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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Riemen einschließlich Kraftübertragungsriemen,
die für
dynamische Anwendungen geeignet sind.
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Ethylen-α-Olefin-Elastomere
einschließlich
Ethylen-Propylen-Copolymeren (EPM) und Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymeren
(EPDM) werden als ausgezeichnete Allzweckelastomere anerkannt, die
breitere Arbeitstemperaturbereiche haben als die meisten anderen
Elastomere. EPM und EPDM haben im Wesentlichen gesättigte Gerüstketten,
die Sauerstoff- und Ozonbeständigkeit
fördern.
Diese Materialien sind im Allgemeinen nicht so teuer wie andere
Elastomere und tolerieren hohe Konzentrationen an Füllstoff
und Öl,
während
sie gute physikalische Eigenschaften beibehalten, was ihre Wirtschaftlichkeit
erhöht.
Aus diesen Gründen
werden Ethylen-α-Olefin-Elastomere
weit verbreitet entweder allein oder mit anderen Elastomeren vermischt
in Anwendungen einschließlich
Schläuchen,
Verschlüssen,
Dichtungen, Dachdeckmaterialien und Regenleisten verwendet.
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Ein
bekannter Nachteil dieser Materialien ist jedoch ihre unterlegene
Leistungsfähigkeit
bei dynamischen Anwendungen. Da Ethylen-α-Olefin-Elastomere bei dynamischen
Anwendungen bekanntermaßen
nur eine mäßige Ermüdungsbeständigkeit,
Abriebfestigkeit, Zugfestigkeit und E-Modul sowie eine unzureichende Haftung
an Metall- und Textilverstärkungsmaterialien
aufweisen, werden sie gewöhnlich
nicht als primäres Elastomer
bei Anwendungen verwendet, die durch dynamische Belastung gekennzeichnet
sind, wie Kraftübertragungsriemen,
Flachriemen, Luftfedern, Motormontierungen und dergleichen. Die
elastomeren Materialien, die in diesem Zusammenhang am häufigsten
verwendet werden, sind Polychloropren, Styrol-Butadien-Kautschuk
und Naturkautschuk aufgrund ihrer günstigen Kombination von mechanischen
Eigenschaften und guter Verarbeitbarkeit. Der Ausdruck "primäres Elastomer" bedeutet im vorliegenden
Zusammenhang ein Elastomer, das mehr als 50 Gew.-% der elastomeren
Komponenten einer elastomeren Zusammensetzung ausmacht.
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EPM
und EPDM werden mit anderen Elastomeren vermischt, die günstigere
mechanische Eigenschaften zur Verwendung bei dynamischen Anwendungen
aufweisen. Zu diesen Elastomeren gehören Polychloropren, Nitril-Dien-Kautschuke und Organopolysiloxanharze.
In solchen Fällen
wird EPM oder EPDM hinzugefügt,
um die Ozon- oder Sauerstoffbeständigkeit
zu verbessern oder die Kosten der endgültigen Zusammensetzungen zu
reduzieren. Die Menge des hinzugefügten EPM oder EPDM ist jedoch
auf weniger als etwa 40 Gew.-% der endgültigen elastomeren Zusammensetzung
begrenzt, um befriedigende mechanische Eigenschaften beizubehalten.
Außerdem
wurde EPDM mit einer hohen Konzentration an Ethylen, d. h. mehr
als etwa 80 Mol-%, zur Verwendung als primäres Elastomer in Produkten
wie Riemen vorgeschlagen. Dieses Material ist jedoch aufgrund seines
engen Molekulargewichtsbereichs und seiner hochgradig kristallinen
Natur schwierig mit offenen Mahlwerken und Kalandern zu verarbeiten.
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Mehrere
Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Elastomeren
sind bekannt. Durch Erhöhung
der Menge des verstärkenden
Füllstoffs
oder des Peroxids werden die Härte
und der E-Modul einer gehärteten
elastomeren Zusammensetzung erhöht.
Eine Erhöhung
des Füllstoffniveaus
hat jedoch den Nachteil, die Biegelebensdauer des Produkts nachteilig
zu beeinflussen, indem sie zum Wärmestau im
Elastomer beiträgt.
Eine Erhöhung
der Peroxidmenge stellt die Möglichkeit
dar, um den E-Modul zu verbessern, während Reißfestigkeit, Biegeermüdung und
Dehnung reduziert werden. Der Effekt kann so schwerwiegend sein,
dass das Polymer spröde
wird.
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Peroxid-
oder radikalische Härtung
wird sowohl bei gesättigten
als auch bei ungesättigten
Polymeren häufig
anstelle von Schwefelhärtung
verwendet, um die Wärmealterungseigenschaften
zu verbessern, die bleibende Druckverformung zu senken und die Haftung
an behandelten und unbehandelten Textilien zu verbes sern. Es ist
auch bekannt, dass der Einbau von bestimmten Acrylat-Struktureinheiten
als Coagentien für
die Peroxidhärtung
von elastomeren Zusammensetzungen die Heißreißfestigkeit verbessert und
die Abriebfestigkeit, Ölbeständigkeit
und Haftung an Metallen fördert.
So werden zum Beispiel Metallsalze von Acrylsäuren als Coagentien bei der
Peroxidhärtung
von Gemischen verwendet, in die EPDM und andere Elastomere eingebaut sind,
um die Gesamtleistungsfähigkeit
zu verbessern. Acrylate als verstärkende Füllstoffe werden ebenfalls verwendet,
um Kettenbrüche
zu minimieren und die Effizienz der Vulkanisation zu verbessern.
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Eine
Ethylen-α-Olefin-Elastomerzusammensetzung,
die in dynamischen Umgebungen ausreichende physikalische Eigenschaften
besitzt, um in Riemen einschließlich
Kraftübertragungs-
und Flachriemen als primäre
elastomere Zusammensetzung zu dienen, ist in hohem Maße wünschenswert,
um Materialkosten zu senken, die Wärmestabilität zu erhöhen und die Beständigkeit
solcher Artikel gegenüber
Sauerstoff und Ozonabbau zu verbessern.
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DE-A-4309893 beschreibt
elastomere Zusammensetzungen, die folgendes umfassen: (a) 100 Gewichtsteile
einer Polymerkomponente, die 10 bis 40 Gew.-% eines hochgesättigten
Copolymerkautschuks aus einem ethylenisch ungesättigten Nitril und einem konjugierten
Dien, wobei der Gehalt an der konjugierten Dieneinheit in der Polymerkette
30 Gew.-% oder weniger beträgt,
und 90 bis 60 Gew.-% eines polyethylenischen Polymers umfasst; (b)
10 bis 80 Gewichtsteile eines Metallsalzes einer ethylenisch ungesättigten
Carbonsäure;
und (c) 0,2 bis 10 Gewichtsteile eines organischen Peroxids. Die
Zusammensetzungen enthalten gegebenenfalls auch nicht näher angegebene
Mengen an herkömmlichen
Füllstoffen.
Es wird gesagt, dass die Anwesenheit des Nitrils/konjugierten Diens
zu einer verbesserten Ozonbeständigkeit,
Tieftemperaturbeständigkeit und
verbesserten Festigkeitseigenschaften führt.
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DE-A-4222760 beschreibt
elastomere Zusammensetzungen, die folgendes umfassen: (a) 100 Gewichtsteile
eines Polymers auf Ethylenbasis mit einer Mooney-Viskosität (ML
1-4,
100°C) von
10 bis 70, das wenigstens 75 Mol-% Ethylenein heiten enthält; (b)
15 bis 80 Gewichtsteile eines Metallsalzes einer ethylenisch ungesättigten
Carbonsäure;
und (c) 0,2 bis 10 Gewichtsteile eines organischen Peroxids. Die
Zusammensetzungen enthalten gegebenenfalls auch nicht näher angegebene
Mengen an herkömmlichen
Füllstoffen.
