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Die
Erfindung betrifft einen Luftreifen für ein Fahrzeug, der
aus mehreren Lagen aus Kautschukelastomeren und Festigkeitsträgern
aufgebaut ist und eine selbsttätig abdichtende Dichtmittellage
aufweist.
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Dichtmittel
für Reifen sind als solche im Stande der Technik bekannt.
Zunächst war es lediglich möglich, Undichtigkeiten
an gebrauchten Reifen abzudichten. Hierfür verwendete Reparaturkits
enthielten meist Kautschuklösungen. Mittlerweile gibt es auch
Ansätze, Fahrzeugluftreifen so auszurüsten, dass
sie sich bei Durchstich-Beschädigung des Reifens selbst
abdichtend verhalten. Für diese vorsorgende Ausrüstung
von Reifen sind herkömmliche Mittel auf der Basis von Kautschuklösungen
unbrauchbar. Vielmehr sind Mittel gefordert, die ihre abdichtenden
Eigenschaften bei der Vulkanisation aufrechterhalten oder die ortsfest
nachträglich in den vulkanisierten Reifen eingebracht werden
können. Die Selbstabdichtung erfordert, dass das Mittel
die Abdichteigenschaften lange Zeit aktiv behält, um im Bedarfsfall
wirken zu können.
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Bei
der Entwicklung derartiger Reifendichtmittel müssen zwei
gegenläufige Eigenschaften vereinbart werden: Das Dichtmittel
muss im Betrieb dort verbleiben, wo es vermutlich später
abdichten soll (Ortsfestigkeit) und es muss fließfähig
genug sein um sich über einer Durchstichstelle luftdicht
schließen zu können. Jede Dichtmittelschicht muss
genügend Haftung zum Reifengummi besitzen, damit es im
Gebrauch nicht zu Ablösungen kommt. Sofern die Schicht
in einen neuen Reifen bei dessen Herstellung integriert werden soll,
muss das Mittel zudem vulkanisationsfest sein.
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Die
US 6,837,287 B1 und
die
EP 1 533 108 A2 offenbaren
schlauchlose Luftreifen mit eingebauter Dichtmittelschicht, die
aus einer in den Reifenrohling (green tire) als Zwischenschicht
eingelegten Dichtmittelvorläuferschicht während
der Reifenvulkanisation durch gezielte teilweise Depolymerisation entsteht.
Nachteilig an dieser Verfahrensweise ist, dass es nur sehr wenige
Systeme gibt, die in einer Depolymerisationsreaktion die Dichtschicht
während der Vulkanisation ausbilden können. Dabei
scheint es erforderlich zu sein, angrenzend an die Dichtschicht
spezielle Kautschuke vorzusehen, konkret sind Halobutylkautschuke
angegeben. Die Reifenentwicklung ist demnach eingeschränkt.
Ferner kann es sich ungünstig auswirken, dass quasi-flüssige
Teile im Reifen erzeugt werden, die, wenn ihre Verteilung in der
Schicht durch Spannungen und äußere Kräfte
verändert wird, zu Unwuchten und damit verbunden TU-Problemen
(tire uniformity) im Reifen führen können.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die Nachteile im Stand
der Technik zu vermeiden und einen Fahrzeugluftreifen mit einer
verbesserten, beim Reifenbau integrierbaren Dichtmittelschicht so auszurüsten,
dass ein selbsttätiges Abdichten von Beschädigungen,
die von durchstechenden oder durchbohrenden Gegenständen
verursacht wurden, erreicht und einen Luftverlust durch das Einstichloch sicher
verhindert wird.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird der Fahrzeugluftreifen mit selbsttätig
abdichtender Dichtmittellage mit wenigstens zwei Dichmittelschichten
unterschiedlicher Härte, die jeweils aus einem visko-elastischen
Material bestehen, ausgerüstet. Als geeignetes Maß für
die Härte ist die Shore 000-Härte (nach ASTM D
2240) anzusehen.
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Die
Kombination zweier unterschiedlich harter Dichtschichten kombiniert
die gute Dichtwirkung niedrig viskoserer, weicherer Dichtmittel
mit der guten Ortsfestigkeit höher viskoser, härterer
Dichtmittel.
