DE102004051073A1 - Elastomerprodukt - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elastomerprodukt, das zumindest eine zwischen Elastomerlagen vorliegende Verstärkungslage aus textilen Festigkeitsträgern aufweist. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Schlauch für hohe dynamische und thermische Belastung. DOLLAR A Für gute dynamische Belastbarkeit bei hohen Temperaturen und für eine hohe Lebensdauer sind die textilen Festigkeitsträger meta-Aramidgarne oder -zwirne des Typs "stretch broken" aus Filamenten mit einer Länge von 200 bis 1400 mm, wobei die Feinheit der Garne oder Zwirne 1000 bis 10000 dtex beträgt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Elastomerprodukt, das zumindest eine zwischen Elastomerlagen vorliegende Verstärkungslage aus textilen Festigkeitsträgern aufweist. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Schlauch für hohe dynamische und thermische Belastung.
• Elastomerprodukte, wie Transportbändern, Riemen, Schläuchen, Reifen, flexiblen Behältern oder Luftfedern, werden mit unterschiedlichsten Festigkeitsträgern, z. B. aus Polyamid-, Aramid-, Polyester- oder Poly(p-phenylen-2,6-benzobisoxazol), verstärkt, damit sie statischen und dynamischen Dauer- und Spitzenbelastungen standhalten. Die Festigkeitsträger werden dabei in Form von linien- oder flächenförmigen textilen Gebilden, wie z. B. in Form von Filamenten, Fasern, Garnen, Zwirnen, Corden, Geweben, Gewirken, Gestricken, Geflechten oder Vliesen, in unvulkanisierte Kautschukmischungen oder nicht ausgehärtete thermoplastische Elastomere eingebracht und nach der Herstellung des unvulkanisierten Vorproduktes wird vulkanisiert oder ausgehärtet.
• Elastomerprodukte, an die besonders hohe Anforderungen hinsichtlich der Verstärkung gestellt werden, sind Schläuche, die sowohl eine gewisse Flexibilität als auch eine hohe Festigkeit aufweisen müssen. Insbesondere Ladeluftschläuche in Motoren müssen hohen Belastungen standhalten. Immer häufiger werden Motorleistungen im Kraftfahrzeug durch Vorverdichter unterstützt, die die Einleitung von komprimierter Ladeluft in den Verbrennungsraum ermöglichen. Ladeluft wird komprimiert, mit einem Ladeluftkühler abgekühlt und anschließend in den Verbrennungsraum geleitet. Die Führung der Ladeluft zwischen den einzelnen Aggregaten innerhalb des Motors erfolgt über Schlauchleitungen. Die für die Schlauchleitungen verwendeten Schläuche müssen hohen Druckbeaufschlagungen und dynamischen Belastungen, insbesondere extremen Schwingbelastungen, bei hohen Temperaturen (> 200 °C) standhalten. Ferner wird einen hohe Ölbeständigkeit, eine gute Haftung der Lagen des gesamten Verbundes im Schlauch und eine hohe Lebensdauer gefordert. Je nach Einbaubedingungen und den Auslegungen des Ladesystems werden unterschiedliche Schlauchkonstruktionen unter Verwendung verschiedener Kautschuktypen eingesetzt. So werden beispielsweise Ladeluftschläuche mit einer Fluorelastomer-Innenschicht, einer darauf aufgebauten peroxidisch vernetzten Silikonelastomer-Schicht, einer Verstärkungslage mit Festigkeitsträgern und einer Silikonelastomer-Außenschicht für aufgeladene Motoren eingesetzt, die besonders hohen Betriebstemperaturen standhalten müssen.
• Bei der Verstärkungslage aus Festigkeitsträgern im Ladeluftschlauch handelt es sich üblicherweise um Gewebe oder Gestricke aus textilen Garnen, wie z. B. aus meta- oder para-Aramiden oder anderen Garnen, die über eine ausreichend hohe Festigkeit und Temperaturbeständigkeit verfügen. Garne aus meta-Aramid für die Verstärkung von Schläuchen werden z. B. unter dem Namen TEIJINCONEX von der Firma Teijin angeboten.
