Mit steigenden Umweltauflagen in der Automobilindustrie steigen auch die Anforderungen an kraftstoffeffizientere Reifen. 
Bildquelle: Nick Langer/Adobe Stock

Mit steigenden Umweltauflagen in der Automobilindustrie steigen auch die Anforderungen an kraftstoffeffizientere Reifen.
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In den Bereichen Energie- und Ressourcenschonung steht die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz von Fahrzeugen in den letzten Jahren im Fokus der Forschung. Verschiedene Maßnahmen wie Motoroptimierung, Metallersatz durch Kunststoffe zur Gewichtsreduzierung und die Entwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen wurden konsequent umgesetzt.
Eine weitere vielversprechende Maßnahme zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz ist das Reduzieren des Rollwiderstands der Reifen. Dieser trägt etwa 10 Prozent zum gesamten Kraftstoffverbrauch bei. Das mögliche Einsparpotential ist damit hoch.

Rollwiderstand als Schlüssel für mehr Effizienz

Vor diesem Hintergrund wurden viele Anstrengungen unternommen, um neue Materialien zu entwickeln, die den Rollwiderstand von Reifen reduzieren. In letzter Zeit wird beispielsweise in den Reifenlaufflächen anstelle von Ruß feine Kieselsäure (Silika) verwendet, welche die Balance zwischen Kraftstoffeinsparung und Bremsleistung auf nasser Fahrbahn drastisch verbessern kann. Reifen mit einer mit Kieselsäure gefüllten Lauffläche werden in den letzten Jahren häufig verwendet. Durch lebendige anionische Polymerisation hergestellter lösungspolymerisierter Styrol-Butadien-Kautschuk (S-SBR) wird aufgrund seiner Fähigkeit, den Rollwiderstand von Reifen zu reduzieren, häufig in Kieselsäure-Reifenlaufflächen eingesetzt.
Hauptanforderungen an das Reifenprofil sind ein niedriger Rollwiderstand, Nasshaftung und Abriebfestigkeit. Diese drei Eigenschaften stehen in einem Konfliktverhältnis zueinander, und werden häufig als „magisches Dreieck“ bezeichnet. Durch SBR können diese Eigenschaften verbessert werden.

E-SBR und S-SBR schaffen Flexibilität

Mit Emulsion SBR (E-SBR) und Lösungs-SBR (S-SBR) werden zwei verschiedene SBR-Typen für

Reifenlaufflächen verwendet. Die grundlegenden Eigenschaften dieser beiden Typen sind in Tabelle 1 dargestellt. Der entscheidende Vorteil von S-SBR ist seine

Flexibilität beim Polymerdesign. So kann beispielsweise der Styrolgehalt von S-SBR bis zu einem Level von 90 Prozent und der Vinylgehalt zu bis zu 80 Prozent gesteuert werden. Darüber hinaus sind die Polymerstruktur und die Molekulargewichtsverteilung von S-SBR leicht zu kontrollieren. Ein weiterer Vorteil von S-SBR ist, dass eine funktionelle Gruppe einfach hinzugefügt werden kann. In den 1970er Jahren berichtete Uraneck bereits über die Funktionalisierungstechnologie für SBR mit Zinn. Seitdem wurde ein beachtlicher Umfang an Studien über funktionalisierten SBR veröffentlicht. Im Gegensatz dazu ist für die Funktionalisierung von E-SBR ein drittes Monomer notwendig, was seine Funktionalisierung im Vergleich zu S-SBR erheblich erschwert.

