Рецептура резин для внедорожных шин

Тяжелые условия эксплуатации внедорожных шин на дорогах с неусовершенствованным скальным покрытием, многослойность конструкции, большие габариты и масса, а также длительные циклы вулканизации выдвигают целый ряд требований к рецептуре шинных резин. Так, протекторные резины должны обладать высоким сопротивлением порезам, проколам, скалыванию и раздиру при температуре до 120 ^оC. Брекерные и каркасные резины должны иметь хорошие усталостные свойства и сохранять заданный уровень статистической и динамической прочности связи на границе резина-корд и между элементами покрышек при повышенной температуре. При этом все резины должны обладать стойкостью к реверсии при длительной вулканизации.

Эти требования объясняют тот факт, что ведущие производители внедорожных шин в рецептуре основных резин используют натуральный каучук.

Тем не менее были поставлены работы по полной или частичной замене натурального каучука на синтетический изопреновый каучук типа СКИ-3 для шин, работающих в карьерах с длинным плечом перевозок. Использование в протекторных резинах бутадиенстирольного каучука типа СКМС-30 АРК имеет практическое значение для шин, эксплуатирующихся в карьерах с тяжелыми условиями, коротким плечом перевозок и на подземном рудничном транспорте.

Успешное применение в рецептуре протектора внедорожных шин синтетических каучуков возможно в случае направленной химической модификации молекулярных цепей при использовании олигомеров с концевыми реакционноспособными группами в сочетании с бифункциональными соединениями типа метафениленбисмалеинимида, алкилфенолдисульфидной смолы (октофор 10S), ω, ω^, – гексахлорпараксилола. Совместное применение олигомеров и комплексных вулканизующих систем позволяет получать резины на основе синтетических каучуков с повышенной плотностью поперечного сшивания, высокой термостабильностью, усталостной выносливостью и стойкостью к действию сосредоточенных нагрузок. Для обкладочных резин были развиты представления о направленном изменении прочности связи резин с пропитанными и непропитанными  армирующими материалами. Эти представления основаны на модификации реакционноспособными группами адгезива или волокнообразуемого полимера приводит к образованию в области адгезионного шва сетки дополнительных межфазных связей.

В качестве таких добавок разработчики рецептуры внедорожных шин применяют с-нитрозоароматические амины, производные двухатомных фенолов (модификатор РУ-1) ω,ω^, - гексахлорпараксилол и производные N,N^,- бисмалеинимида.

Поскольку структура вулканизационной сетки является одним из основных факторов, оказывающих глубокое влияние на продолжительность срока службы изделия как при низких, так и повышенных температурах, основное внимание уделяется правильному выбору вулканизующей системы.

Наряду со стандартной вулканизующей системой широко применяется полуэффективная вулканизующая система, содержащая пониженное количество серы, повышенное- ускорителя при равном их соотношении. Разработчики рецептуры для внедорожных шин отдают предпочтение ускорителям сульфенамидного типа в силу их превосходной устойчивости против подвулканизации, реверсии и эффективного сшивания молекулярных цепей каучука. Практическое значение получили вулканизующие системы на основе серы и N,N^,-дитиодиморфолина; серы и ω,ω^, -гексахлорпараксилола; серы и алкилфенолдисульфидформальдегидной смолы (октофор 10S); октофора 10S и N, N^,-дитиодиморфолина; производных малеимида в сочетании с серой и сульфенамидными ускорителями.

Важной особенностью перечисленных вулканизующих систем является высокая стойкость к преждевременной вулканизации, сопротивление  реверсии и длительное сохранение технических свойств в условиях термоокислительного старения.

В указанных вулканизующих системах в качестве активаторов применяется комбинация из 5мас.ч. оксида цинка и 1-3мас.ч, стеариновой кислоты на 100мас.ч.  каучука. Во многих случаях дозировку оксида цинка снижают до 3мас.ч. без серьезного изменения скорости вулканизации и свойств вулканизата. Увеличенная дозировка стеариновой кислоты до 6мас.ч. в резинах на основе НК или с преимущественным содержанием НК обеспечивает высокую термостабильность в сочетании с хорошей прочностью на истирание.

Из замедлителей подвулканизации производители внедорожных шин отдают предпочтения N-циклогексилтиофталимиду ( сантогарду PVI), который существенно повышает стойкость смесей к подвулканизации, особенно после тепловой обработки.

В качестве усиливающих наполнителей производители внедорожных шин в рецептуре основных резин применяют широкий ассортимент технических углеродов от дешевых малоусиливающих типов до высокодисперсного технического углерода типа П-245, обладающего значительным эффектом усиления. В протекторных резинах внедорожных  шин используют и добавки кремнекислотных наполнителей типа Ультрасил VN-3, повышающих стойкость резин к механическим повреждениям. Прогресс в области улучшения свойств резин с минеральными усилителями, достигнут за счет добавок силанов с функциональными группами, обеспечивающих повышение связи полимера с наполнителями.

