Verfahren zum Einbringen von Hartstoffen in eine Reifenlauffläche

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hartstoffpartikel enthaltenden Reifenlaufflächen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, eine Vorrichtung zur Herstellung einer entsprechenden Reifenlauffläche sowie Reifen mit einer Hartstoffpartikel enthaltenden Reifenlauffläche, insbesondere für Kraftfahrzeuge, Flugzeuge und Industriefahrzeuge, wie z.B. Gabelstapler.

Die übliche Herstellung von Gummireifen für Fahrzeuge besteht darin, eine Gummimischung, die verschiedene Chemikalien, wie z.B. Weichmacher und Alterungs- oder Lichtschutzmittel, Füllstoffe und Ruße sowie unterschiedliche Gummisorten enthalten kann, in einer Bandspritzanlage zu Gummibändern zu extrudie- ren. Diese Bänder werden anschließend weiter verarbeitet, um als Seitenwände, Laufflächen oder sonstige mit Gummi versehenen Teile des Reifens eingesetzt zu werden.

Gummireifen werden als Luft- oder Vollgummireifen eingesetzt. Zwar unterscheiden sich die beiden Reifentypen grundsätzlich im Reifenaufbau, allerdings weisen beide Reifentypen als gemeinsames Merkmal eine vergleichbare Reifenlauffläche auf, die in der Regel profiliert ist. Die Haltbarkeit der Reifenlauffläche bestimmt normalerweise sowohl für Luft- als auch für Vollgummireifen die Lebensdauer eines Reifens.

Sowohl beim Vollgummireifen als auch beim Luftreifen ist das Auftragen der Reifenlauffläche auf den Reifenunterbau meist der vorletzte Schritt bei der Herstellung des Reifens. Bei einem Luftreifen wird zuvor auf den Gewebeunterbau, die sogenannte Karkasse, die um einen Wulst aus gummiummantelten

Drahtringen gelegt ist, eine gummierte Stahlkordgürtellage aufgelegt, auf die anschließend die spätere Lauffläche aufgetragen wird. Der unprofilierte Reifenrohling wird anschließend in einer Reifenpresse bei ca. 175 ° C vulkanisiert und dabei gleichzeitig profiliert. Bei der Herstellung eines Vollgummireifens wird auf einen Kern oder Reifenfuß eine Zwischenschicht aufgelegt, auf die dann die Lauffläche aufgetragen wird. Der Reifenrohling wird ebenfalls in einer Heizpresse vulkanisiert und dabei wiederum profiliert.

Die Laufstreifen zum Auftragen von Reifenlaufflächen werden allgemein über Extrusionsverfahren hergestellt. Die so erhaltenden Bänder werden nach der Extrusion auf den Reifenunterbau aufgetragen und sämtliche Bauteile des Reifens werden zu einem Reifenrohling fest zusammengepresst, der dann in der Heizpresse vulkanisiert wird.

Um die Lebensdauer des Reifens zu verlängern, hat man Verfahren entwickelt, die Lauffläche von Reifen zu erneuern. Beim Runderneuern von abgefahrenen Reifen wird die alte Lauffläche maschinell aufgeraut oder abgeschält und es wird eine neue Lauffläche aufgelegt und anschließend auf die übliche Weise vulkanisiert. Man hat auch versucht, durch Einbringen von verschleißfesten Partikeln in die Lauffläche deren Lebensdauer selbst zu verlängern.

Eine Kombination aus beiden Verfahren wird in der EP 0 961 696 Bl beschrieben. Dabei wird während des Aufwickeins des extru- dierten Gummilaufflächenbandes auf den vorbehandelten Reifenunterbau Hartstoffgranulat auf einem Teil der Oberfläche des extrudierten Gummillaufflächenbandes verteilt. Die Zufuhreinrichtung für das Hartstoffgranulat befindet sich zwischen dem Extruderaustritt und dem Reifenunterbau, so dass mit dem Auf-

rollen der Lauffläche die Hartstoffgranulate in die Lauffläche eingerollt werden und anschließend beim Vulkanisieren des Reifens fest eingebunden werden.

