DE102016214276A1 - Verstärkungslage für Gegenstände aus elastomerem Material, vorzugsweise für Fahrzeugluftreifen, und Fahrzeugluftreifen - Google Patents

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Continental Reifen Deutschland GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine gummierte Verstärkungslage für Gegenstände aus elastomerem Material, vorzugsweise für Fahrzeugluftreifen, wobei die Verstärkungslage eine Vielzahl an parallelen und beabstandet zueinander angeordneten Festigkeitsträgern aufweist, wobei jeder Festigkeitsträger aus wenigstens einem verdrehten Multifilamentgarn aus Polyethylenterephthalat (PET) besteht, wobei das Multifilamentgarn einen Garntiter (Feinheit) von 50 bis 1100 dtex und eine feinheitsbezogene Höchstzugkraft von ≥ 70 cN/tex gemäß ASTM D885-16 aufweist, und wobei die Gummierung eine Dicke D aufweist. Die Erfindung betrifft ferner einen Fahrzeugluftreifen, enthaltend diese Verstärkungslage. Das Multifilamentgarn weist eine Bruchdehnung von 10 bis 20 % gemäß ASTM D885-16, eine Kristallinität ermittelt über DSC von 55 bis 65 % und eine Doppelbrechung ∆n mit 0,21 ≤ ∆n ≤ 0,25 auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine gummierte Verstärkungslage für Gegenstände aus elastomerem Material, vorzugsweise für Fahrzeugluftreifen, wobei die Verstärkungslage eine Vielzahl an parallelen und beabstandet zueinander angeordneten Festigkeitsträgern aufweist, wobei jeder Festigkeitsträger aus wenigstens einem verdrehten Multifilamentgarn aus Polyethylenterephthalat (PET) besteht, wobei das Multifilamentgarn einen Garntiter (Feinheit) von 50 bis 1100 dtex und eine feinheitsbezogene Höchstzugkraft von ≥ 70 cN/tex gemäß ASTM D885-16 aufweist, und wobei die Gummierung eine Dicke D aufweist. Die Erfindung betrifft ferner einen Fahrzeugluftreifen, enthaltend diese Verstärkungslage.
  • Verstärkungslagen für Gegenstände aus elastomerem Material wie beispielsweise technische Gummiprodukte und Fahrzeugluftreifen haben größte Bedeutung und sind dem Fachmann im Allgemeinen bekannt. Die Verstärkungslagen weisen eine Vielzahl an verstärkenden, fadenförmigen Elementen, den sogenannten Festigkeitsträgern, auf. Diese sind vollständig in elastomeres Material eingebettet. Die Festigkeitsträger dieser Verstärkungslagen weisen beispielsweise die Form von Geweben oder kalandrierten, endlos gespulten Festigkeitsträgern auf.
  • Die gummierten Verstärkungslagen geeigneter Größe und Ausbildung werden mit weiteren Bauteilen zusammengefügt, um ein technisches Gummiprodukt oder einen Fahrzeugluftreifen zu bilden. Dabei verstärken die gummierten Verstärkungslagen das betreffende Produkt.
  • Als Festigkeitsträger für die Verstärkungslagen von Gummiprodukten können unterschiedlichste Materialien eingesetzt werden. Bekannt sind z. B. Festigkeitsträger aus Stahl oder textile Festigkeitsträger. Als textile Festigkeitsträger kommen in der Gummiindustrie z. B. Festigkeitsträger aus Rayon oder Polyester zum Einsatz.
  • Für die Karkasse von PKW-Reifen haben sich so genannte HMLS-Polyestergarne als Festigkeitsträger durchgesetzt. Derartige Garne werden durch Spinnen von industriellen Polyestergarnen unter hoher Spannung erzeugt und zeichnen sich durch einen hohen Modul und geringe Schrumpfung (high modulus low shrinkage) aus. In der Karkasse von PKW-Reifen werden häufig HMLS-Polyestermultifilamentgarne mit einem Garntiter (Feinheit) von 1440 dtex eingesetzt. Garne mit diesem Titer haben einen relativ großen Durchmesser. Das hat den Nachteil, dass die kalandrierte Lagenstärke im Reifen erhöht ist. Dies führt wiederum zu einem größeren Wärmeaufbau im Fahrbetrieb des Reifens, wenn diese Lagen Walkkräften ausgesetzt sind. Durch diesen Wärmeaufbau kommt es zu Einbußen im Hochgeschwindigkeitsverhalten (high speed performance) und im Rollwiderstand.
