硫化销材料优化 技术领域 本发明处于硫化橡胶制品的领域， 并且更特别地处于硫化例如轮胎和用于轮胎的 胎面这样的不均匀的橡胶制品的领域。
背景技术 例如轮胎这样的橡胶制品多年来一直在压力机 (press) 中进行硬化或硫化， 其中 热量在外部通过轮胎模具而提供， 在内部通过硫化囊或其它装置而提供， 所述热量提供一 段长度的时间以实现所述制品的硫化。用于轮胎的压力机在本领域中是已知的， 并且一般 使用具有成形或硫化机构的可分离的模具半部或者部分 ( 包括组合模具部分 ) 并且使用 囊， 成形、 加热和冷却流体或者介质被引入到所述囊中以用于硫化轮胎。 上述的硫化压力机 典型地被机械定时器或者可编程逻辑控制器 (PLC) 控制， 它们使压力机通过不同的步骤循 环运行， 在从压力机卸载之前， 所述轮胎在运行的过程中被成形、 加热并且在一些过程中被 冷却。 在硫化过程中， 所述轮胎在预定的一段时间内受到高压和高温的作用， 所述时间设置
成为轮胎的最不均匀部分提供充分的硫化。所述硫化过程通常在压力机的外部持续到完 成。
橡胶化学家要面对预测时间周期的问题， 橡胶制品的每一部分在所述时间周期内 将会圆满地硫化， 并且一旦这样的时间周期被确定， 则所述制品在这一时间周期内被加热。 这是硫化橡胶制品的相对直接的过程， 所述橡胶制品相对较薄并且整体具有均匀的几何形 状和 / 或相似的成分。当其不是例如硫化像轮胎这样的合成制品时， 就会是更加困难的过 程。当硫化例如卡车轮胎、 工程轮胎、 农用轮胎、 飞机轮胎或者推土机轮胎这样的大型轮胎 时， 这一点是特别切实的。在这些类型的轮胎中的硫化的状态和程度不只受到轮胎中的部 分与部分间的几何形状的变化的影响， 还受到成分改变和分层结构的影响。虽然所述时间 控制方法已经被用于硫化成千上万的轮胎， 但是由于轮胎中的改变的成分和几何形状， 轮 胎的某些部分倾向于比其它部分受到更多的硫化。 通过设置时间周期来硫化最难硫化的部 分， 某些部分可能会发生过度的硫化 ； 并且硬化机器上的生产时间被浪费并且生产效率降 低。
已提出用于硫化压力机的各种设计以及各种硫化方法， 从而向厚的橡胶制品提供 更加均匀的硫化。某些方法使用不同的模具构造材料、 绝缘材料、 轮胎的各部分的不同成 分、 多个硫化区域， 因此热量可以提供更久的时间， 或者向橡胶制品的最厚或者最复杂的部 分传导更多的热量的方法。 然而， 上述方法或装置没有一种已经被证明完全令人满意， 并且 时间控制仍然是硫化不均匀的厚橡胶制品的典型方法。因此， 橡胶工业面对着以更快的时 间周期生产均匀硫化的轮胎的问题。 发明内容
本发明涉及一种改进的硫化橡胶制品的方法， 特别地涉及一种改进的硫化不均匀 橡胶制品的方法， 所述不均匀橡胶制品例如轮胎或者用于轮胎的胎面。所述方法使用至少一个高热扩散系数 (thermal diffusivity) 的销， 所述销放置在模具中一个位置， 以在所述 制品的硫化限制部分将热量传递到所述制品中。 所述方法不只导致所述制品的短得多的硫 化时间， 其还导致该橡胶制品的更均匀的硫化状态。 所述销的使用产生小孔， 所述小孔基本 上看作是所述制品中的销孔， 所述销在销孔处伸入到所述制品中。 因为这些孔是小孔， 所以 它们并不改变所述制品的有关功能和性能。