Es wird gesagt, dass die Auswahl des ethylenischen Polymers zu elastomeren
Produkten mit hoher Festigkeit führt.
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EP-A-0 590 423 beschreibt
Verfahren zur Herstellung von vulkanisierten Kautschukzusammensetzungen
mit hoher Festigkeit. Die Zusammensetzungen umfassen 100 Gewichtsteile
eines schwefelvulkanisierbaren Kautschuks, 10 bis 100 Gewichtsteile
eines Metallsalzes einer ungesättigten
Carbonsäure
sowie Peroxid- und
Schwefelvulkanisationsmittel.
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EP-A-0 589 701 beschreibt
eine Kautschukzusammensetzung, die sich im vulkanisierten Zustand
zur Abdeckung elektrischer Kabel eignet und die folgendes umfasst:
(a) Ethylen-α-Olefin-Copolymerkautschuk und/oder
Ethylen-α-Olefin-nichtkonjugiertes-Dien-Copolymerkautschuk;
(b) Aluminiumhydroxid und/oder Magnesiumhydroxid; und (c) wenigstens
eine Zinkacrylatverbindung.
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US-A-4,500,466 beschreibt
Polymergemische, die bestimmte kautschukartige Polymere und ein
Zinkdimethacrylatpulver mit bestimmten Eigenschaften umfassen. Es
wird gesagt, dass die Gemische in Abwesenheit von verstärkenden
Füllstoffen
ausgezeichnete Festigkeits- und Hystereseeigenschaften haben.
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GB-A-1091818 beschreibt
die Härtung
von Ethylen-α-Olefin-Polymeren
mit organischen Peroxiden und Metallsalzen von Acrylsäure oder
Methacrylsäure.
Die Zusammensetzungen können
auch Füllstoffe
enthalten. Es wird gesagt, dass die resultierenden Zusammensetzungen
einen verbesserten E-Modul und verbesserte Zugfestigkeit sowie eine
reduzierte Bruchdehnung haben, wenn man sie mit äquivalenten elastomeren Zusammensetzungen
vergleicht, die ohne die Anwesenheit der Metallsalze von Acrylsäure oder
Methacrylsäure
gehärtet
wurden. Das Dokument enthält
jedoch keine Offenbarung der Verwendung solcher Zusammensetzungen
in Artikeln für
Anwendungen mit dynamischer Belastung, wie in Riemen, die geeignet
sind, um bei Anwendungen mit dynamischer Belastung in eine Scheibe
einzugreifen.
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US-A-4,192,790 beschreibt
Zusammensetzungen, die irgendein herkömmliches Elastomer oder Elastomergemisch
umfassen und eine reduzierte Viskosität aufweisen, die aus der Zugabe
eines teilchenförmigen, feinteiligen
Zinkmethacrylat-Adjuvans
resultiert. Die Zusammensetzungen enthalten außerdem Füllstoffe.
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US-A-5,137,976 beschreibt
die Verwendung von Zinkdimethacrylat als Verstärkungsmittel für vulkanisierbare
Kautschukcompounds, insbesondere Styrol-Butadien-Kautschukcompounds,
aber auch einschließlich
Ethylen-α-Olefin-Compounds.
Die Zusammensetzungen können
auch Füllstoffe
enthalten.
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US-A-4,925,898 beschreibt
ein verstärktes
Förderband,
das eine Schicht aus einer Ethylen-Propylen-Kautschukzusammensetzung
umfasst, die ein Cobaltsalz einer organischen Carbonsäure enthält.
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JP-A-04339843 beschreibt
elastomere Zusammensetzungen zur Verwendung in Kraftübertragungsriemen,
die man durch Härten
eines Gemischs aus einem Ethylen-Propylen-Kautschuk, der 52 Gew.-%
Ethyleneinheiten enthält
(100 Gewichtsteile), Ruß (40
Gewichtsteile), Zinkmethacrylat (8 Gewichtsteile) und einem organischen
Peroxid (5 Gewichtsteile) erhält.
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Bisher
ist die Verwendung einer Ethylen-α-Olefin-Elastomerzusammensetzung,
die sich leicht verarbeiten lässt
und in dynamischen Anwendungen ausreichende mechanische Eigenschaften
sowie eine annehmbare Haftung an Textilverstärkungsmaterialien aufweist,
als primäre
Basiselastomerzusammensetzung in Riemen einschließlich Kraftübertragungsriemen
nicht bekannt.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, verbesserte Riemen bereitzustellen,
die als Hauptriemenkörperteil
ein Ethylen-α-Olefin-Elastomer
umfassen, das verbesserte mechanische Eigenschaften und eine ausgezeichnete
Haftung an Textilverstärkungsmaterialien
aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Riemen bereit, der geeignet ist,
um bei dynamischen Belastungsanwendungen in eine Scheibe einzugreifen,
wobei der Riemen einen Hauptriemenkörperteil, der aus einer elastomeren
Zusammensetzung hergestellt ist, in dem Körperteil angeordnete dehnbare
Elemente und einen Scheibenkontaktbereich, der einstückig mit
dem Körperteil
ausgebildet ist, umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass die
elastomere Zusammensetzung ein Reaktionsprodukt ist, das durch Aushärten des
folgenden Gemischs unter Verwendung eines die Radikalbildung fördernden
Materials gewonnen werden kann:
- a. 100 Gewichtsteile
eines Ethylen-α-Olefin-Elastomers,
wobei das Elastomer mehr als 50 Gew.-% der elastomeren Bestandteile
der elastomeren Zusammensetzung ausmacht;
- b. 1 bis 30 Gewichtsteile eines Metallsalzes einer α,β-ungesättigten
organischen Säure
pro hundert Gewichtsteile des Elastomers;
- c. 25 bis 250 Gewichtsteile eines verstärkenden Füllstoffs pro hundert Gewichtsteile
dieses Elastomers, und
wobei das Ethylen-α-Olefin-Elastomer
durch einen spezifischen Gehalt an Ethyleneinheiten gekennzeichnet ist
und dieser Gehalt an Ethyleneinheiten zwischen 55 und 78 Gew.-%
des Elastomers beträgt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch ein Riemenantriebssystem bereit,
das den Riemen der vorliegenden Erfindung umfasst, der über mindestens
eine Antriebsscheibe und mindestens eine angetriebene Scheibe geführt wird.
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Das
elastomere Material der Erfindung weist nach der Härtung im
Wesentlichen in Abwesenheit zusätzlicher
Haftvermittler eine ausgezeichnete Haftung am dehnbaren Element
des Riemens auf.
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Die
in der vorliegenden Erfindung verwendeten Ethylen-α-Olefin-Elastomerzusammensetzungen
können
gegebenenfalls noch andere herkömmliche
Additive enthalten, die in Elastomerzusammensetzungen üblicherweise
verwendet werden. Zu diesen Additiven können Prozess- und Extenderöle, Antioxidantien,
Wachse, Pigmente, Peptisierungsmittel, Weichmacher und dergleichen
gehören.
Diese Additive können
in Mengen eingesetzt werden, die herkömmlicherweise in Standardkautschukcompounds
verwendet werden.
