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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Faser mit einer
Kautschukzusammensetzung, worin Fasern behandelt werden, um ein
wirksames Haften an einer Kautschukzusammensetzung zu bewirken. Die
Erfindung richtet sich auch auf Fasern zum Verbinden mit einer Kautschukzusammensetzung,
die diesem Verfahren entsprechend erhalten werden und auf einen
Antriebsriemen, der die behandelten Fasern enthält.
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Stand der
Technik
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Es
gibt einen anhaltenden Trend, Energie-effiziente Automobile zu konstruieren
und zu bauen. Typischerweise kann diese Effizienz der Kompaktierung
solcher Autos zugeordnet werden, die teilweise durch die Verringerung
der Motorraumgröße ermöglicht wird.
Dies führt
oft zu einer höheren
Umgebungstemperatur im Motorraum. Im Ergebnis werden in Automobilen
verwendete Antriebsriemen oftmals hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt.
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Konventionelle
Antriebsriemen werden üblicherweise
aus Natur-Kautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk oder Chloropren-Kautschuk
hergestellt. Die gestauchten Bereiche der Riemen neigen bei diesen
hohen Temperaturen bereits in einem relativ frühen Stadium der beabsichtigten
Riemenlebensdauer zum Brechen.
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Unlängst wurden
hydrierte Nitril-Kautschuke als hitzebeständiges Polymer zur Benutzung
in Antriebsriemen, inclusive Keilriemen (V-belts), innenverzahnte
Keilriemen (V- ribbed
belts) und Zahnriemen (toothed belts) entwickelt. Eine Kautschukzusammensetzung
mit hydriertem Nitril-Kautschuk
und einem Metallsalz einer ungesättigten
Carbon-Säure
wurde auch in einem elastischen Teil des Antriebsriemens verwendet.
Die Versuche gehen laufend weiter, die Adhäsion von Fasern und lasttragenden
Schnüren
an hydriertem Nitril-Kautschuk zu verbessern.
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Die
japanische Patentschrift (JP-B)Sho-60-24131 offenbart beispielsweise
die Behandlung von Faserschnüren
(fiber cords) mit einer RFL-Flüssigkeit,
die eine Carbonsäure-Gruppe umfasst, welche
Acrylonitril-Butadien-Kautschuklatex aufweist.
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Die
GB 0774722 offenbart die Verwendung einer Kautschuklösung, die
ein Polyisocyanat als einzige Behandlungsflüssigkeit zur Verbesserung der
Adhäsion
von Kautschukkörpern
an Fasern enthält.
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Die
EP 440369 und die JP-B-6041528
offenbaren die Behandlung von Schnüren mit einer Epoxy-Zusammensetzung
oder einer Isocyanat-Zusammensetzung in einem ersten Schritt, die
Behandlung der Schnüre mit
einer RFL-Flüssigkeit
in einem zweiten Schritt, und die Behandlung der Schnüre mit einer
Kautschukpaste, die aus einer Kautschukzusammensetzung und einem
in einem Lösungsmittel
gelösten
Kautschukchlorid in einem dritten Schritt.
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Die
Behandlung von Faserschnüren
mit einer RFL-Flüssigkeit,
die eine Acrylonitril-Butadien-Kautschuklatex aufweisende Carboxyl-Gruppe
umfasst, verbessert die Adhäsion
der Faserschnüre
an hydriertem Nitril-Kautschuk. Durch Versuche wurde jedoch herausgefunden,
dass, wenn Antriebsriemen, die diese Verfahrens-Schnüre wiederholt während des
Betriebs ermüdet
(fatigued) werden, die Schnüre
zum Ablösen
von der Adhäsions-Kautschuk-Schicht
an der Grenzfläche
dazwischen in einem frühen
Stadium neigen, was belegt, dass die Adhäsion zwischen den Schnüren und
dem Kautschuk nicht zufriedenstellend ist.
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Die
adhäsive
aus einer aktiven Verbindung, einer RFL-Flüssigkeit
und einem halogenhaltigen Polymer bestehende Zusammensetzung muss
eingeschränkt
werden, um sich nach Umweltbelangen zu richten.
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Die
in der JP-B Hei-6-41528 beschriebene Methode weist ebenfalls den
Nachteil auf, dass die Verwendung von Kautschukchlorid aus Umweltgründen eingeschränkt werden
muss. Ferner ist die Verfügbarkeit
dieser Zusammensetzung in der Zukunft ungewiss.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In
einer Form richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Verbinden
einer Faser mit einer Kautschukzusammensetzung, wobei die Faser
mit einer ersten Verarbeitungsflüssigkeit
behandelt wird, getrocknet wird, mit einer zweiten Verarbeitungsflüssigkeit
behandelt wird, getrocknet wird, dann mit einer dritten Verarbeitungsflüssigkeit
behandelt wird und getrocknet wird. Die erste Verarbeitungsflüssigkeit
umfasst mindestens eine Verbindung aus der Gruppe Isocyanatverbindung
und Epoxyverbindung. Die zweite Verarbeitungsflüssigkeit umfasst RFL, das mindestens
einen Kautschuklatex, ausgewählt
aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuklatex und hydriertem Nitril-Kautschuk-latex,
umfasst. Die dritte Verarbeitungsflüssigkeit umfasst Kautschukpaste, die
eine in einem Lö sungsmittel
gelöste
Acrylnitril-Butadien-Kautschukverbindung
und eine Isocyanatverbindung mit einem Gewichtsverhältnis der
Isocyanatverbindung zur Acrylnitril-Butadien-Kautschukver-bindung von
1/1 bis 1/3 umfasst. Die dritte Verarbeitungsflüssigkeit weist einen Feststoffgehalt
von 3–7%
auf.
