嵌⼊式电⼦加速器在轮胎预硫化中的应⽤
何⼩海，陈志宏等
1.引⾔
轮胎预硫化技术是⼀种现代先进的轮胎⽣产⼯艺，是通过电⼦加速器发射的⾼能电⼦束辐照轮胎橡胶部件半成品，如帘⼦布、胎体、⽓密层等，使胶料离⼦化、活化，并产⽣交联反应，能有效改善橡胶的性能，使其机械强度明显提⾼，在成型、硫化过程中胶料的受⼒均匀、膨胀⼀致，在后续处理⼯艺中保持轮胎部件稳定的形状和尺⼨。
轮胎预硫化技术在轮胎⽣产应⽤中的研究在国外始于上世纪50年代末。到20世纪70年代，美国宝兰⼭轮胎公司、法国⽶其林轮胎公司、德国⼤陆轮胎公司等世界著名轮胎公司纷纷在轮胎⽣产中使⽤了轮胎辐射预硫化技术。在80～90年代，该技术凭借其可提⾼轮胎产品品质和⽣产效率，节约天然橡胶的⽤量，降低单位⽣产能耗，有利于减少温室⽓体和有害⽓体的排放等卓越的性能，在欧美轮胎⽣产企业开始⼤量应⽤。据了解，继费尔斯通在上世纪80年代建成世界上第⼀条轮胎核辐射预硫化⼯业⽣产线后，国外⼤的轮胎企业都已陆续采⽤核辐射预硫化技术进⾏轿车⼦午胎⽣产，⽬前全球已有60套核辐射预硫化装
置应⽤于轮胎⽣产中，其中⽇本91%的轿车⼦午胎采⽤核辐射预硫化技术⽣产。现韩国、菲律宾、印尼等的轮胎⽣产也采⽤电⼦束预硫化技术。上个世纪以来，核辐射预硫化轮胎的产值已达到300亿美元左右，成为⾮动⼒核技术最⼤的应⽤领域。但国
外企业对该技术严格保密。这也是我国⾄今尚⽆⼀家轮胎企业（外资轮胎企业除外）掌握和应⽤辐射预硫化技术的原因之⼀。
随着国外轮胎制造先进企业进驻中国，轮胎预硫化技术逐渐受到国内轮胎⾏业及橡胶⼯业的认可和重视。
2.轮胎辐射预硫化技术
2.1技术原理
电⼦束辐射预硫化技术是通过电⼦加速器产⽣的⾼能电⼦在橡胶基体中激活橡胶分⼦，产⽣橡胶⼤分⼦⾃由基，这些⾃由基之间的相互结合（偶合终⽌），使橡胶⼤分⼦交联形成3维⽹状结构；辐射硫化⽆需加⼊硫化体系，在常温常压下就可以进⾏。
电⼦加速器产⽣的⾼能电⼦进⼊⾼分⼦材料体中，使⾼分⼦电离或者激发：
汽车电子加速器A→A++e-
A→A×（还有A××，既⾼能激发态，是辐射化学中特有的）辐射作⽤形成的原初化学产物（活性粒⼦）除了上述离⼦、电⼦、激发分⼦外还包括⾃由基和某些分⼦产物，这些原初粒⼦都是⾼活性的，它们可以发⽣裂解、重排、电⼦转移、抽氢、加成等多种反应。图1表⽰⾼分⼦材料在射线作⽤下，可能发⽣的⼀些应⽤过程。
图1.⾼分⼦辐射化学反应
2.2辐射剂量对橡胶辐射硫化⼯艺的影响
聚合物的辐射效应是⼀种竞争机制。在聚合物被辐射时，分⼦间交联反应和降解反应同时发⽣，即橡胶⾼分⼦在辐射过程中，⼀⽅⾯通过分⼦间的交联⽽形成⽹络⼤分⼦，分⼦量不断增加；另⼀⽅⾯，辐射导致化学键断裂，分⼦量降低。在交联与降解的竞争反应中，在⼀定辐射剂量范围内，以交联反应为主的⾼分⼦材料，称之为辐射交联型⾼分⼦；相反以降解反应为主的⾼分⼦材料，称之为辐射降解型⾼分⼦。当辐射剂量超过⼀定范围，所有的⾼分⼦都会出现辐射降解，最后被降解成⼩分⼦。因此，辐射剂量是确定橡胶辐射硫化⼯艺的重要参数。辐射剂量SBR硫化橡胶⼒学性能的影响如表1所⽰。