可以使用传统的硫化模具和压力机。 通过添加至少一个高热扩散系数的销而使传 统的模具受到调整或者制造新的模具， 所述销放置在所述模具中的至少一个位置， 所述销 在该位置上将热量导入到所述橡胶制品的硫化限制部分中。所述模具和所述硫化装置作 为整体只是被轻微地改变， 所述橡胶制品的成分未被改变或调整。实现了所述模具中的总 硫化时间的直至 20％或者更多的缩短， 其提高了生产率而并未添加昂贵的模具和硫化压力 机。 附图说明
图 1 示出了用于试验销的结构的材料的铝制模具 14、 16。所述销的位置 12a、 12b、 12c 在模具 14 的顶部。
图 2 示出了在橡胶块 15 中的销的位置 12a、 12b、 12c， 以及在橡胶块 15 中的热电偶 5-11 的位置， 以记录所述块中的不同位置处的温度。
图 3 示出了当使用不同材料制成的销时在距离销给定距离的位置在橡胶块中达 到一定温度的时间。
图 4 示出了当使用不同材料制成的销时在距离销不同距离的位置在橡胶块中达 到 alpha ＝ 0.9 的硫化状态的时间的缩短。
图 5 为典型的卡车轮胎胎肩区域的部分剖面， 示出了该轮胎的不均匀性。
图 6 示出了当使用传统的时间控制方法硫化图 5 中的卡车轮胎时该卡车轮胎剖面 的胎肩中的热剖面。
图 7A 示出了用于轮胎的胎肩区域的模具部分， 其已经修改为包括多个销 1000， 这 些销具有大约 22mm 的高度。 在胎肩处产生横向凹槽的模具部分具有大约 24mm 的高度 610。
图 7B 示出了具有高热扩散系数材料芯材 1020 的销的横截面视图， 所述芯材在其 侧面包有高屈服强度、 低热扩散系数材料的外壳 1010。
图 8A 示出了当使用销来硫化时的卡车轮胎的胎面的外观。在胎肩块 70 中易于看 见销孔 50。图 8B 示出了凹槽 60 和销孔 50 的横截面并且示出了每一者的相对深度。 具体实施方式
在硫化橡胶制品的过程中， 特别是在硫化例如轮胎或者用于轮胎的胎面这样的不 均匀的橡胶制品的过程中， 其挑战在于提供一种硫化方法， 这种硫化方法向所述橡胶制品 的硫化限制部分提供足够的热能， 以在不使所述制品的其它部分过度硫化的条件下实现所 述部分的充分的硫化， 并且挑战在于以高产、 高效的方式进行所述硫化。
本发明的方法使用一个或者多个销， 所述销由高热扩散系数材料制成， 所述销从 模具的表面伸出并且伸入到橡胶制品的硫化限制部分中， 以使所述模具中的硫化时间缩短 达 20％或者更多。所述销由高热扩散系数材料制成。这种材料的热扩散系数值被定义为 “导热系 -5 2 数 ÷( 密度 × 比热 )” 。所述销的这种材料的热扩散系数值为 4×10 m /s( 平方米每秒 ) 或者更高。具有高热扩散系数值的材料的例子是银、 金、 铜、 镁、 铝、 钨、 钼、 铍和锌。也可以 -5 2 使用这些金属的合金， 只要所述合金的热扩散系数值为 4×10 m /s 或者更高。
因为所述销在用于橡胶制品的模具中被使用并且受到高压、 高温和潮湿作用， 所 以所述销必须被选择成特别是在硫化的过程中不会与模具或者橡胶制品及其成分发生反 应。这意味着所述销的材料应当 (a) 与模具的材料相容并且不会在所述销与模具的交界处 产生氧化腐蚀或者电化腐蚀， 并且 (b) 不会与橡胶及其成分发生反应， 特别是在如在轮胎 模具中发现的热的、 潮湿的环境中。 因此， 在一些情况下， 例如充分纯的铜、 镁和锌这样的高 热扩散系数材料可能不是作为用于销的材料的最佳选择， 因为这些材料可能会与未硫化的 橡胶制品及其成分发生反应。然而， 即使高热扩散系数材料可能会与橡胶制品及其成分发 生反应， 但是如果所述材料被完全包在例如不锈钢这样的非反应材料的外壳中的话， 所述 反应材料也仍然能够被用作销。 所述的非反应材料外壳使反应的高热扩散系数材料芯材避 开橡胶制品及其成分， 但是仍然能够缩短硫化时间。
