ES2179891T5

ES2179891T5 - Correas de etileno/alfa-olefina.

Info

Publication number: ES2179891T5
Application number: ES95939719T
Authority: ES
Inventors: Larry Yarnell; Bobbie E. South
Original assignee: Gates Rubber Co
Current assignee: Gates Rubber Co
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1995-10-31
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2015-10-31
Also published as: JPH09500930A; EP0737228B1; CZ289325B6; WO1996013544A1; ES2179891T3; RU2141979C1; BR9506433A; CN1139943A; DK0737228T4; CA2180265C; EP0737228A1; HUT75173A; CN1081654C; DE69526845T2; PT737228E; AU689351B2; HU218420B; ATE218153T1; AU4143096A; DE69526845D1

Abstract

SE PRESENTAN COMPOSICIONES ELASTOMERICAS PARA SU INCORPORACION EN ARTICULOS SUJETOS A CARGAS DINAMICAS, QUE COMPRENDEN UN ELASTOMERO DE ALFA-OLEFINA DE ETILENO QUE ESTA REFORZADO CON UNA SAL DE METAL DE UN ACIDO ORGANICO {AL}-{BE} INSATURADO. ESTA COMPOSICION SE POLIMERIZA UTILIZANDO UN MATERIAL PROMOTOR DE RADICALES LIBRES. <br /><br />LA INVENCION INCLUYE ARTICULOS SUJETOS A CARGAS DINAMICAS QUE INCORPORAN ESTAS COMPOSICIONES ELASTOMERICAS, Y ARTICULOS EN FORMA DE CORREAS, QUE INCLUYEN CORREAS PLANAS Y DE TRANSMISION DE POTENCIA QUE INCORPORAN COMO PARTES DEL CUERPO DE LA CORREA PRINCIPAL ESTAS COMPOSICIONES ELASTOMERICAS.

Description

Correas de etileno/alfa-olefina.

La presente invención se refiere a correas, incluyendo correas de transmisión de potencia, de utilidad en aplicaciones dinámicas.

Los elastómeros de etileno/alfa-olefina, incluyendo copolímeros de etileno-propileno (EPM) y terpolímeros de etileno-propileno-dieno (EPDM) son reconocidos como excelentes elastómeros de uso general, que tienen gamas de temperatura operativa más amplias que la mayoría de los otros elastómeros. Los elastómeros EPM y EPDM tienen cadenas de espina dorsal sustancialmente saturadas que promueven la resistencia al oxígeno y al ozono. Estos materiales son en general menos costosos que otros elastómeros y toleran altas concentraciones de carga y aceite al mismo tiempo que mantienen buenas propiedades físicas, aumentando así su economía. Por estos motivos, los elastómeros de etileno/alfa-olefina han sido utilizados ampliamente bien solos o bien mezclados con otros elastómeros en aplicaciones tales como mangueras, juntas, empaquetaduras, materiales para tejados y bandas expuestas a la intemperie.

Sin embargo, un inconveniente conocido de estos materiales es su inferior comportamiento en aplicaciones dinámicas. Debido a que, como es conocido, los elastómeros de etileno/alfa-olefina exhiben características solo moderadas de resistencia a la fatiga, resistencia a abrasión, resistencia a la tracción y módulo en aplicaciones dinámicas, así como una adhesión inadecuada a materiales de refuerzo tanto metálicos como textiles, los mismos no se utilizan normalmente como el principal elastómero en aquellas aplicaciones caracterizadas por la presencia de una carga dinámica, tales como correas de transmisión de potencia, correas planas, amortiguadores neumáticos, elementos de montaje para motores y similares. Los materiales elastoméricos más generalmente usados en este contexto son policloropreno, caucho de estireno-butadieno y caucho natural debido a su combinación favorable de propiedades mecánicas y buena capacidad de procesado. Por el término "principal elastómero" en el presente contexto se quiere dar a entender un elastómero que constituye más del 50% en peso de los componentes elastoméricos de una composición elastómera.

Los elastómeros EMP y EPDM han sido mezclados con otros elastómeros que exhiben propiedades mecánicas más favorables para utilizarse en aplicaciones dinámicas. Estos elastómeros incluyen policloropreno, cauchos de nitrilo-dieno y resinas de organopolisiloxano. En tales casos, se añade el elastómero EMP o EPMD para mejorar la resistencia al ozono u oxígeno o para reducir el coste de las composiciones finales. Sin embargo, la cantidad añadida de EPM o EPDM está limitada a menos de alrededor del 40% en peso de la composición elastómera final con el fin de mantener propiedades mecánicas satisfactorias. Además, el EPDM que tiene una alta concentración de etileno, es decir, más de 80 moles por ciento, aproximadamente ha sido sugerido para utilizarse como el principal elastómero en productos tales como correas. No obstante, este material es difícil de procesar en molinos y calandrias abiertas debido a su estrecha gama de peso molecular y a su naturaleza altamente cristalina.

Se conocen varios métodos para mejorar las propiedades mecánicas de los elastómeros. El incremento de la cantidad de carga de refuerzo o de peróxido aumenta la dureza y módulo de una composición elastómera curada. Sin embargo, el incremento del nivel de carga presenta en inconveniente de afectar de manera adversa a la longevidad a la flexión del producto al contribuir a la acumulación de calor en el elastómero. El incremento de nivel de peróxido presenta la posibilidad de mejorar el módulo al mismo tiempo que se reduce la resistencia al desgarramiento, la fatiga a la flexión y el alargamiento. El efecto puede ser tan severo que el producto se vuelve frágil.

Normalmente se utiliza el curado por peróxido o por radicales libres, en lugar del curado por azufre, para polímeros tanto saturados e insaturados, con el fin de mejorar sus propiedades de envejecimiento al calor, disminuir la deformación por compresión y mejorar la adhesión a textiles tratado y sin tratar. Igualmente, se sabe, que la incorporación de ciertas mitades acrilato como coagentes para el curado con peróxido de composiciones elastoméricas mejora la resistencia al desgarramiento en caliente y promueve la resistencia a la abrasión, resistencia al aceite y adhesión a metales. Así, por ejemplo, se han utilizado sales metálicas de ácidos acrílicos como coagentes en el curado por peróxido de mezclas que incorporan EPDM y otros elastómeros para mejorar el comportamiento general. También se han utilizado acrilatos como cargas de refuerzo para reducir al mínimo el corte de la cadena y para mejorar la eficacia de la vulcanización.

