DE10137863B4

DE10137863B4 - Laminierter Polyamid-Druckluftbremsschlauch

Info

Publication number: DE10137863B4
Application number: DE10137863A
Authority: DE
Inventors: Edward A. Mantua Green
Original assignee: Saint Gobain Performance Plastics Corp
Current assignee: Saint Gobain Performance Plastics Corp
Priority date: 2000-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2009-10-15
Anticipated expiration: 2021-08-03
Also published as: NL1018690A1; GB2367108A; SE521477C2; SE0102624D0; DE10137863A1; GB0118275D0; SE0102624L; BE1014324A6; US6670004B1; GB2367108B; BE1014324B5; NL1018690C2

Abstract

Druckluftbremsschlauch mit einer ersten äußersten Schicht, die an eine zweite Schicht angrenzt, die an eine dritte Schicht angrenzt, die an eine vierte Schicht angrenzt, die an eine fünfte Schicht angrenzt,
wobei die erste Schicht ein Polyamid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyamid 11, Polyamid 12 und Mischungen davon, ist,
und die zweite Schicht eine mit der ersten und dritten Schicht kompatible Verbindungsschicht umfasst,
die dritte Schicht ein schlagmodifiziertes Polyamid 6 mit einem Biegemodul bei Raumtemperatur von mindestens 5,4 × 10⁶ N/mm² (40.000 psi) und einem Elastizitätsmodul bei 110°C (230°F) von mindestens 1,45 × 10⁶ N/mm² (10.000 psi), einer Zugfestigkeit bei 110°C (230°F) von mindestens 150 × 10³ N/mm² (1.000 psi) und einer Izod-Schlagfestigkeit bei –70°C von mindestens 0,7 enthält,
und wobei die vierte Schicht die gleiche ist wie die dritte Schicht,
und wobei die die fünfte Schicht die gleiche ist wie die erste...