另外， 在一些情况下， 例如银、 金、 镁、 钼和铍这样的高热扩散系数材料可能不是作 为用于销的材料的最佳选择， 因为这些材料制成的销由于所述高热扩散系数材料的低屈服 强度或脆性可能会经不起模塑和脱模的压力作用。然而， 如果低屈服强度或者脆的高热扩 散系数材料被完全包在或者所述材料在其侧面被包在例如钢这样的高屈服强度、 有机械弹 性的材料的外壳中， 那么所述材料也能够被用作销。所述外壳支承高热扩散系数材料芯材 并且使其能够经得起模塑和脱模的力。 而且， 不管高热扩散系数材料的化学和机械性质如何， 使该高热扩散系数材料 包在具有低热扩散系数的材料的外壳中都可以是有利的， 所述的低热扩散系数即小于 -6 2 7×10 m /s。这种材料的例子包括钛、 铬钢 (Cr 20％ )， 镍铬合金和不锈钢。例如陶瓷这样 的非金属也可以适用。 在该方法中， 有利的是使所述外壳只包在所述销的侧面而不是尖端。 低热扩散系数材料担当绝缘体， 其减少所述销的侧面的热损失并且提高在所述销的尖端处 的以及向所述制品的硫化限制部分的热传递。图 7B 示出了具有芯材的销， 所述芯材由例如 铝合金这样的高热扩散系数材料制成， 并且所述芯材在其侧面包有例如不锈钢这样的高屈 服强度、 低热扩散系数的材料。
被外壳包住的具有由高热扩散系数材料制成的芯材的销可以通过以下方法制造， 即在被用作外壳的材料中钻孔并且使用高热扩散系数材料填充该孔。另外， 所述高热扩散 系数材料芯材可以是机加工的或者以其它方式成形的， 然后被压入到外壳材料的管中以构 成销。 而且， 所述销可以通过以下方法制造， 即使用电镀或者其它手段将外壳材料覆盖在高 热扩散系数材料芯材上。
因为要考虑到橡胶制品中的反应成分和模具中的机械力， 所以更优选的高热扩散 系数材料为钨和铝合金。 更优选的外壳材料为不锈钢， 因为其集高屈服强度、 非反应性和低 热扩散系数于一身。
一个或者多个高热扩散系数的销可以按照已知的方式被添加到模具中， 所述的已 知方式如将所述销焊接到模具的内侧表面上， 在模具上钻通孔并且将所述销贯通模具而插 入从而从模具的表面伸出到外部， 或者所述销可以制造成新模具的一部分。所述销也可以
放置在模具中构成的孔中并且被保持在某一点处， 当所述销被保持在该点处时， 所述销的 尖端在模具的内表面附近， 在模具闭合之后， 所述销可以被压力或者例如活塞这样的机械 装置插入到橡胶制品中。
所述销可以具有任意的横截面形状， 例如圆形、 正方形、 三角形、 六边形、 八边形、 矩形或者椭圆形。所述销可以根据它们的所谓的 “x-y” 几何形状 ( 即所述销在二维的 “x 和 y” 平面中的形状 ) 而想出。如果水平的 “x 和 y” 平面尺寸基本上是对称的 ( 即 “x 和 y” 尺寸基本上相同 )， 则所述销基本上是圆形的、 正方形的、 六边形的、 八边形的等等。如果所 述销具有非对称的形状 ( 即 “x 和 y” 尺寸基本上不同 )， 则所述销基本上是矩形的、 椭圆形 的等等。
