DE1755301C3

DE1755301C3 - Fahrzeugluftreifen mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit

Info

Publication number: DE1755301C3
Application number: DE19681755301
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Chem. Dr. 5190 Stolberg Auler
Original assignee: Uniroyal GmbH
Current assignee: Uniroyal GmbH
Priority date: 1968-04-24
Filing date: 1968-04-24
Publication date: 1979-11-15
Also published as: DE1755301B2; DE1755301A1

Description

so

Die Erfindung betrifft Fahrzeugluftreifen mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 geschilderten Art.

Die US-PS 18 36 468 beschreibt einen Fahrzeugluftreifen dieser Gattung, wobei die Karkasse außen von einer durchgängigen Kautschuklage umhüllt ist, die Zinkoxyd als wärmeleitfähigen Füllstoff enthält. Der rußhaltige Laufstreifen ist außen auf diese Lage aufvulkanisiert.

Zinkoxyd ist ein aktiver Füllstoff, dessen Einarbeitung in das Kautschukgemisch die physikalischen Werte des Vulkanisats unmittelbar beeinflußt. Die Wärmeleitzahl des Zinkoxyds ist vergleichsweise klein, so daß man beträchtliche Mengen Zinkoxyd in die Reifenlage einarbeiten müßte, um merkbare Effekte der Wärmeableitung zu erhalten. Die Einarbeitung solcher Mengen von Zinkoxyd in Laufflächenmischungen ist unmöglich. Es entstünde eine für Laufflächen sehr nachteilige Elastizität und die Abriebsleistung würde sehr negativ beeinflußt.

Die Laufflächen von Reifen hoher Tragfähigkeit, insbesondere also von LKW-Reifen, erreichen in den Schulterzonen oftmals Dicken von einigen Zentimetern. Während des Betriebs kommt es häufig vor, daß sich diese Reifen stark erwärmen, wobei die Wärmeentwicklung in den Schulterpartien ihren Anfang nimmt und auch hier die höchsten Werte erreicht. Es wurden bereits Schultertemperaturen von 150 bis 160°C gemessen. Derartige Reifen wurden nach einer durchschnittlichen Betriebsdauer von 50 Stunden durch _bo Laufflächentrennung vorzeitig zerstört.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Fahrzeugluftreifen mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit zur Verfügung zu stellen, die einen wärmeleitenden Füllstoff enthalten, der bei der Einarbeitung in solchen _b5 Mengen, daß eine deutlich erhöhte Wärmeleitfähigkeit eintritt, keine unerwünschten Abänderungen sonstiger Eigenschaften des Luftreifens bedingt. Insbesondere soll der wärmeleitende Füllstoff auch in die Laufflächenmischung eingearbeitet sein können.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Kautschukmischung insbesondere der Lauffläche 5 bis 15 Gew.-Teile Graphit je 100 Gew.-Teile Kautschuk enthält

Der erfindungsgemäß als Füllstoff hoher Wärmeleitfähigkeit eingesetzte Graphit erfüllt die folgenden Eigenschaften:

1. Extrem gute Wärmeleitfähigkeit schon in geringer Konzentration.

2. Keine oder unwesentliche Beeinflussung der inneren Reibung tan δ und des dynamischen Elastizitätsmoduls E'.

3. Chemisch inert speziell im Hinblick auf Vulkanisationsvorgänge.

4. Pulverförmige Konsistenz.

5. Niedriger Preis.

Die Verwendung von Graphit in Gummimischungen ist an sich schon für die verschiedenartigsten Anwendungszwecke bekannt. So werden beispielsweise Graphit enthaltende vulkanisierte Kautschuke bei den neuerdings in Mode gekommenen Streifenableitc-rn eingesetzt. Weitaus zahlreicher sind die Verwendungen von graphitgefüllten Gummimischungen in der Elektroindustrie. Alle diese Vorschläge — siehe hierzu beispielsweise auch die GB-PS 5 26 894 — machen Gebrauch von der guten elektrischen Leitfähigkeit des Graphits, die beispielsweise auch zur Ableitung von elektrostatischen Ladungen aus Reifen dadurch eingesetzt wird, daß im Innern des Reifens oder des Schlauches eine Schicht oder ein Film aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise Graphit, aufgebracht wird. Bekannt ist schließlich auch eine Gummi-Graphit-Zement-Mischung als Wand- oder Fußbodenbelag. Ein abriebfester Fußbodenbelag, der auf Kautschukbasis gleichzeitig Graphit und Ruß als Füllstoffe enthält, ist in der US-PS 22 87 766 beschrieben.