Description

Druckluftbremssysteme werden häufig in Schwerlastfahrzeugen, wie z. B. in Zugmaschinen und ähnlichem eingesetzt. In solchen Systemen wird das Bremssystem durch Druckluft aktiviert, die durch einen Schlauch geleitet wird. Dazu kann ein Metallschlauch eingesetzt werden, jedoch wird üblicherweise ein Polyamidschlauch und insbesondere ein polyesterverstärkter Polyamidschlauch bevorzugt. Ein Polyamidschlauch, wie der im U.S.-Patent 3,062,241 an Grumbach offenbarte, hat mit außergewöhnlichem Erfolg die Anforderungen erfüllt und wurde zur Industrienorm.
Dieses Produkt umfasst eine innere und eine äußere Schicht aus Polyamid 11 oder 12, die durch eine Polyesterfaser-Zwischenschicht voneinander getrennt sind. Die inneren und äußeren Schichten sind fest aneinander laminiert und delaminieren unter den Einsatzbedingungen von typischerweise bis zu 21,8·10 N/mm² (150 psi) über einen breiten Temperaturbereich, d. h. von –40 bis 93°C (–40 bis 200°F), nicht. Ferner sind Polyamid 11 und Polyamid 12 für Anwendungen in Fahrzeugen und Lastkraftwagen geeignet. Ihre Widerstandsfähigkeit gegen Rissbildung und ihre Beständigkeit gegen Treibstoff und Wasser sind außergewöhnlich. Ferner sind sie nicht, wie Polyamid 6, empfindlich gegen Spannungsrissbildung durch Zinkchlorid.
Polyamid 11 und 12 weisen einige Nachteile auf. Insbesondere sind die Kosten und die Erhältlichkeit dieser Produkte nachteilig. Polyamid 11 wird nur von einer Firma hergestellt. Polyamid 12 wird von vier Firmen hergestellt. Ferner sind Polyamid 11 und 12 für den Einsatz bei Temperaturen unterhalb von –40°C (–40°F) oder bei extrem hohen Temperaturen, d. h. oberhalb von 93°C (200°F) ungeeignet. In Europa verwenden Hersteller üblicherweise Polyamid 6, wenn eine höhere Temperaturbeständigkeit erforderlich ist. Dies ist kostengünstiger als Polyamid 11 und 12. Aber bei niedrigen Temperaturen, d. h. bei ungefähr –40°C (–40°F) neigt das unmodifizierte Polyamid 6 beim Kaltschlag dazu, sich spröde zu verhalten.
Darüber hinaus unterliegt Polyamid 6 der Spannungsrissbildung, wenn es mit Zinkchlorid in Kontakt kommt und verliert seine physikalischen Eigenschaften, wenn es mit Wasser gesättigt ist. Die Beständigkeit gegen Zinkchlorid ist in bestimmten Umgebungen ein Problem, insbesondere wenn auf den Straßen Salz zum Schmelzen von Eis und Schnee verwendet wird oder in der Nähe des Ozeans. Viele Schlauchverbinder sind mit Zink beschichtet und bilden Zinkchlorid, wenn sie mit Natriumchlorid aus Salzwasser oder ähnlichem in Kontakt kommen, wodurch ein Versagen des Polyamids 6 verursacht wird. Aus diesem Grund wurde Polyamid 6 für den Einsatz in den Vereinigten Staaten nicht akzeptiert und findet in anderen Ländern nur beschränkt Anwendung.
Ferner ist Polyamid 6 an sich nicht kompatibel mit Polyamid 11 oder 12, und daher ist die Herstellung eines laminierten Schlauches unter Verwendung von Schichten aus Polyamid 11 oder 12 problematisch. Bis jetzt waren aufgrund der Anwendungserfordernisse und der Kompatibilitätserfordernisse laminierte Schläuche aus Polyamid 6 und Polyamid 12 oder Polyamid 11 nicht möglich.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß ein laminierter, verstärkter Polyamid-Druckluftbremsschlauch aus Polyamid 11- oder 12- und Polyamid 6- oder Polyamid 6-6-Schichten geformt werden kann, indem eine dazwischenliegende Verbindungsschicht eingefügt wird und gleichzeitig modifiziertes Polyamid 6 oder Polyamid 6-6 verwendet wird. Insbesondere ist die Verbindungsschicht zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung ein Polyamid 6-12 oder ein Maleinanhydrid-modifiziertes Polyolefin, das mit Polyamid 6, Polyamid 6-6 und Polyamid 11 oder Polyamid 12 kompatibel ist, und insbesondere sogar mit dem modifizierten Polyamid 6 oder Polyamid 6-6 kompatibel ist.
