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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 μm–50 μm, vorzugsweise zwischen 5,0 μm–20 μm beträgt. Die
bevorzugte Länge
der Kurzfasern des Filaments beträgt zwischen 0,1 mm–10 mm, vorzugsweise
zwischen 0,5 mm–3
mm.
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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.
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Es
ist aber auch möglich,
dass die Grundmasse aus Leichtmetall oder aus einer Metalllegierung
besteht.
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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.
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Es
können
auch Kurzfasern aus unterschiedlichen Materialien in einem Filament
angeordnet sein.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand
der Zeichnungen, die schematische Ausführungsbeispiele darstellen,
näher erläutert. Es
zeigen die:
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1 ein
Hybridmonofilament mit parallel zur Längserstreckung des Hybridmonofilaments
angeordneten Kurzfasern;
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2 ein
Hybridmonofilament mit tordiert zur Längserstreckung des Hybridmonofilaments
angeordneten Kurzfasern;
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3 ein
Kord aus Hybridmonofilamenten
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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 μm. Die Kurzfasern
innerhalb des Filaments haben in etwa eine Länge von 2 mm.
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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.
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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.
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- 1
- Hybridmonofilament
- 2
- Kurzfaser
- 3
- Matrix
- 4
- Kord