Zwar hat dieses Verfahren gegenüber früheren Methoden, bei denen die Gummimischung bereits vor dem Extrudieren mit den Hartstoffpartikeln vermischt wurden, den Vorteil, dass ein Verschleiss an den Extrudern vermieden wird, jedoch ist es bei der in der EP 0 961 696 Bl geschilderten Methode schwierig, eine gleichmäßige Verteilung des Hartstoffgranulats in der Lauffläche zu erreichen, da die Geschwindigkeit des Bandes dafür sehr genau mit der Granulatzufuhr abgestimmt werden muss. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass beim Aufstreuen der Hartstoffgranulate auf die relativ schmalen Laufstreifen durch seitliches Herunterfallen der Granulate hohe Ausbeuteverluste auftreten. Darüber hinaus muss das Aufwickeln der dünnen Laufflächenstreifen auf den Reifenunterbau relativ langsam vonstatten gehen, damit eine homogene Verteilung der Hartstoffgranulate beim Aufstreuen erreicht werden kann, was wiederum zu einer geringen Produktivität des Verfahrens selber führt.

Es besteht somit weiterhin der Bedarf an Methoden, um auf einfache und wirkungsvolle Weise die Lebensdauer von Reifen zu verlängern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, dass die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist und mit dessen Hilfe es möglich ist, eine homogene Verteilung von Hartstoffpartikeln in einer Reifenlauffläche zu verwirklichen, ohne dass die Produktivität bei der Reifenherstellung darunter leidet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren praktiziert werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 20.

Bei der Suche nach einem Verfahren zur homogenen Verteilung von Hartstoffpartikeln in Reifenlaufflächen wurde gefunden, dass durch Vermischen einer Kautschukmischung in Granulatform mit Hartstoffpartikeln und anschließendes Verpressen dieser Mischung zu einem Laufstreifen ein Laufstreifen mit einer gezielten Verteilung der Hartstoffpartikel erhalten werden kann, der dann durch anschließendes Auflegen auf den Reifenunterbau und Weiterbehandlung in der Heizpresse zu einem Gummireifen verarbeitet werden kann, in dessen Lauffläche homogen verteilt Hartstoffpartikel eingelagert sind. Dieses Verfahren kann sowohl für Luftreifen mit einer mit Stahlkordgürteln belegten Karkasse als Reifenunterbau, als auch für Vollgummireifen eingesetzt werden, die beispielsweise einen Kern aus mit Stahlseilen verstärktem Hartgummi besitzen.

Der entscheidende Unterschied zu den üblichen Herstellverfahren von Laufstreifen besteht darin, dass bei der vorliegenden Erfindung eine Kautschukmischung als Granulat in Form eines Pulvers eingesetzt wird, das ohne den Einsatz eines Zwangsmi- schers, beispielsweise in einem Freifallmischer, selbst mit relativ groben Hartstoffpartikeln problemlos und homogen vermischt werden kann, während üblicherweise zähelastische Gummi-

mischungen bei höheren Temperaturen in einem Kneter verarbeitet und anschließend extrudiert werden. Das Einbringen von Hartstoffen, insbesondere gröbere Hartstoffe mit mittleren Korngrößen zwischen 0.05 mm und 3 mm, führt beim konventionellen Verfahren zu einem ernormen Verschleiß am Kneter und Extruder und würde beispielsweise innerhalb kürzester Zeit insbesondere das Mundstück des Extruders beschädigen, so dass die für eine sichere Produktion erforderliche Maßgenauigkeit nicht mehr gewährleistet wäre.

Die Granulatherstellung selber erfordert einen zusätzlichen Arbeitsschritt, bei dem eine Kautschukmasse zerspant (Grobschleifen) bzw. zerschnitten (Schneidmühlen) wird, um anschließend als pulverförmiges Granulat vorzuliegen. Vorteilhaft wird für diese Arbeiten die Elastizität des Kautschuks herabgesetzt und man arbeitet in einem Temperaturbereich unterhalb oder nahe der Glastemperatur des Gummis.