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Vorzugsweise
beträgt die Shore 000-Härte der oder einer weicheren
Dichtmittelschicht zwischen 10 und 50, wobei die oder eine härtere
Dichtmittelschicht um wenigstens 10 Shore 000-Einheiten härter
ist.
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Weiterhin
beträgt vorzugsweise die Shore 000-Härte der oder
einer härteren Dichtmittelschicht zwischen 30 und 95, wobei
die oder eine weichere Dichtmittelschicht um wenigstens 10 Shore
000-Einheiten weicher ist.
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Die
Shore Härte-Differenz der beiden Dichtmittelschichten oder
zwischen einer weicheren und einer härteren Dichtmittelschicht
beträgt weiter vorzugsweise wenigstens 20 und besonders
bevorzugt wenigstens 30 Shore 000-Einheiten.
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In
besonders bevorzugter Ausführungsform liegen die zwei oder
wenigstens zwei Dichtmittelschichten unterschiedlicher Härte
unmittelbar aufeinander und bilden so gemeinsam eine Dichtmittellage mit
schichtweise unterschiedlicher Härte. Das Zusammenwirken
der weichern und der härteren Schicht ist besonders gut,
wenn die Schichten in direktem Kontakt zueinander angeordnet sind.
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Es
ist jedoch alternativ auch möglich, die Schichten durch
wenigstens eine andere Reifenlage zu trennen oder beispielsweise
eine zusätzliche (harte oder weiche) Dichtmittelschicht
innerhalb des Reifenaufbaus vorzusehen. So können beispielsweise die
zwei Schichten unterschiedlicher Shore-Härte im Reifeninnern
direkt auf dem Innenliner aufgebracht sein und zusätzlich
eine weitere Dichtmittelschicht innerhalb des Reifenaufbaus, z.
B. zwischen Laufstreifen und Gürtel oder an anderer Position.
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Derzeit
ist bevorzugt, dass wenigstens eine der Dichtmittelschichten unmittelbar
radial einwärts, d. h. auf der vom Laufstreifen abgewandten
oder entferntesten Seite, auf der Innenschicht aufliegt.
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Grundsätzlich
kann ein Einbau der Schichten – ob mehrere in Kontakt zueinander
oder einzeln – z. B. zwischen Innenschicht und Einlage,
zwischen Laufstreifen und Gürtel, zwischen Gürtel
und Karkasse oder auch zwischen Karkasse und Innenseele erfolgen.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass die weichere Schicht oder wenigstens eine weichere
Schicht relativ zur Position der härteren oder einer härteren Schicht
laufstreifennäher liegt. Der Fremdkörper, gegen
dessen Einstich abgedichtet werden soll, durchsticht dann nacheinander
zunächst eine weichere und dann eine härtere Schicht.
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Die
Dichtmittelschichten werden erfindungsgemäß aus
formstabilen und viskoelastischen Gelen gebildet. Definitionsgemäß besteht
ein Gel aus einer sogenannten Matrix, die ein grobmaschig vernetztes Elastomer
sein kann, und einem die Matrix ausfüllenden Dispersionsmittel,
auch als Extender-Fluid bezeichnet. Das selbst fließfähige
Fluid ist innerhalb der Matrix durch Haupt- oder Nebenvalenzkräfte
gebunden und wird so „festgehalten", was dem Gel seine typischen
mechanischen Eigenschaften verleiht. Die wesentlichen Eigenschaften,
die ein Gel als Dichtmittel im Rahmen dieser Erfindung geeignet
machen, sind Ortsfestigkeit bzw. Formstabilität – es
darf kein stetiges Fließen, d. h. keine Migration oder
Diffusion in andere Reifenbauteile stattfinden, das Dichtmittel soll
an seinem Einsatzort verbleiben – und begrenzte Fließfähigkeit
durch Viskoelastizität – durch Schnitte oder Stiche
beschädigte Stellen im Gummi sollen selbsttätig
geschlossen, d. h. abgedichtet, werden. Wenn es bereits während
des Reifenbaus eingebracht werden soll, muss das viskoelastische
Gel weiterhin unter Vulkanisationsbedingungen, also bei Temperaturen
bis wenigstens 200°C chemisch stabil sein und darf durch
zwischenzeitliches Erhitzen seine Geleigenschaften nicht verlieren.
