DE102010042131A1 - Fiber-reinforced rubber body, preferably vehicle tires, conveyor belt or gear box belt comprises matrix made of vulcanized rubber and fibers embedded in the matrix - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen faserverstärkten Gummikörper, wie insbesondere einen Fahrzeugreifen, ein Förderband oder ein Getrieberiemen, umfassend eine Matrix aus vulkanisiertem Kautschuk und in die Matrix eingebettete Fasern.The invention relates to a fiber-reinforced rubber body, in particular a vehicle tire, a conveyor belt or a transmission belt, comprising a matrix of vulcanized rubber and fibers embedded in the matrix.
Unter „Gummi” versteht man gemeinhin einen Werkstoff aus vulkanisiertem Synthese- und/oder Naturkautschuk. Die Eigenschaften des Gummis können durch Füllstoffe wie beispielsweise Ruß, Talkum oder Silica auf den gewünschten Anwendungszweck eingestellt werden. Gummi ist zähelastisch, vibrationsdämpfend und verschließresistent, sodass dynamisch belastete Verschleißteile wie beispielsweise Fahrzeugreifen, Förderbänder oder Riemen von Zugmittelgetrieben gern in Gummi ausgeführt werden.By "rubber" is commonly meant a material made of vulcanized synthetic and / or natural rubber. The properties of the rubber can be adjusted by fillers such as carbon black, talc or silica to the desired application. Rubber is viscoelastic, vibration-damping and seal-resistant, so that wear parts that are subject to dynamic loading, such as vehicle tires, conveyor belts or belts of traction drives, are often made of rubber.
Ist ein Gummibauteil großen mechanischen Belastungen ausgesetzt, wird es mit Fasern bzw. Draht verstärkt. Hierzu werden Fasern in der Regel zu einem textilen Flächegebilde (genannt Fasercord, bzw. Fasergewbe) zusammengefasst, mit dem frischen Kautschuk in die Form gegeben und ausvulkanisiert. Man erhält einen faserverstärkten Gummikörper mit einer verschleißfesten Gummimatrix und darin eingebettete, lasttragende Fasen, welche insbesondere die Zugfestigkeit des Gummikörpers signifikant steigern. Die Faser fungiert mithin den Festigkeitsträger im Gummikörper.If a rubber component is subjected to great mechanical stress, it is reinforced with fibers or wire. For this purpose, fibers are usually combined to form a textile fabric (called fiber cord, or fiber), added with the fresh rubber in the mold and vulcanized. This gives a fiber-reinforced rubber body with a wear-resistant rubber matrix and embedded therein, load-bearing chamfers, which significantly increase in particular the tensile strength of the rubber body. The fiber thus acts as the strength carrier in the rubber body.
Die am weitesten verbreiteten faserverstärkten Gummikörper sind Autoreifen. Als textile Verstärkung umfassen sie eine in die Gummimatrix einvulkanisierte Karkasse sowie unter der Lauffläche Gürtel aus Stahl, Nylon, PET, Rayon oder Aramid. Stahlfasern sind preisgünstig und weisen eine konstante Zugfestigkeit, eine hohe Steifheit und eine gute Gummihaftung auf. Nylon ist leicht und hat ein gutes Preis/Festigkeits-Verhältnis. PET ist preisgünstig und hat eine gute Gummihaftung; die Temperaturbeständigkeit ist nicht ganz so gut. Rayon zeichnet sich durch seine hohe Temperaturstabilität aus. Aramidfasern haben eine hervorragende Zugfestigkeit und sind sehr temperaturstabil, die Gummihaftung ist jedoch eher gering. Aufgrund ihrer werkstoffspezifischen Vor- und Nachteilen werden komplex belastete Gummikörper mit Fasern aus unterschiedlichen Faserwerkstoffen verstärkt, so ist die lasttragende Karkasse eines Reifens in der Regel aus Rayon, die bei hohen Geschwindigkeiten starken Kräften ausgesetzten Gürtel unter der Lauffläche hingegen aus Stahl oder Hybrid-Textilcords.The most widely used fiber-reinforced rubber bodies are car tires. As a textile reinforcement, they include a carcass vulcanized into the rubber matrix and, under the tread, belts of steel, nylon, PET, rayon or aramid. Steel fibers are inexpensive and have a constant tensile strength, high stiffness and good rubber adhesion. Nylon is lightweight and has a good price / strength ratio. PET is reasonably priced and has good rubber adhesion; the temperature resistance is not quite as good. Rayon is characterized by its high temperature stability. Aramid fibers have excellent tensile strength and are very temperature stable, but rubber adhesion is rather low. Due to their material-specific advantages and disadvantages, complex-loaded rubber bodies are reinforced with fibers of different fiber materials, so the load-bearing carcass of a tire is usually made of rayon, the belt at high speeds under the tread, however, made of steel or hybrid textile cords.
Der Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs kann durch Verringerung des Rollwiderstands der Reifen gesenkt werden. Dies ist durch den Einsatz von Silica als Zuschlagstoff weitestgehend geschehen. Weitere Kraftstoffeinsparungen sind durch Reduktion des Reifengewichts möglich, was sich auch positiv auf den Fahrkomfort auswirkt. Die in der Mitte des letzten Jahrhunderts eingeführten Radialreifen weisen eine Stahlkarkasse auf, welche den Rollwiderstand gegenüber den zuvor gebräuchlichen Diagonalreifen deutlich senkte. Im Gegenzug dazu erhöhte die Stahlkarkasse das Gewicht der Reifen. Heute ersetzen synthetische Fasern teilweise Stahlfasern im Reifen und werden in drei Bereichen von Radialreifen eingesetzt: Überwiegend innerhalb der Karkasse, zu einem geringeren Anteil im Gürtel und nahezu vollständig in den in dem an der Felge anliegenden Wulst. Abhängig vom Einsatzort der Fasern werden unterschiedliche Faserfestigkeiten verlangt, so sollten die Fasern im Bereich der Karkasse eines PKW-Reifens eine Zugfestigkeit von 200 bis 400 MPa aufweisen, die Kreuzlagen 400 bis 1000 MPa, die Gurte in Laufrichtung sollten aus Fasern bestehen, deren Zugsfestigkeit zwischen 150 und 250 MPa liegt.The fuel consumption of a vehicle can be lowered by reducing the rolling resistance of the tires. This has largely been done by using silica as an additive. Further fuel savings are possible by reducing the tire weight, which also has a positive effect on ride comfort. The introduced in the middle of the last century radial tires have a steel carcass, which significantly reduced the rolling resistance compared to the previously used bias tires. In return, the steel carcass increased the weight of the tires. Today synthetic fibers partially replace steel fibers in the tire and are used in three areas of radial tires: predominantly within the carcass, to a lesser extent in the belt and almost entirely in the bead adjacent the rim. Depending on the location of the fibers different fiber strengths are required, the fibers in the carcass of a car tire should have a tensile strength of 200 to 400 MPa, the cross layers 400 to 1000 MPa, the straps in the direction should consist of fibers whose tensile strength between 150 and 250 MPa.