Eine weitere Möglichkeit zur Granulatherstellung besteht darin, die Gummimasse in Form von Fasern zu extrudieren und anschließend mit Hilfe einer rotierenden Schneidmühle zu zerkleinern. Auch in diesem Fall ist es zweckmäßig, die Masse vor dem Zerkleinern abzukühlen.

Mit einem so hergestellten pulverförmigen Granulat ist es nun möglich, eine homogene Gummi/Hartstoff-Mischung herzustellen, die dann nicht mehr im Extruder kontinuierlich zu einem Laufstreifen extrudiert werden kann, sondern beispielsweise in einer statischen Presse diskontinuierlich weiterverarbeitet werden muss.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden unterschiedliche Mischungen aus Hartstoffparti-

kein und Kautschukgranulaten eingesetzt, die beispielsweise übereinandergeschichtet verpresst werden. Das Verpressen der einen oder mehreren Mischungen erfolgt vorteilhaft in einer Pressform, die die Dimensionen des gewünschten Laufstreifens aufweist. Dabei wird die Pressform vorteilhaft mit mehreren Schichten unterschiedlicher Zusammensetzungen aus Kautschukgranulat und Hartstoffen oder auch Zwischenschichten aus reinem Kautschukgranulat befüllt, die dann anschließend zu einem Laufstreifen verpresst werden. Bei dieser Anordnung ist es auch möglich, innerhalb einer Schicht die Mischung zu variieren und beispielsweise die Hartstoffpartikel so zu verteilen, dass sich die Partikelgröße innerhalb einer Schicht vom äußeren Bereich der Lauffläche zum Zentrum hin verändert. Ebenso ist es möglich, innerhalb einer Schicht die Mengen an eingelagerten Partikeln zu variieren.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Härte des Kautschukgranulates variiert, wodurch gezielt die Eigenschaften des Reifens eingestellt werden können. So kann durch Verwendung eines harten Gummis in direktem Kontakt mit den Hart- stoffpartikeln beispielsweise die mechanische Belastung durch Druck-, Zug- und Scherbeanspruchung überwiegend in den Bereich des weicheren Basisgummi verlagert werden, wodurch die Gesamthaftung der Partikel verbessert wird.

Vorteilhaft erfolgt das Verpressen der Schichten unter Vakuum in einem Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und unterhalb der Vulkanisationstemperatur.

Alternativ zur Pressform kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch auch die Mischung aus Kautschukgranulat und Hartstoffpartikeln über Walzen zu einem Laufstreifen verarbeitet werden, der dann erfindungsgemäß auf den Reifenunterbau

aufgetragen und anschließend in der Heizpresse vulkanisiert wird. Diese Alternative hat den Vorteil, dass die Produktivität weiter erhöht wird, allerdings kann auf diese Weise keine gezielte und unterschiedliche Verteilung von Hartstoffpartikeln in der Lauffläche erreicht werden wie bei den vorgenannten Ausführungsformen. Zum Schutz der Walzen gegen abrasiven Verschleiß sind beispielsweise Keramikwalzen zu bevorzugen. Auch die Herstellung von Laufstreifen über Verpressen zwischen Walzen wird bevorzugt bei Temperaturen zwischen 30 und der Vulkanisationstemperatur (ca. 120 ⁰ C) durchgeführt. Das über das Verpressen von Walzen produzierte Laufband wird nach dem Pressvorgang zu passenden Laufstreifen konfektioniert.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mehrere Laufstreifen übereinander oder bei Herstellung von kleineren Laufstreifen auch nebeneinander oder versetzt angeordnet auf den Reifenunterbau aufgelegt werden. Auf diese Weise kann die Lauffläche strukturiert werden, wobei weitere Variationsmöglichkeiten darin bestehen, dass man beispielsweise Laufstreifen mit unterschiedlichen Partikeleinlagerungen oder auch mit unterschiedlichen Gummi- härten verwendet.

