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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Luftreifen mit einer Lauffläche
in Silikatechnik, die eine Silikaformulierung (Kieselerde) und dergleichen
enthält, wobei der Reifen eine gute Leitfähigkeit,
einen geringen Rollwiderstand und ein gutes Verhalten bei Nässe
aufweist.
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Um
den Rollwiderstand und das Fahrverhalten von Luftreifen auf nasser
Straße zu verbessern, werden zu der Gummimischung für
die Lauffläche als Verstärkungsmittel statt des
herkömmlichen Rußes Silikaformulierungen (Kieselerde
bzw. Kieselgur, im wesentlichen Siliziumoxid) hinzugefügt.
Laufflächen in Silikatechnik sind jedoch elektrisch nicht
leitend, so daß sich die damit versehenen Fahrzeuge beim
Rollen über die Straßenoberfläche mit
statischer Elektrizität aufladen, die sich durch unkontrollierte Überschläge
entlädt. Dadurch entstehen nicht nur Störgeräusche
in Radios und dergleichen, sondern es können elektronische
Teile und Schaltungen des Fahrzeugs geschädigt werden,
Kurzschlüsse entstehen und so weiter.
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Um
dieses Problem zu vermeiden, wurden bereits verschiedene Techniken
vorgeschlagen, mit denen die Leitfähigkeit des Reifens
erhöht werden soll, zum Beispiel durch Vorsehen eines elektrisch
leitenden Elements an einem Teil der Lauffläche, das Ruß enthält.
Zum Beispiel wird bei der in der
JP-A-2002-1834 (Kokai) beschriebenen Technik
auf der Außenseite der Lauffläche und der Seitenwand
eine leitende dünne Schicht ausgebildet, die Ruß enthält,
wozu von der Umgebung des Bereichs eines Reifenrohlings, der der
Basis der Lauffläche entspricht, bis zu dem Bereich, der
der Verstärkung entspricht, eine flüssige leitende
Gummipaste aufgebracht wird, bevor der Reifen vulkanisiert und ausgeformt
wird. Dadurch wird die gesamte Oberfläche der Quernuten
an der Reifenschulter einschließlich der Nutenflächen
selbst von der leitenden Schicht bedeckt.
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Die
US 6 140 407 A beschreibt,
daß auf die Oberfläche einer Lauffläche
aus einer Gummimischung mit hohem elektrischen Widerstand und die
Oberfläche der an die Lauffläche anschließenden
Seitenwand aus einer Gummimischung mit niedrigem elektrischen Widerstand
eine wässrige leitende Beschichtung aus einer Gummikomponente,
Ruß mit einer spezifischen Stickstoffadsorptionsfläche
(N
2SA) von 70 bis 180 m
2/g
und einer Dibutylphthalat-(DBP)-Absorption von 70 bis 180 ml/100
g und einem oberflächenaktiven Mittel aufgebracht wird.
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Bei
der Technik nach der
EP
0 819 741 A2 wird eine Gummilösung, die durch
Auflösen und gleichmäßiges Verteilen
einer Gummimischung aus 100 Gewichtsteilen eines Dienkautschuks
und von 40 bis 100 Gewichtsteilen Ruß mit einer N
2SA von 130 m
2/g
oder mehr und einer DBP-Absorption von 110 ml/100 g oder mehr in
einem organischen Lösungsmittel erhalten wird, auf die
Außenseite des Gummis für eine Reifenlauffläche
mit einem intrinsischen Widerstandswert von 10
8 Ωcm
oder mehr und eines Teils wenigstens des an die Außenseite
angrenzenden Elements aufgebracht, um dadurch eine durchgehende
Beschichtung zu erzeugen.
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Die
JP-A-10-81110 (Kokai)
beschreibt, daß in Kontakt mit der Außenseite
einer Reifenlauffläche mit einem intrinsischen Widerstandswert
von 10
8 Ωcm oder mehr und eines
Teils wenigstens des an die Außenseite angrenzenden Elements
eine Gummischicht, die eine bestimmte Rußsorte enthält
und die einen intrinsischen Widerstand von 10
6 Ωcm
oder weniger sowie eine Dicke von 100 μm bis 1 mm aufweist,
als durchgehende Schicht in Umfangsrichtung aufgebracht wird, um
eine antistatische Wirkung zu erhalten und um außerdem
die Haltbarkeit zu erhöhen. Die
US 6 183 581 B1 beschreibt,
daß in einem elektrisch isolierenden Laufflächenabschnitt
eine Vertiefung ausgebildet wird, die mit einer Lösung
gefüllt wird, die eine Rußmischung mit einer flüchtigen
Flüssigkeit enthält. Wenn die flüchtige
Flüssigkeit verdampft ist, verbleibt die Rußmischung
in der Vertiefung, wodurch ein leitender Bereich entsteht, der mit
der Oberfläche des Reifens an der Lauffläche in
Verbindung steht.
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Bei
den beschriebenen Vorgehensweisen werden jedoch nicht die durch
das Zugeben eines nichtleitenden Füllmittels wie Kieselerde
erzielbaren Verbesserungen beim Rollwiderstand und beim Verhalten
auf nasser Fahrbahn erhalten und gleichzeitig die Probleme gelöst,
die eine nicht leitende Lauffläche an einem Reifen zur
Folge hat. Wenn die Leitfähigkeit durch eine leitende dünne
Schicht aus einem Dienkautschuk, der Ruß mit einer großen
spezifischen Oberfläche enthält, auf der Oberfläche
des Reifens verbessert wird, führt dies, wenn der Ruß mit
der großen spezifischen Oberfläche in einer Menge
von 40 Gewichtsteilen und mehr enthalten ist, dazu, daß die
Gummimischung stark exotherm wird, so daß keine Verringerung
des Rollwiderstands erhalten wird; die Viskosität im nicht
vulkanisierten Zustand steigt durch die Abnahme der Dispersibilität von
Ruß an, wodurch die Verarbeitbarkeit im Produktionsprozeß abnimmt;
und die Festigkeit der leitenden dünnen Gummischicht nimmt
im Gebrauch des Reifens ab, so daß nicht sichergestellt
ist, daß der Reifen über eine lange Zeitspanne
auch elektrisch leitend bleibt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Luftreifen zu schaffen,
der, obwohl er eine Lauffläche aus einem Gummi aufweist,
die eine nicht leitende Silikaformulierung und ergleichen enthält,
im Herstellungsprozeß eine gute Verarbeitbarkeit und im
Gebrauch einen geringen Rollwiderstand sowie ein gutes Naßlaufverhalten
aufweist, ohne daß durch die nicht leitende Gummimischung
für die Lauffläche Probleme entstehen oder sich
die Leitfähigkeit des Reifens über eine lange
Zeitspanne verändert.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem im Patentanspruch
1 beschriebenen Luftreifen gelöst. In den Unteransprü chen
sind vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Luftreifens angegeben.
