DE102004052255A1 - Kautschukzusammensetzung für Antriebsriemen, Herstellungsverfahren für diese und Antriebsriemen unter Verwendung derselben - Google Patents

Kautschukzusammensetzung für Antriebsriemen, Herstellungsverfahren für diese und Antriebsriemen unter Verwendung derselben Download PDF

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Abstract

Eine Kautschukzusammensetzung für Antriebsriemen in einer kontinuierlichen-dispersen Struktur enthält ein Ethylen-alpha-Olefin-Elastomer, welches Ethylen mit 60 Masseprozent oder weniger in einer kontinuierlichen Phase enthält, einen hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk, dessen gebundene Acrylnitrilmenge 30 Masseprozent oder weniger in einer dispersen Phase beträgt, und ein organisches Peroxid. Das Metallsalz ungesättigter Carbonsäure ist sowohl in dem Ethylen-alpha-Olefin-Elastomer in der kontinuierlichen Phase als auch in dem hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk in der dispersen Phase dispergiert.

Description

  • HINTER GRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Kautschukzusammensetzungen für Antriebsriemen, Herstellungsverfahren für diese und Antriebsriemen unter Verwendung derselben.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Antriebsriemen werden allgemein in reibschlüssige Antriebsriemen, welche die Kraftübertragung unter Nutzung der Reibungskraft gegen Riemenscheiben ausführen, und Zahnriemen, welche die Kraftübertragung unter Nutzung eines physikalischen Eingriffs mit Riemenscheiben ausführen, eingeteilt.
  • Bezüglich der reibschlüssigen Antriebsriemen gibt es neben den herkömmlichen Flachriemen verschiedene Arten von Riemen wie Keilrippenriemen für das Antreiben von Zusatzeinrichtungen von Kraftfahrzeugmotoren, flankenoffene Keilriemen vertreten durch einseitig gezahnte Keilriemen (deren Innenumfangsfläche gezahnt ist) und beidseitig gezahnte Keilriemen (deren Innenumfangsfläche und Außenfläche gezahnt sind), welche für den Gangwechsel bei Fahrrädern und dergleichen verwendet werden, Hybridkeilriemen (mehrere Blöcke greifen mit einem Paar rechter und linker Zugbänder bei einer vorgegebenen Teilung und bei regelmäßigen Intervallen in Längsrichtung des Riemens), welche in Trocken-CVT-Getrieben (= stufenlos variable Getriebe) von Kraftfahrzeugen verwendet werden.
  • Bei allen Arten von reibschlüssigen Antriebsriemen wird in letzter Zeit die Verkleinerung der Riemenbreite als Reaktion auf die Forderung nach Raumersparnis vorangetrieben. In Verbindung damit ist eine Steigerung der Antriebskraft pro Riemeneinheitsbreite erwünschter, und eine größere Beständigkeit gegenüber der Einsatzumgebung, welche anspruchsvoller wurde, z. B. Temperaturanstieg, ist ebenfalls erwünscht. Aus diesem Grund müssen die für die reibschlüssige Übertragung verwendeten Kautschukmaterialien Eigenschaften aufweisen, welche einen Ausgleich zwischen Wärmiealterungsbeständigkeit, Rissfestigkeit, niedriger bleibender Dehnung, hoher Elastizität, geringer Eigenerwärmung, Abriebbeständigkeit, guter Bearbeitbarkeit bieten. Insbesondere zur Verwirklichung einer Hochleistungskraftübertragung, welches die primäre Funktion ist, muss die Kautschukzusammensetzung nach der Quervernetzung eine hohe Elastizität aufweisen.
  • Zur Erfüllung der obigen Forderungen wurde, wie in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 5-272595A offenbart, Peroxid, welches hydrierten Acrylnitrilbutadienkautschuk (nachstehend als "H-NBR" bezeichnet) quervernetzt, verwendet, welcher mit einem Metallsalzmonomer ungesättigter Carbonsäure vertreten durch Zinkdimethacrylat und Zinkdiacrylat verstärkt wird. Bei Verwendung dieses H-NBR nimmt die Elastizität des Kautschukmaterials um so mehr zu, je größer die Menge eines Metallsalzmonomers wird. Dies ist bei Hochleistungskraftübertragung effektiv, kann aber eine Reduzierung der Wärmealterungsbeständigkeit und der Rissfestigkeit des Kautschuks sowie eine Zunahme der bleibenden Dehnung bewirken. Daher wurde eine optimale Menge des ungesättigten Metallsalzmonomers zur Realisierung unter Berücksichtigung von Antriebskraft, Wärmebeständigkeit, Rissfestigkeit und niedrigerer bleibender Dehnung entsprechend der Verwendung in den Antriebsriemen gefunden.
  • Neben den obigen Forderungen sind weltweit verwendbare Antriebsriemen erwünscht, welche in kalten Klimazonen wie Nordamerika und den skandinavischen Ländern eine geforderte Haltbarkeitseigenschaft erfüllen. Zum Erfüllen dieser Forderungen stehen Ethylen-α-Olefin-Elastomere wie Ethylenpropylen-Copolymere (EPM), Ethylenpropylendien-Terpolymere (EPDM), Ethylenokten-Copolymere im Mittelpunkt des Interesses als Kautschukmaterialien für Antriebsriemen, welche beide Eigenschaften der Wärmebeständigkeit und der Kältebeständigkeit bieten.
  • Die offengelegte japanische Patentanmeldungsschrift Nr. 5-17635 zum Beispiel offenbart eine Kautschukzusammensetzung, deren Elastizität durch Mischen eines Metallsalzmonomers ungesättigter Carbonsäure mit einem Ethylen-α-Olefin-Elastomer, dessen Ethylengehalt unter etwa 70 Molprozent liegt, oder durch Mischen eines Metallsalzmonomers ungesättigter Carbonsäure mit einem Ethylen-α-Olefin-Elastomer, dessen Ethylengehalt über etwa 75 Molprozent liegt, verbessert wird.
  • Die internationale Schrift Nr. 97/22662 offenbart, dass die Kautschukelastizität durch Mischen von 32 bis 100 Gewichtsteilen eines Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure auf 100 Gewichtsteile eines Ethlylen-α-Olefin-Elastomers verbessert wird.
  • Die offengelegte japanische Patentanmeldungsschrift Nr. 60-92237A offenbart eine Kombination aus Kautschuk auf Dien-Basis und einem Ethlylen-α-Olefin-Elastomer. Diese Quelle offenbart, dass etwa 25 bis 85 Gewichtsteile Zinkdimethacrylat mit 100 Gewichtsteilen eines Ethlylen-α-Olefin-Elastomers gemischt werden, wodurch Kältebeständigkeit und hohe Elastizität geboten werden. Ferner offenbart sie das Mischen von Kautschuk auf Dien-Basis, zum Beispiel Naturkautschuk, SBR, NBR, CR.
  • Die offengelegte japanische Patentanmeldungsschrift Nr. 5-271475 offenbart eine Kombination aus H-NBR und einem Ethlylen-α-Olefin-Elastomer. Diese Quelle offenbart, dass eine gehärtete Verbindung einer Kautschukzusammensetzung, welche weniger bleibende Verformung aufweist und eine ausgezeichnete Ozonbeständigkeit, Kältebeständigkeit und Festigkeit besitzt, durch Mischen von 10 bis 80 Gewichtsteilen eines auf Ethylen basierenden Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure wie Zinkdimethacrylat und von 0,2 bis 10 Gewichtsteilen eines organischen Peroxids mit 100 Gewichtsteilen einer Polymerkomponente bestehend aus 10 bis 40 Gewichtsteilen eines Ethylen enthaltenden, mit ungesättigtem Nitril konjugierten, hochgesättigten Copolymerkautschuks auf Dien-Basis, wie H-NRB, und 90 bis 60 Gewichtsteilen eines Polymers auf Polyethylen-Basis erhalten wird. Als Polymer auf Polyethylen-Basis wird ein Ethlylen-α-Olefin-Elastomer bestehend aus einer Gruppe eines EMP, eines EPDM und eines Ethylen-Okten-Copolymers offenbart.
  • Die veröffentlichte japanische Übersetzung der internationalen PCT-Schrift für die Patentanmeldung Nr. 9-500930 offenbart ein Mischen von etwa 1 bis 30 Gewichtsteilen eines Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure mit 100 Gewichtsteilen eines Ethlylen-α-Olefin-Elastomers für das Verstärken des Kautschuks und Mischen von bis zu 25 Gewichtsteilen eines H-NBR.
  • Die internationale Schrift Nr. 97/22663 offenbart ein Mischen von 5 bis 80,5 Gewichtsteile eines Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure mit einem Basiskautschuk bestehend aus 41 bis 49 Gewichtsteilen eines Ethlylen-α-Olefin-Elastomers und 59 bis 61 Gewichtsteilen eines H-NBR.
  • Dagegen werden verschiedene Arten von Zahnriemen in verschiedenen Fällen, zum Beispiel für Bürogeräte wie Kopiergeräte und Drucker, allgemeine industrielle Anlagen wie Spritzgießpressen und für das Antreiben von obenliegenden Nocken, Kraftstoffeinspritzpumpen, Wasserpumpen und Ölpumpen für Kraftfahrzeugmotore verwendete Geräte, eingesetzt. Die Zahnriemen aller Arten sollen eine hohe Antriebskraft bei Hochleistungseinsatz bei hoher Temperatur aufweisen.
  • Die Zahnriemen für das Antreiben der oben erwähnten obenliegenden Nocke, der Kraftstoffeinspritzpumpen, Wasserpumpen, Ölpumpen und dergleichen zum Beispiel sollen eine hohe Antriebskraft in Verbindung mit der Tatsache haben, dass die Einsatzbedingungen (d.h. höhere Motorleistung, Lufttemperaturanstieg und dergleichen) schwieriger geworden sind. Weiterhin sollen die Zahnriemen gute Eigenschaften wie Wärmebeständigkeit, Kältebeständigkeit, Rissfestigkeit, niedrige bleibende Dehnung, Elastizität, niedrige Eigenerwärmung und Abriebbeständigkeit ebenso wie in den reibschlüssigen Antriebsriemen aufweisen. Für Spritzgießpressen in der Industrie verwendete Zahnriemen sollen in jüngster Zeit eine hohe Antriebskraft ebenso wie die Zahnriemen für Kraftfahrzeuge aufweisen.
  • Wen die auf einen Riemen ausgeübte Last steigt, wird die auf das Zahnteil ausgeübte Scherspannung groß. Dies bewirkt ein Zahnabsplittern aufgrund Rissbildung oder ein Ablösen eines Kautschukzahns, was zu einer verkürzten Lebensdauer führt. Zur Lösung dieses Problems ist bekannt, dass eine Zunahme der Steifigkeit des Zahnteils die Haltbarkeit verbessert. Demnach ist es zum Verbessern der Steifigkeit des Zahnteils erforderlich, die Elastizität des den Zahnteil bildenden Kautschuks zu verbessern.
  • Zum Verbessern der Steifigkeit wurden verschiedene Arten von Kautschukzusammensetzungen, in denen H-NBR mit einem Metallsalz ungesättigter Carbonsäure verstärkt ist, für das Erzeugen hoher Elastizität, Wärmebeständigkeit, hoher Festigkeit, Abriebbeständigkeit und dergleichen als Kautschukmaterialien von Zahnriemen für die Hochleistungskraftübertragung vorgeschlagen.
  • Weiterhin werden als handelsübliche H-NBR, verstärkt mit einem Metallsalz ungesättigter Carbonsäure, Zeoforte ZSC (Handelsbezeichnung), hergestellt von ZEON CORPORATION, und Therban ART (Handelsbezeichnung), hergestellt von Bayer Ltd., beispielhaft erwähnt. Da die mit dem Metallsalz ungesättigter Carbonsäure verstärkten H-NBR eine hohe Elastizität, Wärmebeständigkeit und Ölbeständigkeit aufweisen, verbessert das Verwenden der Kautschukzusammensetzung für den Zahnkautschuk die Haltbarkeit des Zahnteils beträchtlich.
  • Andererseits wird auf die folgenden Probleme hingewiesen.
    • 1) Die Rissfestigkeit ist aufgrund hoher Polarität bei niedriger Temperatur ungenügend.
    • 2) Der druckbedingte bleibende Dehnung des Kautschuks ist aufgrund der ionischen Bindung eines Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure ausgeprägt, so dass eine offenkundige Verlängerung durch eine Dauerverformung des Zahnteils groß ist.
  • Zur Lösung der obigen Probleme offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2002-194114, dass die Glasübergangstemperatur durch Reduzieren der Menge des gebundenen Acrylnitrils eines H-NBR auf 10 bis 30% oder durch Anheben der Menge eines Weichmachers gesenkt wird.
  • Die Kautschukzusammensetzungen für Antriebsriemen müssen neben einem ausgewogenen Verhältnis der obigen Eigenschaften auch eine gute Kautschukbearbeitbarkeit wie Knetbearbeitbarkeit, Wälzbearbeitbarkeit aufweisen. Da die Antriebsriemen bildenden Kautschukmaterialien im Einzelnen eine niedrige Eigenerwärmung bei dynamischer Verformung aufweisen müssen, muss die Mischmenge eines anorganischen Füllstoffs in der Kautschukzusammensetzung, wie z.B. Carbon-Black, Siliciumdioxid, Calciumcarbonat, niedrig angesetzt werden, nämlich auf 50 Gesichtsteile oder weniger pro 100 Gewichtsteile eines Hauptkautschuks. Ein solcher in geringerer Menge beigemischter Füllstoff bewirkt jedoch eine schlechtere Gleichmäßigkeit der Felloberfläche nach Verarbeiten der Kautschukzusammensetzung zu einem Fell durch Mahlen im Walzwerk. Andererseits wird allgemein ein organischer Füllstoff in Kurzfaserform verwendet. Die Kautschukzusammensetzung, welche eine solche geringere Menge organischen Füllstoffs enthält, bewirkt jedoch eine äußerst niedrige Fließfähigkeit der Kautschukzusammensetzung und eine geringere Integralität der Kautschukzusammensetzung bei Kneten mit dem Ergebnis schlechterer Bearbeitbarkeit beim Mahlen im Walzwerk.
  • Zur Lösung der obigen Probleme offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldungsschrift Nr. 2002-81506 die Verwendung eines Hauptkautschuks (Ethlylen-α-Olefin-Elastomer) geringen Molekulargewichts, zum Beispiel mit einer Mooney-Viskosität ML(1+4) von 50 oder weniger bei 100°C (etwa 33 oder weniger bei 125°C), um die Verarbeitbarkeit der Kautschukzusammensetzung für Antriebsriemen, mit welcher wie oben Kurzfaser mit einer kleinen Menge Füllstoff gemischt ist, zu verbessern. Laut dieser Gazette wird die Kautschukelastizität einer nicht quervernetzten Kautschukzusammensetzung gemindert und seine Fließfähigkeit verbessert, mit dem Ergebnis guter Bearbeitbarkeit beim Wälzen und Kneten. Im Allgemeinen liegt die Mooney-Viskosität ML(1+4) eines für Antriebsriemen verwendeten Ethlylen-α-Olefin-Elastomers bei 50 oder weniger bei 125°C, und für bessere Bearbeitbarkeit liegt die Mooney-Viskosität ML(1+4) bei 40 oder weniger.
