DE102016215343A1 - Artikel, insbesondere ein Metall-Gummi-Element für Schienenfahrzeuge - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Artikel mit einem Grundkörper aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften, insbesondere ein Metall-Gummi-Element für Schienenfahrzeuge. Der Artikel, insbesondere das Metall-Gummi-Element, besitzt zur Verbesserung der brandhemmenden Eigenschaften einen Grundkörper aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften, wobei der Grundkörper teilweise oder vollständig aus zwei Lagen des polymeren Werkstoffs aufgebaut ist und wobei jeweils die erste Lage und die zweite Lage aus einer Kautschukmischung bestehen und wobei die zweite Lage die zur Außenumgebung weisende Lage darstellt und wobei die Kautschukmischung der zweiten Lage zusätzlich wenigstens ein Flammschutzmittel enthält.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Artikel mit einem Grundkörper aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften, insbesondere ein Metall-Gummi-Element für Schienenfahrzeuge.
  • Schienenfahrzeuge besitzen Metall-Gummi-Elemente in unterschiedlichen Ausführungen als Federungssysteme, die wesentlich zum Komfort und zur Sicherheit von Schienenfahrzeugen beitragen. Diese Federungssysteme haben nicht nur Federungs-, sondern auch Führungs- und Dämpfungsaufgaben. Sie finden sich u.a im Primärfederbereich zwischen Radsätzen und Drehgestell und übernehmen dort überwiegend die Radsatzführung. Im Sekundärfederbereich zwischen Drehgestell und Wagenkasten dienen die Metall-Gummi-Elemente als elastische Lagerung des Wagenkastens. Sie entkoppeln ihn weitgehend von den Unregelmäßigkeiten der Gleisanlage und reduzieren die Übertragung von Körperschall. Zugleich ermöglichen sie das Ausdrehen des Drehgestells in Bogenfahrt.
  • Diese Artikel, die zur Federung bspw. von Kraftfahrzeugen oder Schienenfahrzeugen eingesetzt werden und / oder der Schwingungsdämpfung dienen, werden unter Verwendung elastomerer Mischungen, auch als Kautschukmischungen bezeichnet, hergestellt. Diese, für die grundlegenden Eigenschaften solcher Artikel üblicherweise verwendeten elastomeren Mischungen sind hinreichend bekannt. Artikel mit herausragenden elastischen Eigenschaften, wie bspw. Metall-Gummi Elemente oder Schwingungsdämpfer, enthalten vorzugsweise vulkanisierte Kautschukmischungen, die überwiegend auf Naturkautschuk (NR) und / oder Polyisoprenkautschuk (IR) basieren. Allerdings zeigen Artikel mit diesen elastomeren Mischungen deutliche Nachteile im Brandverhalten. Im Brandfall entstehen unter anderem dichte Rauchgase. Beim Verbrennungsprozess der genannten elastomeren Mischungen, die überwiegend auf NR und / oder IR basieren, ist die Wärmefreisetzungsrate besonders hoch. Aufgrund der in den letzten Jahren gestiegenen Anforderungen hinsichtlich des Brandschutzes, welche sich vor allem in der verschärften Brandschutznorm EN45545 zeigt, ergibt sich ein erhöhter Bedarf an brandschutzoptimierten Polymerartikeln. Diesen Brandschutzanforderungen können die elastomeren Mischungen, die überwiegend auf NR und / oder IR basieren, vor allem aufgrund der geforderten maximalen Wärmefreisetzungsrate, nicht mehr gerecht werden. Somit erfüllen die Artikel, welche diese elastomeren Mischungen enthalten, die verschärften Anforderungen zumeist nicht mehr.
  • Eine übliche Methode das Brandverhalten von Kautschukmischungen zu verbessern, ist das direkte Einmischen von brandhemmenden Substanzen. Allerdings führt diese Maßnahme bei den betroffenen Artikeln in der Regel dazu, dass sich die physikalischen Eigenschaften, insbesondere die Federungs-, Setz- bzw. Schwingungseigenschaften signifikant verschlechtern.