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Die
Faser kann mit der zweiten Verarbeitungsflüssigkeit behandelt werden,
nachdem sie mit der ersten Verarbeitungsflüssigkeit behandelt wurde, und
mit der dritten Verarbeitungsflüssigkeit
behandelt werden, nachdem sie mit der zweiten Verarbeitungsflüssigkeit
behandelt wurde.
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Die
Faser kann mindestens eine der Fasern Polyethylen-Terephthalat-Faser
(PET), Polyethylen-Naphthalatfaser (PEN), Aramidfaser und Nylon-6
umfassen.
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Die
Faser kann mit der ersten Verarbeitungsflüssigkeit für 0,5 bis 30 Sekunden behandelt
werden und anschließend
für 2 bis
5 Minuten auf 150 bis 190°C
erhitzt werden.
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Die
RFL-Verarbeitungsflüssigkeit
kann eine Mischung aus Resorcin und Formalin mit Kautschuklatex sein,
in der das molare Verhältnis
von Resorcin zu Formalin im Bereich von 3/1 bis 1/3 liegt.
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Die
RFL-Verarbeitungsflüssigkeit
kann durch Mischung eines Vorkondensats aus Resorcin und Formalin
mit Kautschuklatex so zubereitet werden, dass der Harzgehalt im
Bereich von 5 und 100 Gewichtsanteilen relativ zu 100 Gewichtsanteilen
des Kautschukgehalts im Kautschuklatex liegt und der Feststoffgehalt
der RFL-Verarbeitungsflüssigkeit
im Bereich von 5 bis 40% liegt.
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Die
Faser kann mit der zweiten Verarbeitungsflüssigkeit bei 5 bis 40°C für 0.5 bis
30 Sekunden behandelt werden und anschließend für 1 bis 3 Minuten auf eine
Temperatur von 220 bis 250°C
erhitzt werden.
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Die
Faser kann mit der dritten Verarbeitungsflüssigkeit bei 5 bis 40°C für 0.5 bis
30 Sekunden behandelt werden und anschließend für 3 bis 7 Minuten auf eine
Temperatur von 140 bis 180°C
erhitzt werden.
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Die
Isocyanatverbindung in der ersten Verarbeitungsflüssigkeit
kann mindestens eine der Verbindungen 4,4'-Diphenylmethan-diisocyanat,
Toluol-2,4-diisocyanat, Polymethylen-polyphenyldiisocyanat, Hexamethylen-diisocyanat,
Polyaryl-polyisocyanat und geblockte Polyisocyanate, die durch Reaktion
einer Isocyanatverbindung mit einem Blockierungsmittel (blocking
agent) hergestellt werden, umfassen.
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Die
Acrylnitrilbutadienkautschukverbindung in der dritten Verarbeitungsflüssigkeit
kann Acrylnitrilbutadienkautschuk umfassen, dem mindestens eines
der Mittel Verstärkungsmittel,
Füllmittel,
Weichmacher, Antialterungsmittel und Vulkanisierungsmittel zugefügt ist.
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Die
Epoxyverbindung in der ersten Verarbeitungsflüssigkeit kann mindestens eines
der Reaktionsprodukte von mindestens einer der Substanzen Polyalkohol
und Polyalkylenglykol, einer halogenhaltigen Expoxyverbindung und
einem Reaktionsprodukt von Polyphenol umfassen.
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Die
Epoxyverbindung in der ersten Verarbeitungsflüssigkeit kann mit einem organischen
Lösungsmittel
gemischt werden.
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In
einem weiteren Aspekt richtet sich die Erfindung auch auf eine behandelte
Faser zur Verbindung mit einer Kautschukzusammensetzung, wobei die
Faser nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhalten wird.
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Die
Erfindung richtet sich auch auf einen Antriebsriemen, der einen
Endloskörper
mit einer Länge,
und eine in den Endloskörper
eingebettete Faser umfasst, wobei die Faser die oben beschriebene
Zusammensetzung aufweist und mit dem oben beschriebenen Verfahren
erhalten wurde.
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Die
Faser kann eine Schnur (cord) definieren, die sich längs durch
den Endloskörper
erstreckt.
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In
einer Form weist der Körper
eine Pufferschicht auf, die aus Kautschuk hergestellt ist und die
Schnur (cord) ist in der Pufferschicht eingebettet und erstreckt
sich endlos im Körper.
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Der
komprimierbare Kautschuk kann aus alkyliertem chlorsulfoniertem
Polyethylen mit einem Polyethylen geringer Dichte, das eine lineare
Molekülstruktur
aufweist und chlorsulfoniert ist, um einen Chlorgehalt von 15 bis
35 Gewichtsprozent und einen Schwefelgehalt von 0.5 bis 2.5 Gewichtsprozent
aufzuweisen, hergestellt sein.
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Der
Antriebsriemen kann ein Keilriemen (V-belt) oder ein innenverzahnter
Keilriemen (V-ribbed belt) sein.