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Der
erfindungsgemäße Luftreifen umfaßt eine
Lauffläche, die dafür vorgesehen ist, mit einer
Straßenoberfläche und dergleichen in Berührung
zu kommen und die aus einer nicht leitenden Gummimischung besteht,
ein weiteres Element, das eine leitende Gummimischung enthält
und das in der Radialrichtung des Reifens an der Innenseite der
Lauffläche an diese angrenzt, ein Gummielement aus einer
leitenden Gummimischung, das von der Außenseite der Lauffläche
her den Laufflächengummi durchsetzt und das mit wenigstens einem
Teil des weiteren Elements in Kontakt steht, um einen durchgehenden
leitenden Pfad von der Außenseite der Lauffläche
bis zum Kontaktbereich des Reifens mit einer Felge auszubilden,
wobei die Gummimischung des Gummielements 100 Gewichtsteile einer
Kautschukkomponente, die 50 bis 100 Gewichtsteile eines Dienkautschuks
mit einem mittleren Molekulargewicht von 250.000 bis 450.000 enthält,
und 10 bis 30 Gewichtsteile Ruß mit einer spezifischen
Stickstoffadsorptionsfläche (N2SA)
von 700 bis 1300 m2/g und einer Dibutylphthalat-(DBP)-Absorption
von 300 bis 550 cm3/100 g umfaßt.
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Die
Gesamtmenge des Rußes, der in der Gummimischung enthalten
ist, beträgt vorzugsweise 50 bis 90 Gewichtsteile Ruß pro
100 Gewichtsteilen der Kautschukkomponente.
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Die
Gummimischung kann einen spezifischen elektrischen Widerstand von
weniger als 107 Ωcm aufweisen.
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Bei
der vorliegenden Erfindung kann das Gummielement mit einer Gummilösung
ausgebildet werden, die die in einem organischen Lösungsmittel
gelöste Gummimischung enthält.
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Mit
der vorliegenden Erfindung bleibt die Verarbeitbarkeit des Gummis
erhalten, und die guten Eigenschaften des Reifens aufgrund des Silikagehalts
wie der geringe Rollwiderstand und die guten Naßlaufeigenschaften
bleiben ebenfalls erhalten. Der Reifen bleibt über eine
lange Zeit elektrisch leitend. Es treten keine Probleme wie Störgeräusche,
ein ne gativer Einfluß auf elektronische Teile oder Kurzschlüsse
durch eine statische Aufladung der Fahrzeuge auf, die mit Reifen
ausgerüstet sind, die eine Lauffläche in Silikatechnik
aufweisen.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Luftreifens.
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2 eine
schematische Ansicht eines Meßverfahrens für den
elektrischen Widerstand eines Luftreifens.
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3 eine
Schnittansicht eines Luftreifens mit einem Aufbau, bei dem die Seitenwand
des Reifens bis über die Laufflächenschulter reicht.
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4 eine
Schnittansicht eines Luftreifens mit einem Aufbau mit einem Flügelgummi.
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5 eine
Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Luftreifens.
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Die
folgenden Ausführungsformen eines Luftreifens werden anhand
eines Beispiels für einen Reifen für einen Personwagen
beschrieben. Die Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt.
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Erste Ausführungsform
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Die 1 zeigt
die halbierte Schnittansicht einer ersten Ausführungsform
eines Luftreifens.
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Der
Luftreifen 1 (im folgenden auch einfach als "Reifen" bezeichnet)
besteht aus einem Paar von Wülsten 4, mit denen
der Reifen auf einer (nicht gezeigten) Felge montiert wird, einem
Paar von Seitenwänden 3, die sich in der Radialrichtung
des Reifens vom Wulst 4 weg nach außen erstrecken,
und einer Lauffläche 2 zwischen den beiden Seitenwänden 3,
die mit der Oberfläche einer Straße und dergleichen
in Berührung kommt. Die Lauffläche 2 weist
hier einen zweilagigen Aufbau auf mit einer Laufflächenauflage 21 auf
der Außenseite des Reifens, deren Oberfläche mit
der Straße in Berührung kommt, und einer Laufflächenbasis 22 an der
Innenseite der Auflage 21 in der Radialrichtung des Reifens.
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Wie
in der 1 gezeigt, umfaßt der Reifen in der Axialrichtung
des Reifens an der Außenseite des Wulstes 4 einen
Felgenstreifen 41, der mit der Felgenschulter der Felge
in Kontakt kommt, wenn der Reifen 1 auf einer Felge montiert
ist. Der untere Rand des Seitenwandgummis 9 liegt über
dem Rand des Felgenstreifens 41. Der Reifen hat darüberhinaus
einen Aufbau, bei dem von der Seite gesehen die Lauffläche 2 in
Radialrichtung über die Seitenwand 3 hinausragt
und an der Außenseite in Radialrichtung die Unterseite
der Laufflächenbasis 22 über dem Seitenwandgummi 9 liegt.
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Der
Reifen 1 hat im wesentlichen den allgemeinen Aufbau eines
Radialreifens für einen Pkw mit einer Karkasse 6 aus
zwei Karkassenlagen aus Cord, die um den Wulstkern 5 im
Wulst 4 verlaufen, wobei die Karkassenlagen von der Innenseite
des Reifens nach außen umgeschlagen und miteinander verbunden
sind, und mit einem Gürtel 7 aus zwei gekreuzten
Gürtellagen an der Innenseite der Lauffläche 2 sowie
einer darüberliegenden Lage 8 aus Cord, die entlang
des Umfangs des Gürtels 7 unter einem Winkel von
nahezu 0° in Umfangsrichtung spiralig um den Reifen herumgewickelt
ist.
