Innovative Lösungen in der Mischungsentwicklung für den PremiumContact 6

Transkript

1 Innovative Lösungen in der Mischungsentwicklung für den PremiumContact 6 Dr. Stefan Torbrügge, Head of Global Tread Compound Development and Contact Friction Physics

2 Technologie Leistungsübersicht Handling 103% Aquaplaning 95% Trockenbremsen 100% Nassbremsen 100% Abrieb 115% Innengeräusch 102% Aussengeräusch 110% Rollwiderstand 105% ContiSportContact 5 PremiumContact 6

3 Technology Leistungsübersicht Lösungsstrategien für die Laufstreifenmischung Handling 103% Aquaplaning 95% Trockenbremsen 100% Nassbremsen 100% Abrieb 115% Innengeräusch 102% ContiSportContact 5 Aussengeräusch 110% PremiumContact 6 Rollwiderstand 105%

4 Technologie Leistungsübersicht Lösungsstrategien für die Laufstreifenmischung Eigenschaft Reifen Mischungsansatz Handling 103% Ähnliche Steifigkeit Trockenbremsen 100% Crystal silica composition Nassbremsen 100% Crystal silica composition Rollwiderstand 105% Base-Mischung Laufleistung 115% Abriebsbeständige Polymere PremiumContact 6 vs ContiSportContact 5

5 Typische Materialien in Laufstreifen für PKW und Leichtransporterreifen Silica Beschleuniger Aktivator Russ Synthetischer Kautschuck Natürlicher Kautschuck Butadienkautschuck Rapsöl Stearinsäure Alterungsschutz Ozonschutzwachse MES Öl Zinkoxid Schwefel Harze

6 Laufstreifenmischungsentwicklung Zielkonflikte Rollwiderstand Was ist die Ursache für Zielkonflikte in der Mischungsentwicklung Mischung Viskoelastische Eigenschaften Von Gummimischungen: Nassgriff Abrieb Hysterese Abriebsbeständigkeit

7 Laufstreifenmischungsentwicklung Zielkonflikt Rollwiderstand Mischung Nassgriff Abrieb

8 Energieverluste in Gummi Hysterese Was passiert wenn ein Material deformiert wird? Elastisches Material Viskoses Material F el Zugeführte Energie Zurückgewonnene Energie Δx = Verlorene Energie = 0 F Zugeführte Energie Zurückgewonnene Energie = 0 Gesamte Energie ist verloren Δx v v

9 Energieverluste in Gummi Hysterese In viskoelastische Materialien wird zugeführte meschanische Energie teilweise gespeichert und teilweise in wärme umgewandelt F Δx Energieeintrag - Energieertrag = Dämpfungsverluste Aufgrund seiner intrinsischen viskosität kehrt Gummi mit zeitlicher Verzögerung in seinen mechanischen Ausgangszustand zurück Energieverlust = Hysterese Die Hysterese einer Gummimischung wird über den Verlustfaktor tan(d) definiert tan(d) wird durch eine dynamischmechanische Analyse bestimmt

10 Energieverluste in Gummi Hysterese In viskoelastischen Materialien wird zugeführte mechanische Energie teilweise gespeichert und teilweise in wärme umgewandelt Nasshaftung Gummideformation während des rutschens auf der Fahrbahn hohe Anregungsfrequenzen F Δx Energieeintrag - Energieertrag = Dämpfungsverluste Last Rollwiderstand Gummideformation im Einlauf des Reifens niedrige Anregungsfrequenzen

11 Verlustfaktor tan(d) Energieverluste in Gummi Zielkonflikt Nassgriff Rollwiderstand 0,8 0,6 0,4 0,2 Entwicklungsziel Standardtechnologie Anregungsfrequenz [Hz] Charakteristische Frequenz Bremsen Hz Rollwiderstand 10 Hz Bremsen und Rollwiderstand weisen unterschiedliche charakteristische Frequenzen auf Die Hysterese einer Mischung wird durch den frequenz- und temperaturabhängigen Verlustfaktor bestimmt

12 Sicherheitsoptimierte Silika-Mischungen Lösungsstrategie für Zielkonflikt schematischer Querschnitt Laufstreifen Cap Einfluß PremiumContact 6 Cap + Base + Profil Base Einfluß Abrieb Abrieb Abrieb Handling RR Handling RR Handling RR Nassbremsen Nassbremsen Nassbremsen Standard PremiumContact 6 RR Rolling Resistance

13 Mischungsentwicklung Beispiel Rollwiderstand- und Griffigkeitsoptimierte Mischungen Welche Mischung würden Sie als rollwiderstandsoptimierte Base einsetzen

14 Laufstreifenmischungsentwicklung Zielkonflikt Rollwiderstand Rollwiderstand steht im Zielkonflikt zu Nassgriff Kann durch die Applikation von Cap + Base entschärft werden Nassgriff Mischung Abrieb Die unterschiedlichen Frequenzbereiche für Rollwiderstand und Bremsen werden in der Entwicklung berücksichtigt