  • Unter Bezug auf Kautschukmaterialien für reibschlüssige Antriebsriemen wird jedoch, wenn eine zufriedenstellende Biegsamkeit bei einer niedrigeren Temperatur unter –35°C erhalten wird, die Menge des gebundenen Acrylnitrils in einem H-NBR reduziert, und es muss eine große Menge Weichmacher wie Öl zugegeben werden, selbst wenn der H-NBR mit dem Metallsalz ungesättigter Carbonsäure verstärkt ist. Dies führt zu geringerer Elastizität und ausgeprägterer bleibender Dehnung, wodurch die Ausgewogenheit der oben erwähnten Eigenschaften, welche für Antriebsriemen erforderlich sind, schlechter wird.
  • Unter Bezug auf Kautschukmaterialien, deren Grundmaterial ein Ethlylen-α-Olefin-Elastomer ist, erhöht ein Anheben der Menge eines Füllstoffs wie Carbon-Black für das Verbessem der Elastizität die Eigenerwärmung beim Biegen des Kautschuks extrem und schwächt die Rissfestigkeit ab, was keine Realisierbarkeit bedeutet.
  • Das Mischen eines Metallsalzmonomers ungesättigter Carbonsäure mit einem Ethlylen-α-Olefin-Elastomer erreicht weniger Festigkeit. Dies könnte an einer geringeren Dispergierungsfähigkeit des Metallsalzmonomers liegen. Zwar wird die Elastizität verbessert, doch wird die Rissfestigkeit in diesem Fall viel schlechter, mit dem Ergebnis keiner Verbesserung der Biegsamkeit und der Beständigkeit gegenüber bleibender Dehnung. Das Mindern der Rissfestigkeit könnte auch durch eine geringere Dispergierungsfähigkeit des Metallsalzmonomers verursacht werden.
  • Der prozentual höhere Ethylengehalt, d.h. 75% oder mehr in dem Ethlylen-α-Olefin-Elastomer, könnte eine hohe Festigkeit bewirken, verursacht aber eine Kristallisation bei niedriger Temperatur, wodurch die Biegsamkeit des Riemens bei niedriger Temperatur abgeschwächt wird.
  • Das Mischen einer großen Menge eines Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure mit einem Ethlylen-α-Olefin-Elastomer führt dagegen zu hoher Elastizität des Kautschuks, so dass es schwierig ist, einen Kautschuk mit ausgezeichneter Rissfestigkeit zu erhalten. Selbst wenn die Rissfestigkeit durch Hinzufügen einer großen Menge Weichmacher verbessert würde, wird die bleibende Dehnung bei Druck ausgeprägter. Daher neigen Keilriemen zu einer Verformung durch Dehnschlupf bei starkem seitlichen Druck von den Riemenscheiben, wobei keine Haltbarkeit erzielt wird.
  • Die Kombination eines Ethlylen-α-Olefin-Elastomers mit einem Kautschuk auf Dien-Basis verbessert das Problem der bleibenden Dehnung, verschlechtert aber die Wärmealterungsbeständigkeit. Somit wird keine Zusammensetzung erhalten, welche einer thermischen Vorgeschichte hoher Temperatur standhalten kann, was in den letzten Jahren gefordert wird.
  • Weiterhin wurde geprüft, dass ein H-NBR mit einem Ethlylen-α-Olefin-Elastomer kombiniert wird und ein auf Ethylen basierendes Metallsalz ungesättigter Carbonsäure damit gemischt wird. Es müssen jedoch verschiedene Arten von Bedingungen wie Mischverhältnis der Kautschukzusammensetzung zur Elastomerzusammensetzung, Art der Elastomerzusammensetzung, das Kristallisationsmaß und das Molekulargewicht für das Erreichen von für Hochleistungsantriebsriemen erforderlichen ausgewogenen Eigenschaften wie Wärmebeständigkeit, Kältebeständigkeit, Rissfestigkeit, niedrige bleibende Dehnung, Elastizität, geringe Eigenerwärmung, Abriebbeständigkeit und Bearbeitbarkeit, geprüft werden. Daher ist es schwierig, optimale Bedingungen zu wählen. Selbst wenn solche optimalen Bedingungen gewählt werden könnten, ist es schwierig, immer eine stabile Qualität zu erhalten.
  • Unter Bezug auf Zahnriemen wird bei Reduzieren der Menge gebundenen Acrylnitrils in einem mit einem Metallsalz ungesättigter Carbonsäure verstärkten H-NBR auf 10 bis 30% für das Erreichen ausgezeichneter Rissfestigkeit bei niedriger Temperatur die bleibende Dehnung bei Druck groß. Weiterhin verschlechtert eine Erhöhung der Menge des Weichmachers die bleibende Dehnung bei Druck.
  • Unter Bezug auf eine Kautschukzusammensetzung, bei welcher ein anorganischer Füllstoff in geringerer Menge beigemischt wird und Kurzfaser beigemischt wird, wird die Bearbeitbarkeit verbessert, wenn die Mooney-Viskosität ML(1+4) des Hauptkautschuks wie oben beschrieben gesenkt wird. Während es zur Verbesserung der Festigkeit, der Ermüdungsbeständigkeit und Abriebbeständigkeit nach dem Quervernetzen nötig ist, das Molekulargewicht des Ethlylen-α-Olefin-Elastomers zu erhöhen, was die Bearbeitbarkeit verschlechtert, erfordert die Zugabe von Öl zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit eine große Menge Füllstoff wie Carbon-Black für das Erreichen optimaler Elastizität nach dem Quervernetzen, mit dem Ergebnis schlechter Ermüdungsbeständigkeit und einer Zunahme der Eigenerwärmung bei dynamischer Verformung.
  • Folglich ist es schwierig, bei Verwendung eines Ethlylen-α-Olefin-Elastomers als Hauptkautschuk einer Kautschukzusammensetzung für Antriebsriemen sowohl ausgezeichnete Kautschukeigenschaften nach der Quervernetzung als auch Bearbeitbarkeit vor dem Quervernetzen an die Hand zu geben.
    •
  • ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, bei der Herstellung von reibschlüssigen Antriebsriemen oder Zahnriemen die Wärmebeständigkeit, Kältebeständigkeit, Rissfestigkeit, niedrige bleibende Dehnung, Elastizität, geringe Eigenwärmung, Abriebbeständigkeit durch Kombinieren eines H-NBR und eines Ethlylen-α-Olefin-Elastomers ausgewogen zu verbessern.
  • Zur Verwirklichung der obigen Aufgabe wird eine kontinuierliche/disperse Struktur eingesetzt, bei welcher ein H-NBR in einer dispersen Phase in einer kontinuierlichen Phase in einem Ethlylen-α-Olefin-Elastomer dispergiert wird und ein Metallsalz ungesättigter Carbonsäure während der gesamten kontinuierlichen Phase und dispersen Phase dispergiert wird.
  • Im Einzelnen umfasst die erfindungsgemäße Kautschukzusammensetzung für Antriebsriemen:
    • ein Ethlylen-α-Olefin-Elastomer, welches eine kontinuierliche Phase in einer kontinuierlichen-dispersen Struktur bildet und dessen Ethylengehalt bei 60 Masseprozent oder weniger liegt;
    • einen hydrierten Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, welcher eine disperse Phase in der kontinuierlichen-dispersen Struktur bildet und dessen Gehalt an gebundenem Acrylnitril bei 30 Masseprozent oder weniger liegt;
    • ein Metallsalz ungesättigter Carbonsäure, welches sowohl in Ethlylen-α-Olefin-Elastomer in der kontinuierlichen Phase als auch in dem hydrierten Acrylnitrilkautschuk der dispersen Phase dispergiert ist; und
    organisches Peroxid.
  • Mit der obigen Struktur werden die Wärmebeständigkeit, die Kältebeständigkeit und die Rissfestigkeit, welches die für Antriebsriemen grundlegenden Eigenschaften sind, verbessert und es wird eine hohe Elastizität für das Ermöglichen einer Hochleistungskraftübertragung sowie ausgezeichnete Kautschukbearbeitbarkeit erzielt.
  • Im Einzelnen werden in der vorliegenden Erfindung ein H-NBR, welches ein Kautschukmaterial ausgezeichneter Rissfestigkeit ist, und ein Ethlylen-α-Olefin-Elastomer, welches ein Kautschukmaterial ausgezeichneter Wärme- und Kältebeständigkeit ist, kombiniert, um ausgezeichnete Wärmebeständigkeit, Kältebeständigkeit und Rissfestigkeit zu erreichen, wobei für das Erreichen hoher Elastizität ein Metallsalz ungesättigter Carbonsäure beigemischt wird. Jedoch senkt das Mischen des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure mit dem H-NBR und dem Ethlylen-α-Olefin-Elastomer die Rissfestigkeit, während die Elastizität verbessert wird.
  • Eines der wichtigen Merkmale der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass das obige Problem durch Verwenden der kontinuierlichen-dispersen Struktur und gutes Dispergieren des Metallsalzes der ungesättigten Carbonsäure gelöst wird.
  • Zum einen befindet sich das Ethlylen-α-Olefin-Elastomer in der kontinuierlichen Phase für das Sicherstellen der Kältebeständigkeit durch Ausnutzen der Eigenschaft des Ethylen-α-Olefin-Elastomers. Durch Gewährleisten der Kältebeständigkeit durch Verwenden des Ethlylen-α-Olefin-Elastomers in der kontinuierlichen Phase ist eine geringere Menge Weichmacher wie Öl erforderlich, so dass eine hohe Elastizität erreicht und eine ausgeprägte bleibende Dehnung vermieden werden kann.
  • In der vorliegenden Erfindung verhindert die Verteilung der dispersen Phase des H-NBR in der kontinuierlichen Phase das Wachstum eines Mikrorisses, der in der kontinuierlichen Phase erzeugt werden kann. Die Beziehung zwischen der Verhinderung des Risswachstums und breiter Dispersion des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure ist wie folgt.
  • Wenn das Metallsalz ungesättigter Carbonsäure der kontinuierlichen Phase (Ethlylen-α-Olefin-Elastomer) und der dispersen Phase (H-NBR) beigemischt wird, wird die kontinuierliche Phase aufgrund des Unterschieds der Materialeigenschaft härter als die disperse Phase. Wenn daher das Metallsalz ungesättigter Carbonsäure in der kontinuierlichen Phase übermäßig beigemischt wird, so dass die Menge des Metallsalzes lokal aufgrund schlechter Dispersion des Metallsalzes in der kontinuierlichen Phase erhöht wird, kommt es zwangsläufig zu Rissbildung in der kontinuierlichen Phase und der so erzeugte Riss wird sofort größer. Daher kann das Risswachstum selbst in dem Fall, da die disperse Phase in der kontinuierlichen Phase verteilt ist, nicht verhindert werden.
  • Zur Lösung dieses Problems wird das Metallsalz der ungesättigten Carbonsäure sowohl in der kontinuierlichen Phase als auch in der dispersen Phase verteilt, so dass sich ein Riss schwerlich in der kontinuierlichen Phase bildet und das Wachstum eines eventuell erzeugten Mikrorisses durch die disperse Phase unterbunden wird. Daher wird die Elastizität von Antriebsriemen verbessert, während eine Abnahme seiner Rissfestigkeit verhindert wird.
  • Das Mischen einer großen Menge des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure nur mit dem Ethylen-α-Olefin-Elastomer kann die bleibende Dehnung verstärken. Durch Verwenden der obigen kontinuierlichen und dispersen Struktur verhindert die in der kontinuierlichen Phase verteilte disperse Phase, welche eine Eigenschaft wie Formgedächtniswirkung auf das Kautschukmaterial aufweist, eine bleibende Dehnung, so dass sowohl hohe Elastizität als auch geringe bleibende Dehnung erreicht werden.
  • Weiterhin besteht ein anderes wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung darin, dass eine breite Dispersion des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure sowohl in der kontinuierlichen Phase als auch in der dispersen Phase die Verwendung des Ethlylen-α-Olefin-Elastomers mit einer Mooney-Viskosität (ML(1+4) bei 125°C) von 60 oder mehr ermöglicht. Durch diese Verwendung wird die Kautschukfestigkeit nach Quervernetzen gewährleistet, die Ermüdungsbeständigkeit (geringe bleibende Dehnung, geringe Eigenerwärmung) und die Abriebbeständigkeit nach dem Quervernetzen werden verbessert und eine Verschlechterung der Bearbeitbarkeit der Kautschukzusammensetzung wird verhindert.
  • Mit hoher Mooney-Viskosität durch Verwendung des Ethylen-α-Olefin-Elastomers hohen Molekulargewichts, wie oben beschrieben wurde, wird die Kautschukeigenschaft nach dem Quervernetzen verbessert, aber die Bearbeitbarkeit der Kautschukzusammensetzung verschlechtert. Vor allem bei weniger Öl werden die Knetbearbeitbarkeit, die Wälzbearbeitbarkeit und die Kalandrierbearbeitbarkeit der Kautschukzusammensetzung mangelhaft. Zur Lösung dieses Problems wird der H-NBR in der dispersen Phase, in welcher das Metallsalz ungesättigter Carbonsäure dispergiert wird, in dem Ethlylen-α-Olefin-Elastomer in der kontinuierlichen Phase verteilt. Mit dieser Struktur ist die Bearbeitbarkeit der Kautschukzusammensetzung ausgezeichnet und es werden sowohl die Bearbeitbarkeit der Kautschukzusammensetzung vor dem Härten als auch die Kautschukeigenschaft nach dem Härten verbessert.
  • Die vorliegenden Erfinder haben mit anderen Worten festgestellt, dass ein H-NBR verstärkt mit dem Metallsalz ungesättigter Carbonsäure der Verbesserung der Bearbeitbarkeit eines Ethlylen-α-Olefin-Elastomers mit hoher Mooney-Viskosität dient. Wodurch ein Ethlylen-α-Olefin-Elastomer mit hoher Mooney-Viskosität (60 oder mehr in ML(1+4) bei 125°C), welches bisher aufgrund schlechter Bearbeitbarkeit herkömmlicherweise nicht verwendet werden konnte, als Hauptkautschuk einer Kautschukzusammensetzung für Antriebsriemen verwendet werden kann, in welcher ein Füllstoff in geringerer Menge beigemischt ist und welche Kurzfaser enthält. Somit wird die Festigkeit des quervernetzten Kautschuks verbessert, Eigenschaften wie Ermüdungsfestigkeit, Beständigkeit gegen bleibende Verformung, Abriebbeständigkeit werden verbessert und die Bearbeitbarkeit vor dem Quervernetzen wird verbessert.