所述销在模具的内表面处的横截面积在例如轮胎块或者肋这样的受到作用的部 分的表面积的大约 0.1％到大约 1.0％的范围内。当所述销从制品中被拔出的时候， 小的孔 在制品的表面上构成， 该孔与所述销的尺寸相一致。 如果使用多于一个的销， 则所有的销的 横截面积之和仍然在例如轮胎块或者肋这样的受到作用的部分的总表面积的大约 0.1％到 大约 1.0％的范围内。
为了举例说明上述的所述销上的横截面积限制， 具有块型胎面花纹的卡车轮胎具 有典型的所谓的用于胎面块的表面积， 该表面积在大约 900mm2( 即大约 30mm 乘以 30mm) 到 大约 5625mm2( 即大约 75mm 乘以 75mm) 的范围内。这里， 单一的销具有胎面块的表面积的 大约 0.1％到大约 1.0％的横截面积， 该单一的销可以具有大约 1mm 到大约 7mm 的用于该销 的 “x 和 / 或 y” 尺寸。如果使用多个销， 则这些销的总横截面积仍然必须是受到作用的胎 面块的表面积的大约 0.1％到大约 1.0％。因此， 如果一个轮胎块使用六个销， 则每个销的 “x 和 / 或 y” 尺寸将在大约 1mm 到大约 3mm 的范围内。
这些销在竖直的 “z” 尺寸 ( 即进入橡胶制品受到作用的部分的方向 ) 的长度使 得这些销延伸到所述制品中的长度为制品受到作用的部分的总厚度的大约 25 ％到大约 60％。
对于用于轮胎的胎面来说， 使用具有 “z” 尺寸以使深入到胎面块中的长度为胎面 的总厚度的大约 25％到大约 50％的一个或者多个销是有效的。 因此， 对于典型的具有 28mm 的总厚度的胎面行驶面 (tread cap) 来说， 所述销将具有大约 7mm 到大约 14mm 的 “z” 尺寸 ( 长度 )。
对于轮胎来说， 使用具有延伸到所述胎面深度厚度的大约 25 ％到大约 110 ％的 “z” 尺寸的一个或者多个销是有效的 ； 并且， 更优选地， 使用具有延伸到所述胎面深度厚度 的大约 50％到大约 90％的 “z” 尺寸的一个或者多个销是有效的。例如， 对于典型的具有大 约 26mm 的所谓的胎面深度厚度的卡车轮胎来说， 所述销的 “z” 尺寸 ( 长度 ) 的范围在大约 5mm 到大约 28mm ； 并且优选地在大约 13mm 到大约 24mm。
所述销的 “z” 尺寸可以垂直于所述 “x 和 y” 尺寸而深入到所述制品中， 或者可以 是倾斜的。所述销也可以在顶部或者底部是锥形的， 或者在所述 “z” 尺寸上具有例如表现 出 “逐步减低 (step-down)” 的形状或者在底部具有像蘑菇形状的圆形的 “头” 。
有时候， 优选的是使用多于一个销， 这些销的每一者都在模具的内表面处具有比 使用一个销更小的横截面积 ( 即每一者的横截面积都在受到作用的部分的表面积的大约 0.1％到大约 0.4％的范围内 )， 当使用一个销时， 该一个销在模具的内表面处具有较大的横截面积 ( 即在受到作用的部分的表面积的大约 0.5％到大约 1.0％的范围内 )。 这可以发 生在以下情形， 即当考虑到使用较大横截面积的销将在块的表面上留下大到足以收集残屑 的孔时， 或者当硫化具有与块设计相反的肋设计的轮胎时。如果超过一个销被用来作用在 一个部分上， 则优选的是使这些销彼此分开一定距离， 该距离大约是所述销的平均尺寸的 五倍。因此， 对于典型的卡车轮胎胎面块来说， 在 3mm 的销之间的距离将大约是 15mm。当例 如推土机轮胎这样的非常大的轮胎被硫化时， 可行的可以是使用多于一个较大尺寸的销。
