丁基橡胶内胎应用研究进展

郑 鹏，王中岳，孟 唯，雷惠举，李 云，王 重*，赵 光，计 强

(1.沈阳化工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110142；2.哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；3.朝阳华兴万达轮胎有限公司，辽宁 北票 122100)

由于我国汽车工业与交通运输业的高速发展，所以对橡胶产品的质量和制造工艺有了更高的要求。内胎作为轮胎中必不可少的一部分，是轮胎作为汽车配件在汽车飞速行驶时的安全保障。内胎也称作里胎，是指用于维持轮胎内气压、带有充气气门嘴的密闭环形弹性筒[1]，气门嘴被用作充气并且起到使空气进入内胎保持一定大气压力、不漏气的作用。因丁基橡胶自身具有优异的性能特点，例如优异的气密性、良好的耐热性、优异的弹性及良好的耐老化性等，而被广泛应用于载重车轮胎内胎、特种轮胎内胎、力车轮胎内胎和摩托车轮胎内胎。根据不同的用途和使用领域，轮胎内胎的型号种类可分为天然橡胶内胎、丁基橡胶内胎和丁基橡胶/再生丁基橡胶内胎。贺年茹等[2]研究发现，由于丁基橡胶主链基本是饱和的，所以其气密性、耐老化性等都很优异，用其制作的汽车内胎比天然橡胶轮胎内胎的使用寿命长4倍[3-5]以上，丁基橡胶内胎还可以进行大量的填充，加入的炭黑可以达到70质量份左右，制作成本比较低廉，这也使得内胎的丁基化成为一种必然的趋势。为了更加明确丁基橡胶轮胎内胎的各种使用领域和生产原则，本文对丁基橡胶内胎的应用研究进展进行了详细的论述。

1 丁基橡胶内胎

汽车在路面的行驶过程中，轮胎与地面一直在摩擦、挤压、缓冲，行驶中的轮胎会产生大量的热量，而内胎被放置在外胎与轮辋之间，在汽车的行驶过程中起到缓冲颠簸和提高汽车舒适性、平稳性的作用[6-7]，同时内胎还需要具有在高温下不被破坏的能力，且为了保护内胎，内胎与轮辋之间会再加一条垫带减少对内胎的磨损。丁基橡胶内胎在轮胎内气压可达8 MPa以上，因为气密性优异的原因，丁基橡胶内胎气体自然漏气较少；相比于天然橡胶内胎，丁基橡胶内胎在使用中充气次数减少，在行驶中油耗也降低。为了提高丁基橡胶内胎的加工性能和降低生产成本，在工业生产中通常采用具有优异气密性的丁基橡胶与具有良好填充性的三元乙丙橡胶并用的方式生产丁基橡胶内胎。

1.1 丁基橡胶在丁基橡胶内胎中的应用

丁基橡胶是世界第四大合成橡胶胶种，由异丁烯与少量异戊二烯在Friedel-Craft共聚下制得的合成橡胶[8]。丁基橡胶的气密性优异，是因为其较高的饱和度以及分子链两侧甲基基团致密、规整的排列，而且丁基橡胶具有优异的气密性能、良好的耐高温性能等，因此成为制造轮胎内胎、防腐蚀制品、桥梁支撑垫、水胎、胶囊、医药用瓶塞、压敏胶[9]、橡胶水坝、防毒用具以及耐热运输带等不可替代的优质弹性体材料。2006年我国丁基橡胶的产量为4万t、进口量为17.1万t、出口量为0.4万t[10]，2008年我国丁基橡胶的产量为4.4万t、进口量为18.9万t，2010年我国丁基橡胶市场的需求量为27.55万t，2018年Persistence市场研究公司在统计了丁基橡胶的需求情况下，预计世界丁基橡胶市场价值到2025年底将达42亿美元[11-12]，在此期间将以4.7%的复合年均增长率增长。