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Der
Antriebsriemen kann ein gezahnter Riemen sein, der räumlich voneinander
getrennte Zähne
entlang des Körpers
aufweist, wobei der Körper
eine innere Schicht, in der die Zähne ausgebildet sind, und eine hintere
Schicht, in der die Schnur eingebettet ist, aufweist.
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In
einer Form weist der Körper
einen Kompressionsabschnitt auf, der Kautschuk enthält, welcher
mindestens eine der Verbindungen alkyliertes chlorsulfoniertes Polyethylen
(ACSM), hydrierter Nitrilkautschuk (H-NBR), Nitrilbutadienkautschuk
(NBR), Chloroprenkautschuk (CR) und chlorsulfonierten Polyethylenkautschuk
(CSM) umfasst.
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Der
Körper
kann eine Pufferschicht aufweisen, in der die Schnur eingebettet
ist und die Pufferschicht aus einer hydrierten Nitrilkautschukzusammensetzung
hergestellt ist.
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Die
hydrierte Kautschukzusammensetzung kann hydrierten Nitrilkautschuk
beinhalten, dem wenigstens eines der Mittel Verstärkungsmittel,
Füllmittel,
Weichmacher, Antialterungsmittel, Vulkanisierungsbeschleuniger und
Vulkanisierungsmittel hinzugefügt
ist.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine Querschnittsansicht
eines erfindungsgemäß hergestellten
innenverzahnten Keilriemens;
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2 ist eine teilweise Seitenaufrissansicht
eines erfindungsgemäß hergestellten
Zahnriemens;
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3 ist eine Querschnittsansicht
eines erfindungsgemäß hergestellten
Keilriemens;
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4 ist eine Grafik, die den
Zusammenhang zwischen dem Gewichtsverhältnis der Isocyanat-Verbindung
zur Acryl nitril-Butadien-Kautschuk-Zusammensetzung in der hier getesteten
Verarbeitungsflüssigkeit, wobei
die Flüssigkeit
so eingestellt wurde, dass sie einen Feststoffgehalt von 5% aufweist,
und der Abziehkraft zwischen dem Kautschuk und den mit der Flüssigkeit
behandelten Faserschnüren
zeigt; und
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5 ist eine Grafik, die den
Zusammenhang zwischen dem Feststoffgehalt der hier getesteten Verarbeitungsflüssigkeit,
wobei die Flüssigkeit
so eingestellt wurde, dass sie ein Gewichtsverhältnis der Isocyanat-Verbindung
zur Acrylonitril-Butadien-Kautschuk-Zusammensetzung von gleich ein
halb (equal to one-half) aufweist, und der Abziehkraft zwischen
Kautschuk und den mit der Flüssigkeit
behandelten Faserschnüren zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der Zeichnungen
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Die
in der vorliegenden Erfindung verwendete Kautschukzusammensetzung
umfasst im wesentlichen hydrierten Nitril-Kautschuk (H-NBR), hydrierten Nitril-Kautschuk
(H-NBR) mit einem zugefügten
Metallsalz einer ungesättigten
Carbon-Säure,
alkyliertes chlorsulfoniertes Polyethylen (ACSM), Nitril-butadienkautschuk (NBR),
Chloroprenkautschuk (CR) und chlorsulfonierten Polyethylenkautschuk
(CSM) oder ähnliches.
Diese können
ein Verstärkungsmittel
wie beispielsweise Ruß,
ein Füllmittel,
einen Weichmacher, ein Antialterungsmittel, einen Vulkanisierungsbeschleuniger
und/oder ein Vulkanisierungsmittel wie beispielsweise Schwefel etc.
umfassen. Die hydrierte Nitrilkautschukzusammensetzung wird bevorzugt.
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In
einer bevorzugten Form weist der hier verwendete hydrierte Nitrilkautschuk
eine Hydrierungsgrad von mindestens 80% und mehr bevorzugt von mindestens
90% auf, um eine gute Hitze- und Ozonbeständigkeit aufzuweisen. Hydrierter
Nitrilkautschuk mit einem Hydrierungsgrad von weniger als 80% weist
unbefriedigende Hitze- und Ozonbeständigkeiten auf. Zum Zweck der Öl- und Kältebeständigkeit
liegt die Menge von mit dem Kautschuk verbundenen Acrylonitril vorzugsweise
zwischen 20 und 45%.
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Beispiele
von zur Verwendung in der Erfindung passenden Fasern sind Polyethylen-Terephthalat-Faser
(PET), Polyethylen-Naphthalat-Faserr (PEN), Aramid-Faser, Nylon-6
und ähnliche.
Polyethylen-Terephthalat-Faser, Polyethylen-Naphthalat-Faser und
Aramid-Faser werden aufgrund ihrer guten Hitzebeständigkeitseigenschaften
bevorzugt.
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Die
Fasern können
in jeder Form verwendet werden, wie beispielsweise Schnüren, gewobenen
Strukturen, gestricktem Gewebe, Blattfolien etc. Die erfindungsgemäß hergestellten/behandelten
Fasern sind auch als verstärkende
Mittel in dynamischen Produkten wie beispielsweise Förderbändern, Reifen
etc. nützlich.
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Erfindungsgemäße Fasern
werden gemäß nachfolgender
Beschreibung bearbeitet/behandelt.