Durch die Verwendung eines modifizierten Polyamid 6 oder Polyamid 6-6 werden die Nachteile von Polyamid 6 verringert, und gleichzeitig bleibt es mit der Verbindungsschicht kompatibel. Durch die Verwendung von inneren und äußeren Schichten von Polyamid 11 oder 12 werden die Belastungen des Polyamid 6 durch Umwelteinflüsse inklusive Feuchtigkeit und Zinkchlorid beseitigt, und ferner wird all dies erreicht, während die Hochtemperaturvorteile von Polyamid 6 oder 6-6 erhalten bleiben.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckluftbremsschlauch mit einer ersten äußersten Schicht, die an eine zweite Schicht angrenzt, die an eine dritte Schicht angrenzt, die an eine vierte Schicht angrenzt, die an eine fünfte Schicht angrenzt, wobei die erste Schicht ein Polyamid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyamid 11, Polyamid 12 und Mischungen davon, ist, und die zweite Schicht eine mit der ersten und dritten Schicht kompatible Verbindungsschicht umfasst, die dritte Schicht ein schlagmodifiziertes Polyamid 6 mit einem Biegemodul bei Raumtemperatur von mindestens 5,4 × 10⁶ N/mm² (40.000 psi) und einem Elastizitätsmodul bei 110°C (230°F) von mindestens 1,45 × 10⁶ N/mm² (10.000 psi), einer Zugfestigkeit bei 110°C (230°F) von mindestens 150 × 10³ N/mm² (1.000 psi) und einer Izod-Schlagfestigkeit bei –70°C von mindestens 0,7 enthält, und wobei die vierte Schicht die gleiche ist wie die dritte Schicht, und wobei die die fünfte Schicht die gleiche ist wie die erste Schicht.
Die Erfindung wird anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der Zeichnungen näher erläutert, in denen
1 eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Darstellung eines in der vorliegenden Erfindung verwendeten Druckluftbremsschlauchs zeigt;
2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in 1 zeigt;
3 einen Querschnitt einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, betrifft die vorliegende Erfindung einen Druckluftbremsschlauch 11 mit einer inneren Schicht 14 und einer äußeren Schicht 15, der einen hohlen Innenbereich 12 definiert. Sowohl die äußere Schicht 15 als auch die innere Schicht 14 bestehen entweder aus Nylon 11 oder 12. Zwischen der inneren Schicht 14 und der äußeren Schicht 15 ist mindestens eine Schicht aus Polyamid 6 oder Polyamid 6-6 vorhanden, die durch Verbindungsschichten von den inneren und äußeren Schichten 14 und 15 getrennt ist. Die innere Schicht 14 ist optional und kann zur Verringerung der Kosten weggelassen werden.
Mit Bezugnahme auf die in 1 gezeigte Ausführungsform, umfaßt der Schlauch insbesondere eine innerste Schicht 14, die mit einer Verbindungsschicht 18 verbunden ist, die ihrerseits mit einer Schicht 21 aus modifiziertem Polyamid 6 oder 6-6 verbunden ist. Die Schicht 21 ist von einer Faserschicht oder einer Flechtschicht 16 umgeben. Eine zweite Schicht 24 aus Polyamid 6 oder 6-6 umgibt das Geflecht 16 und eine Verbindungsschicht 26 verbindet ihrerseits die äußere Polyamidschicht 15 mit der Schicht 24.
Die Schichten 14 und 15 bestehen entweder aus Polyamid 11 oder Polyamid 12. Vorzugsweise sind diese Schichten so dünn wie möglich, und üblicherweise ist die äußere Schicht 15 ungefähr 0,125 bis 0,685 mm (0,005 bis 0,015 inch) und vorzugsweise 0,178 mm (0,007 inch) dick. Die innere Schicht 14 ist vorzugsweise 0,025 bis 0,125 mm (0,001 bis 0,005 inch) und vorzugsweise 0,05 mm (0,002 inch) dick. Der Zweck dieser Schichten besteht darin, für eine Isolation von der Kraftfahrzeugumgebung, wie z. B. Feuchtigkeit und Zinkchlorid sowie anderen zu sorgen.
Die Polyamid 11- und 12-Schichten bestehen aus kommerziell erhältlichem, plastifiziertem Polyamid, wie z. B. Rilsan BESNO p40 TL 89 (Polyamid 11) oder optional aus plastifiziertem Polyamid 12, das von Hüls unter dem Markennamen X7293 oder Rilsan AESNO p401 TL erworben werden kann. Mischungen aus Polyamid 11 und/oder Polyamid 12 können ebenso eingesetzt werden. Diese Mischungen sind einfach Polyamid, gemischt mit weniger als 50 Gew.-% eines kompatiblen Polymers, wie z. B. Maleinanhydrid-modifiziertem Polyethylen mit einer hohen Dichte. Im folgenden umfaßt der Begriff Polyamid 11 oder 12 sowohl 100% Polyamid als auch Polyamidmischungen mit vergleichbaren Eigenschaften.
Die Verbindungsschichten 26 und 18 sind wiederum vorzugsweise so dünn wie möglich und bestehen aus 0–100% Polyamid 6-12, gemischt mit 0–100% Maleinanhydrid-modifiziertem Polyolefin. Polyamid 6-12 wird von Dupont hergestellt und als FE3646 oder Hüls B50565 verkauft. Dieses Produkt kann ohne weitere Mischung verwendet werden, es kann aber durch die Zugabe von Plastifizierern oder Schlagmodifizierern modifiziert werden. Das Maleinanhydrid-modifizierte Polyolefin wird von Dupont als Fusabond 100D verkauft. Die Dicke der Verbindungsschichten 26 und 18 sollte von 0,025 bis 0,125 mm (0,001 bis 0,005 inch) und vorzugsweise 0,05 mm (0,002 inch) betragen. Das Polyamid 6-12 ist bevorzugt, da seine obere Temperaturgrenze bei ungefähr 150°C (300°F) liegt. Vorzugsweise wird 95 bis 100% Polyamid 6-12 eingesetzt.