Für den Leichtbau von Reifen stellt insbesondere die spezifische Zugfestigkeit eine maßgebliche Materialkenngröße dar. Sie ist definiert als das Verhältnis der Zugfestigkeit zur Faserfeinheit. Die Zugfestigkeit ist die Kraft, bei der die Faser reißt; die Faserfeinheit das Verhältnis von Gewicht zur Länge der Faser. Die spezifische Zugfestigkeit ist ein Maß für die leitende Dichte des Materials. Die Verwendung einer Faser mit einer hohen spezifischen Zugfestigkeit erlaubt leichtere Reifenkonstruktionen mit geringem Gummianteil. Ein Faserwerkstoff, der besonders hohe spezifische Zugfestigkeiten verspricht, ist Polyphthalamid.In particular, the specific tensile strength is an important material parameter for the lightweight construction of tires. It is defined as the ratio of the tensile strength to the fiber fineness. The tensile strength is the force at which the fiber breaks; the fiber fineness the ratio of weight to the length of the fiber. The specific tensile strength is a measure of the conductive density of the material. The use of a fiber with a high specific tensile strength allows lighter tire designs with a low rubber content. A fiber material that promises very high specific tensile strengths is polyphthalamide.
Polyphthalamid (PPA) ist ein aromatisches Polyamid (Aramid), welches aus Diaminen und Terephthalsäure polymerisiert ist.Polyphthalamide (PPA) is an aromatic polyamide (aramid) polymerized from diamines and terephthalic acid.
Aus
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In Hinblick auf diesen Stand der Technik liegt der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen faserverstärkten Gummikörper der eingangs genannten Gattung so weiterzubilden, dass seine spezifische mechanische Festigkeit über ein breites Temperaturprofil gesteigert wird.In view of this prior art, the invention is based on the object, a fiber-reinforced rubber body of the type mentioned in such a way that its specific mechanical strength is increased over a wide temperature profile.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Verwendung eines. Faserwerkstoffs, wie im kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 niedergelegt.The task is solved by the use of a. Fiber material, as laid down in the characterizing part of claim 1.
Gegenstand der Erfindung ist mithin ein faserverstärkter Gummikörper umfassend eine Matrix aus vulkanisiertem Kautschuk und in die Matrix eingebettete Fasern, wobei der Faserwerkstoff mindestens 30 Gew.-% eines Copolyamids enthält, das sich von folgenden Monomeren herleitet:
- a) Zu 50 bis 95 Mol-% von der Kombination aus einem Diamin, ausgewählt aus der Gruppe 1,9-Nonandiamin, 1,10-Decandiamin, 1,11-Undecandiamin und 1,12-Dodecandiamin, sowie Terephthalsäure, und
- b) zu 5 bis 50 Mol-% von der Kombination aus einem Diamin, ausgewählt aus der Gruppe 2,2,4-Trimethylhexamethylendiamin, 2,4,4-Trimethylhexamethylendiamin und Mischungen hiervon, sowie Terephthalsäure,
- a) to 50 to 95 mol% of the combination of a diamine selected from the group 1,9-nonanediamine, 1,10-decanediamine, 1,11-undecanediamine and 1,12-dodecanediamine, and terephthalic acid, and
- b) from 5 to 50 mol% of the combination of a diamine selected from the group consisting of 2,2,4-trimethylhexamethylenediamine, 2,4,4-trimethylhexamethylenediamine and mixtures thereof, and terephthalic acid,
Bei dem erfindungsgemäß verwendeten Faserwerkstoff handelt es sich um ein Polyphthalamid, aus welchem sich Fasern mit einer sehr hohen spezifischen Zugfestigkeit bis etwa 1.5 N/tex produzieren lassen. Darüber hinaus weisen diese Fasern eine gute Temperaturstabilität auf (Glastemperatur Tg 140 bis 150°C, Schmelzemperatur Tm 335 bis 365°C) sodass die Faser im Vulkanisationsvorgang unbeschadet übersteht und bei Gebrauchstemperatur des Gummikörpers von unter 100°C immer noch ein großer Abstand zur Glastemperatur besteht, bei welcher die mechanische Festigkeit zu sinken beginnt. Im Übrigen zeichnet sich der erfindungsgemäß Verwendete Faserwerkstoff durch eine gute Haftung zu üblicherweise verwendeten Synthesekautschuken auf.The fiber material used according to the invention is a polyphthalamide from which fibers with a very high specific tensile strength up to about 1.5 N / tex can be produced. In addition, these fibers have a good temperature stability (glass transition temperature T g 140 to 150 ° C, melt temperature T m 335 to 365 ° C) so that the fiber survives unscathed in the vulcanization and at use temperature of the rubber body of below 100 ° C still a large distance to the glass transition temperature at which the mechanical strength begins to decrease. Incidentally, the fiber material used according to the invention is characterized by good adhesion to conventionally used synthetic rubbers.
