DE69815243T2

DE69815243T2 - Reifen mit Wultsgummimischung

Info

Publication number: DE69815243T2
Application number: DE69815243T
Authority: DE
Inventors: Filomeno Gennaro Corvasce; Manuela Pompei
Original assignee: Goodyear Tire and Rubber Co
Current assignee: Goodyear Tire and Rubber Co
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2018-09-26
Also published as: US20010042583A1; EP0906838A2; DE69815243D1; EP0906838B1; BR9803599A; EP0906838A3

Description

Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Reifen mit einem Wulstband, das um mindestens einen Teil der Wulstkomponente des Reifens positioniert ist und für den Kontakt mit einer starren Felge eines Rades bestimmt ist.
Hintergrund
Luftgummireifen sind gewöhnlich aus einer Karkasse mit Seitenwänden und für den Bodenkontakt ausgelegten Umfangslaufflächen sowie aus zwei beab standeten, relativ undehnbaren Wülsten, gewöhnlich zusammengesetzt aus verdrillten oder mehrstufigen Metalldrähten, die von Gummikomponenten umgeben sind, zusammengesetzt. Eine bedeutsame Komponente, die gewöhnlich um einen Teil des Wulsts positioniert ist, ist das Wulstband. Das Wulstband ist eine Gummizusammensetzung, die gewöhnlich für den Kontakt mit einer starren Radfelge und daher als Schnittstelle zwischen dem Reifen, insbesondere dem Wulstbereich des Reifens und der starren Radfelge ausgelegt ist. Die Wulstband-Gummizusammensetzung muss normalerweise sehr abriebbeständig und zäh sein und eine relativ hohe Steifigkeit aufweisen, wobei sie auch eine annehmbare Biegeermüdung und Gummiermüdung ebenso wie eine gute Beständigkeit gegen Schnittwachstum aufweisen soll.
Eine besondere, typische Sorge bei einer Wulstband-Gummizusammensetzung sind das Scheuern an der Felge (Abrieb an einer starren Felge, auf die der Reifen montiert ist), die Beständigkeit gegen Ozonabbau und ein verringerter Verformungsrest.
Ein derartiger Reifenaufbau, einschließlich des Gebrauchs einer Wulstband-Komponente, ebenso wie die typischen Bedenken sind den Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt.
Die Wulstband-Gummizusammensetzung ist gewöhnlich aus einer Kautschukzusammensetzung auf Dienbasis, die mit Ruß verstärkt ist, zusammengesetzt. Die Wulstband-Kautschukzusammensetzung kann gegebenenfalls eine Textilgewebe-Verstärkung für die Dimensionsstabilität enthalten, wobei der Textilgewebeteil des Wulstbandes gewöhnlich an den Wulstteil des Reifens angrenzt, wobei der Gummi teil des Wulstbandes in Kontakt mit der starren Radfelge bleibt, wenn der Reifen auf einer derartigen Felge montiert und aufgepumpt ist.
Luftreifen-Wulstbänder, ihre bezweckte Schnittstelle zwischen dem Reifenwulst und der starren Radfelge ebenso wie die ziemlich anspruchsvollen physikalischen Eigenschaften werden hier als den Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt angesehen.
Eine Kautschukzusammensetzung von einem Wulstband kann z. B. zusammengesetzt sein aus cis-1,4-Polyisopren-Naturkautschuk und cis-1,4-Polybutadien-Kautschuk, um eine gute Abriebbeständigkeit und Haltbarkeit zu erhalten.
Eine besondere Sorge bei der Herstellung der Reifenkomponenten, insbesondere der Wulstband-Gummizusammensetzung, beim tatsächlichen Aufbau des Reifens ist die Grünsteifigkeit der Wulstband-Kautschukzusammensetzung. Die Grünsteifigkeit von dem Wulstband-Kautschuk in unvulkanisiertem Zustand wird hier als sehr bedeutsam angesehen, da sie das in Position halten der Komponenten im Wulstbereich des Reifens vor der Vulkanisation und auch während der Vulkanisation des Reifens bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterstützt, um den Umfang des Fließens der Kautschukzusammensetzung der Reifenkomponente im Reifenformwerkzeug zu verringern.
Es ist auch zweckmäßig, dass die Wulstband-Zusammensetzung eine geringe Steifigkeitsvariation zeigt. Durch den Ausdruck "geringe Steifigkeitsvariation" ist gemeint, dass "die dynamische Steifigkeit der Wulstband-Zusammensetzung sich über einen angemessenen Zeitraum und nach einer typischen Verformungsvorgeschichte nicht merklich ändert". Eine derartige dynamische Steifigkeit kann z. B. dargestellt werden durch den komplexen Schermodul G* und andere sich ergebende viskoelastische Eigenschaften, wie den Verlustmodul G'' und den Werten von Tangens delta, die bei etwa 60°C aufgenommen werden.
Für die Durchführung ist es beabsichtigt, dass bei dem Wulstband nach der Erfindung der komplexe Schermodul G* der Wulstband-Zusammensetzung nicht mehr als etwa 15%, vorzugsweise nicht mehr als 10% für die normale, brauchbare Lebensdauer des Reifens variiert.
Eine herkömmliche Analysevorrichtung oder -ausrüstung wird zur Messung der Werte des Elastizitätsmoduls G*, des Verlustmoduls G'' und von Tangens delta für Kautschukzusammensetzungen verwendet und es wird angenommen, dass der Gebrauch und die Anwendung einer derartigen Vorrichtung zur Bestimmung derartiger Werte für Kautschukzusammensetzungen den Fachleuten für die Analyse von Kautschukzusammensetzungen wohlbekannt sind.
