DE3729822A1 - Polyurethan-rotationskoerper und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Polyurethan-Rotationskörper, insbe­ sondere Vollreifen oder Beläge für Rollen. Weil - unabhängig davon, daß von einem Rollenbelag meistens bei kleinerer und von einem Vollreifen bei größerer radialer Erstreckung gesprochen wird - Rollenbeläge und Vollreifen ihrem Wesen nach gleich sind, kann die vorliegende Erfindung auf beide Varianten von Rotationskör­ pern gleichermaßen angewendet werden.

Nach dem Stand der Technik werden Polyurethan-Vollreifen in der Weise hergestellt, daß zunächst aus Polyester und Naphtylen- 1,5-Diisocyanat (kurz NDI) oder bis-Tolyldiisocyanat (kurz TODI) ein Prepolymer gebildet wird, das - je nach genauer Zusammen­ setzung - zwischen 100°C und 130°C als viskose Schmelze vor­ liegt. Nach Zugabe von kurzkettigem Diol wird die Masse in Formen vergossen, wofür die Topfzeit etwa 1 Minute beträgt. Weil die Gußformen die Geometrie des gewünschten Fertigproduktes am Einfüllstutzen und am Steiger nicht vorgeben können, müssen die erstarrten Werkstücke spanend nachgearbeitet werden.

Sowohl wegen der teuren Nachbearbeitung als auch den teuren Rohstoffen NDI oder TODI sind solche Polyurethan- Vollreifen teuer. In der Konkurrenz zu Gummi-Vollreifen, die zwar eine geringere Baugrößen-spezifische Tragfähigkeit bieten, aber auch wesentlich billiger sind, konnten sich die Polyurethan-Vollreifen bislang nur in wenigen Anwendungsfällen durchsetzen.

Es sind - insbesondere zur Gewichtsreduzierung - verschiedentlich geschäumte Vollreifen vorgeschlagen worden. Dabei mußte für eine porenfreie Lauffläche gesorgt werden, um übergroßen Abrieb bzw. Ausbröckelungen zu vermeiden. Bei den meisten dieser Vorschläge ist ein Schaumstoffkern von einer massiven, reißfesten Hülle vollständig umgeben, oder es ist zumindest ein massiver Laufstreifen radial außen angebracht. Die damit verbundene Diskontinuität in radialer Richtung innerhalb des Reifenaufbaues wird bei einem Gummireifen nach dem französischen Patent 9 65 876 vermieden, indem der Reifen aus einem elastischen Innenteil aus zellförmigem Gummi mit von innen nach außen abnehmender Zellgröße besteht und aus einem verschleißfesten Außenteil aus massivem - d. h. porenfreiem - Gummi. Zur reversiblen Herstellung solcher Reifen ist die genaue Wärmeführung von radial außen nach innen erforderlich, die Form darf also nur außen heiß sein, nicht innen. Damit ist eine wirtschaftliche Großserienfertigung nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen billigeren Poly­ urethan-Vollreifen oder Belag für eine Rolle zu schaffen, dessen spezifische Belastbarkeit gegenüber den bislang bekannten PUR- bereiften Rollen erhöht ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der PUR- Rotationskörper aus teilvernetztem Polyetherurethan auf der Basis von Polytetrahydrofuran und Diphenylmethandiisocyanat (MDI) be­ steht und eine feinverteilte Mikroporösität aufweist, wobei das Porenvolumen im Verhältnis zum Gesamtvolumen bis zu 15% beträgt und der größte Porendurchmesser kleiner als 0,5% des Außendurch­ messers des Rotationskörpers ist. Die für diesen Zweck neu vor­ geschlagenen Rohstoffe sind billiger als die bisherigen. Die Po­ ren beeinträchtigen infolge ihrer Kleinheit und ihrer feinen Verteilung die Festigkeit der Vollreifen bzw. Beläge für Rollen kaum.

Das vernetzte Polymer weist eine geringfügig verringerte Tempe­ raturbeständigkeit auf. Bei üblichen Umgebungstemperaturen wird überraschenderweise dennoch eine höhere spezifische Belastbar­ keit erreicht, weil der Werkstoff erfindungsgemäßer Rotationskör­ per eine kleinere Verlustenergie E′′ zeitigt, damit einen geringe­ ren Rollwiderstand hervorruft und sich der Rotationskörper beim Lauf weniger erhitzt. Obwohl die Zersetzungstemperatur etwas ge­ senkt ist, wird sie erst bei höherer Belastung erreicht.