Una composición elastómera de etileno/alfa-olefina que posea propiedades físicas en entornos dinámicos suficientes para servir como el principal componente elastómero en correas incluyendo correas de transmisión de potencia y correas planas, sería altamente conveniente con el fin de disminuir los costes de material, aumentar la estabilidad térmica y mejorar la resistencia a la degradación por oxígeno y ozono de tales artículos.

La DE-A-4309893 describe composiciones elastómeras que comprenden (a) 100 partes en peso de un componente polimérico que incluye de 10 a 40% en peso de un caucho copolimérico altamente saturado de dieno conjugado-nitrilo etilénicamente insaturado en donde el contenido en la unidad de dieno conjugado en la cadena polimérica es de 30% en peso o menos, y 90 a 60% en peso de un polímero de polietileno; (b) 10 a 80 partes en peso de una sal metálica de un ácido carboxílico etilénicamente insaturado; y (c) 0,2 a 10 partes en peso de un peróxido orgánico. Las composiciones contienen también opcionalmente cantidades no especificadas de cargas convencionales. Se dice que la presencia del nitrilo-dieno conjugado se traduce en características mejoradas de resistencia al ozono, resistencia a bajas temperaturas y robustez.

La DE-A-4222760 describe composiciones elastómeras que comprenden: (a) 100 partes en peso de un polímero basado en etileno con una viscosidad Mooney (ML1-4, 100ºC) de 10 a 70, conteniendo al menos 75 moles por ciento de unidades etileno; (b) 15 a 80 partes en peso de una sal metálica de un ácido carboxílico etilénicamente insaturado; y (c) 0,2 a 10 partes en peso de un peróxido orgánico. Las composiciones contienen también opcionalmente cantidades no especificadas de cargas convencionales. Se dice que la selección del polímero etilénico da como resultado productos elastoméricos que tienen alta resistencia.

La EP-A-0590423 describe procedimientos para la producción de composiciones de caucho vulcanizado que tienen alta resistencia. Las composiciones comprenden 100 partes den peso de una caucho vulcanizable por azufre, 10 a 100 partes en peso de una sal metálica de un ácido carboxílico insaturado, y agentes vulcanizantes a base de peróxido y azufre.

La EP-A-0589701 describe una composición de caucho que, cuando se vulcaniza, resulta adecuada para recubrir cables eléctricos, que comprende (a) un caucho de copolímero de etileno/alfa-olefina y/o un caucho de copolímero de etileno/alfa-olefina/dieno no conjugado; (b) hidróxido de aluminio y/o hidróxido de magnesio; (c) al menos un compuesto de acrilato de zinc.

La US-A-4500466 describe mezclas poliméricas que comprenden polímeros cauchutosos específicos y un polvo de dimetacrilato de zinc que tiene propiedades específicas. Se dice que las mezclas tienen excelentes propiedades de resistencia e histéresis en ausencia de cargas de refuerzo.

La GB-A-1091818 describe el curado de polímeros de etileno/alfa-olefina con peróxidos orgánicos y sales metálicas de ácido acrílico o ácido metacrílico. Las composiciones pueden contener también cargas. Se dice que las composiciones resultantes tienen características mejoradas de módulo y resistencia a la tracción, así como un menor alargamiento a la rotura, en comparación con composiciones elastómeras equivalentes curadas sin las sales metálicas de ácido acrílico o ácido metacrílico. Sin embargo, el documento no contiene descripción alguna en cuanto al uso de tales composiciones en artículos para aplicaciones de carga dinámica, tal como en correas adaptadas para acoplarse a una polea en aplicaciones de carga dinámica.

La US-A-4192790 describe composiciones que comprenden cualquier elastómero o mezcla elastómera convencional y que tiene una menor viscosidad como resultado de la adición de un adyuvante de metacrilato de zinc en partículas finamente divididas. Las composiciones contienen también cargas.

La US-A-5137976 describe el uso de dimetacrilato de zinc como agente de refuerzo para compuestos de caucho vucanizables, en particular compuestos de caucho de estireno-butadieno, pero incluyendo también compuestos de etileno/alfa-olefina. Las composiciones pueden contener también cargas.

La US-A-4925898 describe una cinta transportadora reforzada que comprende una capa de una composición de caucho de etileno-propileno que contiene una sal de cobalto de un ácido carboxílico orgánico.

La JP-A-04339843 describe composiciones elastómeras para utilizarse en correas de transmisión de potencia, obtenidas mediante el curado de una mezcla de un caucho de etileno-propileno que contiene 52% en peso de unidades etileno (100 partes en peso), negro de humo (40 partes en peso), metacrilato de zinc (8 partes en peso) y un peróxido orgánico (5 partes en peso).

Hasta la fecha, no ha sido dado a conocer el uso de una composición elastómera de etileno/alfa-olefina que es fácilmente procesada y que presenta propiedades mecánicas adecuadas en aplicaciones dinámicas y una adhesión aceptable a materiales textiles de refuerzo, como la principal composición elastómera base en correas, incluyendo correas de transmisión de potencia.

Un objeto de la presente invención consiste en proporcionar correas mejoradas que comprenden, como su principal porción del cuerpo de la correa, un elastómero de etileno/alfa-olefina que exhibe propiedades mecánicas mejoradas y una excelente adhesión a materiales textiles de refuerzo.

La presente invención proporciona una correa adaptada para acoplarse a una polea en aplicaciones de carga dinámica, comprendiendo dicha correa una porción de cuerpo principal de la correa preparada a partir de una composición elastómera, medios de tracción dispuestos en dicha porción de cuerpo y una porción de contacto con la polea que es solidaria con dicha porción de cuerpo y caracterizada porque dicha composición elastómera es un producto de reacción obtenible mediante curado, usando un material promotor de radicales libres, de una mezcla de:

a): 100 partes en peso de un elastómero de etileno/alfa-olefina, en donde dicho elastómero constituye más del 50% en peso de los componentes elastoméricos de dicha composición;

b): de 1 a 30 partes en peso por cien partes en peso de dicho elastómero de una sal metálica de un ácido orgánico \alpha, \beta-insaturado; y

c): de 25 a 250 partes en peso por cien partes en peso de dicho elastómero de una carga de refuerzo, y

en donde dicho elastómero de etileno/alfa-olefina se caracteriza por un contenido específico en unidades etileno, siendo dicho contenido en unidades etileno del orden de 55 a 78% en peso de dicho elastómero.

