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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftübertragungsriemen oder Treibriemen,
welcher eine gute Wärmebeständigkeit
und Kältebeständigkeit
aufweist, zusammen mit einer hohen Zuverlässigkeit.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Treibriemen
finden als Riemen für
die kraftschlüssige
Kraftübertragung,
wie z. B. ein ummantelter Riemen mit einem im Formverfahren hergestellten
Keilprofil, ein flankenoffener Keilriemen und ähnliche Keilriemen und Keilrippenriemen,
und ferner als Riemen für
die formschlüssige
Kraftübertragung,
wie z. B. Zahnriemen, unter anderem breite Verwendung in Kraftfahrzeugen
und für
allgemeine technische Zwecke.
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Ein
solcher Treibriemen besteht im allgemeinen aus einer klebenden Kautschukschicht
mit darin eingebetteten Drahteinlagen und einem Kautschukunterbau,
die mit der klebenden Kautschukschicht überzogen ist, wenn notwendig,
zusammen mit einer oberen Leinwand und/oder einer unteren Leinwand,
die auf die jeweiligen Schichten geklebt sind.
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Es
wird angenommen, dass die effektivste Maßnahme zur Verlängerung
der Lebensdauer eines Treibriemens die ist, ihn hinsichtlich seiner
Lebensdauer in einer Hochtemperaturatmosphäre, in welcher die Kautschukzersetzung
deutlich beschleunigt wird, zu verbessern. Um den Umgebungsbedingungen,
unter welchen er verwendet wird, Stand zu halten, wird eine Kautschukart
verlangt, die bei niedrigen Temperaturen eine gute Elastizität zeigt.
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Bisher
wurden häufig
Naturkautschuk (NR), Styrol-Butadien-Copolymer-Kautschuk (SBR),
Chloroprenkautschuk (CR), hydrierter Nitril-Butadien-Kautschuk (H-NBR)
und alkyliertes chlorsulfoniertes Polyethylen (ACSM) als Kautschuk,
aus dem die klebende Schicht und der Unterbau eines solchen Treibriemens
bestehen, verwendet.
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Von
solchen Kautschuken weisen Naturkautschuk und Styrol-Butadien-Copolymer-Kautschuk
eine gute Kältebeständigkeit
auf, sind aber in der Wärmebeständigkeit
schlechter als Chloroprenkautschuk. Andererseits weisen hydrierter
Nitril-Butadien-Kautschuk und alkyliertes chlorsulfoniertes Polyethylen
eine gute Wärmebeständigkeit
auf, sind aber in der Kältebeständigkeit
schlechter als Chloroprenkautschuk. Demnach ist Chloroprenkautschuk
sowohl in der Wärmebeständigkeit
als auch der Kältebeständigkeit
den anderen vorstehend erwähnten
Kautschuken überlegen
und wird deshalb im allgemeinen als Kautschuk für Treibriemen verwendet.
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Als
ein Kautschuk, der sowohl in der Wärmebeständigkeit als auch der Kältebeständigkeit
dem Chloroprenkautschuk überlegen
ist, kann z. B. Epichlorhydrinkautschuk genannt werden. Wenn dieser
Kautschuk in Riemen verwendet wird, tritt jedoch ein Problem auf;
auf Riemenscheiben kommt es nämlich
zum Rutschen und dieses Rutschen bewirkt, dass der Kautschuk erweicht,
woraufhin sich in großen
Mengen ein klebriger Stoff bildet.
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Inzwischen
offenbart die japanische Kohyo-Veröffentlichung 09-500 930 (HEI)
einen Riemen, dessen Kautschukkomponente eine gehärtete Zusammensetzung
ist, die Ethylen-Propylen-Copolymer-Kautschuk (EPM)
und/oder ein Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM), ein Salz einer α,β-ungesättigten
Carbonsäure,
ein organisches Peroxid und andere Zusatzstoffe umfasst.