  • Das Metallsalz ungesättigter Carbonsäure ist vorzugsweise Pulver, dessen Massenverhältnis 50% oder mehr beträgt und das einen Korndurchmesser von 0,1 μm oder weniger aufweist. Ferner beträgt der Korndurchmesser des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure vorzugsweise 0,3 μm oder weniger. Durch diese Größenvorgabe wird eine wirksame Mikrodispersion des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure sowohl in der dispersen als auch in der kontinuierlichen Phase erreicht.
  • Da das organische Peroxid in der vorliegenden Erfindung als Quervernetzungsmittel verwendet wird, ist die Wärmealterungsbeständigkeit des Kautschuks ausgezeichnet.
  • Der Anteil gebundenen Acrylnitrils in dem H-NBR wird auf 30% oder weniger angesetzt, was zu dem Vorteil ausgezeichneter Kältebeständigkeit und geringer bleibender Dehnung der Antriebsriemen führt. Wenn die Menge des gebundenen Acrylnitrils in dem H-NBR 30 Masseprozent übersteigt, muss zum Sicherstellen der Biegsamkeit bei niedriger Temperatur der Anteil des zuzugebenden Öls erhöht werden. Dadurch wird die Beständigkeit gegenüber bleibender Dehnung abgeschwächt und das Gleichgewicht zwischen der Rissfestigkeit und der Beständigkeit gegenüber bleibender Dehnung geht bei niedriger Temperatur zwangsläufig verloren.
  • Um die Kältebeständigkeit weiter zu verbessern liegt der Hauptbestandteil des Ethlylen-α-Olefin-Elastomers vorzugsweise in amorpher Qualität vor.
  • Da zudem der Anteil des Ethylens in dem Ethlylen-α-Olefin-Elastomer in der vorliegenden Erfindung auf 60 Masseprozent oder mehr festgesetzt wird, wird die Kältebeständigkeit der Antriebsriemen weiter verbessert. Ein Ethylenanteil von 60 Masseprozent oder mehr erhöht die Gehman-Torsion t5 und die Rissfestigkeit bei niedriger Temperatur wird gemindert.
  • Das obige organische Peroxid ist nicht besonders beschränkt und kann zum Beispiel 2,5-Dimethyl-2,5di(t-butylperoxy)-3-hexyn, 2,5-Dimetyl-2,5-di(t-butylperoxy)hexan, 2,2-bis(t-butylperoxy)p-di-isopropylbenzen, Dicumylperoxid, Di-t-butylperoxid, t-Butylperoxidbenzoat, 1,1-bis(t-butylperoxy)-3,3,5-trimethylcyclohexan, 2,4-Dichlorbenzoylperoxid, Benzoylperoxid, p-Chlorbenzoylperoxid, 2,4-Dicumylperoxid, Dialkylperoxid, Ketalperoxid sein. Weiterhin kann nach Bedarf ein allgemeines Quervernetzungsmittel wie Schwefel, polyfunktionelle Monomere, was durch einen höheren Ester von Methacrylat verkörpert wird, 1,2-Polybutadien, Triallylisocyanurat, Dioxim, N,N-m-Phenylendimaleimid, verwendet werden.
  • Zudem ist bevorzugt, mindestens einen weißen anorganischen Füllstoff gewählt aus der Gruppe von Siliciumdioxid, Talk, Glimmer, Calciumcarbonat, Zinkoxid und Magnesiumoxid einzuschließen. Durch diesen Einschluss werden die Elastizität und die Festigkeit der Antriebsriemen verbessert.
  • Wobei bei Verwendung einer größeren Menge eines Verstärkungsmittels, welches stark mit einem Kautschuk in Wechselwirkung tritt und dessen Struktur groß ist, wie Carbon-Black, die Eigenerwärmung bei dynamischer Beanspruchung von Antriebsriemen erhöht wird, mit dem Ergebnis einer Beschleunigung der Wärmealterung, der bleibenden Dehnung und der Rissbildung. Daher ist die Zugabe einer geringeren Menge Carbon-Black wünschenswert und es ist bevorzugt, kein Carbon-Black zu verwenden.
  • Bevorzugt wird ein Einfärben auf Weiß durch Füllen mit einem weißen anorganischen Füllstoff oder ein Einfärben auf eine andere Farbe durch Zugabe eines Pigments ohne Carbon-Black verwendet. Dadurch wird das dekorative Aussehen der Produkte verbessert und ein Fortschreiten der Alterung des Antriebsriemens kann mühelos anhand der Farbänderung durch Vergleich mit der thermischen Vorgeschichte beurteilt werden, so dass die thermische Vorgeschichte und die Lebensdauer problemlos beurteilt werden können.
  • Polyethylenpulver ultrahohen Molekulargewichts oder Polyethylenfaser ultrahohen Molekulargewichts wird vorzugsweise als Abriebreglersubstanz beigemischt. Bei Beimischung des Pulvers oder der Faser werden Verbesserungen der Abriebbeständigkeit, ein niedriger Reibungskoeffizient und Stabilität erreicht, ohne dass die Rissfestigkeit der Antriebsriemen gemindert wird, was zu einer Verbesserung der Haltbarkeit und Geräuscharmut führt.
  • Zwar kann eine Verbesserung der Abriebbeständigkeit und ein Senken des Reibungskoeffizienten durch Verwendung eines Reibungsschutzmaterials wie organische oder anorganische Kurzfaser, Fluorplastpulver, Graphit, Molybdändisulfid, Keramikpulver, Glasperlen und dergleichen erreicht werden, doch mindert die Verwendung solcher Füllstoffe die Rissfestigkeit der Kautschukzusammensetzung stark.
  • Dagegen werden das Polyethylenpulver ultrahohen Molekulargewichts und die Polyethylenfaser ultrahohen Molekulargewichts, d.h. thermoplastische Harze, fest gehärtet und mittels organischen Peroxids an dem Ethlylen-α-Olefin-Elastomer zum Haften gebracht. Somit wird eine Verbesserung der Abriebbeständigkeit, ein Senken des Reibungskoeffizienten und eine Stabilisierung ohne geminderte Rissfestigkeit erreicht.
  • Zu beachten ist, dass die obige Kurzfaser und obiges Reibschutzmittel verwendet werden können, insofern die Rissfestigkeit dadurch nicht gemindert wird.
  • Die obige Kautschukzusammensetzung für Antriebsriemen kann für verschiedene Arten von reibschlüssigen Riemen für Hochleistungskraftübertragung eingesetzt werden, wie z.B. Hochleistungsflachantriebsriemen, Keilrippenriemen für das Antreiben von Zusatzeinrichtungen von Kraftfahrzeugmotoren, offenflankige Keilriemen, verkörpert durch einseitig gezahnte Keilriemen oder beidseitig gezahnte Keilriemen, welche für den Gangwechsel von Fahrrädern verwendet werden, Hybridkeilriemen, welche für Trocken-CVT-Getriebe für Kraftfahrzeuge verwendet werden.
  • Wenn ein die Reibfläche eines reibschlüssigen Hochleistungsantriebsriemens bildender Kautschuk aus der obigen Kautschukzusammensetzung für Antriebsriemen besteht, ist es bevorzugt, die Kautschukzusammensetzung so anzupassen, dass die Kautschukhärte im Durometer Typ D in dem Bereich zwischen jeweils einschließlich 40 und 60 liegt, und t5 im Gehman-Test bei –35°C oder darunter liegt. Weiterhin beträgt die Extraktionsmenge von Aceton 9% oder weniger.
  • Durch die obige Anpassung werden die Eigenschaften Wärmebeständigkeit, Kältebeständigkeit, Rissfestigkeit, geringe bleibende Dehnung, Elastizität, geringe Eigenerwärmung und Abriebbeständigkeit ausgewogen und die Leistung und Haltbarkeit werden bei Verwendung mit den obigen Riemen verbessert.
  • Wenn im Einzelnen die Kautschukhärte im Durometer Typ D unter 40 liegt, wird die Verformung durch Druckspannung oder Scherspannung zu groß, um Kraft bei hoher Leistung zu übertragen. Wenn weiterhin die Kautschukhärte über 60 liegt, wird die Rissfestigkeit gemindert und die aufgrund Biegens erzeugte Wärme ist massiv, während eine hohe Übertragungskraft erreicht werden kann.
  • Wenn t5 im Gehman-Test bei über –35°C liegt, ist die Kältebeständigkeit des Kautschuks ungenügend. Daher wird in dem Kautschuk zur Verwendung in dem Riemen in kalten Klimazonen ein Riss erzeugt, was eine Abschwächung der Haltbarkeit bewirken kann.
  • Wenn die Acetonextraktionsmenge über 9% liegt, ist es schwierig, die Elastizität der quernetzten Körpers der Kautschukzusammensetzung zu verbessern, die Abriebbeständigkeit des Kautschuks wird gemindert und die bleibende Dehnung des Kautschuks ist ausgeprägt, so dass die Form eines Riemens, welcher die Riemenleistung aufrechterhalten kann, nicht gewahrt bleibt. Wenn die Acetonextraktionsmenge durch Senken der Menge des Zusatzes mit niedrigem Molekulargewicht, welcher für die Quervernetzung des Kautschuks irrelevant ist, wie Öle (als Weichmacher) und Antioxidanten 9% oder weniger beträgt, können die Elastizität, die Abriebbeständigkeit, die Beständigkeit gegenüber bleibender Dehnung ausgewogen und die Antriebskraft bei Hochleistungsanwendungen sowie die Haltbarkeit der Riemen verbessert werden.
  • Die obige Kautschukzusammensetzung für Antriebsriemen kann für reibschlüssige Riemen für Kraftübertragung im mittleren Leistungsbereich wie Flachriemen für Kraftübertragung im mittleren Leistungsbereich, Keilrippenriemen für das Antreiben von Zusatzeinrichtungen von Kraftfahrzeugmotoren verwendet werden. Für eine diesbezügliche Verwendung ist es bevorzugt, die Kautschukzusammensetzung so anzupassen, dass die Kautschukhärte im Durometer Typ A in einem Bereich zwischen jeweils einschließlich 80 und 90 liegt und t5 im Gehman-Test bei –35°C oder darunter liegt und die Extraktionsmenge von Aceton 12% oder weniger beträgt.
  • Durch die obige Anpassung werden die Eigenschaften Wärmebeständigkeit, Kältebeständigkeit, Rissfestigkeit, Beständigkeit gegenüber bleibender Dehnung, Elastizität, geringe Eigenerwärmung und Abriebbeständigkeit ausgewogen und die für Riemen erforderliche Leistung und Haltbarkeit werden bei Verwendung für die obigen Riemen verbessert. Da die für Riemen für Kraftübertragung im mittleren Leistungsbereich erforderliche Kraft gegenüber Riemen für eine Hochleistungskraftübertragung klein ist, werden die für die Riemen erforderliche Leistung und Haltbarkeit durch etwas niedriges Festlegen der Elastizität (Härte) des Kautschuks mit der Priorität auf Erhalten ausgezeichneter Rissfestigkeit ausgewogen.
  • Wenn die Kautschukhärte, t5 und die Acetonextraktionsmenge außerhalb der oben festgelegten Bereiche liegen, ergeben sich die gleichen Probleme wie bei den oben erwähnten reibschlüssigen Riemen für die Hochleistungskraftübertragung.
  • Unter Bezug auf Zahnriemen für die Hochleistungskraftübertragung kann die Kautschukzusammensetzung so angepasst werden, dass die Kautschukhärte im Durometer Typ A in dem Bereich zwischen jeweils einschließlich 80 und 95 liegt, und t5 im Gehman-Test bei –35°C oder darunter liegt und die Extraktionsmenge von Aceton 10% oder weniger beträgt. Durch diese Anpassung werden die Eigenschaften Wärmebeständigkeit, Kältebeständigkeit, Rissfestigkeit, geringe bleibende Dehnung, Elastizität, geringe Eigenerwärmung und Abriebbeständigkeit ausgewogen und die Leistung und Haltbarkeit der Riemen werden bei Verwendung bei den obigen Riemen verbessert.
  • Wenn in diesem Fall die Kautschukhärte im Durometer Typ A unter 80 liegt, wird die Festigkeit des Zahnteils so klein, dass zwischen dem Zahnteil und den Kernsträngen bei Hochleistungsanwendung eine große Scherspannung ausgeübt wird, was zu einem Zerreißen aufgrund von Ablösen führen kann. Wenn die Kautschukhärte über 95 liegt, wird die Rissfestigkeit des Zahnteils gemindert und ein Zahn splittert aufgrund eines Risses zwangsläufig ab. Wenn t5 im Gehman-Test bei über –35°C liegt, ist die Kältebeständigkeit des Kautschuks ungenügend. Daher kann in dem Kautschuk bei Verwendung des Riemens in kalten Klimazonen ein Riss erzeugt werden, was eine Abschwächung der Haltbarkeit bewirken kann.
  • Wenn die Acetonextraktionsmenge über 10% liegt, ist die Steifigkeit aufgrund des Abschwächens der Elastizität des Kautschuks gemindert, was das oben erwähnte Reißen aufgrund Ablösen verursachen kann. Weiterhin ist die bleibende Dehnung des Kautschuks ausgeprägt, so dass eine offenkundige Verlängerung des Riemens durch bleibende Dehnung in dem Zahnteil groß wird und ein mangelndes Greifen bewirkt werden kann. Wenn die Acetonextraktionsmenge durch Senken der Menge des Zusatzes mit niedrigem Molekulargewicht, welcher für die Quervernetzung irrelevant ist, wie Öle (als Weichmacher) und Antioxidanten 10% oder weniger beträgt, kann die Steifigkeit des Zahnteils verbessert und die bleibende Dehnung im Zahnteil minimiert werden, so dass die Eigenschaften hohe Antriebskraft sowie Haltbarkeit bei Zahnriemen für Hochleistungskraftübertragung verbessert werden.
  • Das Verfahren zur Herstellung der Kautschukzusammensetzung für Antriebsriemen wird als Nächstes beschrieben.
  • Dieses Herstellverfahren umfasst den Schritt des Knetens eines H-NBR, welcher eine Komponente aus einem Metallsalz ungesättigter Carbonsäure enthält, eines Ethylen-α-Olefin-Elastomers, welches keine Verbindung eines Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure enthält, und einer Kautschukverbindung, welche ein organisches Peroxid enthält, um eine kontinuierliche-disperse Struktur zu erhalten, bei welcher das Ethylen-α-Olefin-Elastomer eine kontinuierliche Phase bildet und der H-NBR eine disperse Phase bildet und das Metallsalz ungesättigter Carbonsäure in der kontinuierlichen Phase und in der dispersen Phase dispergiert ist.