在汽车的行驶过程中内胎不断地被压缩、摩擦，放出大量的热量，此时会造成内胎的老化，而丁基橡胶的耐老化性正好可以克服这个问题。相比于比天然橡胶内胎的耐高温性，丁基橡胶内胎的耐高温性更优异，汽车在高温的路面行驶时，轮胎生热致使温度很高且轮胎的散热性不好，导致内胎橡胶产生自硫化现象，影响内胎的使用寿命，而丁基橡胶内胎由于其具有优异的耐热性能，所以使用时间更长[13]。生产内胎橡胶的首选就是丁基橡胶，不仅安全性达标，且充气后还可以有效持久地维持充足的充气压力，有助于提高轮胎的使用时长。

根据丁基橡胶内胎型号[14-15]不同、用途不同又可分为力车内胎、工程机械车内胎、越野汽车内胎和载重车内胎。随着汽车制造业的发展以及先进性生产技术的提高，对汽车舒适性、安全性的要求进一步提高，同时也加快了汽车内胎质量的不断提高，促使我国丁基橡胶的消费量不断提高[16-18]。

根据车辆用途及车辆型号的不同，对内胎种类、规格、原材料的配比及检测方法的要求也不同，以天然橡胶及以天然橡胶为主的内胎称作A类；以丁基橡胶及以丁基橡胶为主的内胎称作B类。在丁基橡胶内胎制作过程中，母炼胶的混炼很重要，因为混炼的效果将直接影响到后续的硫化及成品的质量问题。通常在丁基橡胶内胎生产中，采用二段混炼的方式进行混炼；硫化完成后需要进行内胎成品的气密性检测，将丁基橡胶内胎充气到不超过原设计模型断面最大直径的120%，在室温下放置12 h无明显漏气情况即为合格；成品的拉伸性能按照GB/T 528—2009进行测试；力车内胎气门嘴的计验规则按照HG 2942—1998进行测试。丁基橡胶内胎性能标准见表1。

表1 丁基橡胶内胎性能标准

1.2 三元乙丙橡胶在丁基橡胶内胎中的应用

乙丙橡胶是由乙烯与丙烯经过共聚制得的一种弹性体，经过无规共聚制得的乙丙橡胶具有良好的化学稳定性，例如良好的可填充性、耐老化性及耐酸碱性等。丁基橡胶老化会变软，这一特点使得在制作内胎方面成为一个缺陷，经过徐红军等[19]的研究发现，三元乙丙橡胶老化后会变硬，正好与丁基橡胶起到互补的作用，因为三元乙丙橡胶与丁基橡胶都属于非极性橡胶，两者具有很好的相容性，通过实验可知，这两种橡胶并用后对成品的物理机械性能影响很小，经过老化实验后硬度变化小，又因为三元乙丙橡胶与丁基橡胶具有很好的共硫化性[20-22]，所以两者并用是生产轮胎内胎的理想选择。

三元乙丙橡胶的硫化可以使用有机过氧化物或者硫磺来进行，但是相比于硫磺硫化，采用过氧化物硫化的三元乙丙橡胶常用于电线电缆工业，此时三元乙丙橡胶具有更高的温度抗性、更低的压缩形变以及改进的硫化特性，但过氧化物的缺点在于其成本过高。三元乙丙橡胶的交联速度和硫化时间会随着硫化剂种类的不同、用量的不同而发生改变。当三元乙丙橡胶与丁基橡胶混合时，必须考虑下列因素：由于丁基橡胶具有较低的不饱和度，为了搭配丁基橡胶的硫化速度，最好选择乙叉降冰片烯、双环戊二烯含量较低的三元乙丙橡胶。

1.3 再生丁基橡胶在丁基橡胶内胎中的应用

再生丁基橡胶可通过蒸煮法、微波法、辐射法和化学机械法对丁基橡胶再生制得。2017年国家发改委发布了《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》(2016版)，废旧橡胶环保再生的方式得到鼓励，我国每年产生的废旧橡胶对环境产生污染，例如影响空气质量、污染土地等。经过罗鹏等[23]对废旧橡胶通过微波再生法的研究，覃柳莎[24]对废旧橡胶微生物脱硫再生方法的研究，凌勇坚等[25]对废旧橡胶回收再利用的研究和崔华松等[26]废旧橡胶再生剂的研究，解决了我国废旧橡胶无处可用的现状，废旧丁基橡胶的回收再利用充分地解决了我国橡胶资源匮乏的难题，减少了环境污染。

