DE69915095T2

DE69915095T2 - Treibriemen

Info

Publication number: DE69915095T2
Application number: DE69915095T
Authority: DE
Inventors: F. Kevin J. Moffat WHITFIELD
Original assignee: Gates Corp
Current assignee: Gates Corp
Priority date: 1998-11-19
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2019-11-20
Also published as: ES2216613T5; HUP0104225A2; DE69915095D1; ATE260425T1; EP1129308B2; KR20010080511A; CA2349707A1; PL196910B1; JP2005282861A; AU1917400A; DE69915095T3; KR100396354B1; WO2000029762A1; CA2349707C; DE1129308T1; RU2224151C2; ES2216613T3; JP2003501590A; HU223591B1; AU755651B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf endlose Kraftübertragungsriemen mit ausgezeichneter Hochtemperaturbeständigkeit sowie erheblich verbesserter Tieftemperatur-Rissbeständigkeit. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf endlose Kraftübertragungsriemen, die aus einem faserverstärkten nitrilgruppenhaltigen, hochgradig gesättigten Copolymerkautschuk hergestellt sind und eine gute Ausgewogenheit von Hochtemperaturbeständigkeit, guter Riemenhaltbarkeit und Tieftemperatur-Rissbeständigkeit aufweisen, und ein Verfahren dafür. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf Synchronriemen und Reibungskraftübertragungsriemen, die aus einem faserverstärkten nitrilgruppenhaltigen, hochgradig gesättigten Copolymerkautschuk hergestellt sind und eine gute Riemenhaltbarkeit und einen guten Arbeitsbereich von etwa –40°C bis etwa 140°C aufweisen.
Kraftübertragungsriemen, die mit Zahnriemenscheiben (oder Zahnscheiben oder Rillenscheiben) verwendet werden, sind in der Technik wohlbekannt. Die am weitesten verbreiteten dieser Zahnriemen sind sogenannte Synchronriemen oder zwangläufig angetriebene Riemen. Es ist wohlbekannt, einen Zahnriemen zu verwenden, um eine Synchronisierung zwischen zwei rotierenden Wellen zu erhalten, wobei der Riemen einen Rückenflächenbereich, eine Menge von beabstandeten Zähnen, die sich gegenüber dem Rückenflächenbereich befinden, wobei zwischen zwei benachbarten Zähnen eine Zahnfuge gebildet wird, eine Zugschicht, die sich zwischen dem Rückenflächenbereich und der Menge von Zähnen befindet und mit diesen in Kontakt steht, und vorzugsweise eine Abdeckung für jeden der Zähne und jede der Zahnfugen umfasst, wobei die Rückenfläche und die Menge von Zähnen aus einem elastomeren Material bestehen. Bestimmte Anwendungen, zum Beispiel Kraftfahrzeuganwendungen, stellen hohe Anforderungen an Kraftübertragungsriemen, einschließlich eines hohen Grads an Haltbarkeit und eines breiten Arbeitstemperaturbereichs.
Im Betrieb ist der Kraftübertragungszahnriemen der größten Belastung am Boden jedes Zahns ausgesetzt, wenn dieser mit entsprechenden Zähnen der Riemenscheibe ineinandergreift, um Kraft zu übertragen. Da diese Belastung im Wesentlichen vom elastomeren Material ausgehalten wird, besitzt das Material günstigerweise einen hohen E-Modul, so dass der Zahnriemen eine hohe Belastung aushalten kann. Es ist bekannt; die Menge an Füllstoff, z. B. Ruß, in dem Riemenelastomer zu erhöhen, um den E-Modul des vulkanisierten Kautschuks zu erhöhen. Es ist jedoch bekannt, dass eine Erhöhung des Füllstoffgehalts einen nachteiligen Einfluss auf die Riemenleistung sowohl bei hohen als auch bei tiefen Temperaturen hat. Sowohl eine schlechte Hochtemperaturalterungsbeständigkeit als auch eine schlechte Tieftemperaturfähigkeit manifestieren sich bei einem Synchronriemen durch die Bildung von Rissen im Rückenflächenbereich.
Es wurde auch vorgeschlagen, ein Faserverstärkungsmittel in die Matrix der elastomeren Komponenten des Riemens einzubauen, um die Scherfestigkeit der Zähne zu erhöhen. Es gab einige Kritik in Bezug auf die praktische Anwendung dieser Technik bezüglich ihres Einflusses auf die Zugfestigkeit des Riemens. Synchronriemen werden typischerweise durch eines von drei Verfahren hergestellt: das Verfahren der extrudierten Zähne, wie es von Case im US-Patent Nr. 2,507,852 beschrieben wird, das Zahnvorformverfahren, wie es von Geist et al. im US-Patent Nr. 3,250,653 beschrieben wird, oder das Durchflussverfahren, wie es von Skura im US-Patent Nr. 3,078,206 beschrieben wird. In Bezug auf die Faserbeladung des Riemenelastomers wurde festgestellt, dass mit dem Durchflussverfahren von Skura hergestellte faserverstärkte Zahnriemen in der Praxis eine reduzierte Zugfestigkeit aufweisen, da die Zugelemente weiter auseinander liegen müssen als bei nichtfaserbeladenen Elastomerriemen, damit das fasergefüllte elastomere Material durch die Zugelemente fließen kann.
Wie oben angemerkt, müssen Kraftübertragungsriemen, zum Beispiel Kraftfahrzeug-Synchronriemen, im Allgemeinen bei immer tiefern und höheren Temperaturen arbeiten. Synchronriemen können zum Beispiel verwendet werden, um die obenliegende Nockenwelle eines Autos anzutreiben. Es ist nicht ungewöhnlich, wenn die Betriebstemperatur des Riemens bei solchen Anwendungen 140°C erreicht. Das für die Rückenfläche und die Menge von Zähnen verwendete elastomere Material wird in solchen rauen Umgebungen anfällig für Wärmealterung, was zu schwerer Rissbildung und vorzeitigem Versagen führen kann.
Es wurde vorgeschlagen, das elastomere Material des Riemens mit bestimmten Arten von Fasern zu beladen, um seine Hochtemperaturbeständigkeit zu verbessern. Die Zugabe der Faser zu dem ungehärteten Elastomer hat jedoch die Wirkung, sowohl die Viskosität des ungehärteten Materials als auch den E-Modul, d. h. die Härte oder Steifigkeit, des Materials im vulkanisierten Zustand zu erhöhen. In Klimaten mit kaltem Wetter können die Umgebungstemperaturen –40°C oder darunter erreichen. Je höher der E-Modul und die Härte eines elastomeren Materials, desto schlechter sind jedoch seine Tieftemperaturflexibilität und Rissbeständigkeit.
Die US-Patente Nr. 5,250,010 (Mishima et al.) und 5,254,050 (Nakajima et al.) zeigen die experimentellen Tests, die mit Rippenkeilriemen durchgeführt wurden, um die Wärmebeständigkeit und Tieftemperaturbeständigkeit im Bereich von –30°C bis 130°C bzw. –30°C bis 120°C zu messen, offenbaren jedoch keinen Kraftübertragungsriemen mit guter Haltbarkeit über einen Arbeitsbereich von etwa –40°C bis etwa 140°C. Hochtemperaturbeständigkeit und gute Belastungsfähigkeit kann bei einem Synchronriemen erhalten werden, der elastomere Teile aufweist, die aus einem herkömmlichen hydrierten Nitril-Butadien-Kautschuk-(HNBR)-Copolymer bestehen, in das nur zwei Monomere eingebaut sind. Es ist jedoch nicht bekannt, dass Synchronriemen aus solchen HNBR-Copolymeren eine gute Tieftemperaturflexibilität oder Rissbeständigkeit unterhalb von –30°C oder –35°C zeigen.
