Die Erfindung betrifft einen Zahnriemen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Stand der Technik

Beim Einsatz des Gummimaterials für Zahnriemen in Kraftfahrzeugen wird eine hohe Belastbarkeit bei Zugbelastung, eine große Härte sowie eine hohe Abriebfestigkeit verlangt. Die Verwendung von Zinkoxid, welches in Form von tetrapodenförmigen Kristallen vorliegt, ist z. B. in der EP 2 782 103 Al, allerdings für Lackdraht, und in der DE 10 2013 104 195 Al für optoelektronische Bauelemente beschrieben.

Die DE 102015 203 914 Al offenbart einen elastomeren Artikel mit einer Gummimatrix, unter anderem einen Kraftübertragungsriemen, mit einem in und/oder an die Gummimatrix ein- und/oder anvulkanisierten Festigkeitsträger, beispielsweise einem textilen Gewebe, einer metallischen Fadenkonstruktion oder ähnlichem. Dabei dient dieser in die Gummimatrix eingebetteten Festigkeitsträger dazu, die auf den elastomeren Artikel wirkenden Kräfte zu übertragen, da die Gummimatrix aufgrund ihres elastischen Verhaltens dazu meist nicht ausreichend in der Lage ist.

Offenbart wird außerdem ein Haftsystem, durch welches der Festigkeitsträger mit der Gummimatrix verbindbar ist. Zur Verbesserung der Haftung zwischen der Gummimatrix und dem Festigkeitsträger insbesondere im Hinblick auf einen Formschlussanteil, ist der Festigkeitsträger vor der Vulkanisation mit einem

Haftvermittler beschichtet, in den Nanotetrapoden eingebettet sind, die zumindest mit mehreren Armen aus der Haftvermittlerschicht herausragen und in die umgebende Rohgummimatrix eingreifen. Nach der Vulkanisation ist der ein- und/oder anvulkanisierte Festigkeitsträger sowohl durch die bei der Vulkanisation entstandene chemische Bindung als auch durch formschlüssige Wechselwirkung der

Nanotetrapoden mit der Oberfläche der Gummimatrix fest miteinander verbunden.

Die DE 602005 002 589 T2 offenbart eine Gummizusammensetzung für einen Reifen sowie einen Luftreifen.

Die Gummizusammensetzung enthält neben üblichen Komponenten unter anderem auch Zinkoxidwhisker (Nanotetrapoden aus Zinkoxid). Der Zusatz der Tetrapoden führt laut DE 602005 002 589 T2 zu den folgenden Effekten:

• Exzellente Reibung auf vereister und verschneiter Straße durch ein Mikrokratzeffekt infolge der aus der Oberfläche des Reifens herausragenden Armen der Tetrapoden, die wie Spikes von Spikereifen wirken

• Verbesserung der Abrasionsbeständigkeit

• Verbesserung des Wärmewiderstandes

• Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit

Über einen Einfluss auf die Zugfestigkeit oder Kerbfestigkeit, insbesondere eine Verbesserung dieser Eigenschaften wird allerdings nichts berichtet. Diese Eigenschaften werden nicht einmal erwähnt. Aus EP 1 875 102 B 1 ist ein Zahnriemen mit einer Gummimischung bekannt, die Nano-Zinkoxid-Tetrapoden mit einem Gewichtsanteil bis 30 % enthalten kann. Die Verwendung von Nano-Zinkoxid-Tetrapoden wird hier jedoch als nachteilig dargestellt. Die Nachteile machen zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Daher beschränkt sich der Gewichtsanteil der Nano-Zinkoxid-Tetrapoden an der Gummimasse auf einen Wert zwischen 0 % und 30 %. In den Beispielen werden sogar nur Materialien mit maximal 10 Gew.-% Nano-Zinkoxid-Tetrapoden beschrieben.

Aufgabe und Lösung der Erfindung Aufgabe der Erfindung: Es sollen die oben genannten Forderungen erfüllt werden. Für die Zahnriemen sollen eine hohe Belastbarkeit bei Zugbelastung, eine große Härte sowie eine hohe Abriebfestigkeit erreicht werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Zahnriemen der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Während es bei Autoreifen (DE 602005 002 589 T2) auf die Abrasion des Reifens und auf die Reibung auf der Fahrbahn, insbesondere auf der vereisten Fahrbahn, ankommt, kommt es bei Zahnriemen primär auf die Zugfestigkeit und Kerbfestigkeit an.

Die Kraft wird bei herkömmlichen Zahnriemen durch eingebettete Glas- oder Aramidfasem, seltener durch eingebettete Stahlseile übertragen. Erfmdungsgemäß wird die Kraftübertragung durch die homogen in der Gummimischung verteilten tetrapodenförmigen Zinkoxid-Kristalle erreicht. Die Nano-Zinkoxid-Tetrapoden (ZnO) sind Kristalle aus Zinkoxid mit einer Größe von mehreren Nano- bis wenigen Mikrometern, also wenige Tausendstel- bis Millionstel Millimeter klein. Sie haben die Form von Tetrapoden, vier starren Armen, die von einem zentralen Punkt ausgehen. Größere Tetrapoden von mehreren Metern kennt man als Wellenbrecher zum Küstenschutz von Sylt oder Helgoland, wo sich die Arme ineinander verhaken und so den Kräften der Meeresströmungen trotzen.