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Ein
Vorteil wird erhalten, wenn ein Keilrippenriemen der vorliegenden
Erfindung geringen Winkelfrequenzen und einer hohen Winkelbeschleunigung
ausgesetzt ist. Die Erfindung hat das günstige Ergebnis, dass sie die
Pillbildung der Seitenflächen
bei geringen Frequenzen im Wesentlichen hemmt. Folglich wird die Leistungsfähigkeit
des Riemens bei solchen Anwendungen verbessert. Überraschenderweise wurde gefunden,
dass diese Pillbeständigkeit
verstärkt
wird, wenn der Ethylengehalt des Ethylen-α-Olefin-Elastomers innerhalb
eines bestimmten Bereichs gehalten wird, wie unten dargelegt ist.
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Weitere
Vorteile oder Ziele der Erfindung werden bei einer Durchsicht der
Zeichnungen und der Beschreibungen der bevorzugten Ausführungsformen
offenbar.
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Die
Begleitzeichnungen, die in die Patentschrift eingebaut sind und
einen Bestandteil derselben bilden, veranschaulichen bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit einer Beschreibung dazu, die
Prinzipien der Erfindung zu erklären.
In den Zeichnungen sind:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Synchronriemens, der gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist, wobei Teile davon angeschnitten sind;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Keilriemens, der gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist, wobei Teile davon angeschnitten sind; und
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Keilrippenriemens, der gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist, wobei Teile davon angeschnitten sind.
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In
1 ist
ein typischer Synchronriemen
10 gezeigt. Der Riemen
10 beinhaltet
einen elastomeren Hauptriemenkörperteil
12 und
einen Scheibenkontaktteil
14, der sich entlang des inneren
Umfangs des Hauptriemenkörperteils
12 erstreckt.
Das Wort "Scheibe" umfasst in diesem
Zusammenhang normale Riemenscheiben und Kettenzahnräder, die
mit Kraftübertragungsriemen
verwendet werden, und auch Trommeln, Rollen und dergleichen Mechanismen,
die mit Förderbändern und
Flachriemen verwendet werden. Ein Beispiel für ein Scheiben- und Riemensystem
ist in
US-Patent 4,956,036 gezeigt.
Der besondere Scheibenkontaktteil
14 von
1 hat
die Form von abwechselnden Zähnen
16 und
Flächenteilen
18.
Eine dehnbare Schicht
20 befindet sich innerhalb des Hauptriemenkörperteils
12,
um dem Riemen
10 Halt zu geben und Festigkeit zu verleihen. In
der gezeigten Form liegt die dehnbare Schicht
20 in Form
einer Mehrzahl von spannungsfesten Korden
22 vor, die sich
in Längsrichtung
des Hauptriemenkörperteils
12 erstrecken.
Man sollte sich jedoch darüber
im Klaren sein, dass jeder Typ von dehnbarer Schicht
20,
der in der Technik bekannt ist, verwendet werden kann. Außerdem kann
für das
dehnbare Element jedes beliebige Material verwendet werden, wie
Baumwolle, Rayon, Nylon, Polyester, Aramid, Stahl und sogar diskontinuierliche
Fasern, die für
die Lasttragefähigkeit
orientiert sind. In der bevorzugten Ausführungsform von
1 liegt
die dehnbare Schicht
20 in Form der gezeigten Korde
22 vor,
die aus Aramidfasern hergestellt werden, die unter dem Warenzeichen
Kevlar
® erhältlich sind.
Zu den weiteren bevorzugten Korden gehören Glasfaser und Kohlefilamente
für Kraftübertragungsriemen
wie in
1 und Polyesterkorde für Keilriemen wie in
2 unten.
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Ein
verstärkender
Textilstoff 24 kann verwendet werden und schmiegt sich
eng an die abwechselnden Zähne 16 und
Flächenteile 18 des
Riemens 10 an, so dass eine Flächenabdeckung für diese
entsteht. Dieser Textilstoff kann jede gewünschte Konfiguration haben,
wie ein herkömmliches
Gewebe, das aus Kett- und Schussfäden unter
jedem beliebigen Winkel besteht, oder er kann aus Kettfäden bestehen,
die durch voneinander beabstandete einzelne Schussfadenkorde zusammengehalten
werden, oder er kann eine gewirkte oder geflochtene Konfiguration
haben und dergleichen. Der Textilstoff kann mit derselben oder einer
anderen Elastomerzusammensetzung wie der Körper 12 reibungs-
oder streichbeschichtet sein. Es kann auch mehr als eine Lage des
Textilstoffs eingesetzt werden. Falls gewünscht, kann der Textilstoff 24 schräg geschnitten
sein, so dass die Stränge
einen Winkel mit der Fortbewegungsrichtung des Riemens bilden. Herkömmliche
Textilstoffe können
eingesetzt werden, wobei man solche Materialien wie Baumwolle, Polyester,
Polyamid, Hanf, Jute, Glasfaser und verschiedene andere natürliche und
synthetische Fasern verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung besteht die Textilschicht 24 aus einem dehnbaren
verschleißfesten
Textilstoff, bei dem wenigstens entweder die Kett- oder die Schussfäden aus
Nylon bestehen. In der am meisten bevorzugten Form besteht die Textilschicht 24 aus
Nylon-66-Stretchgewebe.
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In 2 ist
ein gekerbter Standardkeilriemen 26 gezeigt. Der Keilriemen 26 beinhaltet
einen ähnlichen elastomeren
Hauptriemenkörperteil 12 wie
der, der in 1 gezeigt ist, und ein Zugverstärkungselement 20 in Form
von Korden 22, ebenfalls ähnlich den in 1 gezeigten.
Der elastomere Hauptriemenkörperteil 12 und die
Korde 22 des Keilriemens 26 sind aus denselben
Materialien aufgebaut, wie sie oben für 1 beschrieben
sind.
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Der
Keilriemen 26 umfasst auch einen Scheibenkontaktbereich 14 wie
bei dem Synchronriemen von 1. Die Seitenflächen des
Scheibenkontaktbereichs 14 dienen als Antriebsflächen des
Keilriemens 26. In dieser Ausführungsform liegt der Scheibenkontaktbereich 14 in
Form von abwechselnden gekerbten Vertiefungsflächen oder Mulden 28 und
gezahnten Vorsprüngen 30 vor.
Diese abwechselnden gekerbten Vertiefungsflächen 28 und gezahnten
Vorsprünge 30 folgen
vorzugsweise einem allgemein sinusförmigen Weg, wie es gezeigt
ist, was dazu dient, Biegespannungen, die auftreten, wenn der Scheibenkontaktbereich 14 um
Rollen und Scheiben herum läuft,
zu verteilen und zu minimieren.
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In 3 ist
ein Keilrippenriemen 32 gezeigt. Der Keilrippenriemen 32 beinhaltet
einen elastomeren Hauptriemenkörperteil 12 wie
in den Riemen von 1 und 2 und beinhaltet
außerdem
ein Zugverstärkungselement 20,
vorzugsweise in Form von Korden 22, wie es ebenfalls oben
beschrieben ist. Mehrere erhöhte
Bereiche oder Scheitel 36, die sich mit mehreren Muldenbereichen 38 abwechseln,
definieren dazwischen entgegengesetzt ausgerichtete Seiten, die
als Scheibenantriebsflächen 14 des
Riemens 32 dienen. In jedem dieser Fälle von 1 bis 3 ist
der Scheibenkontaktbereich 14 einstückig mit dem Hauptriemenkörperteil 12 ausgebildet
und aus demselben elastomeren Material gebildet, das weiter unten
noch ausführlicher
beschrieben wird.
