DE60105769T2

DE60105769T2 - Treibriemen mit einem strang, zusammengesetzt aus mindenstens zwei zusammengeschmolzenen fäden

Info

Publication number: DE60105769T2
Application number: DE60105769T
Authority: DE
Inventors: Jan Van Campen
Original assignee: Teijin Twaron GmbH
Current assignee: Teijin Aramid GmbH
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2021-02-14
Also published as: WO2001061091A1; CN1394245A; AU2001246431A1; US20030152757A1; ATE277210T1; KR100682294B1; CA2399693C; ES2228838T3; EP1257700A1; CA2399693A1; MXPA02006416A; CN1164816C; DE60105769D1; US6921572B2; HK1050224A1; EP1257700B1; KR20020073591A

Description

Die Erfindung betrifft einen Transmissionsriemen, der einen Cord mit mindestens zwei durch Schmelzen verbundenen Garnen umfasst, ein Verfahren zur Herstellung des Cords und ein Verfahren zur Herstellung des Transmissionsriemens.
Corde zur Verstärkung von Gummierzeugnissen sind in der Technik bekannt. Ein hierfür geeigneter Cord, der mindestens ein Hochmodul-Garn und mindestens ein Niedermodul-Garn umfasst, wird in WO 97/06297 beschrieben. Die Garne dieser Corde können miteinander verzwirnt und in ein Haftmittel zur Verbesserung der Gummihaftung getaucht werden. Das Niedermodul-Garn wird in erster Linie als Prozesshilfsmittel eingesetzt, damit Hochmodul-Garne in Gießvulkanisationsprozessen verwendet werden können. Dieses Verfahren erlaubt zwar die Herstellung von Transmissionsriemen, jedoch neigen die mechanischen Eigenschaften der Corde während der Bearbeitung solcher Riemen zur Verschlechterung.
Wenn die Riemen durch Ausschneiden aus einer faserverstärkten Gummiplatte ihre endgültige Form erhalten, ist zur Vermeidung des Ausfransen eine starke Bündelhaftung erforderlich. Um einen sauberen Schnitt zu erhalten, müssen alle Filamente im Garnbündel in der Schnittebene fest zusammengehalten werden. Wenn die Filamente nicht an Ort und Stelle fixiert werden, können sie durch die Schnittkraft aus der Schnittebene gedrückt werden, sodass die Filamente auf unterschiedliche Länge geschnitten werden (dieser Effekt wird als „Ausfransen" bezeichnet). Um die Qualitätsstandards der Transmissionsriemenindustrie zu erfüllen, muss das Ausfransen äußerst gering gehalten werden, nicht allein wegen des Aussehens, sondern um eine mögliche Versagensursache zu vermeiden. Aus diesem Grund werden sowohl Aramid- als auch Polyestercorde üblicherweise vorher in ein lösungsmittelhaltiges MDI-Tauchbad(Diphenylmethan-4,4-düsocyanat) getaucht, um einen guten Fadenschluss zu erreichen. Das vorherige Tauchen in ein MDI-Tauchbad führt zu einem ziemlich steifen Cord mit ausgezeichnetem Schneidverhalten, was jedoch zu Lasten der Reißfestigkeit nach dem Tauchprozess geht (10 bis 20 % Festigkeitsverlust gegenüber dem standardmäßigen „Weichtauchverfahren"). Außerdem zeigte sich, dass „steifgetauchte" p-Aramidcorde nach dem Bearbeiten und dem Vulkanisieren stark an Festigkeit verlieren. Dieser Festigkeitsverlust ist der Steifigkeit (d. h. dem Imprägnierungsgrad) proportional und wird vermutlich durch Knickbänder beim Verbiegen der steifen Aramidcorde hervorgerufen. Diese zum Festigkeitsverlust durch die Handhabung oder Verarbeitung von steifgetauchten Corden führende Erscheinung wird als „Handhabungsbeständigkeit" oder „Handhabbarkeit" bezeichnet.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Transmissionsriemen unter Verwendung von Corden mit starker Bündelhaftung herzustellen, welche eine hohe Festigkeit und starke Haftung bei gleichzeitig guter Handhabungsbeständigkeit aufweisen. Das ist insbesondere für ein gutes Schneidverhalten von Bedeutung, wenn Transmissionsriemen mit offener Kante hergestellt werden.