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Zunächst wird
eine unbehandelte Faser in eine Verarbeitungsflüssigkeit, die eine Isocyanatverbindung und/oder
eine Epoxyverbindung enthält,
bei Zimmertemperatur für
0,5 bis 30 Sekunden eingetaucht. Die Faser wird anschließend getrocknet,
indem sie einen Ofen, der auf einer Temperatur von 150 bis 190°C gehalten wird,
für 2 bis
5 Minuten durchläuft.
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Dann
wird die Faser mit einer zweiten Verarbeitungsflüssigkeit aus RFL behandelt,
das wenigstens einen Kautschuklatex ausgewählt aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuklatex (NBR-Latex)
und hydriertem Nitril-Kautschuklatex
(H-NBR-Latex) aufweist. Die RFL-Flüssigkeit wird durch Mischen
eines Vorkondensats aus Resorcin und Formalin mit Kautschuklatex,
in dem das molare Verhältnis
von Resorcin zu Formalin vorzugsweise von 3 : 1 bis 1 : 3 reicht,
um die Adhäsion
der behandelten Faser zu verbessern, hergestellt.
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Zum
Herstellen der RFL-Flüssigkeit
wird ein Vorkondensat aus Resorcin und Formalin mit Kautschuklatex
so gemischt, dass sein Harzgehalt im Bereich von 5 bis 100 Gewichtsanteilen
relativ zu 100 Gewichtsanteilen des Kautschukgehalts des Kautschuklatex
liegt. Der gesamte Feststoffgehalt der resultierenden RFL-Flüssigkeit
liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 40%.
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Die
Temperatur der Verarbeitungsflüssigkeit
wird zwischen 5 und 40°C
gehalten, wobei die Faser für 0,5
bis 30 Sekunden eingetaucht wird. Nach dem Eintauchen in die Verarbeitungsflüssigkeit
wird die Faser getrocknet, indem sie einen Ofen, der auf einer Temperatur
von 220 bis 250°C
gehalten wird, für
1 bis 3 Minuten durchläuft.
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Die
Faser wird dann mit einer dritten Verarbeitungsflüssigkeit
behandelt, die eine Kautschukpaste aus einer in einem Lösungsmittel
gelösten
Acrylnitril-Butadien-Kautschukzusammensetzung
und einer Isocyanat-Verbindung, aufweist. Das Gewichtsverhältnis der
Isocyanatverbindung zur Acrylnitril-Butadien-Kautschukzusammensetzung
reicht von 3 : 1 bis 1 : 3. Die dritte Verarbeitungsflüssigkeit weist
vorzugsweise einen Feststoffgehalt von 3 bis 7% auf.
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Während dieses
Schrittes reicht die Temperatur der Verarbeitungsflüssigkeit
von 5 bis 40°C,
wobei die Faser für
0,5 bis 30 Sekunden eingetaucht wird. Nachdem die Faser in die dritte
Verarbeitungsflüssigkeit
eingetaucht wurde, wird sie getrocknet, indem sie einen Ofen, der
auf einer Temperatur von 140 bis 180°C gehalten, für 3 bis
7 Minuten durchläuft.
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Die
Isocyanat-Verbindung in der ersten Verarbeitungsflüssigkeit
kann beispielsweise 4,4'-Diphenylmethan-diisocyanat, Toluol-2,4-diisocyanat,
Polymethylenpolyphenyldiisocyanat, Hexamethylen-diisocyanat, Polyaryl-polyisocyanat
(wie beispielsweise solche unter der Marke PAPITM kommerziell
käuflichen)
etc. umfassen.
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Die
Isocyanat-Verbindung wird nach dem Mischen mit einem organischen
Lösungsmittel,
wie beispielsweise Toluol, Methyl-Ethyl-Keton etc., benutzt.
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Ebenfalls
verwendbar sind geblockte Polyisocyanate, die durch Reaktion einer
Isocyanatverbindung, wie den oben erwähnten, mit einem Blockierungsmittel,
wie beispielsweise Phenole, tertiäre Alkohole, sekundäre Alkohole
etc. zum Blockieren der Isocyanatgruppen von den Polyisocyanaten
hergestellt werden.
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Beispiels
für Epoxyverbindungen
in der ersten Verarbeitungsflüssigkeit
sind Reaktionsprodukte von Polyalkohol wie beispielsweise Ethylenglykol,
Glycerin, Pentaerythrit und ähnlichen,
oder Polyalkylenglykolen wie beispielsweise Polyethylenglykol und ähnlichen
mit halogenhaltigen Epoxyverbindungen wie beispielsweise Epichlorhydrin,
Reaktionsprodukten von Polyphenolen wie beispielsweise Resorcin,
Bis(4-hydroxyphenyl)dimethyl-methan, Phenolformaldehydharz, Resorcin-Formaldehydharz
und ähnlichen
mit halogenhaltigen Epoxyverbindungen etc. Die Epoxyverbindung wird
nach dem Mischen mit einem organischen Lösungsmittel, wie beispielsweise
Toluol, Methyl-Ethyl-Keton etc., benutzt.