Die Polyamid 6- oder 6-6-Schicht 21 hat üblicherweise eine Dicke von 0,5 bis ungefähr 0,77 mm (0,02 bis ungefähr 0,03 inch) und vorzugsweise von 0,635 mm (0,025 inch). Die Schicht 24 ist vorzugsweise 0,736 bis 1,118 mm (0,029 bis 0,044 inch) und vorzugsweise 0,889 mm (0,035 inch) dick. Diese Schichten sorgen für den grundlegenden strukturellen Halt des Schlauchs. Daher wird ihre Dicke von den Anwendungserfordernissen bestimmt.
Das Polyamid 6 oder Polyamid 6-6 wird zur Bereitstellung verbesserter Niedrigtemperatureigenschaften modifiziert, indem das Polyamid mit geeigneten Schlagmodifizierern zur Verbesserung dieser Eigenschaften gemischt wird. Vorzugsweise umfasst das Polyamid 6 oder 6-6 5 bis 15% eines kompatiblen Schlagmodifizierers, wie z. B. eines kompatiblen Elastomers. Geeignete Schlagmodifizierer umfassen Maleinanhydrid-modifiziertes EPDM und Styrenbutadiengummi.
Das Polyamid 6 oder 6-6 sollte die folgenden physikalischen Eigenschaften haben:
Biegemodul bei Raumtemperatur 5,8–14,5·10⁶ N/mm² (40000–100000 psi), vorzugsweise 12,3·10⁶ N/mm² (85000 psi) Elastizitätsmodul bei 110°C (230°F) 1,45–5,8·10⁶ N/mm² (10000–40000 psi), vorzugsweise 2,910⁶ N/mm² (20000 psi) Zugfestigkeit bei 110°C (230°F) 0,15–0,3·10⁶ N/mm² (1000–2000 psi), vorzugsweise 0,22·10⁶ N/mm² (1500 psi) Izod-Schlagfestigkeit bei –70°C 0,7–2,0, vorzugsweise 1,6.
Eine bevorzugte Polyamid-6-Zusammensetzung umfaßt:
Harz auf Polyamid-6-Basis mit hohem Molekulargewicht (63%) Plastifizierer – Butylbenzensulfonamid 10–16% vorzugsweise 14% Rest Nylonmonomer-Caprolactam 5–10%, vorzugsweise 7% Maleinanhydrid-modifiziertes Ethylen/Propylen/nicht-konjugiertes Dienelastomer 5–15%, vorzugsweise 10% (Uniroyal Royaltuf 498)
Maleinanhydrid-modifiziertes Polyethylen 2–8%, vorzugsweise 5% (Dupont Fusabond 493)
Geeignete Wärme- und Lichtstabilisatoren nominell 1%.
Die Verstärkungs- oder Flechtschicht 16 umfaßt Polymerfaserstränge und vorzugsweise Polyesterfasern. Die Stränge haben ein Gewicht von 500–1000 Denier und vorzugsweise 840 Denier. Eine kommerziell erhältliche Polyesterfaser wird von Hoechst Celanese unter der Bezeichnung 840/70/VAR verkauft. Obwohl Polyester bevorzugt und allgemein akzeptiert ist, kann jede Verstärkungsfaser, wie z. B. Polyamid-, Rayon- und Aramidfasern verwendet werden.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schlauchs 11 wird der innere Polyamidschlauch 14 gemeinsam mit der Verbindungsschicht 18 und der ersten Polyamid 6- oder 6-6-Schicht 21 extrudiert. Die Schmelztemperatur des Polyamidextruders sollte von 230°C bis ungefähr 238°C (450°F bis ungefähr 460°F) und vorzugsweise ungefähr 230°C (ungefähr 450°F) betragen.
Das Geflecht 16 wird anschließend über der ersten Polyamid 6- oder 6-6-Schicht 21 aufgebracht, indem der extrudierte Schlauch mit drei Schichten durch einen Flechter oder eine Faserverstärkungsvorrichtung geführt wird. Das Verstärkungsmaterial kann geflochten, gewirkt oder spiralförmig gewickelt sein, wobei ein Strang des Materials mit einer Steigung in einer Richtung aufgebracht wird und ein weiterer Strang über dem ersten mit einer Steigung in der entgegengesetzten Richtung aufgebracht wird. Der Flechter ist vorzugsweise eine gegenläufige Faserverstärkungseinrichtung. Die geflochtene Schicht wird vorzugsweise mit sechs Spulen mit Fasern mit fünf bis dreizehn Schuß pro cm (zwei bis fünf picks per inch), vorzugsweise acht Schuß pro cm (drei picks per inch) aufgebracht.
Wenn das Geflecht aufgebracht ist, werden die äußeren drei Schichten in der gleichen Weise wie die ersten drei Schichten bei denselben Temperaturen gemeinsam über den inneren Schlauch extrudiert. Der geformte Schlauch wird dann durch ein Kühlbad geführt. Das resultierende extrudierte Produkt hat einen Außendurchmesser von ungefähr 3,1 bis ungefähr 19,1 mm (0,125 bis ungefähr 0,75 inch) und ist gebrauchsfertig.