  • In WO 2014/019008 A1 wird zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen, eine ausschließlich schwefelvernetzte zusätzliche äußere Lage, enthaltend ein Vinylacetathaltiges thermoplastisches Polymer, ein Doppelbindungen-enthaltendes, ungesättigtes Elastomer und zumindest ein Flammschutzmittel, zu verwenden. Diese zusätzliche äußere Lage muss über ein gezielt gesteuertes Vulkanisationsverfahren auf das Bauteil bzw. auf den Grundkörper des Bauteils bei vergleichsweise hohen Vulkanisationstemperaturen aufvulkanisiert werden. In WO 2014/019008A1 muss somit zweimal hintereinander ein Vulkanisationsprozess durchgeführt werden. Dies bedeutet nicht nur einen produktionstechnisch höheren Aufwand, sondern die zweifache Vulkanisation kann auch zu unerwünschten und schädlichen Reversionsvorgängen in der unter der äußeren Lage befindlichen bereits vulkanisierten Polymermischung, führen. Besonders an Polymermischungen, die überwiegend auf NR und / oder IR basieren, zeigen sich bei einer Übervulkanisation signifikante Reversionsvorgänge.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen Artikel, insbesondere ein Metall-Gummi-Element bereitzustellen, der sich durch ein optimiertes Brandschutzverhalten auszeichnet, um die verschärften Anforderungen, insbesondere die in EN-45545 beschriebenen, zu erfüllen. Gleichzeitig sollen die notwendigen physikalischen Eigenschaften des Artikels auf einem vergleichbaren Niveau verbleiben und die Komplexität im Herstellprozess nicht nennenswert erhöht werden.
  • Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass der Artikel, insbesondere das Metall-Gummi-Element, einen Grundkörper aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften besitzt, wobei der Grundkörper teilweise oder vollständig aus zwei Lagen des polymeren Werkstoffs aufgebaut ist und wobei jeweils die erste Lage und die zweite Lage aus einer Kautschukmischung bestehen und wobei die zweite Lage die zur Außenumgebung weisende Lage darstellt und wobei die Kautschukmischung der zweiten Lage zusätzlich wenigstens ein Flammschutzmittel enthält.
  • Überraschenderweise wird durch einen zweilagigen Aufbau des Grundkörpers ermöglicht, dass die nach innen liegenden erste Lage aus der bisher verwendeten Kautschukmischung aufgebaut werden kann und somit weiterhin den Großteil der Federeigenschaften, für die ein mechanisch hoch beanspruchter Werkstoff unerlässlich ist, übernimmt. Die zweite, nach außen weisende Lage, übernimmt sozusagen den Brandschutz und spielt für die Trageigenschaften eine untergeordnete Rolle. Die zweite Lage schützt die im Einbaufall exponierte Oberfläche des Metall-Gummi-Teils. Hierzu kann sich die zweite Lage auf den gesamten Artikel erstrecken, so dass der Grundkörper vollständig aus zwei Lagen aufgebaut ist oder aber die zweite Lage befindet sich lediglich an bestimmten, exponierten Bereichen des Metall-Gummi-Elements, die besonders brandgefährdet sind. In letzterem Fall ist der Grundkörper nur teilweise aus zwei Lagen aufgebaut.
  • Gemäß §4.3.4 der EN45545-2:2016 ist es möglich, dass kleine, ungeschützte Bereiche bis 0,2m2 unter gewissen Umständen zulässig sind.
  • Beide Lagen werden gleichzeitig in einem gemeinsamen Prozess vulkanisiert, so kein zusätzlicher aufwendiger Prozessschritt benötigt wird.
  • Bei der ersten Lage des Grundkörpers handelt es sich um eine Kautschukmischung, die bevorzugt thermoplastfrei ist, enthaltend wenigstens eine Kautschukkomponente sowie weitere Mischungsingredienzien. Als Kautschukkomponenten sind insbesondere zu nennen: Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Nitrilkautschuk (NBR), (teil)hydrierter Nitrilkautschuk (HNBR), Fluor-Kautschuk (FKM), Chloropren-Kautschuk (CR), Naturkautschuk (NR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Isopren-Kautschuk (IR), Butylkautschuk (IIR), Brombutylkautschuk (BIIR), Chlorbutylkautschuk (CIIR), Bromiertes Copolymer aus Isobutylen und Paramethylstyrol (BIMS), Butadien-Kautschuk (BR), Chloriertes Polyethylen (CM) und / oder Chlorsulfoniertes Polyethylen (CSM).
