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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Kraftübertragungsriemen,
und insbesondere betrifft die Erfindung Riemen mit einer Hülle, die
eine thermoplastische Schicht aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht
aufweist.
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Hintergrund der Erfindung
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Kraftübertragungszahnriemen
haben einen Polymerkörper,
beispielsweise aus Gummi, Thermoplast oder Urethan, mit mehreren
Zähnen
oder Vorsprüngen,
die entlang mindestens einer Seite oder beider Seiten derartiger
Riemen ausgebildet sind. Üblicherweise
ist ein Zugelement als die Zugbelastung tragendes Element in dem
Körper
eingebettet.
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Vorzugsweise
werden die Riemenzähne
mit einem Material verstärkt,
um ihre Scherfestigkeit und ihre Verschleißfestigkeit zu erhöhen, oder
um ihren Reibungskoeffizienten für
den Zusammengriff mit einer Zahnscheibe zu ändern. Das Material umfasst
im allgemeinen Stoffe vom gewebten Typ, wie Leinen, gecrimptes, dehnbares
Nylon und Dreherbindungen, etc., und kann ein gewirkter Stoff, beispielsweise
ein 1 × 1-Rippenstrickstoff,
sein. Derartige Stoffe werden in dem Riemen an einer die Riemenzähen einschließenden Umfangsrandfläche angeordnet,
und können
in Form eines einlagigen Stoffs, mehrerer Lagen von Webstoffen oder
verbondeter Stoffschichten vorliegen.
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Während des
Betriebs verschleißt
die Stoffverstärkung,
wodurch Staub und Abriebpartikel entstehen. Staub und Abrieb sind
für den
Betrieb benachbarter Teile schädlich
und können
im Verlauf der Zeit den Betrieb bestimmter Arten von Geräten stören. Dies
gilt beispielsweise für
Drucker, Kopierer und Kameras, um nur einige zu nennen. Ferner können der
Staub und die Abriebpartikel der bekannten Riemen je nach den Riemenmaterialien
elektrisch leitfähig
sein. Je nach Verwendungszweck ist es nicht erwünscht, dass elektrisch leitfähige Materialien
Teile in elektrischen Geräten
bedecken.
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Es
werden ferner Riemen mit Stoffhüllen
gelehrt, die eine äußere Schicht
aus undurchlässiger
thermoplastischer Folie aufweisen. Die Folie wird während des
Herstellungsvorgangs verwendet, um das Riemenkörpermaterial in bezug auf eine äußere Verstärkungsstoffschicht
zurückzuhalten.
Die äußere Folienschicht
hat eine sehr geringe Verschleißfestigkeit.
Sobald sie im Gebrauch ist, verschleißt die Folie und legt die darunter liegende
Stoffschicht frei.
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Besonders
relevanter Stand der Technik findet sich in dem
US-Patent 3 964 328 (Redmond), das
Stoff in der bevorzugten Form eines dehnbaren Nylons mit einer thermoplastischen
Schicht, beispielsweise ein Polyethylen, beschreibt, welche mit
der Außenfläche desselben
verbondet ist. Der Stoff ist an der Umfangsfläche eines Riemenzähne aufweisenden
Riemens als verschleißfester
Stoff und reibungsmodifizierende Verstärkung angebracht. Die thermoplastische
Oberfläche
hat eine geringe Abriebfestigkeit und verschleißt während des Gebrauchs.
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Es
besteht ein Bedarf an einem Riemen mit einer Folienhülle, die
eine thermoplastische UHMWPE-Folie umfasst. Es besteht ein Bedarf
an einem Riemen mit einer Foliehülle,
die eine thermoplastische UHMWPE-Folie auf der Riemenscheibeneingriffsfläche aufweist.
Es besteht ein Bedarf an einem Riemen mit einer Folienhülle, die
eine thermoplastische UHMWPE-Folie umfasst und eine hohe Abriebfestigkeit
hat. Das vorliegende
US-Patent
4 392 842 beschreibt einen Kraftübertragungsriemen mit Zähnen mit
einer Verstärkungsstoffschicht,
die von der Außenfläche des
Riemens durch eine Schicht Elastomermaterials getrennt ist.
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FR 2210251 beschreibt einen
Riemen mit einem Körper,
einem entlang dem Körper
angeordneten Zugelement und Zähnen,
die von einer Polyethylenschicht umgeben sind.
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Überblick über die Erfindung
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Es
ist der primäre
Aspekt der Erfindung, einen Riemen mit einer Folienhülle zu schaffen,
die eine thermoplastische Folie aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht
aufweist.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung ist es, einen Riemen mit einer Folienhülle zu schaffen,
die eine thermoplastische Folie aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht
auf einer Riemenscheibeneingriffsfläche aufweist.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, einen Riemen
mit einer thermoplastischen Folienhülle aus Polyethylen mit ultrahohem
Molekulargewicht zu schaffen, die eine hohe Abriebfestigkeit hat.
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Diese
und andere Aspekte und Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus der
Betrachtung der Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung derselben.
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Die
Erfindung ist durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen Riemen
nach Anspruch 5 definiert.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Aspekte der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen
beschrieben, in welchen gleiche Bezugszeichen in den mehreren Figuren
gleiche Teile bezeichnen.
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1 ist
eine perspektivische Darstellung eines mit Folie verstärkten Riemens.
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2 ist
ein vergrößerter Querschnitt
durch die Folie entlang der Linie 2-2 von 2.
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3 ist
ein Diagramm zur Darstellung relativer Versuchslebensdauern erfindungsgemäßer Riemen im
Vergleich mit bekannten Stoffhüllenriemen.
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4 ist
ein Diagramm zur Darstellung des Verschleißes von erfindungsgemäßen Riemen
im Vergleich mit bekannten Stoffhüllenriemen.
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5 ist
eine Querschnittsdarstellung gewickelter Folienlagen.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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1 ist
eine perspektivische Darstellung eines Kraftübertragungsriemens mit thermoplastischer
Hülle.
