Liquid Rubber kann die 
Performance von Reifen steigern.
Bildquelle: Artur Marciniec – Adobe-Stock.com

Liquid Rubber kann die
Performance von Reifen steigern.
Bildquelle: Artur Marciniec – Adobe-Stock.com

Bei der Herstellung von Reifen sind flüssige Rohstoffe bisher vor allem als Verarbeitungshilfe in Form von Prozessölen üblich. Mit einem Anteil von bis zu 15 Prozent dienen sie als Weichmacher und verbessern die Verarbeitungseigenschaften. Allerdings verschlechtern sich die Performance sowie sicherheitsrelevante Eigenschaften. Daher gehen viele Reifenhersteller dazu über, flüssige Polybutadiene, sogenannte Liquid Butadiene Rubbers (LBRs) als Alternative einzusetzen. Aufgrund ihrer chemischen Struktur können LBRs während der Vulkanisation reaktiv eingebunden werden und bilden so feste, permanente (kovalente) chemische Bindungen. Das verhindert das Risiko der Stoffmigration, was die Versprödung der Reifen verzögert und deren Qualität länger aufrechterhält. Der Fahrer nutzt den Reifen somit länger und schont gleichzeitig die Umwelt.
Neben den nachhaltigen Aspekten verbessert der Einsatz von LBRs wichtige Leistungskriterien, wie etwa die Haftung auf Schnee und Eis. Für die Herstellung selbst ergeben sich durch den Einsatz von LBRs weiterhin Vorteile im Mischprozess, denn sie senken die Viskosität in den ersten Mischschritten und beeinflussen die mechanischen Eigenschaften positiv. Die hieraus resultierenden Vorteile erlauben eine optimale Abstimmung der Gummimischungen auf die jeweiligen Bedürfnisse.

Funktionalisierte Polybutadiene zeigen nachweislich mehr Performance

Der deutsche Spezialchemiekonzern Evonik Industries steht seit Jahren für effiziente Produktlösungen im Bereich der LBRs und setzt nun einen neuen Trend in der Herstellung flüssiger Rohstoffe: den Einsatz Silan-funktionalisierter Polybutadiene als Spezialadditive für die Gummiherstellung. Die neue Technologie, basierend auf Polyvest ST, verbindet die bereits positiven Eigenschaften der klassischen LBRs mit noch höherer Performance. Bei dem funktionalisierten Polybutadien handelt es sich um ein flüssiges Polybutadien mit endständigen Silangruppen. Das Produkt wird typischerweise in der Lauffläche eingesetzt und unterstützt in Silica gefüllten Reifen die Verteilung des Füllstoffs in der Gummimatrix. Eingesetzt als Additiv, verbessert es die bereits sehr guten Eigenschaften des Silica/Silan Systems weiter und erlaubt einen noch niedrigeren Rollwiderstand und Abrieb.

Grafik 1: Verbesserte Kraftstoffeffizienz, wie durch den Verlustfaktor bei 60°C angegeben.*
Bildquelle: Evonik Industries

Grafik 1: Verbesserte Kraftstoffeffizienz, wie durch den Verlustfaktor bei 60°C angegeben.*
Bildquelle: Evonik Industries

Chemisch betrachtet, verbinden sich die endständigen Silangruppen mit der Oberfläche der hydrophilen Silicapartikel, während die hydrophobe Polymerkette eine ausgezeichnete Kompatibilität mit der Gummimatrix gewährleistet. Die Optimierung der Kompatibilität von Füllstoff und Gummi verbessert wichtige Kerneigenschaften wie den Rollwiderstand und verringert den Abrieb. Die Reduzierung des Rollwiderstands wirkt sich wiederum positiv auf den Energieverbrauch aus, verbessert die Reichweite von Elektrofahrzeugen und senkt die Freisetzung des klimaschädlichen Kohlenstoffdioxids.
Umfangreiche Labortests von Evonik haben gezeigt, dass der Einsatz des neuen Produkts typische Indikatoren wie den tan d (60°C) (Grafik 1) und Abrieb deutlich reduziert. Diese positiven Effekte treten dabei umso deutlicher hervor je größer der Anteil des Füllstoffs ist. Auch der Einsatz von Naturkautschuk, als Haupt- oder Teilkomponente, in Verbindung mit dem Polybutadien wirkt sich positiv aus. Neben den Vorteilen der Performance ergeben sich durch den Einsatz funktionalisierter flüssiger Polybutadiene auch handfeste Vorteile für den Compounder, besonders die partielle Substitution von Öl, die Altersbeständigkeit sowie die Verlängerung der Scorch Zeit.