  • Aus der EP 0 908 329 B1 ist es bekannt, gummierte Verstärkungslagen für die Karkasse von Fahrzeugluftreifen mit Textil-Korden aus synthetischen Multifilamentgarnen aus den Polyestertypen PET (Polyethlenterephthalat) oder PEN (Polyethylennaphthalat) vorzusehen. Die Textil-Korde sind aufgrund des verwendeten Garntiters und ihrer Konstruktion vergleichsweise dünn ausgelegt, so dass die gummierte Verstärkungslage eine vergleichsweise geringe Lagendicke aufweist. Dieses hat einerseits den Vorteil, dass weniger Kautschukmaterial zum Gummieren dieser Festigkeitsträger eingesetzt werden muss, wodurch Materialkosten eingespart werden. Andererseits hat eine dünne gummierte Verstärkungslage im Produkt, beispielsweise im Fahrzeugreifen, den Vorteil, dass das Gewicht des Reifens verringert ist. Gleichzeitig bewirkt die Verringerung der Materialdicke eine geringere Hysterese, was sich positiv auf den Rollwiderstand des Reifens auswirkt.
  • Verstärkungslagen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Verfahren zu deren Herstellung sind z. B. aus der CN 104494169 bekannt. Die dort verwendeten Multifilamentgarne weisen einen Titer von 500 bis 1000 D und einen Modul von 105 bis 120 mN/dtex auf.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gummierte Verstärkungslage bereit zu stellen, die bei ausreichender Festigkeit hinsichtlich ihres Wärmeaufbaus in den resultierenden Gummiprodukten weiter optimiert ist.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Multifilamentgarn eine Bruchdehnung von 10 bis 20 % gemäß ASTM D885-16, eine Kristallinität ermittelt über DSC von 55 bis 65 % und eine Doppelbrechung ∆n mit 0,21 ≤ ∆n ≤ 0,25 aufweist.
  • Unter „Multifilamentgarn“ ist dabei ein Multifilamentgarn zu verstehen, welches verdreht ist und somit als Festigkeitsträger die Konstruktion x1 aufweist und welches den Prozess der Heißverstreckung incl. Imprägnierung bereits durchlaufen hat.
  • Es lassen sich mit den Multifilamentgarnen mit den genannten Eigenschaften gummierte Verstärkungslagen erzeugen, die trotz eines sehr kleinen Durchmessers eine hohe Gesamtfestigkeit aufweisen. Das Zusammenspiel von Doppelbrechung und Kristallinität führt zu einer größeren Orientierung der Garne, was in einer höheren Festigkeit zu resultieren scheint. Dies ermöglicht eine weitere Verbesserung des Wärmeaufbaus in den mit diesen Verstärkungslagen erzeugten Gummiprodukten. Durch die noch dünneren Multifilamentgarne kann die Menge an Gummierungsmaterial weiter reduziert werden. Neben der Einsparung von Materialkosten resultiert dies in einer dünneren Gummierungslage, die beispielsweise bei Einsatz als Karkasslage in Fahrzeugluftreifen zu einer Gewichtreduzierung und deutlich geringerem Wärmeaufbau bei Walk- und Fliehkrafteinwirkung führt. Letzteres wirkt sich positiv auf den Rollwiderstand und das Hochgeschwindigkeitsverhalten aus.
  • Die erfindungsgemäße Verstärkungslage erfüllt insbesondere in Bezug auf Bruchkraft, E-Modul, Ermüdungsbeständigkeit und Bruchdehnung die Anforderungen für den Einsatz insbesondere im Fahrzeugreifen.
  • Das Multifilamentgarn für die erfindungsgemäße Verstärkungslage wird so hergestellt dass ein Rohgarn ohne jegliche Drehung ersponnen wird, welches im Anschluss in einer Zwirnmaschine verdreht wird.