In der Praxis wird hier angenommen, dass es wichtig ist, Reifenwulstband-Gummizusammensetzungen zu verwenden, die relativ stabile Gummieigenschaften während eines wesentlichen Teils der erwarteten Nutzungslebensdauer des Reifens unter typischen Betriebsbedingungen aufweisen, wie z. B. die vorstehend genannte relativ hohe Steifigkeit und die relativ geringe Hysterese. Somit wird hier gewünscht, eine derartige Wulstband-Zusammensetzung mit einer relativ geringen Steifigkeitsvariation bereitzustellen.
Dies wird als wichtig angesehen, da erwartet wird, dass übermäßige Variationen der Reifenwulstbandeigenschaften, wie Steifigkeit, Hysterese und Verformungsrest, während der erwarteten Nutzlebensdauer des Reifens unter typischen Betriebsbedingungen und Belastungen der Reifenlauffläche gewöhnlich zu einer Verringerung der Reifen- oder Rad-Lenkeigenschaften, der Beständigkeit gegen die Wärmeentwicklung (und somit erhöhter Eigentemperatur) bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten und einem Anstieg in der Reifenabplattung (Gesamtverformungsrest) führen.
EP-A-445486 betrifft ein Verfahren, bei dem Gummizusammensetzungen mit erhöhtem Modul hergestellt werden durch Bildung von Polypropylen-Fibrillen, die statistisch in der Gummimatrix verteilt sind.
In der Beschreibung der Erfindung bezieht sich der Ausdruck "ThK", wenn hier verwendet und entsprechend gängiger Praxis, auf "Teile eines betreffenden Materials pro 100 Gew.-Teile Kautschuk oder Elastomer".
In der Beschreibung der Erfindung werden die Ausdrücke "Kautschuk" und "Elastomer", wenn hier verwendet und sofern nicht anders vorbeschrieben, austausbar verwendet. Die Ausdrücke "Kautschukzusammensetzung", "compoundierter Kautschuk" und "Kautschukcompound", wenn hier verwendet und sofern nicht anders vorbeschrieben, werden austauschbar verwendet, um sich auf "Kautschuk, der mit verschiedenen Bestandteilen oder Materialien gemischt worden ist" zu beziehen, und derartige Ausdrücke sind den Fachleuten auf dem Gebiet des Kautschukmischens oder der Kautschukcompoundierung wohlbekannt.
Die Tg eines Polymers, insbesondere eines Elastomers, wenn hier verwendet und sofern nicht anders vorbeschrieben, bezieht sich auf die Glasübergangstemperatur, die gewöhnlich z. B. durch ein Differentialscanningkalorimeter bei einer Heizgeschwindigkeit von z. B. etwa 20°C auf einen beobachteten Übergang der Temperatur gegenüber der Zeitkurve bestimmt werden kann. Es ist ersichtlich, dass eine derartige Tg-Bestimmung den Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt ist.
Zusammenfassung und Durchführung der Erfindung
Nach der Erfindung wird ein Luftgummireifen wie in den Ansprüchen definiert bereitgestellt.
Der Ausdruck "Elastomer auf Dienbasis" bedeutet, dass "das Elastomer einen Dienursprung oder -gehalt aufweist, egal ob es ein natürliches oder synthetisches Elastomer ist, und daher wird angenommen, dass es Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen enthält und deswegen Schwefel-vulkanisierbar ist".
Nach einem Aspekt ist es erforderlich, dass die Wulstband-Zusammensetzung in dem Sinne mehrphasig ist, dass das oder die teilchenförmigen, thermoplastischen Polymere der genannten Mikroeinschlussdispersion mit dem oder den Elastomeren des Wulstbandes inkompatibel sind, da die thermoplastischen Teilchen als separate Phase von dem oder den Elastomeren in homogener Mischung oder Dispersion des oder der teilchenförmigen thermoplastischen Polymere in der Gummizusammensetzung verbleiben.
Mit dem Ausdruck "Mikroeinschluss" der thermoplastischen Teilchen in der Elastomerzusammensetzung für das Wulstband ist gemeint, dass "die Teilchen als dispergierte Mikroteilchen vorliegen", manchmal im wesentlichen in Form von Kugeln, wobei die individuellen Eigenschaften, wie Steifigkeit und Hysterese, sich beträchtlich von der Elastomerzusammensetzungs-Matrix selbst unterscheiden.
Der Ausdruck "Matrix" soll "die Kautschukzusammensetzungs-Phase, die die vorstehend genannten Mikroeinschlüsse umgibt" bedeuten.
Thermoplastische Teilchen für den Mikroeinschluss weisen typischerweise einen Erweichungspunkt nach dem ISO-Verfahren Nr. 306 im Bereich von 110°C bis 180°C auf und können daher bei einer Temperatur oberhalb oder unterhalb des typischen Verarbeitungs- oder Mischtemperaturbereichs von 140 bis 190°C zur Herstellung der Elastomerzusammensetzung selbst etwas erweichen.
Derartige thermoplastische Teilchen für den Mikroeinschluss haben jedoch sehr hohe Molekulargewichte, die eine beträchtlich höhere Viskosität als die Matrix aufweisen, wenn ihre Schmelzpunkte erreicht werden, sogar wenn die Verarbeitungstemperatur über dem Erweichungspunkt des thermoplastischen Polymers liegt, wird hier davon ausgegangen, dass jede Verformung des Polymers der Art nach relativ minimal ist, so dass die Teilchen ihre Teilchenbeschaffenheit beibehalten.
Daher wird hier davon ausgegangen, dass die Teilchen als unabhängige, dispergierte Teilchen in der Elastomerzusammensetzung und als unvulkanisierte Domänen in der Elastomerzusammensetzung verbleiben, wenn bei einer erhöhten Temperatur im Bereich von 150 bis 190°C Schwefel-vulkanisiert wird.