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Bei
den Karkassenlagen der Karkasse 6 wird ein Cord aus einer
organischen Faser wie Polyester, Nylon oder Rayon verwendet. Bei
den Gürtellagen des Gürtels 7 wird ein
festerer Cord wie Stahlcord oder eine Aramidfaser verwendet. Bei
der darüberliegenden Auflagen-Cordlage 8 wird
als Verstärkungselement ein Cord verwendet, dessen Wärmeschrumpfvermögen
relativ groß ist, etwa Nylon oder Polyester.
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Als
Laufflächengummi für die Lauffläche 2 wird
in der Auflage 21 eine Gummimischung verwendet, die ein
rußfreies Verstärkungsmittel enthält,
die etwa anstelle des herkömmlichen Rußes eine
Silikaformulierung wie Kieselerde (zum Beispiel ausgefälltes
Kieselgur, Kieselsäureanhydrid), Ton (zum Beispiel kalzinierter
Ton, harter Ton), Kalziumkarbonat und dergleichen enthält,
um den Verlustwinkel tan δ der Gummimischung zu verringern
und dadurch zu einer Verringerung des Rollwiderstands und des Naßlaufverhaltens
des Reifens beizutragen. Vorzugsweise wird eine Silikaformulierung
verwendet, die einen hohen Verbesserungseffekt auf den Rollwiderstand
und dergleichen ergibt.
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Die
Menge des rußfreien Verstärkungsmittels, etwa
der Silikaformulierung, beträgt pro 100 Gewichtsteilen
der Kautschukkomponente 30 bis 120 Gewichtsteile, vorzugsweise 40
bis 100 Gewichtsteile. Durch eine solche Menge werden der Rollwiderstand
und das Naßlaufverhalten verbessert.
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Im
Falle der Silikaformulierung bestehen bezüglich der Art
der Silikakomponente keine besonderen Einschränkungen.
Zum Beispiel wird unter den Gesichtpunkten des Verstärkungseffekts
und der Verarbeitbarkeit bevorzugt nasse Kieselerde mit einer spezifischen
Stickstoffadsorptionsfläche (BET) von 100 bis 250 m2/g und einer DBP-Absorption von 100 ml/100
g oder mehr verwendet. Es können kommerzielle Produkte
wie das NIPSIL AQ der Tosoh Silica Corporation und das ULTRASIL
VN3 der Degussa verwendet werden. Vorzugsweise wird gleichzeitig
ein Silan-Haftmittel wie Bis(Triethoxysilylpropyl)Tetrasulfid verwendet.
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Unter
den Gesichtspunkten der Abriebfestigkeit und des Wärmeaufbaus
wird als Ruß im Gummi der Laufflächenauflage 21 SAF-,
ISAF-, HAF-Ruß und dergleichen in einer Menge von 0 bis
40 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteilen der Kautschukkomponente
verwendet.
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Für
die Kautschukkomponente im Gummi der Laufflächenauflage 21 können
ein Dienkautschuk wie Naturkautschuk (NR), Isoprenkauschuk (IR),
Styrol-Butadienkautschuk (SBR) und/oder Butadienkautschuk (BR) jeweils
allein oder als Mischung von zwei oder mehr Bestandteilen verwendet
werden. Vorzugsweise enthält die Kautschukkomponente lösungspolymerisierten
Styrol-Butadienkautschuk und emulsionspolymerisierten Styrol-Butadienkautschuk.
In geeigneten Mengen werden darüberhinaus die Bestandteile
eingesetzt, die allgemein bei Reifengummi Verwendung finden, etwa Öle,
Weichmacher wie Wachs, Stearinsäure, Zinkweiß, Kunstharze,
Alterungsinhibitoren, Vulkanisationsmittel wie Schwefel, Vulkanisationsbeschleuniger
und dergleichen.
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Dadurch
wird der Gummi für die Laufflächenauflage 21 zu
einem Gummi, der einen Reifen 1 mit kleinem Rollwiderstand
und gutem Verhalten bei Nässe ergibt. Andererseits weist
die Gummimischung einen spezifischen elektrischen Widerstand von
108 Ωcm und mehr auf und bildet
daher einen elektrisch nicht leitenden Gummi. Damit ist der Gummi
für die Laufflächenauflage 21, die mit
der Straße in Berührung kommt, nicht leitend,
und der Reifen 1 wird durch die Kombination der einzelnen
Elemente ein nicht leitender Reifen mit einem elektrischen Widerstand
von 108 Ω und mehr.
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Um
eine ausreichende mechanische Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit
der Lauffläche 2 sicherzustellen, wird für
den Gummi der Laufflächenbasis 22 eine Gummimischung
verwendet, die einen Dienkautschuk wie Naturkatuschuk (NR), Isoprenkauschuk
(IR), Styrol-Butadienkautschuk (SBR) oder Butadienkautschuk (BR)
umfaßt und die als Verstärkungsmittel im wesentlichen
Ruß enthält.
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Der
Ruß ist, ohne darauf beschränkt zu sein, vorzugsweise
eine Stufe der HAF-, FEE- und GPF-Klassen. Der Anteil an Ruß beträgt
20 bis 100 Gewichtsteile und vorzugsweise 30 bis 80 Gewichtsteile
Ruß pro 100 Gewichtsteilen der Kautschukkomponente.
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Die
Gummimischung für den Gummi der Laufflächenbasis 22 enthält
Ruß, der elektrisch leitfähig ist, so daß der
Gummi für die Laufflächenbasis 22 einen
leitenden Gummi mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von
weniger als 107 Ωcm bildet.
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Für
den Seitenwandgummi 9 und den Gummi für den Felgenstreifen 41 wird
eine Gummimischung verwendet, die als Kau tschukkomponente einen
Dienkautschuk enthält, dem als Verstärkungsmittel
hauptsächlich Ruß zugegeben wird.