  • Das Multifilamentgarn wird zu einem zum Kalandrieren einsatzfähigen Gewebe konvertiert, indem man die dem Fachmann bekannten Schritte:
    • – der Verdrehung der/des Multifilamentgarne/s zur gewünschten Festigkeitsträgerkonstruktion
    • – des Herstellens eines Gewebe, enthaltend den erwünschten Festigkeitsträger
    • – der Gummi-Haftungsaktivierung des Gewebes, beispielsweise mittels eines RFL-Dips
    durchführt.
  • Vorteilhaft ist es, wenn das Multifilamentgarn einen Garntiter (Feinheit) im Bereich von 420 dtex bis 1100 dtex aufweist. Auf diese Weise sind im Zusammenspiel mit der hohen Höchstzugkraft besonders dünne Verstärkungslagen realisierbar. Insbesondere werden Vorteile in Bezug auf die Ermüdungseigenschaften eines Fahrzeugluftreifens, der die erfindungsgemäße Verstärkungslage als Karkasslage einsetzt, sowie in Bezug auf die Prozessfähigkeit der Verstärkungslagenherstellung erzielt.
  • Für den Einsatz in Gegenständen aus elastomerem Material, die regelmäßig vulkanisiert werden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Multifilamentgarn einen Heißschrumpf von weniger als 4 % bei 180 °C unter einer Vorspannung von 0,1 cN/dtex bei 2 min Expositionszeit aufweist. So hat die Vulkanisation der Produkte einen sehr geringen Einfluss auf das Multifilamentgarn innerhalb des Produktes.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Multifilamentgarn eine Bruchdehnung gemäß ASTM D885-16 von 10 bis 15 % auf. Ein Fahrzeugluftreifen mit einer derartigen Verstärkungslage als Karkasslage ist ermüdungsbeständiger, auch bei extremen Bedingungen wie Bordsteinkontakten.
  • Für Gummiprodukte, insbesondere Fahrzeugluftreifen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die feinheitsbezogene Gummierungsdicke GD, berechnet nach folgender Formel GD = Gummierungsdicke D·(Feinheit/Bruchkraft), der gummierten Verstärkungslage zwischen 1,0 mm·g/(m·cN) und 3,2 mm·g/(m·cN) liegt, wobei die Bruchkraft gemäß ASTM D885-16 bestimmt wird. Mit derartigen Verstärkungslagen konnten beim Einsatz im Fahrzeugluftreifen besonders gute Ergebnisse im Hinblick auf den Rollwiderstand und die Hochgeschwindigkeitstauglichkeit erzielt werden.
  • Vorteilhaft ist es ferner, wenn der Festigkeitsträger ein aus wenigstens zwei miteinander verdrehten Polyethylenterephthalat-Multifilamentgarnen bestehender Textil-Kord ist, welcher vorzugsweise in einer Dichte von mindestens 130 epdm in der Verstärkungslage angeordnet ist.
  • „epdm“ bedeutet ends per decimeter und beschreibt für in Fachmann üblicher Weise die Korddichte in der Verstärkungslage.
  • Zweckmäßig ist es dann, wenn die Polyethylenterephthalat-Multifilamentgarne eine Verdrehung von 395 tpm (turns per meter) bis 620 tpm aufweisen und wenn der Textil-Kord eine Endverdrehung von 395 tpm bis 620 tpm aufweist. Der Twistfaktor α sollte dementsprechend zwischen 185 und 205 liegen. Der Twistfaktor α ist dabei definiert als α = Twist[t/m]·(Feinheit[tex]/1000)1/2. Die Multifilamentgarne können dabei S- oder Z-verdreht sein, während die Endverdrehung entgegengesetzt zur Multifilamentgarn-Verdrehung ist.
  • Als besonders geeignet haben sich Verstärkungslagen mit Textil-Korden aus Polyethylenterephthalat-Multifilamentgarn einer Konstruktion von 550 dtex × 2 bis 1100 dtex × 2 erwiesen. Diese Textil-Korde sind sehr dünn und weisen eine sehr hohe Ermüdungsbeständigkeit auf.
  • Die Erfindung wird in Bezug auf den Fahrzeugluftreifen gelöst, indem dieser eine vorbeschriebene gummierte Verstärkungslage aufweist.