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US 5,610,217 offenbart eine
Art und Weise der Anpassung von Ethylen-α-Olefin-Elastomeren, um sie in
Riemen, die an dynamischen Anwendungen beteiligt sind, wie Treibriemen,
zu verwenden. Die Zusammensetzungen, die gelehrt werden, umfassen
mindestens ein Ethylen-α-Olefin-Elastomer,
am stärksten
bevorzugt ein Terpolymer, das sich aus einer Ethylen- und einer
Propyleneinheit und einer ungesättigten
Komponente zusammensetzt (EPDM), ein Metallsalz einer α,β-ungesättigten
Carbonsäure,
das am stärksten
bevorzugt Zinkdimethacrylat ist, und ein oder mehrere verstärkende Füllstoffe,
wie Ruß,
Calciumcarbonat, Talk, Ton oder Kieselsäuregel. Die Elastomerzusammensetzung
wird mit einem organischen Peroxid oder einem anderen radikalischen
Beschleunigermaterial gehärtet,
gegebenenfalls in Anwesenheit einer kleineren Menge Schwefel in
einem gemischten Härtungssystem.
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Ein
solches Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer ist dem Chloroprenkautschuk
in der Wärmebeständigkeit
und der Kältebeständigkeit überlegen
und außerdem
dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kautschuk, selbst wenn es
zum Rutschen kommt, nicht erweicht; daher ist die Lebensdauer des
Riemens lang.
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Demnach
weist der herkömmliche
Riemen, der unter Verwendung eines Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymers hergestellt
ist, in einem Hochtemperaturbereich, in dem die Zersetzung des Kautschuks über die
Lebensdauer des Riemens bestimmt, eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit
auf, und ist gleichzeitig, selbst im Temperaturbereich von 20 bis
80 °C, in
welchem die Biegeschwingfestigkeit des Kautschuks die Lebensdauer
des Riemens bestimmt, in der Lebensdauer dem Chloroprenkautschuk
fast vergleichbar. Im gewöhnlichen
Verwendungsmodus, in welchem der Treibriemen am häufigsten
bei 20 bis 80 °C
verwendet wird, unterscheidet sich die Lebensdauer eines Riemens,
der das Terpolymer umfasst, nicht von der eines Chloroprenkautschukriemens,
außer
im Falle außergewöhnlich harter
Bedingungen.
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Der
Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer-Riemen hat jedoch Probleme; sobald,
z. B. im Herstellungsprozess, während
des Transports oder beim Einbauen, ein winziger Riss aufgetreten
ist, weitet sich der Riss sofort aus, was zur Zerstörung des
Riemens führt.
Es ist also häufig
ein frühes
Versagen eingetreten.
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Ebenso
kommt es während
seiner Verwendung oft zur Rissbildung, wenn sich z. B. der Einschluss
eines Fremdkörpers
zwischen dem Riemen und einer Riemenscheibe oder eine verrostete
Riemenscheibe auf den Riemen auswirkt. Sobald sich ein Riss gebildet
hat, schreitet er sofort fort, was zur Zerstörung des Riemens führt, so
dass es dem Riemen im Vergleich zu Chloroprenkautschuk, welcher
im Fortschreiten von Rissen langsam ist, an Zuverlässigkeit
mangelt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Angesicht
des vorstehenden hat die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, einen
Treibriemen bereitzustellen, der eine gute Wärmebeständigkeit und Kältebeständigkeit
aufweist und wegen einer langsamen Rissentwicklung nur leicht in
der Lebensdauer variiert und der ferner eine hohe Zuverlässigkeit
zeigt.
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Die
vorliegende Erfindung besteht in einem Treibriemen gemäß Anspruch
1.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische
perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, eines Teils eines
Keilrippenriemens, einer Art des erfindungsgemäßen Treibriemens.
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2 ist eine schematische
Darstellung der Riemenlauf-Prüfeinrichtung,
die in den hier später
erwähnten
Beispielen verwendet wird.