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Als
Ruß für den Seitenwandgummi 9 wird vorzugsweise
eine Abstufung der HAF-, FEE- und GPF-Klassen verwendet, der Anteil
beträgt 20 bis 80 Gewichtsteile und vorzugsweise 30 bis
70 Gewichtsteile Ruß pro 100 Gewichtsteilen der Kautschukkomponente.
Auch für den Gummi des Felgenstreifens 41 werden vorzugsweise
die Abstufungen der HAF-, FEE- und GPF-Klassen verwendet, der Anteil
beträgt 50 bis 90 Gewichtsteile und vorzugsweise 60 bis
80 Gewichtsteile Ruß pro 100 Gewichtsteilen der Kautschukkomponente. Der
Seitenwandgummi 9 und der Felgenstreifen 41 bestehen
somit jeweils aus einer Gummimischung, die elektrisch leitenden
Ruß enthält, so daß sowohl der Seitenwandgummi 9 als
auch der Felgenstreifen 41 jeweils aus einem leitenden
Gummi mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von weniger
als 107 Ωcm bestehen.
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Dadurch
wird, wie in der 1 gezeigt, aus leitenden Gummimischungen
ein durchgehend leitender Pfad ausgebildet, der von der Laufflächenbasis 22 über
die Seitenwand 3 zum Felgenstreifen 41 reicht,
da diese Elemente an ihren Rändern miteinander in Kontakt
stehen und jeweils aus einer leitenden Gummimischung bestehen.
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An
der Grenze zwischen der Laufflächenauflage 21 und
der Laufflächenbasis 22 beginnt jedoch der isolierende
Zustand, da die Lauffläche 2 an ihrer Außenseite
nicht leitend ist. Auch wenn mit Ausnahme der Laufflächenauflage 21 überall
ein elektrisch leitender Gummi Verwendung findet, kann daher eine
statische elektrische Aufladung des Fahrzeugs nicht über
die Felge, den Wulst 4, die Seitenwand 3 und die
Lauffläche 2 zur Straßenoberfläche
abgeleitet werden, da die isolierende Laufflächenauflage
dies verhindert.
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Um
dieses Problem der statischen Aufladung des Fahrzeugs zu lösen,
durchsetzt bei der beschriebenen Ausführungsform ein Gummielement 10 den
Gummi der Laufflächenauflage 21 von der Außenseite
der Laufflächenauflage 21 bis zur Laufflächen basis 22,
mit der das Gummielement 10 in Kontakt steht. Durch die Verwendung
von leitfähigem Gummi für das Gummielement 10 wird
ein leitender Pfad ausgebildet, der von der Außenseite
der Laufflächenauflage 21, die mit der Straßenoberfläche
in Berührung kommt, bis zum Felgenstreifen 41 reicht,
der mit der Felge in Kontakt steht, so daß das Problem
der statischen Aufladung des Fahrzeugs damit beseitigt ist.
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Die
Form des Gummielements 10 und das Ausbildungsverfahren
für das Gummielement 10 sind beliebig, solange
der leitende Pfad zwischen Straßenoberfläche und
Laufflächenbasis 22 sichergestellt ist. Es können
zum Beispiel bandförmige, flache Gummielemente in der Umfangsrichtung
oder Radialrichtung des Reifens in die Laufflächenauflage 21 eingebettet
werden, es können säulenförmige Gummielemente
in bestimmten Abständen in die Laufflächenauflage 21 eingebettet
werden, und es kann eine Gummilösung, die durch Lösen
einer leitenden Gummimischung in einem organischen Lösungsmittel
erhalten wird, in Einschnitte in der Laufflächenauflage
eingegossen werden.
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Die
Position, an der der leitende Pfad ausgebildet wird, muß nicht
wie in der 1 gezeigt in der Mitte der Lauffläche
liegen (ML = Mittellinie). Der leitende Pfad kann paarweise links
und rechts von der Mitte der Lauffläche 2 ausgebildet
werden, er kann auch nur auf einer Seite der Lauffläche
in Breitenrichtung ausgebildet werden. Der leitende Pfad kann in
der Umfangsrichtung oder Radialrichtung des Reifens kontinuierlich
oder mit Unterbrechungen ausgebildet sein.
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Der
leitende Pfad über das Gummielement 10 kann auch
bei einem Reifenausbau ausgebildet werden, bei dem der in Radialrichtung
des Reifens äußere Rand des Seitenwandgummis 9 bis
zur Oberseite des mit der Straßenoberfläche in
Berührung kommenden Bereichs der Laufflächenschulter
reicht (siehe 3), und bei einem Reifenaufbau,
bei dem ein mit der Laufflächenauflage 21 und
der Laufflächenbasis 22 in Kontakt stehender Flügelgummi 25 in
Radialrichtung des Reifens nach außen bis zur Laufflächenschulter
reicht (siehe 4).
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Die
Gummimischung für das Gummielement 10 umfaßt
100 Gewichtsteile einer Kautschukkomponente, die 50 bis 100 Gewichtsteile
eines Dienkautschuks mit einem mittleren Molekulargewicht von 250.000
bis 450.000 als Kautschukkomponente enthält, und 10 bis
30 Gewichtsteile Ruß mit einer spezifischen Stickstoffadsorptionsfläche
(N2SA) von 700 bis 1300 m2/g
und einer Dibutylphthalat-(DBP)-Absorption von 300 bis 550 cm3/100 g.
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Beispiele
für einen Dienkautschuk mit einem mittleren Molekulargewicht
von 250.000 bis 450.000 sind Styrol-Butadienkautschuk (SBR) und
Butadienkautschuk (BR), die mit einer Emulsionspolymerisation oder
ein Lösungspolymerisation erhalten werden. Styrol-Butadienkautschuk
(SBR) wird bevorzugt. Wenn das mittlere Molekulargewicht kleiner
ist als 250.000, ist die Festigkeit der Gummimischung nicht ausreichend,
und die Abriebfestigkeit des in einen Reifen eingesetzten Gummielements 10 ist
niedrig, so daß der partielle Abrieb hoch ist. Wenn das
mittlere Molekulargewicht größer ist als 450.000,
steigt die Viskosität des nicht vulkanisierten Kautschuks
an, so daß die Verarbeitbarkeit beim Mischen oder Extrudieren
schlechter ist. Das mittlere Molekulargewicht ist der Wert, der
mit der GPC (Gel-Permeations-Chromatographie) im Lösungsmittel
THF (Tetrahydrofuran) bei 40°C gemessen wird.