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In
der am meisten bevorzugten Ausführungsform
beinhaltet der Riemen, wie er in den 1 bis 3 beschrieben
wurde, als Hauptriemenkörperteil
die unten beschriebene elastomere Zusammensetzung, die mit diskontinuierlichen
Fasern beladen wurde, welche herkömmliche Stapelfaser- oder Zellstofffaser-Verstärkungsmaterialien
umfassen. Beispiele für
Fasern mit geeigneten Zugmodul- und Verschleißfestigkeitseigenschaften sind
Aramidfasern, wie die unter dem Warenzeichen Kevlar® von
E. I. du Pont de Nemours & Company
verkauften; solche mit dem Warenzeichen Technora®, wie
sie von Teijin in Japan verkauft werden; und solche mit dem Warenzeichen
Twaron®,
wie sie von Enka in Holland verkauft werden. Die Länge der
Stapelfasern liegt im Bereich von weniger als 0,25 mm bis 12 mm,
vorzugsweise von 0,5 mm bis 7 mm, am meisten bevorzugt von 1 mm
bis 3 mm. Der elastomere Körperteil
ist mit Fasern in einer Konzentration von vorzugsweise 0,5 bis 20
Volumenprozent und besonders bevorzugt 1 bis 6 Volumenprozent beladen.
Am meisten bevorzugt liegt die Faserbeladung bei einer Konzentration
von etwa 2,1 Volumenprozent des Körperteils. In der bevorzugten
Ausführungsform
sind die Fasern in einer Richtung orientiert, die senkrecht zur
Bewegung des Riemens verläuft,
so dass die Faser um 0,1 mm bis 0,3 mm aus dem elastomeren Körper herausragt.
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Die
vorliegende Erfindung wird zwar unter Bezugnahme auf die in 1 bis 3 gezeigten
Ausführungsformen
erläutert,
doch sollte man sich darüber
im Klaren sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese besonderen
erläuterten
Ausführungsformen
beschränkt
sein soll, sondern sich auf jeden Riemenaufbau innerhalb des Umfangs
der unten definierten Ansprüche
anwenden lässt.
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Die
für die
vorliegende Erfindung geeignete elastomere Zusammensetzung umfasst
eine Ethylen-α-Olefin-Elastomerzusammensetzung,
die eine verbesserte Ermüdungsbeständigkeit,
die sich in den Ergebnissen der Biegeermüdungsanaly se widerspiegelt,
eine verbesserte Abriebfestigkeit, Pillfestigkeit, Zugfestigkeit
und E-Modul sowie im Wesentlichen in Abwesenheit zusätzlicher
Haftvermittler im Grundelastomer eine verbesserte Haftung am dehnbaren
Element aufweist. Die Ethylen-α-Olefin-Elastomerzusammensetzung
wird gebildet, indem man im Einklang mit der herkömmlichen
Kautschukverarbeitungspraxis ein Harzgemisch mischt und vermahlt,
welches 100 Gewichtsteile eines Ethylen-α-Olefin-Elastomers, 1 bis 30
phr eines Metallsalzes einer α,β-ungesättigten
organischen Säure
und 25 bis 250 phr eines verstärkenden
Füllstoffs,
wie Ruß oder
Kieselsäuregel,
umfasst. Das Elastomer wird mit einem organischen Peroxid oder einem
anderen die Radikalbildung fördernden
Mittel, gegebenenfalls in Gegenwart einer kleineren Menge Schwefel,
in einem gemischten Härtungssystem
gehärtet.
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Zu
den für
die vorliegende Erfindung geeigneten Ethylen-α-Olefin-Elastomeren gehören unter
anderem Copolymere, die aus Ethylen- und Propyleneinheiten (EPM),
Ethylen- und Buteneinheiten, Ethylen- und Penteneinheiten oder Ethylen- und Octeneinheiten
(EOM) bestehen, sowie Terpolymere, die aus Ethylen- und Propyleneinheiten
sowie einer ungesättigten
Komponente bestehen (EPDM), sowie Gemische davon. Als ungesättigte Komponente
von EPDM kann jedes geeignete nichtkonjugierte Dien verwendet werden,
einschließlich
zum Beispiel 1,4-Hexadien, Dicyclopentadien oder Ethylidennorbornen
(ENB). Das Ethylen-α-Olefin-Elastomer
enthält
55 bis 78 Gew.-% der Ethyleneinheit, und in einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
das Ethylen-α-Olefin-Elastomer
65 bis 75 Gew.-% der Ethyleneinheit. Bei diesen Niveaus des Gehalts
an Ethyleneinheiten zeigen Endlosriemen, in die die Ethylen-α-Olefin-Elastomere
dieser bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung als Hauptriemenkörperteile eingebaut sind, eine
verbesserte Pillbeständigkeit.
Das am meisten bevorzugte Ethylen-α-Olefin-Elastomer ist EPDM.
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Das
Ethylen-α-Olefin-Elastomer
kann gegebenenfalls mit weniger als 50 Gew.-%, besonders bevorzugt
bis zu 25 Gew.-% und am meisten bevorzugt 5 bis 10 Gew.-%, bezogen
auf den Gesamtelastomergehalt der Zusammensetzung, eines zweiten
elastomeren Materials, einschließlich unter anderem Silikonkautschuk, Polychloropren,
Epichlorhydrin, hydrierter Nitril-Butadien- Kautschuk, Naturkautschuk, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer,
Ethylen-Methacrylat-Copolymere
und -Terpolymere, Styrol-Butadien-Kautschuk, Nitrilkautschuk, chloriertes
Polyethylen, chlorsulfoniertes Polyethylen, alkyliertes chlorsulfoniertes
Polyethylen, trans-Polyoctenamer, Polyacrylkautschuke, Butadienkautschuk
und Gemische davon, gemischt werden, um bestimmte mechanische Eigenschaften,
wie Hochtemperaturverhalten und Klebrigkeit, fein abzustimmen.
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Der
Einbau von Metallsalzen von α,β-ungesättigten
organischen Säuren
in die elastomeren Zusammensetzungen ist entscheidend. Es wird angenommen,
dass die ausgezeichneten Eigenschaften der für die vorliegende Erfindung
geeigneten Ethylen-α-Olefin-Elastomerzusammensetzungen
auf die ionische Vernetzung dieser Metallsalze mit Peroxid zurückzuführen sind.
Man glaubt, dass die ionischen Bindungen entlang der Elastomergerüstkette
unter Spannung aufbrechen und sich wieder zurückbilden, ähnlich der Wirkung von Polysulfidbrücken und
schwefelgehärteten
Systemen, was zur Zugfestigkeit und Reißfestigkeit des Elastomers beiträgt. Dieser
Mechanismus kann auch zur verbesserten Pillbeständigkeit führen, die die elastomere Zusammensetzung
zeigt. Es wird angenommen, dass diese ionischen Bindungen diese
Aktivität
der Bildung/Freisetzung/erneuten Bildung vorzugsweise gegenüber dem
Aufbrechen von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen ausführen. Im
Unterschied zu den Polysulfidbindungen oder den freien Radikalen,
die beim Aufbrechen von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in schwefelgehärteten Systemen
gebildet werden, werden diese ionischen Bindungen durch Einwirkung
von Sauerstoff nicht beeinflusst und sind daher auch nicht anfällig für die Bildung klebriger
Reste unter abrasiven Bedingungen. Es wird ebenfalls angenommen,
dass diese Sauerstofftoleranz die ionischen Brücken viel stabiler gegenüber Wärme und
Oxidation macht als herkömmliche
schwefelgehärtete
Elastomere.
