成因貴

（賽輪集團股份有限公司 技術研發(fā)中心，山東 青島 266555）

電子束輻照預硫化技術在輪胎行業(yè)的應用研究起始于20世紀50年代末，國外米其林公司、大陸輪胎公司、寶蘭山公司到20世紀70年代均將該技術運用到輪胎生產中[1]。憑借可提高產品質量和生產效率，減小膠料用量，降低生產能耗、溫室效應和危害氣體排放等特點，電子束輻照預硫化技術被歐美輪胎制造商于20世紀80年代末大量使用[2-7]。由于國外輪胎企業(yè)對電子束輻照預硫化技術的保密，國內輪胎企業(yè)在很長時間內都沒有掌握和應用該技術。中科院高能物理研究所立項研究該技術后，于2003年完成成果入庫并開始轉化，國內某知名輪胎公司于2009年開始在新建項目中增加電子束輻照預硫化設備，此后10年，電子束輻照預硫化技術在輪胎壓延工序中得到廣泛應用[8-13]。但目前電子束輻照設備故障率較高，且維修及時率有待提高。

本工作通過對電子束輻照預硫化技術的設備結構和反應機理的闡述，以及對電子加速器輻照劑量均勻性評價的論述，充分展示了應用該技術的關鍵條件。同時對輻照劑量對胎體簾布膠、簾布及其纖維原絲、輪胎性能的影響進行了深入分析，論證了輪胎生產中電子束輻照預硫化技術在優(yōu)化工藝、提高生產效率和提升輪胎產品品質等方面存在明顯優(yōu)勢，該技術適合在半鋼子午線輪胎胎體簾布壓延生產線新建和改造項目中應用。

1 電子束輻照預硫化技術設備結構和反應機理

1.1 設備結構

電子束輻照預硫化設備（以湖北久瑞技術股份有限公司生產的嵌入式設備為例）結構如圖1所示，設備具體組件實物照片如圖2所示。

圖1 電子束輻照預硫化設備結構示意Fig.1 Diagram of electron beam irradiation prevulcanization equipment structure

圖2 電子束輻照預硫化設備各組件實物照片F(xiàn)ig.2 Photos of components of electron beam irradiation prevulcanization equipment

電子束輻照預硫化設備電子加速器為4個，由陶瓷和不銹鋼材質制成，每個加速器由14層組成，每層電阻為270 MΩ；設備高壓電源電壓為500 kV，滿足生產需要；采用的惰性氣體為六氯化氟。

1.2 反應機理

電子束輻照預硫化技術反應機理為：由電子加速器發(fā)射的高能電子束在橡膠基體中激活橡膠大分子，產生橡膠大分子自由基，使橡膠大分子交聯(lián)成三維網狀結構。輻照作用形成的原始化學產物除了離子、電子和激發(fā)分子外，還包括自由基和某些分子產物，這些原始粒子都具有較高活性，可以發(fā)生裂解、重排、電子轉移、脫氫和加成等多種反應[14]。

高分子材料輻照效應是一種競爭機制，在高分子材料被輻照時，大分子間交聯(lián)和裂解反應同時存在，在一定輻照劑量內，以交聯(lián)反應為主輻照的高分子材料叫做輻照交聯(lián)型高分子材料，以裂解反應為主輻照的高分子材料叫做輻照裂解型高分子材料。當輻照超過一定劑量時，所有高分子材料都會發(fā)生輻照降解，從而使其物理性能變差，因此，輻照劑量是電子束輻照預硫化技術的關鍵參數(shù)[15]。

2 輻照劑量均勻性評價

2.1 橫向

在實際壓延中，纖維簾布幅寬大于1 400 mm，壓延速度范圍為5～50 m·min-1，且用于電子束輻照預硫化設備的電子加速器常采用橫向掃描的工作方式，輻照范圍較大，不可避免地造成簾布表面橫向輻照劑量的不均勻（目前電子輻照設備廠家提供的電子束輻照掃描不均勻性技術指標為±5%）。因此，保證動態(tài)掃描（簾布在運動狀態(tài)下的電子加速器掃描）情況下簾布表面橫向輻照劑量的均勻性是非常重要的技術條件。