La presente invención proporciona igualmente un sistema de transmisión por correa que comprende la correa de la presente invención guiada alrededor de al menos una polea conductora y de al menos una polea conducida. El material elastómero de la invención, cuando es curado, exhibe una excelente adhesión al elemento de tracción de la correa en ausencia sustancial de otros promotores de la adhesión.

Las composiciones elastómeras de etileno/alfa-olefina usadas en la presente invención pueden contener opcionalmente otros aditivos convencionales tradicionalmente usados en composiciones elastómeras. Dichos aditivos pueden incluir aceites de procesado y aceites extendedores, antioxidantes, ceras, pigmentos, plastificantes, reblandecedores y similares. Estos aditivos se pueden emplear en las cantidades convencionalmente usadas en los compuestos de caucho tradicionales.

Se consigue una ventaja cuando una cinta de múltiples nervios en V de la presente invención se expone a bajas frecuencias angulares y a una alta aceleración angular. La invención presenta el resultado ventajoso de inhibir sustancialmente la formación de pelotillas de las superficies laterales a bajas frecuencia. Por tanto, se mejora el comportamiento de la correa en tales aplicaciones. Se ha comprobado de forma sorprendente que dicha resistencia a la formación de pelotillas se mejora cuando el contenido en etileno del elastómero de etileno/alfa-olefina se mantiene dentro de una gama específica como la indicada más adelante.

Otras ventajas y objetos serán evidentes después de considerar los dibujos y descripciones de las modalidades preferidas.

Los dibujos adjuntos aquí incorporados y que forman parte de la descripción, lustran modalidades preferidas de la invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención. En los dibujos:

La Figura 1 es una vista en perspectiva, con partes en sección, de una correa síncrona construida según la presente invención.

La Figura 2 es una vista en perspectiva, con partes en sección, de una correa trapezoidal construida de acuerdo con la presente invención.

La Figura 3 es una vista en perspectiva, con partes en sección, de una correa de múltiples nervios trapezoidales construida de acuerdo con la presente invención.

Con referencia a la Figura 1, en la misma se ilustra una correa síncrona típica 10. La correa incluye una porción de cuerpo principal elastomérico 12 de la correa y una porción 14 de contacto con la polea situada a lo largo de la periferia interior de la porción de cuerpo principal 12 de la correa. El término "polea" en este contexto incluye poleas y ruedas dentadas normales usadas con las correas de transmisión de potencia, así como poleas, rodillos y mecanismos similares usados con correas transportadoras y correas planas. Un ejemplo de dicho sistema de polea y correa se ilustra en la Patente US 4.956.036. La porción particular 14 de contacto con la polea de la Figura 1 se encuentra en forma de porciones alternas de dientes 16 y partes planas 18. Una capa de tracción 20 está situada dentro de la porción principal del cuerpo 12 de la correa para proporcionar soporte y resistencia a la correa 10. En la forma ilustrada, la capa de tracción 20 se encuentra en forma de una pluralidad de cordones 22 resistentes a la deformación y alineados longitudinalmente a lo largo de la longitud de la porción de cuerpo principal 12 de la correa. Sin embargo, ha de entenderse que se puede emplear cualquier tipo de capa de tracción 20 conocido en la técnica. Además, se puede emplear cualquier material deseado como el elemento de tracción, tal como algodón, rayón, nylon, poliéster, aramid, acero e incluso fibras discontinuas orientadas para asumir capacidad de soporte de carga. En la modalidad preferida de la Figura 1, la capa de tracción 20 se encuentra en forma de los cordones ilustrados 22 a base de fibra de aramid disponible con la marca registrada Kevlar®. Otros cordones preferidos incluyen fibra de vidrio y filamentos de carbono para las correas de transmisión potencia como en la Figura 1 y cordones de poliéster para las correas trapezoidales como en las Figura 2.

Se puede emplear un género de refuerzo 24 ajustado íntimamente a lo largo de las porciones alternas de dientes 16 y partes planas 18 de la correa 10 para formar un recubrimiento superficial de tales porciones. Este género puede ser de cualquier configuración deseada tal como un género tejido convencional consistente en hilos de urdimbre y trama en cualquier ángulo deseado o puede consistir en hilos de urdimbre retenidos entre si mediante cordones de picada separados, o puede tener una configuración tricotada o trenzada, y similar. El género puede ser revestido por fricción o espumado con la misma o distinta composición elastómera del cuerpo 12. Se puede emplear más de una capa de género. Si se desea, el género 24 puede ser cortado al sesgo de manera que los cabos formen un ángulo con la dirección de desplazamiento de la correa. Se pueden emplear géneros convencionales usando materiales tales como algodón, poliéster, poliamida, cáñamo, yute, fibra de vidrio y otras diversas fibras naturales y sintéticas. En una modalidad preferida de la invención, la capa de género 24 consiste en un género expansible resistente al desgaste en donde al menos uno de los hilos de urdimbre o trama es nylon. En la forma más preferida, la capa de género 24 está constituida por género estirado de nylon 66.

\newpage

Con referencia a la Figura 2, en la misma se ilustra una correa trapezoidal estándar 26. La correa trapezoidal 26 incluye una porción principal elastomérica 12 del cuerpo de la correa similar a la ilustrada en la Figura 1 y un elemento de refuerzo a la tracción 20 en forma de cordones 22, también similares a los ilustrados en la Figura 1. La porción principal elastomérica 12 del cuerpo de la correa y los cordones 22 de la correa trapezoidal 26 consisten en los mismos materiales descritos anteriormente para la Figura 1.

La correa trapezoidal 26 incluye también una porción 14 de contacto con una polea como en el caso de la correa síncrona de la Figura 1. Las superficies laterales de la porción 14 de contacto con la polea sirven como las superficies de accionamiento de la correa trapezoidal 26. En esta modalidad, la porción 14 de contacto con la polea se encuentra en forma de superficies deprimidas o valles entallados 28 y proyecciones dentadas 30 de forma alternativa. Estas superficies deprimidas entalladas 28 y proyecciones dentadas 30 dispuestas de forma alterna, siguen preferentemente un recorrido generalmente sinusoidal, como se ilustra, lo cual sirve para distribuir y reducir al mínimo las tensiones de flexión a medida que la porción 14 de contacto con la polea pasa alrededor de las poleas.