Es wird hier angenommen, dass die vorstehend genannten Einschlüsse von thermoplastischen Teilchen in der Elastomerzusammensetzung für das Reifenwulstband eine oder mehrere Komposit-Theorien erfüllen kann. Derartige Theorien können Mikro-Makro-Theorien beinhalten, in denen individuelle Phaseneigenschaften, d. h. der vorstehend genannte Mikroeinschluss von Teilchen und die Matrixphasen, und die sich ergebenden makroskopischen Eigenschaften der mehrphasigen Zusammensetzung maßgeschneidert oder in geeigneter Weise modifiziert werden können. Veranschaulichende makroskopische Eigenschaften sind z. B. der komplexe Modul und der Verlustmodul bei verschiedenen Verformungen. Das dynamische Verhalten, wie z. B. die komplexe Steifigkeit, der Mikrophase kann z. B. durch (i) Auswählen von verschiedenen Qualitäten der genannten teilchenförmigen, thermoplastischen Materialien, z. B. von mehreren Proben eines thermoplastischen Materials mit unterschiedlichen Schmelzpunkten im erforderlichen Schmelzpunktbereich für die eingeschlossene Dispersionsphase, was zu geeigneten Variationen in der Gesamtsteifigkeit der Mehrphasenzusammensetzung als Funktion der Temperatur führen kann, und dann (ii) Auswählen der genannten thermoplastischen Materialien mit bestimmten Schmelzpunkten, um eine gewünschte Steifigkeitsvariation mit der Temperatur der Mehrphasenzusammensetzung zu steuern oder zu erreichen, maßgeschneidert oder modifiziert werden. Außerdem können die makroskopischen Eigenschaften der Mehrphasenzusammensetzung z. B. durch Einstellen des Volumenbruchs, der Steifigkeit und des Formfaktors der Mikroeinschlüsse des thermoplastischen Materials gesteuert oder erreicht werden.
Bei der Kautschukzusammensetzung, die den Einschluss von dispergierten, thermoplastischen Teilchen enthält, können die thermoplastischen Teilchen als die Mikrophase angesehen werden.
Es wird hier als möglich angesehen, die makroskopischen Eigenschaften der Reifenwulstband-Gummizusammensetzung durch Steuern der in jedem Bestandteil aufgebauten lokalen inneren Spannung, d. h. von dem Mikroeinschluss des teilchenförmigen, thermoplastischen Polymerbestandteils in der Makrophase des Gummimatrix-Bestandteils der Reifenwulstband-Gummizusammensetzung, maßzuschneidern oder einzustellen. Eine Regulierung der lokalen inneren Spannungen oder der in den Mikroeinschlüssen und der Matrix aufgebauten lokalen Spannungen kann z. B. durch Variieren des Volumenbruchs der Mikroeinschlüsse, des Steifigkeitsverhältnisses von Matrix zu den Mikroeinschlüssen ebenso wie der Gestalt der thermoplastischen Teilchen selbst bewerkstelligt werden.
Die vorstehend genannten lokalen inneren Spannungen können z. B. unter Verwendung von speziellen selbstkonsistenten Theorien ageschätzt werden, die den Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt sind. Ein Beispiel für eine derartige Theorie kann z. B. in der folgenden Literaturstelle gefunden werden: Thermomechanical Behavior of Metal Matrix Composites, General Theory and Self-Consistent Approach, F. Corvasce, P. Lipinski und M. Berveiller, S. 431–514, JNC6 11.– 13. Oktober 1996, Paris, 6. Nationaler Kongress zu Kompositen.
Deswegen wird für die Wulstband-Zusammensetzung nach der Erfindung eine mehrphasige Gummizusammensetzung aus der Gummimatrix-Phase und der Mikroeinschluss-Phase aus thermoplastischem Polymer bereitgestellt, die beide eine relativ hohe Steifigkeit und eine relativ geringe Steifigkeitsvariation oder ein relativ geringes Erweichungsverhalten aufweisen. Durch den Ausdruck "mehrphasig" ist einfach gemeint, dass "ein Material aus mindestens zwei verschiedenen physikalischen Phasen zusammengesetzt ist", z. B. die vorstehend genannte Gummimatrix-Phase und die dispergierte, teilchenförmige Mikroeinschluss-Phase. Es wird angenommen, dass diese Terminologie für die Fachleute auf dem Gebiet der Kautschukzusammensetzung annehmbar ist.
Dieser Aspekt ist besonders zweckmäßig für das Reifenwulstband, um eine substantielle Aufrechterhaltung der mechanischen Eigenschaften über den Hauptbereich der Nutzlebensdauer des Reifens zu fördern, wie z. B: von dem komplexen Modul, dem Verlustmodul, Tangens delta (tan delta), der Abriebbeständigkeit und dem Verformungsrest, alles Ausdrücke, die dem Fachmann auf dem Gebiet wohlbekannt sind.
Demgemäß ist es für das Reifenwulstband nach der Erfindung zweckmäßig, dass das Wulstband eine geringe Steifigkeitsvariation, gemessen durch den komplexen Schermodul G* bei 60°C, von nicht mehr als 15%, vorzugsweise nicht mehr als 10%, über eine angemessene, normale Nutzlebensdauer des Reifens aufweist.
Dementsprechend wird nach der Erfindung daher als vorteilhaft angesehen, einen Reifen bereitzustellen, der eine Gummizusammensetzung für das Wulstband verwendet, die eine Dispersion von Mikroeinschlüssen der dispergierten, ultrahochmolekularen, thermoplastischen Teilchen enthält.