Wie ersichtlich, berührt keine dieser letztgenannten Maßnahmen die erfindungsgemäße Aufgabenstellung der Beeinflussung der Wärmeentwicklung im Fahrzeugluftreifen. Hierfür ist vielmehr beispielsweise bekannt, besondere konstruktive Maßnahmen einzusetzen. Am bekanntesten ist wohl die Lauffläche in »cap and base«-Bauweise. Hierbei baut man zunächst eine weichere Laufflächenmischung, base genannt, mit geringerer innerer Wärmeentwicklung auf die Karkasse auf. Darauf wird eine hoch abriebfeste Mischung, cap genannt, aufgelegt, die naturgemäß einen höheren Wärmeanteil liefert. Allgemein bekannt ist auch die Beeinflussung der Wärmeentwicklung durch bestimmte Steuerung des Vulkanisationsablaufes. Das Neuartige des erfindungsgemäßen Konzeptes liegt demgegenüber darin, daß die Lösung des bekannten Problems durch den Zusatz einer Komponente mit den bestimmten geschilderten Eigenschaften zum Kautschuk erfolgt. Die GB-PS 3 30 282 beschreibt die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit in Fahrzeugluftreifen. Hier soll zwischen Karkasse und Laufstreifen eine hoch mit Zinkoxyd gefüllte wärmeleitende Kautschukzwischenlage angeordnet sein, und zwar werden beispielsweise 143 Gew.-Teile Zinkoxyd auf 100 Gew.-Teile Kautschuk in dieser Zwischenlage eingesetzt.

Graphit hat sich als der Stoff erwiesen, der im Sinne der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung in seinen physikalischen Eigenschaften den Voraussetzungen für

die erfindungsgemäße Lösung ideal entspricht Seine Wärmeleitzchl ist mit

λ Graphit = 134

kcal
m=Ch

hoch iim Vergleich dazu λ Ruß = 0,36

inneren Reibung und zum dynamischen Elastizitätsmodul hat sich herausgestellt, daß Kautschukmischungen mit Graphit und Ruß als Füllstoff praktisch gleichgroße Werte für die innere Reibung tan ό und den dynamischen Elastizitätsmodul E' besitzen, wie ausschließlich mit Ruß gefüllte Mischungen. Der Grapiiit ist weiterhin inert in bezug auf vulkanisierbare Kautschukmischungen. Er liegt in der Praxis als feines Pulver vor und ist in dieser Weise leicht in die Kautschukmischung einzuarbeiten. Sein Preis ist mäßig und liegt ungefähr bei dem von Ruß niedriger Qualität.

Erfindungsgemäß ist der Graphit in homogener Dispersion in das Kautschukgemisch eingearbeitet. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Rutschfestigkeit der vulkanisierten Mischung nicht vermindert wird und ebenso keine Schmierwirkung auftritt. Die homogene Durchmischung des Kautschuks mit dem Graphit stellt sicher, daß keine unerwünschte Gleitwirkung auftritt. Die bekannten entsprechenden physikalischen Gleiteigenschaften des Graphits werden gewissermaßen blockiert, während sich die auf der hohen Wärmeleitfähigkeit des Graphits aufbauenden Eigenschaften voll auswirken können.

Besonders zweckmäßig ist der Zusatz von 8 bis 12 Gew.-Teilen Graphit auf 100 Gew.-Teile Kautschuk. Hierbei ist der Graphit lediglich als Zusatz anzusehen, der keine sonstige Verschiebung in der Zusammensetzung der zu vulkanisierenden Reifenmischung notwendig macht. Der Graphit wird einfach den üblichen Ausgangsmaterialien zugeschlagen, und es besteht insbesondere keine Notwendigkeit, ein bestimmtes Graphit-Ruß-Verhältnis einzustellen. Für die Einarbeitung des Graphits in das zu vulkanisierende Kautschukgemisch sind keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen notwendig. Zweckmäßigerweise wird der Graphit zusammen mit dem Ruß entsprechend der Rußzugabe beigemischt, d. h. also insbesondere zu dem für den Ruß üblichen Zeitpunkt bei der Herstellung der zu vulkanisierenden Gesamtmischung.

Es kann dabei natürlicher oder synthetischer Graphit eingesetzt werden. Im Rahmen der Erfindung wird in der Regel dem synthetischen Graphit wegen dessen größerer technischer Reinheit der Vorzug gegeben werden. Insbesondere sind dabei die als »technisch rein« bezeichneten Qualitäten an Synthesegraphit geeignet. Der Graphit soll dabei als feines Pulver vorliegen, damit eine homogene Dispergierung und gleichmäßige Durchsetzung des Kautschukmaterials möglich ist. Insbesondere werden hier Pulver eingesetzt, deren Siebanaiyse bei 270 mesh weniger als 0,1 % ergibt.