2.1.1 評價方法

采用FWT-60-00輻射顯色劑量薄膜表征電子束輻照劑量，即根據(jù)顯色劑量薄膜輻照前后吸光度變化差值，再通過查吸光度與輻照劑量對應關系表，得到輻照劑量。其中FWT-60-00輻射顯色劑量薄膜采用美國Far West Technology公司產品，厚度為0.04 mm。

2.1.2 評價步驟

（1）用紫外分光光度計測量顯色劑量薄膜輻照前吸光度，記作A0。

（2）顯色劑量薄膜的尺寸是10 mm×10 mm，從簾布操作側開始，將1號顯色劑量薄膜貼在簾布輻照面上，然后在簾布幅寬方向以160 mm為間隔距離貼2號顯色劑量薄膜，依次在簾布幅寬方向上每隔160 mm貼1張顯色劑量薄膜，整個幅寬方向貼10張顯色劑量薄膜。

（3）在一定電子束流強度和簾布壓延速度下，讓簾布經過電子加速器，快速測量輻照后顯色劑量薄膜吸光度，記作Ai（i＝1，2，…，10）。

（4）計算輻照前后吸光度變化值（A）＝（Ai-A0）/顯色劑量薄膜厚度（0.04 mm）。

（5）通過查表，獲得簾布10個部位的輻照劑量。輻照劑量不均勻性以輻照劑量不均勻度表示，輻照不均勻度＝（最大輻照劑量－最小輻照劑量）/（最大輻照劑量＋最小輻照劑量）×100%。

2.1.3 試驗數(shù)據(jù)分析

不同電子束流強度下壓延簾布輻照劑量均勻性（橫向）試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以得出，簾布壓延速度不變，電子束流強度分別為82.5，43，20.8 mA時，簾布吸收的輻照劑量平均值分別為20.25，11.5和5.04 kGy。簾布輻照劑量與電子束流強度的關系曲線如圖3所示。

圖3 壓延簾布輻照劑量與電子束流強度的關系曲線Fig.3 Relationship curve between irradiation dose and beam current strength in cord calendering

表1 不同電子束流強度下壓延簾布輻照劑量均勻性（橫向）試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Irradiation dose uniformity（transverse）experimental data of calendering cord under different electron beam current strengths

從表1可以看出，簾布橫向輻照劑量不均勻度均在5%以下，滿足技術要求。

從圖3可以得出，簾布壓延速度一定時，輻照劑量與電子束流強度基本呈線性關系，表達式為Y＝0.25X（X為電子束流強度，Y為輻照劑量）。

2.2 縱向

簾布經過電子加速器后，因顯色劑量薄膜瞬時的縱向距離較小，約為150～200 mm，在如此短的距離內，評價縱向輻照劑量的均勻性沒有實際意義，因此在靜態(tài)掃描（簾布在靜止狀態(tài)下的電子加速器掃描）情況下，改變電子束流強度和簾布壓延速度，確認輻照劑量是否與理論值一致。

壓延簾布輻照均勻性（縱向）試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 壓延簾布輻照劑量均勻性（縱向）試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Irradiation dose uniformity（longitudinal）experimental data of calendering cord

從表1和2可以看出，改變電子束流強度和簾布壓延速度，可保持輻照劑量不均勻度與前3組基本一致，試驗結果與理論預測一致，說明在靜態(tài)掃描情況下，簾布縱向輻照劑量均勻性符合技術要求。

受限于技術手段，在線實時測量壓延簾布輻照劑量均勻性還無法實現(xiàn)，尤其是壓延速度從5 m·min-1到50 m·min-1升速和50 m·min-1到5 m·min-1降速過程中的動態(tài)輻照劑量還無法進行試驗評價。據(jù)查閱文獻[16]，浙江省能源核技術應用研究院和中國原子能科學研究院研發(fā)了微型金硅面壘陣列電子束流強度探測器測試輻照劑量技術。