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3 ist eine graphische Darstellung
der in Beispiel 1 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 erhaltenen
Ergebnisse.
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In
den Figuren bedeuten die Bezugszeichen folgendes: 1 – Antriebsscheibe, 2 – Umlenkscheibe, 3 und 4 – jeweils
Spannrolle, 5 – Keilriemen, 11 – Leinwand, 12 – Rippenkautschuk
und 13 – Drahteinlage.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem erfindungsgemäßen Treibriemen
wird als Kautschuk, der die Hauptkomponente des Riemens ist, eine
Kautschukzusammensetzung verwendet, die, bezogen auf die gesamten
Polymerbestandteile, nicht weniger als 50 Gew.-% eines Ethylen/α-Olefin/Dien-Terpolymers
umfasst.
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Wenn
der Gehalt an dem Ethylen/α-Olefin/Dien-Terpolymer,
bezogen auf die gesamten Polymere, unter 50 % liegt, sind unter
anderem die Wärmebeständigkeit
und die Kältebeständigkeit
ungenügend,
was zu einer deutlich verminderten Lebensdauer des Riemens bis zum
Reißen
führt.
Der vorstehende Bereich ist kritisch.
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Das
vorstehende Ethylen/α-Olefin/Dien-Terpolymer
ist nicht besonders eingeschränkt,
schließt
aber Terpolymere ein, die aus Ethylen, einem α-Olefin und einem Dien bestehen,
wobei letztere zwei aus verschiedenen Arten ausgewählt sind.
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Das α-Olefin schließt unter
anderem Propylen, 1-Buten, 1-Penten, 1-Hexen, 1-Octen und dergleichen ein.
Das Dien schließt
unter anderem 1,4-Hexadien, Dicyclopentadien, 5-Ethyliden-2-norbornen und dergleichen
ein.
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Ein
Ethylen/Propylen/Dien-Terpolymer (EPDM) ist unter anderen bevorzugt.
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Der
Gehalt der Dienkomponente in dem vorstehenden Ethylen/α-Olefin/Dien-Terpolymer
liegt vorzugsweise im Bereich von 3 bis 10 Gew.-%.
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Wenn
der Gehalt an dem Dien weniger als 3 Gew.-% beträgt, kann keine ausreichende
Vernetzungsdichte durch Schwefelhärtung erhalten werden, vielmehr
kann der Riemen eine erhöhte
Abnutzung zeigen oder das durch Abrieb gebildete Pulver kann aggregieren.
Wenn umgekehrt der Gehalt an der Dienkomponente 10 Gew.-% übersteigt,
kann keine ausreichende Wärmebeständigkeit
erhalten werden, vielmehr zeigt das Terpolymer schlechte Kautschukeigenschaften.
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Das
andere Polymer, das in der Kautschukzusammensetzung enthalten sein
soll, ist nicht besonders eingeschränkt, schließt aber unter anderem Chloroprenkautschuk,
Epichlorhydrinkautschuk, Siliconkautschuk, Naturkautschuk, Ethylen/Vinylacetat-Copolymer,
Acrylkautschuk, Styrol/Butadien-Copolymer-Kautschuk (SBR), hydrierten
Nitril-Butadien-Kautschuk
(H-NBR), alkyliertes chlorsulfoniertes Polyethylen (ACSM), Ethylen/Propylen-Copolymer-Kautschuk
(EPM), Nitrilkautschuk und Harzmassen ein.
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Insbesondere
wird eine Harzmasse mit einem Erweichungspunkt im Bereich von 60
bis 140 °C
verwendet. Eine solche Harzmasse kann die Formänderungsenergie aufnehmen,
die bei der Verformung von Kautschuk bei einer Temperatur unterhalb
des Erweichungspunktes, auch im Falle des Auftretens eines winzigen
Risses, erzeugt wird, so die Spannung in der Umgebung des Risses
verringern und dadurch verhindern, dass sich der Riss ausweitet.