Diese Forderungen werden von viskoelastischen Gelen erfüllt,
die als solche bereits bekannt und für vielerlei Zwecke
im Einsatz sind.
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Viskoelastische
Gele können eindringenden Fremdkörpern, z. B.
Nägeln, ausweichen und sich nach deren Entfernung selbsttätig
wieder verschließen. Sie sind daher als Dichtmittel oder
als Komponente in Dichtmitteln für selbstdichtende Fahrzeugreifen
sehr gut geeignet. Da sie sehr kohärent und zum Teil klebrig
sind, füllen sie trotz grundsätzlicher Formstabilität
kleine Hohlräume, Risse, Schnitte und dergleichen schnell
aus.
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Vorzugsweise
wird für die Dichtmittelschichten ein Gel ausgewählt
aus der Gruppe der Polyurethangele und der Silikongele.
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Geeignete
Silikongele bestehen beispielsweise aus einem weichen vernetzten
Silikonelastomer, das mit einem nicht reaktiven Silikonöl
als Extenderfluid gefüllt ist. Silikongele sind unter anderem in
folgenden Patenten beschrieben:
US
4,600,261 ,
US 4,634,207 ,
US 5,140,746 ,
US 5,357,057 ,
US 5,079,300 ,
US 4,777,063 ,
US 5,257,058 ,
US 3,020,240 . Silikongele werden im
Stand der Technik häufig zum Einbetten elektrischer Komponenten
oder als Druckausgleichsmaterialien (shock absorber) verwendet.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Dichtmittelschichen aus einem Polyurethangel
gebildet werden. Dabei kann das Gel mit zusätzlichen flüssigen
Mitteln, z. B. Ölen gefüllt sein und/oder feste
Füllstoffe enthalten, wie sie in der Kunststofftechnik
bekannt sind.
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Erfindungsgemäß sind
die Polyurethan-Dichtmittelschichten formstabil und viskoelastisch.
Hervorragend für den erfindungsgemäßen Zweck
geeignet sind Polyurethan-Gele, deren Dispersionsphase im Wesentlichen
durch einen Überschuss der isocyanatreaktiven Komponente
gebildet wird. Besonders bevorzugt ist auch, dass das Isocy anat
ein MDI-, HDI- oder TDI-haltiges Isocyanat, vorzugsweise in Form
eines Präpolymers ist, weiter vorzugsweise in Form eines
Präpolymers mit einem Polyetherpolyol.
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Aus
der
EP 57838 und der
EP 511570 sind spezielle
für die Dichtmittellagen dieser Erfindung gut geeignete
PU-Gele bekannt, bei denen ein Teil des Polyols als Dispersionsmittel
für das durch Reaktion mit dem Isocyanat gebildete, vernetzte
Polyurethan dient. Die Gele sind dadurch charakterisiert, dass die Isocyanatkennzahl
des Reaktionsgemisches zwischen 15 und 80 liegt.
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Unter
der Isocyanatkennzahl wird das Äquivalentverhältnis
(NCO/OH) × 100 verstanden. Eine Isocyanatkennzahl von 15
bedeutet demnach, dass auf eine reaktive OH-Gruppe in der Polyolkomponente
0,15 reaktive NCO-Gruppen in der Isocyanat oder auf eine reaktive
NCO-Gruppe im Isocyanat 6,67 reaktive OH-Gruppen im Polyol vorliegen.
Eine Isocyanatkennzahl von 80 bedeutet demnach, dass auf eine reaktive
OH-Gruppe im Polyol 0,8 reaktive NCO-Gruppen kommen. Das Polyol
liegt demnach im stöchiometrischen Überschuss
vor und bildet das Geldispersionsmittel.
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Es
gibt mehrere Möglichkeiten, die Dichtmittelschichten in
den Reifen einzubringen.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform wird die Dichtmittellage aus zwei
Dichtmittelschichten unterschiedlicher Shore 000-Härte
durch nachträgliches Aufbringen der beiden Dichtmittelschichten
innen in den fertigen Reifen eingebracht. Die Angaben zur Shore
000-Härte beziehen sich dabei immer auf Werte, die nach
der ASTM D 2240 an ausgehärteten Proben gemessen wurden.