Als Hartstoffpartikel können erfindungsgemäß Oxide, Carbide, Nitride, Suizide und/oder Boride eingesetzt werden. Bevorzugte Ausführungsformen sehen vor, dass Korund oder Siliziumcar- bid eingesetzt wird. Die mittlere Korngröße der eingesetzten Hartstoffpartikel liegt zwischen 0,05 mm und 3 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 2 mm und die Mohshärte sollte vorzugsweise mindestens 7 betragen.

Da es sich bei den eingesetzten Hartstoffpartikeln um abrasive Stoffe handelt, die sich beim Einsatz in der Lauffläche mit

der Zeit freischneiden können, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Hartstoffpartikel eine im Wesentlichen runde Kornform aufweisen. Darüber hinaus kann die Haftung der Haftstoffpartikel in der Gummimatrix weiter durch den Einsatz eines Haftvermittlers verbessert werden, der auf die Hartstoffe noch vor dem Vermischen mit dem Kautschukgranulat aufgetragen wird. Dazu können die sämtliche in der Kautschukindustrie für diesen Zweck einschlägig bekannten Haftvermittler eingesetzt werden.

Es hat sich herausgestellt, dass die homogene Verteilung der Hartstoffpartikel in der Rohstoffmischung dann besonders günstig ist, wenn die mittlere Partikelgröße des Kautschukgranulats kleiner oder maximal den 3-fachen Wert der mittleren Korngröße der Haftstoffpartikel aufweist.

Um eine möglichst homogene und agglomeratfreie Verteilung der Hartstoffpartikel in der Gummimischung zu erhalten, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vor, dass die mittlere Partikelgröße der Kautschukgranulate ein Sechstel bis maximal ein Ganzes der mittleren Partikelgröße der Hart- stoffpartikel beträgt. Durch diese einfache Maßnahme in Kombination mit den weiter unten geschilderten Volumenverhältnissen gelingt es, die schwereren, nicht reaktiven Hartstoffpartikel als diskrete Teilchen zusammen mit den leichteren, reaktiven Kautschukpartikeln, die beim nachfolgenden Verpressen und Vulkanisieren eine monolithische Einheit ergeben, zwangsfrei zu vermischen.

üblicherweise enthalten die in der Mischung eingesetzten Kautschukgranulate zusätzlich Füllstoffe, Ruße, Weichmacher, Alterungsschutzmittel und Lichtschutzmittel sowie andere für die Reifenherstellung vorteilhafte Chemikalien. Die Menge des in der Mischung eingesetzten Hartstoffes ist begrenzt und beträgt

vorteilhaft zwischen 3 und 50 Volumen-%, bevorzugt zwischen 8 und 30 Volumen-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Laufstreifens. Die Mischungsmenge wird bei der Herstellung so ausgewählt, dass die Dicke des Laufstreifens nach dem Verpressen ca. 1 bis 20 mm, bevorzugt ca. 10 mm, aufweist.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Herstellung einer Reifenlauffläche, die im Wesentlichen aus mindestens einem Vorrats- und Chargierbehälter besteht, der mit der Mischung aus Kautschukgranulat und Hart- stoffpartikeln befüllt ist. Die Pressform wird unter den Auslauf des Chargierbehälters geführt und mit mindestens einer Schicht der Mischung aus Kautschukgranulat und Hartstoffpartikeln befüllt. Sobald die Mischung in der Pressform die erstrebte Füllhöhe erreicht hat, wird die Pressform unter den Pressstempel geführt und die Kautschukgranulat-Hartstoff- Mischung wird zur Reifenlauffläche verpresst. Eine bevorzugte Ausführungsform der Presse sieht vor, dass das Verpressen der Lauffläche im Vakuum erfolgt. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Lauffläche bei Temperaturen unterhalb der Vulkanisiertemperatur, d.h. zwischen 30 und 120° C, verpresst .