Con referencia a la Figura 3, en la misma se ilustra una correa trapezoidal de múltiples nervios 32. La correa trapezoidal de múltiples nervios 32 incluye una porción principal elastómera 12 del cuerpo de la correa como en el caso de las correas de las Figuras 1 y 2 y también incluye un elemento de refuerzo a la tracción 20 preferentemente en forma de cordones 22, también como se ha descrito anteriormente. Una pluralidad de superficies elevadas o apéndices 36 que alternan con una pluralidad de valles 38 de finen conjuntamente laterales orientados de forma opuesta que sirven como las superficies de accionamiento 14 de la correa 32 en contacto con la polea. En cada uno de estos casos de las Figuras 1-3, la porción 14 de contacto con la polea es solidaria con la porción de cuerpo principal 12 de la correa y está formada del mismo material elastómero como se describirá a continuación con mayor detalle.

En la modalidad más preferida, las correas, como se describen en la Figuras 1-3, incorporan, como su principal porción del cuerpo de tales correas la composición elastómera descrita a continuación que ha sido cargada con fibras discontinuas que comprenden materiales de refuerzo convencionales a base de fibra cortada o fibra de pasta. Ejemplos de fibras que tienen cualidades adecuadas de módulo de tracción y resistencia al desgaste son las fibras de aramid tales como aquellas comercializadas con las marcas registradas KEVLAR® por E. I. du Pont de Nemours & Company; TECHNORA® por Teijin de Japón; y TWARON® por Enka de Holanda. Las fibras cortadas tienen una longitud que va desde menos de 0,25 mm a 12 mm, con preferencia de 0,5 a 7 mm, más preferentemente de 1 a 3 mm. La porción elastómera del cuerpo se carga con fibra en una concentración preferentemente de 0,5 a 20% en volumen y más preferentemente de 1 a 6% en volumen. Más preferentemente, la carga de fibra se encuentra en una concentración del alrededor de 2,1% en volumen de la porción del cuerpo. En la modalidad preferida, las fibras están orientadas en una dirección que transcurre perpendicular al desplazamiento de la correa, de manera que la fibra sobresale del cuerpo elastomérico en una distancia de 0,1 a 0,3 mm.

Si bien la presente invención ha sido ilustrada con referencia a las modalidades mostradas en las Figuras 1-3, ha de entenderse que la invención no queda limitada a estas modalidades o formas particulares tal como han sido ilustradas, sino que también es aplicable a cualquier construcción de correa dentro del alcance de las reivindicaciones como más adelante se define.

La composición elastómera útil en la presente invención comprende una composición elastómera de etileno/alfa-olefina que exhibe una resistencia mejorada a la fatiga tal como queda reflejado en los resultados del análisis de la fatiga por flexión, características mejoradas de resistencia a la abrasión, resistencia a la formación de pelotillas, resistencia a la tracción y modulo, así como una adhesión mejorada al elemento de tracción en ausencia sustancial de otros promotores de la adhesión en el elastómero base. La composición elastómera de etileno/alfa-olefina se forma mezclando y moliendo entre si, de acuerdo con la práctica convención usada en el procesado de caucho, una mezcla de resina que incluye, en peso, 100 partes de un elastómero de etileno/alfa-olefina, de 1 a 30 partes por ciento de una sal metálica de un ácido \alpha, \beta- insaturado y de 25 a 250 partes por ciento de una carga de refuerzo tal como negro de humo o sílice hidratada. El elastómero se cura con un peróxido orgánico u otro material promotor de radicales libres, opcionalmente en presencia de una cantidad menor de azufre en un sistema de curado mixto.

Los elastómeros de etileno/alfa-olefina útiles en la presente invención incluyen, pero no de forma limitativa, copolímeros constituidos por unidades etileno y propileno (EPM), unidades etileno y buteno, unidades etileno y penteno o unidades etileno y octeno (EOM), y terpolímeros constituidos por unidades etileno y propileno y un componente insaturado (EPDM), así como mezclas de los mismos. Como el componente insaturado de EPDM, se puede emplear cualquier dieno no conjugado adecuado, incluyendo, por ejemplo, 1,4-hexadieno, diciclopentadieno o etilidennorborneno (ENB).

El elastómero de etileno/alfa-olefina contiene de 55 a 78% en peso de la unidad etileno y, en una modalidad preferida, el elastómero de etileno/alfa-olefina contiene de 65 a 75% de la unidad etileno. A estos niveles de contenido en unidades etileno, las correas sinfín que incorporan, como sus principales porciones del cuerpo de las mismas, los elastómeros de etileno/alfa-olefina de esta modalidad preferida de la presente invención, exhiben una resistencia mejorada a la formación de pelotillas. El elastómero de etileno/alfa-olefina más preferido es EPDM.

El elastómero de etileno/alfa-olefina se puede mezclar opcionalmente con menos de 50% en peso, más preferentemente hasta 25% y muy particularmente de 5 a 10% basado en el contenido elastomérico total de la composición, de un segundo material elastómero que incluye, pero no de forma limitativa, caucho de silicona, policloropreno, epiclorhidrina, caucho de nitrilo-butadieno hidrogenado, caucho natural, copolímero de etileno-acetato de vinilo, copolímeros y terpolímeros de etileno-metacrilato, caucho de estireno-butadieno, caucho nitrilo, polietileno clorado, polietileno clorosulfonado, polietileno clorosulfonado alquilado, transpolioctenámero, cauchos poliacrílicos, caucho de butadieno y mezclas de los anteriores, para sintonizar de forma precisa ciertas propiedades mecánicas tales el comportamiento y la adhesión a elevada temperatura.