Zur Prüfung der vorliegenden Erfindung wurde ein laminierter Schlauch mit einer Schicht 1 als innerste Schicht hergestellt:

Schicht 1	– Polyamid 11, 0,178 mm (0,007 inch) Huls X7293
Schicht 2	– Polyamid 6-12, 0,05 mm (0,002 inch) Dupont FE3646
Schicht 3	– Polyamid 6, 0,51 mm (0,02 inch) (obige Zusammensetzung)
Schicht 4	– Polyesterfaser – 840 Denier
Schicht 5	– wie Schicht 3
Schicht 6	– wie Schicht 2
Schicht 7	– wie Schicht 1

Dieser Aufbau wurde mit einem polyesterfaserverstärktem Polyamid 11-Schlauch und einem Polyamid 12-Schlauch verglichen.
Hochtemperatur- und Druckverhalten wurden gemäß SAE 1131 geprüft, die erfordert, daß der Schlauch 65,3·10³ N/mm² (450 psi) für (5) Minuten bei 93°C (200°F) standhält. Sowohl Polyamid 11 als auch das verbesserte Verbundprodukt erfüllten diese Anforderung.
Die Prüfung wurde dann erweitert, indem der Druck erhöht wurde, bis ein Versagen auftrat. Das Polyamid 11-Produkt versagte, als der Druck erhöht wurde und hielt 79,8·10³ N/mm² (550 psi) nicht stand. Das Verbundprodukt hielt 87,0·10³ N/mm² (600 psi) für 5 Minuten stand.
In einer weiteren speziellen Hochtemperaturvergleichsprüfung wurden beide Produkte unter einen Druck von 21,8·10³ N/mm² (150 psi) gesetzt und die Temperatur wurde bis zum Versagen erhöht, wobei die Temperatur an jedem Punkt für mindestens eine Stunde gehalten wurde. Das Polyamid 11-Produkt versagte bei 154°C (310°F). Das Polyamid-Verbundprodukt versagte bei 171°C (340°F) nicht.
Diese Proben und Proben eines Polyamid 12-Schlauchs wurden ebenso einer Kaltschlagprüfung unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Diese Versuche zeigen die hervorragenden Eigenschaften des erfindungsgemäßen laminierten Schlauchs.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der die Faserschicht 16 nicht eingesetzt wird. Folglich wird nur eine Polyamid 6- oder 6-6-Schicht 32 geformt, die von der inneren Polyamidschicht 14 und der äußeren Polyamidschicht 15 durch Verbindungsschichten 26 bzw. 18 getrennt ist. Diese weisen wiederum die gleichen Zusammensetzungen auf wie vorangehend erläutert. Sie kann in einem Schritt gemeinsam extrudiert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt somit einen kostengünstigeren laminierten Druckluftbremsschlauch bereit, während gleichzeitig die Hochtemperaturfestigkeit des Schlauchs verbessert wird. Schließlich neigt der Schlauch selbst sogar bei erhöhtem Druck und bei erhöhter Temperatur nicht zur Delamination.