  • Im Einzelnen werden der H-NBR, welcher die Komponente des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure enthält, und das Ethylen-α-Olefin-Elastomer, welches keine Komponente des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure enthält, in eine Mischvorrichtung gegeben und dann vorgemahlen, und dann wird der Mischungsbestandteil für Kautschuk, welcher organisches Peroxid enthält, dazugegeben und geknetet. Oder der H-NBR, welcher die Komponente des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure enthält, das Ethylen-α-Olefin-Elastomer, welches keine Komponente des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure enthält, und der Mischungsbestandteil für Kautschuk, welcher ein organisches Peroxid enthält, werden in eine Mischvorrichtung gegeben und geknetet. Dadurch wird die obige Kautschukmischung erhalten.
  • Um sowohl hohe Elastizität als auch ausgezeichnete Rissfestigkeit zu erhalten, welche für Kautschukzusammensetzungen für Antriebsriemen erforderlich sind, ist es wünschenswert, dass das Metallsalz ungesättigter Carbonsäure in der dispersen Phase des H-NBR und der kontinuierlichen Phase des Ethylen-α-Olefin-Elastomers gleichmäßig dispergiert wird und in jeder Phase gleichmäßig dispergiert ist.
  • Wenn der H-NBR und das Ethylen-α-Olefin-Elastomer vorgemahlen werden und das Metallsalz ungesättigter Carbonsäure dazugegeben wird und geknetet wird oder wenn diese drei in eine Mischvorrichtung gegeben und gleichzeitig geknetet werden, ist eine gleichmäßige Dispergierung des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure schwierig zu erreichen. Das Metallsalz kann durch Verlängern der Knetzeit oder durch Erhöhen der Temperatur für das Kneten gleichmäßig dispergiert werden. Bei einer Knetvorrichtung mit einer großen Kapazität wird jedoch zwangsläufig eine Schwankung der Dispersion unter den Knetstangen verursacht und eine gleichbleibende Qualität ist schwer zu erreichen.
  • Bei dem obigen Herstellverfahren wird die gesamte erforderliche Menge des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure in dem H-NBR zuvor fein dispergiert und wird dann mit dem Ethylen-α-Olefin-Elastomer gemischt, welches keine Komponente des Metallsalzes enthält. Dadurch wird die Kautschukzusammensetzung, in welcher das Metallsalz ungesättigter Carbonsäure gleichmäßig, gleichförmig in der dispersen Phase des H-NBR und der kontinuierlichen Phase des Ethylen-α-Olefin-Elastomers dispergiert ist, problemlos erhalten. Mit der so erhaltenen Kautschukzusammensetzung wird die Dispersionsschwankung des Metallsalzes, welche zwischen den Knetstangen bewirkt wird, minimiert und es wird selbst bei Verwendung einer Knetvorrichtung mit großer Kapazität eine gleichbleibende Qualität erhalten.
  • Unter Bezug auf das Verfahren für das feine Dispergieren des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure in den H-NBR können beide Verfahren eingesetzt werden, nämlich ein Verfahren des direkten Mischens und Knetens des H-NBR und des Pulvers des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure oder ein Verfahren zur Erzeugung des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure in dem H-NBR in situ durch Mischen und Kneten des Reaktanten (d.h. der ungesättigten Carbonsäure und des Pulvers einer Metallverbindung wie Oxid und Hydroxid des Metalls) mit dem H-NBR.
  • Als das oben erwähnte H-NBR, welches den Reaktanten des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure enthält, werden Zeoforte ZSC (Erzeugnis der ZEON CORPORATION) und Therban ART (Erzeugnis von Bayer, Ltd.) verwendet.
  • Um das Ethylen-α-Olefin-Elastomer in der kontinuierlichen Phase und den H-NBR in der dispersen Phase zu erhalten, wird das Mischungsverhältnis E/R des Ethylen-α-Olefin-Elastomers E zu H-NBR R vorzugsweise auf 50/50 bis 90/10 gesetzt, bevorzugter auf 55/45 bis 85/15.
  • Als Ethylen-α-Olefin-Elastomer sind Ethylenpropylencopolymere (EPM), Ethylenpropylendienterpolymere (EPDM) und Ethylenoktencopolymere bevorzugt.
  • Als ungesättigte Carbonsäure, welche das Metallsalz ungesättigter Carbonsäure bildet, können ungesättigte Monocarbonsäure wie Acrylsäure, Methacrylsäure, ungesättigte Dicarbonsäure wie Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure und Monomethylmaleinsäure und Monoethylitaconsäure verwendet werden. Das Metall ist nicht besonders beschränkt, solange ungesättigte Carbonsäure und Salz gebildet werden, und kann Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Titan, Chrom, Molybdän, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Silber, Zink, Kadmium, Aluminium, Zinn, Blei, Quecksilber, Antimon und dergleichen sein. Von allen ist die Verwendung von Zinkdiacrylat und Zinkdimethacrylat bevorzugt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden durch die folgende Beschreibung unter Bezug auf die Begleitzeichnungen offengelegt.
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines gezahnten Keilriemens.
  • 2 ist eine Seitenansicht des gezahnten Keilriemens.
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Hybridkeilriemens.
  • 4 ist ein Schnitt entlang einer Linie IV-IV von 3.
  • 5 ist eine Seitenansicht eines Blocks des Hybridkeilriemens.
  • 6 ist eine Seitenansicht des Zugbands des Hybridkeilriemens.
  • 7 ist ein Querschnitt eines Keilrippenriemens.
  • 8 ist eine perspektivische Ansicht eines Zahnriemens.
  • 9 ist eine Ansicht, welche die Anordnung einer Haltbarkeitstestvorrichtung für einen Flachriemen zeigt.
  • 10 ist ein Foto einer Kautschukzusammensetzung durch ein Durchstrahlungselektronenmikroskop.
  • 11 ist eine Ansicht, welche die Anordnung einer Haltbarkeitstestvorrichtung für einen Keilrippenriemen zeigt,
  • 12 ist eine Ansicht, welche die Anordnung einer Niedrigtemperaturtestvorrichtung für einen Keilrippenriemen zeigt.
  • 13 ist eine Ansicht, welche die Anordnung einer Testvorrichtung für einen Zahnriemen zeigt.
  • 14 ist eine Tabelle, welche im Detail die beigemischten Rezepturen der Kautschukzusammensetzungen zeigt.
  • 15 ist eine Tabelle, welche die Bestandteile und Eigenschaften der Kautschukzusammensetzungen zeigt.
  • 16 bis 18 sind jeweils Tabellen, welche jeweils die Bestandteile, Eigenschaften und Riemenleistung der Kautschukzusammensetzungen zeigen.
    •
  • EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
  • Die bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungen werden unter Bezug auf die Zeichnungen eingehend beschrieben.
  • (Aufbau eines Hochleistungsantriebsriemens)
  • - Gezahnter Keilriemen -
  • 1 und 2 zeigen einen gezahnten Keilriemen 10.
  • Der gezahnte Keilriemen 10 umfasst: eine obere Kautschukschicht 1 auf der Rückseite des Riemens; eine untere Kautschukschicht an der Innenumfangseite des Riemens; eine zwischen der oberen Kautschukschicht 1 und der unteren Kautschukschicht 2 vorgesehene Adhäsionskautschukschicht 3 und in der Adhäsionskautschukschicht 3 eingebettete Kernstränge 4. Der Oberflächenteil der oberen Kautschukschicht 1 wird in gewellter Form so ausgebildet, dass mehrere Zähne 5 bei einer vorbestimmten Teilung in Längsrichtung des Riemens ausgebildet werden. Der Oberflächenteil der unteren Kautschukschicht 2 wird so in gewellter Form vorgesehen, dass mehrere Zähne 6 bei einer vorbestimmten Teilung in Längsrichtung des Riemens ausgebildet werden. Die Oberfläche der unteren Kautschukschicht 2 ist mit einem unteren Gewebe 7 bedeckt. Die Kernstränge 7 sind spiralförmig vorgesehen, so dass sie in Längsrichtung des Riemens verlaufen und bei einer vorbestimmten Teilung in Riemenbreitenrichtung angeordnet sind.
  • Kevlar (eingetragene Marke), welches eine von Dupont hergestellte Paraaramidfaser ist, wird für die Kernstränge 4 verwendet, ein Nylongewebe wird für das untere Gewebe 7 und eine (in 16 gezeigte, später beschriebene) erfindungsgemäße Kautschukzusammensetzung wird für die obere Kautschukschicht 1 und die untere Kautschukschicht 2 verwendet. In den Kautschukschichten 1 und 2 ist Kurzfaser in Breitenrichtung des Riemens ausgerichtet.
  • - Hybridkeilriemen für Hochleistungskraftübertragung -
  • 3 zeigt einen Hybridkeilriemen 20 für Hochleistungskraftübertragung.
  • Der Keilriemen 20 besteht aus einem Paar linker und rechter endloser Zugbänder 30, 30 und mehreren Blöcken 40, 40, welche an regelmäßigen Abständen links in Längsrichtung des Riemens mit den Zugbändern 30, 30 greifen.
  • Jedes Zugband 30 besteht integral aus: einer formbeständigen Kautschukschicht 31, aus Aramidkurzfaser hergestellten Kernsträngen 32, welche sich darin in Längsrichtung des Riemens erstrecken und bei einer vorbestimmten Teilung in Breitenrichtung des Riemens spiralförmig angeordnet sind; und oberen und unteren Geweben 35, 36, welche jeweils zum Abdecken der oberen Fläche und der unteren Fläche vorgesehen sind. Grabenförmige obere konkave Teile 33, 33 ... sind in dem oberen Flächenteil jedes Zugband 30 so ausgebildet, dass sie sich jeweils in Breitenrichtung des Riemens bei einer vorbestimmten Teilung entsprechend der Blöcke 40, 40 erstrecken, und untere konkave Teile 34, 34 sind in dem unteren Flächenteil jedes Zugbands so ausgebildet, dass sie sich jeweils in Breitenrichtung des Riemens bei einer vorbestimmten Teilung entsprechend den oberen konkaven Teilen 33, 33 erstrecken.
  • Die Kernstränge 32 wurden einer Adhäsionsbehandlung mit Isocyanat oder einer Lösung aus Resorcinformalinlatex (RFL) für das Verbessern des Adhäsionsvermögens am Kautschuk unterzogen.
  • Sowohl das obere Gewebe 35 als auch das untere Gewebe 36 sind aus Aramidgewebe gebildet, welches einer Behandlung, um in Längsrichtung des Riemens Elastizität zu verleihen, sowie einer Kautschukbeschichtung unterzogen wurde.
  • Die Blöcke 40 weisen jeweils eine Einrücknut 41 für lösbares seitliches Greifen mit den entsprechenden rechten und linken Zugbändern 30 sowie Kontaktteile 42, 42 an den oberen und unteren Seitenteilen der Einrücknut 41 auf, damit diese in Kontakt mit den Nutflächen der Riemenscheibe kommen. Die jeweiligen Zugbänder 30, 30 greifen mit den jeweiligen Einrücknuten 41, 41 der jeweiligen Blöcke 40, 40.
  • In jedem Block 40 ist ein oberer konvexer Teil 43, welche an dem oberen konkaven Teil 33 des oberen Flächenteils des Zugbands 30 angebracht ist und sich in Riemenbreitenrichtung erstreckt, in der oberen Wandfläche der Einrücknut 41 ausgebildet, und ein unterer konvexer Teil 44, welcher an dem unteren konvexen Teil 34 des unteren Flächenteils des Zugbands 30 angebracht ist und sich in Riemenbreitenrichtung erstreckt, ist in der unteren Wandfläche der Einrücknut 41 ausgebildet. Die oberen und unteren konkaven Teile 33, 34 der Zugbänder 30 sind jeweils an den oberen und unteren konvexen Teilen 43, 44 der Blöcke 40 angebracht, so dass jeder Block 40 mit den Zugbändern 30 greift, damit er sich nicht in Längsrichtung verschiebt.
  • Die Blöcke 40 sind aus einem wärmehärtbaren Phenolharzmaterial gebildet, welches mit Aramidkurzfaser oder gemahlener Carbonfaser gemischt ist. Ein Verstärkungsmaterial 45 hoher Festigkeit und hoher Elastizität bestehend aus einer leichten Aluminiumlegierung oder dergleichen ist in jedem Block 40 so eingebettet, dass es sich an der wesentlichen Mitte in Dickenrichtung jedes Blocks 40 befindet, wie in 4 und 5 gezeigt wird.
  • Das im Wesentlichen H-förmige Verstärkungsmaterial 45 besteht aus oberen und unteren Trägern 45a, 45b, welche sich in Breitenrichtung des Riemens (Richtung von Seite zu Seite) erstrecken, sowie aus einer mittleren Säule 45c, welche die mittleren Teile der Träger 45a, 45b vertikal verbindet.
  • Weiterhin wird der Abstand t2 zwischen der unteren Fläche des oberen konkaven Teils 33 jedes Zugbands 30 (präzis gesagt die obere Fläche des oberen Gewebes 35) und der unteren Fläche des unteren konkaven Teils 34, welcher dem oberen konkaven Teil 33 entspricht, (präzis gesagt die untere Fläche des unteren Gewebes 36), welcher in 6 gezeigt wird, beispielsweise etwa 0,03 mm bis etwa 0,15 mm größer (t2 > t1) als der Abstand t1 zwischen dem unteren Ende des oberen konvexen Teils 43 und dem oberen Ende des unteren konvexen Teils 44 jedes Blocks 40 gesetzt. Daher werden die Zugbänder 30 in Dickenrichtung durch die Blöcke 40 komprimiert, um an den Blöcken 40 angebracht und befestigt zu werden.
  • Wie in 4 gezeigt, ragt die Seitenfläche 30a jedes Zugbands 30 (Vorsprunggröße Δd) in Breitenrichtung des Riemens vom Niveau der Kontaktteile 42, 42 jedes Harzblocks 40 etwas nach außen. Daher steht die Zugband-Seitenfläche 30a mit der Riemenscheiben-Nutfläche zusammen mit den Kontaktteilen 42 an den Seiten jedes Blocks 40 in Kontakt, so dass jeder Block 40 und jeder Zugband 30 den Seitendruck von der Riemenscheibe gemeinsam aufnehmen. Dadurch wird ein Stoß bei Kontakt jedes Blocks 40 mit der Riemenscheibennut durch die Seitenfläche 30a jedes Zugbands 30 gedämpft.
  • Die (in 16 gezeigte, später beschriebene) erfindungsgemäße Kautschukzusammensetzung wird für die formbeständige Kautschukschicht 31 verwendet. Bei der formbeständigen Kautschukschicht 31 ist die Kurzfaser in der Riemenbreitenrichtung ausgerichtet.
  • - Keilrippenriemen -
  • 7 zeigt einen Keilrippenriemen 50.