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Allgemein
können die vorgesehenen Gele in einem Zustand vor dem vollständigen
Auspolymerisieren durch Sprühen, Streichen, Gießen
oder sonstige Techniken auf andere Reifenlagen aufgebracht werden,
und zwar entweder auf vorgefertigte Reifenbahnen vor dem Zusammensetzen
des Reifens zum Rohling, oder sie können mit den genannten
Techniken in das Innere des Reifens in wenigstens zwei Schichten
eingebracht werden, d. h. luftseitig auf den Innenliner aufgebracht
werden. Dies kann beispielsweise so geschehen, dass die Schichten
nacheinander aufgesprüht oder ins Reifeninnere eingegossen und
anschließend durch Schleudern in gleichmäßiger
Schichtdicke verteilt werden.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel können bei der Herstellung
eines Fahrzeugreifens innerhalb des lageweisen Aufbaus eines Reifenrohlings
aus wenigstens Innenschicht, Karkasse, Seitenwänden, Gürtellagen
und Laufstreifen vorgefertigte Dichtmittelschichten eingebracht
werden, entweder als unmittelbar aufeinander liegende oder als durch andere
Lagen getrennte zusätzliche Lagen, wobei der Reifen anschließend
in üblicher Weise durch Vulkanisieren des Rohlings fertig
gestellt wurde.
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Die
Gele können in Platten entsprechender Größe
vorgefertigt werden und sind im Handel erhältlich. Dadurch
kann die Dichtschicht im normalen Reifenbau verarbeitet werden und
muss nicht in einem zusätzlichen Arbeitsschritt nach der
Vulkanisation eingebracht werden. Hierdurch ergeben sich wesentliche
produktionstechnische Vorteile.
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Die
Dichtmittelschicht kann grundsätzlich an verschiedenen
Positionen innerhalb des Reifenaufbaus vorgesehen sein, beispielsweise
kann die Dichtmittelschicht unmittelbar unter dem Laufstreifen liegen
(d. h. radial einwärts von diesem), um die dort ansetzende
Beschädigung durch einen durchstechenden Gegenstand, beispielsweise
einen Nagel, vollflächig abzudichten. Auch eine zusätzliche
Dichtmittelschicht kann dort vorgesehen sein.
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Bei
dem Einbau fertiger, streifenförmiger Dichtmittelschichten
wird von einem Standard-Reifenbauverfahren für schlauchlose
Fahrzeugreifen ausgegangen. Dabei werden die einzelnen Reifenbauteile
in Lagen vorgefertigt. Dies erfolgt bei den reinen Kautschuklagen
im Allgemeinen durch streifenförmiges oder profiliertes
Extrudieren. Bei Lagen, die Festigkeitsträger, wie Gewebe
oder Stahlcord enthalten, werden die Schichten kalandriert. Anschließend werden
die vorgefertigten Lagen an einer Wickelmaschine zum Beispiel auf
eine kollabierbare Trommel nacheinander von innen nach außen
aufgebracht, beginnend mit der luftdichten Innenschicht (inner liner) über
die Karkasse, die Seitenwände, die Gurtlagen bis zum außenliegenden,
gegebenenfalls mehrschichtigen Laufstreifen. Der Reifenrohling (green
tire) wird in einer Form, die in der Regel gleichzeitig das Profil
ausbildet, unter Druck ca. 10 bis 15 Minuten vulkanisiert. Die Vulkanisationstemperaturen
betragen je nach Kautschukmischung zwischen 130 und 200°C.
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Um
die Haftung zwischen Reifenbauteilen und Dichtmittellagen noch zu
verstärken, kann zusätzlich auf die Kontaktflächen
ein Haftmittel aufgebracht werden.