Die Erfindung betrifft einen Transmissionsriemen, der einen Cord, eine Gummi- oder Thermoplastmatrix und ein Haftmittel zum Kleben des Cords auf die Gummi- oder Thermoplastmatrix umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Cord aus mindestens zwei Garnen besteht, wobei das erste Garn einen Schmelz- oder Zersetzungspunkt T₁ und das zweite Garn einen Schmelzpunkt T₂ aufweist und wobei T₁>T₂ gilt, das Verhältnis von Titer des ersten Garns zu Titer des zweiten Garns zwischen 1000:1 und 1:1 liegt und das zweite Garn mit dem ersten durch Schmelzen verbunden ist.
Vorzugsweise liegt das Verhältnis von Titer des ersten Garns zu Titer des zweiten Garns zwischen 100:1 und 4:1 und besonders bevorzugt zwischen 35:1 und 15:1.
Zur Verwendung in Transmissionsriemen muss der Cord der vorliegenden Erfindung ein Haftmittel für die Gummi- oder Thermoplastmatrix enthalten. Beispiele hierfür sind Chloroprenkautschuk (CR), hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), alkyliertes chlorsulfoniertes Polyethylen (ACSM), Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPDM) und Polyurethan (PU).
Um sicherzustellen, dass der Cord gut am Matrixmaterial des Transmissionsriemens haftet, muss der Cord mit einem Haftmittel beschichtet werden. Deshalb wird der Cord vor dem Verbinden mit dem Matrixmaterial mit einem Haftmittel behandelt. Vorzugsweise wird auf den Cord eine erste Haftmittelbeschichtung aufgebracht, bevor er mit dem Haftmittel für die Gummi- oder Thermoplastmatrix behandelt wird.
Zu den besonders geeigneten ersten Haftbeschichtungen gehören Epoxidverbindungen, polymeres Methyldiphenyldiisocyanat (z. B. Voranate^® von DOW) und Polyurethane mit ionischen Gruppen.
Das Haftsystem ermöglicht auch mehrere Varianten. Beispielsweise sind im Fall von Polyparaphenylenterephthalamid ein Resorcinol-Formaldehyd-Latex-System (RFL) und Chemosil^® (von Henkel) besonders geeignet. Im Fall von Glas kann z. B. eine Silanverbindung vewendet werden. Bevorzugte Gummihaftmittel sind solche, die auf Resorcinol-Formaldehyd-Latex-Systemen basieren.
Der Cord eignet sich besonders zur Verwendung für Transmissionsriemen mit offener Kante, allerdings ist der erhaltene Cord, wenn auf die Behandlung mit dem Gummihaftmittel verzichtet wird, auch zur Verwendung für andere Anwendungen geeignet, bei denen eine starke Bündelhaftung erwünscht ist, wie zum Beispiel für Seile, Kabel, Schläuche und Ähnliches.
Besonders geeignete Materialien für Garne mit relativ hohem Schmelz- oder Zersetzungspunkt (T₁) sind aromatische Polyamide (Aramid) wie beispielsweise Polyparaphenylenterephthalamid. Diese Materialien haben sich im Laufe der Jahre für die Verwendung in Verbundwerkstoffen als besonders geeignet erwiesen. Aramid wird unter anderem oft in Verbundwerkstoffen mit -Gummimatrix eingesetzt. Weitere Beispiele geeigneter Materialien sind Polyester.
Als geeignete Materialien mit relativ niedrigem Schmelzpunkt (T₂) sind Polyester, Polyamide, Polyolefine, Elastodiene, Elastane, thermoplastische Vulkanisate und chlorierte Fasern zu nennen.
Einige dieser Materialien werden schon seit vielen Jahren in Verbundwerkstoffen wie Reifen und Antriebsriemen eingesetzt. Weitere Beispiele für geeignete Materialien sind Polyolefine, Cellulose, Acetat, Acryl und Vinylal. Das bevorzugte Garn zur Verwendung in Transmissionsriemen ist Perlongarn mit 13 bis 96 dtex (PA6 POY, Schmelzpunkt ± 220 °C).
