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Dokumentenidentifikation DE102006023231A1 22.11.2007
Titel Elastomerprodukt
Anmelder Continental Aktiengesellschaft, 30165 Hannover, DE
Erfinder Fidan, Mehmet Sadettin, 30827 Garbsen, DE
DE-Anmeldedatum 18.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006023231
Offenlegungstag 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse C08J 5/04(2006.01)A, F, I, 20060518, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B60C 1/00(2006.01)A, L, I, 20060518, B, H, DE   C08L 21/00(2006.01)A, L, I, 20060518, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Elastomerprodukt, welches wenigstens eine in Kautschuk eingebettete Festigkeitsträgerlage aufweist, wobei die Festigkeitsträger der Festigkeitsträgerlage aus Filamenten oder aus einem Kord aus miteinander verdrehten Filamenten bestehen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elastomerprodukt bereitzustellen, welches Festigkeitslagen mit Festigkeitsträgern ausweist, die nicht korrosionsanfällig sind und Dimensionsalstabilität zeigen, welche das Elastomerprodukt nicht wesentlich im Gewicht erhöht und dennoch zugfest ist und auch bei hohen Temperaturen einen hohen Modul aufweist. Die Aufgabe wird gelöst, indem jedes Filament ein Hybridmonofilament (1) ist, welches aus einer extrudier- oder spinnbaren Polymermatrix und aus einer Vielzahl an in der Matrix gerichtet angeordneten Kurzfasern (2) besteht und dass die Kurzfasern (2) einen höheren Modul als das Matrixmaterial (3) aufweisen. Innerhalb eines Reifens sind bevorzugt die Festigkeitsträgerlagen Karkasse und/oder der Gürtel mit den vorbeschriebenen Festigkeitsträgern als Alternative zu Stahlfestigkeitsträgern aufgebaut.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Elastomerprodukt, welches wenigstens eine in Kautschuk eingebettete Festigkeitsträgerlage aufweist, wobei die Festigkeitsträger der Festigkeitsträgerlage aus Filamenten oder aus einem Kord aus mehreren miteinander verdrehten Filamenten bestehen.

Derartige Elastomerprodukte sind hinreichend in Form von beispielsweise Reifen und Fördergurten bekannt. Fördergurte sind endlos gemachte Gurte, die in der Festigkeitsträgerlage als Festigkeitsträger bevorzugt Stahlkorde aufweisen, sowie beidseitig mit Gummideckplatten und Kantenschutz versehen sind. Die Festigkeitsträger übernehmen die vom Antrieb auf den Fördergurt übertragenen Kräfte und müssen entsprechend der Antriebsleistung dimensioniert sein.

Reifen enthalten ebenfalls Festigkeitsträger aufweisende Verstärkungslagen. Die Festigkeitsträger sind insbesondere im Gürtelpaket und in der Karkasse in eine Gummimischung eingebettete Textil- oder Stahlkorde. Stahlkord ist üblicherweise aus wenigstens zwei miteinander verdrehten Stahlfilamenten hergestellt. Die Karkasse, mit entweder radial oder diagonal angeordneten Festigkeitsträgern, leistet Widerstand gegen den Innendruck eines Luftreifens. Das Gürtelpaket besteht aus mehreren Lagen aus in eine Gummimischung eingebetteten Stahlkorden, welche in jeder Lage parallel zueinander verlaufen, wobei die Stahlkorde der einen Lage die Stahlkorde der anderen Lage kreuzen. Die Gürtellagen werden nach radial außen häufig von einer Bandage abgedeckt, die in Umfangsrichtung des Reifens verlaufende Stahlkordfestigkeitsträger enthält. Das Gürtelpaket steigert die Form- und Fahrstabilität, verbessert den Rollwiderstand und erhöht die Laufleistung des Reifens. Weitere Festigkeitsträger aufweisende Lagen im Reifen sind beispielsweise der Wulstverstärker und der Flipper. Diese im Wulstbereich angeordneten Verstärkungslagen unterstützen die Fahrstabilität und ein präzises Lenkverhalten.

Als Festigkeitsträger werden bevorzugt Stahlkorde eingesetzt. Denn Stahl ist ein gut zu verarbeitendes, kostengünstiges Material, welches auch noch bei hohen Temperaturen eine große Bruchlast aufweist, welches sich wenig längt, welches geringen Ausdehnungsschwanken unterliegt und zudem zugfest ist. Der Durchmesser eines Stahlkordes beträgt wenigstens 0,25–2,00 mm.