Insbesondere im Bereich von Synchronriemen und Reibungskraftübertragungsriemen aus Kautschukelastomer besteht weiterhin das Bedürfnis nach einem Kraftübertragungsriemen, der eine gute Ausgewogenheit von Hochtemperaturbeständigkeit, guter Riemenhaltbarkeit und Tieftemperatur-Rissbeständigkeit aufweist.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt einen Kraftübertragungszahnriemen gemäß Anspruch 1 bereit.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Summe der Gehalte der Monomereinheiten (1) und (2) etwa 30 bis 90 Gew.-%, und die Summe der Gehalte der Monomereinheiten (3) und (4) beträgt etwa 10 bis etwa 70 Gew.-%. Weiterhin wird ein Verfahren zur Bildung eines solchen Riemens bereitgestellt.
Es hat sich unerwarteterweise gezeigt, dass die Verwendung der Faserverstärkung in dem wenigstens partiell hydrierten nitrilgruppenhaltigen Copolymerkautschuk eine wesentlich verbesserte Tieftemperatur-Rissbeständigkeit ergibt, während die Hochtemperaturbeständigkeit des Riemens im Vergleich zu herkömmlichen Riemen erhalten bleibt oder verbessert wird. Die Erfindung stellt weiterhin einen Kraftübertragungsriemen mit einem Arbeitsbereich von etwa –40°C bis etwa 140°C sowie mit guter Riemenhaltbarkeit bereit.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bildung eines Kraftübertragungszahnriemens gemäß Anspruch 13.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Begleitzeichnungen, die in die Beschreibung aufgenommen sind und einen Bestandteil davon bilden und in denen gleiche Zahlen gleiche Teile bezeichnen, zeigen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
In den Zeichnungen sind:
1 eine zum Teil angeschnittene perspektivische Ansicht eines Synchronriemens, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
2 eine zum Teil angeschnittene perspektivische Ansicht eines Vergleichs-Rippenkeilriemens;
3 eine Längsschnittansicht eines Synchronriemens, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
4 ein schematisches Diagramm, das eine Riemenscheibenanordnung für einen Synchronriemen-Kaltrisstest zeigt; und
5 ein schematisches Diagramm, das eine Riemenscheibenanordnung für einen Synchronriemen-Wärmebeständigkeitstest zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt einen Synchronriemen 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Riemen 10 umfasst einen Hauptriemenkörperteil oder Rückenflächenbereich 12 und einen zweiten Teil, der geeignet ist, in eine Zahnriemenscheibe oder Rillenscheibe einzugreifen, wobei der Teil hier eine Menge von Zähnen 16 und Zahnfugen 18, die zwischen zwei benachbarten Zähnen gebildet sind, umfasst. Wenigstens entweder der Rückenflächenbereich 12 oder die Menge von Zähnen 16 besteht aus einem elastomeren Material, das mit Faser 40 verstärkt ist (schematisch gezeigt). Die Zahnform ist nicht auf die in 1 gezeigte Form beschränkt, so dass jede geeignete Zahnform für den Synchronriemen verwendet werden kann, einschließlich der in 3 gezeigten.
Eine Zugschicht 20, die sich zwischen dem Rückenflächenbereich 12 und der Menge von Zähnen 16 befindet und mit diesen in Kontakt steht, gibt dem Riemen 10 Halt und Festigkeit. In 1 liegt die Zugschicht in Form von wenigstens einem endlosen, helikal angeordneten dehnungsbeständigen Kord 22 vor, der im elastomeren Material eingebettet ist und längs entlang der Länge des Riemens 10 angeordnet ist. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass jeder Typ einer geeigneten oder herkömmlichen Zugschicht 20 verwendet werden kann. Außerdem kann jedes gewünschte Material als dehnungsbeständiger Kord oder dehnungsbeständige Korde 22 verwendet werden, wie Baumwolle, Rayon, Nylon, Polyester, Aramid, Glas, Kohle und Stahl. In der bevorzugten Ausführungsform von 1 liegt die Zugschicht in Form einer Menge von dehnungsbeständigen Glasfaserkordenden vor, die aus einem Paar von endlosen, helikal gewundenen Korden gebildet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Verstärkungsfasern 40 vorzugsweise im Wesentlichen im gesamten Körper des Riemens, der aus dem Rückenflächenabschnitt 12 und den Zähnen 16 besteht, verteilt. Gemäß der vorliegenden Erfindung helfen vermutlich die Fasern 40 im Rückenflächenabschnitt 12 dabei, die Ausbreitung von Rissen im Rückenflächenabschnitt aufzuhalten; Kälte- oder Wärmealterungsrisse, die im Rückenflächenabschnitt beginnen können, wachsen, bis der Riss auf die Faserverstärkung 40 trifft. So hemmt die Faser vermutlich das Wachstum des Risses und verbessert dadurch die Leistungsfähigkeit des Riemens sowohl bei hohen als auch bei tiefen Temperaturen. Die Fasern 40 in den Zähnen 16 erhöhen überdies die Scherfestigkeit der Zähne und ergeben so eine höhere Belastungsfähigkeit als bei einem ähnlichen Riemen, der ohne Faserverstärkung hergestellt ist.
Eine Abdeckung 24 kann verwendet werden, die sich innig an die Menge von Zähnen 16 und Zahnfugen 18 des Riemens 10 anpasst, so dass eine verstärkende Textilabdeckung dafür entsteht. Diese Abdeckung kann jede gewünschte Konfiguration haben, wie eine herkömmliche Webstruktur, die aus unter einem beliebigen Winkel verlaufenden Kett- und Schussfäden besteht, oder sie kann aus Kettfäden bestehen, die durch beabstandete Schussschnüre zusammengehalten werden, oder eine gewirkte oder geflochtene Konfiguration haben, ein Stretchgewebe, ein Vliesstoff und dergleichen sein. Es kann auch mehr als eine Lage Textilstoff eingesetzt werden. Es können herkömmliche Textilstoffe eingesetzt werden, wobei man solche Materialien wie Baumwolle, Polyester, Polyamid, Aramid, Nylon, verschiedene andere natürliche und synthetische Fasern und Gemische davon verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Abdeckung 24 aus einem Stretchgewebe aus Nylon-6,6.
Der Synchronriemen 10 kann nach jedem geeigneten Verfahren zur Herstellung von zwangläufig angetriebenen Zahnriemen hergestellt werden. Dazu gehören das Verfahren der extrudierten Zähne, wie es von Case im US-Patent Nr. 2,507,852 beschrieben wird, das Zahnvorformverfahren, wie es von Geist et al. im US-Patent Nr. 3,250,653 beschrieben wird, oder das Durchflussverfahren, wie es von Skura im US-Patent Nr. 3,078,206 beschrieben wird.
Die Zugabe von Fasern führt bei einem elastomeren Material im Allgemeinen dazu, dass das Material eine erhöhte Viskosität hat. Das US-Patent Nr. 4,235,119 (Wetzel) berichtet, dass zur Herstellung eines guten Zahnprofils bei einem faserverstärkten Synchronriemen, der nach dem Durchflussverfahren von Skura hergestellt wird, der bzw. die endlosen helikal gewundenen dehnungsbeständigen Korde innerhalb der Zugschicht weiter voneinander entfernt sein müssen als bei einem nichtfaserverstärkten Riemen. Zum Beispiel würde man bei einem Synchronriemen mit einem Zahnabstand zwischen 8 mm und 10 mm und wenigstens einem endlosen, helikal angeordneten dehnungsbeständigen Glasfaserkord mit einem Durchmesser von etwa 1,15 mm einen Standardkordabstand von 18 bis 20 Strängen pro inch (7 bis 8 Strängen pro cm) Riemenbreite verwenden. Doch wenn man einen Riemen aus einer hochviskosen Verbindung, wie aus einem faserverstärkten elastomeren Material, herstellt, kann es notwendig sein, die dehnungsbeständigen helikal gewundenen Korde weiter voneinan der zu beabstanden, was die Zahl der gewundenen Korde um etwa 2 Stränge pro inch (0,8 Stränge pro cm) reduzieren würde. Eine weitere Beabstandung der dehnungsbeständigen gewundenen Korde führt jedoch im Allgemeinen zu einer Reduktion der Zugfestigkeit des Riemens. Umgekehrt hat sich bei der praktischen Ausführung der vorliegenden Erfindung überraschenderweise gezeigt, dass die dehnungsbeständigen helikal gewundenen Korde nicht weiter beabstandet werden müssen, wenn man das Durchflussverfahren von Skura verwendet. Obwohl es unerwartet ist, mit einem faserverstärkten elastomeren Material einen Standardkordabstand zu verwenden, wird in der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ein Standardkordabstand verwendet. Dieser Standardkordabstand führt zu keiner Reduktion der Zugfestigkeit des Synchronriemens. In einer bevorzugten Ausführungsform verwendet ein Synchronriemen mit einem Zahnabstand zwischen 8 mm und 10 mm, besonders bevorzugt etwa 9,5 mm, und einem Paar von endlosen helikal angeordneten dehnungsbeständigen Glasfaserkorden mit einem Durchmesser von etwa 1,15 mm einen Standardkordabstand von 18 bis 20 Strängen pro inch (7 bis 8 Strängen pro cm) Riemenbreite.