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Die
für die
vorliegende Erfindung geeigneten Metallsalze von α,β-ungesättigten
organischen Säuren sind
Metallsalze von Säuren
wie zum Beispiel Acrylsäure,
Methacrylsäure,
Maleinsäure,
Fumarsäure, Ethacrylsäure, Vinylacrylsäure, Itaconsäure, Methylitaconsäure, Aconitsäure, Methylaconitsäure, Crotonsäure, α- Methylcrotonsäure, Zimtsäure und
2,4-Dihydroxyzimtsäure.
Diese Salze können
solche des Zinks, Cadmiums, Calciums, Magnesiums, Natriums oder
Aluminiums sein und sind vorzugsweise solche des Zinks. Die bevorzugten
Metallsalze von α,β-ungesättigten
organischen Säuren
sind Zinkdiacrylat und Zinkdimethacrylat. Das am meisten bevorzugte
Metallsalz einer ungesättigten
organischen Säure
ist Zinkdimethacrylat. Die Mengen des für die vorliegende Erfindung
geeigneten Metallsalzes können
im Bereich von 1 bis 30 phr liegen und betragen vorzugsweise 5 bis
20 phr. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform ist das Metallsalz
Zinkdimethacrylat, das in einer Menge von etwa 5 phr verwendet wird,
wenn man es in Verbindung mit EPDM verwendet, das mit bis zu 10%
Silikonkautschuk vermischt ist, und in einer Menge von 10 bis 20
phr und besonders bevorzugt etwa 15 phr verwendet wird, wenn man
es in Verbindung mit den anderen Ethylen-α-Olefin-Elastomeren verwendet,
die für
die vorliegende Erfindung geeignet sind.
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Die
für die
Endlosriemen der vorliegenden Erfindung geeigneten Ethylen-α-Olefin-Elastomerzusammensetzungen
umfassen weiterhin 25 bis 250 phr und vorzugsweise 25 bis 100 phr
eines verstärkenden
Füllstoffs,
wie Ruß,
Calciumcarbonat, Talk, Ton oder Kieselsäuregel oder Gemische der obigen.
Durch den Einbau von 1 bis 30 phr eines Metallsalzes einer α,β-ungesättigten
organischen Säure
und von 25 bis 250 phr und vorzugsweise 25 bis 100 phr eines verstärkenden
Füllstoffs
in die peroxidgehärtete
Ethylen-α-Olefin-Elastomerzusammensetzung
bleibt die Wärmestabilität von herkömmlichen
peroxidgehärteten
Elastomeren erhalten, während
man die Reißfestigkeit
und dynamischen Eigenschaften erhält, die gewöhnlich mit schwefelgehärteten Elastomeren
verbunden sind.
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Die
radikalbildenden Vulkanisationsmittel, die für die vorliegende Erfindung
geeignet sind, sind solche, die zum Härten von Ethylen-α-Olefin-Elastomeren
geeignet sind; dazu gehören
zum Beispiel organische Peroxide und ionisierende Strahlung. Das
bevorzugte Vulkanisationsmittel ist ein organisches Peroxid, einschließlich unter
anderem Dicumylperoxid, Bis(t-butylperoxy)diisopropylbenzol, t-Butylperbenzoat,
Di-t-butylperoxid, 2,5-Dimethyl-2,5-di-t-butylperoxyhexan, α,α-Bis(t-butylperoxy)diisopropylbenzol.
Das bevorzugte Vulkanisationsmittel in Form eines organischen Peroxids
ist α,α-Bis(t-butylperoxy)diisopropylbenzol.
Härtungswirksame Mengen
des organischen Peroxids für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung betragen typischerweise 2
bis 10 phr. Bevorzugte Mengen des organischen Peroxids betragen
4 bis 6 phr. Schwefel kann gegebenenfalls als Teil eines gemischten
Härtungssystems
in einer Menge von 0,01 bis 1,0 phr zu dem Vulkanisationsmittel
in Form des organischen Peroxids gegeben werden, um den Youngschen
Modul des gehärteten
Elastomers zu verbessern, ohne seine Reißfestigkeit negativ zu beeinflussen.
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Weitere
herkömmliche
Ethylen-α-Olefin-Elastomer-Additive,
Prozess- und Extenderöle,
Antioxidantien, Wachse, Pigmente, Peptisierungsmittel, Weichmacher
und dergleichen können
im Einklang mit der üblichen
Kautschukverarbeitungspraxis hinzugefügt werden, ohne von der vorliegenden
Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel enthält die elastomere Zusammensetzung
in einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung auch 0,5 bis 1,5 phr eines Antiozonmittels
oder Antioxidans und 5 bis 15 phr eines Peptisierungsmittels/Weichmachers
in Form von paraffinischem Mineralöl.
-
Die
für die
vorliegende Erfindung geeigneten Ethylen-α-Olefin-Elastomerzusammensetzungen
können
nach irgendeinem herkömmlichen
Verfahren hergestellt werden, wie zum Beispiel durch Mischen der
Bestandteile in einem Innenmischer oder einer Mühle.
-
Die
folgenden Beispiele sollen die Natur der vorliegenden Erfindung
näher erläutern und
nicht deren Umfang einschränken.
Teile und Prozente, auf die in den Beispielen und in der gesamten
Patentschrift Bezug genommen wird, sind gewichtsbezogen, wenn nichts
anderes angegeben ist.
-
Elastomere Zusammensetzungen 3 und 5 und
-
Vergleichszusammensetzungen 1, 2, 4 und
6–8
-
Tabelle
1 zeigt die Formulierungen der elastomeren Zusammensetzung für die Testproben
1 bis 8. Tabelle 2 zeigt die Analysedaten von ungealterten Proben.
-
Tabelle
3 zeigt Analysedaten von gealterten Proben. Die Tabellen 4 und 5
zeigen Haftanalysedaten für gealterte
bzw. ungealterte Proben. Tabelle 6 zeigt Vergleichsdaten von Keilrippenriemen,
die gemäß der Erfindung
und der oben für 3 angegebenen
Beschreibung hergestellt wurden, mit dem Zusatz, dass sie mit Fasern
beladen sind, und eines herkömmlichen
Keilrippenriemens, der mit Fasern beladenes Polychloropren als Hauptriemenkörperteil
und Scheibenkontaktbereich enthält.
-
In
diesen Beispielen und Vergleichsbeispielen wurde die Elastomerverarbeitung
in folgender Weise durchgeführt.
Die Verarbeitung für
die Zusammensetzungen 1–4
wurde in einem 1A-Banbury-Mischer mit einem Innenvolumen von 16
500 cm3 durchgeführt; das Kneten erfolgte mit
ungefähr
30 U/min. Die Verarbeitung für
die Zusammensetzungen 5–8
wurde in einem BR-Banbury-Mischer
mit einem Innenvolumen von 1570 cm3 durchgeführt; das
Kneten erfolgte mit ungefähr
77 U/min. Die Chargen wurden als Dreistufengemische verarbeitet.
In der ersten Stufe wurden alle Bestandteile außer dem organischen Peroxid
in den Banbury-Mischer gegeben und bis zu einer Temperatur von etwa
154°C oder
bis zu einer maximalen Zeit von 10 Minuten gemischt. In der zweiten
Stufe wurde die Charge erneut bis etwa 154°C gemahlen, und dann wurde die
Temperatur wieder sinken gelassen. In der dritten Stufe wurde zuerst
das organische Peroxid hinzugefügt,
dann wurde die Charge erneut bis zu einer Temperatur von 88°C gemahlen,
und dann wurde die Temperatur wieder sinken gelassen.