Nachteilig ist jedoch, dass Stahl korrosionsanfällig ist und die Stahlkorrosion innerhalb einer Festigkeitsträgerlage oftmals zu einem verfrühten Ausfall des Elastomerproduktes führt. Zudem erhöht der Einsatz von Stahl innerhalb der Festigkeitsträgerlage das Gewicht des gesamten Elastomerproduktes, welches sich negativ auf den Gebrauch des Elastomerproduktes auswirkt. Um Stahl an Gummi anbindbar zu machen, muss ein Haftvermittler auf den Stahl aufgebracht werden. Dieses bedeutet in dem Herstellungsprozess einen zusätzlichen, kostenträchtigen Arbeitsschritt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elastomerprodukt bereitzustellen, welches Festigkeitslagen mit Festigkeitsträgern aufweist, die nicht korrosionsanfällig sind, die ein Temperaturverhalten aufweisen, welches dimensionalstabil ist, welches das Elastomerprodukt nicht wesentlich im Gewicht erhöht, dennoch zugfest ist und auch bei hohen Temperaturen einen hohen Modul aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst, indem jedes Filament ein Hybridmonofilament ist, welches aus einer extrudier- oder spinnbaren Polymermatrix und aus einer Vielzahl an in der Matrix gerichtet angeordneten, anisotropen Kurzfasern besteht und dass die Kurzfasern einen höheren Modul als das Matrixmaterial aufweisen. Der Modul sollte vorteilhafterweise mindestens 100 GPa betragen.

Es ist ein Elastomerprodukt bereitgestellt, das besonders aufgebaute Festigkeitsträger in zumindest einer Festigkeitsträgerlage innerhalb des Elastomerproduktes aufweist. Die Festigkeitsträger sind Hybridmonofilamente, die aus einer extrudier- oder spinnbaren Polymermatrix und aus in dieser Matrix gerichtet angeordneten Kurzfasern bestehen. Die in der Matrix des Monofilaments angeordneten Kurzfasern wirken quasi wie eine Vielzahl an Kurzfestigkeitsträgern, wodurch einem einzigen Hybridmonofilament durch geeignete Auswahl an in diesem Hybridmonofilament enthaltenen Kurzfasern und durch eine besondere Ausrichtung der Kurzfasern innerhalb des Monofilamentes diesem besondere spezifische Eigenschaften zuzuordnen sind. Die Kurzfasern sind anisotope Gebilde, die einen gegenüber dem Matrixmaterial höheren Modul aufweisen und somit die Matrix und das gesamte Hybridmonofilament versteifen. Gegenüber kurzfaserfreien Polymerfilamenten ist eine wesentlich höhere Biegesteifigkeit und ein Elastizitätsmodul erreicht, so dass die hier beschriebenen Hybridmonofilamentfestigkeitsträgerlagen alternativ zu Stahlfestigkeitsträgerlagen in Elastomerprodukten einsetzbar sind.

Während der Herstellung des Hybridmonofilament durch Spinnen oder Extrudieren in Form eines Materialstranges sind die in der Ausgangsmasse regellos angeordneten Kurzfasern durch gerichtete Druckeinwirkung beim Pressen des Materialstranges durch eine Auslassdüse, ein Mundstück o.ä. senkrecht zur Druckeinwirkung etwa in Längsrichtung der Hybridfilamenterstreckung ausgerichtet. Die Kurzfasern sind parallel nebeneinander und aber auch über die Länge des Hybridmonofilaments hintereinander oder versetzt hinter- oder nebeneinander statistisch homogen in der Matrix verteilt angeordnet. Die Matrix des Hybridmonofilaments weist einen geringeren Modul als die in der Matrix eingebetteten Kurzfasern auf.

Zu den in dieser Anmeldung verwendeten Begriffen wird darauf verwiesen, dass unter „Filament" generell ein langer Einzelfaden zu verstehen ist, dass unter „Monofilament" ein Einzelfaden (Filament) mit einem größerem Durchmesser zu verstehen ist und unter „Kord" eine Anzahl von (Mono-)Filamenten, welche miteinander verdreht sind. Aus wenigstens zwei Materialien bestehende Monofilamente, hier Matrix und Kurzfaser aus verschiedenen Materialien, werden als „Hybridmonofilamente" bezeichnet. Als „Matrix" ist die Grundmasse des Monofilaments bezeichnet, in der die Kurzfasern angeordnet sind. Unter „Modul" ist der Elastizitätsmodul zu verstehen.

In dem erfindungsgemäßen Elastomerprodukt ist in Abkehr zum Stand der Technik durch den Einsatz der vorbeschriebenen Hybridfestigkeitsträgerlagen auf den sonst üblichen Einsatz von Stahl als Festigkeitsträger verzichtet worden. Das Gewicht des Elastomerproduktes ist hierdurch verringert, die Korrosionsanfälligkeit durch den Verzicht auf Stahl vermieden und die Anbindbarkeit des Festigkeitsträgers im Elastomerprodukt ist verbessert, wobei die erwünschte Festigkeitsträgereigenschaften beibehalten bzw. durch geeignete Auswahl an Kurzfasern steigerbar und an die konkrete Anforderung anpassbar ist.