Bei der Durchführung der Erfindung kann das vorstehend genannte teilchenförmige, thermoplastische Polymer für den Mikroeinschluss in der Wulstband-Elastomerzusammensetzung verschiedene Zusammensetzungen aufweisen, wie z. B. ultrahochmolekulares Polyethylen und/oder Polypropylen. Die Molekulargewichte der thermoplastischen, noch etwas kristallinen Polymere betragen mindestens 1 Million und können z. B. sogar so hoch wie 7 Millionen sein (Gewichtsmittel des Molekulargewichts). Daher wird ein Molekulargewicht im Bereich von 1 bis 7 Millionen, alternativ von 3 bis 5 Millionen, für die Durchführung der Endung erwogen.
Es wird hier insbesondere berücksichtigt, dass derartige Polymere thermoplastisch sind, obwohl sie einen gewissen Kristallinitätsgrad enthalten können, z. B. in Form von Kristalliten im thermoplastischen Polymer selbst.
In der weiteren Praxis der Erfindung haben ein derartiges oder derartige teilchenförmige, thermoplastische Polymere zweckmäßigerweise eine Teilchengröße im Bereich von 10 bis 150 Mikron.
Ferner ermöglicht das geringe spezifische Gewicht von kristallinen Polyolefin-Thermoplasten wie ultrahochmolekularem Polyethylen mit einem Bereich von 0,9 bis 1,0 g/cm³ die Berücksichtigung eines derartigen Polymers zur Entwicklung von relativ leichten Gummizusammensetzungen. Gummizusammensetzungen mit geringem spezifischem Gewicht, die für einen Aspekt der Durchführung der Erfindung erwogen werden, können z. B. im Bereich von 0,95 bis 1,1 g/cm³ im Vergleich zu einer typischen, mit Ruß verstärkten Gummizusammensetzung mit einem spezifischen Gewicht im Bereich von 1,1 bis 1,2 g/cm³ liegen.
Dementsprechend wird nach einem Aspekt der Erfindung ein Verfahren und ein sich ergebendes Produkt bereitgestellt, wie z. B. ein Verfahren zur Herstellung eines Reifens zur Verringerung des spezifischen Gewichts einer Gummizusammensetzung mit einem spezifischen Gewicht von mehr als 1,0, die mindestens ein Elastomer auf Dienbasis zusammen mit herkömmlichen Compoundierbestandteilen umfasst, wie einer Wulstband-Gummizusammensetzung, welches umfasst das Dispergieren von 10 bis 70 ThK von unabhängigen Teilchen in die Kautschukzusammensetzung als Mikroeinschluss in dem oder den Elastomeren von mindestens einem teilchenförmigen, ultrahochmolekularen, thermoplastischen Polymer mit einem Molekulargewicht im Bereich von 1 bis 7 Millionen, alternativ 2 bis 5 Millionen, einem Erweichungspunkt im Bereich von 110 bis 180°C und einem spezifischen Gewicht im Bereich von 0,9 bis 0,98.
Es ist zweckmäßig, dass die Wulstband-Zusammensetzung der Erfindung eine relativ steife Gummizusammensetzung mit relativ geringem Zusammenbruch der Steifigkeit unter Verwendung des Konzeptes von harten, thermoplastischen Einschlüssen, die in einer weichen Gummizusammensetzung dispergiert sind, bereitstellt, wobei die Gummimatrix einen relativ geringen Zusammenbruch der Steifigkeit im Vergleich zu verschiedenen Verformungsvorgeschichten aufweisen muss.
Durch den Ausdruck "Verformungsvorgeschichte", worauf hier vorstehend Bezug genommen wurde, sind "die verschiedenen maximalen Verformungsamplituden" gemeint, wobei es sich um Ausdrücke handelt, von denen angenommen wird, dass sie den Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt sind.
Die dynamischen und statischen Compoundeigenschaften, wie z. B. der komplexe Modul, der Verlustmodul und Tangens delta, können vor und nach verschiedenen Verformungszyklen bestimmt werden. Die Änderung in den dynamischen Eigenschaften vor und nach Kreislaufführung zeigt anschaulich die Stabilität des Compoundverhaltens und somit die relativ geringe Steifigkeitsvariation oder Weichheit über die Zeit.
Durch Steuerung der Menge an teilchenförmigem, thermoplastischem Polymereinschluss in der Gummizusammensetzung gegenüber dem Steifigkeitsverhältnis des thermoplastischen Polymereinschlusses gegenüber der Matrix der Gummizusammensetzung kann die lokale Verformungsamplitude in jeder Phase (Gummizusammensetzungs-Matrixphase und dispergierte thermoplastische Teilcheneinschlussphase) gesteuert oder modifiziert werden. Es wird davon ausgegangen, dass die weiche Gummimatrix zu großen Verformungswerten oder Verformungen mit großen Amplituden beiträgt und die Mikroeinschlüsse des oder der vorstehend genannten ultrahochmolekularen, thermoplastischen Polymere eine Verstärkung für die Wulstband-Gummizusammensetzung bereitstellen.
Dieses Phänomen bietet eine Gelegenheit zum Ausnutzen einer speziellen Abstimmung oder Einstellung der nichtlinearen Eigenschaften der Wulstband- Gummimatrix-Zusammensetzung, wie z. B. der Spannungs-Verformungs-Eigenschaften, wie der Zugfestigkeit und des Verlustmoduls der Kautschukzusammensetzungs-Vulkanisate ebenso wie der Verringerung der Steifigkeitserweichung und des Verformungsrestes der mehrphasigen Gummizusammensetzung im Vergleich zu verschiedenen Verformungsvorgeschichten ebenso wie der Ozon-Abbaubeständigkeit, der Rissfortpflanzungsbeständigkeit und der Abriebbeständigkeit des Wulstbandes.