2 zeigt einen Vergleichs-Rippenkeilriemen 32. Der Rippenkeilriemen 32 hat eine Kompressionsschicht 14, die die Riemen- oder Rillenscheibenkontaktfläche des Riemens bildet, und eine Zugschicht 12, die den Hauptkörperteil des Riemens bildet. Wenigstens entweder die Zugschicht 12 oder die Kompressionsschicht 14 besteht aus einem faserverstärkten elastomeren Material, wie es für den Synchronriemen von 1, d. h. seinen Rückenflächenbereich 12 und seine Menge von Zähnen 16, beschrieben wurde. Eine Menge von keilförmigen Rippen 36 mit Rillen 38, die zwischen benachbarten Rippen 36 definiert sind, sind in der Kompressionsschicht 14 gebildet, um eine passende Riemenscheibe (nicht gezeigt) aufzunehmen. Wenigstens ein Zugkord 22 ist in dem elastomeren Material eingebettet und erstreckt sich in Längsrichtung des Rippenkeilriemens in endloser helikaler Weise zwischen der Zugschicht 12 und der Kompressionsschicht 14. Der bzw. die Zugkorde 22 bestehen aus einem ähnlichen Material, wie es für die oben genannten dehnungsbeständigen Korde von 1 verwendet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Riemen, wie er zum Beispiel in den 1 und 2 beschrieben ist, als Hauptriemenkörperteil das unten beschriebene elastomere Material. Dieses elastomere Material umfasst 100 Gewichtsteile eines wenigstens partiell hydrierten nitrilgruppenhaltigen Copolymerkautschuks und etwa 0,5 bis etwa 50 Teile einer Faserverstärkung 40 pro 100 Gewichtsteile des nitrilgruppenhaltigen Copolymerkautschuks. Im Zusammenhang der vorliegenden Offenbarung wird der Ausdruck "Copolymer" verwendet, um ein Elastomer zu bezeichnen, das durch die Polymerisation von zwei oder mehr verschiedenen Monomeren hergestellt wird.
Wenigstens partiell hydrierte Nitrilcopolymerkautschuke gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind zum Beispiel in den folgenden drei US-Patenten offenbart: US-Patent Nr. 4,956,417, US-Patent Nr. 5,013,796 und US-Patent Nr. 5,013,797.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der wenigstens partiell hydrierte nitrilgruppenhaltige Copolymerkautschuk hochgradig gesättigt und umfasst (1) etwa 5 bis etwa 40% ungesättigte Nitrilmonomereinheiten, (2) etwa 1 bis etwa 80% Einheiten von wenigstens einem zweiten Monomer, das die Eigenschaft besitzt, die Glasübergangstemperatur des Kautschuks zu senken, (3) bis zu etwa 20% konjugierte Dienmonomereinheiten und (4) als Rest hydrierte konjugierte Dienmonomereinheiten. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Summe der Gehalte der Monomereinheiten (1) und (2) etwa 30 bis 90 Gew.-%, und die Summe der Gehalte der Monomereinheiten (3) und (4) beträgt etwa 10 bis etwa 70 Gew.-%.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Einheiten aus dem oben genannten wenigstens einen zweiten Monomer (2) aus der Gruppe ausgewählt, die aus fluorfreien ungesättigten Carbonsäureester-Monomereinheiten und fluorhaltigen Vinylmonomereinheiten besteht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, bei der ein fluorfreies ungesättigtes Carbonsäureester-Monomer als zweites Monomer verwendet wird, umfasst der nitrilgruppenhaltige, hochgradig gesättigte Copolymerkautschuk (1) etwa 10 bis etwa 35% ungesättigte Nitrilmonomereinheiten, (2) etwa 15 bis etwa 60% fluorfreie ungesättigte Carbonsäureester-Monomereinheiten, (3) bis zu etwa 15% konjugierte Dienmonomereinheiten und (4) als Rest hydrierte konjugierte Dienmonomereinheiten, wobei die Summe der Gehalte der Monomereinheiten (1) und (2) etwa 40 bis 90 Gew.-%, am meisten bevorzugt etwa 55 bis 90 Gew.-%, beträgt und die Summe der Gehalte der Monomereinheiten (3) und (4) etwa 10 bis etwa 60 Gew.-%, am meisten bevorzugt etwa 10 bis etwa 45 Gew.-%, beträgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, bei der ein fluorhaltiges Vinylmonomer als zweites Monomer verwendet wird, umfasst der nitrilgruppenhaltige, hochgradig gesättigte Copolymerkautschuk (1) etwa 10 bis etwa 35% ungesättigte Nitrilmonomereinheiten, (2) etwa 15 bis etwa 60% fluorhaltige Vinylmonomereinheiten, (3) bis zu etwa 15% konjugierte Dienmonomereinheiten und (4) als Rest hydrierte konjugierte Dienmonomereinheiten, wobei die Summe der Gehalte der Monomereinheiten (1) und (2) etwa 40 bis 90 Gew.-% beträgt und die Summe der Gehalte der Monomereinheiten (3) und (4) etwa 10 bis etwa 60 Gew.-% beträgt.
Zu den für diese Erfindung geeigneten ungesättigten Nitrilmonomeren gehören unter anderem Acrylnitril, Methacrylnitril und α-Chloracrylnitril.
Zu den zweiten Monomeren, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus einem fluorfreien ungesättigten Carbonsäureester-Monomer und einem fluorhaltigen Vinylmonomer besteht, gehören unter anderem die folgenden:

(a) fluorfreie ungesättigte Carbonsäureester-Monomere: (i) Alkylacrylate und -methacrylate mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen in der Alkylgruppe, wie Methylacrylat, Ethylacrylat, Propylacrylat, n-Butylacrylat und 2-Ethylhexylacrylat; (ii) Alkoxyalkylacrylate mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen in der Alkoxyalkylgruppe, wie Methoxymethylacrylat, Methoxyethylacrylat, Ethoxyethylacrylat und Butoxyethylacrylat; (iii) Cyanoalkylacrylate mit 2 bis etwa 12 Kohlenstoffatomen in der Cyanoalkylgruppe, wie α- und β-Cyanoethylacrylate, α-, β- und γ-Cyanopropylacrylate und Cyanobutylacrylat; (iv) Hydroxyalkylacrylate mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen in der Hydroxyalkylgruppe, wie 2-Hydroxyethylacrylat und Hydroxypropylacrylat; (v) Aminoalkylester von ethylenisch ungesättigten Carbonsäuren mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen in der Aminoalkylgruppe, wie Methylaminoethylacrylat, t-Butylaminoethylacrylat, Dimethylaminoethylacrylat, Dimethylaminopropylacrylat und Diethylaminoethylmethacrylat; (vi) Mono- und Dialkylester von ungesättigten Carbonsäuren mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen in der Alkylgruppe, wie Monoethylmaleat, Dimethylmaleat, Dimethylfumarat, Diethylfumarat, Dimethylitaconat, Diethylitaconat und Di-n-butylitaconat;
(b) fluorhaltige Vinylmonomere: (i) Fluoralkylacrylate und -methacrylate mit 3 bis 21 Fluoratomen in der Fluoralkylgruppe, wie Trifluorethylacrylat, Tetrafluorpropylacrylat, Pentafluorpropylacrylat, Octafluorpentylacrylat, Trifluorethylmethacrylat und Tetrafluorpropylmethacrylat; (ii) fluorsubstituierte Benzylacrylate und -methacrylate, wie Fluorbenzylacrylat, Difluorbenzylacrylat und Fluorbenzylmethacrylat; (iii) Fluoralkylvinylether mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen in der Fluoralkylgruppe, wie Fluorethylvinylether, Fluorpropylvinylether und Trifluormethylvinylether; (iv) o- und p-Trifluormethylstyrole, Vinylpentafluorbenzoat, Difluorethylen und Tetrafluorethylen.

