Para-Aramid wird aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften wie hohe Festigkeit, hoher Elastizitätsmodul, Dauerfestigkeit und geringe Kriechneigung in Hochleistungsreifen verwendet.
Seit der erste Michelin-Luftreifen 1895 offiziell produziert wurde, hat die Reifenindustrie parallel zur rasanten Entwicklung der Automobilindustrie ihre Technologie kontinuierlich verbessert und neue Produkte hervorgebracht. Mittlerweile hat sich weltweit eine ausgereifte und lückenlose Reifenproduktionskette etabliert. Skelettmaterialien sind für Reifen entscheidend, um Festigkeit, Tragfähigkeit und Dimensionsstabilität zu gewährleisten. Mit der zunehmenden Beliebtheit von Radialreifen entwickeln sich zunehmend auch Hochleistungs-Radialreifen und umweltfreundliche Reifen, was höhere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Skelettmaterialien stellt. Para-Aramid wird aufgrund seiner hervorragenden Materialeigenschaften zunehmend in Hochleistungsreifen eingesetzt.
Klassifizierung und Leistung von Reifenskelettmaterialien
Skelettmaterialien sind die wichtigste tragende Schicht von Gummiprodukten und spielen eine entscheidende Rolle für deren Leistung, Lebensdauer und Gebrauchswert. Ideale Skelettmaterialien müssen mechanische Eigenschaften wie hohe Festigkeit, hohen Elastizitätsmodul, Ermüdungsbeständigkeit und geringe Kriechneigung sowie physikalische und chemische Eigenschaften wie geringe Dichte, hohe und niedrige Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Flammhemmung aufweisen. Es gibt vier Hauptkategorien von Reifenfaser-Skelettmaterialien mit jeweils eigenen Vor- und Nachteilen.
(1) Viskosekord zeichnet sich durch eine ausgezeichnete Elastizitätsmodulretention bei hohen Temperaturen und geringe Schrumpfung aus. Seine Dimensionsstabilität ist deutlich besser als die von Nylon- und Polyesterkorden. Er kann in Radialreifenkarkassen eingesetzt werden, um Reifen ein hervorragendes Handling zu ermöglichen. Viskosekord weist jedoch eine geringe Nassfestigkeit auf und verursacht bei der Produktion erhebliche Umweltverschmutzung.
(2) Polyestercord bietet die Vorteile eines hohen Moduls, einer hohen Festigkeit, einer geringen Dehnung, einer geringen Wärmeschrumpfung, einer guten Dimensionsstabilität und einer etwa gleichen Trocken- und Nassfestigkeit. Seine Ermüdungsbeständigkeit und Schlagzähigkeit sind besser als die von Viskosecord, aber sein Temperaturanstieg führt bei hohen Temperaturen zur Aminolyse.
(3) Die Vorteile von Nyloncord sind hohe Festigkeit, geringe relative Dichte, geringer Hystereseverlust, geringe Feuchtigkeitsaufnahme, hohe Nassfestigkeit, gute Elastizität, zehnmal höhere Biegefestigkeit als Viskosecord und bessere Ermüdungsbeständigkeit als andere Fasercords. Die Hauptnachteile sind hohe Wärmeschrumpfung sowie geringe Wärme- und Dimensionsstabilität.
(4) Aramidcord wurde in den letzten Jahren aufgrund seiner hohen Temperaturbeständigkeit, hohen Festigkeit, seines hohen Elastizitätsmoduls und seiner geringen Verformung schrittweise weiter verbreitet. Studien haben gezeigt, dass Aramidcord nicht nur das Reifengewicht und den Rollwiderstand reduzieren, sondern auch die Durchstoß- und Schnittfestigkeit des Reifens verbessern kann.
Der Leistungsvergleich häufig verwendeter Reifenskelettmaterialien ist in Tabelle 1 dargestellt.
| Artikel |
Para-Aramid |
Stahldraht |
Viskose |
Nylon 66 |
Polyester |
| Dichte/（Mg∙m^-3） |
1,44 |
7,85 |
1,53 |
1.14 |
1,38 |
| Zersetzungstemperatur (Stickstoff)/°C |
>500 |
1600 |
200 |
255 |
260 |
| Zugfestigkeit/MPa |
2830 |
2550 |
780 |
960 |
1150 |
| Spezifische Festigkeit/(mN∙tex^-1) |
1970 |
330 |
510 |
840 |
830 |
| Anfangsmodul/GPa |
80 |
160 |
18 |
6 |
14 |
| Spezifischer Modul/(N∙tex^-1) |
55 |
20 |
12 |
5 |
10 |
| Wärmeausdehnungskoeffizient ×10⁶/K^-1 |
-2,2 |
3.7 |
- |
- |
- |
| Bruchdehnung/% |
3.6 |
1.9 |
13,0 |
20,0 |
13.5 |
| Festigkeitserhaltungsrate nach 200 °C×48 h/% |
90 |
100 |
20 |
45 |
55 |
| Lufttrocknende Wärmeschrumpfung (160 °C ×4min)/% |
<0,1 |
0 |
1.0 |
3.8 |
5,0 |
Die spezifische Festigkeit und der spezifische Modul von Para-Aramid liegen fast 6- bis 3-mal über denen von Stahldraht und 2- bis 10-mal über denen von Nylon 66. Die Leistungsfähigkeit von Para-Aramid-Materialien bleibt im Temperaturbereich von -200 bis 200 °C normal. Bei gleicher Zugfestigkeit kann die Masse von Gummiprodukten deutlich reduziert werden, sodass sie auch unter extremen klimatischen Bedingungen eingesetzt werden können. Para-Aramid zeichnet sich durch eine ausgezeichnete Kriechfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, geringe Wärmeschrumpfung und chemische Korrosionsbeständigkeit aus, was die Dimensionsstabilität von Gummiprodukten deutlich verbessert und die Lebensdauer verlängert. Daher ist Para-Aramid ein idealer Werkstoff für Reifengerüste.