Mit der Harzmasse sind in dieser Beschreibung Massen gemeint, die
ein Harz umfassen und zum Zwecke der Erhöhung der Klebrigkeit auf der
Oberfläche
der Zusammensetzung verwendet werden, und es können Massen sein, welche gewöhnlich als
Klebrigmacher verwendet werden.
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Als
Beispiele für
eine solche Harzmasse können
z. B. das Cumaron-Indenharz und Erdölharze genannt werden.
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Die
Harzmasse wird in einer Menge von 1 bis 15 Gewichtsteilen pro 100
Gewichtsteile der Gesamtheit der von der Harzmasse verschiedenen
Polymerbestandteile verwendet.
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Wenn
das Harz in einer Menge von weniger als 1 Gewichtsteil verwendet
wird, ist die vorbeugende Wirkung auf die Rissentwicklung ungenügend. Wenn
es in einer Menge verwendet wird, die 15 Gewichtsteile übersteigt,
werden die kautschukelastomeren Eigenschaften beeinträchtigt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Kautschukzusammensetzung
als Hauptkomponente wird eine Kautschukzusammensetzung mit darin
als Härtungsmittel
inkorporiertem Schwefel verwendet.
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Die
Höhe des
Schwefelzusatzes beträgt
vorzugsweise 0,6 bis 3,5 Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteile der
gesamten Polymerbestandteile.
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Wenn
die Menge an Schwefel weniger als 0,6 Gewichtsteile beträgt, wird
die Geschwindigkeit der Entwicklung eines Risses im Kautschuk erhöht und zusätzlich nimmt
die Abnutzung zu. Wenn die Menge 3,5 Gewichtsteile übersteigt,
wird die Wärmebeständigkeit
des Kautschuks beeinträchtigt,
weshalb keine ausreichende Lebensdauer erhalten werden kann, und
zusätzlich
kommt es zum „Blooming" an der Kautschukoberfläche; es
kann kein Treibriemen mit ausreichenden Leistungseigenschaften hergestellt
werden.
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Der
Grund, warum das herkömmliche
EPDM, welches als die Hauptkomponente Kautschuk für Treibriemen
verwendet wird, rissanfällig
ist, ist der, dass es winzigen Luftzellen, welche auftauchen und
verschwinden und daher normalerweise nicht wachsen, bei Ermüdung des
Kautschuks erlaubt wird, zu wachsen und als Rissanfangsstellen zu
dienen, und sie daher die Ausbreitung von Rissen auslösen. Eine
derartige schnelle Rissausbreitung wird durch die Spaltung der Kautschukhauptkette
durch Radikale verursacht, die an gespaltenen Vernetzungsstellen
gebildet werden, welche ihrerseits dadurch gebildet werden, dass
sich beim Dehnen von Kautschukmolekülen durch eine äußere Kraft
an diesen Stellen aufgrund kurzer Abstände zwischen Vernetzungsstellen,
die die Vernetzung von Polymermolekülen mit sich bringt, nämlich kurzen
Querverbindungen, die Spannung konzentriert.
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Aber
im Falle der vorliegenden Erfindung, wenn Schwefel als Vernetzungsmittel
für das
Ethylen/α-Olefin/Dien-Terpolymer
verwendet wird, erfolgt die Vernetzung durch einen Rest, der aus
einer Vielzahl von miteinander verknüpften Schwefelatomen besteht,
nämlich
-Sx-, und deshalb kann selbst dann, wenn der aus einer Vielzahl
von Schwefelatomen bestehende Rest einmal durch eine äußere Kraft
gespalten wird, das durch die Spaltung des Restes freigelegte vordere
S-Atom an ein solches S-Atom einer anderen gespaltenen Gruppe gebunden
werden. Daher führt
eine Spaltung der Vernetzungsstelle, selbst wenn sie verursacht
wurde, in vielen Fällen
nicht zur Spaltung der Hauptkette.