Wegen der chemischen Instabilität der heißen TODI- oder NDI-Schmelze konnten PUR-Bereifungen bislang nur gegossen werden. An die Stelle des TODI oder NDI tritt bei den erfindungsgemäßen Bereifungen das MDI. Hieraus resultiert einerseits ein erhöhter Volumenschwund, der das Gießen erschwert; andererseits bietet die MDI-Schmelze eine hohe chemische Stabilität und ermöglicht somit ein Reaktions­ spritzgußverfahren. Dazu werden vorteilhafterweise Polyether der Molmassen 1000 bis 4000 und MDI gemischt und zur Reaktion gebracht, wobei die Polyether vier oder mehr Kohlenstoff­ atome zwischen den Sauerstoffbrücken aufweisen, die reagierende Masse wird in steigerlose Formen eingebracht, und die Formen werden zu einem so gewählten Zeitpunkt geschlossen, daß sich darin ein Überdruck von 1 bis 5 bar einstellt.

Bislang wurde diese Vorgehensweise zur Herstellung von Vollreifen oder Rollenbelägen für unmöglich gehalten, weil mit dem Verzicht auf einen Steiger die Masse nicht mehr entgasen kann. Es wurden Lunker befürchtet. Nach fachmännischer Erfahrung war mit der baldigen Zerstörung des Laufflächenbereiches ausgehend von solchen Lunkern zu rechnen. Die vorliegende Erfindung hingegen lehrt gerade die Inkaufnahme der Porösität, um von teilvernetztem Polyetherurethan auf der Basis von Polytetrahydrofuran und Diphenylmethandiisocyanat ausgehen zu können, und gibt an, daß für eine befriedigende Lebensdauer lediglich eine hinreichend feine Porenvertei­ lung erforderlich ist. Vorzugsweise ist das Porenvolumen im Verhältnis zum Gesamtvolumen kleiner als 5% und der größte Porendurchmesser kleiner als 0,2% des Außendurch­ messers der Vollreifen bzw. Rollen. Die Porigkeit kann über den Druck und die Dosierung von Porenreglern - z. B. funktionellen Silikonen - eingestellt werden.

Durch den Verzicht auf einen Steiger an der Form wird ein erheblich größerer Teil der erwünschten Werkstückkontur abgeformt als beim bisherigen Gießverfahren. Bei kleiner Dimensionierung des Einspritzstückes kann für die Ansprüche des allgemeinen Maschinenbaus auf ein Nachdrehen der Vollreifen bzw. Beläge für Rollen vollständig verzichtet werden, was zu bedeutenden Kosteneinsparungen führt. Selbst bei solchen Präzisionsartikeln, wo auf das Spanen nicht verzichtet werden kann, ergeben sich Einsparungen infolge des verringerten Spanvolumens.

Zu dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Herstellung erfindungs­ gemäßer Rotationskörper wie PUR-Vollreifen oder PUR-Beläge für Rollen wird zweckmäßigerweise zunächst mindestens ein Teil der Polyether mit MDI zur Reaktion gebracht, erst danach werden diese Addukte mit den Diolen und eventuell dem noch unverbrauchten Teil der Polyether gemischt, und dann wird dieses reagierende Gemisch in die Formen eingebracht.

In Anwendungsfällen mit nicht extrem hohen spezifischen Belastungen empfiehlt sich als Maßnahme zur Verringerung der Schallemission der Bereifungen, daß vermischt mit den Diolen bis zu 10% Wasser eingesetzt wird und die bei der Reaktion abgespaltene Kohlensäure als porösitätssteigerndes Blähmittel wirkt.

Es ist auch möglich, als Vernetzungshilfsmittel statt Diolen Triole oder Gemische aus Diolen und Triolen einzusetzen, wobei über steigendem Triolanteil die Vernetzungsdichte zunimmt. Über der Vernetzungsdichte nimmt der Druckverformungsrest ab, es sinkt also auch die Reifeninnentemperatur, und man erhält Reifen von besonders hoher dynamischer Tüchtigkeit. Allerdings nimmt die Weiterreißbeständigkeit über dem Triolanteil ab. In Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall, insbesondere in Abhängigkeit vom Partner, auf dem die Bereifung abrollt, kann ein Fachmann mit wenigen einfachen Versuchen den optimalen Kompromiß finden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs­ beispieles näher erläutert: Als Rohstoffe werden tausend Gewichtsteile Polytetramethylenglykol der Molmasse 2000, 700 Gewichtsteile reines MDI und 192 Gewichtsteile von 1,4-Butandiol eingesetzt. Zunächst wird das Polytetra­ methylenglykol im Vakuum bei 120°C ca. 60 Minuten entwässert und danach mit dem MDI zur Reaktion gebracht. Anschließend wird die Schmelze langsam abgekühlt, so daß sie nach etwa 15 Minuten 90°C erreicht hat. Die Schmelze wird dann mit dem Butandiol vermischt und in Formen gegossen. Die Masse erstarrt in 90 Sekunden unter starken Schwindungserscheinungen.