Der Riemen umfasst einen Körper 10 mit
einer oberen Gummischicht 12. Die obere Gummischicht 12 umfasst
ein Gummimaterial oder ein anderes Elastomermaterial, wie hierin
beschrieben. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Riemen
EPDM. Vorsprünge
oder Zähne 15 sind
in Querrichtung entlang der Längsachse
L des Riemens 10 angeordnet. Ein Stegbereich 17 befindet
sich zwischen jedem Paar benachbarter Vorsprünge 15. Die Vorsprünge 15 weisen
ein elastomeres oder thermoplastisches Material auf, das mit dem
Elastomermaterial des Körpers 10 kompatibel
oder identisch ist.
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In
Längsrichtung
des Riemens verlaufende Zugelemente 20 sind in die obere
Gummischicht 12 eingelegt. Die Zugelemente 20 nehmen
eine während
des Betriebs auf den Riemen aufgebrachte Zugbelastung auf. Eine
Elastomerschicht 21 erstreckt sich zwischen den Zugelementen 20 und
der thermoplastischen Hülle 30.
Die Schicht 21 verhindert das Reiben der Zugelemente an der
Hülle 30 während des
Betriebs, wodurch die Lebensdauer des Riemens erheblich verlängert wird.
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Die
thermoplastische Hülle 30 ist
mit dem Riemenkörper
auf der Außenfläche 35 der
Zähne 15 verbondet,
wie hierin beschrieben.
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Anders
als nach dem Stand der Technik, erfordert der hier offenbarte Hüllenaufbau
keine äußere Stoffschicht
auf der Zahnoberfläche,
um den Riemen zu verstärken.
Der Wegfall der Stoffschicht verringert die Material- und Herstellungskosten
pro Riemen. Der hier offenbarte Riemenaufbau mit thermoplastischer
Hülle ist zwischen
18% und 24% kostengünstiger
als ein vergleichbarer Riemen mit einer Stoffhülle, beispielsweise aus Baumwolle,
Polyester, Polyamid, Hanf, Jute, Fiberglas, oder anderen auf diesem
Gebiet bekannten natürlichen und
synthetischen Fasern.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die Hülle 30 eine
thermoplastische Folie aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht
(UHWMPE) auf, beispielsweise D/W 402TM DeWal
Industries, Inc. Die UHMWPE-Folie hat ein Molekulargewicht im Bereich
von 3 bis 7 Millionen Gramm pro Mol und einen Dehnungsprozentsatz
im Bereich von bis zu 375% einer ursprünglichen Länge. Der Dichtebereich für geeignete Polyethylenhüllenmaterialien
liegt im Bereich von 0,93 bis 0,95 Gramm/ccm. Das thermoplastische
Material der Hülle 30 kann
ein Material mit einer Erweichungstemperatur unter der Aushärttemperatur
des für
den Riemenkörper
verwendeten Gummimaterials sein. Die Hülle kann ferner andere auf
diesem Gebiet bekannte Polyethylenfolien aufweisen, wie beispielsweise
BFI 2287 von Blueridge Films, Inc. Das Molekulargewicht von BFI
2287 beträgt
ungefähr
250.000 Gramm pro Mol bei einer Bruchdehnung im Bereich von bis
zu 500% der ursprünglichen
Länge.
Die Hülle
kann ferner Verschnitte und Mischungen aus anderen Polyethylenen
umfassen. Ein Beispiel eines derartigen Verschnitts ist eine Kombination
von UHMWPE Partikeln in HDPE. Ein Beispiel für geeignete UHMWPE Partikel
ist GUR 4150 von Ticona. GUR 4150 hat ein Molekulargewicht im Bereich
von 3 bis 7 Millionen Gramm pro Mol und eine Partikelgröße von ungefähr 125 Mikrometer.
Es hat sich gezeigt, dass BFI 2287 mit einer Chargierung von nur
30 Gew.-% GUR 4150 als Hüllenmaterial
geeignet ist. Die Verwendung von UHMWPE verringert die Steifigkeit
des Riemens im Vergleich mit anderen Thermoplasten bei der gleichen
Anwendung erheblich.
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Die
Polyethylenfolien weisen ferner einen niedrigen Erweichungspunkt
auf, der im allgemeinen geringer als die Vulkanisierungstemperatur
des Riemens ist. Der niedrige Erweichungspunkt ermöglicht das
Erweichen der thermoplastischen Folie und das Fließen derselben
zur Anpassung an eine Form bevor das Vernetzen des Gummis mit der
Folie während
des Aushärtens
eingeleitet wird.
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Das
Polyethylenmaterial kann auch eine Erweichungstemperatur haben,
die höher
als die Aushärttemperatur
des Körpers
ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird die Folie zu einer vorgeformten Gestalt geformt, beispielsweise
einer Zahnform, bevor sie in den Riemenaufbau einbezogen wird, wie
später
beschrieben.
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Einige
Gummimaterialien haben hohe Haftwerte ohne die Verwendung von zusätzlichen
Haftmaterialien, wenn sie mit bestimmten thermoplastischen Folien
verbondet werden, welche für
die Hülle
verwendet werden. Beispielsweise weisen peroxid-gehärtetes EPDM
(Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer) und peroxid-gehärtetes Nitril
eine besonders gute Haftung an unbehandelten UHMWPE auf. Diese gute
Haftung ist auf die Molekülkettenverschlingung
der sehr langen Ketten des UHMPWE mit den vernetzten Gummiketten
zurückzuführen, die
während
des Gummihärtungsvorgangs
auftritt.