In der Praxis kann das Wulstband-Gummiteil zusammengesetzt sein aus verschiedenen Elastomeren auf Dienbasis, wie z. B. Homopolymeren von konjugierten Dienen, wie z. B. 1,3-Butadien oder Isopren, oder Copolymeren von 1,3-Butadien und Isopren oder von 1,3-Butadien und/oder Isopren und einer aromatischen Vinylverbindung, wie Styrol oder α-Methylstyrol.
Veranschaulichende Beispiele für derartige Elastomere auf Dienbasis sind Homopolymere und Copolymere von konjugierten Dienen, wie z. B. Isopren und 1,3-Butadien, und Copolymere von konjugierten Dienen und einer aromatischen Vinylverbindung, wie z. B. Styrol und α-Methylstyrol. Veranschaulichende Beispiele für derartige Elastomere sind natürliches oder synthetisches cis-1,4-Polyisopren, cis-1,4-Polybutadien als ein Polymer von 1,3-Butadienmonomer, Isopren/Butadien- Copolymere, Styrol/Butadien-Copolymere, Styrol/Isopren-Copolymere, Styrol/Isopren/Butadien-Terpolymere, Polybutadien-Polymere mit einem mittleren Vinylgehalt mit einem Vinylgehalt in einem Bereich von 30 bis 50, Polybutadien-Polymere mit einem hohen Vinylgehalt mit einem Vinylgehalt im Bereich von 50 bis 90%.
Das Wulstband-Gummiteil des Reifenaufbaus kann aus Elastomeren zusammengesetzt sein, die typischerweise ausgewählt sind aus einem oder mehreren von cis-1,4-Polybutadien-Kautschuk, Mischungen von dem Polybutadien-Kautschuk mit Styrol/Butadien-Copolymerkautschuk, Naturkautschuk oder Mischungen von verschiedenen Elastomeren auf Dienbasis, wie vorstehend beschrieben. Vorzugsweise ist ein Hauptteil der Wulstband-Elastomere cis-1,4-Polybutadien-Kautschuk.
In der Praxis kann der Reifenwulstband-Aufbau z. B. durch eine einzelne Düse bei einer Temperatur im Bereich von z. B. 100 bis 125°C, typischerweise 110°C, erzeugt werden, und es wird daher davon ausgegangen, dass es sich um ein relativ heißes Extrusionsverfahren handelt, obwohl solche tatsächlichen Extrusionstemperaturen selbst als normal für ein Kautschuk-Extrusionsverfahren angesehen werden. Das extrudierte Wulstband wird dann auf eine Reifen-Kautschukkarkasse aufgebaut, um eine Zusammenstellung daraus zu bilden. Die Zusammenstellung wird dann bei einer erhöhten Temperatur vulkanisiert oder gehärtet. Dieses Gesamtverfahren ist den Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt. Auf diese Weise ist das Wulstband dann durch das vorstehend genannte Extrusionsverfahren und die Covulkanisation des Wulstbandes und der Wulstteile eine integrale, zusammenwirkende Einheit des Reifens.
Es ist den Fachleuten auf dem Gebiet ohne weiteres verständlich, dass die Kautschukzusammensetzung des Wulstband-Kautschuks durch Verfahren compoundiert werden kann, die in der Technik der Kautschukcompoundierung allgemein bekannt sind, wie z. B. Mischen der verschiedenen Schwefel-vulkanisierbaren Kautschukbestandteile mit verschiedenen, gewöhnlich verwendeten Additivmaterialien, wie z. B. Vulkanisierhilfsstoffen, wie Schwefel, Aktivatoren, Verzögerern und Beschleunigern, Verarbeitungsadditiven, wie Ölen, Harzen, einschließlich klebrigmachender Harze, und Weichmachern, Füllstoffen, Pigmenten, Fettsäure, Zinkoxid, Wachsen, Antioxidationsmitteln und Ozonschutzmitteln, Peptisiermitteln und Verstärkungsmaterialien, wie z. B. Kieselsäure und Ruß. Wie den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist, werden die vorstehend genannten Additive in Abhängigkeit vom beabsichtigten Gebrauch des Schwefel-vulkanisierbaren und Schwefel-vulkanisierten Materials (Gummis) ausgewählt und in gewöhnlichen Mengen in herkömmlicher Weise verwendet.
Verstärkungsfüllstoffe für die Elastomerzusammensetzungen können z. B. Ruß, typischerweise z. B. N-110, N-220 und allgemein die Struktureingruppierungen mit niedriger bis hoher Oberfläche, und manchmal auch Kieselsäure, typischerweise gefällte Kieselsäure, oder eine Kombination von Ruß und Kieselsäure sein. Ein beispielhafter Verstärkungsfüllstoffgehalt für die Efastomerzusammensetzungen ist ein Bereich von 35 bis 100 ThK und die Menge und die Wahl des verwendeten Verstärkungsfüllstoffes ist Aufgabe des Praktikers und hängt teilweise vom Grad und Ausmaß der gewünschten Verstärkung ab. Häufig wird ein Kieselsäure-Haftvermittler für die Kieselsäureverstärkung verwendet, um die Verstärkung des oder der Elastomere zu erhöhen. Dieser Gebrauch von Kieselsäure-Haftvermittlern ist den Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt.