Vorteilhaft ist es, wenn das Elastomerprodukt ein Reifen, ein Förderband oder ein Schlauch ist. Gerade in Reifen, sei es Personenkraftwagenreifen, Nutzfahrzeug- und LKW-Reifen, Motorrad- oder Fahrradreifen, ist durch eine Gewichtsverringerung eine verbesserte Performance des Reifens erreicht. Innerhalb eines Reifens sind bevorzugt die Festigkeitsträgerlagen Karkasse und/oder der Gürtel mit den vorbeschriebenen Festigkeitsträgern aufgebaut. Die Karkasse und der Gürtel sind die wesentlichen und größten Festigkeitsträgerlagen eines Reifens. Durch die Kurzfasern enthaltenen Polymerfestigkeitsträger ist eine bessere Festigkeitsträger-Gummimischungshaftung erhalten. Die Polymerfestigkeitsträger können zusätzlich mit einem RFL-Haftvermittler zur Anhaftung an Gummi behandelt sein. Durch die bessere Polymerfestigkeitsträger-Gummihaftung ist zudem die bei Stahlfestigkeitsträgern im Gürtelbereich auftretende Gürtel-Kanten-Separation, die durch nicht am Gummi anhaftenden und daher beweglichen Stahlkordenden entsteht, vermieden. Insbesondere bei PKW-Reifen ist hierdurch das Handling verbessert. Die Lebensdauer des Elastomerproduktes, insbesondere des Reifens, ist verlängert.

In einer Ausführungsform sind die Kurzfasern parallel zur Filamentlängserstreckung ausgerichtet sind. Durch die parallel zur Längserstreckung des Monofilaments ausgerichteten Kurzfasern ist eine enorme Steifigkeit des Filaments erreicht, wodurch es sehr stabil ist.

In einer anderen Ausführungsform sind die Kurzfasern tordiert zur Filamentlängserstreckung ausgerichtet. Durch die tordiert zur Längsachse des Monofilaments angeordneten Kurzfasern ist eine hohe Bruchdehnung des Filaments erreicht. Tordierung meint eine wendelartige Anordnung der Kurzfasern in der Matrix um die Längsachse des Filaments.

Der Durchmesser eines Monofilaments beträgt vorteilhafterweise zwischen 0,1 mm–2,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm–0,5 mm, wobei der Durchmesser der Kurzfasern des Filaments zwischen 1,0 &mgr;m–50 &mgr;m, vorzugsweise zwischen 5,0 &mgr;m–20 &mgr;m beträgt. Die bevorzugte Länge der Kurzfasern des Filaments beträgt zwischen 0,1 mm–10 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm–3 mm.

In bevorzugten Ausführungsformen des Elastomerproduktes besteht die Matrix der Hybridfestigkeitsträgerfilamente der Festigkeitsträgerlagen aus Polyamid oder Polyester. Diese Materialien sind spinn- oder extrudierbar zu verarbeiten und sind von spezifisch geringem Gewicht.

Es ist aber auch möglich, dass die Grundmasse aus Leichtmetall oder aus einer Metalllegierung besteht.

Als geeignete Materialien für Kurzfasern innerhalb des Filaments kommen insbesondere Materialen wie vorzugsweise Metall, Keramik, Karbon, Aramid oder Glas in Betracht. Diese haben einen sehr hohen Modul und sind besonders geeignet, gerichtete Kräfte aufnehmen und das Filament zu verstärken.

Es können auch Kurzfasern aus unterschiedlichen Materialien in einem Filament angeordnet sein.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnungen, die schematische Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen die:

1 ein Hybridmonofilament mit parallel zur Längserstreckung des Hybridmonofilaments angeordneten Kurzfasern;

2 ein Hybridmonofilament mit tordiert zur Längserstreckung des Hybridmonofilaments angeordneten Kurzfasern;