Mithin erlaubt der erfindungsgemäße Faserwerkstoff die Gestaltung von leichtgewichtigen und dennoch stabilen Gummikörpern.Thus, the fiber material according to the invention allows the design of lightweight, yet stable rubber bodies.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Copolyamid keine Bausteine, die sich von weiteren Monomeren herleiten. In anderen Ausführungsformen enthält das Copolyamid maximal 30 Mol-%, maximal 25 Mol-%, maximal 20 Mol-%, maximal 15 Mol-%, maximal 10 Mol-% oder maximal 5 Mol-% an Bausteinen, die sich von weiteren Monomeren herleiten. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass in diesem Fall Diamin und Dicarbonsäure sowie eventuelles Lactam bzw. eventuelle Aminocarbonsäure bei der Berechnung der Zusammensetzung jeweils einzeln gezählt werden.In a preferred embodiment, the copolyamide contains no building blocks derived from other monomers. In other embodiments, the copolyamide contains a maximum of 30 mol%, a maximum of 25 mol%, a maximum of 20 mol%, a maximum of 15 mol%, a maximum of 10 mol% or a maximum of 5 mol% of building blocks derived from further monomers , It should be noted that in this case diamine and dicarboxylic acid as well as any lactam or aminocarboxylic acid, if any, are counted individually in the calculation of the composition.
Bezogen auf den Faserwerkstoff können darüber hinaus 0 bis 70 Gew.-%, bevorzugt 0 bis 60 Gew.-%, besonders bevorzugt 0 bis 50 Gew.-% und insbesondere bevorzugt 0,1 bis 40 Gew.-% an Zusatzstoffen enthalten sein. Der Faserwerkstoff kann demnach auch aus dem reinen Copolyamid bestehen.In addition, 0 to 70% by weight, preferably 0 to 60% by weight, more preferably 0 to 50% by weight and especially preferably 0.1 to 40% by weight of additives can be present based on the fiber material. The fiber material can therefore also consist of the pure copolyamide.
Die Bausteine, die sich von weiteren Monomeren herleiten, fallen unter die folgenden Kategorien:
- – Entweder leiten sie sich von der Kombination eines Diamins und einer Dicarbonsäure her. Hier sind folgende Fälle zu unterscheiden:
- a) Die Dicarbonsäure ist Terephthalsäure; das Diamin ist ein anderes als eines der anspruchsgemäßen Diamine 1,9-Nonandiamin, 1,10-Decandiamin, 1,11-Undecandiamin, 1,12-Decandiamin, 2,2,4-TMD und 2,4,4-TMD.
- b) Die Dicarbonsäure ist eine andere als Terephthalsäure; das Diamin ist eines der eben angeführten anspruchsgemäßen Diamine.
- c) Sowohl die Dicarbonsäure ist eine andere als Terephthalsäure als auch das Diamin ist ein anderes als eines der eben angeführten anspruchsgemäßen Diamine.
- – Oder sie leiten sich von einem Lactam oder einer Aminocarbonsäure her.
- - Either they are derived from the combination of a diamine and a dicarboxylic acid. Here are the following cases:
- a) The dicarboxylic acid is terephthalic acid; the diamine is other than one of the claimed diamines 1,9-nonanediamine, 1,10-decanediamine, 1,11-undecanediamine, 1,12-decanediamine, 2,2,4-TMD and 2,4,4-TMD.
- b) The dicarboxylic acid is other than terephthalic acid; The diamine is one of the just mentioned diamines.
- c) Both the dicarboxylic acid is other than terephthalic acid and the diamine is other than one of the above-mentioned claimed diamines.
- - Or they are derived from a lactam or an aminocarboxylic acid.
Geeignete andere Diamine sind beispielsweise Diamine mit 4 bis 22 C-Atomen, etwa 1,4-Butandiamin, 1,5-Pentandiamin, 1,6-Hexandiamin, 1,8-Octandiamin, 1,14-Tetradecandiamin, 1,18-Octadecandiamin, 2-Methyl-1,5-Diaminopentan, 2,2-Dimethyl-1,5-diaminopentan, 4,4'-Diaminodicyclohexylmethan, 3,3'-Dimethyl-4,4'-diaminodicyclohexylmethan, 3,3',5,5'-Tetramethyl-4,4'-diaminodicyclohexylmethan,m- bzw. p-Xylylendiamin oder Isophorondiamin.Suitable other diamines are for example diamines having 4 to 22 carbon atoms, such as 1,4-butanediamine, 1,5-pentanediamine, 1,6-hexanediamine, 1,8-octanediamine, 1,14-tetradecanediamine, 1,18-octadecanediamine , 2-methyl-1,5-diaminopentane, 2,2-dimethyl-1,5-diaminopentane, 4,4'-diaminodicyclohexylmethane, 3,3'-dimethyl-4,4'-diaminodicyclohexylmethane, 3,3 ', 5 , 5'-Tetramethyl-4,4'-diaminodicyclohexylmethane, m- or p-xylylenediamine or isophoronediamine.
Geeignete andere Dicarbonsäuren sind beispielsweise Dicarbonsäuren mit 6 bis 22 C-Atomen, etwa Adipinsäure, Korksäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Undecandisäure, Dodecandisäure, Tridecandisäure, Tetradecandisäure, Hexadecandisäure, Octadecandisäure, 2,2,4- oder 2,4,4-Trimethylhexandisäure, Isophthalsäure, 2,6-Naphthalindicarbonsäure, 1,4-Cyclohexandicarbonsäure oder 2-Methyl-1,4-cyclohexandicarbonsäure.Suitable other dicarboxylic acids are, for example, dicarboxylic acids having 6 to 22 C atoms, for example adipic acid, suberic acid, azelaic acid, sebacic acid, undecanedioic acid, dodecanedioic acid, tridecanedioic acid, tetradecanedioic acid, hexadecanedioic acid, octadecanedioic acid, 2,2,4- or 2,4,4-trimethylhexanedioic acid, Isophthalic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 1,4-cyclohexanedicarboxylic acid or 2-methyl-1,4-cyclohexanedicarboxylic acid.
Geeignete Lactame bzw. Aminocarbonsäuren sind beispielsweise Caprolactam, Laurinlactam oder ω-Aminoundecansäure.Suitable lactams or aminocarboxylic acids are, for example, caprolactam, laurolactam or .omega.-aminoundecanoic acid.