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Die
vorgefertigte Dichtmittellage ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
streifenförmig. Geeignete Gele sind im Handel plattenförmig
erhältlich. Die Streifenlänge kann dem Umfang
an der gewünschten Zwischenlageposition entsprechen, so dass
die Streifenenden sich nach Auflegen der Schicht innerhalb des Reifenaufbaus
auf Stoß treffen. Es kann auch ein dünnerer Streifen
mehrfach gewickelt werden. Die Streifenbreite entspricht vorzugsweise
der Laufstreifenbreite, da speziell dieser Bereich gegen Durchsteckverletzungen
am Reifen mit anschließendem Luftverlust geschützt
werden soll.
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Vorzugsweise
wird die gelförmige Dichtmittellage aus wenigstens zwei
Schichten unterschiedlicher Härte auf die Innenschicht
des fertigen Reifens aufgebracht, so dass sie bezüglich
der übrigen Reifenlagen luftseitig im Reifeninneren zu
liegen kommt. Hierdurch wird der Luftaustritt möglichst
nahe an der Luftseite des Reifens abgedichtet und damit verhindert.
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Beispiele
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Beispiel I
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1. Gelschichten
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Für
die Dichtmittelschichten wurden Polyurethangele der Fa. Technogel® verwendet.
- Gel I: Qualität
BTG A 110, dabei handelt es sich um ein Isocyanat-Polyol-Polyurethangel,
bei dem das Polyol zugleich als Dispersionsphase dient und das auf
eine Shore 000-Härte von 25 eingestellt wurde.
- Gel II: Qualität BTG A 180, dabei handelt es sich um ein
Isocyanat-Polyol-Polyurethangel, bei dem das Polyol zugleich als
Dispersionsphase dient und das auf eine Shore 000-Härte
von 90 eingestellt wurde.
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Beispielspezifikation:
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- Trifuktionelles Polyol mit einer OH-Zahl von 36;
- HDI-basiertes Isocyanat mit einem NCO-Gehalt von etwa 12% (Desmodur
E 305);
- Polyol zu Isocyanat-Verhältnis zwischen 10:1 und 10:1,5;
- Wismuthorganischer Katalysator (Coscat 83);
- Gefüllt mit 0 bis 30 Gew.-% eines Pflanzenöls.
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Die
Gele werden als Zwei-Komponenten-Systeme eingesetzt, nämlich
einer Isocyanatkomponente, die gegebenenfalls neben Additiven und
weiteren Stoffen das Isocyanat enthält, und einer isocyanatreaktiven
Komponente, die gegebenenfalls neben Additiven und weiteren Stoffen
das Polyol enthält. Die beiden Komponenten werden unmittelbar vor
Anwendung zusammengemischt.
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Die
Gelschichten wurden nacheinander in das Innere des Reifens eingebracht
und durch Schleudern verteilt bis sich eine gleichförmige
formstabile Schicht gebildet hatte. So wurde für beide Schichten
verfahren. Gel I für die weichere Schicht wurde auf eine
Shore 000-Härte (ASTM D 2240) von 25 eingestellt, Gel II
für die härtere Schicht auf eine Shore 000-Härte
von 90 Einheiten (jeweils nach Aushärtung entsprechender
Proben gemessen).
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Die
Dichtmittelschichten wurden so aufgebracht, dass beide das Reifeninnere
so abdeckten, dass ein durch den Laufstreifen eindringender Fremdkörper
auch beide Dichtmittelschichten durchstechen muss. Hierfür
wurden sie nacheinander wenigstens oberhalb des Laufstreifens auf
der Innenseite des Reifens eingegossen. Die hohe Viskosität
der Gelmasse in Kombination mit einer korrekt gewählten
Rotationsgeschwindigkeit erlaubt es, dass das Gel unausreagiert
ortsfest gehalten werden kann. Die Ausreaktion findet dann im rotierenden
Reifen statt.
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Zuerst
wurde die weichere Schicht (aus Gel I) direkt auf die Innenlage
des Reifens aufgebracht, danach die härtere Schicht (aus
Gel II) direkt auf die weichere Schicht.
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Alternativ
können vorgefertigte Dichtschichtstreifen verwendet werden.
Die Polyurethangele sind in Platten erhältlich, aus denen
Streifen geschnitten werden. Geeignet sind beispielsweise Platten
von ca. 2 mm Dicke mit entsprechenden Härtegraden, z. B. 10
bis 50 Shore 000-Härte-Einheiten für die weichere Schicht
und 30 bis 95 Shore 000-Härte-Einheiten für die
härtere Schicht. Die Spezifikationen entsprechen den oben
genannten.