3 ein Kord aus Hybridmonofilamenten

Die 1 zeigt ein Hybridmonofilament 1 mit parallel zur Längserstreckung des Hybridmonofilaments 1 angeordneten Kurzfasern 2. Ein solches Hybridmonofilament 1 wird zu Korden verarbeitet. Diese Korde bilden Festigkeitsträger in Festigkeitsträgerlagen von Elastomerprodukten wie beispielsweise Gürtelpaketen in Fahrzeugluftreifen. Die Matrix 3 des Hybridmonofilaments 1 besteht aus spinnbarem Polyester, während die Kurzfasern 2 aus einem hochmoduligen Material, hier Karbon, bestehen. Die Herstellung eines Hybridmonofilamentes 1 erfolgt mittels einer Spinneinrichtung unter Verwendung einer Spinndüse. Die Spinnmasse der Ausgangsmaterialien enthält das Matrixmaterial 3 und eingemengte Kurzfasern 2 und wird durch die Spinndüse ausgelassen, wodurch die Kurzfasern sich senkrecht zum Druck durch die Spinndüse, also parallel zur Längserstreckung des Filaments 1, ausrichten. Der Modul der Kurzfasern 2 ist wesentlich höher als der Modul des Matrixmateriales 3. Die Kurzfasern 2 sind homogen statistisch über das gesamte Hybridmonofilament 1 verteilt und sind parallel zu einander sowohl neben, als auch versetzt vor- und hintereinander über den gesamten Querschnitt angeordnet. Aber immer sind die Kurzfasern 2 etwa parallel zur Längserstreckung des Hybridmonofilamentes 1 angeordnet. Der Durchmesser eines Kordes beträgt 0,4 mm. Der Durchmesser der Kurzfasern des Filaments beträgt 20 &mgr;m. Die Kurzfasern innerhalb des Filaments haben in etwa eine Länge von 2 mm.

Das Hybridmonofilament 1' der 2 unterscheidet sich von dem in der 1 gezeigten Hybridfilament 1 dadurch, dass die Kurzfasern 2' tordiert bzw. gezwirnt, also um die Längsachse des Hybridfilaments gleichsinnig verdreht, angeordnet sind. Hierdurch weisen die Kurzfasern 2' eine Steigung gegenüber der Längsachse des Hybridfilaments 1' auf. Der Steigungswinkel der Kurzfasern in Bezug auf die Längsachse des Hybridfilaments kann bei anderen Filamenten-entsprechend der Anforderungen- ein anderer sein. Durch den Steigungswinkel ist die Bruchdehnung beeinflussbar. Das Hybridfilament 1' kann aufgrund seiner quasi-Zwirnung der Kurzfasern 2' funktional als ein Garn aufgefasst werden, wobei mehrere solcher funktionalen Garne einen funktionalen Kord bilden.

In der 3 ist ein Kord 4 aus zwei miteinander verdrehten Hybridmonofilamenten der 1 dargestellt. Ein solcher Kord kann in Elastomerprodukten anstatt des bisher verwendeten Stahlkordes eingesetzt werden, um das Gewicht des Produktes zu verringern, seine Performance und Handhabbarkeit zu erhöhen und korrosionsbedingten Ausfall zu vermeiden.

1
Hybridmonofilament
2
Kurzfaser
3
Matrix
4
Kord


Anspruch[de]
Elastomerprodukt, welches wenigstens eine in Kautschuk eingebettete Festigkeitsträgerlage aufweist, wobei die Festigkeitsträger der Festigkeitsträgerlage aus Filamenten oder aus einem Kord aus miteinander verdrehten Filamenten bestehen,

dadurch gekennzeichnet,

dass jedes Filament ein Hybridmonofilament (1) ist,

welches aus einer Polymermatrix (3) und einer Vielzahl aus in der Matrix (3) gerichtet angeordneten Kurzfasern (2) besteht

und dass die Kurzfasern (2) einen höheren Modul als das Matrixmaterial aufweisen.
Elastomerprodukt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomerprodukt ein Reifen, ein Förderband oder ein Schlauch ist. Elastomerprodukt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeitsträgerlage des Reifens zumindest die Karkasse und/oder der Gürtel ist. Elastomerprodukt nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzfasern (2) parallel zur Filamentlängserstreckung ausgerichtet sind. Elastomerprodukt nach einem oder mehreren Ansprüchen der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzfasern (2) tordiert zur Filamentlängsachse ausgerichtet sind. Elastomerprodukt nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Monofilaments (1) zwischen 0,1 mm–2,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm–0,5 mm beträgt. Elastomerprodukt nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Kurzfasern (2) des Filaments zwischen 1,0 &mgr;m–50 &mgr;m, vorzugsweise zwischen 5,0 &mgr;m–20 &mgr;m beträgt. Elastomerprodukt nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Kurzfasern (2) innerhalb des Filaments zwischen 0,1 mm–10 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm–3 mm beträgt. Elastomerprodukt nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (3) des Filaments aus Polyamid, Polyester oder Leichtmetall oder aus einer Metalllegierung besteht. Elastomerprodukt nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzfasern (2) des Filaments (1) aus einem einen sehr hohen Modul, größer in etwa 100 GPa, aufweisenden Material bestehen, wie vorzugsweise Metall, Keramik, Karbon, Aramid oder Glas.






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