• Für dynamisch hoch belastete Schläuche, wie z. B. Ladeluftschläuche, handelt es sich bei den Garnen um Garne aus endlosen Filamenten. Schläuche, die nicht dynamisch belastet werden, können auch mit Festigkeitsträgern in Form von Gewebebändern aus Kurzfaserstapelgarnen mit einer Filamentlänge von 10 bis 60 mm verstärkt werden. Solche Kurzfaserstapelgarne sind für dynamisch hoch belastete Schläuche mit komplizierter Geometrie jedoch nicht geeignet, da sie keine ausreichende Festigkeit aufweisen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Elastomerprodukt bereitzustellen, das hohen dynamischen Belastungen bei hohen Temperaturen standhält und eine hohe Lebensdauer aufweist.
• Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die textilen Festigkeitsträger meta-Aramidgarne oder -zwirne des Typs „stretch broken" aus Filamenten mit einer Länge von 200 bis 1400 mm sind, wobei die Feinheit der Garne oder Zwirne 1000 bis 10000 dtex, vorzugsweise 3000 bis 8000 dtex, beträgt.
• Unter Garnen oder Zwirnen des Typs „stretch broken" versteht man Garne oder Zwirne, die zunächst aus vielen Einzelfilamenten gesponnen, dann fixiert und im Anschluß auseinander gezogen werden. Die Filamente reißen dabei in undefinierter Weise und ragen z. T. aus dem Garn oder Zwirn heraus.
• Es hat sich herausgestellt, dass diese speziellen meta-Aramidgarne oder -zwirne sich bei hoher Festigkeit und Temperaturbeständigkeit durch einen Elastizitätsmodul auszeichnen, der im Dehnungsbereich bis ca. 8 % bei einer Temperatur von 200 °C niedriger als bei meta-Aramidgarnen aus Endlosfilamenten ist. Das heißt, dass im Arbeitsbereich der Elastomerprodukte der Elastizitätsmodul von einbettendem Elastomer und eingebettetem Garn etwas angeglichen werden. Ein Einschneiden des Festigkeitsträgers beim Gebrauch in das Elastomer wird dadurch verringert und die Lebensdauer der Produkte wird dadurch erhöht.
• Bei den Elastomerprodukten kann es sich z. B. um Antriebsriemen oder Rohrverbinder mit Cordgewebelagen handeln.
• Gemäß einer bevorzugten Ausfürungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Elastomerprodukt um einen Schlauch für hohe dynamische und thermische Belastung, insbesondere einen Ladeluftschlauch, der zumindest eine zwischen Elastomerlagen vorliegende Verstärkungslage aus den textilen Festigkeitsträgern aufweist.
• Bei den Verstärkungslagen kann es sich um Gewebelagen handeln, die bei gleicher Schichtdicke im Vergleich zu Gewebelagen aus herkömmlichen Stapelfasergarnen eine größere Festigkeit aufweisen.
• Bevorzugt liegt die Verstärkungslage allerdings in Form eines Gestricks vor. Es hat sich herausgestellt, dass diese speziellen meta-Aramidgarne oder -zwirne sich durch eine besonders hohe Schlingenfestigkeit gemäß DIN 53843 Teil 1 bei Normalklima (DIN 53802-20/65) und 200 °C auszeichnen. Diese bewirkt eine hohe Festigkeit des Gestricks im Schlauch und damit eine hohe Lebensdauer bei hohen dynamischen Belastungen, speziell extremen Schwingungsbelastungen. Der temperaturbeständige Festigkeitsträger übernimmt als Gestrick die Zug- und Druckkräfte im Verbund mit dem Elastomerlagen des Schlauches.
• Die aus dem Garn des Typs „stretch broken" herausragenden Filamentenden tragen zu einer besseren Verbindung der einbettenden Elastomerlagen mit dem Garn bei.
• Die erfindungsgemäßen Schläuche zeichnen sich durch eine besonders hohe Lebensdauer aus, wenn die Filamente im meta-Aramidgarn oder -zwirn eine mittlere Länge von 400 bis 600 mm aufweisen.
• Die Verstärkungsgestricklage des Schlauches liegt zwischen Elastomerlagen vor, die bevorzugt auf hydriertem Nitrilkautschuk, Silikonkautschuk, Fluorkautschuk oder Acrylatkautschuk basieren. Diese Kautschuktypen zeichnen sich durch eine besonders gute Temperaturbeständigkeit aus.
• Neben der Gestrick- und den einbettenden Elastomerlagen kann der Schlauch auch noch weitere Lagen und Schichten aufweisen, wie z. B. weitere Innen- und Außenschichten bzw. -lagen aus unterschiedlichen polymeren Werkstoffen.