Abb. 1: Vergleich zwischen kontinuierlichem und Batch-Polymerisationsprozess von SB.
Bildquelle:  Asahi Kasei

Abb. 1: Vergleich zwischen kontinuierlichem und Batch-Polymerisationsprozess von SB.
Bildquelle: Asahi Kasei

Der Herstellungsprozess von S-SBR kann in zwei Prozesse unterteilt werden, einem kontinuierlichen Polymerisationsprozess und einem Batch-Polymerisationsprozess. Im Vergleich zur Batch-Polymerisation weist der kontinuierlich polymerisierte SBR eine breitere Molekulargewichtsverteilung auf, und enthält sowohl hoch- als auch niedermolekulare Komponenten. Die hochmolekulare Komponente trägt zum verbesserten Fahrverhalten und zur Abriebfestigkeit von Reifen bei. Die niedermolekulare Komponente führt zu einer verbesserten Verarbeitbarkeit, weist jedoch eine Vielzahl von molekularen Endgruppen auf, die Energieverluste verursachen und den kontinuierlich polymerisierten SBR damit ungeeignet für die Verbesserung des Rollwiderstands machen. Im

Gegensatz dazu weist ein im Batch-Verfahren polymerisierter SBR aufgrund seiner engen Molekulargewichtsverteilung einen hervorragenden Rollwiderstand auf (Abb. 1). Bislang hat Asahi Kasei verschiedene SBR-Funktionalisierungstechnologien entwickelt. In diesem Artikel werden die Eigenschaften des beidseitig funktionalisiertem SBR der neuen 5. Generation vorgestellt.

Funktionalisiertes S-SBR

Für diesen Vergleich wurden drei Arten von SBRs, Asahi Kaseis E581, F3420 und der neuen, 5. Generation SBR-Generation verwendet. E581 ist ein hochmolekularer SBR-Typ mit einer funktionellen Gruppe, die mit Kieselsäure interagiert. F3420 ist ein SBR mit einer funktionellen Gruppe, die chemisch mit Kieselsäure reagiert. Beide sind SBRs, die nur an einem Ende der Polymerkette funktionalisiert sind. Der neue SBR der 5. Generation des Kautschukherstellers ist ein beidseitig funktionalisierter SBR, der durch die weitere Hinzuführung einer mit Kieselsäure interagierenden funktionellen Gruppe am noch nicht funktionalisierten Ende von E581 entwickelt wurde.
Diese drei funktionalisierten SBRs wurden mit Kieselsäure auf der Grundlage der in Tabelle 2 beschriebenen Formulierung compoundiert. Es wurde ein zweistufiges Mischverfahren angewendet. Die viskoelastischen Eigenschaften (tan 50 δ, tan 0 δ) wurden bei einer Frequenz von 10Hz im Torsionsmodus des ARES-G2 von TA Instruments gemessen. Der Temperaturdurchlauftest wurde bei 1 Hz gemessen. Die Zugeigenschaften wurden nach ISO-37, die Verschleißfestigkeit wurde mit dem FPS-Abriebprüfgerät gemessen.

Abb. 2: Messung des Payne Effekts der Mischungen.
Bildquelle:  Asahi Kasei

Abb. 2: Messung des Payne Effekts der Mischungen.
Bildquelle: Asahi Kasei

Neue SBR-Generation mit besten Testergebnissen

Der Rollwiderstand (tan 50 δ) des neuen SBR der 5. Generation erzielte im Vergleich mit E581 eine Verbesserung um 30 Prozent, bei gleichzeitiger Beibehaltung der Nasshaftung. Im Vergleich zum einseitig funktionalisierten F3420 weist der neue SBR einen um 10 Prozent geringeren Rollwiderstand auf. Des Weiteren ist der Payne-Effekt der neuen SBR-Mischung am niedrigsten, was auf eine bessere Kieselsäuredispersion hinweist (Abb. 2). Diese bessere Dispersion wird durch die stärkere Polymer-Füllstoff-Interaktion der funktionellen Gruppen an beiden Enden der Polymerkette erreicht.

Gute Verarbeitbarkeit

Während die Zugeigenschaften des SBR der 5. Generation dem hochmolekularen Typ E581 unterlegen sind, entsprechen sie denen von F 3420. Im Allgemeinen führt die Einführung von funktionalen Gruppen zu einer schlechteren Verarbeitbarkeit. Die Mooney-Viskosität (Compound ML) des SBR der 5. Generation entspricht jedoch der von F3420 und es ist keine signifikante Verschlechterung der Verarbeitbarkeit zu beobachten, da an beiden Enden eine funktionelle Gruppe eingeführt wurde (Abb. 3). Der SBR der 5. Generation weist eine starke funktionalisierende Gruppe auf, die wie F3420 an einem Polymerende mit Kieselsäure reagiert. Das andere Ende ist mit einer funktionellen Gruppe modifiziert, die mit Kieselsäure nur interagiert. Es wird davon ausgegangen, dass diese Struktur eine Verschlechterung der Verarbeitbarkeit verhindert.