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Andere
Gummimaterialien wie SBR, Polychloropren, Kautschuk und Isobutenisopren-Gummis,
weisen bekanntermaßen
ebenfalls eine gute Haftung an UHMWPE auf, und sind akzeptable Materialien
für das bei
UHMWPE-Hüllen
verwendete Gummimaterial. Es werden Gummimaterialien formuliert,
um ein Gleichgewicht zwischen verschiedenen Faktoren zu erreichen,
einschließlich geringer
Kosten, guter Verarbeitbarkeit beim Mischen und Kalandern, Aufbauklebrigkeit,
langer Anvulkanisationszeiten und niedrigem Modul.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind keine Haftmittel oder Primer erforderlich, um gute Verbondungen
zwischen den thermoplastischen Folien und den Gummimaterialien zu
erreichen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann ein Haftmittel
zum Verbonden des UHMWPE mit den Gummimaterialien verwendet werden.
Haftmittel zum Verbonden der UHMW Polyethylenhülle mit dem Gummikörper des
Riemens umfassen solche, die für
das Verbonden von Polyolefinen geeignet sind. Die bevorzugten Haftmittel
sind lösemittelbasierte
Haftmittel aus modifizierten Polyolefinelastomeren, wie chlorsulfoniertes
Polyethylen. Ein Beispiel für
ein derartiges Haftmittel ist Master Bond Polymer System X17TM. Andere weniger leistungsstarke, jedoch
ebenfalls geeignete Haftmittel sind lösemittelbasierte elastomere
Haftmittel, die aus Gummis und bestimmten Harzen formuliert sind,
wie EPDM oder Nitrilgummi und alkylierte Phenoharze. Ein Beispiel
für ein derartiges
Haftmittel ist Master Bond Polymer System X5TM.
Geeignete Lösemittel
für die
lösemittelbasierten Haftmittel
umfassen Aceton, Xylen und Methylethylketon. Das Verbonden der Polyethylenhülle mit
dem Gummikörper
des Riemens kann ferner durch oxidative Behandlungen der Polyethylenoberfläche sowie
andere auf diesem Gebiet bekannte Polyethylen-Vorbehandlungen wie
Waschen mit Lösemitteln
oder Dampfentfettung verbessert werden. Beispiele für oxidative
Behandlungen umfassen das Einwirkenlassen einer Corona-Entladung,
Flammoxidation und Plasmaätzen
in einer Sauerstoffatmosphäre.
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Die
Verwendung thermoplastischer Hüllen
beschränkt
die nicht die Auswahl der Zahnriemenprofile. Beispielsweise standardmäßige trapezförmige, quadratische
und die vielen Arten von gebogenen Zähnen, die auf diesem Gebiet
bekannt sind, sind sämtlich
mit einer thermoplastischen Folienhülle kompatibel. Die Zahnteilungsgrößen können im
Bereich zwischen 1 mm und 32 mm liegen.
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Das
Hüllenmaterial
kann ferner mit Reibungsmodifikatoren oder leitfähigen Mitteln, beispielsweise Graphit,
Wachse, Öle,
Molybdendisulfid, PTFE, Glimmertalk, Carbon Black, und verschiedene
Mischungen der Vorgenannten, vermischt werden, um für die Verwendung
in bestimmten Anwendungsbereichen geeignet zu sein. Die Additive
dienen dem Modifizieren des Reibungskoeffizienten oder dem Erreichen
einer gewünschten Leitfähigkeit.
Die Anwendungsbereiche umfassen Verwendungen, bei denen Reibeigenschaften
Auswirkungen auf den Betrieb des Systems haben, oder bei denen es
erwünscht
ist, dass der Riemen leitfähig
ist, um statische elektrische Ladung abzuleiten.
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Die
Verwendung einer thermoplastischen Hülle beschränkt die Auswahl der Zugelemente
nicht. Sämtliche
bekannten Zugelementmaterialien sind geeignet. Diese umfassen Fiberglas,
Aramid, Nylon, Polyester, Polyolefin, PBO, PEN, Kohlenstoff, Metalldraht/-kabel,
Baumwolle, Seide sowie andere bekannte Zugelementmaterialien. Auch
begrenzt die Verwendung einer thermoplastischen Folienhülle nicht
den Aufbau, die Geometrie und/oder die Form des Zugelements; einzelne
Garne, Garnlagen, verdrillte Korde, verzwirnte Korde, gewebte Korde,
Webstoffe, runde & multilobale
Monofilamente, Streifen, Folien und Bänder sind sämtlich geeignet.
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Beispielsriemen
wurden unter Verwendung von peroxid-gehärtetem EPDM hergestellt. EPDM
wurde aufgrund seiner guten Haftung an den als Hüllen verwendeten Materialien
gewählt.
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2 ist
ein vergrößerter Querschnitt
durch den Riemen entlang der Linie 2-2 in 1. Je nach
den Erfordernissen des Benutzers können auf der Hülle 30 Zugelemente 20 aufliegen
oder nicht.
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3 ist
ein Diagramm zur Darstellung relativer Testlebensdauern für erfindungsgemäße Riemen
im Vergleich mit bekannten Riemen mit Hüllen aus Nylongewebe.
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Die
Biegeversuchsvorrichtung umfasst einen Satz Riemenscheiben, über welche
der Riemen geführt ist.
Jeder Riemen wurde auf dem Zwei-Punkt-Antrieb mit 3600 U/min. bei
1201 Newton (270 pounds) Gesamtspannung bei 22°C bewegt. Jede Zahnriemenscheibe
hatte 22 Vertiefungen; jeder Testriemen hatte 120 Zähne. Der
Biegeversuch diente der Bewertung des Hüllenverschleißes. Während des
Versuchs wurde kein Drehmoment übertragen.
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Für den Belastungsversuch
wurde der Riemen mit 2500 U/min. auf einem Zwei-Punkt-Antrieb bei
1716 Newton (385 pounds) Gesamtspannung und einem Spannungsverhältnis von
3,5 (dies entspricht ungefähr
12 PS) bei einer Temperatur von 22°C angetrieben. Jede Zahnriemenscheibe
hatte 28 Vertiefungen; der Testriemen hatte 120 Zähne. Bei
diesem Versuch wurde Drehmoment übertragen.
