Forschung & Entwicklung

PKW- und LKW-Reifen gehören zu den Elastomerformteilen, die den höchsten Sicherheitsanforderungen genügen müssen. Sie werden im täglichen Einsatz hochdynamisch und komplex belastet. Die Ablauffläche im System Reifen spielt dabei eine besondere Rolle. Sie ist die einzige Verbindung zwischen dem Fahrzeug und der Fahrbahn. Ihre Eigenschaften definieren das Verhalten des Fahrzeuges während Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen sowie dessen Fahrstabilität. Die Schnittstelle Reifenlauffläche/ Untergrund realsiert die Kraftübertragung zwischen Fahrzeug und Fahrbahn. Haft- und Rollreibung sind also notwendig, treiben aber unabdingbar den Verschleißprozess. Die Mikro- und Makrorauhigkeit der Fahrbahn sowie fahrbahntypische Partikel, wie z. B. Steine haben lokale dynamische Auswirkungen auf die Lauffläche des Reifens. Gleich ob es sich um Beschleunigen, Bremsen, Kurven- oder Geradeausfahrt sowie plötzliche Schädigungsereignisse durch Fremdkörper auf der Fahrbahn handelt, all diese Prozesse konditionieren die  Reifenlauffläche und bewirken durch Ermüdung Mikrorisse und Abrieb. Das Abriebverhalten eines Reifens ist natürlich besonders wichtig für den Verbraucher, weil ein Reifen mit größerem Abriebwiderstand eine höhere Lebensdauer aufweist. Das Abriebverhalten des Reifens genau zu ermitteln ist z. Zt. verlässlich nur durch den Test der kompletten Räder entweder indoor auf Reifentesttrommeln oder outdoor durch Testfahrten im Gelände möglich. Diese Test sind zeit- und materialaufwändig. Die gemessenen Kennwerte beziehen sich nur auf exakt den getesten Reifentyp. Diese Tests haben daher einen nur sehr geringen Bezug zu den Materialkennwerten und können deshalb nur eingeschränkt zur Material- und Produktentwicklung beitragen.

Reifen bestehen aus mehreren Schichten unterschiedlicher Kautschukmischungen. Unter den dynamischen Betriebsbedingungen der Reifen entwickeln sich Mikrorisse (Rissinitiierung) in den einzelnen Schichten, die kontinuierlich wachsen. Ein bruchmechanischer Kennwert ist die Rissausbreitungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Belastung. Das Risswachstum in den einzelnen Schichten wird wiederum beeinflusst durch die benachbarten Schichten des Materialaufbaus. Je nach Vernetzung der Schichten an ihren Schnittstellen wachsen die Risse ineinander, kommt es zum Stoppen des  Risses an der Schnittstelle  oder es kommt auch  zur Delamination zwischen den Schichten.

Aufgrund der dynamisch gepulsten Belastung des Reifens kann jedes außergewöhnlich auftretende  Impactereignis eine Reifenschädigung verursachen. Im vorliegenden Forschungsvorhaben unterliegt das Eindringen von Fremdkörpern (Nägel, Schrauben, Drahtstücke, Glasscherben u. ä.) in Lauffläche oder Seitenwand des Reifens der näheren Betrachtung. Solche Reifenschädigungen können im einfachen Fall zur Veränderung des Fahrverhaltens (langsamer Druckverlust im Reifen) und im kritischen Fall zum Spontanausfall (plötzliches Bersten des Reifens) und damit. sogar zum Unfall des Fahrzeuges mit schwerwiegenden Folgen führen. Die besondere Komplexität der Forschungsarbeiten ergibt sich aus den viskoelastischen Eigenschaften der Elastomerwerkstoffe. Je nach Verformbarkeit der Elastomermaterialien können Fremdkörper mehr oder weniger leicht in die Oberfläche eindringen.

Aus der Sicht der Kautschukmischungsentwicklung spielen aktive Füllstoffe wie etwa Ruß oder Silika die wesentliche Rolle für den Widerstand des Gummis gegen das Eindringen von Fremdkörpern. Der Eindringwiderstand hängt von der Polymer-Füllstoff und Füllstoff-Füllstoff Wechselwirkung ab.

Die Größe des  Einflusses dieser Wechselwirkung auf den Eindringwiderstand gegen Fremdkörper zu bestimmen, ist Ziel des Projektes.

Am Ende ihrer Lebensdauer werden Elastomerbauteile im Sinne der Wertstoffverwertung ihrer Weiterverwendung zugeführt.

Wegen der abnehmenden Ressourcenverfügbarkeit, des erhöhten Umweltbewusstseins und unter Kostengesichtspunkten gewinnen zunehmend Gummipartikel (GP) zur Wiederverwendung in Kautschukmischungen für Neuprodukte an Bedeutung. Sie werden in unterschiedlichen Prozessen der Wertstofftrennung durch Zerkleinern und Vermahlen aus Altgummi hergestellt, wobei Altreifen die mengenmäßig größte Fraktion darstellen.

Stand der Technik ist das down cycling von Gummi, weil die technischen und mechanischen Eigenschaften der unter Beimischung der Recyclate erzeugten Neuprodukte weniger hochwertig sind als die Kautschukmischung ohne Beimengung. Grund dafür ist die Degeneration der Qualität der Kautschukmischungen, die durch die Beigabe von Gummimehl modifiziert werden. Die Abb. zeigt die prinzipielle Darstellung des Prozesses.

Die Graphik zeigt den qualitativen Einfuß auf E-Modul, Bruchdehnung und Bruchspannung aufgetragen über dem Volumenanteil der Gummimehlbeimischung einer Sorte auf eine Kautschukmischung.
 

Da einerseits der größte Anteil des Altgummis aus Altreifen stammt und andererseits der größte Bedarf an Gummi aus der Reifenherstellung kommt, liegt es nahe, Verfahren zur Herstellung, Verarbeitung und Beimischung von Gummipartikel zu entwickeln, die die gleiche wenn nicht sogar bessere mechanische Eigenschaften des Entproduktes Reifen zu gewährleisten.