La incorporación de sales metálicas de ácidos orgánicos \alpha, \beta-insaturados en las composiciones elastómeras constituye un factor crítico. Se cree que las excelentes propiedades de las composiciones elastómeras de etileno/alfa-olefina útiles en la presente invención se deben a la reticulación iónica de estas sales metálicas con peróxido. Se cree que los enlaces iónicos se rompen y se vuelven a formar a lo largo de la cadena de espina dorsal elastómera bajo tensión, de un modo similar a la acción de las reticulación de polisulfuro en sistemas curados por azufre, contribuyendo ello a la resistencia a la tracción y al desgarramiento del elastómero. Este mecanismo puede conducir también a la resistencia mejorada a la formación de pelotillas exhibida por la composición elastómera. Se cree que estos enlaces iónicos llevan a cabo esta actividad de formación-liberación-reformación preferentemente rompiendo enlaces carbono-carbono. Al contrario que los enlaces polisulfuro o los radicales libres formados en la rotura de los enlaces carbono-carbono en sistemas curados por azufre, esos enlaces iónicos no se ven afectados por la exposición al oxígeno y, de este modo, no son propensos a formar residuos adhesivos bajo condiciones abrasivas. También se cree que esta tolerancia al oxígeno hace que las reticulaciones iónicas sean mucho más estables al calor y a la oxidación que los elastómeros curados por azufre convencionales.

Las sales metálicas de ácidos orgánicos \alpha, \beta-insaturados útiles en la presente invención son sales metálicas de ácidos tales como, por ejemplo, ácidos acrílico, metacrílico, maleico, fumárico, etacrílico, vinil-acrílico, itacónico, metil-itacónico, aconítico, metil-aconítico, crotónico, alfa-metilcrotónico, cinámico y 2,4-dihidroxi-cinámico. Estas sales pueden ser de zinc, cadmio, calcio, magnesio, sodio o aluminio y preferentemente son de zinc. Las sales metálicas preferidas de ácidos orgánicos \alpha, \beta-insaturados son diacrilato de zinc y dimetacrilato de zinc. La sal metálica más preferida del ácido orgánico insaturado es dimetacrilato de zinc. Las cantidades de la sal metálica útiles en la presente invención pueden ser de 1 a 30 partes por ciento, preferentemente de 5 a 20 partes por ciento. En la modalidad más preferida la sal metálica es dimetacrilato de zinc usado en una cantidad de 5 partes por ciento cuando se emplea en combinación con EPDM mezclado con hasta 10% de caucho de silicona, y de 10 a 20 partes por ciento y más preferentemente alrededor de 15 partes por ciento cuando se emplea en combinación con los otros elastómeros de etileno/alfa-olefina útiles en la presente invención.

Las composiciones elastómeras de etileno/alfa-olefina útiles en las correas sinfín de la presente invención comprenden además de 25 a 250 partes por ciento y preferentemente de 25 a 100 partes por ciento de una carga de refuerzo tal como negro de humo, carbonato cálcico, talco, arcilla o sílice hidratada o mezclas de las mismas. La incorporación de 1 a 30 partes por ciento de una sal metálica de un ácido orgánico \alpha, \beta-insaturado y de 25 a 250 partes por ciento y preferentemente de 25 a 100 partes por ciento de carga de refuerzo en la composición elastómera de etileno/alfa-olefina curada por peróxido, conserva la estabilidad térmica de los elastómeros curados por peróxido convencionales, al tiempo que proporciona la resistencia al desgarramiento y las propiedades dinámicas normalmente asociadas con los elastómeros curados por azufre.

Los agentes de curado productores de radicales libres útiles en la presente invención son aquellos que resultan adecuados para el curado de elastómeros de etileno/alfa-olefina e incluyen, por ejemplo, peróxidos orgánicos y radiación ionizante. El agente de curado preferido en un peróxido orgánico incluyen, pero no de forma limitativa, peróxido de dicumilo, bis-(t-butilperoxi)-diisopropilbenceno, perbenzoato de t-butilo, peróxido de di-t-butilo, 2,5-dimetil-2,5-di-t-butilperoxihexano, \alpha,\alpha-bis-(t-butilperoxi)diisopropilbenceno. El peróxido orgánico preferido como agente de curado es \alpha,\alpha-bis-(t-butilperoxi)diisopropilbenceno. Las cantidades de peróxido orgánico, eficaces para realizar el curado, para los fines de la presente invención, son normalmente de 2 a 10 partes por ciento. Los niveles preferidos de peróxido orgánico son de 4 a 6 partes por ciento. Opcionalmente se puede añadir azufre al peróxido orgánico como parte de un sistema de curado mixto, en una cantidad e 0,01 a 1 parte por ciento, para mejorar el módulo de Young del elastómero curado sin afectar de forma negativa a su resistencia al desgarramiento.

Se pueden añadir otros aditivos convencionales para elastómeros de etileno/alfa-olefina, aceites de procesado y aceites extendedores, antioxidantes, ceras, pigmentos, plastificantes, reblandecedores y similares, de acuerdo con la práctica común usada en el procesado de cauchos, sin desviarse por ello de la presente invención. Por ejemplo, en una modalidad preferida de la presente invención, la composición elastómera contiene también de 0,5 a 1,5 partes por ciento de un antiozonante o antioxidante y de 5 a 15 partes por ciento de un plastificante/reblandecedor a base de aceite de petróleo parafínico.

Las composiciones elastómeras de etileno/alfa-olefina útiles en la presente invención se pueden preparar por cualquier procedimiento convencional, tal como, por ejemplo, mezclando los ingredientes en un mezclador interno o en un molino.

Los siguientes ejemplos se ofrecen con el fin de ilustrar adicionalmente la naturaleza de la presente invención y no deberán ser considerados como limitativos del alcance de la misma. Las partes y porcentajes que se indican en los ejemplo y en toda la descripción son en peso salvo que se especifique lo contrario.

Composiciones elastómeras 3 y 5 y Composiciones Comparativas 1, 2, 4 y 6-8

La Tabla 1 ilustra las formulaciones de composiciones elastómeras para las muestras de ensayo 1 a 8. La Tabla 2 ilustra datos analíticos de muestras sin envejecer. La Tabla 3 ilustra datos analíticos de muestras envejecidas. Las Tablas 4 y 5 ilustran datos del análisis de adhesión para muestras envejecidas y sin envejecer, respectivamente. La Tabla 6 ilustra datos comparativos de correas trapezoidales de múltiples nervios producidas de acuerdo con la invención y según la descripción ofrecida para la Figura 3 anteriormente, con la adición de que las mismas están cargadas con fibra, y de una correa trapezoidal de múltiples nervios convencional que incorpora policloropreno cargado con fibra como porción de cuerpo principal de la correa y como la porción de contacto de la correa con la
polea.