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Die
RFL-Flüssigkeit
in der zweiten Verarbeitungsflüssigkeit
kann durch Mischen eines Vorkondensats aus Resorcin und Formalin
mit mindestens einem Kautschuklatex ausgewählt aus Nitrilkautschuklatex
und hydriertem Nitrilkautschuklatex hergestellt werden. Das molare
Verhältnis
von Resorcin zu Formalin reicht vorzugsweise von 3 : 1 bis 1 : 3,
um die Adhäsion
der damit behandelten Faser zu verbessern. Das Vorkondensat aus
Resorcin und Formalin wird mit Kautschuklatex so gemischt, dass
sein Harzgehalt von 5 bis 100 Gewichtsanteilen relativ zu 100 Gewichtsanteilen
des Kautschukgehaltes des Kautschuklatex reicht. Der gesamte Feststoffgehalt
der resultierenden RFL-Flüssigkeit
reicht von 5 bis 40%.
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Die
dritte Verarbeitungsflüssigkeit
kann eine Kautschukpaste enthalten, die aus einer in einem Lösungsmittel
gelösten
Acrylonitril-Butadienkautschukzusammensetzung und einer Isocyanatverbindung
hergestellt ist. Das Gewichtsverhältnis der Isocyanatverbindung
zur Acrylonitril-Butadienkautschukzusammensetzung
reicht von 1 : 1 bis 1 : 3. Der Feststoffgehalt reicht von 3 bis
7%.
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Ist
das Gewichtsverhältnis
größer als
1 : 1, so ist die Topfstabilität
der Verarbeitungsflüssigkeit
nicht ausreichend, so dass sich die Flüssigkeit oftmals während der Durchführung der
Verarbeitungsschritte der Faser verfestigt. Wenn andererseits das
Gewichtsverhältnis
kleiner als 1 : 3 ist, mag die Adhäsion der bearbeiteten Faser
nicht ausreichend sein. Ist der Feststoffgehalt der Flüssigkeit
kleiner als 3% oder größer als
7%, können
die Adhäsionsqualitäten der
bearbeiteten Faser nicht ausreichend sein.
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Der
Feststoffgehalt der Verarbeitungsflüssigkeit kann wie folgt bestimmt
werden. Eine Probe der Verarbeitungsflüssigkeit wird in einen Messbecher
gefüllt
und das Gewicht (W1) bestimmt. Die Verarbeitungsflüssigkeit
wird anschließend
in einen Ofen gestellt und getrocknet, bis das Gewicht der Probe
konstant ist. Das Endgewicht (W2) der Probe wird bestimmt. Der Feststoffgehalt
wird nach folgender Formel berechnet: W2/W1 × 100(%).
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Die
hier zu verwendende Acrylonitril-Butadien-Kautschukzusammensetzung
kann jede gebräuchliche, durch
Zufügen
eines Verstärkungsmittels
wie Ruß,
eines Füllmittels,
eines Weichmachers, eines Antialterungsmittels, eines Vulkanisierungsbeschleunigers
und/oder eines Vulkanisierungsmittels wie Schwefel etc. zum Acrylonitril-Butadien-Kautschuk hergestellte
Zusammensetzung sein.
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In 1 wird ein innerverzahnter
Keilriemen 10 als eine mögliche Umgebung für erfindungsgemäß behandelte/bearbeitete
Fasern gezeigt. Der innenverzahnte Keilriemen 10 weist
einen Körper 12 mit
einer inneren Schicht 14 und einer hinteren Schicht 16 auf.
Der Körper 12 weist
eine Pufferkautschukschicht 18 auf, in der seitlich beabstandete
lasttragende Schnüre 20 eingebettet
sind. Die lasttragenden Schnüre 20 erstrecken sich
längs durch
den Körper 12 in
einem endlosen Weg. Furchen 22 sind durch die innere Körperschicht 14 ausgebildet,
die seitlich beabstandete, V-förmige
Rippen 24 definieren. Die Rippen 24 sind in einem
Komprimierungsbereich 26 ausgebildet, der in 2 unter einer neutralen
durch die lasttragenden Schnüre 20 definierten
Achse liegt. Die rückseitige
Fläche 28 wird
in diesem Fall durch zwei Schichten von kautschukimprägniertem
Segeltuchgewebe (canvas cloth) 30 bedeckt. Der Komprimierungsbereich 26 des
Riemenkörpers 12 wird
durch einzelne sich seitlich erstreckende kurze Fasern 32 verstärkt.
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In
dieser Ausgestaltung sind die lasttragenden Schnüre 20 aus erfindungsgemäß verarbeiteten
Fasern hergestellt. Die lasttragenden Schnüre sind so konstruiert, dass
sie eine hohe Festigkeit und eine geringe Dehnung aufweisen. In
dieser Ausgestaltung sind die Fasern 34, die die Schnüre 20 definieren,
Polyethylen-Terephthalatfasern (PET), Polyethylen-Naphthalatfasern
(PEN) oder Aramidfasern.
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Der
Komprimierungsbereich 26 wird aus einer komprimierbaren
Kautschukschicht gebildet, die alkyliertes chlorsulfoniertes Polyethylen
(ACSM), hydrierten Nitrilkautschuk (H-NBR), Nitrilbutadienkautschuk (NBR),
Chloroprenkautschuk (CR) und chlorsulfonierten Polyethylenkautschuk
(CSM) umfasst, die eine hohe Beständigkeit gegen thermischen
Verschleiß aufweisen.
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Das
alkylierte chlorsulfonierte Polyethylen ist ein Polyethylen mit
geringer Dichte, welches eine lineare Molekülstruktur aufweist, die chlorsulfoniert
ist, um einen Chlorgehalt von 15 bis 35 Gewichtsprozent und einen Schwefelgehalt
von 0,5 bis 2,5 Gewichtsprozent aufzuweisen.
