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Joe Walter überlegt, wie die Vulkanisations- und Vulkanisationsprozesse von Reifen verbessert werden könnten

Sep 01, 2023Sep 01, 2023

Einer der bahnbrechenden Fortschritte in der Geschichte des Kautschuks war die Entdeckung, dass eine Prise Schwefel, die dem Rohkautschuk zugesetzt und dann auf erhöhte Temperaturen erhitzt wurde, dessen scheinbar unüberwindbare Mängel „heilte“: Sommerklebrigkeit und Winterbrüchigkeit. Dieser irreversible Schwefelhärtungsprozess verwitterte nicht nur Gummi, sondern verbesserte auch seine gesamten physikalischen Eigenschaften durch die Bildung chemischer Vernetzungen oder „dreidimensionaler Schwefelbrücken“ zwischen ineinander verschlungenen langkettigen Makromolekülen. Die Zugabe von mehr Schwefel führte zu mehr Vernetzungen, während der Gummi härter und weniger hysteretisch wurde. Interessanterweise kommt es bei vielen häufigen Phänomenen wie dem Trocknen von Farbe und dem Braten von Eiern zu einer Vernetzung durch andere Mechanismen.

Der Aushärtungsprozess, der zur Kautschuk-Schwefel-Vernetzung führt, wurde später nach Vulkan, dem mythologischen Gott des Feuers, Vulkanisation genannt. Das ursprüngliche Verfahren, das 1839 von Charles Goodyear entdeckt wurde (siehe Tyre Legends, Juli 2016, S. 46), war jedoch zeitaufwändig und langwierig – oft erforderte es die Anwendung von Wärme über vier oder mehr Stunden. Seitdem haben Forscher weltweit mit chemischen Zusätzen in Kombination mit Gummi oder anderen Vulkanisierungsmechanismen experimentiert, die die Aushärtezeiten verkürzen würden. Die Kombination von Chemikalien, die die Vernetzung fördern, wird als Vulkanisationssystem oder „Härtungspaket“ bezeichnet.

Das heutige Vulkanisationspaket für Reifenmischungen besteht aus Schwefel, einem Beschleuniger und einem Aktivator. Schwefel bleibt bei einer Konzentration von 3 Stunden oder weniger das beste Vernetzungsmittel für fast alle Reifenkautschukmischungen – ob natürlich oder synthetisch. Beschleuniger verkürzen die Aushärtezeit, indem sie die Vernetzungsgeschwindigkeit im Vergleich zu allein wirkendem Schwefel erhöhen. Aktivatoren unterstützen den Beschleuniger, indem sie die Vernetzung weiter fördern. Das Härtungspaket wird der unvulkanisierten Masse erst in der letzten oder produktiven Phase des Werksmischens zugesetzt. Vorherige Mischzyklen (zwei oder mehr) werden mit den meisten anderen Compoundierungsbestandteilen durchgeführt, einschließlich Ruß, Kieselsäure, Antioxidantien usw. Die letzte Mischstufe, die die Vulkanisierungsmittel enthält, wird auf eine niedrigere Temperatur (ca. 110 °C) als die vorherigen Stufen (die verarbeitet werden) gesteuert bei höheren Temperaturen), da die Gummimischung „anbrennen“ oder vorzeitig vernetzen könnte. Die Kontrolle des Wärmeverlaufs der Mischung während nachfolgender Fabrikvorgänge wie Extrudieren und Kalandrieren ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung für die Scorch-Sicherheit. Sobald alle Komponenten zusammengebaut sind, kann der Reifen vulkanisiert werden, normalerweise im Temperaturbereich von 145–160 °C für 10–15 Minuten bei einem Autoreifen. Eine deutliche Verkürzung der Vulkanisationszeit (Minuten, nicht Stunden) im Vergleich zu der Zeit von Charles Goodyear.

Der Hauptgrund für diese erhebliche Zeitverkürzung bei der Vulkanisation ist die Entdeckung und Verwendung einer breiten Palette von Beschleunigern. Während elementarer Schwefel seit über 100 Jahren in Reifenmischungen allgegenwärtig ist, gilt dies nicht für Beschleuniger, deren Material sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt hat. Frühe Beschleuniger waren anorganische Metalloxide von Blei oder Zink – meist in hohen Konzentrationen enthalten. Zinkoxid diente auch als Hauptverstärkungsmittel für Reifenmischungen, bis es nach dem Ersten Weltkrieg durch Ruß ersetzt wurde. Der größte Fortschritt bei der Verkürzung der Aushärtungszeit erwies sich jedoch als die Entwicklung organischer Beschleuniger zu Beginn des 20. Jahrhunderts – zunächst Anilin und seine Derivate , Thiocarbanilid, gefolgt von einer Reihe komplizierter (für Ingenieure) synthetisierter Materialien ab den 1920er Jahren. Diese werden in kleinen Mengen verwendet und sind leichter an ihren Abkürzungen wie MBT (ein Thiazol) und CBS (ein Sulfenamid) zu erkennen; Beide wurden vor Jahrzehnten entwickelt und werden auch heute noch eingesetzt. Insgesamt stehen den Compoundeuren inzwischen mehr als 100 Beschleuniger zur Verfügung.

Aktivatoren geben dem Aushärtungssystem den letzten Schub, indem sie bewirken, dass der Beschleuniger effizienter mit Schwefel reagiert und so die Vernetzung fördert. Der „Goldstandard“ unter den Aktivatoren bleibt anorganisches Zinkoxid, normalerweise bei 2–3 phr, und organische Stearinsäure. Bemerkenswert ist, dass Aktivatoren in Abwesenheit eines Beschleunigers die Vernetzungsmenge im Wesentlichen nicht erhöhen können.

Seit ihrer Einführung werden Autoreifen in einem zeit- und arbeitsintensiven Chargenprozess vulkanisiert. Ist es möglich, die Formzeit mit einem neuartigen Vulkanisierungspaket oder Vulkanisierungsverfahren weiter zu verkürzen, ohne die Reifenqualität zu beeinträchtigen? Während sich beispielsweise Vollelektronenstrahlbestrahlung für Reifen nicht als kommerziell realisierbar erwiesen hat, werden Kunststoffe wie PVC üblicherweise in einem kontinuierlichen Prozess mit dieser Methode vernetzt. Sind die Reifenvulkanisierungszyklen jetzt vollständig optimiert?

Illustration: Phil Hackett