En estos ejemplos y ejemplos comparativos, el tratamiento del elastómero se llevó a cabo del siguiente modo. El tratamiento para las compasiones 1 a 4 se realizó en un mezclador 1A Banbury que tiene un volumen interno de 16.500 cm^{3}; el amasado se llevó a cabo a 30 rpm aproximadamente. El tratamiento para las composiciones 5 a 8 se realizó en un mezclador BR Banbury que tiene un volumen interior de 1.570 cm^{3}; el amasado se realizó a 77 rpm aproximadamente. Los lotes fueron tratados como mezclas de tres pasadas. En la primera pasada, se añadieron todos los ingredientes excepto el peróxido orgánico al Banbury y se mezcló a una temperatura de alrededor de 154ºC o durante un tiempo máximo de 10 minutos. En la segunda pasada, el lote fue molido de nuevo a 154ºC aproximadamente y luego se vertió. En la tercera pasada, se añadió primeramente el peróxido orgánico, se molió de nuevo el lote a una temperatura de 88ºC y se vertió.

Se efectuaron ensayos físicos para todos los compuestos moldeados después del moldeo y de nuevo después del envejecimiento térmico a 125ºC durante 168 horas, salvo que se indique lo contrario. Las propiedades de los productos vulcanizados fueron medidas de acuerdo con los siguientes protocolos de ensayo: resistencia a la abrasión pico por ASTM D228-8: propiedades de tracción por ASTM D412-87; propiedades de tracción de muestras envejecidas por ASTM D573-88; resistencia al desgarramiento por ASTM D624-91; dureza por ASTM D2240-91; desarrollo de fisuras por el método Demattia ASTM D813-87; método Tabor para la formación de pelotillas
ISO-5470-1980.

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En las siguientes formulaciones:

Nombre comercial\hskip1cmComposición, proveedor

Nordel 1070®: Terpolímero de etileno-propileno-dieno (EPDM), por E.I. DuPont de Nemours

Royaltherm® 1411: EPDM modificado con silicona, por Uniroyal

Engage CL 8001®: Copolímero de etileno-octeno (EOM), por Dow Chemical

Vistalon® 606: Copolímero de etileno-propileno (EPM), por Exxon Chemical Americas

Hi-Sil 233®: Sílice amorfa hidratada precipitada, por Pittsburg Plate Glass Co.

N330: Negro de humo, I#82, por Huber Co.

N550: Negro de humo I#43, por Huber Co.

Sunpar 2280®: Aceite parafínico, ASTM D2226 tipo 104B, por Sun Refining Co.

Agerite Resin D®: 1,2-dihidro-2,2,4-trimetilquinolina polimerizada, por B.F. Goodrich Co.

Saret 634®: Dimetacrilato de zinc por The Sartomer Co.

Vul-Cup 40KE®: \alpha,\alpha-bis(t-butilperoxi)diisopropilbenceno sobre arcilla Burgess KE, por Hercules Inc.

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En las Tablas 2 y 3: 1psi = 6895Pa

\hskip1,8cm 1 lb/in. = 17,9 kg/m

1 pulgada/megaciclo = 25,4 mm/megaciclo

TABLA 1

1

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TABLA 2 Análisis de muestras sin envejecer

2

Un problema peculiar asociado con las correas trapezoidales de múltiples nervios es la acumulación de pelotillas entre nervios adyacentes, en donde las " pelotillas" o material abradido se acomodan a lo largo de los nervios y quedan retenidas en la correa. Por este motivo, los resultados de la pérdida de peso no son siempre reflexiones totalmente exactas del fenómeno de formación de pelotillas. Así, en la Tabla 2, mientras que los valores más bajos de abrasión Tabor respecto a la pérdida de volumen para las muestras comparativas parecen indicar una mayor resistencia a la abrasión que sus contrapartidas que incorporan dimetacrilato de zinc, estos valores artificialmente inflados se deben al material abradido o "pelotillas" que se acumulan realmente pero que no se eliminan de las muestras de ensayo comparativas durante el análisis. Esta acumulación es indicativa de la naturaleza adhesiva del material y también indica probablemente una tendencia hacia la formación de pelotillas en la aplicación real. Este efecto de formación de pelotillas está ausente notablemente en los Ejemplos que contienen dimetacrilato de zinc. De este modo, los valores más bajos de abrasión Tabor para los Ejemplos Comparativos indican un descenso de la resistencia a la abrasión con respecto a sus contrapartidas que incorporan dimetacrilato de zinc de acuerdo con esta invención.

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TABLA 3 Análisis de muestras envejecidas

3

En general, los resultados de las Tablas 2 y 3 indican que la adición de dimetacrilato de zinc a las composiciones elastómeras de etileno/alfa-olefina da como resultado composiciones que exhiben mejoras drásticas en cuanto al módulo y una mayor resistencia a la formación de pelotillas, al mismo tiempo que mantienen valores aceptables de alargamiento, resistencia a la tracción en el punto de rotura y resistencia a la abrasión. Especialmente, como ponen de manifiesto los resultados del análisis DeMattia sobre muestras sin envejecer y envejecidas, con la adición de dimetacrilato de zinc, las muestras de etileno/alfa-olefina exhiben en general un mayor módulo al mismo tiempo que mantienen propiedades aceptables de fatiga por flexión.

Con referencia a las Tablas 4 y 5, se determinó la eficacia de adhesión mediante el análisis por tracción de muestras elastómeras curadas de acuerdo con los métodos de ensayo de desprendimiento "t" convencionales. El ensayo se llevó a cabo a una velocidad de la cruceta de 5,1 cm por minuto y se midieron los porcentajes de desgarramiento del material tanto a temperatura ambiente como a 125ºC. Se adhirieron láminas de género de poliéster, de 2,5 cm de ancho aproximadamente, a muestras elastoméricas preparadas de acuerdo con las formulaciones para las composiciones 3 y 5 y para las composiciones comparativas 1, 2, 4 y 6. Las muestras elastoméricas tenían un espesor aproximado de 0,127 cm. Las láminas de género de poliéster se adhirieron a las muestras elastoméricas por medio de una primera capa de una imprimación de isocianato a base de disolvente y una segunda capa de látex de vinilpiridina/caucho de estireno-butadieno, resorcinol-formaldehído.