3 電子束輻照預硫化技術在半鋼子午線輪胎胎體簾布加工中的應用

3.1 胎體簾布加工試驗方案

胎體簾布加工試驗方案如表3所示。

表3 胎體簾布加工試驗方案Tab.3 Test schemes of carcass cord processing

胎體簾布實施單面電子束輻照，輻照劑量采用40/50 kGy變量試驗。

3.2 試驗結果

3.2.1 電子束輻照預硫化對胎體簾布膠性能的影響

電子束輻照預硫化對胎體簾布膠性能的影響如表4所示。

從表4可以看出，經電子束輻照后，膠料的門尼粘度上升，焦燒時間和正硫化時間縮短，定伸應力和拉伸強度略有增大，拉斷伸長率減小，說明電子束輻照可以提高膠料的交聯(lián)密度，實現(xiàn)膠料預硫化。

表4 電子束輻照預硫化對胎體簾布膠性能的影響Tab.4 Effect of electron beam irradiation prevulcanization on properties of carcass cord compounds

3.2.2 電子束輻照預硫化對胎體簾布性能的影響

電子束輻照預硫化對胎體簾布性能的影響如表5所示。

從表5可以看出，經電子束輻照簾布的粘合力和剝離力均增大，裁斷拉伸率減小。

表5 電子束輻照預硫化對胎體簾布性能的影響Tab.5 Effect of electron beam irradiation prevulcanization on properties of carcass cords

3.2.3 電子束輻照預硫化對胎體簾布纖維原絲性能的影響

電子束輻照預硫化對胎體簾布纖維原絲性能的影響如表6所示。

表6 電子束輻照預硫化對胎體簾布纖維原絲性能的影響Tab.6 Effect of electron beam irradiation prevulcanization on properties of carcass cord fiber precursors

從表6可以看出，經電子束輻照后，胎體簾布纖維原絲的斷裂強力略有下降（約1.5%），但仍符合指標要求。

綜合上述試驗得出以下結論。

（1）胎體簾布實施電子束輻照預硫化的優(yōu)點：有利于提高胎體簾布的粘合性能和減小胎體簾布的拉伸變形；有利于縮短膠料的正硫化時間，提高輪胎生產效率。

（2）經電子束輻照預硫化后，纖維原絲的斷裂強力下降約1.5%，這在胎體簾布選擇時需要適當考慮。

（3）電子束輻照預硫化的輻照劑量為40 kGy時胎體簾布的綜合性能較好。

3.3 成品輪胎試驗

205/60R 16V成品輪胎性能如表7所示。185/65R 15H XL成品輪胎性能如表8所示。

表8 185/65R 15H XL成品輪胎性能Tab.8 Properties of 185/65R 15H XL finished tires

表7 205/60R 16V成品輪胎性能Tab.7 Properties of 205/60R 16V finished tires

從表7和8可以看出，胎體簾布經電子束輻照預硫化后，成品輪胎性能均符合要求。總體來看，輻照劑量為40 kGy時，成品輪胎性能稍優(yōu)。

另外，胎體簾布經電子束輻照預硫化后，成品輪胎的外觀不良現(xiàn)象也有一定程度的改善，如胎里露線類不良現(xiàn)象減少0.01%。

4 結語

（1）對胎體簾布實施電子束輻照預硫化具有多個優(yōu)點，有利于提高胎體簾布粘合性能和減小胎體簾布拉伸變形，提高輪胎生產效率，成品輪胎性能較好。

（2）通過調整壓延工藝可以實現(xiàn)胎體簾布厚度不對稱壓延，進而可以實現(xiàn)氣密層單一化生產，簡化胎體簾布加工工藝。

（3）電子束輻照預硫化技術在輪胎行業(yè)的應用前景廣闊，但目前國內電子束輻照預硫化設備故障率相對較高，如存在鈦膜異常損壞、真空度低、電子束流強度小等，且維修專業(yè)度高，維修及時性不足。在電子束輻照預硫化設備停機待修時，可將不進行輻照預硫化的胎體簾布覆膠厚度增大0.05 mm，這樣基本能夠解決輪胎成型工藝問題，但是會導致輪胎質量增大。因此，在建設項目時要盡可能選擇質量過硬的電子束輻照預硫化設備，同時要選擇售后服務及時的供應商。