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Insbesondere
weist der UHMWPE Riemen eine um ungefähr 452% erhöhte Biegebruchfestigkeit auf, die
von ungefähr
133 Stunden bei der bekannten Nylongewebehülle auf ungefähr 735 Stunden
bei dem erfindungsgemäßen Riemen
erhöht
ist. Die Brauchbarkeitsdauer verlängerte sich von 304 Stunden
auf 771 Stunden, was einer Steigerung um 154% entspricht.
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4 ist
ein Diagramm des Massenverlusts der erfindungsgemäßen Riemen
im Vergleich mit bekannten Nylongewebehüllenriemen. Insbesondere zeigen
die UHMWPE Riemen einen Massenverlust von ungefähr ¼ des Massenverlusts der bekannten
Geweberiemen nach 100 Stunden auf dem Biegeversuchsgerät. Dies
verdeutlicht den Vorteil der erfindungsgemäßen Riemen, insbesondere in
bezug auf die geringen Verschleißraten und den geringen Massenverlust
während
des Betriebs.
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Herstellungsverfahren:
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Die
Riemen wurden nach dem "Ply-Up-Verfahren" unter Verwendung
aufgerollter Bahnen thermoplastischen Materials und kalandriertem
Gummi gebildet.
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Das
Härten
des Riemens erfolgt in einem Dampfvulkanisierer. Die Form hat zwei
Hauptteile – einen inneren
Dorn, in dessen Oberfläche
die gewünschten
Zahnprofile geschnitten sind, und einen äußeren Mantel, welcher eine
flexible Blase (Aushärtbeutel)
enthält,
um den Druck auf den Riemen zu übertragen,
ohne dass Dampf an das Riemenmaterial gelangt.
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Die
Hülle ist
die erste Schicht, die um den Aufbaudorn gelegt wird. Die Hülle kann
in mehreren Lagen oder als eine Lage aufgebracht werden. Insbesondere
kann sie als eine einzelne Bahn oder als eine Reihe von aufeinander
aufgelegten Folienschichten aufgebracht werden. Des weiteren kann
eine vorgeformte Hülle,
die bereits zu einem Zahnprofil geformt wurde, anstelle der nicht
geformten Lagen aufgelegt werden.
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5 ist
eine Querschnittsdarstellung von gewickelten Folienlagen. Im Fall
von mehreren Lagen wird das Material um den Dorn gewickelt, bis
die gewünschte
Anzahl von Lagen oder die gewünschte
Dicke erreicht ist. Das Ende des Wickels 100 kann durch
einen Punktriegel oder Kleber fixiert werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Ende des Lagenwickels im wesentlichen in der Richtung A-A
mit dem vorderen Rand 200 des Wickels auf dem Dorn ausgerichtet,
um eine dicke Stelle in der Lage zu vermeiden, wenn der Riemen vulkanisiert
wird. Bei Verwendung einer Lage, kann die UHMWPE Folie in Stoßverbindung
zu einem Schlauch von geeignetem Umfang zusammengesetzt werden,
und diese Schlauch wird vor dem Aufwickeln des Kords auf dem Aufbaudorn
platziert. Die Stoßverbindung
kann durch Thermoplast-Schweißverfahren
erreicht werden, beispielsweise durch die Verwendung einer heißen Klinge
oder einer heißen
Platte, die jeweils auf diesem Gebiet bekannt sind.
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Als
Nächstes
werden die Zugelemente über
dem Hüllenmaterial
aufgebracht, gefolgt von einer oder mehr Lagen von Elastomer- oder
Gummimaterial. Um die Biegebruchfestigkeit und die Brauchbarkeitsdauer zu
verbessern, wird zwischen der Hüllenfolie
und dem Zugkord eine dünne
Schicht 21 aus Gummi vorgesehen. Die Schicht 21 verlängert die
Lebensdauer des Riemens, indem sie ein Reiben des Zugelements an
der Hülle 30 verhindert.
Das Zugelement und das Gummi werden mittels bekannter Verfahren
aufgebracht, die für
Produktionsriemen mit Gewebehüllen
verwendet werden. Der Dorn mit dem ungehärteten Riemenaufbau wird anschließend zum
Aushärten
in die äußere Formschale
platziert.
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Wie
zuvor erwähnt,
kann die Hülle 30 in
einer einzelnen Schicht oder Lage oder als Laminat mit mehreren
Schichten aufgelegt werden. Die Dicke jeder Schicht ist lediglich
durch die Verfügbarkeit
geeigneter thermoplastischer Folie(n) begrenzt, liegt im allgemeinen
jedoch im Bereich von 0,025 bis 1,27 mm pro Schicht. Die Gesamtdicke
der Hülle 30 kann
im Bereich von 0,025 bis 2,8 mm liegen, je nach der Ausgestaltung
und den Betriebsanforderungen an den Riemen. Dies ergibt ein Verhältnis der
Hüllendicke
zur Riemendicke im Bereich von 25% bis 35%. Die Betriebsanforderungen
können
eine hohe MTBF (mittlere Zeit zwischen Ausfällen) oder eine verringerte
Staub- oder Abriebbildung umfassen. Die Bereiche sind als Beispiele
angeführt
und sind nicht einschränkend.
Des weiteren kann der Laminiervorgang jede beliebige Zahl von Schichten,
in jeder beliebigen Dickenkombination verwenden, um die gewünschte Hüllendicke
zu erreichen.
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Sobald
der Riemen auf einen Dorn aufgelegt ist und der Dorn in der Form
angeordnet ist, umfasst ein typischer Herstellungsprozess:
- 1) das Abziehen der Luft aus dem Inneren der
Form und das Halten dieses Zustands für 1 bis 5 Minuten;
- 2) das Erhöhen
des Dampfdrucks auf die äußere Schale
auf einen Bereich von 175 bis 235 psig;
- 3) nach 2 bis 10 Minuten, Erhöhen des Dampfdrucks im Inneren
der Form auf einen Bereich von 85 bis 210 psig;
- 4) Aushärten
für 10
bis 20 Minuten;
- 5) Senken des Dampfdrucks in der Form auf Umgebungsdruck;
- 6) Senken des Dampfdrucks außerhalb der Form auf Umgebungsdruck;
- 7) Abkühlen
des Dorns in einem kühlen
Fluid, beispielsweise Wasser;
- 8) Abnehmen des gehärteten
Riemenrohlings von dem Dorn.
