Reifenherstellung

1. Einleitung - Begriff Gummi (ägyptischen kami) bezeichnete ursprünglich Kautschuk oder andere kautschukähnliche Pflanzensäfte (Milchsaft)

- die beim Eintrocknen durch Polymerisation zu plastisch - elastischen Feststoffen verhärten

- enthalten wasserlöslichen Anteil und Gummiharze (Latex)

- Gummi ist heute ein vielseitiger Werkstoff.

2. Die Gummimischung
- Rohmaterialien: wie Chemikalien + bis zu 30 versch. Gummisorten in riesigen Grundstoff: natürlicher (42%) +künstlicher (18%) Kautschuk

- Füllstoffe: synthetischer Ruß+Silica (28%) , Kreide, Öle, Harze, Schwefel...

- Mischanlagen + grosser Hitze +enormem Druck gemischt

- Ergebnis: homogene Gummimischung sog.Mischungsfell


2.1 Walzen
- abgekühlte Gummi wird zu Platten verarbeitet

- dann zu den Vorstreckwalzen gebracht

- dort versch. Mischungen für Hauptwalzen vorbereitet

- in Streifen geschnitten

- später als Seitenwände, Laufflächen oder sonstige Reifenteile verwenden

- Art Gummi ummantelt das Gewebe der Reifenkarkasse

- Versch. Gewebesorten: Polyester, Rayon oder Nylon.

2.2 Wulst

- ringförmige Komponente wird als Wulst bezeichnet

- sitzt an der Felge

2.3 Verstärkerkorde

- als nächstes folgen 2 Lagen Kordgewebe

- > wird ein Paar Wulstschutzbänder angebracht

- Nutze: Reifen nicht so schnell zerstört

2.4 Lauffläche

- Stahlgürtel hinzugefügt

- für Durchstichfestigkeit und festen Fahrbahnkontakt der Lauffläche

- zum Abschluss: Lauffläche auf den Reifen

- durch Walzen alle Teile fest zusammengepresst

- Reifen bereit für Vulkanisation

- 15 Prozent der Reifen: aus Stahl, Rayon oder Nylon aus

2.5 Heizvorgang
- Heizpresse verleiht Reifen endgültige Form und Profil

- in Backformen wird Reifen vulkanisiert

- erhält Profil, die Seitenwandmarkierungen des Herstellers und gesetzlich vorgeschriebenen Angaben

- Reifen je nach Grösse 12 bis 25 Minuten bei über 2150-200° C +22 bar druck vulkanisiert



- unterste Lage \"Innenschicht\"

- absolut luftdicht

- Darüber \"Textilcord\", (stabile Kunststofffäden mit einer dünnen Kautschukschicht verbunden)

- Pro Reifen fast tausend Meter Faden

- dann Kern und Apex

-

-

- 80 Meter Stahldraht zu Ringen gewickelt, von einer Gummischicht namens Apex umwickelt und dann am Rand der Innenschicht befestigt

- Parallel Bestandteile des Gürtels produziert

- trägt eine Schicht aus verwobenen Stahlfäden


- 850 Meter

- oben nur eine geringe Anzahl von Stoffen in Wirklichkeit ca. 200






3. Naturkautschuk und Ruß

- Im Regenwald Brasiliens fing vor 170 Jahren alles an.

- 75% der Weltproduktion für Reifenherstellung vorgesehen

- zweiter wichtiger Rohstoff ist Ruß

- > höhere Abriebfestigkeit und Stabilität auch schwarze Farbe

- Latexmilch aus Gummibaum

- Kautschuk ist im Milchsaft von tropischen Pflanzen enthalten

- wird hauptsächlich aus dem Kautschukbaum gewonnen

- zugabe von Säuren (meist Essigs./ Ameisens./ Oxals.) > ausklumpen von Eiweiß

- in kleinen Becher gewaschen >trocknet das klebrige Sekret dann und wird klumpig

- besitzt bereits die Konsistenz von Gummi

- in 200 °C heißen Ofen

- >Vorvulkanisation um Kautschuk in industriell nutzbares Gummi zu wandeln

- als dünne Felle Ballen nach Europa

- besteht aus langen Polyisopren-Ketten

- durch Zusatz von Schwefel unter Druck und Hitze vernetzt werden können

- > sehr elastische Material entsteht

- dieser Vulkanisierung genannte Vorgang wurde 1839 von Charles Goodyear entdeckt

- (Laut Archäologen des MIT kannten mittelamerikanische Ureinwohnern das Erhitzen von Kautschuk mit Schwefel allerdings schon vor 3600 Jahren.)

- Besonderheit extrem dehnbar ist (Elastomer)


- Chem. 5


- (Bild 1)




4. Eigenschaften
- Gummi nicht unbegrenzt lagerfähig

- Radiergummis, Dichtgummis und Gummiringe nach einiger Zeit spröde und reißen bzw. radieren nicht

- alte Autoreifen große Gefahr weil können platzen

- "Alterungserscheinungen" von Gummi beruhen vor allem auf Umwelteinflüssen

- z.B. Luftschadstoffe wie Ozon, Kombination aus UV-Licht und Sauerstoff, Dauernässe + Kontakt mit reaktiven Metallen (z.B. Kupfer, Silber)

- Risse besonders an mechanisch belasteten Stellen

- zum Schutz meist Antioxidantien oder Oberflächenbeschichtungen zugefügt

- Luftdicht, trocken, kühl und dunkel aufbewahrtes Gummi zersetzt sich bei korrekter Herstellung kaum

- ABER fürt Alterung zur Verhärtung durch fortschreitende Vernetzung der Molekülstränge

- verbreitete Vorstellung das Reifen \"austrocknen\" ist falsch

- Gummi aufgrund der Molekülvernetzung nicht schmelzbar

- bei Überhitzung zersetzt es sich zu einer klebrigen Masse

- Naturgummi nicht sonderlich hitzebeständig; schon bei nur 60°C verliert es nach wenigen Stunden an Festigkeit

- Andererseits gibt Umgebungswärme dem Gummi überhaupt erst Kraft zu kontrahieren

- da es als Elastomer aus ihr seine Energie bezieht.