Abb. 3: Eigenschaften des Gummi-Kieselsäure-Vulkanisats; 
EB: elongation at break, M300: tensile strength at 300% strain, 
HS: Hardness, ML: Mooney viscosity
Bildquelle:  Asahi Kasei

Abb. 3: Eigenschaften des Gummi-Kieselsäure-Vulkanisats;
EB: elongation at break, M300: tensile strength at 300% strain,
HS: Hardness, ML: Mooney viscosity
Bildquelle: Asahi Kasei

Die Tan δ Kurve ist in Abb. 4 dargestellt. Der SBR der 5. Generation zeigt einen höheren tan δ peak im Vergleich zu E581. Dieses Ergebnis zeigt, dass es mehr flexible Polymerkomponenten gibt, die Energie aufnehmen können. Da die Ergebnisse des oben beschriebenen Payne-Effekts darauf hindeuten, dass der SBR der 5. Generation eine bessere Kieselsäure-Dispersion aufweist als E581, kann davon ausgegangen werden, dass weniger starre Komponenten im Kieselsäure-Netzwerk eingeschlossen sind (eingeschlossener Kautschuk, occludded rubber). Der Grund für den höheren tan δ peak des SBR der 5.

Abb. 4: Tan δ Kurve
Bildquelle:  Asahi Kasei

Abb. 4: Tan δ Kurve
Bildquelle: Asahi Kasei

 

Generation liegt ebenfalls in der geringeren Menge des von eingeschlossenem und von Kieselsäure umgebenem Kautschuk, und der erwähnten größeren Anzahl von flexiblen Polymerkomponenten. Im Vergleich zu F3420 ist der tan δ peak des SBR der 5. Generation niedriger, was normalerweise auf mehr eingeschlossenen Kautschuk und eine schlechtere Kieselsäuredispersion hinweist. Jedoch impliziert der oben beschriebene kleinere Payne-Effekt eine bessere Kieselsäuredispersion. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Kieselsäuredispersion des Compounds gut ist, die Polymere jedoch aufgrund der Funktionalisierung, die die Polymerkette mit dem Füllstoff verbindet, weniger flexibel sind. Aus diesem Verhalten ergibt sich das bessere Gleichgewicht von Rollwiderstand (tan 50 δ) und Nasshaftung (tan 0 δ) in der Verbindung des neuen SBR. Die Verschleißfestigkeit ist in Abbildung 5 dargestellt. Der SBR der 5. Generation zeigt eine verbesserte Abriebfestigkeit im Vergleich zu F 3420 und entspricht der des hochmolekularen E581-SBR. Es zeigt sich, dass die beidseitige Funktionalisierung zu einer besseren Verschleißfestigkeit führt.

Abb. 5: Verschleißfestigkeit (je höher desto besser)
Bildquelle:  Asahi Kasei

Abb. 5: Verschleißfestigkeit (je höher desto besser)
Bildquelle: Asahi Kasei

Rollwiderstand und Nasshaftung

Asahi Kaseis SBR der 5. Generation wurde durch die Einführung funktioneller Gruppen an beiden Polymerenden entwickelt. Dies führte zu einer besseren Interaktion mit Kieselsäure. Diese starke Wechselwirkung ermöglicht eine bessere Kieselsäuredispersion in Kieselsäure-Compounds, was bei gleichbleibender Verarbeitbarkeit zu einer ausgezeichneten Balance zwischen Rollwiderstand und Nasshaftung, sowie einer besseren Verschleißfestigkeit führt.

Tire Technology Expo 2019 Stand C420

Über den Autor

Chigusa Yamada

Manager, Synthetic Rubber Division
Asahi Kasei Europe