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Die
optimalen Zahnformen werden bei Prozessdrücken am oberen Ende des Bereichs
erreicht.
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Hydraulische
oder andere auf diesem Gebiet bekannte Verfahren (pneumatische,
elektrische) können ebenfalls
zum Aufbringen von Druck auf den Riemen in Verbindung mit anstelle
des Dampfaushärtens
gleichzeitig aufgebrachter elektrischer Wärme zum Aushärten verwendet
werden. Der Druckbereich für
ein hydraulisches Aushärten
beträgt
zwischen 85 und 500 psig. Der Temperaturbereich liegt zwischen 250° und 500°F. Dieses
Aushärteverfahren
erweitert die Wahlmöglichkeiten
für Folien
und Gummimaterialien.
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Typische
elastomere Formulierungen und Folientypen für die Riemen sind: Elastomere
EPDM-Formulierungen für
Riemen
| Teile
pro hundert | Teile Gummi |
| Allgemein | Bevorzugt |
EPDM | 100-70 | VistalonTM 606 | 70 |
EP
Copolymer | 0-30 | TrileneTM CP80 | 30 |
Silica | 30-70 | HiSilTM 190G | 50 |
TiO2 | 2-10 | TiO2 | 4 |
| | ZMTI | 1 |
| | Navgard
455 | 1 |
Antioxidationsmittel | 0,5-5,0 | Ethanox
702 | 0.5 |
Schmiermittel | 1-5 | Zinkstearat | 1,5 |
Härtungsaktivator | 2-10 | Zinkoxid | 5 |
Peroxid | 2-10 | Vulcup | 4 |
Koagens | 0-20 | SaretTM 708 | 15 |
Riemenfolie
Material | Handelsbezeichnung | Streckung | Molekulargewichtsbereich |
UHMWPE | D/W402 | 300% | 3
Millionen-7 Millionen g/Mol |
HMW-HDPE | BFI
2287 | 500% | 250000
g/Mol |
GUR 4150 +
BFI 2287 (Mischung) | 300-500% | 250000-3
Millionen g/Mol |
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Die
Spitzenschmelztemperatur für
jedes Material beträgt
ungefähr:
132°C für das D/W
402 und 128°C für das BFI
2287. Für
den Fachmann ist ersichtlich, dass Polyethylenbahnen oder -folien
mit Molekulargewichten im Bereich 500000 g/Mol bis zu einschließlich 2999999
g/Mol auf den erfindungsgemäßen Riemen
ebenfalls anwendbar sind.
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Andere
für die
Erfindung verwendbare alternative elastomere Formulierungen sind
in dem
US-Patent 5 610 217 an
Yarnell et al. beschrieben. Zur Bildung des erfindungsgemäßen Elastomerzusammensetzung kann
das Ethylen-alpha-Olefin-Elastomer
optional mit weniger als 50 Gew.-%, vorzugsweise bis zu ungefähr 25%,
und höchst
vorzugsweise zwischen ungefähr
5% und ungefähr
10% basierend auf dem Gesamtelastomergehalt der Zusammensetzung,
mit einem zweiten Elastomermaterial gemischt werden, welches einschließt, ohne
jedoch darauf begrenzt zu sein: Silikongummi, Polychloropren, Epichlorhydrin,
hydriertes Nitril-Butadien-Gummi, Kautschuk, Ethylenvinylacetat-Copolymer,
Ethylenmethacrylat-Copolymere und -Terpolymere, Styrol-Butadien-Gummi, chlorierte
Polyethylene, chlorsulforiertes Polyethylen, Transpolyoctenamer,
Polyacryl-Gummis, Butadien-Gummi, und Mischungen derselben, um bestimmte
mechanische Eigenschaften wie Hochtemperaturverhalten und Klebrigkeit
fein abzustimmen.
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Das
Einschließen
von Metallsalzen alpha, beta-ungesättigter organischer Säuren in
die Elastomerzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls
vorgesehen werden. Die Metallsalze von alpha, beta-ungesättigten
organischen Säuren,
die bei der vorliegenden Erfindung nützlich sind, sind Metallsalze
von Säuren
wie beispielsweise Acryl-, Methacryl-, Malein-, Fumarin-, Ethacryl-,
Vinyl-Acryl-, Itacon-, Methylitacon-, Aconit-, Methylaconit-, Croton-,
Alpha-Methylcroton-, Zimt- und 2,4-dihydroxyzimtsäuren. Diese
Salze können die
Salze von Zink, Cadmium, Calcium, Magnesium, Natrium oder Aluminium
sein, und es handelt sich vorzugsweise um jene von Zink. Die bevorzugten
Metallsalze von alpha, beta-ungesättigten organischen Säuren sind
Zinkdiacryat und Zinkdimethacrylat. Andere Kosgens können umfassen,
ohne jedoch darauf beschränkt zu
sein: 1,4-Butandioldiacrylat, 1,4-Butandioldimethylacrylat, Tetraethylenglycoldiacrylat,
ethoxyliertes Bisphenol-A-diacrylat, ethoxyliertes Bisphenol-A-dimethacrylat,
Trimethylpropantriacrylat, Trimethylpropantrimethacrylat, Glycerintriacrylat,
Glycerintrimethacrylat, Trimethylethantriacrylat, propoxyliertes
Glycerintriacrylat, ethoxyliertes Trimethylpropantriacrylat, Pentaerythritoltetraacrylat,
Pentaerythritoltetramethacrylat, Di-Trimethylolpropantetraacrylat, ethoxyliertes
Pentaerythritoltetraacrylat, Diepentaerythritolpentaacrylat, Pentaacrylatester,
1,2-Polybutadien, N,N'-m-Phenylbismaleimid.