- (Z.B. ziehen sich bei Kälte verschrumpelte Luftballons erst dann zusammen, wenn man sie mit der warmen Hand berührt.)

- bei großer Kälte (bei Naturgummi ca. -40°C) gefriert Gummi glashart

- bricht bei Belastung spröde

- verträgt keine lang andauernde starke Dehnung oder Punktbelastung

- da es sonst seine Kraft verliert und an Erschöpfung stirbt (Materialermüdung)

- (Gegenstände aus Gummifolie dürfen nicht überkreuz gefaltet gelagert werden

- da an kreuzförmig geknickten Stellen Löcher entstehen

- zu starke Dehnung führt zu Verformung

- Angerissenes oder -geschnittenes Gummi reißt bei Dehnung extrem leicht

- In kritischen Anwendungen muss es daher ständig auf Einrisse kontrolliert, oder das Weiterreissen durch konstruktive Maßnahmen verhindert werden (z.B. Textilkaschierung von Schlauchboot-Material, Aufbau von Bungee-Seilen aus vielen Einzelsträngen).



5. Vom Naturkautschuk zum Gummi

5.1 Geschichte
- 1839 von Charles Goodyear erfunden

- Zugabe von Schwefel, Zinkoxid (früher Bleioxid) und Terpentin entstand formbare, stabile Masse

- Später wurde bei Temperatur von ca. 130°C aus klebrigen, noch ohne richtigen Verbund zusammengefügten Teilen ein fertiger Gummi




5.2 Die Chemie des Kautschuks

- Isopren chem. Name Methylbutadien Grundgerüst des Naturkautschuks

- verzweigten Kohlenwasserstoffkette (ungesättigt d.h. zwei Doppelbindungen besitzt kann polymerisieren (Bild)

- von Einfachbindung zusammen gehalten >können umeinander verdreht werden während Doppelbindungen fixiert sind

- bei Polymerisation können beide/ nur eine Doppelbindung verbraucht werden

- > das Polyisopren bekommt vier Isomere: cis-1,4-Polyisopren, trans-1,4-Polyisopren, 1,2-Polyisopren und 3,4-Polyisopren.


- (Bild 2)

- bei ersteren brechen beide Doppelbindungen auf

- klappen teilweise zur Mitte hin & bilden andererseits die Polymerisationseinfach- bindungen

- beiden letzteren Isomere verbrauchen nur eine Doppelbindung, die in die Polymerisationskette einfließt

- theoretisch könnte andere Doppelbindung in eine andere Kette integriert werden

- da all diese Isoprene vom 1 Monomer Methylbutadien stammen, glaubt man, dass Polyisopren kein homogenen Stoff, sondern ehr 1 Mischung aus allen Isomeren

- (z.B. nur cis-1,4-Polyisopren oder andere; Bilder unten) (Bild 3) (Bild 4)

- Synthesekautschuk Styrol (aus Benzol und Ethen unter Abgabe eines Wasserstoffmoleküls) und Butadien als Grundmolekül

- > durch Polymerisation durch Aufbrechen und Umlagern von Doppelbindungen

- Kautschuk nicht so gute mechanische Eigenschaften wie Naturkautschuk

(Bild 5)

- Tabelle zeigt andere

5.3 Andere Synthesekautschuke und ihre Eigenschaften

- darum wird Kautschuk vor Vulkanisieren viele Zusatzstoffen zugemischt

- wegen Eigenschaften

- Reifen hat verschiedene Kautschuke (Naturkautschuk und etliche Synthesekautsschuke)

- optimalen Kautschuk wird es wohl nie geben

5.4 Vulkanisieren - eine Zustandsänderung
- durch Zugabe von Säuren wird aus Latex-Milch feste aber verformbare Masse

- Chemisch durch polymeris. einzelne, freibewegliche Moleküle (Butadien und Co) zu langen Ketten

- Kohlenstoffketten haben Längen zw. 50 und 350 Atome

- trotzdem noch relativ frei beweglich, da keine Bindungen zw. ihnen gibt

- Masse ist plastisch

- Ketten können unter äußerer Einwirkung (z.B. Druck) aneinander entlang fließen

- sind aber (wegen elektro-statischer Anziehung) ein Festkörper

- Gesucht ist anderer Zustand: Gummi soll elastisch sein: Form stabil & einfedern kann (Bild 6)

- darum müssen Ketten untereinander über chemische Brücken verbunden werden

- Schwefel dafür am besten eignet

- Schwefel (in natürlichen festen Form S8-Molekül) wird als Pulver dem Kautschuk untergemischt

- Um Schwefelmolekülringe aufzubrechen & zwischen die Kautschukketten einzulagern, wird viel Energie benötigt

- Deshalb Vulkanisation> Übergang vom plastischen zum elastischen Zustand

- effektiv erst bei Temperaturen um 150ºC und Druck

- Untersuchungen ergaben, dass die Schwefelringe auf- und teilweise auch zerbrechen

- Lagern sich zwischen in Kohlenstoffketten und Doppelbindungen an

Ketten können bei äußerer Einwirkung nicht mehr aneinander vorbei fließen Bild 7