  • Hierbei ist die Verstärkungslage insbesondere eine Karkasse und/oder ein Wulstverstärker.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne jedoch auf diese beschränkt zu sein.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Verstärkungslage als Karkasse (Karkasslage) für PKW-Luftreifen eingesetzt. Die Verstärkungslage ist ein gummiertes Gewebe, welche als Festigkeitsträger Textil-Korde aus zwei miteinander verdrehten Polyethylenterephthalat-Multifilamentgarnen der Konstruktion 550 × 2 in einer Dichte von 175 epdm aufweist. Die Multifilamentgarne weisen jeweils eine Verdrehung von 580 tpm und der betreffende Textil-Kord eine Endverdrehung in entgegengesetztem Drehsinn von 580 tpm auf. Die Multifilamentgarne weisen eine feinheitsbezogene Höchstzugkraft von 72,7 cN/tex gemäß ASTM D885-16 auf und die Gummierungsdicke beträgt 0,80 mm. Für die feinheitsbezogene Gummierungsdicke GD ergibt sich ein Wert von 1,1 mm·g/(m·cN). Die Bruchdehnung beträgt 13,5 % gemäß ASTM D885-16. Das Multifilamentgarn weist eine Kristallinität von 56,6 % und eine Doppelbrechung von 0,210 auf.
  • Die Ermittlung der Kristallinität erfolgte über dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) mit einem Gerät der Firma TA Instruments, wobei 2 bis 5 mg des Multifilamentgarnes mit einer Heizrate von 10 K pro Minute zunächst von Raumtemperatur bis 300 °C in einem ersten Heizzyklus erwärmt, dann von 300 °C auf Raumtemperatur mit 10 K pro Minute abgekühlt und dann in einem zweiten Heizzyklus erneut von Raumtemperatur bis 300 °C mit einer Heizrate von 10 K pro Minute erwärmt wurden. Die Kristallinität wurde anhand der Schmelzwärme des Polymers bestimmt und als % Kristallinität in Bezug auf die Schmelzwärme einer 100 % kristallinen Probe des gleichen Materials angegeben.
  • Die Doppelbrechung wurde mit einem polarisierenden Mikroskop (Olympus BX50) mit Berek Kompensator ermittelt. Die Probe wurde in diagonaler Position in das Gerät gelegt und bei rechts und links Drehung bis zum dunkelsten Erscheinen der Probe das jeweilige Ausmaß der Drehung bestimmt. Die Differenz der Drehung wurde durch 2 geteilt um einen Neigungswinkel zu erhalten. Anhand einer Referenztabelle wurde aus dem Neigungswinkel der optische Gangunterschied γ in nm bestimmt. Mit der Formel Doppelbrechung ∆n = (optischer Gangunterschied γ /Dicke d) wurde die Doppelbrechung errechnet, wobei die Dicke der Probe mittels eines Okularfadenmikrometers bestimmt wurde.
  • Der mit dieser Verstärkungslage als Karkasslage ausgerüstete PKW-Luftreifen zeichnet sich durch eine hohe Hochgeschwindigkeitstauglichkeit aus und der Rollwiderstand konnte im Vergleich zu einem Reifen mit einer herkömmlichen PET-Karkasslage um ca. 2 % reduziert werden.
  • Die nachfolgende Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die Parameter von PET-Textil-Korden der vorgenannten Konstruktion sowie die daraus hergestellten Reifen mit dem ermittelten Rollwiderstand. Tabelle 1
    Beispiel / Parameter 1 Vergleich
    Material PET PET
    Kordkonstruktion 550 × 2 1100 × 2
    Garntiter [dtex] 550 1100
    Drehungen [tpm] 580 410
    Durchmesser [mm] 0,38 0,54
    feinheitsbezogene Höchstzugkraft [cN/tex] 72,7 62,7
    Gummierungsdicke [mm] 0,80 0,95
    feinheitsbezogene Gummierungsdicke [mm·g/(m·cN)] 1,1 3,3
    Bruchdehnung [%] 13,5 14,7
    Kristallinität [%] 56,6 52,2
    Doppelbrechung [–] 0,21 0,20
    Reifen
    Korddichte [epdm] 175 110
    Rollwiderstand [%] 102 100
  • Ein Rollwiderstand von 100 % entspricht der Referenz. Rollwiderstände > 100% zeigen einen erniedrigten (verbesserten) Rollwiderstand an, während Rollwiderstände < 100% einen erhöhten (verschlechterten) Rollwiderstand anzeigen.
  • Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt die Eigenschaften von PET-Textil-Korden mit identischer Kordkonstruktion (1100 × 2). Tabelle 2
    Beispiel / Parameter 2 Vergleich
    Material PET PET
    Kordkonstruktion 1100 × 2 1100 × 2
    Garntiter [dtex] 1100 1100
    Drehungen [tpm] 410 410
    Durchmesser [mm] 0,54 0,54
    feinheitsbezogene Höchstzugkraft [cN/tex] 72,7 62,7
    Gummierungsdicke [mm] 0,95 0,95
    feinheitsbezogene Gummierungsdicke [mm·g/(m·cN)] 2,8 3,3
    Bruchdehnung [%] 14,4 14,7
    Kristallinität [%] 56,0 52,2
    Doppelbrechung [–] 0,21 0,20
  • Bei gleicher Kordkonstruktion ist die feinheitsbezogene Höchstzugkraft höher, was sich auch in der höheren Kristallinität und Doppelbrechung zeigt. Dadurch ist es möglich, auf dünnere Korddurchmesser zu wechseln. Die feinheitsbezogene Gummierungsdicke ist bei dem erfindungsgemäßen Verstärkungslage reduziert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0908329 B1 [0006]
    • CN 104494169 [0007]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ASTM D885-16 [0001]
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    • ASTM D885-16 [0026]
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Claims (10)

  1. Gummierte Verstärkungslage für Gegenstände aus elastomerem Material, vorzugsweise für Fahrzeugluftreifen, wobei die Verstärkungslage eine Vielzahl an parallelen und beabstandet zueinander angeordneten Festigkeitsträgern aufweist, wobei jeder Festigkeitsträger aus wenigstens einem verdrehten Multifilamentgarn aus Polyethylenterephthalat (PET) besteht, wobei das Multifilamentgarn einen Garntiter (Feinheit) von 50 bis 1100 dtex und eine feinheitsbezogene Höchstzugkraft von ≥ 70 cN/tex gemäß ASTM D885-16 aufweist, und wobei die Gummierung eine Dicke D aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Multifilamentgarn eine Bruchdehnung von 10 bis 20 % gemäß ASTM D885-16, eine Kristallinität ermittelt über DSC von 55 bis 65 % und eine Doppelbrechung ∆n mit 0,21 ≤ ∆n ≤ 0,25 aufweist.
  2. Verstärkungslage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Multifilamentgarn einen Garntiter (Feinheit) von 420 dtex bis 1100 dtex aufweist.
  3. Verstärkungslage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Multifilamentgarn einen Heißschrumpf von weniger als 4 % bei 180 °C unter einer Vorspannung von 0,1 cN/dtex bei 2 min Expositionszeit aufweist.
  4. Verstärkungslage nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Multifilamentgarn eine Bruchdehnung gemäß ASTM D885-16 von 10 bis 15 % aufweist.
  5. Verstärkungslage nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine feinheitsbezogene Gummierungsdicke GD berechnet nach folgender Formel GD = Gummierungsdicke D·(Feinheit/Bruchkraft) zwischen 1,0 mm·g/(m·cN) und 3,2 mm·g/(m·cN) aufweist, wobei die Bruchkraft gemäß ASTM D885-16 bestimmt wird.
  6. Verstärkungslage nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festigkeitsträger ein aus wenigstens zwei miteinander verdrehten Polyethylenterephthalat-Multifilamentgarnen bestehender Textil-Kord ist und dass die Festigkeitsträger in einer Dichte von mindestens 130 epdm in dieser Verstärkungslage angeordnet sind.
  7. Verstärkungslage gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Multifilamentgarne eine Verdrehung von 395 tpm bis 620 tpm aufweisen und dass der Textil-Kord eine Endverdrehung von 395 tpm bis 620 tpm aufweist.
  8. Verstärkungslage nach Anspruch 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Textil-Kord eine Konstruktion von 550 dtex × 2 bis 1100 dtex × 2 aufweist.
  9. Fahrzeugluftreifen, welcher mindestens eine Verstärkungslage nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
  10. Fahrzeugluftreifen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungslage eine Karkasse und/oder ein Wulstverstärker ist.
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