Die Arme der Tetrapoden verhaken sich wie Heftklammern ineinander und bilden so einen festen Verbund. Nano-Zinkoxid-Tetrapoden sind nadelförmige Kristalle, hergestellt aus

Zinkmetalldampf und Sauerstoff. Dabei wachsen sie in Richtung der C-Achse des jeweiligen sechseckigen Kristalls des Zinkoxids aus allen der vier sich gegenüberliegenden Oberflächen eines Achtecks. Der Kristall findet Verwendung in Filtern mit sehr guten Filter- und Staub Sammlungseigenschaften aufgrund seiner Form, guter Lichtkatalysator Aktivierung aufgrund seiner Halbleiter- und UV-

Lichtaufnahmeeigenschaften sowie als antibakterielles Material (Zinkionen-Effekt).

Eigenschaften:

Materialname: Zinkoxid Chemi sehe F ormel : ZnO

Molekül Struktur: Einzelkristall (Nadelform)

Form: Tetrapoden-Form (vier Füße)

Durchschnittliche Länge eines Fußes: 10 pm bis 20 pm Spezifisches Gewicht: 5,78 kg/dm ³ Relative Dichte (Schüttdichte): ca. 0,1 kg/dm ³

Schmelzpunkt unter Druck: 2.000 °C Spezifische Hitze: 0,1248 cal/g * Grad Wärmeleitfähigkeit: 25,3 W/m * k Wärmeausdehnungskoeffizient: 3,18x 10-6rc Reflexionsindex: 1, 9-2,0 Die homogene Verteilung der tetrapodenförmigen Zinkoxid-Kristalle in der Gummimischung eines Zahnriemens geht nicht aus dem Stand der Technik hervor.

Wenn dem Fachmann die Aufgabe gestellt wird, einen Zahnriemen zu entwickeln, dessen Herstellung nur eine kurze Vulkanisationszeit erfordert, von zum Beispiel nur 60 Minuten, wobei der Zahnriemen aber eine große Drehmoments-Übertragung und eine hohe Zugfestigkeit ermöglicht, ohne dass ein zusätzlicher Festigkeitsträger wie im Stand der Technik in die Rohgummimatrix eingearbeitet werden müsste, so ist die erfindungsgemäße Lösung aus dem folgenden Grunde nicht nahegelegt.

Ausgehend von der DE 102015 203 914 Al könnte der Fachmann zwar auf die DE 60 2005 002 589 T2 stoßen. Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe würde der Fachmann die DE 602005 002 589 T2 aber nicht heranziehen. In der DE 602005 002 589 T2 sind keine Angaben zur Zugfestigkeit der mit den Tetrapoden versehenen Gummimischung zu finden. Auch zur Härte und zur Kerbfestigkeit, welche auch wichtige Eigenschaften von Zahnriemen sind, findet der Fachmann in dieser Entgegenhaltung keine Angaben. Der Fachmann würde daher diese DE 602005 002 589 T2 beiseitelegen.

Der Fachmann musste daher, ausgehend von der DE 102015 203 914 Al und in Kenntnis der DE 602005 002 589 T2, erfinderisch tätig werden, um zur erfindungsgemäßen Lösung zu gelangen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.

So wird vorgeschlagen,

- dass der Durchmesser der Umkugel der tetrapodenförmigen Zinkoxid-Kristalle zwischen 1 und 100 Nanometer groß ist,

- dass die Gummimischung maximal 50 Gew.-% der tetrapodenförmigen Kristallen enthält,

- dass die Gummimischung 40 bis 50 Gew.-% der tetrapodenförmigen Kristallen enthält, sowie

- dass die Gummimischung weiterhin Antioxidationsmittel, Zinkoxid, Silica, Öl separat oder in Kombination enthält. Ausfühmngsbeispiele

Im Folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. In den folgenden Ausführungsbeispielen und Versuchsreihen wurden Nano-Zinkoxid- Tetrapoden der Firma Tianjin YR Chemspec Co., Ltd. verwendet.

Anwendungsbeispiel: Basisgummi HNBR (Hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk)

1. Vulkanisations-Test: (Voraussetzung: 150 °C für bis zu 300 min)

Drehmoment M (dNm) bei unterschiedlichem Gehalt an Nano-Zinkoxid-Tetrapoden

Vergleichsversuche Ergebnis:

Die Erhöhung des Gehalts an Nano-Zinkoxid-Tetrapoden steigert das mögliche Drehmoment und verringert die Vulkanisationszeit. Ist ein mögliches Drehmoment von 30 dNm gewünscht, genügt die Vulkanisationszeit der Spalte für die unterstrichene Drehmoment- Angabe.

Besonders geeignet ist das Gummimaterial zur Verwendung für Zahnriemen in Kraftfahrzeugen. 2. Die Härtemessung:

Die Erhöhung des Gehalts an Nano-Zinkoxid-Tetrapoden steigert die Härte der Mischung.

3. Der Zugversuch:

Ein Gummistreifen wird in eine hantelförmige Form gepresst und die Belastung wird anhand der Verlängerung gemessen. Die Angabe „100% modulars“ bedeutet eine Zugbelastung (Zugfestigkeit) bei 100 % Verlängerung.

Zugbelastung in kgf/cm ² Vergleichsversuche Ergebnis:

Die Erhöhung des Gehalts an Nano-Zinkoxid-Tetrapoden bewirkt eine höhere Zugfestigkeit. Typische Kombinationen von Inhalts stoffen bei Nano-Zinkoxid-Tetrapoden-

Gummimischungen:

Vergleichsversuche M100, M200, M300 bedeuten „100% modulars (kgf/cm ² )“ bzw. „200% modulars (kgf/cm ² )“ und „300% modulars (kgf/cm ² )“. Erfindungsgemäße Versuche

Vergleichsversuche

Vergleichsversuche (Fortsetzung der Tabe le)