  • Der Keilrippenriemen 50 umfasst einen Riemenkörper 53 bestehend aus einer Adhäsionskautschukschicht 51 und einer gerippten Kautschukschicht 52 am Innenumfang des Riemens. Ein Rückflächengewebe 54 ist an der Rückfläche der Adhäsionskautschukschicht 51 angebracht und mehrere Rippen 52a, 52a, 52a sind an der unteren Fläche der gerippten Kautschukschicht 52 in Längsrichtung des Riemens bei einer vorbestimmten Teilung in Breitenrichtung des Riemens angeordnet. Kernstränge 55, welche sich im Wesentlichen in Längsrichtung des Riemens erstrecken, sind spiralförmig in der Mitte in Dickenrichtung der Adhäsionskautschukschicht 51 bei einer Teilung in Breitenrichtung des Riemens vorgesehen.
  • Die (in 17 gezeigte, später beschriebene) erfindungsgemäße Kautschukzusammensetzung wird für die gerippte Kautschukschicht 52 verwendet, welcher Kurzfaser 52b, 52b ... wie Nylonfaser, Aramidfaser, ausgerichtet in Breitenrichtung des Riemens, für das Verbessern der Elastizität in Breitenrichtung des Riemens beigemischt ist. Ein Gewebe aus Nylonfaser wird für das Rückengewebe 54 verwendet. Die Kernstränge 55 bestehen aus Polyesterfaser.
  • - Zahnriemen -
  • 8 zeigt einen Zahnriemen 60.
  • Der Zahnriemen 60 umfasst einen Kautschukzahnteil 61, welcher von dem Innenumfang des Riemens bei einer vorbestimmten Teilung in Längsrichtung des Riemens hervorstehende Riemenzähne bildet, einen Rückenkautschuk 62, welcher als Riemenrückenteil dient, Kernstränge 63, welche sich jeweils spiralförmig in Längsrichtung des Riemens erstrecken und bei einer Teilung in Breitenrichtung des Riemens vorgesehen sind, sowie ein Zahngewebe 64, welches die Oberfläche an der Seite des Kautschukzahnteils bedeckt.
  • Die (in 18 gezeigte, später beschriebene) erfindungsgemäße Kautschukzusammensetzung wird für den Kautschukzahnteil 61 verwendet. Kurzfaser ist in den Kautschukzahnteil 61 eingemischt und in Längsrichtung des Riemens ausgerichtet. Glascorde hoher Elastizität werden als Kernstränge 63 verwendet.
  • < Der Kautschukzusammensetzung beigemischte Rezepturen >
  • 14 führt im Detail die beigemischten Rezepturen der Kautschukzusammensetzungen, welche für die Kautschukschichten 1, 2 des gezahnten Keilriemens, die formbeständige Kautschukschicht 31 der Zugbänder 30 des Hybridkeilriemens, die geriebene Kautschukschicht 52 des Keilrippenriemens und den Kautschukzahnteil 61 des Zahnriemens vewendet werden, sowie die in den anderen Beispielen der Erfindung und den Vergleichsbeispielen verwendeten Kautschukzusammensetzungen auf. In der Zeichnung enthält EPDM 54% Ethylen und weist eine Mooney-Viskosität (ML(1+4) bei 125°C) von 74 auf. Zinkdimethacrylat, welches in H-NBR (1) und (2) verstärkt durch ein Dimethacrylat-Metallsalz enthalten ist, wird durch ein "in situ" Verfahren erzeugt, und Zinkdimethacrylat in den Kautschuken (1), (2) weist ein Masseverhältnis von etwa 50% auf. Dabei werden der mit einem Dimethacrylat-Metallsalz verstärkte H-NBR (1) und der mit einem Dimethacrylat-Metallsalz verstärkte H-NBR (2) jeweils einfach als verstärkter H-NBR (1) und verstärkter H-NBR (2) bezeichnet.
  • < Herstellung der Kautschukzusammensetzung >
  • In einem Kautschukzusammensetzungsherstellungsverfahren wurden ein Hauptkautschuk, nämlich EPDM, der verstärkte H-NBR (1), der verstärkte H-NBR (2) oder ein H-NBR in eine Mischvorrichtung gegeben und allein oder in Kombination vorgemahlen, und dann wurden ein Antioxidans, ein Zinkoxid, ein Füllstoff, Öl, ein Quervernetzungsmittel und Kurzfaser in dieser Reihenfolge in die Mischvorrichtung gegeben und geknetet. Dabei gibt es Beispiele, bei welchen Öl in den Beispielen der Erfindung und den Vergleichsbeispielen jeweils zugegeben und nicht zugegeben wird.
  • < Kautschukzusammensetzungen in den Erfindungsbeispielen 1–8 und den Vergleichsbeispielen 1–7 >
  • In den Erfindungsbeispielen und den Vergleichsbeispielen, die in 15 gezeigt werden, wurden jeweilige Kautschukzusammensetzungen nach den jeweiligen Kautschukmischverhältnissen (die Daten in den Spalten der Kautschukmischverhältnisse in 15 und den anderen Spalten in den Tabellen in den anderen Zeichnungen werden in der Einheit Gewichtsteile angegeben) hergestellt und quervernetzt. Die Kautschukeigenschaften der so nach dem Quervernetzen erhaltenen Kautschukzusammensetzungen und deren Bearbeitbarkeit wurden durch folgende Verfahren gemessen.
  • < Messung der Kautschukhärte >
  • Jede Kautschukzusammensetzung wurde zu Fellform mit einer Dicke von etwa 2,2 mm durch Wälzen in einer Mühle bearbeitet und zur Ausbildung 20 Minuten lang bei 170°C gepresst, um ein quervernetztes Fell von 2 mm Dicke zu erhalten. Drei durch das obige Verfahren erhaltene Kautschukfelle wurden gestapelt und die Kautschukhärte wurde gemäß JIS K6253 in einem Durometer Typ D gemessen. Die Kautschukhärte im Durometer Typ A wurde ebenfalls nach Bedarf gemessen. Ferner wurde nach der thermischen Alterung durch Erhitzen in einem Ofen bei 150°C über 168 Stunden die Kautschukhärte des Kautschukfells im Durometer Typ D gemessen.
  • - Messung der dynamischen Viskosität -
  • Tanδ jedes quervernetzten Kautschukfells wurde durch folgendes Verfahren erhalten.
    Messinstrument: RSAII (Erzeugnis von Rheometrics, Inc.)
    Gemessene Bedingung: 3 Kgf/cm2 statische Belastung im Zugmodus, 1 dynamische Spannung, 100°C Temperatur und 10 Hz Frequenz.
  • Hierbei war die Zugrichtung eine Richtung (Antikalandrierrichtung), welche zur Ausrichtungsrichtung der Polymerkette einen rechten Winkel bildete.
  • - Messung von Reibung und Abriebeigenschaften -
  • Die Reibung und Abriebeigenschaften des quervernetzten Kautschuks wurden durch einen Pin-On-Desk-Reibungsabriebtest beurteilt.
    Messbedingungen: 1,25 Mpa Tragfähigkeitsbeanspruchung, 0,15 m/s
    Gleitgeschwindigkeit und 100°C Temperatur.
    Material, auf welchem der Kautschuk gleitet: FC-Material (Oberflächenrauheit Ra = 0,3 μm)
    Messdauer: 24 Stunden.
  • Für den Abriebwiderstand wurde die Differenz der Probenhöhe vor und nach dem Test ermittelt und die Versetzung durch Abrieb beurteilt. Jeder Reibungskoeffizient wurde als Mittelwert der Messwerte in einem Zeitraum von 10 Stunden nach und 24 Stunden nach Beginn des Tests erhalten. Ferner wurde die Stabilität des Reibungskoeffizienten, das Schwankungsverhältnis (%) des Reibungskoeffizienten als prozentuales Verhältnis einer Differenz zwischen Maximalwert und Minimalwert des Reibungskoeffizienten in den 24 Stunden zum oben erhaltenen Reibungskoeffizienten berechnet.
  • - Beurteilung der Kältebeständigkeit -
  • Jeder Wert t5 (Temperatur, bei welcher die Verdrehsteifigkeit fünfmal so groß wie bei einer Temperatur von 23°C wird), welcher im Gehman-Test erhalten wurde, wurde nach JIS K6261 gemessen. Jede in dieser Messung verwendete Probe wurde zu einem Streifen geschnitten, dessen Breite 3 mm betrug und dessen Längsrichtung sich rechtwinklig mit der Ausrichtungsrichtung der Kurzfaser schnitt.
  • - Messung der Acetonextraktionsmenge -
  • Jedes quervernetzte Kautschukfell wurde auf eine Dicke von 0,5 mm oder weniger zugeschnitten und die Acetonextraktionsmenge wurde mit Hilfe einer Extraktionsvorrichtung des Typs I gemäß dem Verfahren A in JIS K6229 gemessen.
  • - Beurteilung der Bearbeitbarkeit der Kautschukzusammensetzungen -
  • Die Knetbearbeitbarkeit jeder Kautschukzusammensetzung wurde wie folgt beurteilt.
  • Gut: die Kautschukzusammensetzung nimmt beim Kneten Scherspannung problemlos auf und wird nach dem Kneten integriert.
  • Zufriedenstellend: die Kautschukzusammensetzung nimmt beim Kneten Scherspannung auf, kann geknetet werden und wird nach dem Kneten weniger integriert, wobei viele kleine Klumpen gebildet werden.
  • Mangelhaft: die Kautschukzusammensetzung nimmt keine Scherspannung auf und kann nicht geknetet werden.
  • Die Wälzbearbeitbarkeit jeder Kautschukzusammensetzung wurde wie folgt beurteilt.
  • Gut: die Kautschukzusammensetzung wickelt sich ausgezeichnet an die Walze, weist weniger Adhäsionsvermögen zur Walze und eine gleichmäßige Felloberfläche auf (2,2 mm Dicke).
  • Zufriedenstellend: die Kautschukzusammensetzung wickelt sich mangelhaft an die Walze und ist fehlerhaft. Die Oberfläche des Fells (2,2 mm Dicke) ist ungleichmäßig.
  • Mangelhaft: die Kautschukzusammensetzung wickelt sich mangelhaft an die Walze und ist fehlerhaft. Die Oberfläche des Fells (2,2 mm Dicke) ist ungleichmäßig und es werden viele Löcher ausgebildet.
  • - Beurteilung der Rissfestigkeit von Kautschuk -
  • Zur Beurteilung der Beständigkeit gegenüber Rissen, welche durch wiederholtes Dehnen und Kompression des Kautschukelements bewirkt werden, wurden Endlosflachriemen hergestellt. Die Flachriemen bestanden aus einer Gewebeschicht, Kernsträngen und einer Kautschukschicht, welche in dieser Reihenfolge angeordnet waren, und verwendeten jeweils für die Kautschukschicht Probenkautschukzusammensetzungen. Jeder Flachriemen wurde so ausgebildet, dass die Kurzfaser in Breitenrichtung des Riemens ausgerichtet war. Die Riemenbreite wurde auf 15 mm festgelegt, die Dicke der Kautschukschicht von der Mittellinie der Kernstränge zu dem äußersten Teil des Kautschuks wurde auf 2,5 mm festgelegt. Die Riemenlänge wurde auf 900 mm festgelegt. Die Rissfestigkeit wurde mit Hilfe einer Riemenlauftestvorrichtung mit einer in 9 gezeigten Anordnung beurteilt.
  • Im Einzelnen wurde in der Riemenlauftestvorrichtung ein an vier Riemenscheiben 71, 71 ... und vier Leerlaufriemenscheiben 72, 72 ... gewickelter Riemen B betrieben, so dass der Riemen B viermal pro Runde umgekehrt gebogen wurde. Die untere Riemenscheibe (Antriebsriemenscheibe) 71 wurde so eingestellt, dass sie bei 5.500 U/min. drehte, und auf die anderen Riemenscheiben 71, 72 wurde keine Last ausgeübt. An der oberen Riemenscheibe 71 wurde ein Totgewicht angebracht, um eine Last von 490 N auf den Riemen B auszuüben. Die Lufttemperatur wurde so angesetzt, dass die Temperatur der Riemenoberfläche an der Riemenschichtseite 130°C erreichte. Der Durchmesser der Riemenscheiben 71 betrug 60 mm und der der Leerlaufriemenscheibe 72 28 mm. Für die Rissfestigkeit wurde der Zeitraum bis zur Erzeugung eines Risses in dem Oberflächenteil der Kautschukschicht beurteilt.
  • - Messung der bleibenden Dehnung der Kautschukmaterialien –
  • Jedes groß bemessene Stück gemäß JIS K6262 wurde bei einer Temperatur von 130° 10% komprimiert und dann wurde die bleibende Dehnung nach 24 Stunden gemessen.
  • - Ergebnis der Eigenschaftsmessung -
  • Die Messergebnisse der Eigenschaften werden in dem unteren Absatz von 15 gezeigt. In den Kautschukzusammensetzungen der Erfindungsbeispiele 1–4 war das Mischverhältnis von EPDM zu verstärktem H-NBR (1) unterschiedlich. Die Menge des Bestandteils des H-NBR lag bei etwa der Hälfte des verstärkten H-NBR (1). Daher war bei den Mischverhältnissen in den Erfindungsbeispielen 1–4 das Volumenverhältnis des EPDM größer als das des H-NBR, so dass sich EPDM in einer kontinuierlichen Phase befand, während sich H-NBR in der dispersen Phase befand. Als Beispiel wird in 10 ein TEM(Durchstrahlungselektronenmikroskop)-Foto des quervernetzten Kautschukfells des Erfindungsbeispiels 2 gezeigt. Die TEM-Bedingungen waren wie folgt.
  • TEM-Bedingungen
  • Probenherstellung
  • Die Probe wurde mittels eines Kryo-Ultramikrotoms (Probe: –120°C, Klinge: –120°C) geschnitten.
    30 Sekunden lang Färben mit Ruthenium (mit Hilfe eines RuO4-Kristalls)
  • Beobachtung
  • Beschleunigungsspannung 80 kV und Vergrößerung 16.000fach
  • Die weißlichen Teile in der Zeichnung sind das EPMD, welches die kontinuierliche Phase bildet, und die graufarbenen Flecken von mehreren Mikrometer Größe darin ist das H-NBR, welches die disperse Phase bildet. Schwärzliche Flecken, deren Korngröße etwa 0,5 μm beträgt, sind der Füllstoff und zahlreiche dispergierte kleine schwärzliche Flecken von etwa 0,1 μm Größe sind das Zinkdimethacrylat. Aus der Zeichnung geht hervor, dass die Kautschukzusammensetzung einen Aufbau hat, bei welchem die disperse Phase des H-NBR von mehreren Mikrometern in der kontinuierlichen Phase des EPDM verteilt ist. Es geht auch hervor, dass Zinkdimethacrylat in Form von Partikeln von etwa 0,1 μm vorliegt und gleichmäßig in der gesamten Kautschukzusammensetzung dispergiert ist. Zinkdimethacrylat ist mit anderen Worten sowohl in der kontinuierlichen Phase als auch in der dispersen Phase fein dispergiert. 50% oder mehr des Zinkdimethacrylats liegt in Form von Partikeln mit der Korngröße 0,1 μm oder weniger vor und es findet sich kein Zinkdimethacrylat, dessen Korngröße 3 μm übersteigt.