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Das
höchst
bevorzugte Metallsalz ungesättigter
organischer Säure
ist Zinkdimethacrylat. Für
die vorliegende Erfindung nützliche
Mengen des Metallsalzes reichen von ungefähr 1 bis ungefähr 30 phr,
vorzugsweise von ungefähr
5 bis ungefähr
20 phr. Das Metallsalz ist Zinkdimethacrylat in einer Menge von
ungefähr 5
phr bei Verwendung in Verbindung mit EPDM, gemischt mit bis zu 10%
Silikon-Gummi, und ungefähr
10 bis ungefähr
20 phr und mehr bevor zugt ungefähr
15 phr ungefähr
bei Verwendung in Verbindung mit den anderen in der vorliegenden
Erfindung nützlichen
Ethylen-alpha-Olefin-Elastomeren.
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Die
für die
Endlosriemen der vorliegenden Erfindung geeigneten Ethylen-alpha-Olefin-Elastomere
umfassen ferner zwischen ungefähr
40 und 150 phr eines Verstärkungsfüllstoffs
wie Carbon Black, Calciumcarbonat, Talk, Ton oder hydriertes Silica
oder Mischungen derselben. Das Vorsehen von 1 bis 30 phr eines Metallsalzes
einer ungesättigten
organischen Säure
und ungefähr
25 bis ungefähr
250 phr und vorzugsweise ungefähr
25 bis ungefähr
100 phr Verstärkungsfüllstoff
in der peroxid-gehärteten
Ethylen-alpha-Olefin-Elastomerzusammensetzung bewahrt die Wärmestabilität herkömmlicher
peroxid-gehärteter Elastomere,
während
es die Reißfestigkeit
und die dynamischen Eigenschaften verleiht, die üblicherweise mit schwefel-gehärteten Elastomeren
einhergehen.
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Die
freie Radikale erzeugenden Härtungsmittel,
die in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, sind solche, die
zum Härten
von Ethylen-alpha-Olefin-Elastomeren
geeignet sind, und umfassen beispielsweise organische Peroxide und
ionisierende Strahlung. Das bevorzugte Härtungsmittel ist ein organisches
Peroxid, umfassend, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Dicumylperoxid,
Bis(t-Butylperoxydiisoprpylbenzen), t-Butylperbenzoat, Di-t-Butylperoxid,
2,3-Dimethyl-2,5-Di-t-Butylperoxyhexan,
alpha, alpha-bis(t-Butylperoxy)-Diisopropylbenzen. Härtungswirksame
Mengen organischen Peroxids für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung liegen üblicherweise zwischen ungefähr 2 und
ungefähr
10 phr. Bevorzugte Gehalte an organischem Peroxid reichen von ungefähr 2 bis
ungefähr
10 phr. Optional kann dem organischen Peroxid-Härtungsmittel Schwefel
als Teil eines gemischten Härtungssystems
in einer Menge zwischen ungefähr
0,01 und ungefähr
1,0 phr zugesetzt werden, um den Elastizitätsmodul des gehärteten Elastomers
zu verbessern, ohne dessen Reißfestigkeit
negativ zu beeinflussen.
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Andere
herkömmliche
Ethylen-alpha-Olefin-Elastomeradditive, Prozess- und Extenderöle, Antioxidationsmittel,
Wachse, Pigmente, Plastifizierer, Weichmacher und dergleichen können gemäß der allgemeinen Gummiverarbeitungspraxis
hinzugefügt
werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise
enthält
nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung die Elastomerzusammensetzung auch zwischen ungefähr 0,5 bis
ungefähr
5,0 phr eines Ozonschutzmittels oder eines Antioxidationsmittels
und zwischen ungefähr
10 und ungefähr
50 phr eines paraffinischen Petroleumöl-Plastifizierers/Weichmachers.
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Die
für die
vorliegende Erfindung verwendbaren Ethylen-alpha-Olefin-Elastomerzusammensetzungen können durch
ein beliebiges herkömmliches
Verfahren hergestellt werden, wie beispielsweise durch Mischen der
Bestandteile in einem Innenmischer oder einer Mühle.
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Bei
einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel
sind die Zugelemente 20 aus dem Riemen 10 weggelassen.
Die Hülle 30 dient
dem Aufnehmen der auf den Riemen während des Betriebs wirkenden
Zugbelastung. Das Herstellungsverfahren entspricht der vorangehenden
Beschreibung mit der Ausnahme, dass der Schritt, welcher das Zugelement
betrifft, entfällt.
Dieses alternative Ausführungsbeispiel
kann Riemen für Niedrigleistungsanwendungen,
wie Drucker, bereitstellen.
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Im
Betrieb kann mit der Zeit eine sehr geringe Menge an Staub und Abrieb
erzeugt werden, obwohl der erfindungsgemäße Riemen eine hohe Abriebfestigkeit
und geringe Verschleißraten
aufweist. Wenn dies der Fall ist, können sich Staub und Abrieb
auf benachbarten Bauteilen ablagern, wodurch eine dünne Schicht Riemenmaterial
gebildet wird. Ferner ist es aufgrund physischer oder betriebsbedingter
Beschränkungen
unter Umständen
nicht möglich
oder sinnvoll, die Staubschicht zu entfernen, so dass die Staubschicht
mit der Zeit dicker wird. Thermoplastische Folie hat eine relative
dielektrische Konstante oder Permissivität ε im Bereich zwischen ungefähr 2 und
3, wie sie isolieren den Feststoffen eigen ist. Da die Folie ein
Dielektrikum ist, ist jeglicher während des Betriebs erzeugter
Folienstaub nicht elektrisch leitfähig, anders als bei Polysulfid-Riemen, die
größere Mengen
an leitfähigerem
Staub erzeugen. Zwar ist das Verhalten eines Isolators zeit- und
frequenzabhängig,
jedoch verringert im Gegenzug dielektrischer Staub die Möglichkeit
erheblich, oder eliminiert diese, dass Staub den Betrieb von elektronischen
Bauteilen stört
oder beeinträchtigt,
die ansonsten durch den Riemenstaub nachteilig beeinflusst würden.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
enthält
die Hülle 30 eine
thermoplastische Polyamid- oder Polyesterfolie. Die anderen Riemenbestandteile
sind wie in 1 beschrieben. Die Hülle 30 ist
mit einer Außenfläche 35 des
Körpers 10 verbunden.