Das Verfahren zur Herstellung des Cords gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte des Verzwirnen des ersten und des zweiten Garns miteinander und des anschließenden Erhitzens des verzwirnten Cords bei einer Temperatur zwischen T₁ und T₂, wobei der Cord während des Erhitzungsschritts oder auf diesen folgend einer Tauchbehandlung mit einem Haftmittel für Gummi unterzogen wird.
Der Erhitzungsschritt dient dazu, die ersten Garnbündel durch Schmelzen des zweiten (Schmelz-)Garns zu fixieren. Die geschmolzenen Filamente umschlingen die Einzelbündel, verschränken so die Filamente miteinander und halten sie an Ort und Stelle, um ihre Schneideigenschaften zu verbessern.
Die Tauchbehandlung, um den Cord auf eine gute Haftung mit der Gummi- oder Thermoplastmatrix vorzubereiten, ist ein wohlbekannter Prozess. Je nach Ausgangsgarn für den Cord kann ein Einbad- oder ein Zweibad-Tauchprozess angewendet werden.
Aus technischen und ökonomischen Gründen findet der Fixierschritt (Erhitzungsschritt) Idealerweise während des Tauchprozesses statt. Indem ein thermoplastisches Haftmittel gewählt wird, dessen Schmelzpunkt in dem bei der Tauchbehandlung verwendeten Temperaturbereich liegt, kann die Thermofixierung mit den Tauch-/Härtungsschritten kombiniert werden. Durch Wahl eines thermoplastischen Haftmittels mit einem Schmelzpunkt zwischen 200 und 250 °C kann die Thermofixierung mit dem Härtungsschritt in einem herkömmlichen Tauchprozess kombiniert werden. Das integrierte RFL-Tauchen und Thermofixieren stellt das bevorzugte Verfahren zur Herstellung von Aramidcorden für Transmissionsriemen dar.
Das Verfahren kann auf jede Cordkonstruktion angewendet werden; allerdings sind Cordkonstruktionen mit einem Titer im Bereich von 210 bis 50000 dtex typische Anwendungen. Eine typische Konstruktion für eine Transmissionsriemenanwendung ist Twaron^®2300 1680 dtex × 2 Z190 × 3 S115 (Titer: 1680 x 2 x 3 = 10080 dtex).
Die Verteilung des zweiten (Schmelz-)Garns wird durch das Verschlingen des Schmelzgarns nach entsprechenden Zwirnschemata gesteuert und hängt von der Art des Cordaufbaus ab. Das Zwirnschema und der Anteil des Schmelzgarns, bezogen auf die Menge des verwendeten ersten Garns, hängen von der gewünschten Bündelhaftung ab und können vom Fachmann einfach ermittelt werden. Verzwirnungsarten sind in der Technik wohlbekannt. Das Verzwirnen kann mittels einer geeigneten Verzwirnungsanlage erfolgen.
Um das Haftmittel für diesen Cord zu verteilen, können je nach Komplexität der Cordkonstruktion verschiedene Zwirnschemata angewendet werden. Für Twaron^® 2300 1680 dtex × 2 Z190 × 3 S115 kann zum Beispiel ein zweistufiges Zwirngrundschema 1 oder ein dreistufiges Grundschema II verwendet werden. Die Verteilung des Haftmittels wird durch Variieren der Anzahl der Zuführungspunkte und der Positionen gesteuert, an denen das Schmelzgarn in die Aramidcordkonstruktion eingeführt wird. Bei Verwendung eines zweistufigen Zwirngrundschemas gibt es 6 Zuführungspositionen mit insgesamt 12 verschiedenen Verzwirnungsmöglichkeiten. Wenn ein dreistufiges Zwirngrundschema verwendet wird, gibt es 12 Zuführungspositionen mit insgesamt 72 verschiedenen Verzwirnungsmöglichkeiten.
Schema I Grundschema für zweistufige Verzwirnung
Schema II
Das bevorzugte Zwirnverfahren für eine typische Cordkonstruktion zur Verwendung in einem Transmissionsriemen ist in Schema III dargestellt.
Schema III
Die Erfindung wird ferner durch die folgenden Beispiele veranschaulicht.
Beispiel I
Tauchbedinqungen
Bei einer typischen Aramidcordkonstruktion für einen Transmissionsriemen werden die folgenden Tauchbedingungen gewählt. Zweibadverfahren: Vortauchbedingungen.