In der Figur - einem Diagramm mit den Größen Temperatur auf der Ordinate 1 und Belastung auf der Abszisse 2 - zeigen die Linienzüge 3 und 4 die Wärmeentwicklung zweier in ihren geometrischen Abmessungen gleichen Vollreifen. Die Vollreifen haben einen Außendurchmesser von 70 mm, einen Innendurchmesser von 40 mm und eine Breite von 20 mm. Sie sind auf Naben aus Aluminiumguß aufgezogen. Die Temperaturmeßstelle befindet sich in der axialen Mitte auf einem Radius von 27,5 mm, also auf dem oberflächenfernsten Kreis und damit im heißesten Bereich. Die Messung erfolgt bei eine Umgebungstemperatur 20°C auf einem Rollenprüf­ stand; die Prüfrolle hat einen Durchmesser von 700 mm und eine solche Drehgeschwindigkeit, daß sich eine Umfangsge­ schwindigkeit von 2 km/h ergibt.

Der Linienzug 3 zeigt die Innentemperatur eines Vollreifens auf Polyesterpolyurethan auf der Basis von NDI, wie er als Stand der Technik bekannt ist. Der Linienzug 3 endet im Punkte 6, der die durch innere Verflüssigung hervorgerufene Zerstörung markiert. Die Zerstörung ist deutlich anhand äußerer Beulenbildung erkennbar und tritt bei einer Belastung von 3400 N bei einer Innentemperatur von 98°C ein.

Der Linienzug 4 zeigt die Innentemperatur eines gemäß dem Ausführungsbeispiel hergestellten Vollreifens aus Polyetherurethan auf der Basis von Polytetrahydrofuran und MDI. Der Linienzug 4 endet im Zerstörungspunkte 7. Die Zerstörung tritt bei einer Belastung von 4000 N bei einer Innentemperatur von 93°C ein. Trotz erniedrigter Zerstörungstemperatur erlaubt der erfindungsgemäße Vollreifen infolge der geringeren Wärmeentwicklung, die sich an der flachen Neigung des Linienzuges 4 zeigt, eine höhere Belastung bei gleichem Bauraum. Außerdem ist er billiger herzustellen.

Dieser Erfolg wird durch den Einsatz von Polyetherurethan auf der Basis von Polytetrahydrofuran und MDI erzielt, dementsprechend ein anderes Herstellverfahren angewendet wird, bei dem mindestens eine geringe Porigkeit hingenommen wird, wobei die Porigkeit so eingestellt wird, daß das Porenvolumen im Verhältnis zum Gesamtvolumen nur bis zu 15% beträgt und der größte Porendurchmesser kleiner als 0,5% des Reifenaußendurchmessers ist, wobei diese Ausbildung der Porigkeit gewährleistet, daß die Vorteile des vorgeschlagenen Werkstoffes nicht durch eine nach­ teilige Grobporigkeit aufgezehrt werden, sondern im wesentlichen durch die erfindungsgemäße Mikro­ porösität erhalten bleibt.

Claims (7)

1. Polyurethan-Rotationskörper, insbesondere Vollreifen oder Belag für Rollen, dadurch gekennzeichnet, daß er aus teilvernetztem Polyetherurethan auf der Basis von Polytetrahydrofuran und Diphenylmethandiisocyanat (MDI) besteht und eine feinverteilte Mikroporösität aufweist, wobei das Porenvolumen im Verhältnis zum Gesamtvolumen bis zu 15% beträgt und der größte Porendurchmesser kleiner als 0,5% des Außendurchmessers des Rotationskörpers ist.

2. Polyurethan-Rotationskörper nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der größte Porendurchmesser kleiner als 0,2% des Außendurchmessers des Rotationskörpers ist.

3. Polyurethan-Rotationskörper nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Porenvolumen im Verhältnis zum Ge­ samtvolumen kleiner als 5% ist.

4. Verfahren zur Herstellung von Polyurethan-Rotationskörpern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Polyether der Molmassen 1000 bis 4000, Diole der Molmassen 90 bis 250 und Diphenylmethandiisocyanat (MDI) gemischt und zur Reaktion gebracht werden, wobei die Polyether vier oder mehr Kohlenstoffatome zwischen den Sauerstoffbrücken aufweisen, daß das reagierende Gemisch in steiger­ lose Formen eingebracht wird, und daß sich ein Überdruck zwischen 1 und 5 bar in den Formen nach dem Verschluß einstellt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst mindestens ein Teil der Polyether mit MDI zur Reaktion gebracht wird, daß diese Addukte erst danach mit den Diolen und eventuell dem noch unverbrauchten Teil der Polyether gemischt werden und dieses reagierende Gemisch dann in die Formen eingebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vermischt mit den Diolen bis zu 10% Wasser eingesetzt ist und die bei der Reaktion abgespaltene Kohlensäure als porösitätssteigerndes Blähmittel wirkt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Vernetzungshilfsmittel statt Diolen Triole oder Gemische aus Diolen und Triolen eingesetzt werden.