• Der Schlauch kann nach üblichen Verfahren hergestellt werden, indem z. B. auf eine extrudierte Kautschukmischungs-Innenschicht die Festigkeitsträgerlage mittels geeigneter Verfahren und anschließend im Extrusionsverfahren die Kautschukmischungs-Außenschicht aufgebracht werden. Im Anschluss wird der Schlauch mit üblichen Verfahren vulkanisiert.
• Vor dem Einbringen des meta-Aramidgarnes oder -zwirne in den Schlauchrohling kann das Garn mit unterschiedlichsten Substanzen, die das Verarbeitungsverhalten und/oder die Haftung zum Elastomer beeinflussen, behandelt werden. Auch dem einbettenden Elastomer können die Haftung verbessernde Substanzen beigemengt werden.
• Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt die Figur schematisch einen erfindungsgemäßen Schlauch.
• Der Schlauch in der Figur weist eine Fluorelastomer-Innenlage 1, eine darauf aufgebaute Silikonelastomer-Lage 2, eine gestrickte Verstärkungsgestricklage 3 aus einem meta-Aramidgarn A des Typs „stretch broken" (Typ Conex der Firma Teijin) mit einer Feinheit von 1100 dtex x3 und einer mittleren Filamentlänge von 400 bis 600 mm und eine Silikonelastomer-Außenlage 4 auf. Der Schlauch kann bevorzugt als Ladeluftschlauch in Turboladermotoren eingesetzt werden, wobei er durch unterschiedliche Befestigungsvorrichtungen, z. B. eine so genannte Henn-Kupplung, mit den Motorteilen verbunden werden kann.
• Mit Schläuchen gemäß Figur wurden Haltbarkeitsversuche in einer Prüfapparatur bei ca. 200 °C Umluft und einer Druckbelastung von 0,1 bis 2,5 bar bei einer axialen Frequenz von 0,5 Hz durchgeführt. Die Anzahl der Lastwechsel bis zum Defekt wurde gemessen. Als Vergleich dienten Schläuche die bis auf die Gestricklage identisch aufgebaut waren. Als Gestrick diente bei den Vergleichsschläuchen ein meta-Aramidgarn B aus Endlosfilamenten Typ Nomex der Firma DuPont der Feinheit 1780 dtex x2. Die Festigkeitsträger hatten demnach eine vergleichbare Gesamtfeinheit.
• Die Festigkeitsträger zeichneten sich durch folgende Elastizitätsmoduli gemessen nach DIN ?53834 Teile 1 und 2 bei 200 °C aus: Tabelle 1

  
• Wie aus der Tabelle ersichtlich wird, zeichnet sich das Garn A gegenüber Garn B durch einen geringeren Elastizitätsmodul im Anfangsdehnungsbereich aus, so dass die Festigkeitsträger bei den geringen Dehnungen in geringerem Maße in das einbettende Elastomer einschneiden.
• Die erfindungsgemäßen Schläuche hielten im Schnitt 254500 Lastwechseln stand, während die Vergleichsschläuche schon nach ca. 210000 Lastwechseln ausfielen. Die erfindungsgemäßen Schläuche wiesen demnach eine um ca. 20 % höhere Lebensdauer auf.

Claims (6)

1. Elastomerprodukt, das zumindest eine zwischen Elastomerlagen vorliegende Verstärkungslage aus textilen Festigkeitsträgern aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die textilen Festigkeitsträger meta-Aramidgarne oder -zwirne des Typs „stretch broken" aus Filamenten mit einer Länge von 200 bis 1400 mm sind, wobei die Feinheit der Garne oder Zwirne 1000 bis 10000 dtex beträgt.
2. Elastomerprodukt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinheit der Garne oder Zwirne 3000 bis 8000 dtex beträgt.
3. Elastomerprodukt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Schlauch für hohe dynamische und thermische Belastung, insbesondere ein Ladeluftschlauch, ist, der zumindest eine zwischen Elastomerlagen vorliegende Verstärkungslage aus den textilen Festigkeitsträgern aufweist.
4. Elastomerprodukt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungslage eine Verstärkungsgestricklage ist.
5. Elastomerprodukt nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente eine mittlere Länge von 400 bis 600 mm aufweisen.
6. Elastomerprodukt nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerlagen auf hydriertem Nitrilkautschuk, Silikonkautschuk, Fluorkautschuk oder Acrylatkautschuk basieren.