Wie bereits ausgeführt, ist die Verwendung der Graphit enthaltenden Kautschukgemische von besonderer Bedeutung bei den Laufflächenmischungen. Die Hauptwärmeentwicklung tritt ja tatsächlich in der Lauffläche ein. Hierbei kann es insbesondere in den relativ dicken Schulterteilen zu einem Wärmestau kommen, der durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Materials beseitigt werden kann. Es tritt dabei erfindungsgemäß vermutlich nicht nur eine verbesserte Verteilung der entwickelten Wärmeenergiebeträge im gesamten Reifenmaterial auf, möglicherweise ist auch eine verbesserte Ableitung der Wärmeenergiebeträge in die Straßenoberfläche ermöglicht

Das erfindungsgemäße Prinzip der Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit kann selbstverständlich mit den bisher bekannten Maßnahmen zur Verringerung des Wärmestaus bzw. zur verringerten Wärmeentwicklung in Fahrzeugluftreifen kombiniert werden. Die Erfindung ist besonders wichtig für das Gebiet der Kautschuktypen, die in besonderem Maße zu dynamischer

ίο Wärmeentwicklung neigen. Die Bedeutung des Graphiteinbaus nimmt dabei in der Regel mit der Tendenz des Reifenmaterials zu, aufgrund des Mischungsaufbaus erhöhte dynamische Dämpfung zu zeigen.

j. Beispiel

Es wurden dreimal je zwei miteinander zu vergleichende Kautschukgemische hergestellt, wobei das jeweilige Gemisch (a) ein konventionelles, rußverstärktes Kautschukgemisch ist, während das jeweils zugehörige Gemisch (b) Graphit enthält Mit diesen Mustern wurden dann unter jeweils vergleichbaren Bedingungen Fahrzeugluftreifen hergestellt, die anschließend auf ihre Wärmeentwicklung ausgeprüft wurden.

Die Angaben über die Zusammensetzung und die Ausprüfung der jeweiligen Materialien sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:

Tabelle

JU Mi- schungs- Nr.	Graphit anteil	Max. Temp. (Heiz zyklus)	Schulter- temp.	Temp.	Absen kung
	(Gew.- Teile)	(Q	( C)	(C)	(%)
la Ib	0 8,5	138 138	114 99	15	13
•° 2^ab	0 8,5	138 138	144 126	18	13
3a 3b	0 8,5	153 153	163 149	14	9

Die Tabellenwerte zeigen, daß die Schultertemperaturen durch Graphitbeimischung um ungefähr 10% gesenkt werden konnten. Damit lagen die Temperaturen im Betrieb außerhalb des kritischen Bereiches, innerhalb dessen eine Laufflächentrennung infolge zu hoher Temperaturentwicklung zu befürchten ist.

1. Prüfung auf dem Rollenprüfstand (Labor)

Auf einem eigens hierfür entwickelten Gerät wird eine zylinderförmige Gummiprobe (7,4 cm Durchmesser und 4,9 cm Länge), die sich fest auf einer Stahlwelle befindet (Vermeidung von Schlupf) durch einen Elektromotor in Rotation versetzt. Ein zwischen Motor und Probenwelle befindliches Getriebe gestattet dabei die Einstellung von drei Geschwindigkeitsstufen. Gegen die Gummirolle kann eine in Lagern sehr geringer Reibung laufende antriebsfreie Stahlrolle gedrückt werden, die mit einem in Längeneinheiten geeichten Hebelarm starr verbunden ist. Ein auf dem Hebelarm laufendes Gewicht ermöglicht die Variation des Anpreßdruckes. Neben dieser Prüfbedingung »konstanter last« kann das Gerät auch mit »konstanter Vei icjrmung« gefahren werden. Hierbei wird für die zu prüfenden Gummizylinder eine konstante Eindrucktiefe

(mm) eingestellt Mit Hilfe einer Rändelschraube erfolgt diese Einstellung für den voll belasteten Hebelarm, der dann an seinem Ende fest abgestützt ist Die Aufbringung der vollen Last verhindert zuverlässig jede Änderung der gewählten Eindrucktiefe.