Tauchbad : T03 (2 %) GE100-Epoxid

Ofen 1

Verweilzeit : 120 s

Temperatur : 150 °C

Spannung : 25 N

RFL-Tauchbedingungen

Tauchbad : VP-Latex A11 (25 %)

Ofen 2

Verweilzeit : 120 s

Temperatur : 150 °C

Spannung : 25 N

Ofen 3

Verweilzeit : 60 s

Temperatur : 235 °C

Spannung : 25 N

Einbadverfahren: RFL-Tauchbedingungen

Tauchbad : VP-Latex A11 (25 %)

Ofen 1

Verweilzeit : 120 s

Temperatur : 150 °C

Spannung : 25 N

Ofen 2

Verweilzeit : 60 s

Temperatur : 235 °C

Spannung : 25 N
Die Tauchbehandlung wurde in einer Litzler-Labortaucheinheit nach dem in der Technik bekannten Zweibad-Dreiofen-Tauchverfahren durchgeführt. Der Rohcord wurde an der Position a abgespult. Das Vortauchbad GE100 wurde durch Eintauchen des Cords in einen Tauchbehälter an der Position c und anschließendes Härten im Ofen 1 aufgebracht. Das RFL-Tauchbad wurde an der Position g aufgebracht und anschließend im Ofen 2 bzw. 3 ausgehärtet. An der Position h wurde der getauchte Cord auf eine Spule aufgewickelt. Die Tauchgeschwindigkeit und die Spannung wurden durch die Steuerungseinheiten c, d, f und g konstant gehalten.
Schematische Ansicht einer Litzler-Labortaucheinheit.

Ansatz des Epoxids T03 (2 %) GE100:

Zu 978,2 g demineralisiertem Wasser in einer Polyethylenflasche wurden 0,5 g Piperazin gegeben und das Gemisch mit einem Glasstab bis zur Auflösung der festen Bestandteile gerührt. Unter Umrühren mit dem Glasstab wurden 1,3 g Aerosol^TM OT 75 % (oberflächenaktives Dioctylnatriumsulfosuccinat in 6 % Ethanol und 19 % Wasser) (Chemical Corporation Pittsburgh, Pennsylvania, USA) und anschließend 20,0 g Epoxid GE100 (Gemisch von bi- und trifunktionellen Epoxiden auf Basis von Glycidylglycerinether (Raschig AG, Ludwigshafen, Deutschland) zugegeben. Das Gemisch wurde 1 min lang mechanisch gerührt und 12 h lang bei Raumtemperatur stehengelassen.
Die Lagerfähigkeit dieses Tauchbades betrug in einem Kühlschrank bei 5 – 10 °C fünf Tage.
Formulierung des RFL-Tauchbades A11
Ansatz:
Eine Mischung von 275,3 g demineralisiertem Wasser, 12,9 g Ammoniumhydroxid 25 % und 69,4 g Penacolite^® 50 % (Resorcinol-Formaldehyd-Polymerharzlösung) (Chemical Corporation Pittsburgh, Pennsylvania, USA) wurde zu Pliocord^® VP106 (wässrige Dispersion eines Vinylpyriden-Styrol-Butadien-Terpolymers (40 %) (Goodyear Chemicals, Europa, Les Ulis, Frankreich) gegeben und 3 min lang gerührt. Dann wurde eine Mischung von 23,1 g Formaldehyd 37 % und 110,6 g demineralisiertem Wasser zugegeben und nochmals 3 min lang gerührt. Das Tauchbad wurde 12 h lang bei Raumtemperatur stehengelassen. Die Lagerfähigkeit im Kühlschrank bei 5 – 10 °C beträgt fünf Tage.
Beispiel 2
Die Eigenschaften der Corde wurden gemäß Dokument IN97/7180, „Standard methods of testing Twaron filament yarns and cords", Version 4, 01-01-1997 von Twaron Products gemessen. Für Zugfestigkeitsmessungen wird auf ASTM D885 – „Standard Test Methods for Tire Cords, Tire Cord Fabrics, and Industrial Filament Yarns" – und EN 12562 – „Para-aramid multi filament yarns – Test methods" verwiesen.
Die mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt, in der verschiedene tauchbehandelte Aramidcordproben miteinander verglichen werden.
Steifgetaucht:

a) MDI (2,5 %)/A11 (20 %): Aramidcord, tauchbehandelt mit Vortauchbad 2,5 % MDI und RFL-Tauchbad A11 (20 %).
b) MDI (5 %)/A11 (20 %): Aramidcord, tauchbehandelt mit Vortauchbad 5 % MDI und RFL-Tauchbad A11 (20 %).
c) MDI (10 %)/A11 (20 %): Aramidcord, tauchbehandelt mit Vortauchbad 10 % MDI und RFL-Tauchbad A11 (20 %).

Weichgetaucht:

d) T03 (0,5 %)/A11 (25 %): neu entwickelter Aramidcord mit thermoplastischer Imprägnierung, behandelt mit Vortauchbad 0,5 % GE100-Epoxid und RFL-Tauchbad A11 (25 %).
e) T03 (0,5 %)/A11 (25 %): Aramidcord, tauchbehandelt mit Vortauchbad 0,5 % GE100-Epoxid und RFL-Tauchbad A11 (25 %).
f) T03 (1 %)/A11 (25 %): neu entwickelter Aramidcord mit thermoplastischer Inprägnierung, behandelt mit Vortauchbad 1 % GE100-Epoxid und RFL-Tauchbad A11 (25 %).
g) T03 (1 %)/A11 (25 %): Aramidcord, tauchbehandelt mit Vortauchbad 1 % GE100-Epoxid und RFL-Tauchbad A11 (25 %).
h) T03 (2 %)/A11 (25 %): neu entwickelter Aramidcord mit thermoplastischer Imprägnierung, behandelt mit Vortauchbad 2 % GE100-Epoxid und RFL-Tauchbad A11 (25 %).
i) T03 (2 %)/A11 (25 %): Aramidcord, tauchbehandelt mit Vortauchbad 2 % GE100-Epoxid und RFL-Tauchbad A11 (25 %).

Die folgenden Eigenschaften wurden nach internen Verfahren gemessen.
Absoluter Taucheffekt
Absoluter Taucheffekt = prozentuale verbliebene Festigkeit des Cords nach Tauchbehandlung, bezogen auf die absolute Reißfestigkeit des unbehandelten Rohcords.
Berechnung:
Streifenabzugsfestigkeit
Klebetest nach ASTM D4393, unter Verwendung von

a) CR-Material = Chloroprenkautschuk und
b) NR-Material = Naturkautschuk- Dunlop 5320.

Restfestigkeit nach Handhabung
Restfestigkeit nach Handhabung = absolute verbliebene Restfestigkeit nach Vulkanisierung und manueller Handhabung.
Die Restfestigkeit nach Handhabung wird gemessen, nachdem die Corde aus einem vulkanisierten Kautschuk-Verbundwerkstoff präpariert wurden. Da dieses Verfahren nicht nur einen Vulkanisierungsprozess, sondern auch starke manuelle Beanspruchung (Biegen, Verziehen und Knicken) beinhaltet, wird die Restfestigkeit auch als Beständigkeit gegen manuelle Beanspruchung oder als „Handhabbarkeit" bezeichnet.
Verfahren zur Bestimmung der Restfestigkeit nach Handhabung:
Die Corde werden zwischen zwei Schichten Dunlop 5320 NR Kautschuk-Verbundwerkstoff mit einer Dicke von 1 bis 2 mm in eine Form der Länge 440 mm und der Breite 190 mm eingebettet. Die Cordlängsschicht (Abstand 10 Enden pro Inch (1 Zoll = 25,4 cm)) wird in der Mittellage gehalten, während der Verbundwerkstoff in einer Form vorgeformt und 20 bis 30 min bei 160 °C vulkanisiert wird. Nach dem Abkühlen wird die erhaltene Platte in 1 Inch (2,54 cm) breite Streifen zerteilt. Aus jedem Streifen werden manuell einzelne Cordproben präpariert. Während ein Ende des Streifens in eine Klammer eingespannt ist, werden am anderen Ende des Streifens Einschnitte zwischen den Corden angebracht. Dann werden die Corde abgetrennt, indem sie vom Streifen unter einem Winkel von > 90° seitlich abgezogen werden. Dann wird die verbliebene Reißfestigkeit von mindestens sechs der isolierten Corde gemessen (unter Weglassung der äußeren Corde jedes Streifens).
Relative Restfestigkeit nach Handhabung
Relative Restfestigkeit nach Handhabung = prozentuale Restfestigkeit nach Vulkanisierung und manueller Handhabung im Verhältnis zur absoluten Reißfestigkeit des Cords nach Tauchbehandlung.
Beispiel 3
Cordkonstruktion mit zweistufiger Verzwirnung (BISFA-Bezeichnung)