Modular aufgebautes Dosiersystem

Der Anlagenbauer Zeppelin Systems hat in seinem Technikum die Dosierung und das Einspritzverhalten von Polyvest ST mit der Technikumsanlage für Liquid Dosing umfangreich untersucht. Das modular aufgebaute Zeppelin Liquid Dosing System dosiert die unterschiedlichsten Flüssigkeiten wie Öle, Wachse und chemische Additive sehr präzise. Die Flüssigkeiten werden in Tanks, IBC’s, Fässern oder Vorratsbehälter, teilweise temperiert, bereitgestellt. Beim Befüllen des Dosierzylinders wird sorgfältig darauf geachtet, dass der Zylinder das Medium kavitationsfrei aufnehmen kann. Nach dem Füllvorgang erfolgt der sogenannte Air Check: Der Zylinder überprüft, ob beim Befüllen keine Luft in der Flüssigkeit eingeschlossen ist, indem das Medium komprimiert wird. Anschließend erfolgt die Feindosierung. Eine Online-Dichtemessung in der Ringleitung sorgt hierbei für eine präzise Bestimmung der Mediumsdichte. Beim anschließenden Einspritzvorgang wird das Medium über das Einspritzventil in einen Behälter auf einer hoch aufgelösten Waage injiziert. Somit kann die Menge, die später im Mischer ankommt grammgenau verwogen und Abweichungen sofort festgestellt werden.

Grafik 2: Reduzierter Payne-Effekt, wie durch RPA-Dehnungsdurchlauf bei 60°C gezeigt.*
Bildquelle: Evonik Industries

Grafik 2: Reduzierter Payne-Effekt, wie durch RPA-Dehnungsdurchlauf bei 60°C gezeigt.*
Bildquelle: Evonik Industries

Ein fester Bestandteil jedes Liquid Dosing Versuchs im Technikum sind cpk-Tests bei verschiedenen Einstellparametern. Diese geben aussagekräftige Ergebnisse über die Genauigkeit und die Wiederholgenauigkeit des Systems bei verschiedenen Sollgewichten. Das flüssige Polybutadien erzielte durchweg sehr gute cpk-Ergebnisse >5 bei 5 kg, 10 kg und 20 kg. Die Versuche zeigten, dass es möglich ist, das Medium präzise zu dosieren und problemlos in den Mischer einzuspritzen. Die größte Herausforderung stellte die hohe Viskosität von ca. 2.500 bis 3.000 mPas bei niedrigen Temperaturen um die 45°C dar. Über nur ein einziges Einspritzventil konnten Durchsätze von bis zu 90 l/min erreicht werden.

Das Dosiersystem entscheidet über die Produktqualität

Im Rahmen eines typischen Mischprozesses von Gummi steht der Produzent gleich vor mehreren Herausforderungen: Zum einen muss er zunächst viele verschiedene Rohstoffe so vermischen, dass sie in kürzester Zeit, in der richtigen Reihenfolge, sicher und schnell entsprechend der Spezifikation die gewünschte Qualität ergeben. Zum anderen muss er darauf achten, dass die verschiedenen Produktionslinien der unterschiedlichen Compounds produktiv sind, um seine Kosten im Rahmen zu halten. Dies stellt hohe Anforderungen an die technischen Möglichkeiten der Anlage. Die Einbringung von flüssigen Rohstoffen mittels Ölwaagen und Pumpen stellt besondere Anforderungen und beeinflusst den Mischprozess maßgebend. Dabei sind das exakte Dosieren und dass Timing der Prozessöle oder funktionaler Flüssigkeiten besonders wichtig. Flüssige Polybutadiene bieten große Vorteile für die Eigenschaften der Gummimischung, stellen aber nicht nur aufgrund ihrer teilweise hohen Viskosität hohe Anforderungen an die Dosier- und Einspritzanlage. Hochpolymere Flüssigkeiten zeigen neben hoher Viskosität auch besondere rheologische Eigenschaften, die eine präzise und schnelle Handhabung erschweren. Die sichere Handhabung gelingt besonders gut mit geschlossenen Systemen.
Weil die Anforderungen an Gummi-Compoundsysteme stetig steigen und funktionale Additive oder LBR’s in immer größeren Mengen eingesetzt werden, hat der Anlagenbauer Zeppelin Systems dafür eigens eine innovative Lösung entwickelt, die diesen Anforderungen gerecht wird: das Liquid Dosing System. Das vollautomatische und geschlossene System besitzt ein besonderes Einspritzventil, ein volumetrisches Dosiersystem, das die exakte Dosierung der flüssigen Rohstoffe garantiert und für gleichbleibende Eigenschaften der Compounds sorgt. Dies erhöht die Reproduzierbarkeit und verringert im Vergleich zu herkömmlichen Systemen die Notwendigkeit der Überdosierung um Eigenschaften sicher zu erreichen und spart damit erhebliche Mengen an teuren Additiven ein.