Die Zähne 15 sind
quer zur Endlosrichtung angeordnet.
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Für die Hülle 30 können verschiedene
Arten von Polyamid verwendet werden. Beispiele umfassen, ohne jedoch
darauf beschränkt
zu sein, Polymaid 6,6, beispielsweise Dartek EN560TM von
Enhance Packaging Technologies, Polyamid 6, beispielsweise Capran
100TM von Allied Signal, oder Polyamid 12,
beispielsweise Grilamid L25FVS10TM von EMS
Chemie. Andere umfassen verschiedene Copolymere wie Polyether-Blockamid,
beispielsweise Pebax-Grade mit Spitzenschmelztemperaturen zwischen
138°C und
205°C von
Elf Atochem, oder Polyamid 46, beispielsweise StanylTM von
DSM. Das Hüllenfolienmaterial
kann ferner mit Reibungsmodifizierern, Kristallinitätsmodifizierern
oder leitfähigen
Stoffen wie Molybdendisulfid, PTFE, Graphit und deren Äquivalenten
gemischt sein.
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Die
Polyamidfolie muss bei der bestimmten in dem Riemen verwendeten
Dicke flexibel sein. Zahlreiche in hohem Maße kristalline Polyamid-Grade
müssen
als sehr dünne
Folien im Bereich von ungefähr
0,025 mm bis ungefähr
0,1 mm verwendet werden. Andere flexiblere, weniger kristalline
Grade können
mit größerer Dicke
bis ungefähr
3 mm verwendet werden. Eine größere Dicke
ist für
eine höhere
Verschleißfestigkeit
und Belastbarkeit erwünscht.
Letztlich hängt
die verwendete Dicke von der Ausbildung und den Betriebsanforderungen
des Riemens ab.
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Wird
ein Durchlaufverfahren verwendet, sollte der gewählte Grad des Polymers auch
einen Erweichungspunkt in im wesentlichen dem gleichen Temperaturbereich
aufweisen, in dem die Aushärttemperatur des
Elastomerkörpers
des Riemens liegt. Wenn der Erweichungspunkt zu hoch ist, härtet der
Körper
aus, bevor die Folie weich genug ist, um zu fließen und die Riemenzähne zu bilden.
Wenn der Erweichungspunkt zu niedrig ist, wird die Betreibtemperatur
des Riemens unter ein erwünschtes
Niveau abgesenkt, beispielsweise unter eine für eine zufriedenstellende Fahrzeuganwendung
erforderliche Temperatur. Polyamidfolien mit Schmelztemperaturen
bis zu 260°C
werden in dem Durchlaufverfahren erfolgreich eingesetzt. Bei Polyamidfolien,
die im Bereich zwischen 260 und 300°C schmelzen, einschließlich Polyamid
4,6, wird ein Vorformprozess bevorzugt, bei dem eine Hüllenschicht
vor dem Aushärten
des Riemens zu einer Zahnform vorgeformt wird. Ein Durchlaufverfahren
ist ein Verfahren, bei dem das Gummi während des Aushärtvorgangs
durch die Zugkords und in die Zähne
fließt.
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Infolgedessen
weist das Ausführungsbeispiel
mit Polyamidfolien einen höheren
Erweichungspunkt auf als die an anderer Stelle in dieser Beschreibung
dargelegte UHMWPE-Folie. Die hier beschriebenen Elastomerzusammensetzungen,
die zur Verwendung mit UHMWPE geeignet sind, wurden für die Verwendung
mit Polyamid leicht modifiziert. Die Aushärttemperatur und die Scorchzeit
sind erhöht,
um den höheren
Polyamiderweichungstemperaturen zu entsprechen, wie im Folgenden
als Beispiel dargelegt. Die nachfolgenden Beispiele dienen der Beschreibung
und nicht der Einschränkung.
Andere Kombinationen und Konfigurationen, welche das Vorangehende
verwenden sind möglich.
Jeder der Riemen in den folgenden Beispielen zeigte eine ausgezeichnete
Zahnbildung, Hüllenhaftung
und Flexibilität.
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Beispiel 1
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9
Schichten von 3 Milli-Inch (Gesamtdicke von 1,1 mm) der thermoplastischen
Polyamid-6,6-Folie Dartek EN560 wurden aufeinandergeschichtet. Die
Spitzenschmelztemperatur beträgt
ungefähr
220°C. Auf
die Folienlagen wird eine 3 mm dicke Schicht EPDM aufgebracht, die
wie zuvor beschrieben formuliert ist, mit der Ausnahme, dass die
4 phr Vulcup durch 3,1 phr Vanderbilt Varox 130XL (2,5-Dimethyl-2.5-Di(t-Butylperoxy)-3-Hexyn)
ersetzt wurde. Das Peroxid erhöht
die Aushärttemperatur
des Riemenkörpers
um ungefähr
20°C, wodurch
es zur Verwendung mit der Polyamidfolie besser geeignet ist. Die
Materialien und die Form werden in einer Form mit 250 psi Druck
beaufschlagt. Die Form wird auf eine Temperatur von ungefähr 210°C gebracht,
um die Folie zu erweichen, die Zähne
zu formen, und den Körper
auszuhärten.
Anschließend
wird die Form auf 175°C
abgekühlt,
wobei der Druck von 250 psi vor der Entnahme beibehalten wird. Ein
Abkühlen
erfolgt, um die thermoplastische Folie zur besseren Formstabilität der Zähne wieder
zu verfestigen. Dies ist bei kristallinen thermoplastischen Materialien
erforderlich, die sehr klare Schmelzpunkte und eine niedrige Schmelzviskosität haben.