A: ((Twaron 2300 1680 dtex ×2 + PA6 44 dtex) ×1 Z190 + (2× (Twaron 2300 1680 dtex ×2 Z190))) S115. Schematische Ansicht:
B: (2× (Twaron 2300 1680 dtex ×2 + PA6 44 dtex) ×1 Z190 + Twaron 2300 1680 dtex ×2 Z190) S115. Schematische Ansicht:
C: (Twaron 2300 1680 dtex ×2 + PA6 44 dtex) ×1 Z190 ×3 S115. Schematische Ansicht:

Beispiel 4
Cordkonstruktionen mit dreistufiger Verzwirnung (BISFA-Bezeichnungen):

D: ((Twaron 2300 1680 dtex + PA6 44 dtex) Z60 + Twaron 2300 1680 dtex Z60) Z130 + (2× (Twaron 2300 1680 dtex Z60 ×2 Z130)) S115. Schematische Ansicht:
E: (Twaron 2300 1680 dtex + PA6 44 dtex) Z60 + Twaron 2300 1680 dtex Z60) Z130 x3 S115. Schematische Ansicht:
F: (Twaron 2300 1680 dtex ×2 + PA6 44 dtex) Z60 x2 Z130 ×3 S115. Schematische Ansicht:

Claims

Transmissionsriemen, umfassend einen Cord, eine Gummi- oder Thermoplastmatrix und ein Haftmittel zum Kleben des Cords auf eine Gummi- oder Thermoplastmatrix, dadurch gekennzeichnet, dass der Cord aus mindestens zwei Garnen besteht, wobei das erste Garn einen Schmelz- oder Zersetzungspunkt T₁ und das zweite Garn einen Schmelzpunkt T₂ aufweist und wobei T₁>T₂ gilt, das Verhältnis von Titer des ersten Garns zu Titer des zweiten Garns zwischen 1000:1 und 1:1 liegt und das zweite Garn mit dem ersten durch Schmelzen verbunden ist.
Transmissionsriemen nach Anspruch 1, bei dem das Garn mit einem Schmelz- oder Zersetzungspunkt T₁ ein Aramid- oder Polyestergarn ist.
Transmissionsriemen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Matrix eine Gummimatrix und das Haftmittel ein Resorcin-Formaldehyd-Latex-System ist.
Verfahren zur Herstellung eines aus mindestens zwei Garnen bestehenden Cords, bei dem das erste Garn einen Schmelz- oder Zersetzungspunkt T₁ und das zweite Garn einen Schmelzpunkt T₂ aufweist, wobei T₁>T₂ gilt, das Verhältnis von Titer des ersten Garns zu Titer des zweiten Garns zwischen 1000:1 und 1:1 liegt und das zweite Garn mit dem ersten Garn durch Schmelzen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Garn miteinander verzwirnt und anschließend bei einer Temperatur zwischen T₁ und T₂ erhitzt werden, wobei der Cord während des Erhitzungsschritts oder auf diesen folgend einer Tauchbehandlung mit einem Haftmittel unterzogen wird, mit welchem der Cord an eine Gummi- oder Thermoplastmatrix gebunden werden kann.
Verfahren zur Herstellung eines Transmissionsriemens, bei dem der Cord nach Anspruch 4 an eine Gummi- oder Thermoplastmatrix gebunden und nach bekannten Methoden zur Herstellung von Transmissionsriemen weiter bearbeitet wird.