  • In jedem der Erfindungsbeispiele 1–4 war die Änderung der Härte des Kautschuks durch thermische Alterung gering, nämlich 5, was bedeutet, dass er eine ausgezeichnete thermische Beständigkeit aufwies. Die ausgezeichnete thermische Beständigkeit wurde mit einer geringeren Menge der Komponente niedrigen Molekulargewichts, die durch thermische Alterung verflüchtigt wird, erreicht. Die Gründe für eine geringer Menge der Komponente mit niedrigem Molekulargewicht sind, dass sowohl EPDM als auch H-NBR, welche den Kautschuk bilden, eine ausgezeichnete thermische Beständigkeit aufweisen; organisches Peroxid als Quervernetzungsmittel verwendet wird und die Acetonextraktionsmenge geringer ist, nämlich etwa 4%.
  • Bei niedrigem tanδ war die Eigenerwärmung des Kautschuks bei dynamischer Verformung gering, was bedeutet, dass sich die Verwendung für alle, die einer dynamischen Verformung unterzogen wurden, wie z.B. Riemen, eignet. Ferner geht hervor, dass die Kautschukzusammensetzung ausgezeichnete Reibungs- und Abriebeigenschaften, Bearbeitbarkeit, Kältebeständigkeit (Gehman-Torsion t5), bleibende Formveränderung bei Ermüdung (bleibende Dehnung) und Rissfestigkeit aufweist. Vor allem die Kältebeständigkeit war ausgezeichnet, da die Kautschukzusammensetzung einen Aufbau hatte, bei welchem das EPDM, welches eine ausgezeichnete Kältebeständigkeit hatte, sich in der kontinuierlichen Phase befand. Die ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber bleibender Formveränderung bei Ermüdung wurde wegen einer geringeren Beschleunigung des Kautschukdehnschlupfs bei geringerer Acetonextraktionsmenge (4%) erreicht.
  • Weiterhin glaubt man, dass die ausgezeichnete Rissfestigkeit erreicht wurde, da: eine Rissbildung schwierig war, da Zinkdimethacrylat in Form von Partikeln in der kontinuierlichen Phase des EPDM dispergiert war; und die kontinuierliche Phase des H-NBR in etwa einigen Mikrometern fein verteilt war, so dass selbst bei Erzeugung eines kleinen Risses das Wachsen des Risses an der Schnittstelle zwischen der kontinuierlichen Phase und der dispersen Phase des H-NBR verhindert wurde.
  • Das obige EPDM hatte eine hohe (74) Mooney-Viskosität (ML(1+4) bei 125°C) und ein hohes mittleres Molekulargewicht, so dass die bleibende Dehnung bei Druck klein war. Im Einzelnen hatte das EPDM mit einer Mooney-Viskosität von unter 60 eine ausgeprägtere bleibende Dehnung von 5% oder mehr zur Folge. Der Anteil des Ethylens an dem obigen EPDM betrug 54% und die Kristallinität des Ethylens war gering, was zu ausgezeichneter Biegsamkeit bei niedriger Temperatur führt. Im Einzelnen ist bekannt, dass die Gehman-Torsion t5 um 5°C oder mehr steigt, wenn der Anteil an Ethylen in dem EPDM 65% oder mehr beträgt, was die Rissfestigkeit bei niedriger Temperatur nachteilig beeinflusst. Weiterhin wies der verstärkte H-NBR (1), bei welchem der Anteil an gebundenem Acrylnitril niedrig war, nämlich 18,8%, eine ausgezeichnete Rissfestigkeit bei niedriger Temperatur ohne Zugabe von Öl auf. Daher waren die Rissfestigkeit und die Beständigkeit gegenüber bleibender Dehnung selbst bei niedriger Temperatur ausgewogen.
  • In dem Erfindungsbeispiel 5 wurde Polyethylenpulver mit ultrahohem Molekulargewicht zusätzlich zur Verbindung des Erfindungsbeispiels 2 zugegeben. Durch diese Zugabe wurde die Abriebbeständigkeit des Kautschuks verbessert, der Reibungskoeffizient wurde gesenkt und die Stabilität wurde verbessert. In Folge wurde ein geräuscharmer reibschlüssiger Antriebsriemen unter Verwendung der Kautschukzusammensetzung in dem Erfindungsbeispiel 5 verwirklicht. Da Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht durch organisches Peroxid fest mit dem Kautschuk quervernetzt war, war Ablösen an der Schnittstelle zum Kautschuk nur schwer zu bewerkstelligen und die Rissfestigkeit war verbessert. Eine Kautschukzusammensetzung, mit welcher Kurzfaser aus Polyethylenfaser ultrahohen Molekulargewichts (Handelsbezeichnung: TEKMILON, Erzeugnis von Mitsui Chemicals, Inc.) an Stelle des Polyethylenpulvers ultrahohen Molekulargewichts gemischt wurde, erzielte die gleichen Wirkungen.
  • In den Erfindungsbeispielen 6 und 7 wurde Graphitpulver oder Teflonpulver als Reibschutzmittel an Stelle Polyethylen ultrahohen Molekulargewichts in dem Erfindungsbeispiel 5 verwendet. Zwar senkten diese Reibschutzmittel den Reibungskoeffizienten, doch war ihr Adhäsionsvermögen an der Schnittstelle zum Hauptkautschuk mangelhaft, so dass die Reibschutzmaterialien zwangsläufig bei Gleitbewegung abfielen. Dementsprechend war die Abriebmenge etwas groß und die Änderung des Reibungskoeffizienten war verglichen mit denen des Erfindungsbeispiels 5 groß. Bei Verwendung dieser Reibschutzmittel wurde die Rissfestigkeit des Kautschuks schlechter.
  • Somit ist es bei Verwendung von Graphitpulver oder Tetrafluorethylenpulver als Reibschutzmittel bevorzugt, deren Menge so anzupassen, dass die obigen nachteiligen Wirkungen nicht so stark gefördert werden. Ferner kann Polyethylen ultrahohen Molekulargewichts in Kombination mit einem solchen Reibschutzmittel verwendet werden.
  • In dem Erfindungsbeispiel 8 wurde ein Teil eines weißen Füllstoffs, zum Beispiel Siliciumdioxid, Calciumcarbonat, durch Carbon-Black ersetzt. Mit Verwendung von Carbon-Black wurde tanδ der Kautschukzusammensetzung groß, so dass die Eigenerwärmung des Kautschuks zunahm und die Rissfestigkeit schlechter wurde. Daher ist ersichtlich, dass eine geringere Menge bzw. gar kein verstärkender Füllstoff wie Carbon-Black verwendet werden sollte.
  • Somit sind Siliciumdioxid und Calciumcarbonat als Füllstoff, welcher ein Absinken des tanδ des Kautschuks unterbindet und die Elastizität der Kautschukzusammensetzung verbessert, bevorzugt. Daneben sind auch andere weiße Füllstoffe wie Glimmer, Zinkoxid, Magnesiumoxid, ausgezeichnet. Mit Verwendung dieser weißen Füllstoffe wurde die Kautschukzusammensetzung weiß. Weiterhin kann die Kautschukzusammensetzung mit Hilfe von Pigmenten in willkürlichen optionalen Farben eingefärbt werden, was das dekorative Aussehen der Produkte verbessert und anhand des Farberscheinungsbilds das Maß des Abbaus der Kautschukzusammensetzung durch thermische Alterung beurteilen lässt.
  • Die Anhebung des Verhältnisses des verstärkten H-NBR (1) wie im Vergleichsbeispiel 1 führte zu einer kontinuierlichen Phase des H-NBR, was zu einer beträchtlichen Abnahme der Kältebeständigkeit führte (Gehman-Torsion t5).
  • In den Vergleichsbeispielen 2–4 wurde Pulver aus Zinkdimethacrylat direkt mit dem Hauptkautschuk gemischt. Diese Zusammensetzungen hatten eine viel niedrigere Rissfestigkeit als die der Erfindungsbeispiele 1–5, obwohl weder Graphitpulver, Tetrafluorethylenpulver noch Carbon-Black wie in den Erfindungsbeispielen 6–8 verwendet wurde. Der Grund hierfür könnte sein, dass das Zinkdimethacrylat weniger dispergiert war, da das Zinkdimethacrylat direkt mit dem Hauptkautschuk gemischt wurde.
  • In den Vergleichsbeispielen 2–4 lässt sich die Rissfestigkeit durch längeres Kneten und Verbessern des Dispersionszustands des Zinkdimethacrylatpulvers auf ein Maß gleich dem der Erfindungsbeispiele 1–5 verbessern. Eine Knetvorrichtung, deren Kapazität für das Verbessern der Produktivität groß ist, verschlechtert aber die Reproduzierbarkeit des Dispersionszustands und bringt ein Problems bezüglich der Stabilität der Qualität mit sich.
  • In den Vergleichsbeispielen 5 und 6 war kein H-NBR in den Kautschukzusammensetzungen enthalten. Es zeigte sich, dass die Bearbeitbarkeit der Kautschukzusammensetzungen unabhängig vom Vorhandensein des Zinkdimethacrylats mangelhaft war. Daher kann mit diesen Zusammensetzungen kein Flachriemen hergestellt werden und die Beurteilung der Rissfestigkeit kann nicht vorgenommen werden. Es ist ersichtlich, dass bei einer Kautschukzusammensetzung, welche eine geringere Menge eines Füllstoffs und ein EPDM mit hoher Mooney-Viskosität verwendet, wie in den Erfindungsbeispielen, die Bearbeitbarkeit der Kautschukzusammensetzung durch Zugabe des H-NBR und des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure in der Kautschukzusammensetzung beträchtlich verbessert ist.
  • Das mit dem Metallsalz ungesättigter Carbonsäure verstärkte H-NBR dient mit anderen Worten der Verbesserung der Bearbeitbarkeit des Ethylen-α-Olefin-Elastomers hoher Mooney-Viskosität. Somit kann das Ethylen-α-Olefin-Elastomer hoher Mooney-Viskosität (ML(1+4) ist bei 125°C 60 oder höher), welches aufgrund mangelhafter Bearbeitbarkeit nicht verwendet werden konnte, als Hauptkautschuk einer Kautschukzusammensetzung für Antriebsriemen verwendet werden, in welcher eine geringere Menge Füllstoff beigemischt ist und Kurzfaser eingemischt ist, so dass die Eigenschaften des quervernetzten Kautschuks wie Festigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Beständigkeit gegen bleibende Verformung und Abriebbeständigkeit verbessert werden und die Bearbeitbarkeit im nicht quervernetzten Zustand verbessert wird.
  • Bei Verstärkung des H-NBR (1) mit Zinkmethacrylat und Verwendung des H-NBR als Grundkautschuk ohne Verwendung von EPDM wie im Vergleichsbeispiel 7 ist es erforderlich, etwa 10 Gewichtsteile Öl für das Ermöglichen ausreichender Kältebeständigkeit zuzugeben. Dessen Zugabe erhöht aber die Kautschukhärteänderung durch thermische Alterung und tanδ (was einen Anstieg der Eigenerwärmung des Kautschuks bedeutet) und senkt die Beständigkeit gegen bleibende Verformung (Beständigkeit gegen bleibende Dehnung bei Druck). Daher ist es schwierig, die Eigenschaften der Kautschukzusammensetzung für Antriebsriemen auszugleichen.
  • < Beurteilung der Kautschukzusammensetzung in gezahntem Keilriemen >
  • Die in 1 und 2 gezeigten gezahnten Keilriemen wurden hergestellt, wobei die Kautschukzusammensetzungen nach den jeweiligen Kautschukmischverhältnissen in den jeweiligen Beispielen in 16 für die obere Kautschukschicht 1 und die untere Kautschukschicht 2 verwendet wurden. Dann wurde die Beurteilung der Kautschukzusammensetzungen in den folgenden Tests vorgenommen.
  • - Haltbarkeitsprüfung bei hoher Temperatur -
  • Eine Haltbarkeitsprüfung bei hoher Temperatur wurde in einer Vorrichtung mit Zweiwellenanordnung mit jeweils offen gewickelten Riemen durchgeführt. Die Durchmesser der Antriebsriemenscheibe und der Abtriebsriemenscheibe wurden auf 128 mm bzw. 105 mm festgelegt und eine Traglast (Totgewicht) von 1.176 N (120 Kgf) wurde an der Abtriebsriemenscheibe angelegt. Die Antriebsriemenscheibe wurde unter Anlegen einer Last von 44 N an der Abtriebsriemenscheibe bei 6.000 U/min. gedreht. Die Lufttemperatur während des Laufs wurde auf 110°C eingestellt und eine Laufzeit bis zum Zerreißen des Riemens wurde als Haltbarkeitsindex verwendet. Die Zerreißbedingungen wurden in folgender Art klassifiziert.
  • Zerreißmodus A:
  • Der Riemen wird durch einen in der unteren Kautschukschicht erzeugten Riss zerschnitten.
  • Zerreißmodus B:
  • In der unteren Kautschukschicht wird durch dynamische Druckspannung von der Riemenscheibe bleibende Verformung verursacht und die untere Kautschukschicht löst sich an der Schnittfläche zu den Kernsträngen, was zum Auflösen des Riemens führt.
  • Zerreißmodus C:
  • Der Riemen wird aufgrund der Ermüdung der Kernstränge zerschnitten.
  • - Kältebeständigkeitsprüfung -
  • In einer Vorrichtung mit Zweiwellenanordnung wurde eine Kältebeständigkeitsprüfung vorgenommen. Die Durchmesser der Antriebsriemenscheibe und der Abtriebsriemenscheibe wurden auf 68 mm bzw. 158 mm festgelegt und eine Traglast von 1.176 N (120 Kgf) wurde an der Abtriebsriemenscheibe angelegt. Die Abtriebsriemenscheibe wurde ohne Anlegen einer Last an der Abtriebsriemenscheibe bei 1.000 U/min. betrieben. Es wurde zuerst bestätigt, dass die Lufttemperatur bei –30°C gehalten wurde. Dann wurde nach Abkühlen des an der Vorrichtung angebrachten Riemens über eine Stunde der Riemen 5 Minuten lang betrieben. Dann wurde der Betrieb der Riemen gestoppt und diese wieder eine Stunde lang abgekühlt. Dieser Zyklus wurde wiederholt, bis in der unteren Kautschukschicht ein Riss erzeugt wurde. Die Anzahl der Zyklen bis zur Risserzeugung wurde als Index für die Rissfestigkeit bei niedriger Temperatur verwendet.