Zu den für diese Erfindung geeigneten konjugierten Dienmonomeren gehören unter anderem 1,3-Butadien, 2,3-Dimethylbutadien, Isopren und 1,3-Pentadien.
Beispiele für nitrilgruppenhaltige, hochgradig gesättigte Copolymerkautschuke, die für die praktische Durchführung der vorliegenden Erfindung bevorzugt sind, sind von Bayer unter dem Warenzeichen Therban, Sortennummer XN535C und auch von Nippon Zeon unter dem Warenzeichen Zetpol, Sortennummer 4110, 4120, 3110 und 3120, erhältlich.
Zur Bildung des elastomeren Materials der vorliegenden Erfindung kann der nitrilgruppenhaltige, hochgradig gesättigte Copolymerkautschuk gegebenenfalls mit vorzugsweise weniger als 50 Gew.-%, besonders bevorzugt bis zu etwa 25 Gew.-% und am meisten bevorzugt bis zu etwa 10 Gew.-%, bezogen auf den Gesamtelastomergehalt des Gemischs, eines zweiten elastomeren Materials gemischt sein; dazu gehören unter anderem Ethylen-alpha-Olefin-Copolymere und -Terpolymere, Nitril-Butadien-Copolymere, Epichlorhydrin-Kautschuk, Ethylen-Vinylacetat-Copolymere, trans-Polyoctenamer, Polyacryl-Kautschuk, Polybutadien, Isobuten-Isopren-Copolymere, halogenierte Isobuten-Isopren-Copolymere, Ethylen-Acryl-Elastomere, Polyisopren-Kautschuk (natürlich oder synthetisch), Silikonkautschuk, Polychloropren, Polyurethan-Elastomere und Gemische davon, so dass man einen Kraftübertragungsriemen, der eine gute Ausgewogenheit von Hochtemperaturbeständigkeit, guter Riemenhaltbarkeit und Tieftempe- ratur-Rissbeständigkeit aufweist, mit einem Arbeitsbereich von etwa –40°C bis etwa 140°C oder darüber erhält.
Zu der Art von Fasern 40, die vorteilhafterweise als Verstärkung für das Riemenelastomer verwendet werden können, gehören meta-Aramide, para-Aramide, Polyester, Polyamid, Baumwolle, Rayon und Glas sowie Kombinationen von zwei oder mehr der obigen, doch vorzugsweise handelt es sich um para-Aramid. Die Fasern können, wenn es für einen gegebenen Fasertyp möglich ist, fibrilliert oder aufgeschlossen sein, wie in der Technik wohlbekannt ist, um ihre spezifische Oberfläche zu erhöhen, oder sie können gehackt sein oder in Form einer Stapelfaser vorliegen. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung sollen die Ausdrücke "fibrilliert" und "aufgeschlossen" mit derselben Bedeutung verwendet werden, um dieselben bekannten Eigenschaften zu bezeichnen, und die Ausdrücke "gehackt" oder "Stapelfaser" werden mit derselben Bedeutung verwendet, um das besondere bekannte Merkmal zu bezeichnen. Die Fasern 40 haben vorzugsweise eine Länge von etwa 0,1 bis etwa 10 mm. Die Fasern können gegebenenfalls nach Wunsch behandelt werden, was zum Teil auf dem Fasertyp beruht, um ihre Haftung an dem Elastomer zu verbessern. Ein Beispiel für eine Faserbehandlung ist irgendein geeigneter Resorcinformaldehydlatex (RFL).
In einer bevorzugten Ausführungsform, in der die Fasern Stapelfasern bzw. gehackt sind, können die Fasern 40 aus einem Polyamid, Rayon oder Glas gebildet sein und ein Aspektverhältnis oder "L/D" (Verhältnis von Faserlänge zu Durchmesser) haben, das vorzugsweise gleich 10 oder größer ist. Außerdem haben die Fasern vorzugsweise eine Länge von etwa 0,1 bis etwa 5 mm.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform, bei der die Fasern aufgeschlossen bzw. fibrilliert sind, sind die Fasern vorzugsweise aus para-Aramid gebildet und besitzen eine spezifische Oberfläche von etwa 1 m²/g bis etwa 15 m²/g, besonders bevorzugt etwa 3 m²/g bis etwa 12 m²/g, am meisten bevorzugt etwa 6 m²/g bis etwa 8 m²/g, und/oder eine mittlere Faserlänge von etwa 0,1 mm bis etwa 5,0 mm, besonders bevorzugt etwa 0,3 mm bis etwa 3,5 mm und am meisten bevorzugt etwa 0,5 mm bis etwa 2,0 mm.
Die Menge der fibrillierten para-Aramid-Fasern 40, die in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden, kann günstigerweise etwa 0,5 bis etwa 20 Teile pro hundert Gewichtsteile Nitrilkautschuk betragen, beträgt vorzugsweise etwa 0,9 bis etwa 10,0 Teile pro hundert Gewichtsteile Nitrilkautschuk, besonders bevorzugt etwa 1,0 bis etwa 5,0 Teile pro hundert Gewichtsteile Nitrilkautschuk und am meisten bevorzugt etwa 2,0 bis etwa 4,0 Teile pro hundert Gewichtsteile Nitrilkautschuk. Der Fachmann wäre sich darüber im Klaren, dass man das Elastomer bei höheren Faserbeladungskonzentrationen vorzugsweise so modifizieren würde, dass es zusätzliche Materialien, z. B. Weichmacher, enthält, um eine übermäßige Härte des vulkanisierten Elastomers zu verhindern.
Die Fasern können der Elastomerzusammensetzung mit irgendeiner geeigneten und/oder herkömmlichen Technik zugefügt werden, zum Beispiel, indem man zuerst fibrillierte Fasern in eine geeignete erste Elastomerzusammensetzung einbaut, wobei ein faserbeladenes Masterbatch mit einem endgültigen Fasergehalt von etwa 50 Gew.-% oder in jeder anderen geeigneten Menge entsteht, danach das faserbeladene Masterbatch zu der Riemenelastomerzusammensetzung gibt, um eine geeignete Verteilung der Faser in der Riemenelastomerzusammensetzung zu ermöglichen, und dann aus der so faserbeladenen Elastomerzusammensetzung mit irgendeiner geeigneten und/oder herkömmlichen Technik den Riemen bildet.
Ein solches Verfahren, das die bevorzugte Orientierung der Fasern in der Längsrichtung (oder Laufrichtung) des Zahnriemens erleichtert und das von Skura im US-Patent Nr. 3,078,206 veröffentlicht wurde, beinhaltet die Schritte des Anordnens des Zugelements innerhalb einer gekerbten Form, das Anordnen des faserbeladenen zahnbildenden Kautschuks um das Zugelement herum und an diesem anliegend innerhalb der Form, das Anwenden von ausreichend Wärme und Druck, um die Elastomerzusammensetzung durch das Zugelement und in die Kerben der Form zu drücken, um Riemenzähne zu bilden, und danach das Entnehmen des Riemens aus der Form. Wenn ein Textilstoff-Zahnmantel verwendet wird, würde man diesen Mantel zuerst zwischen dem Zugelement und der Oberfläche der Form, die die Kerben enthält, anordnen und danach die Schritte befolgen, wie sie oben skizziert sind.