С целью выбора оптимального пластификатора были изучены пластификаторы различной природы в дозировке от 0 до 15 мас.ч. на 100 мас.ч. полимера. Независимо от природы пластификаторов, введение их в дозировке более 4 мас.ч. вызывает существенное изменение показателей сопротивления резин сосредоточенным нагрузкам, снижение условной прочности при растяжении и сопротивления раздиру. В этой связи максимально допустимая дозировка масла ПН-6 в протекторных резинах внедорожных шин не должна превышать 4 мас.ч. на 100мас.ч. эластомера.

Для изготовления и переработки высоковязких смесей с уменьшенной дозировкой пластификатора и большим (до 20 мас.ч.) содержанием тонкодисперсного минерального наполнителя типа Ультрасил VN-3 разработаны технологические процессы смешения с доработкой смеси после первой стадии на вальцах и навивки протектора узкой лентой.

Основываясь на анализе особенностей деструктивных механических процессов, протекающих в резинах различных элементов внедорожных шин в условиях эксплуатации (усталостное разрушение, тепловое разрушение, озонное растрескивание, разрушение резин при износе) и влияния на них различных стабилизаторов, широко применяют системы стабилизаторов на основе N-изопропил-N^,- фенил-n-фенилендиамина (диафен ФП) и 6-этокси-2,2,4-триметил-1,2-дигидрохинолина (хинол ЭД) или ацетонанила в сочетании с микрокристаллическим воском. Применение стабилизаторов класс n-фенилендиамина и дигидрохинолина обеспечивает надежную защиту покровных резин от озонного растрескивания.

Следует сокращать дозировку стабилизаторов во внутренних деталях шин при одновременном введении в рецептуру с-нитрозомодификаторов, обеспечивающих достаточную стойкость резин к тепловому старению.

Шины для внедорожной колесной техники, применяемые для карьерного транспорта, определяются как крупногабаритные (КГШ) и сверхкрупногабаритные (СКГШ).

Развитие карьерного транспорта идет по пути повышения удельного веса автосамосвалов особо большей грузоподъемности 110-180 т с использованием СКГШ-33.00-51 и 40.00-57.

Учитывая, накопленный опыт создания рецептуры резин для внедорожных шин были проведены работы по созданию резин для СКГШ.

Необходимо было оптимизировать режимы вулканизации, выявить  контурные линии ослабленных переходных слоев в многослойной конструкции шины, изучить совместимость в СКГШ резин, отличающихся по рецептуре и назначению. Для СКГШ, имеющих толщину сечения 180-240 мм и продолжительность вулканизации 10-14 ч, определяющее влияние на свойства резин оказывает температура вулканизации. Со стороны каркаса на резины протектора при вулканизации воздействует интенсивный тепловой поток от перегретой воды с температурой (180±5⁰С). Перевулканизация резин проявляется в снижении физико-механических показателей во всех деталях.

Моделирование поведения резин СКГШ с целью оптимизации режимов вулканизации проведено с применением блочных образцов. Рецептура резин отрабатывалась на модельных шинах 9.00-20, что позволило существенно ускорить и удешевить процесс совершенствования резин. Данный метод подтвердил  правомерность зависимостей и дал возможность выбрать лучшие рецептурные варианты.

Одними из основных причин преждевременного выхода из эксплуатации СКГШ являются тепловые разрушения из-за превышения допустимой эксплуатационной температуры(110⁰С) и преждевременный или аномальный износ рисунка протектора.

Экстремальные условия эксплуатации СКГШ неизбежно приводят к повышению в шинах температуры. Теплостойкость шинных материалов ограниченна, а эксплуатационная температура СКГШ может превышать допустимую температуру.

В условиях абразивного износа СКГШ, эксплуатирующихся на скальных грунтах, работоспособность протектора зависит от установившегося теплового режима. Стандартный метод определения износа непригоден для испытания образцов резин, так как при повышенной температуре истираемая  поверхность осмоляется. Разработана методика оценки износостойкости протекторных резин в режимах работы КГ и СКГ шин, характерных для горнодобывающей промышленности. Проведено моделирование износа резин в температурном режиме эксплуатации шин (100-120⁰С). Выявлены зависимости износостойкости резин в условиях режима заданного напряжения сжатия от типа каучука и вулканизующей системы.

Выявленные закономерности легли в основу создания практических рецептур резиновых смесей, отвечающих различным климатическим и горно-геологическим условиям эксплуатации внедорожных шин, в том числе КГШ и СКГШ. Впервые в отечественной практике разработаны и освоены различные модификации внедорожных испытаний шин 40.00-57 (специальные) для особо тяжелых условий эксплуатации и шин 33.00-51 модификации (устойчивая к порезам), (теплостойкая) и (износостойкая) подтвердили возможность прогнозирования требуемых свойств шин для реальных  и конкретных условий эксплуатации.

В настоящее время в результате проведенных научно-исследовательских и организационных работ создано в СНГ промышленное производство шин для внедорожной техники на таких крупнейших заводах как ОАО (Днепрошина), БелШИ-НА, ВлШЗ, ВШЗ, КяШЗ.

Рецептура резиновых смесей разработана с учетом ассортимента выпускаемых шин и особенностей дорожно-климатических условий их эксплуатации. Результаты научных разработок позволили создать уникальные резиновые смеси, что обеспечило шинную промышленность отечественными внедорожными шинами высокого качества.