在表面区域上的销的使用的影响和轮胎块的硬度。
如上文所述的， 所述销到轮胎肋或者胎面块中的伸入在所述轮胎肋或者轮胎块的 表面上产生孔。为了使所述销的使用对轮胎的功能和性能的影响最小化， 所述轮胎肋或者 胎面块受到一个销或者多个销作用的总的表面积减少， 这种减小在受到作用的胎面块或肋 的表面积的大约 0.1％到大约 1％的范围内， 并且优选地在大约 0.1％到大约 0.5％的范围 内。
此外， 为了使轮胎以预期的方式运行， 所述轮胎的胎面块或者肋基本上不应当被 所述销产生的孔影响硬度。对于轮胎的胎面而言， 这意味着胎面块在所述销的使用之后应 当保持其硬度， 该硬度与假使未使用所述销的情况下其具有的硬度相似。硬度的改变与所 述销的使用所产生的受到作用的部分的体积的百分比的减少有关。对于本发明来说， 一个 或者多个所述销的使用应当使胎面块的计算硬度的总减少量为 6％或者更少， 并且优选地 为 2％或者更少。 由所述销所产生的硬度的减少量通过公式 “所述销产生的孔的体积” 除以 “已经受 到所述销作用的制品的部分的总体积” 来计算。
当硬度计算应用于轮胎的胎面块时， 会使用到乘数 (multiplier)。 对于 1mm 至 5mm 的深度的第一增量来说， 所述乘数的值为 “1” ； 对于大于 5mm 小于等于 10mm 的深度的第二 增量来说， 所述乘数的值为 “2” ； 对于大于 10mm 小于等于 15mm 的深度的第三增量来说， 所 述乘数的值为 “4” ； 对于大于 15mm 或者更大的深度的任何其它增量来说， 所述乘数的值为 “8” 。
如果涉及到多于一个的增量 ( 对于较长的销的情况 )， 每一增量都计算硬度并且 使所获得的值相加以给出硬度的总的减少量。例如， 如果所使用的圆柱形销是伸入到胎面 块中 14mm， 则该圆柱形销在胎面块中留下圆柱形孔， 该孔对应于所述销的直径和长度。因 此， 硬度的计算将对于在第一个 5mm 增量的孔的体积而做出， 乘数为 “1” 。对于第二个 5mm 增量来说， 另一硬度的计算将对于在第二个增量的孔的体积而做出， 乘数为 “2” 。对于最后 的 4mm 的增量来说， 另一硬度的计算将对应于该增量而做出， 乘数为 “4” 。 然后， 这三个计算 值相加以获得所述销产生的硬度的总减少量。如果多于一个销被使用， 则每个销都要计算 硬度。然后， 这些计算值相加以获得硬度减少的总值。相同的方法被用于所有形状的销。
用于典型的卡车轮胎 ( 参见图 5) 的所述销可以具有从大约 14mm 到大约 29mm 变 化的长度 ( 从胎面深度的 50％到大约 110％ ) 以及从大约 2mm 到大约 4mm 变化的直径。
在典型的卡车轮胎中的所谓的胎面块的表面积为大约 4200mm2。 因此， 由所述销产 生的胎面块的表面积的计算减少量在大约 0.1％到大约 0.7％的范围内 ； 并且由所述销产 生的胎面块的硬度的计算减少量在大约 0.2％到大约 6.0％的范围内。对于不同销尺寸的 计算值总结如下。
表 1. 具有不同尺寸的销的硬度和表面积计算值的总结
目的是缩短压力机中的硫化时间而不明显降低轮胎的性能或者功能。因此， 所述 销的尺寸选定成保持表面积的减少量在 1％以下并且硬度的计算减少量在 6％以下。