  • - Beurteilung der Antriebskraft -
  • Die Antriebskraft wurde in einer Vorrichtung mit Zweiwellenanordnung beurteilt. Jeder Durchmesser der Antriebsriemenscheibe und der Abtriebsriemenscheibe wurde auf 105,8 mm festgelegt und eine Traglast (Totgewicht) von 600 N wurde an der Abtriebsriemenscheibe angelegt. Die Antriebsriemenscheibe wurde bei 3.000 U/min. betrieben. Die Lufttemperatur wurde auf 25°C gesetzt und das Übertragungsdrehmoment wurde allmählich angehoben. Das Übertragungsdrehmoment bei Erreichen der Schlupfrate des Riemens von 2% wurde als Index für die Antriebskraft des Riemens verwendet.
  • < Beurteilung der Kautschukzusammensetzung in dem Hybridkeilriemen für Hochleistungskraftübertragung >
  • Die in 3 bis 6 gezeigten Hybridkeilriemen wurden hergestellt, wobei die Kautschukzusammensetzungen nach den jeweiligen Kautschukmischverhältnissen in den jeweiligen Beispielen in 16 für die formbeständige Kautschukschicht 31 in den jeweiligen Riemen verwendet wurden. Dann wurde der folgende Test zur Beurteilung der jeweiligen Kautschukzusammensetzungen vorgenommen.
  • - Haltbarkeitsprüfung bei hoher Temperatur -
  • Eine Haltbarkeitsprüfung bei hoher Temperatur wurde in einer Vorrichtung mit Zweiwellenanordnung durchgeführt. Die Durchmesser der Antriebsriemenscheibe und der Abtriebsriemenscheibe betrugen jeweils 126 mm bzw. 71 mm und eine Traglast (Totgewicht) von 1.100 N wurde an der Abtriebsriemenscheibe angelegt. Das axiale Drehmoment der Antriebswelle wurde auf 63 Nm gesetzt und die Antriebsriemenscheibe wurde bei 5.300 U/min. gedreht. Die Lufttemperatur während des Laufs wurde auf 110°C eingestellt. Der Lauf wurde bis zum Zerreißen des Riemens fortgesetzt. Die Riemenlaufzeit wurde als Index der Haltbarkeit bei hoher Temperatur verwendet. Die Zerreißbedingungen wurden in folgender Art klassifiziert.
  • Zerreißmodus A:
  • Der Riemen wird durch einen in der unteren Kautschukschicht erzeugten Riss zerschnitten.
  • Zerreißmodus B:
  • In der unteren Kautschukschicht wird durch dynamische Druckspannung von der Riemenscheibe bleibende Verformung verursacht und die untere Kautschukschicht löst sich an der Schnittfläche zu den Kernsträngen, was zum Auflösen des Riemens führt.
  • Zerreißmodus C:
  • Der Riemen wird aufgrund der Ermüdung der Kernstränge zerschnitten.
  • - Haltbarkeitsprüfung bei niedriger Temperatur -
  • In einer Vorrichtung mit Zweiwellenanordnung wurde eine Haltbarkeitsprüfung bei niedriger Temperatur vorgenommen. Die Durchmesser der Antriebsriemenscheibe und der Abtriebsriemenscheibe wurden auf 68 mm bzw. 192 mm festgelegt und eine Traglast (Totgewicht) von 1.176 N (120 Kgf) wurde an der Antriebsriemenscheibe angelegt. An der Antriebswelle wurde kein axiales Drehmoment angelegt und die Antriebsriemenscheibe wurde bei 1.000 U/min. betrieben. Im Einzelnen wurde die Lufttemperatur zuerst auf –35°C gesetzt und der an der Vorrichtung angebrachte Riemen wurde zwei Stunde lang abgekühlt. Dann wurde der Riemen 5 Sekunden lang betrieben und 10 Sekunden lang angehalten. Eine dreimalige Wiederholung davon wurde als ein Zyklus festgelegt. Dieser Zyklus wurde wiederholt, bis in dem formbeständigen Kautschuk des Zugbands ein Riss erzeugt wurde. Die Anzahl der Zyklen bis zur Risserzeugung wurde als Index für die Rissfestigkeit bei niedriger Temperatur verwendet.
  • - Beurteilung der Antriebskraft -
  • Die Antriebskraft wurde in einer Vorrichtung mit Zweiwellenanordnung beurteilt. Jeder Durchmesser der Antriebsriemenscheibe und der Abtriebsriemenscheibe wurde auf 98,5 mm festgelegt und eine Traglast (Totgewicht) von 3.000 N wurde an der Abtriebsriemenscheibe angelegt. Die Antriebsriemenscheibe wurde bei 3.000 U/min. gedreht. Die Lufttemperatur wurde auf 25°C gesetzt und das Übertragungsdrehmoment wurde allmählich angehoben. Das Übertragungsdrehmoment bei Erreichen der Schlupfrate des Riemens von 2% wurde als Index für die Antriebskraft des Riemens verwendet.
  • - Beurteilungsergebnisse von gezahnten Keilriemen und Hybridkeilriemen -
  • Die Ergebnisse werden zusammen mit den Kautschukeigenschaften in dem unteren Absatz in 16 gezeigt. In den Erfindungsbeispielen 2, 9 und 10 wurden das EPDM und der verstärkte H-NBR (1) als Hauptkautschuk verwendet und die Mischmenge der TECHNORA Kurzfaser war unterschiedlich. Die Kautschukhärte im Durometer Typ D war unterschiedlich und ihr Einfluss kann in der Haltbarkeit bei hoher Temperatur bestätigt werden, während annähernd gute Übertragungseigenschaften erhalten wurden.
  • In dem Erfindungsbeispiel 11 wurde eine übermäßige Menge Siliciumdioxid zugegeben, um die Kautschukhärte im Durometer Typ D zu erhöhen. Die Rissfestigkeit des Kautschuks war mangelhaft und der Zeitraum, über den der Riemen bei hoher Temperatur haltbar war, war kurz. Verglichen mit den Ergebnissen in den Erfindungsbeispielen 2 und 9 bis 11 wurde in dem Kautschuk sowohl der gezahnten Keilriemen als auch der Hybridkeilriemen bei der Haltbarkeitsprüfung bei hoher Temperatur ein Riss erzeugt, wenn die Kautschukhärte bei 60 oder höher lag, was eine beträchtliche Abnahme der Haltbarkeit bedeutet. Dementsprechend versteht sich, dass die Kautschukhärte bevorzugt auf 60 oder weniger gesetzt wird. In dem Erfindungsbeispiel 12 dagegen wurde keine TECHNORA Kurzfaser eingemischt, so dass die Kautschukhärte im Durometer Typ D gesenkt wurde. Die Haltbarkeit bei hoher Temperatur war geringer und die Antriebskraft war ebenfalls geringer. Dementsprechend ist bevorzugt, die Kautschukzusammensetzung so anzupassen, dass die Kautschukhärte bei 40 oder höher liegt.
  • In den Erfindungsbeispielen 13 bis 15 wurde der H-NBR (2) verwendet, in welchem die Menge gebundenen Acrylnitrils groß war, und die Menge zugegebenen Öls unterschiedlich war. In dem Erfindungsbeispiel 13, in dem kein Öl zugegeben wurde, war die Kautschukhärte im Durometer Typ D hoch, während die Gehman-Torsion t5 höher als –35°C war, was eine schlechte Haltbarkeit bei niedriger Temperatur bedeutet. Als die Menge zugegebenen Öls in den Erfindungsbeispielen 14 und 15 groß war, was zu einer großen Acetonextraktionsmenge führte, war die Gehman-Torsion t5 geringer und die Haltbarkeit bei niedriger Temperatur war verbessert. Es wurde aber zwangsläufig eine ausgeprägte bleibende Dehnung durch Dehnschlupf des Kautschuks verursacht und die Haltbarkeit bei hoher Temperatur war geringer.
  • Aus den obigen Beurteilungsergebnissen ist ersichtlich, dass es für das Erreichen ausgezeichneter Haltbarkeit sowohl bei hoher Temperatur als auch bei niedriger Temperatur und einer bei reibschlüssigen Riemen für Hochleistungskraftübertragung erforderlichen Antriebskraft bevorzugt ist, eine Kautschukzusammensetzung so herzustellen, dass die Kautschukhärte des Kautschukmaterials, aus dem sie besteht, in dem Bereich zwischen 40 und 60 in dem Durometer Typ D liegt, t5 im Gehman-Test auf –35°C oder niedriger festgelegt wird und die Acetonextraktionsmenge 9% oder weniger beträgt. Die gleichen Gesichtspunkte gelten auch für Flachriemen für Hochleistungskraftübertragung wie auch für gezahnte Keilriemen und Hybridkeilriemen für Hochleistungskraftübertragung.
  • < Beurteilung der Kautschukzusammensetzung im Keilrippenriemen >
  • Die in 7 gezeigten Keilrippenriemen wurden hergestellt, wobei die Kautschukzusammensetzungen nach den Kautschukmischverhältnissen in den jeweiligen in 17 gezeigten Beispielen für die gerippte Kautschukschicht 52 verwendet wurden. Diese Riemen wurden in den folgenden Tests beurteilt.
  • - Haltbarkeitsprüfung bei hoher Temperatur -
  • Der Keilrippenriemen B wurde um eine Riemenlaufvorrichtung gewickelt, deren Anordnung in 11 gezeigt wird, und die Ergebnisse der Prüfung der Haltbarkeit bei hoher Temperatur wurden beurteilt. Dieses Mal wurde die Lufttemperatur auf 120°C gesetzt. Die Riemenscheibe 75 wurde so eingestellt, dass sie bei 4.900 U/min. drehte, und die Riemenscheibe 76 wurde so angeordnet, dass jede Rippe des Riemens B eine Last von 4 kW aufnahm. An der Riemenscheibe 73 wurde ein festgelegtes Gewicht angebracht, um eine Last von 350 N auf jede Rippe des Riemens B auszuüben. Das Material der Riemenscheiben 73 bis 76 war S45C, der Durchmesser der Riemenscheiben 73, 74, 75 und 76 wurde jeweils auf 55 mm, 70 mm, 120 mm und 120 mm festgelegt. Der Winkel der Riemenscheiben 73, 74 zum Riemen B wurde auf 90° festgelegt. Die Zeit ab Starten bis zum Erzeugen eines Risses in dem Oberflächenteil der gerippten Kautschukschicht wurde als Index für die Haltbarkeit bei hoher Temperatur verwendet.
  • - Haltbarkeitsprüfung bei niedriger Temperatur -
  • Der Riemen B wurde in einer Riemenbetriebtestvorrichtung, deren Anordnung in 12 gezeigt wurde, um eine große Riemenscheibe 77 und eine kleine Riemenscheibe 78 gewickelt und betrieben, und die Ergebnisse der Prüfung der Haltbarkeit bei niedriger Temperatur wurden beurteilt. Die Lufttemperatur wurde auf –40°C gesetzt. Die große Riemenscheibe 77 wurde bei 270 U/min. angetrieben und an der kleinen Riemenscheibe 78 wurde keine Last angelegt. An der kleinen Riemenscheibe 78 wurde ein festgelegtes Gewicht angebracht, so dass eine Last von 9,8 N auf jede Rippe des Riemens B ausgeübt wurde. Das Material der großen Riemenscheibe 77 und der kleinen Riemenscheibe 78 war S45C, der Durchmesser der großen Riemenscheiben 77 und der kleinen Riemenscheibe 78 wurde jeweils auf 140 mm und 45 mm festgelegt. Ein kontinuierlicher Riemenlauf über 5 Minuten und ein Anhalten für 25 Minuten wurden als ein Zyklus festgelegt. Die Anzahl der Zyklen bis zum Erzeugen eines Risses in dem Riemen B wurde gemessen.
  • - Beurteilungsergebnisse des Keilrippenriemens -
  • Die Ergebnisse werden zusammen mit den Kautschukeigenschaften in dem unteren Absatz in 17 gezeigt. Das EPDM und der verstärkte H-NBR (1) wurden als Hauptkautschuk in den Erfindungsbeispielen 16 bis 19 verwendet, wobei die Kautschukhärte im Durometer Typ A durch Ändern der Menge der TECHNORA Kurzfaser unterschiedlich war. In den Erfindungsbeispielen 16 und 17, in welchen die Kautschukhärte in dem Bereich zwischen 80 und 90 lag, waren die Haltbarkeit bei hoher Temperatur und die Haltbarkeit bei niedriger Temperatur beide Male ausgezeichnet. Wenn jedoch die Härte 90 übersteigt, wie in den Erfindungsbeispielen 18 und 19, wird die Rissfestigkeit schlechter, mit dem Ergebnis mangelhafter Haltbarkeit bei hoher Temperatur.
  • In den Erfindungsbeispielen 20 bis 22 wurde das EPDM und der verstärkte H-NBR (2) als Hauptkautschuk verwendet, wobei die Härte im Durometer Typ A durch Ändern der Menge zugegebenen Öls unterschiedlich war. In den Erfindungsbeispielen 20 und 21, bei welchen die Kautschukhärte in dem Bereich zwischen 80 und 90 lag, waren sowohl die Haltbarkeit bei hoher Temperatur als auch die Haltbarkeit bei niedriger Temperatur ausgezeichnet. Als die Härte jedoch unter 80 lag, wie in dem Erfindungsbeispiel 22, wurde der Kautschuk stark verformt und löste sich von den Kernsträngen, was schlechte Haltbarkeit bei hoher Temperatur bedeutet.
  • Weiterhin geht man bei dem Erfindungsbeispiel 22, in welchem die Acetonextraktionsmenge 12% überstieg, davon aus, dass die bleibende Dehnung des Kautschuks ausgeprägt ist und die Haltbarkeit des Riemens bei hoher Temperatur mangelhaft ist.
  • Wie bei dem Erfindungsbeispiel 23, bei welchem ein H-NBR mit 30% oder mehr Acrylnitrilmenge verwendet und kein Öl zugegeben wurde, wurde, als die Kautschukhärte zu hoch wurde und die German-Torsion t5 höher als –35°C wurde, kein Riss erzeugt und die Haltbarkeit bei hoher Temperatur und die Haltbarkeit bei niedriger Temperatur wurden mangelhaft.
  • Daher ist aus den obigen Ergebnissen des Riemenbeurteilungstests ersichtlich, dass zum Verbessern sowohl der Haltbarkeit bei hoher Temperatur als auch der Haltbarkeit bei niedriger Temperatur bei Verwendung bei reibschlüssigen Riemen, welche eine Kraftübertragung im mittleren Leistungsbereich erfordern, wie z.B. Keilrippenriemen, es bevorzugt ist, dass die Kautschukhärte des Kautschukmaterials, aus dem sie bestehen, in dem Bereich zwischen 80 und 90 in dem Durometer Typ A liegt, t5 im Gehman-Test auf –35°C oder niedriger gesetzt wird und die Acetonextraktionsmenge 12% oder weniger beträgt. Die gleichen Gesichtspunkte gelten auch für flankenoffene Keilriemen, ummantelte Keilriemen, Flachriemen und dergleichen für den mittleren Leistungsbereich bis Hochleistungsbereich sowie für Keilrippenriemen.