Hierbei können auch Gemische von anderen Diaminen, Gemische von anderen Dicarbonsäuren, Gemische von Lactamen bzw. Aminocarbonsäuren sowie Gemische von anderem Diamin bzw. anderer Dicarbonsäure und Lactam bzw. Aminocarbonsäure eingesetzt werden.Mixtures of other diamines, mixtures of other dicarboxylic acids, mixtures of lactams or aminocarboxylic acids and mixtures of other diamine or other dicarboxylic acid and lactam or aminocarboxylic acid can also be used here.
Das Copolyamid wird in der Regel durch Schmelzepolykondensation hergestellt. Entsprechende Verfahren sind Stand der Technik. Alternativ hierzu kann jedoch auch jedes andere bekannte Polyamid-Syntheseverfahren verwendet werden.The copolyamide is usually prepared by melt polycondensation. Corresponding methods are state of the art. Alternatively, however, any other known polyamide synthesis method may be used.
Geeignete Zusatzstoffe im Faserwerkstoff sind beispielsweise:
- a) Andere Polymere;
- b) faserförmige Verstärkungsstoffe;
- c) Füllstoffe;
- d) Weichmacher;
- e) Pigmente und/oder Farbstoffe;
- f) Flammschutzmittel;
- g) Verarbeitungshilfsmittel und
- h) Stabilisatoren, insbesondere thermische Stabilistatoren.
- a) other polymers;
- b) fibrous reinforcing materials;
- c) fillers;
- d) plasticizer;
- e) pigments and / or dyes;
- f) flame retardants;
- g) processing aids and
- h) stabilizers, in particular thermal stabilizers.
Andere Polymere sind beispielsweise Polyamide, Polyphenylenether und/oder Schlagzähmodifikatoren.Other polymers are, for example, polyamides, polyphenylene ethers and / or impact modifiers.
Geeignete Polyamide sind beispielsweise PA46, PA66, PA68, PA610, PA612, PA613, PA410, PA412, PA810; PA1010, PA1012, PA1013, PA1014, PA1018, PA1212, PA6, PA11 und PA12 sowie Copolyamide, die sich von diesen Typen herleiten. Grundsätzlich können auch teilkristalline aromatische Polyamide, beispielsweise PA6T/6I, PA6T/66, PA6T/6 oder PA6T/6I/66, eingesetzt werden.Suitable polyamides are, for example, PA46, PA66, PA68, PA610, PA612, PA613, PA410, PA412, PA810; PA1010, PA1012, PA1013, PA1014, PA1018, PA1212, PA6, PA11 and PA12 and copolyamides derived from these types. In principle, it is also possible to use partially crystalline aromatic polyamides, for example PA6T / 6I, PA6T / 66, PA6T / 6 or PA6T / 6I / 66.
Geeignete Polyphenylenether werden nach üblichen Verfahren aus in ortho-Position durch Alkylgruppen disubstituierten Phenolen durch oxidative Kupplung hergestellt. Ein besonders bevorzugter Polyphenylenether ist Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylen)ether, optional in Kombination mit 2,3,6-Trimethylphenoleinheiten. Gemäß dem Stand der Technik enthält der Polyphenylenether funktionelle Gruppen zur Anbindung an die Polyamidmatrix; diese funktionellen Gruppen werden beispielsweise durch Behandlung mit Maleinsäureanhydrid eingebracht.Suitable polyphenylene ethers are prepared by conventional methods from ortho-position disubstituted by alkyl groups phenols by oxidative coupling. A particularly preferred polyphenylene ether is poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene) ether, optionally in combination with 2,3,6-trimethylphenol units. According to the prior art, the polyphenylene ether contains functional groups for attachment to the polyamide matrix; these functional groups are introduced, for example, by treatment with maleic anhydride.
Geeignete Schlagzähmodifikatoren sind beispielsweise olefinische Polymere, die funktionelle Gruppen enthalten, welche entweder auf die olefinische Hauptkette aufgepfropft sind oder in die Hauptkette einpolymerisiert sind; geeignete Typen und Kombinationen sind beispielsweise in der
Der Faserwerkstof enthält an anderen Polymeren bevorzugt maximal 40 Gew.-%, besonders bevorzugt maximal 30 Gew.-% und insbesondere bevorzugt maximal 25 Gew.-%. The fiber material preferably contains not more than 40% by weight, particularly preferably not more than 30% by weight and particularly preferably not more than 25% by weight, of other polymers.
Geeignete Füllstoffe sind beispielsweise Talkum, Glimmer, Silikat, Quarz, Graphit, Molybdändisulfid, Titandioxid, Wollastonit, Kaolin, amorphe Kieselsäuren, Magnesiumcarbonat, Kreide, Kalk, Feldspat, Bariumsulfat, Leitfähigkeitsruß, Graphitfibrillen, Voll- oder Hohl-Glaskugeln oder gemahlenes Glas.Suitable fillers are, for example, talc, mica, silicate, quartz, graphite, molybdenum disulfide, titanium dioxide, wollastonite, kaolin, amorphous silicas, magnesium carbonate, chalk, lime, feldspar, barium sulfate, conductive carbon black, graphite fibrils, solid or hollow glass spheres or ground glass.
Weichmacher und ihr Einsatz bei Polyamiden sind bekannt. Eine allgemeine Übersicht über Weichmacher, die für Polyamide geeignet sind, können
Als Weichmacher geeignete, übliche Verbindungen sind z. B. Ester der p-Hydroxybenzoesäure mit 2 bis 20 C-Atomen in der Alkoholkomponente oder Amide von Arylsulfonsäuren mit 2 bis 12 C-Atomen in der Aminkomponente, bevorzugt Amide der Benzolsulfonsäure.As plasticizers suitable, conventional compounds are, for. B. esters of p-hydroxybenzoic acid having 2 to 20 carbon atoms in the alcohol component or amides of arylsulfonic acids having 2 to 12 carbon atoms in the amine component, preferably amides of benzenesulfonic acid.