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Wenn
der Anteil des Dienkautschuks in der Kautschukkomponente kleiner
ist als 50 Gewichtsteile, steigt die Viskosität der Gummimischung
stark an, und die Verarbeitbarkeit nimmt entsprechend ab. Auch wird der
Rollwiderstand nicht besser.
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Bevorzugte
Beispiele für die Bestandteile der Kautschukkomponente
neben dem Dienkautschuk mit dem angegebenen mittleren Molekulargewicht
sind Naturkautschuk, Styrol-Butadienkautschuk SBR und Butadienkautschuk
BR mit einem Molekulargewicht, das außerhalb des oben angegebenen
Bereichs liegt, sowie ein Dienkautschuk wie Polyisoprenkautschuk.
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Wenn
die spezifische Stickstoffadsorptionsfläche (N2SA)
des Rußes unter 700 m2/g liegt
und die DBP-Absorption des Rußes unter 300 cm3/100
g, nimmt die Leitfähigkeit der Gummimischung ab, und wenn die
spezifische Stickstoffadsorptionsfläche (N2SA)
des Rußes über 1300 m2/g
liegt und die DBP-Absorption davon über 550 cm3/100
g, nimmt die Dispersibilität des Rußes ab, und
es wird wegen der hohen Viskosität schwierig, den nicht
vulkanisierten Kautschuk zu verarbeiten. Die spezifische Stickstoffadsorptionsfläche
N2SA und die DBP-Absorption des Rußes
werden gemäß JIS K6217 gemessen.
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Wenn
die Menge des Rußes in der Mischung unter 10 Gewichtsprozent
liegt, ist die elektrische Leitfähigkeit der Gummimischung
nur gering. Wenn die Menge des Rußes in der Mischung über
30 Gewichtsprozent liegt, nimmt die Dispersibilität des
Rußes ab, und es wird wegen der hohen Viskosität
schwierig, den nicht vulkanisierten Kautschuk zu verarbeiten. Außerdem
wird der Rollwiderstand nicht besser.
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Die
Gummimischung enthält neben dem genannten Ruß vorzugsweise
auch noch anderen Ruß. Wenn der andere Ruß und
der angegebene Ruß in einer Gesamtmenge für Ruß von
50 bis 90 Gewichtsteilen verwendet werden, bleibt die Viskosität
des nicht vulkanisierten Kautschuks niedrig, die Verarbeitbarkeit
ist gut, und die Leitfähigkeit der Gummimischung bleibt
erhalten. Die Löslichkeit in einem organischen Lösungsmittel ist
auch gut.
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Für
den anderen Ruß bestehen keine besonderen Einschränkungen.
Bevorzugt wird Ruß der HAF- FEE- und GPF-Abstufungen mit
einem relativ großen Teilchendurchmesser.
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In
der Gummimischung sind die geeigneten und üblichen Öle,
Weichmacher wie Wachs, Stearinsäure, Zinkweiß,
Kunstharze, Alterungsinhibitoren, Vulkanisationsmittel wie Schwefel,
Vulkanisationsbeschleuniger und dergleichen enthalten.
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Die
Gummimischung mit der obigen Zusammensetzung weist einen spezifischen
elektrischen Widerstand von weniger als 107 Ωcm
auf. Der Reifen 1 ist damit elektrisch leitfähig.
Es wird ein durchgehender leitender Pfad von der Wulst 4 bis
zu der mit der Straße in Berührung kommenden Oberfläche
der Lauffläche 2 ausgebildet, so daß die
statische Elektrizität vom Fahrzeug über den leitfähigen
Pfad und die Lauffläche 2 zur Straßenoberfläche
abgeführt werden kann.
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Das
Gummielement 10 kann dadurch ausgebildet werden, daß ein
perforierendes Werkzeug wie eine Nadel (ein nadelartiger Vorsprung)
oder eine Klinge (eine ebene Klinge) in die durch Extrusion und
dergleichen hergestellte, noch nicht vulkanisierte Gummischicht
der Lauffläche einsticht oder einschneidet und die Gummischicht
teilt bzw. Einschnitte oder Löcher darin ausbildet, wobei
direkt im Zusammenhang damit die bandförmige oder säulenförmige
Gummimischung des Gummielements 10 im festen Zustand in
die Einschnitte usw. eingelegt wird oder eine Gummilösung
aus der in einem organischen Lösungsmittel gelösten
Gummimischung für das Gummielement 10 mittels
Beschichtung, Gießen und dergleichen eingebracht wird und
anschließend der Reifen vulkanisiert wird.
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Die
Ausbildung und Einbringung des leitenden Gummielements 10 kann
zum Zeitpunkt der Extrusion der Gummischicht für die Lauffläche
mit einfachen Einrichtungen und einfachen Methoden erfolgen. Das
leitende Gummielement 10 wird zum Beispiel dadurch ausgebildet,
daß eine Nadel mit einem Durchmesser von etwa 2 mm in bestimmten
Abständen durchgehende Löcher in die extrudierte
Lauffläche sticht und die entstehenden Löcher
sofort mit einer festen Gummimischung oder einer flüssigen
Gummilösung gefüllt werden. Der Einfluß,
der dadurch auf die Abmessungen und die Präzision des nicht
vulkanisierten Gummis ausgeübt wird, ist klein. Die Gleichmäßigkeit
wird daher nicht gestört, ganz im Gegensatz zu der herkömmlichen
Anbringung eines leitenden Gummis durch Aufteilen und Wiederverbinden.
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Die
Leitfähigkeit wird dadurch sichergestellt, daß das
Gummielement 10 die Form eines flachen Bandes mit einer
Dicke von 0,1 mm oder mehr, eine nahezu zylindrische Form (eine Kreisform
mit einem Durchmesser von 0,5 mm oder mehr) mit einer Querschnittfläche
von 0,2 mm2 oder mehr, eine Säulenform
in der Art einer Rechtecksäule und dergleichen aufweist.