表1.辐射剂量对SBR硫化橡胶⼒学性能的影响
由表1可以看出，SBR橡胶是辐射交联型⾼聚物，随着辐射较量的增加，分⼦间交联形成⽹络⼤分⼦，材料⼒学性能得到明显改善。在辐射剂量为150kGy左右时，材料综合⼒学性能最佳；在辐射剂量为200kGy左右时，材料性能没有发⽣明显变化。聚合物被辐射时，交联反应和降解反应同时发⽣。以交联为主，分⼦间形成3维⽹状结构，材料性能恶化。当辐射剂量超过⼀定值后，所有的⾼分⼦聚合物都会出现辐射降解反应。因此，对SBR橡胶⽽⾔，辐射硫化剂量控制在140-180kGy之间，材料⼒学性能最佳。
表2. 辐射剂量对NR/SBR/BR⼒学性能的影响
由表2可以看出，对于NR/SBR/BR并⽤体系，随着辐射剂量的增加，分⼦间交联形成⽹络⼤分⼦，材料⼒学性能得到明显提⾼。当辐射剂量为60-80kGy时，材料⼒学性能达到最佳；在辐射剂量提⾼到100kGy以上，橡胶材料⼒学性能呈现下降趋势，证实了对⾼聚物材料进⾏辐射交联时，当辐射剂量超过⼀定范围，所有的⾼分⼦聚合物都会出现辐射降解。当辐射剂量较⼤时，降解反应占主导，胶料⼒学性能呈现逐渐恶化趋势。同时，采⽤辐射硫化⼯艺制备的材料，其拉伸性能达到或优于化学硫化的胶料，撕裂性能符合SBR化学硫化与辐射硫化呈现的现象。
表3.辐射硫化与化学硫化两种⽅式的NR/SBR/BR物理性能⽐较
由表3.可知，NR/SBR/BR并⽤体系经辐射硫化后，耐热⽼化性能、耐疲劳性能均明显优于化学硫化制备的胶料，其拉伸强度⽼化系数由0.73提⾼到0.90，拉断伸长率由0.54提⾼到0.67，撕裂强度由0.55提⾼到0.81，疲劳系数由0.85提⾼到0.90。辐射硫化与化学硫化相⽐，⼤⼤提⾼了胶料的耐热⽼化性能和耐疲劳性能。
2.3 辐射硫化与化学硫化的⽐较
化学硫化和辐射硫化具有典型的区别。传统的化学硫化，采⽤化学助剂和加热硫化的⽅法进⾏成型，就加⼯⼯艺⽽⾔，存在着温度扩散梯度，造成表⾯与内部交联度不同；同时交联剂与基材在进⾏机械共混时不够均匀，导致交联剂在胶料中分散不均匀。就理论上⽽⾔，由于交联剂的结构和极性差别很⼤，从⽽导致交联剂基材相容性较差，局部出现交联剂富集；另外，化学硫化⾼分⼦间主要以-S-S-键和-C-S-键进⾏分⼦交联，键能较低，很容易断裂，致使橡胶物理化学性能较差。
轮胎辐射预硫化，采⽤电⼦束进⾏辐射交联，选定⼯艺，可以使电⼦束均匀的贯穿整个样品，交联密度⽐较均匀，从⽽形成均匀的⽹络结构。其中，⾼分⼦间主要以-C-C-键进⾏分⼦交联，键能较⾼，因⽽材料的耐撕裂、耐⽼化、耐臭氧等物理性能得到较⼤的提⾼。采⽤辐射交联，可以使橡胶材料在常温下完成硫化，因此也降低由于加热⽽造成的化学污染。