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Die
Fasern 32 können
aus Nylon-6, Nylon-66, Polyester, Baumwolle oder Aramid hergestellt
sein. Die Fasern halten seitlicher Deformation des Riemenkörpers 12 stand.
Durch Aussetzen der Fasern 32 auf den Seitenflächen 36, 38 der
Rippen 24 wird die Spannung zwischen den Flächen 36, 38 und
einer (nicht-dargestellten) mitwirkenden Umlenkrolle, die die Flächen 36, 38 berührt, reduziert,
und dadurch eine Geräuschreduktion
während
des Betriebs erreicht. Aramidfasern werden aufgrund ihrer Steifheit,
großen
Festigkeit und Abnutzungsbeständigkeit
bevorzugt.
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Für einen
maximalen Effekt weisen die kurzen Aramidfasern bevorzugt eine Länge von
1 bis 20 mm auf und sind in einer Menge von 1 bis 30 Gewichtsanteilen
pro 100 Gewichtsanteilen Kautschuk vorhanden. Aramidfasern, die
aromatische Ringe in ihrer Molekülstruktur
aufweisen, werden bevorzugt. Dieser Typ von Aramidfasern ist verfügbar und
unter den Marken CONEXTM, NOMEXTM,
KEVLARTM, TECHNORATM und
TWARONTM kommerziell verkauft.
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Ist
die Menge der kurzen Aramidfasern kleiner als 1 Gewichtsanteil,
so kann der Kautschuk im Komprimierungsbereich übermäßig klebrig werden und dadurch
zu Abnutzung neigen. Sind auf der anderen Seite die Aramidfasern
in einer Menge von mehr als 30 Gewichtsanteilen vorhanden, können sich
die Fasern 32 nicht gleichmäßig im Kautschuk im Komprimierungsbereich 26 verteilen.
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In
den lasttragenden Schnüren 20 sind
die Fasern 34 bevorzugt Aramidfasern, die einen aromatischen Ring
in der Hauptkette der Molekülstruktur
aufweisen. Für
diesen Zweck geeignete Fasern sind derzeit kommerziell verfügbar und
werden unter den Marken KEVLARTM, TECHNORATM und TWARONTM verkauft.
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Die
lasttragenden Schnüre 20 können ausgebildet
werden, indem 2 bis 5 nicht-verdrillte Bündel zusammengenommen werden,
von denen jedes eine gesamte Dicke zwischen 300 und 3100 Denier
aufweist. Jedes Bündel
weist 100 bis 300 Einzelfäden
auf, von denen jeder eine Dicke zwischen 1 und 3 Denier aufweist. Die
Bündel
werden schließlich
mit 4 bis 50 Verdrillungen pro 10 cm verdrillt.
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Die
Faserbündel
können
Primär-
und Endverdrillung unterzogen werden. Primärverdrillen kann allerdings
der RFL-Flüssigkeit
das Eindringen in die Tiefe der Schnüre 20 erschweren.
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Die
Pufferkautschukschicht 18 kann aus einer hydrierten Nitrilkautschukzusammensetzung
hergestellt sein, die durch Hinzufügen eines Verstärkungsmittels
wie Ruß,
eines Füllmittels,
eines Weichmachers, eines Antialterungsmittels, eines Vulkanisierungsbeschleunigers
und/oder eines Vulkanisierungsmittels wie beispielsweise Schwefel
etc. zu einem herkömmlichen
hydrierten Nitrilkautschuk hergestellt wird.
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Die
erfindungsgemäß verarbeiteten
lasttragenden Schnüre 20 können in
anderen Riemen, wie beispielsweise dem gezahnten Riemen 40 in 2 verwendet werden. Der
gezahnte Riemen 40 in 2 weist einen
Körper 42 mit
darin ausgebildeten und längs
voneinander, d. h. in Richtung des Doppelpfeils L, beabstandeten
Zähnen 44 auf.
Der Riemenkörper 42 weist
eine hintere Schicht 46 auf, die erfindungsgemäß hergestellte,
darin eingebrachte lasttragende Schnüre 48 aufweist. Die
Zähne 44 sind
mit einer Segeltuchschicht 50 bedeckt.
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In 3 ist die Erfindung eingebaut
in einen Keilriemen 52, der einen Körper 54 mit exponierten,
in Umlenkrollen eingreifende Seitenflächen 56, 58 aufweist,
dargestellt. Der Körper 54 definiert
einen Komprimierungsbereich 60 mit darin eingebetteten
kurzen, verstärkenden
Fasern 62. Der Körper 54 weist
eine Pufferkautschukschicht 64 mit erfindungsgemäßen lasttragenden
Schnüren 66 auf,
die darin eingebettet sind und sich längs auf einem endlosen Weg
durch den Riemenkörper 54 erstrecken.
Eine Kautschukimprägnierte
Segeltuchgewebeschicht 68 wird auf der Innenfläche 70 des
Komprimierungsbereichs 60 aufgebracht. Drei solche Schichten 68 werden
auf der äußeren Fläche 72 der
Pufferkautschukschicht 64 aufgebracht.
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Weitere
erfindungsgemäße Beispiele
werden nachfolgen beschrieben und mit konventionellen Riemenproben
verglichen.