Als Weichmacher kommen unter anderem p-Hydroxybenzoesäureethylester, p-Hydroxybenzoesäureoctylester, p-Hydroxybenzoesäure-i-hexadecylester, Toluolsulfonsäure-n-octylamid, Benzolsulfonsäure-n-butylamid oder Benzolsulfonsäure-2-ethylhexylamid infrage.Suitable plasticizers include p-hydroxybenzoic acid ethyl ester, octyl p-hydroxybenzoate, i-hexadecyl p-hydroxybenzoate, n-octyltoluene sulfonamide, benzenesulfonic acid-n-butylamide or benzenesulfonic acid 2-ethylhexylamide.
Geeignete Pigmente und/oder Farbstoffe sind beispielsweise Ruß, Eisenoxid, Zinksulfid, Ultramarin, Nigrosin, Perlglanzpigmente und Metallflitter. Zur Anwendung in Fasern für Reifen sind diese Pigmente und/oder Farbstoffe jedoch nicht geeignet.Suitable pigments and / or dyes are, for example, carbon black, iron oxide, zinc sulfide, ultramarine, nigrosine, pearlescent pigments and metal flakes. However, these pigments and / or dyes are not suitable for use in fibers for tires.
Geeignete Flammschutzmittel sind beispielsweise Antimontrioxid, Hexabromcyclododecan, Tetrabrombisphenol, Borste, roter Phosphor, Magnesiumhydroxid, Aluminiumhydroxid, Melamincycanurat und dessen Kondensationsprodukte wie Melam, Melem, Melon, Melaminverbindungen wie Melaminpyro- und -polyphosphat, Ammoniumpolyphosphat sowie phosphororganische Verbindungen bzw. deren Salze wie beispielsweise Resorcinoldiphenylphosphat, Phosphonsäureester oder Metallphosphinate.Suitable flame retardants are, for example, antimony trioxide, hexabromocyclododecane, tetrabromobisphenol, bristles, red phosphorus, magnesium hydroxide, aluminum hydroxide, melamine cyanurate and its condensation products such as melam, melem, melon, melamine compounds such as melamine pyrophosphate and polyphosphate, ammonium polyphosphate and organophosphorus compounds or salts thereof such as resorcinol diphenyl phosphate, Phosphonic acid esters or metal phosphinates.
Geeignete Verarbeitungshilfsmittel sind beispielsweise Paraffine, Fettalkohole, Fettsäureamide, Paraffinwachse, Montanate oder Polysiloxane.Suitable processing aids are, for example, paraffins, fatty alcohols, fatty acid amides, paraffin waxes, montanates or polysiloxanes.
Geeignete Stabilisatoren sind beispielsweise Kupfersalze, Molybdänsalze, Kupferkomplexe, Phosphite, sterisch gehinderte Phenole, sekundäre Amine, UV-Absorber und HALS-Stabilisatoren. Insbesondere Kupfersalze stellen gute thermische Stabilisatoren dar, um den Werkstoff im Schmelzspinnverfahren zu Fasern zu verarbeiten.Suitable stabilizers are, for example, copper salts, molybdenum salts, copper complexes, phosphites, sterically hindered phenols, secondary amines, UV absorbers and HALS stabilizers. In particular, copper salts are good thermal stabilizers to process the material into fibers in the melt spinning process.
Der erfindungsgemäße PPA-Faserwerkstoff eignet sich ausgezeichnet für die Herstellung von Monofilamenten (endlose Einzelfasern) als auch von Multifilamenten (z. B. Garne mit jeweils über 100 endlosen Einzelfasern). Die Fasern können kurz oder endlos sein. Als Festigkeitsträger eignen sich am besten endlose Multifilamente. Die Schmelztemperatur variiert je nach Verfahren und Einsatzviskosität der Formmasse zwischen etwa 280°C und etwa 340°C. Typische Recktemperaturen liegen im Bereich von ca. 160°C bis ca. 180°C.The PPA fiber material according to the invention is outstandingly suitable for the production of monofilaments (continuous single fibers) as well as multifilaments (eg yarns each with over 100 endless individual fibers). The fibers can be short or endless. Strength carriers which are best suited are endless multifilaments. The melting temperature varies between about 280 ° C and about 340 ° C, depending on the process and feed viscosity of the molding material. Typical stretching temperatures are in the range of about 160 ° C to about 180 ° C.
Die Erfindung soll nun anhand von Beispielen erläutert werden.The invention will now be explained by way of examples.
Für die Herstellung der höherschmelzenden Typen des erfindungsgemäßen Copolyamids eignet sich beispielsweise die in der
Beispiel 1: CoPA 10T/TMDT (80:20)Example 1: CoPA 10T / TMDT (80:20)
Im Autoklaven wurden 675,2 g 1,10-Decandiamin (98,6-prozentig), 150,3 g eines Gemisches aus 2,2,4- und 2,4,4-TMD, 789,3 g Terephthalsäure, 452 g vollentsalztes Wasser (VE-Wasser), 3,1 g eines Wärmestabilisators und 2,88 g einer 5-prozentigen wässrigen H3PO2-Lösung eingefüllt, dreimal mit Stickstoff inertisiert, der Autoklav abgesperrt und mit einer Ölvorlauftemperatur von 230°C aufgeheizt. Hierbei bildete sich eine klare, homogene Salzlösung. Der Autoklav wurde mit Stickstoff auf konstant 44 bar Gesamtdruck eingestellt; dieser Druck förderte das Material durch die Anlage. Im Flasher (Position 30) fielen 16,5 g/h Polymer an. Die Analysenergebnisse waren:
Relative Lösungsviskosität ηrel, gemessen gemäß
Das Produkt wurde 30 h bei 180°C im leichten Stickstoffstrom in fester Phase zu einem Material mit ηrel = 1,79 nachkondensiert.The product was post-condensed for 30 h at 180 ° C in a gentle stream of nitrogen in solid phase to a material with η rel = 1.79.
