺中,固化成型之后,还包括:
    后硫化及产品取出,产品固化完成后,开模,将产品及内芯取出,放入恒温室进行后硫化,后硫化完成后拆出内芯,得到整个产品。
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