Typische Mengen von klebrigmachenden Harzen, falls verwendet, umfassen 0,5 bis 10 ThK, gewöhnlich 1 bis 5 ThK. Typische Mengen von Verarbeitungshilfsstoffen umfassen 1 bis 20 ThK. Derartige Verarbeitungshilfsstoffe können z. B. aromatische, naphthenische und/oder paraffinische Verarbeitungsöle beinhalten. Typische Mengen für Antioxidationsmittel umfassen 1 bis 5 ThK. Veranschaulichende Beispiele für Antioxidationsmittel können Diphenyl-p-phenylendiamin und andere sein, wie z. B. jene, die in The Vanderbilt Rubber Handbook (1978), Seiten 344 bis 346, offenbart sind. Typische Mengen von Ozonschutzmitteln umfassen 1 bis 5 ThK. Typische Mengen von Fettsäuren, falls verwendet, die Stearinsäure beinhalten können, umfassen 0,5 bis 4 ThK. Typische Mengen von Zinkoxid umfassen 2 bis 5 ThK. Typische Mengen von Wachsen umfassen 1 bis 5 ThK. Häufig werden mikrokristalline Wachse verwendet. Typische Mengen von Peptisiermitteln umfassen 0,1 bis 1 ThK. Bei typischen Peptisiermitteln kann es sich z. B. um Dibenzamidodiphenyldisulfid handeln.
Die Vulkanisation wird in Anwesenheit eines Schwefelvulkanisationsmittels ausgeführt. Beispiele für geeignete Schwefelvulkanisationsmittel beinhalten elementaren Schwefel (freien Schwefel) oder Schwefel abgebende Vulkanisationsmittel, z. B. ein Amindisulfid, polymeres Polysulfid oder Schwefel-Olefin-Addukte. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Schwefelvulkanisationsmittel um elementaren Schwefel. Wie den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt, werden Schwefelvulkanisationsmittel in einer Menge im Bereich von 0,5 bis 6 ThK verwendet, wobei ein Bereich von 1 bis 2,5 bevorzugt ist.
Beschleuniger werden verwendet, um die Zeit und/oder die Temperatur zu steuern, die zur Vulkanisation und zur Verbesserung der Eigenschaften des Vulkanisats erforderlich sind. Es werden auch Verzögerer verwendet, um die Vulkanisationsgeschwindigkeit zu steuern.
In einer Ausführungsform kann ein einzelnes Beschleunigersystem verwendet werden, d. h. ein primärer Beschleuniger. Gewöhnlich und bevorzugt werden ein oder mehrere primäre Beschleuniger in Gesamtmengen im Bereich von 0,5 bis 4 ThK, vorzugsweise 0,8 bis 2,5 ThK, verwendet. In einer anderen Ausführungsform können Kombinationen von einem primären und einem sekundären Beschleuniger verwendet werden, wobei der sekundäre Beschleuniger in Mengen von 0,05 bis 3 ThK verwendet wird, z. B. um zu aktivieren und um die Eigenschaften des Vulkanisats zu verbessern. Geeignete Typen von Beschleunigern, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind Amine, Disulfide, Guanidine, Thioharnstoffe, Thiazole, Thiurame, Sulfenamide, Dithiocarbamate und Xanthate. Der primäre Beschleuniger ist vorzugsweise ein Sulfenamid. Wenn ein zweiter Beschleuniger verwendet wird, ist der sekundäre Beschleuniger vorzugsweise eine Guanidin-, Dithiocarbamat- oder Thiuramverbindung. Die Anwesenheit und die relativen Mengen des Schwefelvulkanisationsmittels und des oder der Beschleuniger werden nicht als ein Aspekt der Erfindung angesehen, die überwiegend auf dem Gebrauch von Kieselsäure als Verstärkungsfüllstoff in Kombination mit einem Haftvermittler in einer vorbeschriebenen Kautschukmischung gerichtet ist.
Die Anwesenheit und, die relativen Mengen der vorstehend beschriebenen Additive werden nicht als ein Aspekt der vorliegende Erfindung angesehen, außer wie es hier vielleicht vorstehend aufgeführt worden ist, die überwiegend auf das Reifenwulstband gerichtet ist, wobei das Wulstband einen Mikroeinschluss von einer Dispersion von einem oder mehreren ultrahochmolekularen, teilchenförmigen, thermoplastischen Polymeren enthält.
Der Reifen kann durch verschiedene Verfahren, die dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sind, aufgebaut, geformt, formgepresst und vulkanisiert werden.
Die Erfindung kann unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele besser verstanden werden, in denen die Teile und Prozentgehalte sich auf das Gewicht beziehen, sofern nicht anders angegeben.
BEISPIEL I
Kautschukzusammensetzungen aus cis-1,4-Polyisopren-Naturkautschuk und cis-1,4-Polybutadien-Kautschuk wurden mit Mikroeinschlüssen von ultrahochmolekularen Polyethylenteilchen-Zusammensetzungen hergestellt und hier als Probe B bezeichnet.
Eine Kontroll-Kautschukzusammensetzung wurde ebenfalls aus dem Naturkautschuk und cis-1,4-Polybutadien-Kautschuk hergestellt, aber ohne die vorstehend genannten Mikroeinschlüsse, und sie wurde hier als Kontrollprobe A bezeichnet.
Die Kautschukzusammensetzungen wurden durch Mischen der Bestandteile in zwei aufeinanderfolgenden, nicht-produktiven Mischstufen (ohne die Vulkanisationsmittel) für etwa 2 min auf eine Temperatur von etwa 165°C, gefolgt von einer produktiven Endmischstufe (grundsätzlich zur Zugabe der Vulkanisationsmittel) für etwa 2 min auf eine Temperatur von etwa 110°C hergestellt.
Die sich ergebenden Zusammensetzungen wurden bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, d. h. für etwa 18 min bei etwa 150°C, vulkanisiert.