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Abbildungen ausführlich erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt eines Luftreifens,

Figur 2 eine Draufsicht auf einen Laufstreifen,

Figur 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von Laufflächen und

Figur 4 einen Querschnitt eines Vollgummireifens.

In der Figur 1 ist der Querschnitt eines Luftreifens 1 widergegeben, der aufgebaut ist aus einer Karkasse 5, die um einen Wulst 12 gelegt ist und zum Reifeninneren hin eine luftdichte Gummischicht 6 aufweist. Die Karkasse 5 ist mit einem Stahlkordgürtel 4 belegt, über dem die Lauffläche 2 angeordnet ist. über das Profil 3 hinaus ist die gesamte Lauffläche 2 bis hin zum Seitengummi 7 mit Hartstoffpartikeln versetzt. In der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform sind im äußeren Bereich des Reifens 1 gröbere Hartstoffpartikel eingelagert, während in dem mittleren Bereich der Lauffläche 2 feinere Hartstoffpartikel vorgesehen sind. Dadurch kann beispielsweise der Randbereich der Lauffläche 2, der üblicherweise einem stärkeren Verschleißt unterliegt, zusätzlich geschützt werden indem dort gröbere Teilchen eingelagert sind, die darüber hinaus, bezogen auf das Volumen der Lauffläche, einen größeren Anteil einnehmen als die feinen Teilchen im mittleren Bereich der Reifenlauffläche .

Diese Belegung der Reifenlauffläche mit unterschiedlich großen Teilchen ist besonders deutlich in der Draufsicht eines Ausschnitts einer Reifenlauffläche 2 in Figur 2 zu erkennen.

Die Figur 3 zeigt die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Fertigung der erfindungsgemäßen Laufflächen 2. Dabei ist eine Pressform 13 verschiebbar unterhalb von Chargierbehältern 15 angeordnet. Die Chargierbehälter 15 sind mit unterschiedlichen Rohstoffmischungen 16, 17 befüllt, die über einen Auslass 18 in die Pressform 13 schichtweise eingefüllt werden. Bei der in der Figur 3 gezeigten Ausführungsform ist die Pressform abwechselnd mit einer Basisgummimischung 17 und einer Kautschuk-Hartstoff-Mischung 16 befüllt. Dabei werden die

beiden äußeren Schichten durch eine Basiskautschukmischung gebildet, an die sich jeweils eine Kautschuk-Hartstoff-Mischung 16 anschließt, die wiederum eine Basiskautschukmischung 17 einschließen. Die fertig gefüllte Pressform 13 wird unter einen Pressstempel 14 geschoben, mit dessen Hilfe dann die Reifenlauffläche 2 verpresst wird. Vorteilhaft findet die Pressung unter Vakuum bei erhöhten Temperaturen statt, was jedoch bei dieser rein schematischen Darstellung nicht zu erkennen ist.

Die Figur 4 zeigt den Querschnitt eines Vollgummireifens 1, bei dem der Reifenunterbau, der aus einem mit Stahlseilen verstärkten Reifenkern 21 aus Hartgummi sowie einer Zwischenschicht 20 aus weicherem und elastischerem Gummi besteht, mit einer profilierten Lauffläche 2 belegt ist, in die relativ grobe Hartstoffpartikel eingelagert sind. Die Verwendung von Hartstoff enthaltenden Laufflächen für die Herstellung oder Runderneuerung von Industriereifen ist eines der bevorzugten Einsatzgebiete für das erfindungsgemäße Verfahren, das dabei sowohl für Vollgummi als auch für Luftreifen eingesetzt werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Reifen

2 Lauffläche

3 Profil

4 Stahlkordgürtel

5 Gewebeunterbau (Karkasse)

6 Luftdichte GummiSchicht

7 Seitengummi

8 Ventil

9 Felge

10 Felgenschulter

11 Felgenhorn

12 Wulst

13 Pressform

14 Pressstempel

15 Chargierbehälter

16 Kautschukhartstoffmischung

17 Basiskautschukmischung

18 Auslass

19 Stahlseil

20 Zwischenschicht

21 Kern