高热扩散系数的销可以独立地加热。 这意味着除了经由传导而从模具传递到所述 销的热量之外， 所述销能够独立进行加热。所述销的独立的加热可以进一步地缩短模具中 的硫化时间。独立地加热所述销的可行的方式涉及电阻的使用。所述销的加热可以在制品 的硫化过程中持续进行。所述销可以被独立地加热直至选作硫化之用的模具温度的 110％ 的温度。对于轮胎和轮胎的胎面来说， 所述销将通常根据轮胎或者胎面的硫化温度而被加 热到大约 110 摄氏度到大约 170 摄氏度。
因此， 显然的是， 本发明的方法使得操作者在选择高热扩散系数的销的 “x” 、 “y” 和 “z” 尺寸以及所述销的形状和数量的过程中具有灵活性， 以优化所需的硫化结果。
确定橡胶制品的 “硫化限制” 部分。
在使用传统模具的硫化方法中， 可以分析发生在橡胶制品的所有部分中的热传递 率。 然而， 即使知道了这种热传递率， 硫化所述制品的总的硫化时间段传统上也还是由硫化 橡胶制品的所述 “硫化限制” 部分所使用的时间来表示。 “硫化限制” 部分表示所述制品的 硫化时间最长的部分。 因此， 在使用传统方法时， 在模具中的总的硫化时间周期被设定成硫 化这些硫化限制部分， 这导致了较长的硫化时间和硫化装置的低效率利用。 此外， 操作者必 须小心不要过度硫化所述制品的其它部分， 这种过度硫化会导致在这些过度硫化的部分处 所述制品的性能的损失。
一种确定发生于硫化过程中的热传递的方法是， 制造橡胶制品、 将热电偶放置在所述制品中并且记录硫化工艺过程中的热剖面。这将会确定所述制品的较凉的部分 ； 即 所述橡胶制品的 “硫化限制”部分。在知道所述热剖面的情况下， 可以利用反应动力学 (reaction kinetics) 来确定整个制品的硫化状态。
另一种确定橡胶制品的硫化限制部分的方法是使用有限元分析 (FEA)， 该方法使 用承受外加负载 ( 即热负载 ) 并且被分析以产生结果的所述制品的计算机模型。热传递分 析对所述制品的热动力学 (thermal dynamics) 进行建模。 使用 FEA 分析的例子在以下文件 中获得 ： Jain Tong et al“ ，Finite Element Analysis of Tire Curing Process” ， Journal of Reinforced Plastics and Composites， Vol.22， No.11/2003， pages 983-1002(Jain Tong 等， “轮胎硫化工艺的有限元分析” ， 增强塑料和复合材料杂志， 22 卷， 11/2003 期， 第 983 页至第 1002 页 )。
硫化的状态
alpha 是用于橡胶合成物的硫化状态的度量。其通过以下等式给出 ：
alpha ＝ ( 硫化时间 )/t99
其 中 t99 是 硫 化 的 99 ％ 完 成 所 用 的 时 间， 通 过 扭 矩 进 行 测 量， 如流变计曲 线 (rheometer curve) 所 示。ASTM D2084 和 ISO 3417 描 述 了 如 何 使 用 振 荡 流 变 计 (oscillating rheometer) 测量橡胶合成物的硫化时间 ( 时间 t0 表示硫化开始， 时间 t99 表示硫化的 99％完成 )。这些标准通过引用而结合于此。 本发明的方法特别地能够应用于硫化不均匀的橡胶制品， 因为这些橡胶制品典型 地具有硫化限制部分。 “不均匀” 表示 (a) 所述制品的厚度， 特别是所述制品中的变化的几 何厚度， (b) 在所述制品中的变化的材料组成， (c) 在所述制品中的层压结构的存在， 和/或 (d) 以上的所有因素。 例如卡车轮胎、 工程轮胎、 农用轮胎、 飞机轮胎或者推土机轮胎这样的 典型的大型轮胎是不均匀橡胶制品的好例子。然而， 任何不均匀的橡胶制品， 例如软管、 皮 带、 振动套、 减振器等等， 都可以使用本发明的方法而有效地硫化。