-
Physikalische
Tests wurden für
alle geformten Compounds nach dem Formen und erneut nach 168 Stunden
Wärmealterung
bei 125°C
durchgeführt,
wenn nichts anderes angegeben ist. Die Eigenschaften der vulkanisierten
Produkte wurden nach den folgenden Testvorschriften gemessen: Pico-Abriebfestigkeit
durch ASTM D228-8; Zugeigenschaften durch ASTM D412-87; Zugeigenschaften
gealterter Proben durch ASTM D573-88; Zugfestigkeit durch ASTM D624-91;
Härte durch
ASTM D2240-91; Risswachstum nach dem Demattia-Verfahren ASTM D813-87;
Tabor-Verfahren für
die Pillbildung ISO-5470-1980.
-
In
den folgenden Formulierungen gilt:
| Handelsname | Zusammensetzung,
Hersteller |
| Nordel
1070® | Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer
(EPDM), von E. I. DuPont de Nemours |
| Royaltherm® 1411 | silikonmodifiziertes
EPDM, von Uniroyal |
| Engage
CL 8001® | Ethylen-Octen-Copolymer
(EOM), von Dow Chemical |
| Vistalon® 606 | Ethylen-Propylen-Copolymer
(EPM), von Exxon Chemical Americas |
| Hi-Sil
233® | Gefälltes amorphes
Kieselgel, von Pittsburgh Plate Glass Co. |
| N330 | Ruß, I#82,
von Huber Co. |
| N550 | Ruß, I#43,
von Huber Co. |
| Sunpar
2280® | Paraffinöl, ASTM
D2226 Typ 1046, von Sun Refining Co. |
| Agerite
Resin D® | polymerisiertes
1,2-Dihydro-2,2,4-trimethylchinolin, von B. F. Goodrich Co. |
| Saret
634® | Zinkdimethacrylat,
von The Sartomer Co. |
| Vul-Cup
40KE® | α,α-Bis(t-butylperoxy)diisopropylbenzol
auf Burgess-KE-Ton, von Hercules Inc. |
-
In
den Tabellen 2 und 3 gilt:
1 psi = 6895 Pa
1 lb/in = 17,9
kg/m
1 inch/Megacyclus = 25,4 mm/Megacyclus Tabelle 1
| | Vergl.-Zus. 1 | Vergl.-Zus. 2 | Zus.
3 | Vergl.-Zus. 4 | Zus.
5 | Vergl.-Zus. 6 | Vergl.-Zus. 7 | Vergl.-Zus. 8 |
| Nordel
1070 | 100 | 100 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Royaltherm
1411 | 0 | 0 | 100 | 100 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Engage
CL 8001 | 0 | 0 | 0 | 0 | 100 | 100 | 0 | 0 |
| Vistalon
606 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 100 | 100 |
| Hi-Sil
233 | 0 | 0 | 40 | 40 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| N330 | 0 | 0 | 0 | 0 | 50 | 50 | 0 | 0 |
| N550 | 60 | 60 | 0 | 0 | 0 | 0 | 55 | 55 |
| Sunpar
2280 Öl | 10 | 10 | 0 | 0 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| Agente
Resin D | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Saret
634 | 15 | 0 | 5 | 0 | 15 | 0 | 15 | 0 |
| Vul-Cup
40KE | 5 | 5 | 6 | 6 | 5 | 5 | 5 | 5 |
Tabelle 2 Analyse ungealterter Proben
| | Vergl.-Zus. 1 | Vergl.-Zus. 2 | Zus.
3 | Vergl.-Zus. 4 | Zus.
5 | Vergl.-Zus. 6 | Vergl.-Zus. 7 | Vergl.-Zus. 8 |
| Durometer
UA | 63,8 | 56,8 | 81 | 70 | 82,5 | 77,8 | 65,7 | 58,2 |
| %
Eb | 378,1 | 364,1 | 361,8 | 416,2 | 444,8 | 445,8 | 390,3 | 488,7 |
| M100
(psi) | 550,6 | 337,9 | 852,2 | 535,6 | 812,4 | 602,2 | 525 | 270 |
| Reißdehnung(psi) | 3130 | 2443 | 2682 | 2835 | 4678 | 4372 | 2915 | 2160 |
| "C"-Reißfestigkeit (lbs/inch) | 274 | 227 | 280 | 242 | 396 | 355 | 271 | 223 |
| Pico-Abriebindex | 142 | 94 | 157 | 91 | 265 | 223 | 129 | 109 |
| Tabor-Abrader-Volumenverlust (mm3) | 94,5 | 16,9 | 172,6 | 131,6 | - | - | 111,2 | 20,8 |
| Demattia
0,5'' bei 100°C (inch/Megacycius) | 5,8 | 22,1 | 15,4 | 42,6 | 0,8 | 0,7 | 0,3 | 0,3 |
| Demattia
2,25'' | 34,8 | 74,1 | 397 | 308 | 12,2 | 4,3 | 21,4 | 5,3 |
| bei
Raumtemp. (inch/Megacyclus) | | | | | | | | |
-
Ein
besonderes Problem, das mit Keilrippenriemen verbunden ist, ist
das Problem der Ansammlung von Pills zwischen benachbarten Rippen,
wobei sich "Pills" oder abgeriebenes
Material entlang der Rippen ansammeln und auf dem Riemen zurückgehalten
werden. Aus diesem Grund geben die Gewichtsverlustergebnisse das
Pillbildungsphänomen
nicht immer völlig
akkurat wieder. Somit scheinen die niedrigeren Tabor-Abrader-Werte
für den
Volumenverlust für
die Vergleichsbeispiele in Tabelle 2 zwar auf eine größere Abriebfestigkeit
hinzuweisen als bei ihren Gegenstücken, die Zinkdimethacrylat
enthalten, doch sind diese künstlich
aufgeblasenen Werte auf abgeriebenes Material oder "Pills" zurückzuführen, die
sich tatsächlich
ansammeln, während
der Analyse aber nicht von den Vergleichstestproben entfernt werden.
Dieses Ansammeln ist ein Zeichen für die klebrige Natur des Materials
und weist wahrscheinlich auch auf eine Tendenz zur Pillbildung bei der
tatsächlichen
Anwendung hin. Dieser Pillbildungseffekt fehlte bemerkenswerterweise
in den Beispielen, die Zinkdimethacrylat enthielten. Die niedrigeren
Tabor-Abrader-Werte für
die Vergleichsbeispiele weisen also auf eine Abnahme der Abriebfestigkeit
im Vergleich zu ihren erfindungsgemäßen Gegenstücken, die Zinkdimethacrylat
enthalten, hin. Tabelle 3 Analyse von gealterten Proben
| | Vergl.-Zus. 1 | Vergl.-Zus. 2 | Zus.
3 | Vergl.-Zus. 4 | Zus.