Claims

Druckluftbremsschlauch mit einer ersten äußersten Schicht, die an eine zweite Schicht angrenzt, die an eine dritte Schicht angrenzt, die an eine vierte Schicht angrenzt, die an eine fünfte Schicht angrenzt, wobei die erste Schicht ein Polyamid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyamid 11, Polyamid 12 und Mischungen davon, ist, und die zweite Schicht eine mit der ersten und dritten Schicht kompatible Verbindungsschicht umfasst, die dritte Schicht ein schlagmodifiziertes Polyamid 6 mit einem Biegemodul bei Raumtemperatur von mindestens 5,4 × 10⁶ N/mm² (40.000 psi) und einem Elastizitätsmodul bei 110°C (230°F) von mindestens 1,45 × 10⁶ N/mm² (10.000 psi), einer Zugfestigkeit bei 110°C (230°F) von mindestens 150 × 10³ N/mm² (1.000 psi) und einer Izod-Schlagfestigkeit bei –70°C von mindestens 0,7 enthält, und wobei die vierte Schicht die gleiche ist wie die dritte Schicht, und wobei die die fünfte Schicht die gleiche ist wie die erste Schicht.
Druckluftbremsschlauch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht aus der Gruppe bestehend aus Polyamid 6-12, Maleinanhydrid-modifizierten Polyolefinen und Mischungen davon ausgewählt ist.
Druckluftbremsschlauch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyamid 6 ein Elastomer-modifiziertes Polyamid 6 ist.
Druckluftbremsschlauch nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyamid 6 etwa 5 bis etwa 15 Gew.-% des Elastomers enthält.
Druckluftbremsschlauch nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer ein Maleinanhydrid-modifiziertes Ethylen/Propylen-nicht-konjugiertes Dienelastomer ist.
Druckluftbremsschlauch mit einer äußersten ersten Schicht, die benachbart zu einer zweiten Schicht ist, die benachbart zu einer dritten Schicht ist, die benachbart zu einer vierten Schicht ist, die benachbart zu einer fünften Schicht ist, die benachbart zu einer sechsten Schicht ist, wobei die erste Schicht aus einer Gruppe bestehend aus Polyamid 11, Polyamid 12 und Mischungen davon ausgewählt ist, wobei die dritte Schicht schlagmodifiziertes Polyamid 6 enthält, wobei die zweite Schicht eine Verbindungsschicht, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyamid 6-12, kompatibilisiertes Polyolefin und Mischungen davon, umfasst, wobei die vierte Schicht eine Faserverstärkungsschicht umfasst, wobei die fünfte Schicht die gleiche ist wie die dritte Schicht, und wobei die sechste Schicht die gleiche ist wie die zweite Schicht.
Druckluftbremsschlauch nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine innerste siebte Schicht, die ein Polyamid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyamid 11, Polyamid 12 und Mischungen davon, enthält.