Die ultrahochmolekularen Polyethylenteilchen mit einem Erweichungspunkt von etwa 132°C und die Kautschukzusammensetzung wurden in den beiden ursprünglichen Innenmischern auf eine Temperatur von etwa 165°C gemischt. Dementsprechend wird hier darauf geschlossen, dass die Teilchen des ultrahochmolekularen Polyethylens während des Kautschukmischverfahrens etwas weich wurden und homogen in der Kautschukmatrix als Mikroeinschlüsse dispergiert wurden. Dadurch wurde eine mehrphasige Kautschukzusammensetzung gebildet, die aus der Kautschukmatrixphase als der Hauptphase und der thermoplastischen, teilchenförmigen Mikroeinschlüsse als kleinerer Phase, die in der Kautschukmatrixphase dispergiert ist, zusammengesetzt ist.
Aufgrund des hohen Molekulargewichts des thermoplastischen Polymers und der anscheinend damit verbundenen sehr hohen Viskosität beim Schmelzen behalten die Teilchen im wesentlichen ihre individuelle Identität und vielleicht sogar einen Großteil ihrer Gesamtgröße und Gestalt sogar während des Elastomermischens bei Temperaturen über der Erweichungspunkttemperatur des thermoplastischen Polymers.
Es ist verständlich, dass die Mikroeinschlussphase von ultrahochmolekularem Polyethylen als unvulkanisierte Teilchen in der Kautschukmatrix während der Schwefel-Vulkanisation oder Härtung der Schwefel-vulkanisierbaren Naturkautschukphase verbleibt.
Die Kautschukzusammensetzungen umfassten die in Tabelle 1 aufgeführten Bestandteile. Die Werte für die meisten Teile sind einfach auf die nächste ganze Zahl gerundet.
TABELLE 1
BEISPIEL II
Die vulkanisierten Kautschukzusammensetzungen von Beispiel I wurden dann geprüft, um die physikalischen Eigenschaften der Gummizusammensetzungen zu erhalten, und sie sind in folgender Tabelle II angegeben, die dann eingesetzt wurden, um die Eigenschaften einer Reifenwulstband-Zusammensetzung vorherzusagen.
TABELLE II
Der Speichermodul der Gummizusammensetzung ist in Tabelle II als G' angegeben. Der Speichermodul, der in Tabelle II für Kontrollprobe A angegeben ist, zeigt im Vergleich zu Versuchsprobe B, dass die Steifigkeit der Gummizusammensetzungen ursprünglich ähnlich sind, aber bei Probe B nach einem Verformungsvorzyklus stabiler blieben, wie durch den Speichermodul G' (A) und den Speichermodul G' (B) nachgewiesen. Dies wird hier als bedeutsam angesehen, da dies so angesehen wird, dass dies zu einer geringen Gummizusammensetzungs-Steifigkeitsvariation als Reifenunterprotektor-Gummizusammensetzung bei Reifenbelastungs-Vorgeschichte führt.
Die Eigenschaften Tangens delta (tan delta), die in Tabelle II für Kontrollprobe A angegeben sind, zeigen im Vergleich zu Versuchsprobe B, dass die Hysterese für Probe B stabiler ist, wie durch den Anstieg in tan delta von Probe B zu Kontrollprobe A nachgewiesen wird. Dies wird hier als bedeutsam angesehen, da die Hysterese der Gummizusammensetzung variiert, was somit zu möglichen Variationen im Reifenrollwiderstand und zu einer erhöhten, lokalen Wärmeentwicklung führt.
Tan delta wird als Vorhersage für die Hysterese eines Gummicompounds angesehen. Ein höherer Wert von tan delta weist auf eine höhere Hysterese hin.
Der Speichermodul ist in Tabelle II als G' angegeben. Der Speichermodul weist auf die Compoundsteifigkeit hin. Der Speichermodul für Probe B im Vergleich zu Probe A zeigt, dass die Steifigkeit oder Erweichung der Gummizusammensetzung verringert werden kann, indem die sehr hochmolekularen Polyethylenteilchen als teilweiser Rußersatz verwendet werden, während eine ähnliche Shore A-Härte aufrechterhalten wird.
Deshalb kann geschlossen werden, dass der Einsatz des Einschlusses von teilchenförmigem Polymer in der Gummizusammensetzungs-Matrix verwendet werden kann, um eine relativ steife Gummizusammensetzung mit niedriger Hysterese zu bilden, die auch eine relativ geringes Steifigkeits-Erweichungs-Verhalten aufweist. Dies wird als bedeutsamer und wichtiger Aspekt der Erfindung angesehen, da eine Reifenwulstband-Komponente verschiedenen Verformungs- oder Spannungsbelastungen während der Reifenlebensdauer ausgesetzt wird.
Für die Tests zu den Werten für die Zugdehnung und den 200% Modul kann auf den ASTM-Test D412-92, Verfahren B, Bezug genommen werden.
Für die Rückprallelastizitätstests kann auf DIN 53512 Bezug genommen werden.
Für den Shore A-Härtetest kann auf ASTM 2240-91 Bezug genommen werden und sie kann bei Raumtemperatur oder etwa 23°C bestimmt werden.
Für die G'-Werte, auf die manchmal als "Scherspeichermodul" Bezug genommen wird, kann auf Science and Technology of Rubber, 2. Auflage, 1994, Academic Press, San Diego, CA, herausgegeben von James E. Mark et al., Seiten 249–254, Bezug genommen werden. Der Gebrauch des Speichermoduls (E') zur Charakterisierung von Gummizusammensetzungen ist den Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt.