5* | Vergl.-Zus. 6* | Vergl.-Zus. 7 | Vergl.-Zus. 8 |
| Durometer | 69,1 | 62,4 | 86 | 75 | 67,6 | 61,7 | 70,2 | 58,2 |
| %
Eb | 345,5 | 395,2 | 248,2 | 344,5 | 410 | 477 | 376 | 552 |
| Ml00
(psi) | 645,6 | 331,8 | 1228 | 681 | 857,5 | 614,6 | 548,2 | 244,9 |
| Reißdehnung
(psi) | 3096 | 2497 | 2795 | 3031 | 4531 | 4157 | 3019 | 2173 |
| "C"-Reißfestigkeit (lbs/inch) | 273,8 | 217,1 | 304,3 | 263,8 | 384,8 | 329,4 | 282,3 | 219,9 |
| Demattia
2,25'' | 30,6 | 59,6 | - | - | 7** | 3** | 25,3 | 2,3 |
| gealtert
bei 125°C 168
Stunden (inch/Megacyclus) | | | | | | | | |
- * Proben von Zusammensetzung 5 und Vergleichszusammensetzung
6 wurden 168 Stunden lang bei 150°C wärmegealtert
- ** Demattia-2,25''-Analyse für Proben
von Zusammensetzung 5 und Vergleichszusammensetzung 6 nach 70 Stunden
Wärmealterung
bei 175°C
durchgeführt
-
Insgesamt
zeigen die Ergebnisse der Tabellen 2 und 3 an, dass die Zugabe von
Zinkdimethacrylat zu den Ethylen-α-Olefin-Elastomerzusammensetzungen
zu Zusammensetzungen führt,
die drastische Verbesserungen des E-Moduls und eine erhöhte Pillbeständigkeit
zeigen, während
sie eine annehmbare Dehnung, Reißfestigkeit und Abriebfestigkeit
beibehalten. Wie es bei den Demattia-Analyseergebnisse sowohl für ungealterte
als auch für
gealterte Proben angegeben ist, zeigten Ethylen-α-Olefin-Proben bei Zugabe von
Zinkdimethacrylat bemerkenswerterweise einen erhöhten E-Modul, während sie
annehmbare Biegeermüdungseigenschaften
beibehielten.
-
Wir
beziehen uns nun auf die Tabellen 4 und 5. Die Haftungswirksamkeit
wurde durch Zuganalyse von gehärteten
elastomeren Probekörpern
gemäß den Standard-"t"-Schältestverfahren
bestimmt. Der Test wurde mit einer Traversengeschwindigkeit von
5,1 Zentimeter pro Minute durchgeführt, und der Prozentsatz des
kohäsiven
Versagens wurde sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 125°C gemessen.
Polyestergewebe, die ungefähr
2,5 cm breit waren, wurden auf Elastomerproben geklebt, die gemäß den Formulierungen
für die
Zusammensetzungen 3 und 5 und für
die Vergleichszusammensetzungen 1, 2, 4 und 6 hergestellt wurden.
Die Elastomerproben hatten eine Dicke von ungefähr 0,127 cm. Die Polyestergewebe
wurden mittels einer ersten Beschichtung aus einer Isocyanatgrundierung
auf Lösungsmittelbasis
und einer zweiten Beschichtung aus Vinylpyridin/Styrol-Butadien-Kautschuk-Resorcin-Formaldehyd-Latex
auf die Elastomerproben geklebt. Tabelle 4 Haftungsanalyse von ungealterten Proben
| | lbs/in
Zug bei Raumtemperatur (kg/cm) | %
kohäsives
Versagen, Raumtemp. | lbs/in
Zug bei 125°C
(kg/cm) | %
kohäsives
Versagen, 125°C |
| Vergleichszusammensetzung
1 | 50
(9) | 100 | 16
(3) | 100 |
| Vergleichszusammensetzung
2 | 23
(4) | 0 | 19
(3) | 100 |
| Zusammensetzung
3 | 22
(4) | 50 | 8
(1) | 75 |
| Vergleichszusammensetzung
4 | 13
(2) | 0 | 3
(0,5) | 0 |
| Zusammensetzung
5 | 97
(17) | 80 | 38
(7) | 100 |
| Vergleichszusammensetzung
6 | 8
(1) | 0 | 29
(5) | 5 |
Tabelle 5 Haftanalyse von Proben, die man eine Woche
lang bei 150°C
altern ließ
| | lbs/in
Zug bei Raumtemperatur (kg/cm) | %
kohäsives
Versagen, Raumtemp. | lbs/in
Zug bei 125°C
(kg/cm) | %
kohäsives
Versagen, 125°C |
| Vergleichszusammensetzung
1 | 43
(8) | 100 | 14
(3) | 100 |
| Vergleichszusammensetzung
2 | 62
(11) | 100 | 22
(4) | 100 |
| Zusammensetzung
3 | 11
(2) | 5 | 4
(1) | 40 |
| Vergleichszusammensetzung
4 | 8
(1) | 0 | 2
(0,4) | 0 |
| Zusammensetzung
5 | 93
(17) | 100 | 43
(8) | 100 |
| Vergleichszusammensetzung
6 | 95
(17) | 40 | 43
(8) | 0 |
-
In
den Tabellen 4 und 5 weist ein kohäsives Versagen von Null auf
ein Versagen an der Grenzfläche zwischen
Kautschuk und Klebstoff hin. Die ungealterten Proben der Vergleichszusammensetzungen
2, 4 und 6 zeigten bemerkenswerterweise zwar bei Raumtemperatur
kein kohäsives
Versagen, doch zeigten sie unter diesen Bedingungen alle adhäsives Versagen.
Die ungealterten Proben der Zusammensetzungen 1, 3 und 5 zeigten
jedoch bei Raumtemperatur kohäsives
Versagen unter einer ausgeübten
Kraft, die viel größer war
als bei ihren Vergleichsgegenstücken,
was auf erheblich verbesserte Hafteigenschaften hinweist. Sowohl
Vergleichszusammensetzung 1 als auch Vergleichszusammensetzung 2,
die auf EPDM unter dem Markennamen Nordel® 1070
beruhten, das von E. I. DuPont de Nemours erhältlich ist, zeigten unter erhöhten Temperaturen kohäsives Versagen.
Die Beispiele 3 und 5 zeigten sowohl für gealterte als auch für ungealterte
Proben kohäsives
Versagen, während
ihre Vergleichsgegenstücke
kein kohäsives
Versagen zeigten, was beweist, dass eine robustere Haftung gefunden
wird, wenn Zinkdimethacrylat verwendet wurde. Am bemerkenswertesten
ist, dass Proben, die Zinkdimethacrylat enthielten, sowohl im gealterten
als auch im ungealterten Zustand gute Hafteigenschaften zeigten,
während
die Proben ohne Zinkdimethacrylat im ungealterten Zustand schlechte Hafteigenschaften
zeigten.
-
Für die in
Tabelle 6 gezeigten Analyseergebnisse für Biegeermüdung, Verschleißfestigkeit
und Belastungskapazität
wurden im Einklang mit Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung hergestellte Riemen (Riemen 3) mit kommerziell
erhältlichen
Standardriemen (Vergleichsriemen A) verglichen. Vergleichsriemen
1 war ein Keilrippenriemen, der im Einklang mit der Beschreibung
für 3 hergestellt
wurde, während
der Hauptriemenkörperteil
und der Scheibenkontaktbereich gemäß der Formulierung des obigen
Vergleichsbeispiels 1 aus EPDM hergestellt waren, das mit Zinkdimethacrylat
verstärkt
war, mit der Modifikation, dass N330-Ruß anstelle von N550-Ruß verwendet
wurde und der Körperteil
faserbeladen war. Vergleichsriemen 2 war ein Keilrippenriemen, der
Vergleichsriemen 1 in jeder Hinsicht ähnlich war, außer dass
bei Vergleichsriemen 2 Vistalon® 606
anstelle von Nordel® 1070 verwendet wurde
und die Formulierung 55 phr N330-Ruß beinhaltete. Riemen 3 war
ein Keilrippenriemen, der Ver gleichsriemen 1 in jeder Hinsicht ähnlich war,
außer
dass bei Riemen 3 Engage® CL 8001 anstelle von
Nordel® 1070
verwendet wurde. Außerdem
enthielt Riemen 3 0,50 phr eines Antioxidans in Form eines substituierten
Diphenylamins, das von Uniroyal Chemical unter dem Handelsnamen
Naugard® 445
erhältlich
ist, sowie ein Zink-2-mercaptotolylimidazol-Antioxidans, das von
R. T. Vanderbilt unter dem Handelsnamen Vanox ZMTI® erhältlich ist.
Das Peroxid-Vulkanisationsmittel für Riemen 3 wurde in einer Menge
von 5,50 phr verwendet. Vergleichsriemen A war ein faserbeladener
Standard-Keilrippenriemen aus Polychloropren ("CR").