表4.辐射硫化与传统热硫化技术的⽐较
2.4轮胎辐射预硫化⼯艺路线及优点
与传统轮胎⽣产⼯艺路线相⽐（如图2所⽰），轮胎橡胶部件电⼦束预硫化⼯艺路线，如图3所⽰：
轮胎辐射预硫化的优点有：在常温、常压下进⾏；可以精确控制硫化程度，且操作简便，改变电⼦束束流强度即可；预硫化速度快，仅需要⼏秒钟，可以满⾜轮胎成型⼯艺⾃动化和⾼产量的要求。采⽤轮胎辐射预硫化技术的效果详见表5。
部件电⼦束预硫化图2.传统轮胎⽣产⼯艺路线
图3.轮胎辐射预硫化⼯艺路线
表5.轮胎辐射预硫化技术优点
表6.是全钢、半钢⼦午胎⽣产线采⽤传统⼯艺和采⽤轮胎辐射预硫化技术相对⽐取得的效果的列表。
表6.全钢、半钢⼦午胎⽣产新旧⼯艺对⽐
3.轮胎辐射预硫化专⽤设备
3.1典型的轮胎辐射预硫化专⽤设备
轮胎辐射预硫化专⽤设备是指轮胎辐射预硫化⼯艺中可供⽤于产⽣⾼能电⼦的电⼦加速器及其束下装置，是能否成功实施和推⼴应⽤轮胎辐射预硫化技术的关键因素。典型的电⼦加速器及束下装置如图4.所⽰，适⽤于新建或待建轮胎⽣产线：
3.2在线嵌⼊式轮胎预硫化专⽤电⼦加速器
由中国⼯程物理研究院四川久环电⽓有限责任公司⾃主开发的在线嵌⼊式轮胎辐射预硫化专⽤电⼦加速器，如图5、图6所⽰。
(增加新图⽚) 在线嵌⼊式轮胎辐射预硫化专⽤电⼦加速器是针对已经建成轮胎⽣产
线进⾏辐射预硫化技术改造⽽研制开发的。其产品特⾊主要有：（1）为现
有已经建成的帘布层和⽓密层⽣产线配套，采⽤积⽊式加速器布局，
图5.在线嵌⼊式轮胎辐射专⽤电⼦加速器图4.典型的电⼦加速器及束下装置⽰意图图6.全钢内衬层辐照专⽤电⼦加速器
可在不改动现有⽣产线的结构和不改变现有⽣产流程的条件下，实现轮胎部件在线预硫化；（2）是输出⼤剂量率电⼦束射线（束流强度⾼达150mA），在不改变现有配⽅的条件下，保证⽣产线的运⾏速度不降低。
3.3 与国外典型轮胎辐射预硫化电⼦加速器⽐较（以⽇本辐射预硫化加速器为例，如表7所⽰）
表7.与在线嵌⼊式辐射预硫化加速器⽐较
3.4 在线嵌⼊式专⽤加速器技术指标
3.4.1技术指标
(1)电⼦束能量：500keV
(2)电⼦束流强：0～150mA
(3)束功率：0～75kW
(4)扫描不均匀性：<±7%
(5)泄漏剂量：低于国家标准，<10usV/h
(6)可以处理的产品宽度：1500mm
4.轮胎辐射预硫化技术的经济效益
以全钢胎过渡层减薄为例，简单计算此项技术节约的成本：
过渡层减薄：3.8mm减⾄2.8mm，平均每条胎节省1kg，1kg/条×17元/kg=17元。
压出速度，效率提⾼，设备折旧节约，⼈员⼯资减少，提⾼成品率，缩短硫化时间等都暂时不计算。
节约成本合计：100万条/年，轮胎⽣产线，年节约1700万元左右，6个⽉全部收回投资。（烦请陈总补充）
年新增运营成本：
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