Die während des Betriebs an der rotierenden Gummiprobe erfolgenden Verformungen der Kontaktstelle Gummizylinder / Stahlrolle bewirken, ähnlich wie beim rollenden Reifen, einen Temperaturanstieg unter dynamischer Belastung. Das Ansteigen der Temperatur wird mit Hilfe eines in konstantem Abstand von der Probe montierten Strahlungspyrometers ermittelt und über einen Temperaturschreiber registriert Da bei diesem Prinzip die Oberflächentemperatur und nicht die im Inneren der Probe anfallende Maximaltemperatur gemessen wird, wird diese Einrichtung lediglich zur Feststellung der Gleichgewichtstemperatur (kein weiterer Temperaturanstieg) benutzt. Aufgrund vorher durchgeführter Orientierungsversuche wird nach Abschalten des Antriebsmechanismus mit einem geeichten Einstichpyrometer an acht über den Probenumfang verteilten Stellen die tatsächliche Innentemperatur bestimmt Das Mittel aus diesen acht Meßwerten gilt als jeweiliges Ergebnis.

Prüfbedingungen: 740 U/Min., 55 kp konstante Last.

Auf diese Weise werden Mischungen gleichen Aufbaus gemessen, wovon die eine Graphit enthält, die andere dagegen graphitfrei ist.

Versuch Nr. D

2)

RSS-5	65	65
IR 305	20	20
1,4 eis BR	15	15
Renacit IV	0,05	0,05
HAF-Ruß	46	46
Stearinsäure	3	3
Zinkoxid	5	5
Verstreckungsöl	11,85	11,85
4010 NA	1,5	1,5
Vulkacit MOZ	0,8	0,8
Schwefel	2,1	2,1
Graphit-Pulver		8,5

169,70

178,20

Die unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen ermittelten Resultate sind die folgenden:

Mischungs-

Gleichgewichtstemperatur

TO

A t

( C)

At

D	114	14
2)	100
D	114	15
2)	99

12

13

2. Versuche am Reifen

Den Reifenversuchen lagen LKW-Reifen der Dimension 12.00—20 Cargo 18 PR zugrunde. Konstruktiv sind diese Reifen mit einer Diagonalkarkasse aus Reyon ausgerüstet

Die Prüfläufe fanden auf einem handelsüblichen Prüfradstand (z. B. Hasbach/Bergisch-Gladbach oder Scheck/Darmstadt) statt

ίο Prüfbedingungen: 6,5 atü konstanter Reifenluftdruck, 2500 kp konstante Last, Geschwindigkeit 60 km/h. Messung der Schultertemperatur vermittels Einstichpyrometer nach 2'/2 und 4'/2 Stunden. In der Regel erfolgt im Zeitraum von 2'/2 bis 4'/2 Stunden kaum noch ein Temperaturanstieg, so daß diese Zeitwahl lediglich aus Sicherheitsgründen erfolgt. Als Schultertemperatur gilt die Endtemperatur.

Als Laufflächenmischungen werden auch hier gleichartige Rezepturen mit und ohne Graphit eingesetzt

Rezepturen

Mischungs-Nr.

3)

4)

RSS-4

RSS-5

IR 305

1,4 eis BR

Renacit IV

ISAF-Ruß

HAF-Ruß

Verstreckungsöl

Stearinsäure

Zinkoxid

4010 NA

Vulkacit MOZ

Schwefel

Graphit-Pulver

20 0,05 46

11,55 3 5

1,5 0,57 2,1

169,77

80

20 0,05 46

11,55 3 5

1,5 0,57 2,1 8,5 178,27

Folgende Ergebnisse wurden auf dem Prüfstand gemessen:

Mischungs-Nr.

Schultertemperatur

C C/4,5 h)

At

CC)

A3)	163
4)	149
B 3)	144
4)	126

14 18

Die mit A bezeichneten Gruppen wurden mit einer maximalen Temperatur von 153°C, die mit B gekennzeichneten mit einer solchen von 138° C vulkanisiert.

Claims

Patentansprüche*

1. Fahrzeugluftreifen mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit, insbesondere für die Verwendung unter hoher Belastung, mit einer vulkanisierten Kautschukmischung, die homogen eingearbeiteten Ruß und mindestens einen weiteren Füllstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Kautschukmischung insbesondere der Lauffläche 5 bis 15 Gew.-Teile Graphit je 100 Gew.-Teiie Kautschuk enthält.

2. Luftreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitgehalt innerhalb des Bereichs von 8 bis 12 Gew.-Teilen je 100 Gew.-Teile Kautschuk liegt.

3. Luftreifen nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß technisch reiner synthetischer Graphit zugesetzt ist

4. Luftreifen nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphit in feiner Pulverform zugesetzt ist, die insbesondere bei der Siebanalyse einen Gehalt an 270 mesh weniger als 0,1% zeigt.