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Wenn
die Dicke bei der Bandform 3 mm übersteigt oder die Querschnittfläche
bei der Säulenform 10 mm2, besteht
die Gefahr, daß das Gummielement 10 bei dem Reifen
nach der Vulkanisation keine ausreichende Verstärkung aufweist.
Auch ist ein Ablösen vom Gummi der Lauffläche
möglich, wodurch die Leitfähigkeit dann nicht
mehr gegeben ist. Auch tritt im Gebrauch des Reifens ein partieller
Abrieb am Gummielement 10 auf. Der leitende Pfad hat dann
keinen ausreichenden Kontakt mehr mit der Straßenoberfläche.
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Für
die Gummilösung wird die Gummimischung in einem organischen
Lösungsmittel gelöst und gleichmäßig
verteilt. Hinsichtlich des organischen Lösungsmittels gibt
es keine Einschränkungen, solange es die Gummimischung
lösen kann. Beispiele für das organische Lösungsmittel
sind die flüchtigen Öle für Gummi, Hexan,
Petroleumether, Heptan, Tetrahydofuran (THF) und Cyclohexan. Davon
werden die flüchtigen Öle für Gummi und
Hexan bevorzugt. Die Gummimischung wird in dem organischen Lösungsmittel
gelöst und die sich ergebene Gummilösung auf den
Reifen aufgetragen.
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Zweite Ausführungsform
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Die 5 zeigt
die halbierte Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform
des Luftreifens.
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Der
Luftreifen 20 hat den gleichen Aufbau wie der Reifen 1,
er besteht aus einem Paar von Wülsten 4, mit denen
der Reifen auf einer (nicht gezeigten) Felge montiert wird, den
Seitenwänden 3, die sich in der Radialrichtung
des Reifens vom Wulst 4 weg nach außen erstrecken,
und der Lauffläche 2 zwischen den beiden Seitenwänden 3 des
Reifens 1, die mit der Oberfläche einer Straße
und dergleichen in Berührung kommt. Die Lauffläche 2 weist
einen zweilagigen Aufbau auf mit einer Laufflächenauflage 23 an
der Außenseite des Reifens, deren Oberfläche mit
der Straße in Berührung kommt, und einer Lauf flächenbasis 24 an
der Innenseite der Auflage 23 in Radialrichtung des Reifens.
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Der
Reifen 20 hat im wesentlichen den allgemeinen Aufbau eines
Radialreifens für einen Pkw mit einer Karkasse 16 in
radialer Richtung aus zwei Karkassenlagen aus Cord, die um den Wulstkern 5 im
Wulst 4 verlaufen, wobei die Karkassenlagen von der Innenseite
des Reifens nach außen umgeschlagen und miteinander verbunden
sind, und mit einem Gürtel 17 aus zwei gekreuzten
Gürtellagen an der Innenseite der Lauffläche 2 sowie
einer darüberliegenden Lage 18 aus Cord, der entlang
des Umfangs des Gürtels 17 unter einem Winkel von
nahezu 0° in Umfangsrichtung spiralig um den Reifen herumgewickelt
ist.
-
Als
Laufflächengummi für die Lauffläche 2 wird
bei dem Reifen 20 eine Gummimischung verwendet, die ein
rußfreies Verstärkungsmittel enthält,
die etwa anstelle des herkömmlichen Rußes eine
Silikaformulierung wie Kieselerde (zum Beispiel ausgefälltes
Kieselgur, Kieselsäureanhydrid), Ton (zum Beispiel kalzinierter Ton,
harter Ton), Kalziumkarbonat und dergleichen enthält, um
den Verlustwinkel tan δ der Gummimischung zu verringern
und dadurch zu einer Verringerung des Rollwiderstands und des Naßlaufverhaltens
des Reifens 20 beizutragen. Es kann auch eine Gummimischung
mit einer verringerten Menge an Ruß in der Laufflächenauflage 23 und
der Laufflächenbasis 24 verwendet werden. Die
Gummimischung stellt damit einen nicht leitenden Gummi mit einem
spezifischen elektrischen Widerstand von 108 Ωcm
und mehr dar.
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Im
Gummi für die Laufflächenlagen 23, 24 kann
zusammen mit dem angegebenen Ruß ein Ruß nach den
verschiedenen Abstufungen der Klassen ISAF, HAF, FEE und GPF verwendet
werden. Die Menge des Rußes in der Mischung beträgt
pro 100 Gewichtsteilen der Kautschukkomponente 30 Gewichtsteile
Ruß oder weniger, vorzugsweise 20 Gewichtsteile Ruß oder
weniger. Wenn die Menge an Ruß 30 Gewichtsteile übersteigt,
werden der Rollwiderstand und das Naßlaufverhalten nicht
besser.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform wird, um den Rollwiderstand
des Reifens weiter zu verringern, für die Seitenwand 3 eine
Gummimischung mit einem rußfreien Verstärkungsmittel
wie einer Silikaformulierung verwendet oder eine Gummimischung,
die 40 Gewichtsteile oder weniger Ruß enthält.
Der Seitenwandgummi 19 wird so zu einem nicht leitenden
Gummi mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 108 Ωcm und mehr.
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Die
Verwendung des rußfreien Verstärkungsmittels,
etwa einer Silikaformulierung, ist die gleiche wie bei der ersten
Ausführungsform. Das Verstärkungsmittel ist in
einer Menge von 30 bis 120 Gewichtsteilen und vorzugsweise 40 bis
100 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteilen der Dienkautschukkomponente
in der Mischung enthalten, wodurch der Rollwiderstand geringer wird
und die Naßlaufeigenschaften besser werden.
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Im
Ergebnis besteht der Reifen 20 in einem Bereich vom Gummi
der Laufflächenauflage 23, die mit der Straße
in Berührung kommt, bis zum Seitenwandgummi 19 aus
nichtleitendem Gummi, und durch die Kombination der einzelnen Elemente
entsteht ein nichtleitender Reifen mit einem elektrischen Widerstand
von 108 Ω und mehr.