Die Fasern 40 können im Kraftübertragungsriemen statistisch im gesamten elastomeren Material dispergiert sein. Es ist auch möglich und für Zahnriemen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, auch bevorzugt, dass die Fasern 40 im Kraftübertragungsriemen im gesamten elastomeren Material orientiert sind, wie es zum Beispiel in 3 gezeigt ist. Wie in der bevorzugten Ausführungsform von 3 gezeigt ist, sind die Fasern 40 im Rückenflächenbereich 12 in Längsrichtung orientiert, d. h. in Laufrichtung des Riemens, im Allgemeinen parallel zu dem oder den dehnungsbeständigen Korden 22. Dieses Merkmal ist leicht erreichbar, indem man den Riemen nach dem Durchflussverfahren von Skura bildet, das oben und in weiteren Einzelheiten unten beschrieben ist.
Die Fasern 40 in den Zähnen 16 sind ebenfalls vorzugsweise in Längsrichtung über den Querschnitt der Zähne orientiert. Aber die Fasern 40 in den Zähnen 16 verlaufen nicht alle parallel zu den dehnungsbeständigen Korden 22; die Fasern 40 in den Zähnen sind in Längsrichtung orientiert und folgen doch der Fließrichtung des elastomeren Materials während der Zahnbildung, wenn sie nach dem Riemendurchflussverfahren gebildet werden. Dies führt dazu, dass die Fasern 40 in den Riemenzähnen 16 in einem längs verlaufenden, im Allgemeinen sinusförmigen Muster orientiert sind, das zu dem Profil der Zähne 16 passt. Wie weiter in 3 gezeigt ist, kann, wenn der Riemen nach dem Durchflussverfahren von Skura gebildet ist, wenigstens ein Teil der Fasern im Rückenflächenbereich 12 des Riemens in dem Bereich gegenüber von irgendeinem gegebenen Zahn 16 auch leicht eintauchen, so dass eine leicht krummlinige Konfiguration entsteht. Dies ist eine Folge davon, dass die Fasern der Fließrichtung des Elastomers während der Zahnbildung folgen, und es hat sich gezeigt, dass dies die Leistungsfähigkeit des Riemens nicht beeinträchtigt.
Es hat sich folgendes gezeigt: Wenn die Fasern in dieser bevorzugten Konfiguration orientiert sind, so dass die Richtung der Fasern im Allgemeinen in der Laufrichtung des Zahnriemens liegt, hemmen die Fasern 40, die sich im Rückenflächenbereich 12 des Riemens befinden, die Ausbreitung von Rissen in der Rückenflächen des Riemens, insbesondere von solchen, die durch Betrieb bei übermäßig hoher oder tiefer Temperatur verursacht werden und die sich ansonsten im Allgemeinen in einer Richtung senkrecht zur Laufrichtung des Riemens ausbreiten. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass die Fasern 40 nicht in dieser Weise orientiert zu sein brauchen, oder auch in einer anderen Richtung oder in anderen Richtungen als gezeigt orientiert sein können.
Die vorliegende Erfindung wird zwar unter Bezugnahme auf die in den 1 und 3 gezeigten Ausführungsformen erläutert, doch sollte man sich darüber im Klaren sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese besonderen gezeigten Ausführungsformen beschränkt sein soll, sondern sich auf jede dynamische Anwendungskonstruktion innerhalb des Umfangs der Ansprüche, wie sie unten definiert sind, anwenden lässt.
Die für die vorliegende Erfindung geeignete nitrilgruppenhaltige Copolymerkautschukzusammensetzung kann mit Schwefel, organischem Peroxid oder einem anderen radikalfördernden Material vulkanisiert werden. Das elastomere Material kann auch in einem gemischten Härtungssystem vulkanisiert werden, indem man eine Kombination von Schwefel, einem organischen Peroxid oder einem anderen radikalfördernden Material verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der nitrilgruppenhaltige, hochgradig gesättigte Copolymerkautschuk mit Schwefel vulkanisiert. Zu den möglichen Schwefeldonoren für die Vulkanisation gehören unter anderem Tetramethylthiuramdisulfid, Tetraethylthiuramdisulfid, Dipentamethylenthiuramdisulfid, Dipentamethylenthiuramtetrasulfid, Dipentamethylenthiuramhexasulfid, Dithiodimorpholin, Dithiodicaprolactam und 2-(4-Morpholinyldithio)benzothiazol. Wenn der Nitrilkautschuk mit einem organischen Peroxid vulkanisiert und gemäß der vorliegenden Erfindung mit Fasern verstärkt wird, ist die Hochtemperaturbestän digkeit des Kraftübertragungsriemens vermutlich noch höher als bei einem ähnlichen schwefelvulkanisierten Kautschuk und erreicht potentiell maximale Arbeitstemperaturen von 160 bis 165°C oder höher.
Weitere herkömmliche elastomeren Additive, Prozess- und Extenderöle, Antioxidantien, Wachse, Pigmente, Weichmacher und dergleichen können gemäß der üblichen Kautschukverarbeitungspraxis hinzugefügt werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das elastomere Material zum Beispiel auch Ruß, einen Weichmacher vorzugsweise in einer Menge von bis zu etwa 20 Teilen pro hundert Gewichtsteile Elastomer, Antioxidantien, Vulkanisationsbeschleuniger und einen Vulkanisationsverzögerer.
Vergleichsbeispiele
Beispiele 1–12
Synchronriemen wurden nach dem Durchflussverfahren hergestellt, das von Skura im US-Patent Nr. 3,078,206 beschrieben wird, und im Wesentlichen gemäß der in 1 gezeigten Illustration geformt. Riemen wurden aus einem herkömmlichen HNBR-Copolymer (das nur zwei Polymere enthielt) mit und ohne Faserverstärkung mit zwei verschiedenen Rußkonzentrationen (Vergleichsproben 1 und 3 und Proben 2 und 4) hergestellt. Eine weitere Gruppe von Riemen wurde aus einem nitrilgruppenhaltigen, hochgradig gesättigten Copolymerkautschuk hergestellt, der wenigstens ein drittes Monomer enthält, das die Eigenschaft besitzt, die Glasübergangstemperatur des Kautschuks zu senken, wie es oben beschrieben ist; dieser Kautschuk wurde mit und ohne Faserverstärkung mit drei verschiedenen Rußverstärkungskonzentrationen mit Schwefel vulkanisiert (Vergleichsproben 5, 7 und 9 und Proben 6, 8 und 10). Schließlich wurde eine dritte Gruppe von Riemen aus demselben, ein zusätzliches Monomer enthaltenden, nitrilgruppenhaltigen, hochgradig gesättigten Copolymerkautschuk, wie er oben beschrieben ist, hergestellt; er wurde mit und ohne Faserverstärkung mit einer einzigen Rußverstärkungskonzentration mit Peroxid vulkanisiert (Vergleichsprobe 11 und Probe 12).
Die Faserverstärkung, die in den geradzahligen Proben verwendet wurde, von denen gezeigt wurde, dass sie Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, betrug pro 100 Teile Kautschuk 3,0 Gewichtsteile einer fibrillierten para-Aramid-Faser oder -Fasermasse mit der chemischen Bezeichnung Polyparaphenylenterephthalamid, das unter dem Warenzeichen Twaron von der Firma, die früher als Akzo Chemical bekannt war (jetzt Twaron Products), erhältlich ist.
Jeder Riemen war durch eine Breite von ungefähr 19 mm, 97 Zähne und einen Zahnabstand von etwa 9,5 mm (3/8 inch) gekennzeichnet. Die Zugschicht bestand in jedem Fall aus einem Paar Glasfaserkorde mit einem Durchmesser von etwa 1,15 mm und 2,0 Verdrehungen pro inch (0,45 bis 0,79 Verdrehungen/cm), in einer Dichte von etwa 18 bis 20 Strängen pro inch (7 bis 8 Strängen pro cm) Riemenbreite.