Dehnbare Elemente für
Vergleichsriemen 1, Vergleichsriemen 2 und Riemen 3 wurden durch
Polyesterterephthalat-Kord bereitgestellt. Der Kord wurde mittels
einer Kordbehandlung, die eine Isocyanatgrundierung und anschließend einen
Vinylpyridin/Styrol-Butadien-Kautschuklatex oder einen Vinylpyridin/carboxyliertes-Styrol-Butadien-Kautschuklatex
umfasste, und eines Kordtauchbads, das den polymeren Kleber umfasste,
der unter dem Handelsnamen Chemlok® 238
bekannt und von The Lord Corporation erhältlich ist, auf die Elastomerteile
der Riemen geklebt. Zusätzlich
umfassten 3-mm-Stapelfasern aus mit einem Resorcin-Formaldehyd-Latex
behandelten Aramid®, die von Teijin in Japan
unter dem Handelsnamen Technora® erhältlich sind,
das Faserbeladungsmaterial für
Vergleichsriemen 1, Vergleichsriemen 2 und Riemen 3, und dasselbe
Material umfasste die Faserbeladung von Vergleichsriemen A, außer dass
für Vergleichsriemen
A 1-mm-Aramidfasern verwendet wurden. Die Riemen waren etwa 112
cm lang und 1,067 cm breit.
-
Um
die Lasttragefähigkeit
unter hoher Spannung zu bestimmen, wurden die Keilrippenriemen um
zwei Rollen mit mehreren Rillen gelegt, die jeweils einen Durchmesser
von 6,1 Zentimeter hatten. Die Riemen wurden bei Raumtemperatur
mit 3500 U/min und 5,3 kW (7,1 PS) unter einer konstanten Spannung
von 264 lbs (1174 N) betrieben. Für die Belastungskapazitätsdaten
in Tabelle 6 wurden die Riemen bis zu einem Punkt des Versagens
betrieben, der sich anhand einer Randkordabtrennung, Trennung von
Rippen oder ein katastrophaleres Versagen des Riemens zeigte.
-
Für die Analyse
der Verschleißfestigkeit
und der Biegeermüdung
wurden die Riemen Vierpunkt-Wasserbremstests unterzogen, wobei die
Riemen um zwei größere Rollen
mit mehreren Rillen, eine Innenspannrolle und eine Rückseitenspannrolle
gelegt wurden. Die beiden größeren Rollen
hatten einen Durchmesser von 12,1 cm; die Innenspannrolle hatte
einen Durchmesser von 4,4 cm, und die Rückseitenspannrolle hatte einen Durchmesser
von 7,6 cm. Die Riemen wurden mit 4900 U/min und 8,2 kW (11 PS)
unter einer konstanten Spannung von 110 lbs (489 N) betrieben. Für den Verschleißfestigkeitstest
wurden die Riemen zuerst gewogen, dann um die Scheiben gelegt und
96 Stunden lang bei Raumtemperatur betrieben und dann erneut gewogen,
um den Gewichtsverlust zu bestimmen. Für die erste Biegeermüdungsanalyse
wurden die Riemen um die Rollen und Spannrollen gelegt und bei 100°C und mit
4900 U/min bis zum Versagen betrieben, was sich anhand der Bildung
einer Anzahl von Rissen zeigte, die um eins größer war als die Anzahl der
Riemenrippen. Für
die zweite Biegeermüdungsanalyse
wurden die Riemen in ähnlicher
Weise um die Rollen und Spannrollen gelegt und bei 110°C und mit
4900 U/min bis zum Versagen betrieben, was sich anhand der Bildung
einer Anzahl von Rissen zeigte, die um eins größer war als die Anzahl der
Riemenrippen. Tabelle 6 Riemenanalyse
| | Vergleichsriemen
1 (EPDM) | Vergleichsriemen
2 (EPM) | Riemen
3 (EOM) | Vergleichsriemen A
(CR) |
| Belastungskapazität (Stunden) | 232 | 341 | 677 | 58 |
| Gewichtsverlust (g) | 0,59 | 0,57 | 0,57 | 0,68 |
| Biegeermüdung 100°C (Stunden) | 1356 | 1040 | - | 120 |
| Biegeermüdung 110°C (Stunden) | - | 732 | 947 | - |
-
Bemerkenswerterweise
zeigte Vergleichsriemen 1 eine Erhöhung der Belastungskapazität auf das Vierfache
im Vergleich zum Polychloroprenriemen, während er dessen Verschleißfestigkeitseigenschaften übertraf.
Außerdem
zeigte Vergleichsriemen 1, der als Hauptriemenkörperteil ein mit Zinkdimethacrylat
verstärktes
faserbeladenes EPDM-Elastomer enthielt, eine Erhöhung der durch Biegeermüdungsanalyse
gemessenen Riemenlebensdauer auf das Zehnfache im Vergleich zum
Standard-Polychloroprenriemen. Vergleichsriemen 2, der auf mit Zinkdimethacrylat
verstärktem
Vistalon® 606
beruhte, zeigte eine Erhöhung
der Belastungskapazität
auf über
das Fünffache
gegenüber
dem Standard-Polychloroprenriemen und eine drastische Erhöhung der
durch Biegeermüdungsanalyse
gemessenen Riemenlebensdauer sowohl bei 100°C als auch bei 110°C. Riemen
3, der auf mit Zinkdimethacrylat verstärktem Engage CL 8001® beruhte,
zeigte in ähnlicher Weise
drastische Erhöhungen
der Beladungskapazität
gegenüber
dem Standardriemen auf Polychloroprenbasis und zeigte eine herausragende
Biegeermüdung.
-
Die
Verbesserung der dynamischen Eigenschaften des Riemens der vorliegenden
Erfindung einschließlich
Kraftübertragungs-
und Flachriemen ist dem Einbau einer mit einem Metallsalz einer α,β-ungesättigten
organischen Säure
verstärkten
peroxidgehärteten
Ethylen-α-Olefin-Elastomerzusammensetzung
als Hauptriemenkörperteil
oder Scheibenkontaktteil zuzuschreiben. Die resultierende elastomere
Zusammensetzung zeigt im Wesentlichen in Abwesenheit zusätzlicher
Haftvermittler im Grundelastomer eine überlegene Haftung an Textilverstärkungsmaterialien.
Ungeachtet der überlegenen
Haftung der elastomeren Zusammensetzung an Textilverstärkungsmaterialien,
wenn im Wesentlichen keine zusätzlichen
Haftvermittler im Grundelastomer vorhanden sind, können solche
Haftvermittler einschließlich
Methylen- und Resorcindonoren in H-R-H-Trockenkautschuk-Haftsystemen beim Aufbau
des Riemens verwendet werden, ohne von der vorliegenden Erfindung
abzuweichen.
-
Die
vorliegende Erfindung wurde zwar zu Erläuterungszwecken im Einzelnen
beschrieben, doch sollte man sich darüber im Klaren sein, dass diese
Einzelheiten lediglich zu diesem Zweck angegeben wurden und dass
vom Fachmann Variationen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche vorgenommen
werden können.