TABLA 4 Análisis de adhesión de muestras sin envejecer

4

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TABLA 5 Análisis de adhesión de muestras envejecidas durante una semana a 150ºC

5

En las Tablas 4 y 5, el desgarramiento cero del material indica un fallo en la interfase caucho-adhesivo. Concretamente, si bien no exhiben desgarramiento o fallo cohesivo de material a temperatura ambiente, las muestras sin envejecer de las Composiciones Comparativas 2, 4 y 6 exhibieron todas ellas fallo adhesivo bajo dichas condiciones. Las muestras sin envejecer de las Composiciones 1, 3 y 5, sin embargo, exhibieron fallo cohesivo a temperatura ambiente bajo una fuerza aplicada mucho mayor que en el caso de sus contrapartidas comparativas, indicando ello propiedades adhesivas significativamente mejoradas. Tanto la Composición Comparativa 1 como la Composición Comparativa 2, basadas ambas en EPDM con el nombre comercial Nordel® 1070 suministrado por E. I. DuPont de Nemours, exhibieron desgarramiento de material a temperaturas elevadas. Las Composiciones 3 y 5 para muestras envejecidas y sin envejecer exhibieron desgarramiento de material mientras que no ocurrió lo mismo en el caso de sus contrapartidas comparativas, demostrando ello una adhesión más robusta cuando se utilizó dimetacrilato de zinc. Más especialmente, las muestras que contienen dimetacrilato de zinc exhibieron buenas propiedades adhesivas tanto en estado envejecido como sin envejecer, mientras que las muestras sin dimetacrilato de zinc exhibieron pobres características adhesivas en estado sin envejecer.

Respecto a los resultados del análisis de fatiga por flexión, resistencia al desgaste y capacidad de carga, mostrados en la Tabla 6, las correas producidas de acuerdo con las modalidades de la presente invención (Correa 3) fueron comparadas con correas convencionales comercialmente disponibles (Correa Comparativa A). La Correa Comparativa 1 consistía en una correa trapezoidal de múltiples nervios de acuerdo con la descripción de la Figura 3, en donde la porción de cuerpo principal de la correa y la porción de contacto con la polea estaban compuestas de EPDM reforzado con dimetacrilato de zinc de acuerdo con la formulación del Ejemplo Comparativo 1 anterior, con la modificación de que se utilizó negro de humo N330 en lugar de negro de humo N550 y que la porción de cuerpo estaba cargada con fibra. La Correa Comparativa 2 consistía en una correa trapezoidal de múltiples nervios similar a la Correa Comparativa 1 en todos los aspectos excepto que, en la Correa Comparativa 2, se utilizó Vistalon®606 en lugar de Nordel®1070 y la formulación incluía 55 partes por ciento de negro de humo N330. La Correa 3 era una correa trapezoidal de múltiples nervios similar a la Correa Comparativa 1 en todos los aspectos a excepción de que, en la Correa 3, se utilizó Engage®CL 8001 en lugar de Nordel®1070. Además, la correa 3 contenía 0,50 partes por ciento de un antioxidante de difenilamina sustituida suministrado por Uniroyal Chemical con el nombre comercial Naugard®445, así como un antioxidante de zinc-2-mercaptotolilimidazol suministrado por R.T. Vanderbilt con el nombre comercial Vanox ZMTI®. El agente de curado de peróxido para la Correa 3 se utilizó en una cantidad de 5,50 partes por ciento. La Correa Comparativa A consistía en una correa trapezoidal de múltiples nervios de policloropreno ("CR"), cargada con fibra, convencional. Para la Correa Comparativa 1, Correa Comparativa 2 y Correa 3, se proporcionaron medios de tracción mediante un cordón de poliéster a base de tereftalato. El cordón se adhirió a las porciones elastómeras de las correas por medio de un tratamiento del cordón que comprende una imprimación del isocianato seguida por un látex de caucho de vinil-piridina/estireno/butadieno o un látex de vinil-piridina/estireno/butadieno carboxilado, y un baño para el cordón consistente en el adhesivo polimérico conocido por el nombre comercial Chemlok®238, suministrado por The Lord Corporation. Además, fibras cortadas de 3 mm de aramid® tratadas con un látex de resorcinol-formaldehído, suministrado por Teijin de Japón con el nombre comercial TECHNORA®, constituían el material de carga de fibra para la Correa Comparativa 1, Correa Comparativa 2 y Correa 3, y el mismo material constituía la carga de fibra para la Correa Comparativa A, excepto que se utilizaron fibras de aramid de 1 mm para la Correa Comparativa A. Las Correas eran de 112 cm de longitud y de 1,067 cm de ancho aproximadamente.

Para determinar la capacidad de soporte de carga a elevada tensión, las correas trapezoidales de múltiples nervios fueron pasadas alrededor de 2 poleas de múltiples acanaladuras, midiendo cada una de ellas 6,1 cm de diámetro. Las correas se hicieron funcionar a 3500 rpm y 5,3 kW (7,1 caballos) a una tensión constante de 264 libras (1174 N) a temperatura ambiente. Respecto a los datos de capacidad de carga mostrados en la Tabla 6, las correas se hicieron funcionar hasta un punto de fallo, tal como se puso de manifiesto por la separación de los cordones en el borde, separación de los nervios o fallo catastrófico de la correa.

Respecto al análisis de resistencia al desgaste y fatiga por flexión, las correas se sometieron a ensayos de frenado en agua en cuatro puntos en donde las correas se hicieron pasar alrededor de 2 poleas principales de múltiples acanaladuras, un rodillo tensor interior y un rodillo tensor lateral. Las dos poleas principales eran de 12,1 cm de diámetro; el rodillo tensor interior tenía 4,4 cm de diámetro y el rodillo tensor lateral tenía 7,6 cm de diámetro. Las correas se hicieron funcionar a 4.900 rpm y 8,2 kW (11 caballos) a una tensión constante de 110 libras (489 N). Para el ensayo de la resistencia al desgaste, las correas fueron pesadas primeramente, luego pasadas alrededor de las poleas y se hicieron funcionar a temperatura ambiente durante 96 horas, tras lo cual se volvieron a pesar para determinar la pérdida de peso. Para el primer análisis de fatiga por flexión, las correas se hicieron pasar alrededor de las poleas y rodillos tensores y se hicieron funcionar a 4.900 rpm a 100ºC hasta producirse el fallo, como se puso de manifiesto por la formación de un número de fisuras igual a uno mayor que el número de nervios de la correa. Para el segundo análisis de fatiga por flexión, las correas se pasaron similarmente alrededor de las poleas y rodillos tensores y se hicieron funcionar a 4.900 rpm a 110ºC hasta producirse el fallo, lo cual se puso de manifiesto por la formación de un número de fisuras igual a uno mayor que el número de nervios de la correa.