Tabelle 1 zeigt die Kautschukzubereitungen, die in den Riemenproben und Vergleichsproben 1–12 verwendet wurden. Die Zubereitungen wurden in einem B-Banbury-Mischer mit einem Innenvolumen von 1,7 Liter gemischt. Das Mischen erfolgte bei ungefähr 40 U/min. Die Chargen wurden als Mischungen in drei Durchgängen verarbeitet. Beim ersten Durchgang wurden alle Bestandteile außer den Vulkanisationsmitteln, Beschleunigern und Verzögerern in den Banbury-Mischer gegeben und 4 Minuten lang oder auf eine maximale Temperatur von 140°C gemischt. Im zweiten Durchgang wurde die Charge ungefähr 2 weitere Minuten lang erneut gemischt, oder bis die Temperatur 140°C erreichte. Im dritten Durchgang wurden die übrigen Bestandteile hinzugefügt und gemischt, bis die Chargentemperatur 100°C erreichte. Nach jedem Durchgang wurde die Charge auf einer Zweiwalzenmühle gekühlt. Dann wurden Synchronriemen für die Zubereitungen, die man in Tabelle 1 findet, nach dem Durchflussverfahren hergestellt.
Zusätzlich zu den in Tabelle 1 aufgeführten Materialien enthielt jede Zubereitung Zinkoxid, Stearinsäure und eine Kombination von Stabilisatoren, Vulkanisationsmitteln und Vulkanisationsbeschleunigern und Vulkanisationsverzögerern, jeweils in Mengen, wie man sie herkömmlicherweise in elastomeren Zusammensetzungen für solche Anwendungen verwendet. Die Vergleichsproben 1–9 und die Proben 2–10 waren mit Schwefel vulkanisiert, und Vergleichsprobe 11 und Probe 12 waren mit Peroxid vulkanisiert.
Mit den Synchronriemen, die in Tabelle 1 aufgeführt sind, wurden verschiedene Tests durchgeführt. Diese Tests beinhalteten einen Kälterisstest und einen Wärmebeständigkeitstest. Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle 2 zu finden.
Der Kälterisstest ist in 4 gezeigt. Beim Kälterisstest wurde ein Synchronriemen über eine Antriebsriemenscheibe 50 mit 19 Rillen, zwei getriebene Riemenscheiben 52 und 54 mit 19 Rillen bzw. 20 Rillen, zwei Rückseiten-Umlenkrollen 56 (50 mm Durchmesser) und eine Spannrolle 58 laufen gelassen. Eine Spannung von 200 N wurde mit der Spannrolle 58 durch ein hängendes Gewicht angelegt. Die Antriebsriemenscheibe 50 wurde 1 Minute lang mit 720 U/min rotieren gelassen und dann 59 Minuten lang stationär gelassen. Dies wurde entweder 10 oder 50 Stunden lang wiederholt (je nach dem besonderen Test), und dann wurde der Synchronriemen auf Risse im Rückenflächenbereich untersucht. Wenn im Rückenflächenbereich des Synchronriemens keine Risse sichtbar waren, wurde die Temperatur des Tests um 5°C im 10-Stunden-Test oder 2°C im 50-Stunden-Test reduziert, und der Test wurde mit einer neuen Riemenprobe wiederholt. Wenn im Rückenflächenbereich des Synchronriemens Risse sichtbar waren, wurde die Temperatur des Tests um 5°C im 10-Stunden-Test oder 2°C im 50-Stunden-Test erhöht, und der Test wurde mit einer neuen Riemenprobe wiederholt. Die niedrigste Temperatur, die einen oder mehrere Risse im Rückenflächenbereich des Synchronriemens ergab, wurde aufgezeichnet, ebenso wie eine qualitative Beschreibung der Art und/oder Zahl der bei dieser Temperatur gebildeten Risse. Die Tieftemperaturtests wurden mit zwei Testgeräten durchgeführt, die in der folgenden Tabelle als "L" und "R" bezeichnet werden. Bei den Tieftemperaturtests wurde der Test beim ersten Anzeichen einer Rissbildung bei einem bestimmten Riemen bei einer bestimmten Temperatur bei beiden Geräten abgebrochen, und die Temperatur wurde notiert.
Während der 10-Stunden-Tieftemperaturtest vermutlich ungefähr den Bedingungen nahe kommt, von denen man erwarten könnte, dass ein Kraftfahrzeug-Synchronriemen in sehr kalten Klimaten unter ihnen arbeitet, und die daher vermutlich Werte innerhalb des Arbeitsbereichs der getesteten Riemen widerspiegeln, ist der 50-Stunden-Tieftemperaturtest vermutlich ein sehr rigoroser beschleunigter Test.
Der Wärmebeständigkeitstest (d. h. Hochtemperaturalterungstest) ist in 5 gezeigt. In der Wärmebeständigkeitstestanordnung wurde eine Antriebsriemenscheibe 60 mit 19 Rillen mit ungefähr 8000 U/min rotieren gelassen. Die Anordnung umfasste auch eine getriebene Rolle 62 mit 38 Rillen und eine Spannrolle 64. Die Spannrolle 64 hatte einen Durchmesser von 50 mm; eine Spannung von 220 N wurde durch ein hängendes Gewicht angelegt. Die Testanordnung in 5, die mit einem Synchronriemen durchgeführt wurde, wurde in einer Heißbox durchgeführt, deren Luft auf 140°C temperiert wurde. Die Zeit bis zum Versagen in Stunden wurde nach Zahnscherung oder sichtbaren Rissen im Rückenflächenbereich des Synchronriemens aufgezeichnet.
Tabelle 2 zeigt, dass sich der Modul oder die Steifigkeit sowie die Wärmebeständigkeit bei 140°C jeder Probe mit der Zugabe der p-Aramidfaserverstärkung für eine gegebene Elastomerzusammensetzung beträchtlich verbessert, wie zu erwarten. Dieser Trend ist in Tabelle 2 sowohl bei den Proben 2 und 4 und den Vergleichsproben 1 und 3 mit dem hydrierten Nitril-Butadien-Kautschuk-(HNBR)-Copolymer (das nur zwei Monomere enthält) als auch bei den Proben 6, 8, 10 und 12 und Vergleichsproben 5, 7, 9 und 11 mit dem nitrilgruppenhaltigen, hochgradig gesättigten Copolymerkautschuk zu beobachten. Bei jedem der Paare 1 und 2, 3 und 4, 5 und 6, 7 und 8, 9 und 10 sowie 11 und 12 beobachtet man bei dem faserhaltigen Riemen der geradzahligen Probe einen höheren Modul und eine höhere Temperaturbeständigkeit.
Tabelle 2 zeigt auch das unerwartete Ergebnis einer erhöhten Tieftemperaturbeständigkeit mit der Zugabe von Faser. Dieser Trend ist sowohl bei den Riemen auf HNBR-Copolymer-Basis, bei denen das Copolymer nur zwei Monomere enthält, als auch bei den Riemen auf der Basis des nitrilgruppenhaltigen, hochgradig gesättigten Copolymerkautschuks, bei denen das Copolymer ein weiteres Monomer enthält, das die Eigenschaft besitzt, die Glasübergangstemperatur des Kautschuks zu senken, zu beobachten. Aus dem HNBR-Copolymer ohne Faserverstärkung hergestellte Riemen, Vergleichsbeispiele 1 und 3, Rissen im 50-Stunden-Kälterisstest bei –26°C (zweites Gerät), während die aus dem HNBR-Copolymer mit 3 Gewichtsteilen p-Aramid-Faserverstärkung pro hundert Gewichtsteile Polymer hergestellten Riemenproben, Proben 2 und 4, im 50-Stunden-Kälterisstest bei –26°C keine Risse bzw. einen oder zwei Risse zeigten (zweites Gerät). Die Zugabe der Faserverstärkung bei dem HNBR-Copolymer ermöglichte also, dass die Riemenproben bei der tiefen Temperatur von –26°C eine bessere Leistung zeigten.