Beispiel 2: CoPA 10T/TMDT (94:6)Example 2: CoPA 10T / TMDT (94: 6)
Im Autoklaven wurden 654,9 g 1,10-Decandiamin (98,6-prozentig), 38,0 g eines Gemisches aus 2,2,4- und 2,4,4-TMD, 664,6 g Terephthalsäure, 372,5 g VE-Wasser, 1,2 g. Natriumhypophosphit, 2,4 g eines Wärmestabilisators und 1,2 g einer 5-prozentigen H3PO2-Lösung eingefüllt, dreimal mit Stickstoff inertisiert, der Autoklav abgesperrt und mit einer Ölvorlauftemperatur von 230°C aufgeheizt. Hierbei bildete sich eine klare, homogene Salzlösung. Der Autoklav wurde mit Stickstoff auf konstant 42 bar Gesamtdruck eingestellt; dieser Druck förderte das Material durch die Anlage. Im Flasher fielen 17,9 g/h Polymer an. Die Analysenergebnisse waren:
Das Produkt wurde 40 h bei 180°C im leichten Stickstoffstrom in fester Phase zu einem Material mit ηrel = 1,74 nachkondensiert.The product was post-condensed for 40 h at 180 ° C in a gentle stream of nitrogen in solid phase to a material with η rel = 1.74.
Beispiel 3:Example 3:
Entsprechend Beispiel 1 wurde das in den nachfolgenden Tabellen aufgeführte weitere Copolyamid mit einem Decandiamin/TMD-Verhältnis von 85:15 hergestellt.As in Example 1, the further copolyamide listed in the following tables was prepared with a decanediamine / TMD ratio of 85:15.
Referenzbeispiel 1:Reference Example 1:
Entsprechend Beispiel 1 wurde das Homopolymer PA10T hergestellt.According to Example 1, the homopolymer PA10T was prepared.
Beispiel 4:Example 4:
Zur Herstellung eines CoPA 10T/TMDT (70:30) wurde ein 30 I-Rührautoklav mit folgenden Einsatzstoffen beschickt:
Die Einsatzstoffe wurden in einer Stickstoffatmosphäre aufgeschmolzen und unter Rühren im geschlossenen Autoklaven auf ca. 220°C erhitzt, wobei sich ein Innendruck von ca. 20 bar einstellte. Dieser Innendruck wurde 2 Stunden beibehalten; danach wurde die Schmelze unter kontinuierlichem Entspannen auf Normaldruck weiter auf 305°C aufgeheizt und danach 1,5 Stunden im Stickstoffstrom bei dieser Temperatur gehalten. Anschließend wurde innerhalb von 3 Stunden auf Atmosphärendruck entspannt und weitere 3 Stunden Stickstoff über die Schmelze geleitet, bis anhand des Drehmoments kein weiterer Anstieg der Schmelzeviskosität mehr angezeigt wurde. Danach wurde die Schmelze mittels Zahnradpumpe ausgetragen und als Strang granuliert. Das Granulat wurde 24 Stunden unter Stickstoff bei 110°C getrocknet.
Austrag: 7,4 kgThe starting materials were melted in a nitrogen atmosphere and heated with stirring in a closed autoclave to about 220 ° C, with an internal pressure of about 20 bar. This internal pressure was maintained for 2 hours; Thereafter, the melt was further heated to 305 ° C with continuous expansion to atmospheric pressure and then held for 1.5 hours in a stream of nitrogen at this temperature. Subsequently, it was depressurized to atmospheric pressure within 3 hours and nitrogen was passed through the melt for a further 3 hours until no further increase in the melt viscosity was indicated on the basis of the torque. Thereafter, the melt was discharged by means of a gear pump and granulated as a strand. The granules were dried under nitrogen at 110 ° C for 24 hours.
Discharge: 7,4 kg
Das Produkt wies folgende Kennwerte auf:
Beispiel 5:Example 5:
Zur Herstellung eines CoPA 12T/TMDT (60:40) wurde ein 30 I-Rührautoklav mit folgenden Einsatzstoffen beschickt:
Die Einsatzstoffe wurden in einer Stickstoffatmosphäre aufgeschmolzen und unter Rühren im geschlossenen Autoklaven auf ca. 220°C erhitzt, wobei sich ein Innendruck von ca. 20 bar einstellte. Dieser Innendruck wurde 2 Stunden beibehalten; danach wurde die Schmelze unter kontinuierlichem Entspannen auf Normaldruck weiter auf 295°C aufgeheizt und danach 1,5 Stunden im Stickstoffstrom bei dieser Temperatur gehalten. Anschließend wurde innerhalb von 3 Stunden auf Atmosphärendruck entspannt und weitere 3 Stunden Stickstoff über die Schmelze geleitet, bis anhand des Drehmoments kein weiterer Anstieg der Schmelzeviskosität mehr angezeigt wurde. Danach wurde die Schmelze mittels Zahnradpumpe ausgetragen und als Strang granuliert. Das Granulat wurde 24 Stunden unter Stickstoff bei 110°C getrocknet.
Austrag: 8,9 kgThe starting materials were melted in a nitrogen atmosphere and heated with stirring in a closed autoclave to about 220 ° C, with an internal pressure of about 20 bar. This internal pressure was maintained for 2 hours; Thereafter, the melt was further heated to 295 ° C with continuous expansion to atmospheric pressure and then held for 1.5 hours in a stream of nitrogen at this temperature. Subsequently, it was depressurized to atmospheric pressure within 3 hours and nitrogen was passed through the melt for a further 3 hours until no further increase in the melt viscosity was indicated on the basis of the torque. Thereafter, the melt was discharged by means of a gear pump and granulated as a strand. The granules were dried under nitrogen at 110 ° C for 24 hours.