  • Die vorgenannten Kautschuktypen können unverschnitten sein. Auch der Einsatz eines Verschnittes, insbesondere in Verbindung mit einem der vorgenannten Kautschuktypen, beispielsweise ein NR/IR-Verschnitt, NR/BR-Verschnitt oder ein BR/SBR-Verschnitt, ist möglich.
  • Aus den bereits eingangs genannten Gründen wird bevorzugt NR und / oder IR als Kautschukkomponente für ein Metall-Gummi-Element verwendet. Die üblichen Mischungsingredienzien umfassen wenigstens einen Vernetzer oder ein Vernetzersystem (Vernetzungsmittel und Beschleuniger). Zusätzliche Mischungsingredienzien sind zumeist noch ein Füllstoff und/oder ein Verarbeitungshilfsmittel und/oder ein Weichmacher und/oder ein Alterungsschutzmittel sowie gegebenenfalls weitere Zusatzstoffe (z.B. Farbpigmente, Verstärkungsfasern). Diesbezüglich wird auf den allgemeinen Stand der Kautschukmischungstechnologie verwiesen.
  • Bei der zweiten Lage des Grundkörpers handelt es sich ebenso um eine Kautschukmischung, die bevorzugt thermoplastfrei ist, enthaltend wenigstens eine Kautschukkomponente sowie weitere Mischungsingredienzien. Als Kautschukkomponenten sind insbesondere zu nennen: Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Nitrilkautschuk (NBR), (teil)hydrierter Nitrilkautschuk (HNBR), Fluor-Kautschuk (FKM), Chloropren-Kautschuk (CR), Naturkautschuk (NR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Isopren-Kautschuk (IR), Butylkautschuk (IIR), Brombutylkautschuk (BIIR), Chlorbutylkautschuk (CIIR), Bromiertes Copolymer aus Isobutylen und Paramethylstyrol (BIMS), Butadien-Kautschuk (BR), Chloriertes Polyethylen (CM) und / oder Chlorsulfoniertes Polyethylen (CSM). Die vorgenannten Kautschuktypen können unverschnitten sein. Auch der Einsatz eines Verschnittes, insbesondere in Verbindung mit einem der vorgenannten Kautschuktypen, beispielsweise ein NR/IR-Verschnitt, NR/BR-Verschnitt oder ein BR/SBR-Verschnitt, ist möglich.
  • Um die Komplexität im Herstellprozess nicht zu erhöhen und die Federeigenschaften nicht negativ zu beeinträchtigen, ist es bevorzugt, wenn die zweite Lage als Kautschukkomponente ebenso NR und / oder IR enthält.
  • Die Kautschukmischung der zweiten Lage enthält zusätzlich wenigstens ein Flammschutzmittel. Bevorzugt handelt es sich hierbei um ein halogenfreies Flammschutzmittel oder um eines, was einen möglichst niedrigen Halogenanteil besitzt, damit im Brandfall die Menge an toxischen Rauchgasen niedrig verbleibt.
  • Als Flammschutzmittel können alle der fachkundigen Person bekannten Flammschutzmittel verwendet werden.
  • Es kommen hierbei insbesondere Stannate, wie Zinkstannat oder Zinkhydroxystannat, Hydroxide, wie Magnesiumhydroxid oder Aluminiumhydroxid, Cyanurate, wie Melamincyanurat, Borate, wie Zinkborat, phosphorhaltige Komponenten, wie Resorcinoldiphosphat oder aromatische Polyphosphate, stickstoffhaltige Komponenten, wie Ammoniumphosphat, Intumeszenzgemische, Carbonate, wie Calciumcarbonat oder Magnesiumcarbonat, Antimontrioxid, Mikrohohlkugeln, bevorzugt in nicht-expandierter Form, oder Blähgraphit in Frage.
  • Intumeszenzgemische blähen zu Schäumen auf. Sie werden benutzt, um brennbare Materialien wie Kunststoffe oder Holz, aber auch Stahl, der bei erhöhter Temperatur seine Festigkeit einbüßt, gegen die Einwirkung von Wärme und Feuer zu schützen. Die Flammschutzmittel können alleine oder in Kombination verwendet werden.
  • Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Artikels, insbesondere eines Metall-Gummi-Elements bereitzustellen, der sich durch ein optimiertes Brandschutzverhalten auszeichnet, um die verschärften Anforderungen, insbesondere die in EN-45545 beschriebenen, zu erfüllen. Gleichzeitig sollen die notwendigen physikalischen Eigenschaften des Artikels auf einem vergleichbaren Niveau verbleiben und die Komplexität im Herstellverfahren nicht nennenswert erhöht werden.
  • Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass das Verfahren zur Herstellung des Artikels, insbesondere des Metall-Gummi-Elements, durch wenigstens folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
    • – Einbringen der Kautschukmischung der zweiten Lage und der Kautschukmischung der ersten Lage in eine Vulkanisierform und
    • – Gleichzeitiges Vulkanisieren der Kautschukmischung der zweiten Lage und der Kautschukmischung der ersten Lage in der Vulkanisierform.
  • Die Kautschukmischung der zweiten Lage des Grundkörpers kann hierbei in einer bevorzugten Ausführungsform als erstes in Form eines Kompressionsrohlings in die Vulkanisierform eingelegt werden. Anschließend wird die Kautschukmischung der zweiten Lage in die Vulkanisierform eingebracht. Dies kann bevorzugt durch ein Transferverfahren oder ein Injektionsverfahren erfolgen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Kautschukmischung der ersten Lage und die Kautschukmischung der zweiten Lage in die Vulkanisierform eingedüst. Die beiden Kautschukmischungen können hierbei gleichzeitig oder nacheinander eingedüst werden, wobei im letzteren Fall es vorteilhaft ist, erst die Kautschukmischung der zweiten, nach außen weisenden Lage einzudüsen. Beim Eindüsen geht es darum, dass mittels eines Angusssystems, d.h. Kanäle, die das Formennest und die Vorratskammer, die mit Rohmischung gefüllt ist, verbinden, die Mischung in die Kavität eingespritzt wird.
  • Bezüglich der Zusammensetzungen der Kautschukmischung der ersten Lage und der Kautschukmischung der zweiten Lage wird an dieser Stelle auf die bereits oben getätigten Ausführungen verwiesen.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung erläutert.
  • 1 zeigt einen Schnitt durch ein Metall-Gummi-Element. Das Metall-Gummi-Element weist an unterschiedlichen Positionen Metallteile 3 auf. Der polymere Grundkörper mit elastischen Eigenschaften ist aus zwei Lagen aufgebaut. Die Kautschukmischung der ersten Lage 1 ist hierbei im Wesentlichen für die eigentliche Funktion des Metall-Gummi-Elementes verantwortlich, während die Kautschukmischung der zweiten Lage 2 enthält zusätzlich ein Flammschutzmittel und wird an den exponierten Stellen angebracht, die besonders brandgefährdet sind. Es handelt sich hierbei lediglich um eine qualitative und schematische Darstellung, da die Dicken der Lage 1 und die Dicke der Lage 2 jeweils variieren können. Des Weiteren werden die Grenzen zwischen den beiden Lagen in fertigen Artikel nicht so gerade verlaufen, wie schematisch dargestellt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kautschukmischung der Lage 1
    2
    Brandgeschützte Kautschukmischung der Lage 2
    3
    Metallteile
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2014/019008 A1 [0005, 0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Brandschutznorm EN45545 [0003]
    • EN-45545 [0006]
    • §4.3.4 der EN45545-2:2016 [0009]
    • EN-45545 [0020]

Claims (5)

  1. Artikel mit einem Grundkörper aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper teilweise oder vollständig aus zwei Lagen des polymeren Werkstoffs aufgebaut ist und wobei jeweils die erste Lage und die zweite Lage aus einer Kautschukmischung bestehen und wobei die zweite Lage die zur Außenumgebung weisende Lage darstellt und wobei die Kautschukmischung der zweiten Lage zusätzlich wenigstens ein Flammschutzmittel enthält.
  2. Artikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Kautschukmischung der ersten Lage als Kautschukkomponente NR und / oder IR enthält.
  3. Artikel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kautschukmischung der zweiten Lage als Kautschukkomponente NR und / oder IR enthält.
  4. Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Artikel ein Metall-Gummi-Element ist.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Artikels nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch wenigstens folgende Verfahrensschritte: – Einbringen der Kautschukmischung der zweiten Lage und der Kautschukmischung der ersten Lage in eine Vulkanisierform und – Gleichzeitiges Vulkanisieren der Kautschukmischung der zweiten Lage und der Kautschukmischung der ersten Lage in der Vulkanisierform.
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