Diese Eigenschaften, d. h. G', G'' und tan delta, charakterisieren die viskoelastische Reaktion einer Gummitestprobe auf eine Scherverformung bei fester Frequenz und Temperatur, am häufigsten bei 0°C und 60°C gemessen.
Tan delta und der Scherspeichermodul (G') sind den Fachleuten auf dem Gebiet der Gummizusammensetzungs-Charakterisierung wohlbekannt. Der Scherspeichermodul (G') wurde vor und nach (die Werte G'. (A) und G' (B)) einer Vorkreislaufführung bei 10% Scherverformung bestimmt. Die G'-Werte weisen auf die Stabilität der Gummizusammensetzungs-Steifigkeit hin. Der tan delta-Wert bei 60°C vor und nach Vorkreislaufführung bei 10% Scherspannung weist auf eine Hystereseänderung bei Verformungsvorgeschichte hin.
Daher kann der Vorteil des Mikroeinschlusses der Dispersion der thermoplastischen Teilchen in der Elastomermatrix der Wulstband-Komponente des Reifens ausgedrückt werden als ein Weg zur Erlangung einer steifen Gummizusammen setzung mit stabilen dynamischen Eigenschaften und geringem Verformungsrest, wie z. B. Speichermodul, und verringertem Verlustmodul und tan delta. Dies wird hier als besonders vorteilhaft angesehen, da dies auf eine geringere Wärmeentwicklung für die Wulstband-Gummizusammensetzung im Wulstteil des Reifens hinweist.
Dementsprechend wird hier davon ausgegangen, dass die Gummizusammensetzungseigenschaften der Reifenwulstband-Matrixzusammensetzung im Vergleich mit Vergleichskontroll-Zusammensetzung A vorhersagen, dass ein Reifenwulstband unter Verwendung der Wulstband-Zusammensetzung der Erfindung einen Reifen mit relativ verbesserter (i) Felgen-Scheuerbeständigkeit, relativ geringer Abplattung und relativ geringerer Wärmeentwicklung und (ii) mit verbesserter Beständigkeit gegenüber Ozonabbau, verringertem Gewicht der gesamten Wulstband-Gummizusammensetzung und verringertem Rollwiderstand des Reifens liefert.
Daher wird geschlossen, dass die mehrphasige Zusammensetzung nach der Erfindung mit dem Mikroeinschluss von teilchenförmigem, ultrahochmolekularem Polyethylen in der Gummimatrix die folgenden Vorteile liefert, sofern es die Eigenschaften der Gummizusammensetzung betrifft: geringer Verformungsrest, geringe Hysterese, stabile Gummizusammensetzungs-Steifigkeit und Hysterese gegenüber verschiedenen Verformungsvorgeschichten.

Claims

Luftreifen mit einem Paar von beabstandeten, relativ undehnbaren Wulstkomponenten und einer verbindenden Karkasse zwischen den Wulstkomponenten und einer für den Bodenkontakt ausgelegten Umfangslauffläche, wobei eine Gummiwulstband-Komponente um mindestens einen Teil von jeder Wulstkomponente positioniert ist und für den Kontakt mit einer starren Felge von einem Rad und dadurch als Schnittstelle zwischen der Reifenwulstkomponente und der Felge ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wulstband aus einer mehrphasigen Zusammensetzung zusammengesetzt ist, die umfasst (i) 100 Gew.-Teile mindestens eines Elastomers auf Dienbasis und (ii) 5 bis 80 ThK eines Mikroeinschlusses darin als Dispersion von Teilchen in einem oder mehreren der Elastomere von mindestens einem teilchenförmigen, ultrahochmolekularen, thermoplastischen Polyethylen-Polymer mit einem Molekulargewicht im Bereich von 3 bis 5 Millionen und einem Erweichungspunkt im Bereich von 110 bis 180°C und (iii) 20 bis 100 ThK von Verstärkungsfüllstoffen ausgewählt aus Ruß, Kieselsäure und Ruß und Kieselsäure.
Reifen nach Anspruch 1, worin die Elastomere auf Dienbasis aus Homopolymeren und Copolymeren von konjugierten Dienen und Copolymeren von einem oder mehreren konjugierten Dienen und einer aromatischen Vinylverbindung ausgewählt sind.
Reifen nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Elastomere auf Dienbasis ausgewählt sind aus mindestens einem von natürlichem oder synthetischem cis-1,4-Polyisopren, cis-1,4-Polybutadien als ein Polymer von 1,3-Butadienmonomer, Isopren/Butadien-Copolymeren, Styrol/Butadien-Copolymeren, Styrol/Isopren-Copolymeren, Styrol/Isopren/Butadien-Terpolymeren, Vinylbutadien-Polymeren mit einem mittleren Vinylgehalt mit einem Vinylgehalt in einem Bereich von 30 bis 50 und Polybutadien-Polymeren mit einem hohen Vinylgehalt mit einem Vinylgehalt in einem Bereich von 50 bis 90%.
Reifen nach Anspruch 1, worin das Wulstband aus einem oder mehreren Elastomeren ausgewählt aus einem oder mehreren aus cis-1,4-Polybutadien-Kautschuk und Mischungen von einem derartigen Polybutadien-Kautschuk mit Styrol/Butadien-Copolymerkautschuk zusammengesetzt ist, mit der Maßgabe, dass jedoch ein Hauptteil der Wulstband-Elastomere cis-1,4-Polybutadien ist.
Reifen nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die mehrphasige Zusammensetzung für das Wulstband durch Mischen des thermoplastischen Polyethylen-Polymers mit dem oder den Elastomeren auf eine Temperatur im Bereich von 120 bis 190°C und mindestens 10°C über dem Erweichungspunkt des thermoplastischen Polymers hergestellt wird.