  • < Beurteilung der Kautschukzusammensetzung im Zahnriemen >
  • Es wurden die in 8 gezeigten Zahnriemen hergestellt. Die Kautschukzahnteile 61 wurden jeweils aus den Kautschukzusammensetzungen gemäß den in 18 gezeigten Beispielen gebildet. Die Beurteilung der Kautschukzusammensetzungen wurde für die Ergebnisse der folgenden Tests vorgenommen.
  • - Beurteilung der Beständigkeit gegenüber Zahnabsplittern bei Hochleistungsanwendung -
  • Die Zahnriemen B in der Hochleistungsanwendung wurden zur Beurteilung mit Hilfe einer Riemenlauftestvorrichtung, deren Anordnung in 13 gezeigt wird, geprüft. Im Einzelnen wurde der Zahnriemen B um eine Antriebsriemenscheibe 81, deren Umfang zu 21 Riemenscheibennute ausgebildet war, eine Abtriebsriemenscheibe 82, deren Umfang zu 42 Riemenscheibennuten ausgebildet war, und eine Leerlaufriemenscheibe 83, deren Umfang zum Pressen der Rückfläche des Riemens flach war und deren Durchmesser auf 32 mm festgelegt war, gewickelt und es wurde eine Last hinten an der Abtriebsriemenscheibe 82 angebracht, um einen Zug von 216 N auf den Riemen B auszuüben. Die Antriebsriemenscheibe 82 wurde bei 6.000 U/min. gedreht, während eine Last von 60 Nm auf die Abtriebsriemenscheibe 82 ausgeübt wurde. Die Lufttemperatur wurde auf 100°C gesetzt. Die Laufzeit bis zum Eintreten von Zahnabsplittern wurde als Lebensdauer des Riemenzahnteils gemessen.
  • - Beurteilung der Beständigkeit gegenüber Zahnabsplittern bei niedriger Temperatur -
  • Mit einer Anordnung, welcher der bei der Beurteilung der Beständigkeit gegenüber Zahnabsplittern bei Hochleistungsanwendung entspricht, wurde ein Test unter den Bedingungen durchgeführt, dass: keine Last auf die Abtriebsriemenscheibe ausgeübt wurde; die Lufttemperatur auf –40°C gesetzt wurde und ein einminütiger Betrieb und ein 30-minütiges Abkühlen als ein Zyklus festgelegt wurden. Dann wurde die Betriebszeit bis zum Eintritt von Zahnabsplittern als Lebensdauer des Riemenzahnteils gemessen.
  • - Beurteilungsergebnisse für den Zahnriemen -
  • Die Ergebnisse werden in dem unteren Absatz von 18 zusammen mit den Kautschukeigenschaften gezeigt. In den Erfindungsbeispielen 16 und 17 wurden das EPDM und der verstärkte H-NBR (1) wurden als Hauptkautschuk verwendet und die Härte im Durometer Typ A war durch Ändern der Menge der TECHNORA Kurzfaser unterschiedlich. Die Erfindungsbeispielen 16 und 17, deren Kautschukhärte in dem Bereich zwischen 80 und 90 lag, waren von ausgezeichneter Haltbarkeit bei hoher Temperatur wie auch bei niedriger Temperatur. Im Einzelnen wies das Erfindungsbeispiel 17 mit hoher Kautschukhärte eine ausgezeichnetere Haltbarkeit bei hoher Temperatur auf.
  • In den Erfindungsbeispielen 25 und 26 wurde der Anteil an verstärktem H-NBR (1) gegenüber dem der Erfindungsbeispiele 16 und 17 angehoben und die Härte im Durometer Typ A war durch Ändern der Siliciumdioxidmenge unterschiedlich. Wenn die Kautschukhärte 95 übersteigt, wie in dem Erfindungsbeispiel 26, wird die Rissfestigkeit des Kautschuks schlechter, was zu einer Abnahme der Beständigkeit gegenüber Zahnabsplittern bei Hochleistungsanwendung führt.
  • In den Erfindungsbeispielen 20, 21 und 24 wurden das EPDM und der verstärkte H-NBR (2) als Kautschukmaterial verwendet, und die Kautschukhärte im Durometer Typ A war durch Ändern der Zugabemengen der TECHNORA Kurzfaser und des Öls unterschiedlich. In den Erfindungsbeispielen 20 und 21, deren Kautschukhärte in dem Bereich zwischen 80 und 90 lag, waren die Haltbarkeit bei hoher Temperatur und die Haltbarkeit bei niedriger Temperatur beide Male ausgezeichnet. Wenn jedoch die Härte unter 80 fiel, wie in dem Erfindungsbeispiel 24, wurde die Verformung des Kautschukzahnteils bei Hochleistungsanwendung ausgeprägt und ein Ablösen eines Kautschukzahns von den Kernsträngen trat ein, was schlechte Beständigkeit gegenüber Zahnabsplittern bedeutet. In dem Erfindungsbeispiel 24, in welchem die Acetonextraktionsmenge 10% überstieg, wurde die bleibende Dehnung des Kautschuks so stark, dass Zahnabsplittern durch Ablösen eines Kautschukzahns von den Kernsträngen gefördert wurde.
  • Wenn der verstärkte H-NBR (2), dessen Acrylnitrilmenge 30% oder mehr betrug, und kein Ö zugegeben wurde, wie in dem Erfindungsbeispiel 23, war t5 in der Gehman-Torsion höher als –35°C und die Rissfestigkeit des Kautschuks bei niedriger Temperatur war schlechter, so dass die Beständigkeit gegenüber Zahnabsplittern bei niedriger Temperatur schlechter war.
  • Anhand der obigen Riemenbeurteilungsergebnisse ist für das Erreichen ausreichender Beständigkeit gegenüber Zahnabsplittern bei Hochleistungsanwendung und bei niedriger Temperatur bei Anwendung bei Zahnriemen für Hochleistungskraftübertragung bevorzugt, dass die Kautschukmaterialien so hergestellt werden, dass die Kautschukhärte im Durometer Typ A in dem Bereich zwischen 80 und 95 liegt, t5 im Gehmran-Test –35°C oder weniger beträgt und die Acetonextraktionsmenge 10% oder weniger ist.
  • Ferner versteht der Fachmann, dass die vorstehende Beschreibung eine bevorzugte Ausführung der offenbarten Zusammensetzungen ist und dass verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang derselben abzuweichen.

Claims (15)

  1. Kautschukzusammensetzung für einen Antriebsriemen, welche umfasst: ein Ethylen-α-Olefin-Elastomer, welches eine kontinuierliche Phase in einer kontinuierlichen-dispersen Struktur bildet und dessen Ethylengehalt 60 Masseprozent oder weniger beträgt; einen hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk, welcher eine disperse Phase in der kontinuierlichen-dispersen Struktur bildet und dessen gebundener Acrylnitrilgehalt 30 Masseprozent oder weniger beträgt; ein Metallsalz ungesättigter Carbonsäure, welches sowohl in dem Ethylen-α-Olefin-Elastomer in der kontinuierlichen Phase als auch in dem hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk in der dispersen Phase dispergiert ist; und ein organisches Peroxid.
  2. Kautschukzusammensetzung für einen Antriebsriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mischverhältnis des Ethylen-α-Olefin-Elastomers in der kontinuierlichen Phase zu dem hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk in der dispersen Phase (Ethylen-α-Olefin-Elastomer/hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk) in einem Bereich von 50/50 bis 90/10 festgelegt wird.
  3. Kautschukzusammensetzung für einen Antriebsriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ethylen-α-Olefin-Elastomer in der kontinuierlichen Phase ein beliebiges eines Ethylenpropylen-Copolymers, eines Ethylenpropylendien-Terpolymers und eines Ethylenokten-Copolymers ist.
  4. Kautschukzusammensetzung für einen Antriebsriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grundzusammensetzung des Ethylen-α-Olefin-Elastomers in amorpher Qualität vorliegt.
  5. Kautschukzusammensetzung für einen Antriebsriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ethylen-α-Olefin-Elastomer in der kontinuierlichen Phase eine Mooney-Viskosität ML(1+4) von 60 oder mehr bei 125°C aufweist.
  6. Kautschukzusammensetzung für einen Antriebsriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsalz ungesättigter Carbonsäure Zinkdimethacrylat oder Zinkdiacrylat ist.
  7. Kautschukzusammensetzung für einen Antriebsriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korngröße von 50 Masseprozent oder mehr des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure 0,1 μm oder weniger beträgt.
  8. Kautschukzusammensetzung für einen Antriebsriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korngröße des Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure 0,3 μm oder weniger beträgt.
  9. Kautschukzusammensetzung für einen Antriebsriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein anorganischer weißlicher Füllstoff gewählt aus einer Gruppe aus Siliciumdioxid, Talk, Glimmer, Calciumcarbonat, Zinkoxid und Magnesiumoxid enthalten ist.
  10. Kautschukzusammensetzung für einen Antriebsriemen nach Anspruch 1, welche weiß gefärbt oder durch Zugabe eines Pigments eingefärbt wird.
  11. Kautschukzusammensetzung für einen Antriebsriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Polyethylenpulver mit einem ultrahohen Molekulargewicht oder eine Polyethylenfaser mit einem ultrahohen Molekulargewicht als ein die Reibung steuerndes Element enthalten ist.
  12. Reibschlüssiger Antriebsriemen für die Hochleistungskraftübertragung, welcher umfasst: einen Reibflächenteil, welcher aus einem aus einer quervernetzten Kautschukzusammensetzung für einen Antriebsriemen hergestellten Kautschuk gebildet ist, wobei die Kautschukzusammensetzung enthält: ein Ethylen-α-Olefin-Elastomer, welches eine kontinuierliche Phase in einer kontinuierlichen-dispersen Struktur bildet und dessen Ethylengehalt 60 Masseprozent oder weniger beträgt; einen hydrierten Nitrilbutadien-Kautschuk, welcher eine disperse Phase in der kontinuierlichen-dispersen Struktur bildet und dessen gebundener Acrylnitrilgehalt 30 Masseprozent oder weniger beträgt; ein Metallsalz ungesättigter Carbonsäure, welches sowohl in dem Ethylen-α-Olefin-Elastomer in der kontinuierlichen Phase als auch in dem hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk in der dispersen Phase dispergiert ist; und ein organisches Peroxid, wobei eine gemäß JIS K6253 gemessene Kautschukhärte in dem Durometer Typ D in einem Bereich zwischen jeweils einschließlich 40 und 60 liegt, t5 in einem German-Torsionstest bei –35°C oder niedriger liegt und eine Menge extrahierten Acetons in der Kautschukzusammensetzung bei 9% oder weniger liegt.
  13. Reibschlüssiger Antriebsriemen für die Hochleistungskraftübertragung, welcher umfasst: einen Reibflächenteil, welcher aus einem aus einer quervernetzten Kautschukzusammensetzung für einen Antriebsriemen hergestellten Kautschuk gebildet ist, wobei die Kautschukzusammensetzung enthält: ein Ethylen-α-Olefin-Elastomer, welches eine kontinuierliche Phase in einer kontinuierlichen-dispersen Struktur bildet und dessen Ethylengehalt 60 Masseprozent oder weniger beträgt; einen hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk, welcher eine disperse Phase in der kontinuierlichen-dispersen Struktur bildet und dessen gebundener Acrylnitrilgehalt 30 Masseprozent oder weniger beträgt; ein Metallsalz ungesättigter Carbonsäure, welches sowohl in dem Ethylen-α-Olefin-Elastomer in der kontinuierlichen Phase als auch in dem hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk in der dispersen Phase dispergiert ist; und ein organisches Peroxid, wobei eine gemäß JIS K6253 gemessene Kautschukhärte in dem Durometer Typ A in einem Bereich zwischen jeweils einschließlich 80 und 90 liegt, t5 in einem German-Torsionstest bei –35°C oder niedriger liegt und eine Menge extrahierten Acetons in der Kautschukzusammensetzung bei 12% oder weniger liegt.
  14. Zahnriemen, welcher umfasst: einen Reibflächenteil, welcher aus einem aus einer quervernetzten Kautschukzusammensetzung für einen Antriebsriemen hergestellten Kautschuk gebildet ist, wobei die Kautschukzusammensetzung enthält: ein Ethylen-α-Olefin-Elastomer, welches eine kontinuierliche Phase in einer kontinuierlichen-dispersen Struktur bildet und dessen Ethylengehalt 60 Masseprozent oder weniger beträgt; einen hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk, welcher eine disperse Phase in der kontinuierlichen-dispersen Struktur bildet und dessen gebundener Acrylnitrilgehalt 30 Masseprozent oder weniger beträgt; ein Metallsalz ungesättigter Carbonsäure, welches sowohl in dem Ethylen-α-Olefin-Elastomer in der kontinuierlichen Phase als auch in dem hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk in der dispersen Phase dispergiert ist; und ein organisches Peroxid, wobei eine gemäß JIS K6253 gemessene Kautschukhärte in dem Durometer Typ A in einem Bereich zwischen jeweils einschließlich 80 und 95 liegt, t5 in einem German-Torsionstest bei –35°C oder niedriger liegt und eine Menge extrahierten Acetons in der Kautschukzusammensetzung bei 10% oder weniger liegt.
  15. Verfahren zur Herstellung einer Kautschukzusammensetzung für einen Antriebsriemen, welches umfasst: ein Ethylen-α-Olefin-Elastomer, welches eine kontinuierliche Phase in einer kontinuierlichen-dispersen Struktur bildet und dessen Ethylengehalt 60 Masseprozent oder weniger beträgt; einen hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk, welcher eine disperse Phase in der kontinuierlichen-dispersen Struktur bildet und dessen gebundener Acrylnitrilgehalt 30 Masseprozent oder weniger beträgt; ein Metallsalz ungesättigter Carbonsäure, welches sowohl in dem Ethylen-α-Olefin-Elastomer in der kontinuierlichen Phase als auch in dem hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk in der dispersen Phase dispergiert ist; und ein organisches Peroxid, wobei das Verfahren folgenden Schritt umfasst: Kneten eines hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuks, welcher eine Zusammensetzung aus einem Metallsalz ungesättigter Carbonsäure, ein Ethylen-α-Olefin-Elastomer ausschließlich einer Zusammensetzung eines Metallsalzes ungesättigter Carbonsäure und einen Mischungsbestandteil für Kautschuk, welcher ein organisches Peroxid enthält, umfasst.
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