本发明的优选的实施例为一种硫化用于轮胎的胎面的方法。该方法包括 (a) 将未 硫化的胎面放置在模具的内部 ； (b) 将一个或多个高热扩散系数的销插入到所述胎面的一 个或多个硫化限制部分中， 该插入的深度为所述胎面的总厚度的大约 25％到大约 60％之 间； (c) 向所述模具和所述销供热直至所述胎面达到所确定的硫化状态 ； 和 (d) 将所述一个 或多个销从所述胎面移除并且将已硫化的胎面从所述模具移除。 所述一个或多个销在所述 模具的内表面处所具有的总横截面积， 在所述胎面的插入所述一个或多个销的部分的总表 面积的大约 0.1％到大约 1.0％之间。
本发明的另一优选的实施例特别地能够用作硫化轮胎的方法。该方法包括 (a) 将未硫化的轮胎放置在模具的内部 ； (b) 将一个或多个高热扩散系数的销插入到所述轮胎 的一个或多个硫化限制胎面块或肋中， 该插入的深度为所述块或肋的胎面深度的大约 50％ 到大约 110％之间 ； (c) 向所述模具和所述销供热直至所述轮胎达到所确定的硫化状态 ； 和 (d) 将所述一个或多个销从所述轮胎移除并且将已硫化的轮胎从所述模具移除。所述一个 或多个销在所述模具的内表面处所具有的总横截面积， 在插入所述一个或多个销的所述轮 胎的所述一个或多个硫化限制胎面块或肋的总表面积的大约 0.1％到大约 1.0％之间。
当所述模具的所述高热扩散系数的销独立加热时， 即通过热源加热而不是通过经 由所述模具的热传导加热， 可以实现对所述模具中的硫化的时间的进一步缩短。
例子 1. 试验用于所述销的结构的不同材料。
一种模具装置被构造成试验可以用来制造所述销的各种材料。 铝制的模具制造为 具有可移动的顶部。所述模具的型腔为 170mm 长、 190mm 宽、 40mm 深。常用的可硫化的橡胶 合成物放置在该模具中。蒸汽平压机被用于将所述模具加热到 150℃。由不同材料制成的 销连接于所述模具的所述顶部的内表面上， 并且对于它们缩短橡胶块的硫化时间的效率进 行评价。 所述模具允许热电偶放置在模具内部并且以选定深度及距离所述销的选定距离进 入所述橡胶块中。在硫化过程中， 所述模具以 10 吨的力闭合。
图 1 示出了模具 14、 16， 橡胶块 15 和三个销 12a、 12b、 12c， 这三个销位于模具 14 的顶部上。
每个销是圆形的， 其直径为 3mm 且长度为 20mm。所述销从所述顶部的表面伸入到 所述橡胶块大约一半 (50％ ) 的位置。热电偶也设置在大约 20mm 的深度处 ； 即所述销的深 度， 与所述销相距不同的距离。 图 2 示出了在所述模具中的所述橡胶块 15 中的销 12a、 12b、 12c 和热电偶的位置 5-11。
所述模具和橡胶块受到加热。每个热电偶的放热 ( 温度作为时间函数 ) 都被记录 下来。然后计算所述橡胶块达到 alpha ＝ 0.9 的硫化状态的时间。图 3 示出了通过所述销 的使用而在热电偶位置 6 处产生的硫化曲线。获得了下面的结果。 表 2. 使用由不同材料制成的销的硫化时间结果的总结 ( 使用热电偶 6 在距离所 述销 5.1mm 的距离处测得 )。