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Deshalb
kann der erfindungsgemäße Treibriemen
die vorbestimmten und geforderten Festigkeitseigenschaften aufrechterhalten
und ist höchst
rissbeständig
und durch das verzögerte
Wachstum von Rissen kann ferner die Bildung großer Risse in dem Riemen unterdrückt oder
verhindert werden.
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Außerdem wird,
wenn dem Riemen während
der Verwendung durch eine Riemenscheibe, die einen Fremdkörper einfängt, oder
durch eine verrostete Riemenscheibe ein Stoß versetzt wird, die Geschwindigkeit der
Rissausbreitung durch den vorstehenden Mechanismus verzögert und
die Lebensdauer des Treibriemens daher verlängert.
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Die
Kautschukzusammensetzung, aus der der erfindungsgemäße Treibriemen
besteht, kann zusätzlich
zu den vorstehenden Zusatzstoffen ein oder mehrere weitere Zusatzstoffe,
ausgewählt
aus Füllstoffen,
wie Ruß,
Calciumcarbonat, Talk, Ton und Siliciumdioxid; Weichmachern, wie
Verfahrensöl;
Antioxidantien; Wachsen; Pigmenten; Weichmachungsmitteln usw. enthalten.
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Der
erfindungsgemäße Treibriemen
schließt
ohne besondere Einschränkung
jene Riemen ein, die im allgemeinen als Treibriemen verwendet werden,
z. B. Keilriemen, Keilrippenriemen, Zahnriemen, Flachriemen und
dergleichen.
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Die
Kautschukzusammensetzung, umfassend das vorstehende Ethylen/α-Olefin/Dien-Terpolymer mit als
Härtungsmittel
darin inkorporiertem Schwefel, wird zumindest als Unterkautschuk
der Keilriemen, als Rippenkautschuk der Keilrippenriemen, als Zahnkautschuk
der Zahnriemen, als Haut- oder Oberflächenschichtkautschuk der Flachriemen
oder dergleichen verwendet.
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Der
erfindungsgemäße Treibriemen,
welcher den vorstehend erwähnten
Aufbau aufweist, weist eine gute Wärmebeständigkeit und Kältebeständigkeit
auf und variiert wegen der verzögerten
Rissausbreitung wenig in der Lebensdauer, und seine Zuverlässigkeit
ist hoch.
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BEISPIELE
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Die
folgenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung genauer.
Sie schränken
den Umfang der vorliegenden Erfindung jedoch in keiner Weise ein.
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Beispiel 1
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Nach
der nachstehend in Tabelle 1 gezeigten Formulierung wurde ein Rippenkautschuk
für einen
Keilrippenriemen hergestellt und unter Verwendung des Rippenkautschuks
als eine Materialkomponente wurde dann ein Keilrippenriemen hergestellt.
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1 ist eine schematische
perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, eines Teils des Keilrippenriemens.