TABLA 6 Análisis de las Correas

6

Concretamente, la Correa Comparativa 1 exhibió un incremento de cuatro veces en la capacidad de carga con respecto a la correa de policloropreno, al tiempo que superaba sus propiedades de resistencia al desgaste. Además la correa comparativa 1 que incorpora, como su principal porción de cuerpo, un elastómero de EPDM cargado con fibra y reforzado con dimetacrilato de zinc, exhibió un incremento de diez veces en la vida de la correa en comparación con la correa de policloropreno convencional, tal como se midió por el análisis de fatiga por flexión. La Correa Comparativa 2, basada en Vistalon® 606 reforzado con dimetacrilato de zinc, exhibió un incremento mayor de cinco veces en la capacidad de carga con respecto a la correa de policloropreno convencional, y una vida drásticamente mejorada, tal como se midió por análisis de fatiga por flexión a 100ºC y a 110ºC. La Correa 3, basada en Engage CL 8001® reforzado con dimetacrilato de zinc, exhibió similarmente incrementos drásticos en la capacidad de carga con respecto a la correa de policloropreno convencional, mostrando también una sobresaliente fatiga por flexión.

La mejora de las propiedades dinámicas de las correas de la presente invención, incluyendo correas de transmisión de potencia y correas planas, es atribuible a la incorporación, como su porción de cuerpo principal de la correa o porción de contacto con la polea, de una composición elastómera de etileno/alfa-olefina curada con peróxido y reforzada con una sal metálica de un ácido orgánico \alpha,\beta-insaturado. La composición elastómera resultante muestra una superior adhesión a materiales textiles de refuerzo en ausencia sustancial de otros promotores de la adhesión en el elastómero base. No obstante la superior adhesión de la composición elastómera a materiales textiles de refuerzo, en ausencia sustancial de otros promotores de la adhesión en el elastómero base, se pueden emplear dichos promotores de la adhesión, incluyendo donadores de metileno y resorcinol en sistemas de adhesión de caucho en seco H-R-H en la construcción de las correas, sin desviarse por ello de la presente invención.

Aunque la presente invención ha sido descrita con detalle solo con fines ilustrativos, ha de entenderse que tales detalles son exclusivamente para esa finalidad y que, dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, el experto en la materia podrá realizar variaciones.

Claims

1. Una correa, adaptada para acoplarse con una polea en aplicaciones de carga dinámica, comprendiendo dicha correa una porción de cuerpo principal de la misma, preparada a partir de una composición elastómera, medios de tracción dispuestos en dicha porción de cuerpo y una porción de contacto con la polea solidaria con dicha porción de cuerpo, caracterizada porque dicha composición elastómera es un producto de reacción obtenible mediante curado, usando un medio promotor de radicales libres, de una mezcla de:

en donde dicho elastómero de etileno/alfa-olefina se caracteriza por un contenido específico en unidades etileno, siendo dicho contenido en unidades etileno del orden de 55 a 78% en peso de dicho elastómero.

2. Una correa según la reivindicación 1, en donde dicho elastómero de etileno/alfa-olefina se elige del grupo consistente en:

a): copolímeros de etileno-propileno;

b): copolímeros de etileno-octeno

s): terpolímeros de etileno-propileno-dieno; y

d): mezclas de los anteriores.

3. Una correa según la reivindicación 1, en donde el elastómero de etileno/alfa-olefina está mezclado con hasta 25% en peso, basado en el peso del elastómero de etileno/alfa-olefina, de un segundo material elastómero seleccionado del grupo consistente en:

a): caucho de silicona;

b): policloropreno,

c): epiclorhidrina,

d): caucho de nitrilo-butadieno hidrogenado,

e): caucho natural,

f): copolímeros de etileno-acetato de vinilo,

g): copolímeros y terpolímeros de metacrilato de etileno,

h): caucho de estireno-butadieno,

i): caucho nitrilo,

j): polietileno clorado,

k): polietileno clorosulfonado,

l): polietileno clorosulfonado alquilado,

m): trans-polioctenámero,

n): caucho poliacrílico,

o): caucho de butadieno, y

p): mezclas de los anteriores.

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4. Una correa según la reivindicación 1, en donde la composición elastómera está libre de promotores de la adhesión suplementarios.

5. Una correa según la reivindicación 1, en donde dicha sal metálica de un ácido orgánico \alpha,\beta-insaturado comprende sales metálicas de ácidos elegidos del grupo consistente en ácidos acrílico, metacrílico, maleico, fumárico, etacrílico, vinil-acrílico, itacónico, metil-itacónico, aconítico, metil-aconítico, crotónico, alfa-metilcrotónico, cinámico y 2,4-dihidroxi-cinámico.

6. Una correa según la reivindicación 5, en donde dicha sal metálica se elige del grupo consistente en:

a): diacrilato de zinc; y

b): dimetacrilato de zinc.

7. Una correa según la reivindicación 1, en donde dicho medio promotor de radicales libres es una cantidad eficaz para el curado de un medio seleccionado del grupo consistente en:

a): peróxidos orgánicos y

b): dichos peróxidos orgánicos mezclados con 0,01 a 1 parte en peso de dicho elastómero de azufre.

8. Una correa según la reivindicación 1, en donde dicha correa presenta la forma de una correa de transmisión de potencia seleccionada del grupo consistente en correas síncronas, correas trapezoidales y correas trapezoidales de múltiples nervios.

9. Un sistema de transmisión por correa que comprende la correa de la reivindicación 1 arrastrada alrededor de por lo menos una polea conductora y por lo menos una polea conducida.

10. Una correa según la reivindicación 1, en donde dicho contenido en unidades etileno es de 65 a 78% en peso de dicho elastómero.