Discharge: 8,9 kg
Das Produkt wies folgende Kennwerte auf:
Beispiel 6:Example 6:
Zur Herstellung eines CoPA 12T/TMDT (70:30) wurde ein 30 I-Rührautoklav mit folgenden Einsatzstoffen beschickt:
Die Einsatzstoffe wurden in einer Stickstoffatmosphäre aufgeschmolzen und unter Rühren im geschlossenen Autoklaven auf ca. 220°C erhitzt, wobei sich ein Innendruck von ca. 20 bar einstellte. Dieser Innendruck wurde 2 Stunden beibehalten; danach wurde die Schmelze unter kontinuierlichem Entspannen auf Normaldruck weiter auf 295°C aufgeheizt und danach 1,5 Stunden im Stickstoffstrom bei dieser Temperatur gehalten. Anschließend wurde innerhalb von 3 Stunden auf Atmosphärendruck entspannt und weitere 3 Stunden Stickstoff über die Schmelze geleitet, bis anhand des Drehmoments kein weiterer Anstieg der Schmelzeviskosität mehr angezeigt wurde. Danach wurde die Schmelze mittels Zahnradpumpe ausgetragen und als Strang granuliert. Das Granulat wurde 24 Stunden unter Stickstoff bei 110 °C getrocknet.
Austrag: 9,1 kgThe starting materials were melted in a nitrogen atmosphere and heated with stirring in a closed autoclave to about 220 ° C, with an internal pressure of about 20 bar. This internal pressure was maintained for 2 hours; Thereafter, the melt was further heated to 295 ° C with continuous expansion to atmospheric pressure and then held for 1.5 hours in a stream of nitrogen at this temperature. Subsequently, it was depressurized to atmospheric pressure within 3 hours and nitrogen was passed through the melt for a further 3 hours until no further increase in the melt viscosity was indicated on the basis of the torque. Thereafter, the melt was discharged by means of a gear pump and granulated as a strand. The granules were dried under nitrogen at 110 ° C for 24 hours.
Discharge: 9.1 kg
Das Produkt wies folgende Kennwerte auf:
Beispiel 7:Example 7:
Entsprechend Beispiel 6 wurde ein Copolyamid mit einem Dodecandiamin/TMD-Verhältnis von 75:25 hergestellt.According to Example 6, a copolyamide was prepared with a dodecanediamine / TMD ratio of 75:25.
Beispiele 8 und 9:Examples 8 and 9:
Entsprechend Beispiel 4 wurden zwei Copolyamide mit einem Decandiamin/TMD-Verhältnis von 60:40 beziehungsweise 52:48 hergestellt.According to Example 4, two copolyamides were prepared with a decandiamine / TMD ratio of 60:40 and 52:48, respectively.
Vergleichsbeispiele 1 und 2:Comparative Examples 1 and 2:
Entsprechend Beispiel 4 wurden zwei Copolyamide mit einem Decandiamin/TMD-Verhältnis von 33:67 beziehungsweise 12:88 hergestellt.According to Example 4, two copolyamides were prepared with a decanediamine / TMD ratio of 33:67 and 12:88, respectively.
Die Eigenschaften der hergestellten Polyamide bzw. Copolyamide sind in den nachfolgenden Tabellen wiedergegeben.The properties of the polyamides or copolyamides produced are shown in the following tables.
In der
Die Tabelle 3 zeigt, dass das Produkt aus Beispiel 3 nach Feuchtekonditionierung (hier: Vollkontaktlagerung bei 120°C im Autoklaven) seine mechanischen Eigenschaften im Wesentlichen beibehält. Die Erhöhung des E-Moduls im ersten Fall ist auf Rekristallisation zurückzuführen. Tabelle 3: Mechanische Eigenschaften im trockenen sowie im feuchtekonditionierten Zustand
Pulverherstellung:Powder Preparation
Das Produkt aus Beispiel 8 wurde als Stranggranulat von ca. 5 mm Länge und ca. 3 mm Durchmesser auf einer Stiftmühle (Alpine CW 160) vermahlen. Mittels Kühlschnecke wurde das Einsatzgranulat auf –50°C heruntergekühlt, im Mahlraum auf bis zu 220 m/s beschleunigt und zwischen den Stiften der gegenläufigen Mahlscheiben verrieben. Hierbei entstand bei einem Durchsatz von 15 kg/h ein Mahlgut, bei dem der Anteil mit einem Korndurchmesser von kleiner als 100 μm 50 Gew.-% betrug. Das Mahlgut wurde bei 63 μm gesiebt; der erhaltene Feinanteil hatte eine Korngrößenverteilung (mittels Laserbeugung bestimmt) von d10 = 14,9 μm, d50 = 43,7 μm und d90 = 75,4 μm.The product from example 8 was ground as extruded granules of about 5 mm in length and about 3 mm in diameter on a pin mill (Alpine CW 160). By means of a cooling screw, the feed pellets were cooled down to -50 ° C, accelerated in the grinding chamber up to 220 m / s and triturated between the pins of the counter-rotating grinding discs. In this case, at a throughput of 15 kg / h, a millbase, in which the proportion with a particle diameter of less than 100 microns 50 wt .-% was. The millbase was sieved at 63 μm; the fine fraction obtained had a particle size distribution (determined by means of laser diffraction) of d 10 = 14.9 μm, d 50 = 43.7 μm and d 90 = 75.4 μm.
Dieses Feinpulver eignet sich zur Herstellung von Fasern zur Verstärkung von Gummikörpern.This fine powder is suitable for the production of fibers for reinforcing rubber bodies.