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Um
das Problem mit der nicht vorhanden Leitfähigkeit zu beseitigen,
ist bei dem Reifen 20 der zweiten Ausführungsform
ein leitender Pfad von der Lauffläche, die mit der Straße
in Berührung kommt, bis zur Felge vorgesehen. Es wird aus
der gleichen leitenden Gummimischung wie bei der ersten Ausführungsform
ein Gummielement 15 ausgebildet, das die Lauffläche 2 durchsetzt,
und als Abdeckgummi für die Cordlagen 18 der Laufflächenauflage,
die mit dem Gummielement 15 in Kontakt stehen, dem Gürtel 17,
der Karkasse 16 und dem Felgenstreifen 41 wird
eine Gummimischung mit einem Dienkautschuk als Kautschukkomponente
verwendet, die als Verstärkungsmittel hauptsächlich
Ruß enthält und einen spezifischen elektrischen
Widerstand von weniger als 107 Ωcm
aufweist.
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Bei
dem Abdeckgummi für die Cordlagen 18 der Laufflächenauflage,
dem Gürtel 17 und der Karkasse 16 kann
eine der mit Ruß versetzten Gummimischungen verwendet werden,
wie sie auch herkömmlich verwendet werden. Der Ruß,
der entsprechend der Stelle am Reifen, an der er verwendet werden
soll, aus einer der Abstufungen von HAF, FEF, GPE und dergleichen
ausgewählt wird, wird dem Dienkautschuk in einer Menge
von 20 bis 100 Gewichtsteilen, vorzugsweise 30 bis 80 Gewichtsteilen
pro 100 Gewichtsteilen der Kautschukkomponente zugemischt, wodurch
der spezifische elektrische Widerstand auf weniger als 107 Ωcm eingestellt wird.
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Wie
in der 5 gezeigt, stehen das Gummielement 15,
die Cordlagen 18 der Laufflächenauflage, der Gürtel 17,
die Karkasse 16 und der Felgenstreifen 41 miteinander
in Kontakt, so daß ein leitender Pfad ausgebildet wird,
der von dem mit der Straße in Berührung kommenden
Teil des Reifens bis zur Felge durchgeht. Auf dem leitenden Pfad
kann so über die Felge und das elektrisch damit in Verbindung
stehende Gummielement 15 die statische Elektrizität
vom Fahrzeug an den Boden abgegeben werden, während der
Rollwiderstand und die Naßlaufeigenschaften des Reifens 20 durch
die dahingehend optimierte Lauffläche 2 und Seitenwand 3 verbessert
sind.
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Die
Gummimischung für das Gummielement 15, dessen
Form, dessen Ausbildung und Anordnung im Reifen sind jeweils die
gleichen wie bei dem Gummielement der ersten Ausführungsform.
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Die
vorliegende Ausführungsform kann auch dann Anwendung finden,
wenn die Lauffläche einen integrierten Aufbau hat und für
die gesamte Lauffläche eine nicht leitende Gummimischung
verwendet wird.
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BEISPIELE
-
Die
vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele weiter
erläutert.
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Die
Gummimischungen für den Felgenstreifen und die Laufflächenauflage
wurden jeweils durch Kneten einer Mischung mit der Zusammensetzung
(Gewichtsteilen), die in der Tabelle 1 angegeben ist, in einem Banbury-Mixer
mit einem Inhalt von 200 Liter auf herkömmliche Weise hergestellt.
Der elektrische Widerstand der einzelnen Gummimischungen ist auch
in der Tabelle 1 angegeben. Für die Laufflächenbasis
wurde eine nichtleitende Gummimischung verwendet, die als Verstärkungsmittel
30 Gewichtsteile Ruß in der Mischung enthielt und die einen
spezifischen elektrischen Widerstand von 1011 Ωcm
aufwies. Für die Abdeckgummis der Cordlagen der Laufflächenauflage,
des Gürtels und der Karkasse wurde eine leitende Gummimischung
verwendet, die in der Mischung Ruß enthält und
die einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 107 Ωcm aufwies.
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Dann
wurde durch Kneten einer Mischung mit der Zusammensetzung (Gewichtsteilen),
die in der Tabelle 2 angegeben ist, in einem Banbury-Mixer mit einem
Inhalt von 200 Liter auf herkömmliche Weise die Gummimischung
für das leitende Gummielement 10 bzw. 15 hergestellt.
Die Verarbeitbarkeit (Mooney-Viskosität) und der elektrische
Widerstand der Gummimischung wurden gemessen, die Werte dafür
sind in der Tabelle 2 angegeben. Die Kautschukkomponente, der Ruß und
die übrigen Bestandteile der Mischungen für die Tabellen
1 und 2 sind im folgenden angegeben.
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Kautschukkomponente
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- Naturkautschuk (NR): RSS#3, hergestellt in Thailand.
- Butadienkautschuk (BR): BR150B von Ube Industries, Ltd.
- Styrol-Butadienkautschuk 1 (SBR-1): 1723, mittleres Molekulargewicht
850.000, von der JSR Corporation.
- Styrol-Butadienkautschuk 2 (SBR-2): 1502, mittleres Molekulargewicht
420.000, von der JSR Corporation.
- Styrol-Butadienkautschuk 3 (SBR-3): 1507, mittleres Molekulargewicht
300.000, von der JSR Corporation.
-
Ruß
-
- Ruß HAF für den Gummi des Felgenstreifens:
SEAST 3 von der Tokai Carbon Co., Ltd.
- Ruß ISAF für den Gummi der Laufflächenauflage:
SEAST 6 von der Tokai Carbon Co., Ltd.
- Ruß No. 1 für das Gummielement (CB-1): SEAST
KH, N2SA: 90 m2/g,
DBP-Absorption: 120 cm3/100 g, von der Tokai
Carbon Co., Ltd.
- Ruß No. 2 für das Gummielement (CB-2): KETJEN
BLACK EC300J, N2SA: 800 m2/g,
DBP-Absorption: 360 cm3/100 g, von der Ketjen
Black International Co.
- Ruß No. 3 für das Gummielement (CB-3): KETJEN
BLACK EC600JD, N2SA: 1270 m2/g,
DBP-Absorption: 500 cm3/100 g, von der Ketjen
Black International Co.