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2. Vulkanisationstest am Prüfkörper:
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Eine
Polyurethangel-Dichtmittelschicht wurde zwischen zwei Schichten
Standardreifenmischung (NR-Kautschuk-basiert, rußverstärkt,
schwefelvernetzt) gelegt (alle drei Schichten in einer Dicke von
2 mm) und in einer Standard-Heizpresse 15 min bei 160°C
und hohem Druck geheizt. Anschließend wurde subjektiv die
Adhäsion zwischen PU-Gel und Gummi bewertet und nach Präparation
von S3-Stäben aus der geheizten Polyurethangel-Schicht
wurden Zugversuche durchgeführt. Dabei konnte keine Veränderung
des Polyurethangelmaterials durch den Heizzyklus erkannt werden.
Das Material und damit auch die Dichtwirkung wird durch den Vulkanisationszyklus
nicht verändert.
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3. Prüfung am Reifen:
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Im
Folgenden wir die Erfindung anhand einer Abbildung näher
veranschaulicht. Die Abbildung zeigt einen Luftreifen 1 im
Querschnitt, der im Reifeninnern mit einer Dichtmittellage aus zwei
Dichtmittelschichten 5 und 6 unterschiedlicher
Härte ausgerüstet ist und im Bereich der Lauffläche
von einem Nagel A durchstoßen ist.
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Der
Nagel A durchstößt dabei nicht nur den Laufstreifen 3,
sondern anschließend – sofern er überhaupt
bis ins Reifeninnere vorstößt – auch
die Dichtmittelschichten 5 und 6. Das Fließverhalten
der Dichtmittelschichten bewirkt eine sichere Abdichtung. Bei Herausziehen
des Nagels wird die entstehende Undichtigkeit zuverlässig
abgedichtet, d. h. der Luftverlust kann sehr lange unterdrückt
werden – auch unter gewisser Belastung.
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- 1
- Reifen
- 3
- Laufstreifen
- 5
- erste
Reifendichtmittelschicht
- 6
- zweite
Reifendichtmittelschicht
- A
- Nagel
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3.1. Reifen ohne Dichtmittel (Vergleichsbeispiel)
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Ein
Reifen ohne Dichtmittel wurde auf eine Felge montiert und mit 2,5
bar Luftdruck befüllt. Anschließend wurden insgesamt
6 Nägel in den Reifen getrieben (2 Nägel mit 3,5
mm, 2 Nägel mit 4,2 mm und 2 Nägel mit 5,5 mm
Durchmesser) und zwar so, dass jeder Nagel den Reifen komplett durchstieß und in
den Innenraum ragte. Nach 24 Stunden war die Luft komplett aus dem
Reifen entwichen.
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Derselbe
Reifen wurde anschließend wieder mit 2,5 bar Luftdruck
befüllt und alle 6 Nägel wurden aus dem Reifen
gezogen. Nach 2 Minuten war die Luft komplett aus dem Reifen entwichen.
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3.2. Reifen mit Dichtmittel
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Ein
mit der Dichtmittelschicht versehener, mit entsprechenden Nägeln
durchstochener Reifen hält die Luft noch ca 1 Woche, wenn
die Nägel nicht entfernt werden Die Messwerte für
erste punktuelle Undichtigkeiten lagen zwischen 177 und 198 Stunden Testdauer
ab Testnageleintrieb.
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Auch
nach Herausziehen der Nägel bleibt der Reifen noch wenigstens
eine weitere Woche dicht und verliert keine Luft. Der Reifen kann
mit verringerter Geschwindigkeit in diesem Zustand mehrere Tage
gefahren werden, ohne nennenswert Luft zu verlieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6837287
B1 [0004]
- - EP 1533108 A2 [0004]
- - US 4600261 [0019]
- - US 4634207 [0019]
- - US 5140746 [0019]
- - US 5357057 [0019]
- - US 5079300 [0019]
- - US 4777063 [0019]
- - US 5257058 [0019]
- - US 3020240 [0019]
- - EP 57838 [0022]
- - EP 511570 [0022]