Die Herstellung der FasernThe production of the fibers
Die Herstellung der Fasern ist im Schmelzspinnverfahren möglich. Hierzu wird das Feinpulver bei 300 bis 400°C aufgeschmolzen und die Fasern mit einer Geschwindigkeit von 100 bis 900 m/min abgezogen. Die Viskosität liegt bei diesen Temperaturen bevorzugt unter 1500 Pas, besonders bevorzugt unter 1000 Pas. Die Viskosität kann mit geeigneten Weichmachern eingestellt werden. Nach dem Ziehen der Fasern sollte eine Maximaltemperatur von etwa 200°C nicht überschritten werden, um einen gleichmäßigen Fluss ohne Beschädigung der Faser zu ermöglichen. Beim Faserziehen sollten Reckraten zwischen 1 und 9, bevorzugt zwischen 1 und 4 realisiert werden. Das gesponnene Garn kann durch Recken und Tempern hinsichtlich seiner spezifischen Zugfestigkeit verbessert werden, da hierdurch die Moleküle einheitlich ausgerichtet und konserviert werden. Ideal sind hier Reckraten von 1 bis 6, am besten um 4. Die Tempertemperatur sollte etwas höher liegen als die Glastemperatur.The production of the fibers is possible in the melt spinning process. For this purpose, the fine powder is melted at 300 to 400 ° C and the fibers are drawn off at a speed of 100 to 900 m / min. The viscosity at these temperatures is preferably below 1500 Pas, more preferably below 1000 Pas. The viscosity can be adjusted with suitable plasticizers. After drawing the fibers, a maximum temperature of about 200 ° C should not be exceeded to allow a smooth flow without damaging the fiber. During fiber drawing, stretching rates between 1 and 9, preferably between 1 and 4, should be realized. The spun yarn can be improved in stretching and tempering in terms of its specific tensile strength, since the molecules are uniformly aligned and preserved. The ideal rates here are from 1 to 6, preferably around 4. The annealing temperature should be slightly higher than the glass transition temperature.
Auf diese Weise ließen sich Multifilament-Garne mit den folgenden Eigenschaften erzeugen: 100 bis 300 Einzelfilamente (Endlosfasern) pro Garn, Fadenfeinheit 100 bis 2000 dtex. Die Fasern wiesen E-Moduln im Bereich von 1.75 bis 2.4 GPa auf; die Zugfestigkeit betrug 0.2 bis 0.85 GPa. Der Faserdurchmesser betrug 20 bis 45 μm. Je geringer der Faserdurchmesser, desto höher die Zugfestigkeit und der E-Modul der Faser.In this way, multifilament yarns with the following properties could be produced: 100 to 300 individual filaments (continuous fibers) per yarn, thread count 100 to 2000 dtex. The fibers had moduli of elasticity in the range of 1.75 to 2.4 GPa; the tensile strength was 0.2 to 0.85 GPa. The fiber diameter was 20 to 45 microns. The smaller the fiber diameter, the higher the tensile strength and modulus of elasticity of the fiber.
Die Fasern/Garne werden – ggf. zu textilen Flächengebilden weiterverarbeitet – zur Verstärkung in die Gummimatrix einvulkanisiert. Die textile Verarbeitung der Fasern/Garne sowie das Einbetten der Verstärkungsfasern in die Gummimatrix erfolgt in üblicher Weise nach den üblichen Produktionsverfahren der Reifenindustrie.The fibers / yarns - possibly further processed into textile fabrics - vulcanized into the rubber matrix for reinforcement. The textile processing of the fibers / yarns and the embedding of the reinforcing fibers in the rubber matrix is carried out in a conventional manner according to the usual production processes of the tire industry.
Die Gummimatrix selbst besteht aus bekannten Synthese- und/oder Naturkautschuk und kann die in der Gummitechnik üblichen Füllstoffe wie Ruß oder Silica enthalten.The rubber matrix itself consists of known synthetic and / or natural rubber and may contain the customary in rubber technology fillers such as carbon black or silica.
Mit den erfindungsgemäßen Fasern gelingt es, die aus Rylon, PET und Stahl bestehende Faserverstärkung eines Reifens zumindest teilweise zu substituieren. Mithin ist anstelle einer Hybrid-Faserverstärkung nur noch ein einziger Faserwerkstoff im Reifen erforderlich, der im Vergleich zum herkömmlichen Hybrid-Reifen bei besserer Festigkeit einen geringeren Gummi-Anteil und damit ein verringertes Gewicht aufweist. Darüber hinaus führt die Einsparung von Gummi in der Lauffläche und in der Seitenwand zu einer Reduzierung des Rollwiderstandes.With the fibers according to the invention, it is possible to at least partially substitute the fiber reinforcement of a tire consisting of Rylon, PET and steel. Thus, instead of a hybrid fiber reinforcement only a single fiber material in the tire is required, which has a lower rubber content and thus a reduced weight compared to the conventional hybrid tire with better strength. In addition, the saving of rubber in the tread and in the sidewall leads to a reduction of the rolling resistance.
Die Herstellung eines Reifens The production of a tire
Die Herstellung des Reifens kann unter Verwendung der erfindungsgemäßen Fasern wie in
Die verbesserte Steifigkeit, das geringere Gewicht und die in Ermangelung von Stahl fehlenden scharfen Kanten ermöglichen eine Verbesserung der Abrollleistung sodass das Profil von 8 auf 4 mm reduziert werden konnte. Diese Maßnahme senkt den Rollwiderstand abhängig vom Reifentyp um 5 bis 20%.The improved stiffness, lower weight, and lack of sharp edges on the steel allow for better roll performance, reducing the profile from 8mm to 4mm. This measure reduces the rolling resistance by 5 to 20% depending on the type of tire.
Eine vollständige Substitution der Hybridcord-Einlangen eines R16-Autoreifens durch erfindungsgemäßes PPA führt zu Gewichtsreduktion von etwa 25 bis 40%, abhängig vom Reifentyp. Dies wirkt sich insbesondere vorteilhaft auf die Trägheitsmomente des Rades aus. Zusammen mit dem durch den geringeren Gummianteil geminderten Rollwiderstand können bei einem Durchschnittlichen Personenwagen dank der Erfindung CO2-Emissionen in einer Größenordnung von 0.35 bis 1 kg/100 km erreicht werden. So liegt das CO2-Einsparpotential bei einer spezifischen Faserfestigkeit von 1.46 N/tex bei 0,65 kg/100 km.A complete substitution of the hybrid cord length of an R16 car tire with PPA according to the invention leads to a weight reduction of about 25 to 40%, depending on the type of tire. This has a particularly advantageous effect on the moment of inertia of the wheel. Together with the reduced by the lower rubber content rolling resistance can be achieved in an average passenger car thanks to the invention CO 2 emissions in the order of 0.35 to 1 kg / 100 km. Thus, the CO 2 savings potential at a specific fiber strength of 1.46 N / tex is 0.65 kg / 100 km.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20121228 |