Er wird aus dem Rippenkautschuk
12 mit Drahteinlagen
13,
die aus Nylon 66 bestehen, und einer Leinwand
11, mit der
der Rippenkautschuk überzogen
und die darauf geklebt ist, gebildet. Tabelle
1
- EPDM:
- EP 51 von Japan Synthetic
Rubber
- Chloroprenkautschuk:
- Neoprene GRT von DuPont
- Antioxidationsmittel
1:
- Nocrac 224 von Ouchi
Shinko Chemical
- Antioxidationsmittel
2:
- Nocrac MB von Ouchi
Shinko Chemical
- Antioxidationsmitte
3:
- Nocrac PA von Ouchi
Shinko Chemical
- Beschleuniger 1:
- Nocceler TET von Ouchi
Shinko Chemical
- Beschleuniger 2:
- Nocceler M-G von Ouchi
Shinko Chemical
- Beschleuniger 3:
- Nocceler DM-G von
Ouchi Shinko Chemical
- Beschleuniger 4:
- Nocceler CZ-G von
Ouchi Shinko Chemical
- Beschleuniger 5:
- Sanceler 22C von Sanshin
Chemical
- Weichmacher:
- Diana Process PW-90
von Idemitsu Kosan
- Nylon 66:
- 1,5 de × 3 mm
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Dieser
Keilrippenriemen wurde einer beschleunigten Bewertung auf der in 2 gezeigten Einrichtung
zur Riemenlaufprüfung
unterzogen. Die Prüfeinrichtung
umfasst eine Antriebsscheibe 1, eine Umlenkscheibe 2 und
Spannrollen 3 und 4, und der Keilriemen 5 wird
mit diesen Rollen in Kontakt gebracht. Die Antriebsscheibe 1 und
die Umlenkscheibe 2 weisen jeweils einen Durchmesser von
120 mm auf, die Spannrolle 3 weist einen Durchmesser von
70 mm auf und die Spannrolle 4 weist einen Durchmesser
von 55 mm auf. Die Spannrolle 4 wird mit einer Belastung
von 85 kgf in die Richtung des Pfeils gezogen und die Umlenkscheibe 2 wird
unter eine Leistung von 16 PS gestellt und mit einer Drehgeschwindigkeit
von 4.900 U/min in einer auf 85 °C
gehaltenen Atmosphäre
betrieben.
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3 zeigt die Ergebnisse,
wobei sich die Laufzeit auf der Abszisse und die eingestufte Lebensdauer auf
der Ordinate befindet. Die Stufen der Lebensdauer auf der Ordinate
sind folgende: (1) A: Auftreten eines winzigen Risses an der Rippenspitze;
(2) B: Ausbreitung des Risses bis in die Nähe der Rippenmitte; (3) C: Ausbreitung
des Risses zum Fuß der
Rippe; (4) D: Ausbreitung des Risses zur Drahteinlage der Rippe;
(5) E: Rippenbruch oder Zerreißen
des Riemens.
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Wie
aus den in 3 gezeigten
Ergebnissen ersichtlich ist, zeigt der Keilrippenriemen aus Beispiel
1, bei welchem die Kautschukzusammensetzung, umfassend EPDM und
Schwefel (Härtungsmittel),
zur Herstellung des Rippenkautschuks verwendet wird, etwa die dreifache
Lebensdauer gegenüber
dem Keilrippenriemen aus Vergleichsbeispiel 1, bei welchem Chloropren
als Rippenkautschuk verwendet wird. Die zwei gemäß Beispiel 1 unter Verwendung
der gleichen Kautschukzusammensetzung zur Herstellung der jeweiligen
Rippenkautschuke hergestellten Keilrippenriemen unterscheiden sich
ein wenig in der Lebensdauer, ohne dass eine signifikante Streuung
der Lebensspannen vorliegt.
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Andererseits
sind die Keilrippenriemen aus Vergleichsbeispiel 2, bei welchen
eine Kautschukzusammensetzung, umfassend EPDM und ein organisches
Peroxid (Härtungsmittel,
Percumyl D) bei der Herstellung des Rippenkautschuks verwendet wird,
den Riemen aus Beispiel 1 in Bezug auf die Lebensdauer vergleichbar, werden
aber nach dem Auftreten eines Risses in sehr kurzer Zeit als Riemen
unbrauchbar. Die Lebensdauer variiert von Produkt zu Produkt sehr
stark mit signifikanter Streuung.
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Der
Treibriemen, der durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt
wird und den vorstehend erwähnten
Aufbau aufweist, weist eine gute Wärmebeständigkeit und Kältebeständigkeit
auf und variiert wegen der verzögerten
Rissausbreitung wenig in der Lebensdauer und seine Zuverlässigkeit
ist hoch.