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Erfindungsgemäße Beispiele
1 bis 5 und Vergleichsbeispiele 1 bis 4
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Die
erste Verarbeitungsflüssigkeit
wurde durch Kombinieren und gründliches
Mischen von 10 Gewichtsanteilen PAPI-135 (von Mitsubishi Chemical Draw Co.
hergestellte Polyisocyanat-Verbindung) und 90 Gewichtsanteilen Toluol
hergestellt.
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Eine
zweite Verarbeitungsflüssigkeit
wie in Tabelle 2 unten wurde hergestellt.
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11,0
Gewichtsanteile Resorcin, 16,2 Gewichtsanteile von 37%-Formalin
und 3,0 Gewichtsanteile einer wässrigen
Lösung
von 10%-Natriumhydroxid wurden 235,8 Gewichtsanteilen Wasser zugefügt. Die
Bestandteile wurden vollständig
gemischt und bei 25°C
sechs Stunden lang ausgehärtet.
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In
einem getrennten Arbeitsgang wurden 59,2 Gewichtsanteile Wasser
100 Gewichtsanteilen von NBR Latex (Kautschukgehalt 40%) zugefügt und gemischt.
Diese Mischung wurde anschließend
der oben hergestellten Resorcin-Formalin-Reaktionsflüssigkeit,
während
die Mischung schrittweise gerührt
wurde, bis ein gleichförmiger
Zustand erreicht wurde. Die Mischung wurde dann bei 25°C 20 Stunden
lang ausgehärtet,
um die zweite Verarbeitungsflüssigkeit
zu erhalten.
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Eine
dritte Verarbeitungsflüssigkeit,
die eine adhäsive
Nitrilkautschukzusammensetzung ist, wie in Tabelle 3 ausgeführt, wurde
hergestellt.
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Alle
Chemikalien außer
Schwefel wurden in einem BP Banbury-Mischer in einem vorbereitenden Schritt
gemischt. Die resultierende Mischung wurde in nicht-vulkanisierte
Kautschuk-Blätter
ausgebildet, indem eine Laborrolle, der Schwefel zugefügt wurde,
verwendet wurde. Die resultierende Zusammensetzung wurde dann in
Toluol gelöst,
um eine Kautschukpaste herzustellen, die einen Feststoffgehalt von
1 bis 9% aufweist. Eine Isocyanatverbindung (PAPI-135) wurde dieser
Kautschukpaste zugefügt.
Das Gewichtsverhältnis der
Isocyanatverbindung zur Nitrilkautschukzusammensetzung reichte von
1 : 4 bis 2 : 1. Zehn Arten der dritten Verarbeitungsflüssigkeit
wurden daher wie in Tabelle 4 beschrieben hergestellt.
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Die
Faserschnüre
wurden mit den oben hergestellten Verarbeitungsflüssigkeiten
verarbeitet und die resultierenden Faserschnüre wurden auf Adhäsion an
einer hydrierten Nitril-Kautschukzusammensetzung wie unten beschrieben
untersucht. Die verarbeiteten Faserschnüre wurden in innenverzahnte
Keilriemen eingebracht, welche den Lauftests wie unten beschrieben
ausgesetzt wurden.
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Ausbildung der Faserschnüre
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Schnüre aus Polyethylen-Terephthalatfaser
wurden ausgebildet, indem 5 Bündel
mit jeweils 1100 Denier verwendet wurden und bei einer Primärverdrillungszahl
von 29/10 cm und einer Endverdrillungszahl von 13/10 cm verdrillt
wurden. Die Schnüre
wurden in die erste oben hergestellte Verarbeitungsflüssigkeit
getaucht und auf 180°C
für 5 Mi nuten
erhitzt. Die Schnüre
wurden dann in die zweite Verarbeitungsflüssigkeit getaucht, auf 230°C für 2 Minuten
erhitzt, und schließlich
in die dritte Verarbeitungsflüssigkeit
getaucht und bei 160°C
für 5 Minuten
getrocknet. Für
diese Behandlung wurde ein Schnurverarbeitungsgerät verwendet.
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Adhäsionstest
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Die
verarbeiteten Schnüre
wurden Tests zur Adhäsion
an der hydrierten Nitril-Kautschukzusammensetzung wie in Tabelle
5 unten dargestellt unterzogen, um die Kraft zum Ablösen der
Schnüre
vom Kautschuk zu bestimmen.
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Eine
Vielzahl der verarbeiteten Fasern wurde dicht Seite an Seite angeordnet,
um eine Gesamtbreite von 25 mm zu schaffen und bei einer Temperatur
von 150°C
und einem Druck von 2 kPa für
30 Minuten gegen die hydrierte Nitril-Kautschukzusammensetzung gepresst,
um eine Blatt probe herzustellen, die eine Breite von 25 mm, eine
Länge von
140 mm und eine Dicke von 4 mm aufweist. Unter Verwendung eines
Zugtestgerätes wurde
die Ablösekraft
der Proben bei Raumtemperatur und bei 100°C gemessen. Zusätzlich wurde
die Testprobe thermisch bei 120°C
8 Tage lang ausgehärtet
und dem gleichen Zugtest bei Raumtemperatur unterzogen. Die aus
diesen Tests erhaltenen Daten sind in Tabelle 6 unten und in den 3 und 4 dargestellt.