Die Proben aus dem nitrilgruppenhaltigen, hochgradig gesättigten Copolymerkautschuk, die wenigstens ein Monomer enthielten, das die Eigenschaft besitzt, die Glasübergangstemperatur des Kautschuks zu senken, zeigten ebenfalls diesen unerwarteten Trend der Verbesserung der Tieftemperatureigenschaften mit der Zugabe der Faserverstärkung. In den Ergebnissen des 10-Stunden-Kälterisstests, die in Tabelle 2 gezeigt sind, kann man sehen, dass der aus diesem nitrilgruppenhaltigen, hochgradig gesättigten Copolymerkautschuk ohne Faser hergestellte Riemen, Vergleichsprobe 5, im 10-Stunden-Kälterisstest bei –40°C viele Risse zeigte, während der Riemen, der aus demselben nitrilgruppenhaltigen, hochgradig gesättigten Copolymerkautschuk mit Faserverstärkung hergestellt wurde, bei –40°C nicht riss. Ähnliche Ergebnisse waren im 50-Stunden-Kälterisstest für Vergleichsprobe 5 und Probe 6 zu beobachten. Bei diesen Riemen, die mit dem ersten Gerät getestet wurden, waren bei der faserhaltigen Probe nur ein oder zwei kleine Risse zu sehen, während bei der Probe, die keine Fasern enthielt, mehr Risse zu sehen waren.
Ähnliche Ergebnisse waren im 50-Stunden-Kälterisstest (zweites Gerät) bei Vergleichsprobe 9 und Probe 10 bei einer niedrigeren Rußbeladung zu beobachten. Vergleichsprobe 9, ein Riemen, der aus dem nitrilgruppenhaltigen, hochgradig gesättigten Copolymerkautschuk (der das bzw. die glasübergangstemperatursenkenden Monomere enthält) ohne Faser hergestellt wurde, zeigte im 50-Stunden-Kälterisstest bei –36°C einen oder zwei Risse, Probe 10, ein Riemen, der mit der Zubereitung von Vergleichsprobe 9 identisch war, abgesehen von der Zugabe von 3 Gewichtsteilen fibrillierter p-Aramidfaserverstärkung pro hundert Teile Polymer, zeigte bei –36°C keine Risse.
Durch Vergleichen von Kälterisstestdatenpunkten für einen gegebenen Typ von Elastomer bei einer gegebenen Rußkonzentration an einem einzigen Gerät, sowohl mit als auch ohne Faserbeladung, findet man, dass die Zugabe von Faserbeladung die Tieftemperaturrissbeständigkeit des Riemenelastomers im Vergleich zu den nichtfaserbeladenen Beispielen in jedem Fall entweder verbesserte oder beibehielt. So zeigte zum Beispiel bei Vergleichsprobe 5 und Probe 6 im 50-Stunden-Kälterisstest beim ersten Gerät ("L") Probe 5 eine Verbesserung der Tieftemperaturrissbeständigkeit. Eine Verbesserung oder Aufrechterhaltung der Tieftemperaturfähigkeit zeigt sich bei jedem so definierten Paar von Proben und Vergleichsproben.
Es sei angemerkt, dass sich bei Durchsicht der Daten zeigte, dass die mit dem zweiten Gerät (als "R" bezeichnet) gesammelten Daten einen größeren Unterschied zwischen den faserbeladenen und den nichtfaserbeladenen Beispielen zeigten. Während der Grund für diesen Unterschied zur Zeit nicht bekannt ist, ergibt die vorliegende Erfindung vermutlich dennoch eine erhebliche Verbesserung der Tieftemperatureigenschaften im Vergleich zu Konfigurationen des Standes der Technik.
Überdies zeigt sich ein zusätzliches vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Erfindung, das ein bevorzugtes nitrilgruppenhaltiges Copolymer betrifft, bei einem Vergleich der Hochtemperaturtestergebnisse von Vergleichsprobe 3, Vergleichsprobe 7 und Probe 8. Jede Probe enthält dieselbe Menge an Rußfüllstoff (d. h. 55 phr). Vergleichsprobe 7 und Probe 8 enthalten jedoch Elastomerteile, die einen nitrilgruppenhaltigen, hochgradig gesättigten Copolymerkautschuk umfassen, der bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, und die ein Monomer beinhalten, das die Eigenschaft besitzt, die Glasübergangstemperatur des Kautschuks zu senken, während Vergleichsprobe 3 aus einem eher herkömmlichen hydrierten Nitril-Butadien-Kautschuk gebildet wird, der Tieftemperatureigenschaften hat, die schlechter sind als die des bevorzugten Kautschuks (siehe z. B. 50-Stunden-Kälterisstestergebnisse, Tabelle 2). Bemerkenswerterweise übertrafen bei den nichtfaserbeladenen Beispielen die Wärmebeständigkeitseigenschaften der Probe, die aus dem hydrierten Nitril-Butadien-Kautschuk gebildet wurde (Vergleichsprobe 3), diejenigen der Probe, die aus diesem Nitrilkautschuk, der eine verbesserte Tieftemperaturfähigkeit zeigte, gebildet wurde (Vergleichsprobe 7). Die jeweiligen Tief- und Hochtemperatur-Testergebnisse für Probe 8 spiegeln jedoch eine optimale Ausgewogenheit zwischen Tief- und Hochtemperaturfähigkeit wider. Es hat sich gezeigt, dass man durch Einbau von Fasern in die elastomeren. Teile aus nitrilgruppenhaltigem, hochgradig gesättigtem Copolymer eines Riemens gemäß der vorliegenden Erfindung und insbesondere in dessen Rückenflächenbereich einen Riemen mit einer guten Ausgewogenheit von Haltbarkeit und Hoch- und Tieftemperaturbe ständigkeit erhalten kann, der einen Arbeitsbereich von etwa –40°C bis wenigstens etwa 140°C aufweist.
Die Verbesserung sowohl der Hoch- als auch der Tieftemperatureigenschaften des Kraftübertragungsriemens der vorliegenden Erfindung ist dem Einbau eines elastomeren Materials, das 100 Gewichtsteile eines wenigstens partiell hydrierten Nitrilkautschuks und etwa 0,5 bis etwa 50 Teile Faserverstärkung pro 100 Gewichtsteile des Nitrilcopolymerkautschuks umfasst, als Hauptkörperteil zuzuschreiben. Der Nitrilkautschuk ist vorzugsweise ein nitrilgruppenhaltiger, hochgradig gesättigter Copolymerkautschuk, der (1) etwa 5 bis etwa 40 Prozent ungesättigte Nitrilmonomereinheiten, (2) etwa 1 bis etwa 80% Einheiten von wenigstens einem zweiten Monomer, das die Eigenschaft besitzt, die Glasübergangstemperatur des Kautschuks zu senken, und das vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus fluorfreien ungesättigten Carbonsäureestermonomereinheiten und fluorhaltigen Vinylmonomereinheiten besteht, (3) bis zu etwa 20% konjugierte Dienmonomereinheiten und (4) als Rest hydrierte konjugierte Dienmonomereinheiten umfasst, wobei die Summe der Gehalte der Monomereinheiten (1) und (2) etwa 30 bis 90 Gew.-% beträgt und die Summe der Gehalte der Monomereinheiten (3) und (4) etwa 10 bis etwa 70 Gew.-% beträgt. Es hat sich unerwarteterweise gezeigt, dass die Verwendung der Faserverstärkung in dem nitrilgruppenhaltigen, hochgradig gesättigten Copolymerkautschuk eine wesentlich verbesserte Tieftemperaturrissbeständigkeit ergibt, während die Hochtemperaturbeständigkeit des Riemens verbessert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Faserverstärkung so ausgewählt, dass der Riemen einen Arbeitstemperaturbereich von etwa –40°C bis wenigstens etwa 140°C aufweist. Das heißt, der Riemen hat vorzugsweise eine Versagenstemperatur im Kälterisstest bei 10 Stunden, wie es oben definiert ist, von weniger als –30°C, besonders bevorzugt weniger als –35°C und am meisten bevorzugt weniger als –40°C. Vorzugsweise hat der Riemen eine Versagenstemperatur im Kälterisstest bei 50 Stunden, wie es oben definiert ist, von weniger als –30°C, besonders bevorzugt weniger als –32°C und am meisten bevorzugt weniger als –35°C. Der Riemen hat vorzugsweise eine Zeit bis zum Versagen im Wärmebeständigkeitstest bei 140°C, wie es oben definiert ist, von wenigstens 250 Stunden, besonders bevorzugt wenigstens 400 Stunden und am meisten bevorzugt wenigstens 500 Stunden.