这些结果表示， 由高热扩散系数材料铝 (AL) 和钨 (TU) 制成的销在所述热电偶位 置处产生大于 20％的硫化时间的缩短。 碳素钢 (CS) 和不锈钢 (SS) 的销由低热扩散系数材 料制成。图 3 示出了在该试验中在热电偶位置 6 处产生的硫化曲线。
铝合金在其侧面包有不锈钢。图 7B 示出了这种结构， 即铝 6061 的高热扩散系数 材料芯材 1020 在其侧面包有高强度、 低热扩散系数材料不锈钢 316 的外壳 1010。 所述外壳
防止压力机中的铝销受到损坏， 并且还用于将热量引导到所述销的尖端。
在其它的热电偶位置处观察到在缩短硫化时间中的相同的图案 (pattern)。图 4 示出了钨 (TU) 销、 铝合金 (AL) 销、 碳素钢 (CS) 销和不锈钢 (SS) 销在橡胶块中的不同热电 偶位置处达到 alpha ＝ 0.9 的硫化状态的时间。 所述附图示出了高热扩散系数材料钨 (TU) 和铝合金 (AL) 制成的销在每个热电偶位置处缩短达到硫化温度的时间。
独立地加热销。
当轮胎从模具中移除时， 模具的加热停止并且该模具保持打开一段时间。所述模 具冷却下来， 并且如果在模具中存在销， 则这些销冷却下来。 当另一轮胎放置在所述模具中 并且该模具被闭合时， 该模具的加热开始并且所述销经由所述模具的热传导而被加热。然 而， 为了获得更短的硫化时间， 所述销可以使用例如电阻这样的独立的热源而独立地被加 热。所述销可以被独立地加热直至选为所述制品的硫化的所述模具温度的大约 110％的温 度。对于轮胎或者胎面来说， 该温度范围通常在大约 110 摄氏度到大约 170 摄氏度。
例子 2. 在典型的卡车轮胎的块上的销的作用。
本发明的方法可以应用于卡车轮胎。 模具的硫化时间的缩短可以通过将销放置在 用于典型的充气卡车轮胎的胎肩胎面块中 ( 图 5 示出了这种轮胎的胎肩区域 ) 而实现。所 述胎面块的深度为 28mm， 其总厚度为 50mm。这种轮胎的硫化被胎肩区域中的硫化限制部分 所限制。例如， 使用传统方法的用于典型卡车轮胎的一般硫化时间为大约 56 分钟， 而胎圈 获得 alpha ＝ 0.9 的硫化状态的典型时间为大约 39 分钟， 而侧壁获得 alpha ＝ 0.9 的硫化 状态的典型时间为大约 22 分钟。因此， 所述轮胎的胎圈部分具有大约 17 分钟的额外加热， 而所述轮胎的侧壁部分具有大约 34 分钟的额外加热。 图 6 示出了在图 5 中表示的轮胎以传统方式硫化时在该轮胎的胎肩区域中形成的 热剖面。 可以看到， 在硫化的末尾， 所述胎面胎肩块的中心之内的温度比所述胎面块的表面 处的温度低大约 15℃。因此， 所述胎肩胎面块的内部为该轮胎的硫化限制部分。
图 7A 示出了改为有销 1000 以将热量引入到所述轮胎的硫化限制胎肩胎面块中的 模具的例子。图 7B 示出了由包有高屈服强度、 低热扩散系数材料的外壳 1010 的高热扩散 系数芯材 1020 制成的销的例子。
图 8A 示出了卡车轮胎的胎面的外观， 其中销被用来缩短在胎肩块中的硫化时间。 销孔 50 在胎肩胎面块 70 中是易于看见的。图 8B 示出了轮胎凹槽 60 和销孔 50 的相对深 度。在此， 所述销伸入到胎面块中至凹槽深度的大约 90％。
本发明的方法参考其在硫化轮胎和轮胎胎面中的使用而进行了描述。然而， 应当 了解， 该方法可以用于其它不均匀的橡胶制品。