再生丁基橡胶既有丁基橡胶良好的气密性、耐老化性，还具有分子链大小不规整、相对分子质量小、分子极性较大和较容易硫化等特点，因此可以大量地应用在内胎生产中。再生丁基橡胶应符合如表2所示的国家标准。

表2 再生丁基橡胶国家标准指标

丁基橡胶/再生丁基橡胶内胎的主要配方[27-28]是由丁基橡胶/再生丁基橡胶为主要原料，添加少量三元乙丙橡胶以及活性剂、补强剂、软化剂和硫化促进剂等小料，按一定比例配方，经塑炼、混炼、挤出加工、硫化成型、成品检测等步骤，制作成各种不同型号的轮胎内胎产品[29-30]。通过实验可知，在丁基橡胶内胎中掺入再生丁基橡胶，当掺入量为20～40份时，对制得的丁基橡胶内胎性能影响不大，随着再生丁基橡胶掺入量的增加，丁基橡胶内胎的抗拉强度逐渐下降，但是耐老化性及耐疲劳性均有所改善，这是因为再生丁基橡胶中的双键较少或者采用的再生丁基橡胶是树脂硫化体系。

2 丁基橡胶内胎遇到的质量缺陷及解决方法

内胎是薄壁制品，由环形密闭胶筒、带胶垫的金属气门嘴和气门芯组成，是充气轮胎的一个重要组成部分[31-33]。在丁基橡胶内胎的生产过程中经常会遇到胎壁薄厚不均匀的问题，多发生在胎筒折叠处以及胎筒与气门嘴的黏合处，这是由于存在混炼胶不均匀、返回胶的加入量过大以及硫化前内胎的定型过快导致胎壁薄厚不均匀等问题，可采用在混炼时严格控制割胶的次数、减小返回胶的加入量、硫化时采用慢定型快合模等解决方法。丁基橡胶内胎生产中还会遇到褶皱问题，多发生在胎圈内壁以及气门嘴与胎筒的黏合部位，这是由于半成品的定型尺寸过大以及气门嘴胶垫黏合时与胎筒的中线发生偏差所致，解决方法是严格控制半成品的定型尺寸和提高工人的操作技能，防止产生气门嘴与胎筒产生偏差。丁基橡胶内胎生产中经常会遇到接头开裂的问题，这是由于电刀对接时对接压力不合适，对接时间过短，对接时对接处存在杂质，例如接头处的隔离剂、胶末未处理干净，解决方法是控制电刀的接头压力、时间和温度，对接时间不少于7 s，对接后的半成品停放10 min后才充气定型，充气时应注意充气速度，而且半成品在送往硫化工艺工段过程中应保证半成品内部存在少量气体，防止接头处对折产生裂痕。

3 展 望

受科学技术进步和经济快速发展的影响，内胎的丁基化已成为必然，由于丁基橡胶优异的气密性、黏结性，使其成为制作内胎的首选。但是，目前丁基橡胶的价格居高不下，丁基橡胶制品的售价又处于低价状态，导致丁基橡胶内胎的生产厂家效益较差，所以再生丁基橡胶引起了各内胎生产厂家的重视。采用再生丁基橡胶/丁基橡胶/三元乙丙橡胶并用的方式，在保证内胎性能的前提下，还可以有效地降低生产成本，因此利用再生丁基橡胶替代部分丁基橡胶来制作内胎是未来内胎生产的主要发展方向。随着国内外工业化生产进程的加快，再生丁基橡胶的技术也逐渐趋于成熟，目前可通过多种再生的方式来生产再生丁基橡胶，再生丁基橡胶已经可以进行大规模的商业化生产。随着内胎成本的下降以及产品性能的保证，再生丁基橡胶将不断地得到研究与应用，期望达到绿色生产、降低成本的目的，可以预见丁基化内胎拥有更加环保、更加美好的未来。