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 vorgenommen werden können, ohne vom Wesen oder vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, der durch die Ansprüche eingeschränkt ist. Die hier offenbarte Erfindung kann in der Praxis geeigneterweise in Abwesenheit jedes Elements durchgeführt werden, das hier nicht speziell offenbart ist.

Claims

Kraftübertragungszahnriemen (10) zum Betreiben bei Temperaturen von weniger als etwa –30°C und zum Zusammengreifen mit einer Riemenscheibe, mit einem Hauptriemenkörperteil (12), einem einstückig mit dem Körperteil ausgebildeten Riemenscheibenkontaktteil (16, 18), in dem Körperteil angeordneten Zugeinrichtungen (20), wobei wenigstens entweder der Körperteil oder der Riemenscheibenkontaktteil eine elastomere Zusammensetzung aufweist, die 100 Gewichtsteile eines wenigstens partiell hydrierten, Nitrilgruppen enthaltenden Copolymer-Kautschuks enthält; dadurch gekennzeichnet, dass der Copolymer-Kautschuk folgendes umfasst: a) etwa 5 bis etwa 40% ungesättigte Nitrilmonomereinheiten; b) etwa 1 bis etwa 80% Einheiten von wenigstens einem Monomer, das die Eigenschaft besitzt, die Glasübergangstemperatur des Kautschuks zu senken; c) bis zu etwa 20% konjugierte Dienmonomereinheiten; und d) als Rest hydrierte konjugierte Dienmonomereinheiten; und dass die elastomere Zusammensetzung weiterhin etwa 0,5 bis etwa 50 phr (Teile pro hundert Teile Kautschuk) einer Faserverstärkung umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus gehackten und fibrillierten Fasern besteht.
Riemen gemäß Anspruch 1, wobei die Summe der Gehalte der Monomereinheiten (a) und (b) etwa 30 bis 90 Gew.-% beträgt und die Summe der Gehalte der Monomereinheiten (c) und (d) etwa 10 bis etwa 70 Gew.-% beträgt.
Riemen gemäß Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Monomer, das die Eigenschaft besitzt, die Glasübergangstemperatur des Kautschuks zu senken, aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus fluorfreien ungesättigten Carbonsäureester-Monomereinheiten und fluorhaltigen Vinylmonomereinheiten besteht.
Riemen gemäß Anspruch 1, wobei die Fasern gehackt sind und ein Aspektverhältnis von wenigstens 10 und eine Länge von etwa 0,1 bis etwa 5 mm besitzen.
Riemen gemäß Anspruch 1, wobei die Fasern fibrilliert sind und wenigstens entweder eine mittlere spezifische Oberfläche von etwa 3 m²/g bis etwa 15 m²/g und eine mittlere Faserlänge von etwa 0,3 mm bis etwa 3,5 mm besitzen.
Riemen gemäß Anspruch 1, wobei die Fasern aus einem Material gebildet sind, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus para-Aramiden, meta-Aramiden, Polyester, Polyamid, Baumwolle, Rayon, Glas und Kombinationen von zwei oder mehreren der obigen besteht.
Riemen gemäß Anspruch 1, wobei der Kautschuk aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus solchen besteht, die unter den Bezeichnungen Therban XN535C, Zetpol 4110, Zetpol 4120, Zetpol 3110 und Zetpol 3120 erhältlich sind.
Riemen gemäß Anspruch 1, wobei der Kautschuk unter Verwendung eines Mittels vulkanisiert wird, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Schwefel, organischem Peroxid, anderen radikalbildenden Vulkanisationsmitteln und Kombinationen von zwei oder mehr der obigen besteht.
Riemen gemäß Anspruch 6, wobei die elastomere Zusammensetzung etwa 0,5 bis etwa 20 phr (Teile pro hundert Teile Kautschuk) fibrillierte para-Aramid-Faser umfasst und sich wenigstens ein Teil der Fasern im Hauptriemenkörperteil befindet und in Längsrichtung des Riemens orientiert ist, wobei der Zahnriemen Tieftemperatur-Rissbeständigkeit bei Temperaturen von weniger als etwa –35°C aufweist.
Riemen gemäß Anspruch 9, wobei die elastomere Zusammensetzung etwa 1,0 bis etwa 5,0 phr (Teile pro hundert Teile Kautschuk) fibrillierte para-Aramid-Faser umfasst, die entweder eine mittlere spezifische Oberfläche von etwa 3 m²/g bis etwa 12 m²/g oder eine mittlere Faserlänge von etwa 0,5 mm bis etwa 2,0 mm aufweist.
Riemen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die elastomere Zusammensetzung weiterhin einen Weichmacher in einer Menge von etwa 2 bis etwa 20 phr (Teile pro hundert Teile Kautschuk) umfasst.
Riemenantriebssystem, das den Riemen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst, der um wenigstens eine treibende Riemenscheibe und wenigstens eine getriebene Riemenscheibe geführt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kraftübertragungszahnriemens mit einer Hochtemperaturfestigkeit bis etwa 140°C und einer Tieftemperatur-Rissbeständigkeit bis etwa –40°C, wobei der Riemen zum Eingreifen in eine Riemenscheibe geeignet ist und einen Rückseitenteil, einen einstückig mit dem Rückseitenteil ausgebildeten gezahnten Riemenkontaktteil, einen zwischen dem Rückseitenteil und dem gezahnten Teil angeordneten Zugteil, wobei wenigstens entweder der Rückseitenteil oder der gezahnte Teil aus einer elastomeren Zusammensetzung besteht, umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bilden der Elastomerzusammensetzung für die Zahnbildung; b) Anordnen des Zugteils in einer gekerbten Zahnbildungsform; c) Anordnen der Elastomerzusammensetzung für die Zahnbildung um das und an dem Zugteil in der Form; d) Anwenden von ausreichend Wärme und Druck, um die Elastomerzusammensetzung durch das Zugteil hindurch und in die Kerben der Form zu drücken; und e) Entnehmen des so gebildeten Riemens aus der Form; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner den Schritt des Bildens der Elastomerzusammensetzung aus 100 Gewichtsteilen eines wenigstens partiell hydrierten, Nitrilgruppen enthaltenden Copolymerkautschuks und den Schritt des Hinzufügens einer Faserverstärkung in einer Menge von etwa 0,5 bis etwa 50 phr des Elastomers zu der Elastomerzusammensetzung bei der Bildung der Elastomerzusammensetzung.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner mit dem Schritt des Mischens des wenigstens partiell hydrierten, Nitrilgruppen enthaltenden Copolymerkautschuks mit bis zu 25 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Elastomergehalt der Zusammensetzung, eines zweiten elastomeren Materials, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus folgenden besteht: Ethylen-alpha-Olefin-Copolymeren und -Terpolymeren, Nitril-Butadien-Copolymeren, Epichlorhydrin-Kautschuk, Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren, trans-Polyoctenamer, Polyacryl-Kautschuk, Polybutadien, Isobuten-Isopren-Copolymeren, halogenierten Isobuten-Isopren-Copolymeren, Ethylen-Acryl-Elastomeren, Polyisopren-Kautschuk, Silikonkautschuk, Polychloropren, Polyurethan-Elastomeren und Kombinationen von zwei oder mehr davon, unter Bildung der Elastomerzusammensetzung.