Technikum-Testaufbau im Industriemaßstab: vorbereitet für die Tests mit dem flüssigen, silan-funktionalisierten Polybutadien.
Bildquelle: Zeppelin Systems

Technikum-Testaufbau im Industriemaßstab: vorbereitet für die Tests mit dem flüssigen, silan-funktionalisierten Polybutadien.
Bildquelle: Zeppelin Systems

Vermischungsfrei bis zu sechs Flüssigkeiten einspritzen

Über ein Einspritzventil am Mischer können (nacheinander) nahezu vermischungsfrei bis zu sechs Flüssigkeiten eingespritzt werden – mit niedriger und hoher Viskosität. Die Konstruktion schließt eine Rückvermischung aus. Die Flüssigkeiten befinden sich dabei in einem geschlossenen System. Querkontamination oder der Kontakt der Mitarbeiter mit den Flüssigkeiten oder deren Aerosolen können dabei ausgeschlossen werden. Dies bietet dem Anwender eine sehr hohe Sicherheit im Prozess und schützt ihn gleichzeitig vor Aerosolen in seiner Arbeitsumgebung. Darüber hinaus sorgen das schnelle Dosieren sowie die Möglichkeit der präzisen Zufuhr der Flüssigkeiten dafür, dass sich die Mischzeiten verkürzen. Pro Mischvorgang können dabei bis zu vier Sekunden eingespart und bis zu 20 weitere Chargen pro Tag eingeplant werden. Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit bei gleichzeitiger Verbesserung der Mischgüte und Reproduzierbarkeit der Rezeptur.
Ist ein leistungsfähiges Liquid Dosing System vorhanden, können auch mit Füllstoff stabilisierte flüssige Additive, mitunter als Dry-Liquid bezeichnet, als reine Flüssigkeiten ohne Trägerstoff oder Wachse in geschmolzener Form eingesetzt und das System erweitert werden. Dies reduziert die Kosten für die Chemikalien signifikant und vermeidet zusätzlich Entsorgungskosten durch die Einsparung der Gebindeverpackungen. Damit setzt der Anlagenbauer einmal mehr einen Akzent in Richtung Optimierung von Prozessen und Kundenzufriedenheit. Der Technologieführer bietet interessierten Industriebetrieben Startpakete an, um ihnen die Möglichkeit zu geben, das neue Produkt im Livebetrieb zu testen. Das Starterpaket beinhaltet vier Module, die mit jedem Mischer kompatibel sind. Per Plug-and-Play lässt sich das System schnell und einfach installieren, damit es beweisen kann, was es verspricht: eine schnelle, sichere und absolut exakte Dosierung.

*Standard Green Tire Recipe:
Reference: S-SBR (oil extended) 96.3phr; BR 30phr; Silica (Ultrasil 7000 GR) 90phr, Sulfur-silane(Si 266); 6.53phr ; Sulfur 2.0phr;
Compound 1: Polyvest EP ST-E 60 0.0phr, Process oil (TDAE) 8.75phr;
Compound 2: Polyvest EP ST-E 60 5.0phr, Process oil (TDAE) 8.75phr;
Compound 3: Polyvest EP ST-E 60 5.0phr, Process oil (TDAE) 3.75phr

Über die Autoren

Guido Veit

Vice President Projects,
Zeppelin Systems, Friedrichshafen

Dr. Kai-Steffen Krannig

Technical Marketing
Evonik Industries, Essen