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Beispiel 2
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Elf
Lagen von 2,1 Milli-Inch (Gesamtdicke von 0,9 mm) der themoplastischen
Polyamid-Folie Dartek SF502 mit einer Spitzenschmelztemperatur von
260°C werden
mit dem modifizierten EDPM Körpergummi
wie in Beispiel 1 in eine Form gesetzt. Die Materialien und die
Form werden in eine Sackform gegeben und mit einem Druck von 200
psi beaufschlagt. Die Form wird so schnell wie möglich (etwa 8 Minuten) auf
eine Temperatur von 240°C
gebracht, um die Folie zu erweichen, die Zähne zu formen und den Körper zu
härten.
Das schnelle Erwärmen
ist erforderlich, um eine gute Zahnbildung zu erreichen, bevor der
Körper
aushärtet.
Die Form wird sodann unter Druck auf 200°C abgekühlt, bevor der Riemen entnommen
wird. Der sich ergebende Riemen weist eine ausgezeichnete Zahnbildung
und Haftung auf, jedoch bei begrenzter Flexibilität aufgrund der
Sprödigkeit
der Polyamidfolie. Es wird erwartet, dass ei ne Gasamtfoliendicke
von 0,1 bis 0,2 mm für
diese Polyamidfolie einen ausreichend flexiblen Riemen ergeben würde.
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Beispiel 3
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Zwanzig
Lagen von 1 Milli-Inch (1,2 mm Gesamtdicke) der thermoplastischen
Polyamid-6-Folie Capran 100 mit einer Spitzenschmelztemperatur von
220°C wurde
mit einem Körpergummi
wie in den Beispielen 1 und 2 in die Form eingelegt. Die Form wird
auf eine Temperatur von ungefähr
210°C gebracht,
um die Folie zu erweichen, die Zähne
zu bilden und den Körper
auszuhärten.
Anschließend
wird die Form vor dem Entnehmen unter Druck (250 psi) auf 175°C abgekühlt.
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Beispiel 4
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Drei
Lagen von 10 Milli-Inch (Gesamtdicke von 1,2 mm) der thermoplastischen
Polyamid-1,2-Folie Grilamid L25FVS10 mit einer Spitzenschmelztemperatur
von 174°C
wurden wie in den Beispielen 1, 2 und 3 in die Form eingelegt, jedoch
mit einem auf HNBR basierenden Körpergummi.
In diesem Beispiel verwendet das Gummi das gleiche Peroxid-Aushärtsystem
wie das EPDM in den Beispielen 1 und 2. Die Materialien werden in
einer Sackform unter einem Druck von 250 psi geformt. Die Form wird
auf eine Temperatur von ungefähr 180°C gebracht,
um die Folie zu erweichen, die Zähne
zu bilden und den Körper
auszuhärten.
Die Form wird anschließend
vor dem Entnehmen bei vollem Druck (250 psi) auf 150°C abgekühlt.
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Beispiel 5
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Fünf Lagen
von 5 Milli-Inch (Gesamtdicke 1 mm) der thermoplastischen Polyether-Blockamidfolie
mit einer Spitzenschmelztemperatur von 170°C werden mit dem Körpergummi
wie in Beispiel 4 geformt. Die Materialien und die Form werden in
einer Sackform einem Druck von 250 psi ausgesetzt. Die Form wur de
af eine Temperatur von ungefähr
181°C gebracht,
um die Folie zu erweiche, die Zähne
zu bilden und den Körper
auszuhärten.
Die Form wird anschließend
vor dem Entnehmen bei vollem Druck (250 psi) auf 140°C abgekühlt.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
umfasst die Hülle 30 eine
thermoplastische Polyesterfolie. Es können verschiedene Arten von
Polyester verwendet werden. Beispiele umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein,
die Polyestercopolymere HytrelTM von DuPont
und ArnitelTM von DSM. Thermoplastische
Polyesterfolien sind in Graden mit Spitzenschmelztemperaturen verfügbar, die
von ungefähr
148°C bis
219°C reichen.
Polyesterfolien ergeben sehr flexible und haltbare Riemenhüllen.
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Beispiel 6
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Sechs
Lagen von 5 Milli-Inch (Gesamtdicke 1,2 mm) der thermoplastischen
Copolyesterfolie HytrelTM 4056 mit einer
Spitzenschmelztemperatur von ungefähr 150°C werden mit einem HNBR Körpergummi
wie in den Beispielen 4 und 5 geformt, wobei jedoch Vulcup durch
Varox 130XL ersetzt ist, um eine Aushärtung bei einer niedrigeren
Temperatur zu ermöglichen.
Die Materialien und die Form werden in eine Sackform unter einem
Druck von 250 psi platziert. Die Form wird auf eine Temperatur von
ungefähr
156°C gebracht,
um die Folie zu erweichen, die Zähne
zu formen und den Körper
auszuhärten.
Anschließend
wird der Körper
bei vollem Druck (250 psi) auf 100°C abgekühlt, bevor der Riemen entnommen
wird.
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Die
in den Beispielen 4-6 verwendete HNBR-Formulierung ist wie folgt:
Therban
C3467 (Bayer) | 100 |
Carbon
Black | 5 |
Zinkoxid | 10 |
Stearinsäure | 2 |
Plastifizierer | 5 |
Zinkdiacrylat
(Sartomer) | 39 |
Antioxidationsmittel | 4 |
Schwefel
und Beschleuniger | 2,25 |
Varox
130XL (Vanderbilt) | 9 |
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung in mehrfacher Hinsicht
Modifizierungen und Variationen unterzogen werden kann, welche für den Fachmann
auf dem Gebiet nach der Lektüre
der vorliegenden Beschreibung offensichtlich sind. Derartige Modifizierungen
und Variationen und Äquivalente
sind Teil des durch die beigefügten
Ansprüche
definierten Rahmens der Erfindung.