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Ausbildung von innenverzahnten
Keilriemen
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Ein
Blatt aus glatter gewobener Struktur, das Baumwollgarn und Schussgarn
(weft yarn) aufweist, wurde mit hydriertem Nitril-Kautschuk, der
eine Zusammensetzung wie in Tabelle 5 aufweist, durch Reibungsbeschichtung
imprägniert.
Das Segeltuch wurde um eine zylindrische Form gewunden, um eine
einlagige Segeltuchschicht auszubilden. Die verarbeitete Faserschnur
aus Beispiel 2 wurde dann um die Form gewickelt, gefolgt von einem
Kautschukblatt aus ACSM-Kautschuk mit einer Zusammensetzung wie
in Tabelle 6. Die resultierende Riemenhülse wurde auf konventionelle
Art bei 160°C
für 30
Minuten vulkanisiert.
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Die
vulkanisierte Kautschukhülse
wurde um beabstandete Antriebs- und angetriebene Rollen in eine Schleifvorrichtung
gelegt (trained) und darum unter Spannung rotiert. Ein Schleifrad
mit 150 mesh Diamant (mesh diamond) auf seiner Oberfläche wurde
gegen die Hülse
gepresst und mit 1600 Umdrehungen pro Minute rotiert, um dadurch
Rippen darauf auszubilden. Die gerippte Hülse wurde der Schleifvorrichtung
entnommen und in Riemen vorbestimmter Breite geschnitten, als die
Hülse rotiert
wurde. Die resultierenden Riemen waren K-Typ3-fach gerippte Riemen,
die eine Länge
von 1100 mm entsprechend dem RMA-Standard aufwiesen. Die Riemen
wiesen einen Rippenabstand von 3,56 mm, eine Rippenhöhe von 2,9
mm und einen Rippenwinkel von 40° auf.
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Riemen-Lauftest
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Die
innenverzahnten Keilriemen wurden in ein triaxiales Rollensystem
eingelegt, das eine antreibende Rolle und eine angetriebene Rolle
mit jeweils 120 mm Durchmesser und eine Spannungsrolle mit einem Durchmesser
von 45 mm aufwies. Eine Spannung von 830 N wurde auf den Riemen
von der Spannungsrolle übertragen.
Der Riemen wurde bei einer Umgebungstemperatur von 85°C betrieben,
wobei die antreibende Rolle mit 4900 U/min rotierte und eine Last
von 12 PS an der angetriebenen Rolle aufgebracht war.
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Der
angetriebene Riemen wurde beobachtet, um zu bestimmen, ob sich Brüche in den
Rippen bilden. Die Zeit, bevor die Schnüre im Riemen barsten (popped
out), wurde ebenfalls gemessen. Die erstellten Daten sind in Tabelle
7 unten angegeben.
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Analyse der Daten
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In
den erfindungsgemäßen Beispielen
mit dem Gewichtsverhältnis
der Isocyanatverbindung zur Nitril-Kautschukzusammensetzung in der
dritten Verarbeitungsflüssigkeit
zwischen 1 : 1 und 1 : 3 und mit dem Feststoffgehalt der dritten
Verarbeitungsflüssigkeit
von 3 bis 7% war die Ablösekraft
zwischen dem Kautschuk und den Faserschnüren hoch, wie in den 4 und 5 dargestellt. Wenn das Gewichtsverhältnis der
Isocyanatverbindung zur Acrylonitril-Butadien-Kautschukzusammensetzung
in der dritten Verarbeitungsflüssigkeit größer als
2 : 1 war, wurde der Klebstoff aufgrund seiner schlechten Stabilität während der
Behandlung der Fasern verfestigt. Wenn das Verhältnis kleiner als 1 : 3 war,
wurde die Ablösekraft
zwischen dem Kautschuk und den Faserschnüren deutlich verringert.
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Es
wurde weiter beobachtet, dass bei einem Feststoffgehalt der dritten
Verarbeitungsflüssigkeit
von weniger als 3% oder mehr als 7% die Ablösekraft zwischen dem Kautschuk
und den Faserschnüren
verringert wurde.
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Die
Lauftests belegen, dass bei einem Gewichtsverhältnis der Isocyanatverbindung
zur Acrylonitril-Butadien-Kautschukzusammensetzung
in der verwendeten dritten Verarbeitungsflüssigkeit zwischen 1 : 1 und
1 : 3 und einem Feststoffgehalt der dritten Verarbeitungsflüssigkeit
zwischen 3% und 7% die Ablösekraft
zwischen den Faserschnüren
und der adhäsiven
Kautschukschicht in den Riemen hoch ist. Gleichzeitig bleiben die
adhäsiv-verarbeiteten
Schnüre
flexibel, mit dem Ergebnis, dass die Lebensdauer der Riemen groß ist.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
die Herstellung einer adhäsiv-verarbeiteten
Faser, die eine gute Adhäsion
aufweist, ohne dass die Verwendung eines halogenhaltigen Polymers
erforderlich ist. Das Verwenden der Faser in lasttragenden Schnüren in einem
Antriebsriemen kann zu einer langen Lebensdauer führen, sogar
dann, wenn der Riemen in einer Hochtemperaturumgebung betrieben
wird.
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Die
vorstehende Offenbarung spezieller Ausführungsformen beabsichtigt die
Veranschaulichung der breiten Konzepte, welche die Erfindung beinhaltet.