Anwendung von Para-Aramid in Reifenskelettmaterialien
Aramid wurde erstmals in der Reifenstruktur als Gürtelschicht für Radialreifen eingesetzt. Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften findet es heute in immer mehr Reifenkomponenten Verwendung. Technisch gesehen kann Aramid als Gerüstmaterial für beliebige Reifenteile verwendet werden und sogar in Kombination mit Harz Stahldraht in Reifenwülsten ersetzen, was das Reifengewicht deutlich reduziert. Derzeit findet Aramid Anwendung in Gürtelschichten mit freiliegenden Kanten, gefalteten Gürtelschichten, Umfangsgürtelschichten, Radialreifenkarkassen, Wulstabdeckungen, Drahtringen, Rennreifenkarkassen und Diagonalreifenpufferschichten.
Der Einsatz von 1680dtex/2 Aramidcord anstelle von 2×0,30HT Stahlcord in der Gürtelschicht von Pkw-Reifen kann das Reifengewicht um 6,4 % bis 7,5 % und den Rollwiderstand um 12,5 % reduzieren. Durch die Verwendung von 1680dtex/2 Aramidcord für Karkasse und Gürtelschicht lässt sich das Reifengewicht um 15 % reduzieren. Die übrigen Reifeneigenschaften erfüllen die Standardanforderungen und verbessern den Fahrkomfort.
Bei gleicher Masse übertreffen seine Festigkeit und sein Elastizitätsmodul die von Materialien wie Polyester, Polyamid und Stahldraht bei weitem und zeichnen sich durch höchste Sicherheit und Haltbarkeit aus. Der größte Vorteil der Verwendung von Aramidcord anstelle von Stahlcord für faltbare Rennreifen liegt in der Gewichtsreduzierung und der Faltbarkeit des Reifens. Die leichten Eigenschaften von Aramid eignen sich hervorragend für Hochleistungs-Rennreifen. Bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs ermöglicht es schnelleres Bremsen und ein besseres Kurvenverhalten.
Anwendung von Aramid-Kurzfasern im Füllgummi von Ganzstahl-Radialreifen. Die besondere Struktur und die Eigenschaften von Aramid-Kurzfasern verleihen Gummiprodukten hervorragende Eigenschaften wie hohen Elastizitätsmodul, hohe Härte, hohe Festigkeit, Dimensionsstabilität und Verschleißfestigkeit. Die Testergebnisse zeigen, dass Aramid-Kurzfasern die Mooney-Viskosität der Gummimischung reduzieren, die t90 verkürzen, den Temperaturanstieg verringern, den Verlustfaktor reduzieren, den Payne-Effekt verringern und die Haltbarkeit des fertigen Reifens verbessern. Dies deutet darauf hin, dass Aramidmaterial die Reifenleistung sehr effektiv verbessert.
| Artikel |
1100dtex/2 |
1680dtex/2 |
| Bruchkraft/N |
≥330 |
≥450 |
| Ungleichmäßige Bruchfestigkeit/% |
≤3,5 |
≤3,5 |
| 66,6 N Dehnung bei Nennlast/% |
1,8 ± 0,6 |
2,0 ± 0,6 |
| Bruchdehnung/% |
4,5 ± 1,5 |
6,0 ± 1,5 |
| Bruchdehnung Ungleichmäßigkeit/% |
≤5,0 |
≤5,0 |
| Trockenwärmeschrumpfung/% |
≤0,5 |
≤0,5 |
| H Auszugskraft/（N•cm^-1) |
≥100 |
≥130 |
Obwohl Aramidcord als Gummiskelettmaterial viele Vorteile bietet, birgt es auch Nachteile wie geringe Druck- und Biegewechselfestigkeit, schwierige Verklebungen und hohe Produktionskosten, die seine breite Anwendung einschränken. Daher wurde ein Aramid-/hochfestes Nylon-Verbundcordgewebe entwickelt. Das durch Spinnen, Zwirnen, Tauchen und Wärmebehandeln von Aramid und Nylon in einem bestimmten Verhältnis hergestellte Verbundcordgewebe kann die Nachteile von Nylon und Aramid beseitigen und die Vorteile beider Materialien vereinen, die komplementären Materialeigenschaften realisieren und die hohen Anforderungen an Hochleistungsreifen erfüllen. Verbundcordgewebe wird künftig immer häufiger in Reifen eingesetzt.