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Mischungsbestandteile
-
- Kieselerde: NIPSIL AQ von der Tosoh Silica Corporation.
- Silan-Haftmittel: Si69 von der Degussa.
- Aromaöl: X-140 von der Japan Energy Corporation.
- Paraffinwachs: OZOACE 0355 von der Nippon Seiro Co., Ltd.
- Alterungsinhibitor 6C: NOCLAC 6C von der Ouchi Shinko Chemical
Industrial Co., Ltd.
- Stearinsäure: RUNAX S-20 von der Kao Corporation. Zinkweiß:
Zinc White #1 von der Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd.
- Schwefel: Fünfprozentiges ölbehandeltes Schwefelpulver
von der Hosoi Chemical Industry Co., Ltd.
- Vulkanisationsbeschleuniger NS: NOCCELLAR NS-P von der Ouchi
Shinko Chemical Industrial Co., Ltd.
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TABELLE 1
| Felgenstreifen
Leitend | Laufflächenauflage
Nichtleitend |
NR | 70 | 50 |
BR | 30 | |
SBR-2 | | 50 |
Ruß | 70 | |
Kieselerde | | 60 |
Silan-Haftmittel | | 4 |
Aromaöl | 3 | 20 |
Wachs | 1 | 3 |
Alterungsinhibitor | 2 | 2 |
Stearinsäure | 2 | 2 |
Zinkoxid | 3 | 3 |
Schwefel | 2 | 2 |
Vulkanisationsbeschleuniger | 1,5 | 1,5 |
Elektrischer
Widerstand (Ωcm) | 106 | 1013 |
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Mit
einem Doppelextruder wurde eine Lauffläche mit einem Auflagen/Basis-Aufbau
hergestellt. Der mittlere Bereich des Auflagengummis wurde in Umfangsrichtung
geteilt und eine Lage aus der Gummimischung für das Gummielement
mit einer Dicke von 1,1 mm wurde mit der Cordlage für die
Laufflächenauflage in Kontakt gebracht und so in die Lauffläche
eingefügt, daß sie an der Oberseite der Lauffläche
freilag. Es wurde ein nicht vulkanisierter Reifen der Größe
195/65R15 mit dem in der 5 gezeigten Aufbau ausgebildet und
auf die herkömmliche Weise vulkanisiert, um einen Testreifen
T zu schaffen. Der Rollwiderstand des Reifens und der elektrische
Widerstand wurden nach einer Laufleistung von 1000 km und einer
Laufleistung von 30.000 km auf einem richtigen Pkw auf die folgende
Weise gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle 2
angegeben.
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Verarbeitbarkeit (Mooney-Viskosität)
-
Die
Mooney-Viskosität ML1+4 wurde bei
100°C gemäß JIS K6300 gemessen. Die Verarbeitbarkeit
wird mit einem Index bezeichnet, der beim Vergleichsbeispiel 1 auf
100 gesetzt wurde. Die Verarbeitbarkeit ist gut, wenn der Wert für
den Index klein ist.
-
Elektrischer Widerstand der Gummimischung
-
Der
spezifische elektrische Widerstand der Gummimischung wurde gemäß JIS
K6911 gemessen. Die Meßbedingungen umfassen eine angelegte
Spannung von 1000 V, eine Temperatur von 25°C und eine
Feuchtigkeit von 50%.
-
Rollwiderstand
-
Ein
Reifen wurde auf eine Felge 15x6-JJ montiert und mit einem Luftdruck
von 200 kPa versehen. Der Rollwiderstand wurde auf einem uniaxialen
Trommeltester für die Messung des Rollwiderstands bei einer
Last von 4 kN und einer Geschwindigkeit von 60 km/h gemessen. Der
Rollwiderstand wird mit einem Index bezeichnet, dessen Wert beim
Vergleichsbeispiel 1 auf 100 gesetzt wurde. Wenn der Index einen
großen Wert hat, sind der Rollwiderstand und auch der Kraftstoffverbrauch
hoch.
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Elektrischer Widerstand des Reifens
-
Ein
Reifen wurde auf eine Felge 15x6-JJ montiert und mit einem Luftdruck
von 200 kPa auf einem frontgetriebenen japanischen Pkw verwendet.
Nach einer Laufleistung von 1000 km und nach einer Laufleistung
von 30.000 km wurde der elektrische Widerstand des Reifens gemäß den
"Meßprozeduren für den elektrischen Widerstand
von Reifen unter Last" in WDK, Blatt 3 (Deutschland) gemessen. Das
heißt, daß wie in der 2 gezeigt
der Reifen T, der sich auf einer Felge befindet, unter einer Last
von 4 kN vertikal auf eine Kupferplatte 131 gestellt wird,
die durch eine Unterlage 130 isoliert ist, und der elektrische
Widerstand des Reifens zwischen dem Mittelpunkt der Felge R und
der Kupferplatte 131 an sechs Stellen des Reifenumfangs
mit einem Widerstandsmeßgerät 132 gemessen
wird, wobei eine Spannung von 1000 V angelegt wird. Bei der Messung
beträgt die Temperatur 25°C und die Feuchtigkeit
50%.
-
Aus
der folgenden Tabelle 2 ergibt sich, daß bei dem erfindungsgemäßen
Luftreifen die elektrische Leitfähigkeit des Reifens sichergestellt
ist, während die Verarbeitbarkeit (Mooney-Viskosität)
und der Rollwiderstand verbessert sind, wobei die Leitfähigkeit über
eine lange Zeitspanne stabil bleibt.
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Der
erfindungsgemäße Reifen kann nicht nur bei vierrädrigen
Fahrzeugen wie Pkws und dergleichen verwendet werden, sondern auch
bei zweirädrigen Fahrzeugen wie Motorrädern, bei
dreirädrigen Fahrzeugen, bei Bussen und Lkws mit sechs
Reifen und mehr sowie bei Anhängern und Industriefahrzeugen.
-
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2002-1834
A [0003]
- - US 6140407 A [0004]
- - EP 0819741 A2 [0005]
- - JP 10-81110 A [0006]
- - US 6183581 B1 [0006]