15 Laufstreifenmischungsentwicklung Zielkonflikt Rollwiderstand Mischung Nassgriff Abrieb

16 Reifen- & Gummiabrieb Multiskalenbetrachtung vom Reifen über den Profilklotz bis zur Mischung Abrieb ist eine Überlagerung vielfältiger Phänomene auf unterschiedlichen Größenskalen 1 nm 1 µm 1 mm 1 cm 10 cm 1 m 10 m Polymer Füllstoff Kontakt Konstruktion Reifen Fahrzeug Thermische Stabilität Polymerflexibilität Gummirissbeständigkeit Stress in der Mischung Einflußfaktoren Schlupfgeschwi ndigkeit & - distanz Kräfte in der Aufstandsfläc he Fahrschärfe

17 Sicherheitsoptimierte Silika-Mischungen Low Glass Transition Temperature Technology : Abriebsmechanismen Abrieb durch Kontinuierliche Reibung Beanspruchung Schneidender Abrieb p 0 p 0 p 0 v v v Glatte Oberfläche Fließen des Materials durch Reibungskräfte Klebriger Film, Röllchenbildung Raue polierte Oberfläche Langsames Risswachstum induziert durch kontinuierliche Gummideformation Herauslösen von kleinen Raue scharfkantige Oberfläche Schnelle Rissausbreitung Herausreißen von großen Partikeln Raue Gummioberfläche Gummipartikeln Testtrommeln Weite Fahrstrecken Starke Beanspruchung

18 Sicherheitsoptimierte Silika-Mischungen Low Polymer Glass Transition Temperature Technology = Nanotechnologie Nano-Mechanismus v 1mm 1µm 10nm nano Flexible Polymerketten Glasartige Polymerketten Verbesserung der Rissbeständigkeit auf molekularer Skala und des Abriebsverhaltens durch den Einsatz spezieller Polymere mit niedriger Glasübergangstemperatur T G

19 Steifigkeit E [MPa] Steifigkeit E [MPa] Temperatur- und Frequenzabhängigkeit von Gummi Flexible oder glasartige Polymerketten? Die Steifigkeit E von Gummi variiert als Funktion von hoch Temperatur T Deformationsfrequenz f hoch flexibel glasartig glasartig flexibel niedrig Temperatur T [ C] hoch niedrig Deformationsfrequenz [Hz] hoch

20 Flexible oder glasartige Polymerketten? Temperaturabhängigkeit Sommer- und Wintermischung mit unterschiedlichen Glasübergangstemperaturen Die Proben wurden auf T = -40 C heruntergekühlt

21 Steifigkeit E [MPa] Flexible oder glasartige Polymerketten? Temperaturabhängigkeit Die Steifigkeit E von Gummi variiert als Funktion der Temperatur hoch glasartig flexibel hoch Tg Mischung nedrig Tg Mischung niedrig Temperatur T [ C] hoch

22 Flexible oder glasartige Polymerketten? Frequenzabhängigkeit Testmaterial: Maisstärke(200g) + Wasser (150 ml)

23 Flexible oder glasartige Polymerketten? Frequenzabhängigkeit Testmaterial: Maisstärke(200g) + Wasser (150 ml)

24 Steifigkeit E [MPa] Flexible oder glasartige Polymerketten? Frequenzabhängigkeit Die Steifigkeit E von Gummi variiert als Funktion der Deformationsfrequenz hoch flexibel glasartig hoch Tg Mischung niedrig Tg Mischung niedrig Deformationsfrequenz [Hz] hoch

25 Sicherheitsoptimierte Silika-Mischungen Low Polymer Glass Transition Temperature Technology = Nano Technologie Flexibele Ketten Glasartige Ketten Flexible Polymerketten (= niedrig Tg) brechen nicht unter hoher Dehnung Steife Polymerketten (= hoch Tg) brechen irreversibel unter hoher Dehnung Abbau Polymernetzwerk Abrieb

26 Styrol [%] Design der Polymerstruktur Mikrostruktur Reaktionsschema für Styrol Butadien Rubber (SBR) T g - Abhängigkeit vom Styrol / Vinyl Verhältnis = = 30 Styrol + Butadien = Styrol Butadiene Kautschuck R R 20 SBR 10 Styrol Vinyl Vinyl [%]

27 Sichertsoptimierte Silika-Mischungen Einfluss der Polymerstruktur auf den T g Mikrostruktur Makrostruktur Funktionalisierung Butadien Styrol Vinyl - Gruppe Reaktive - Gruppe

28 Laufstreifenmischungsentwicklung Zielkonflikt Rollwiderstand Abrieb steht im Zielkonflikt zu Nassgriff Abrieb wird durch die Polymermatrix dominiert Nassgriff Mischung Abrieb Der Zielkonflikt kann durch den Einsatz von niedrig Tg polymeren in Verbindung mit Harzen und hohem Füllgrad verbessert werden

29 Laufstreifenmischungsentwicklung Zielkonflikt Rollwiderstand Mischung Nassgriff Verschleiß

30 Verlustfaktor tan(d) Mischungsentwicklung Einfluss des Tg einer Mischung auf Griffigkeit und Rollwiderstand Charakteristische Frequenz Charakteristicche Temperatur Korrespondierende Temperatur bei 10 Hz 0,8 0,6 0,4 0,2 Mischung mit niedrig Tg Polymermatrix Tg Bremsen Hz Tg 40 C 0 C Rollwiderstand 10 Hz 60 C Mischung mit hoch Tg Polymermatrix Temperature [ C] Corresponding frequency [Hz] Tg einer Mischung wird beeinflust durch Polymermatrix Harztyp und -gehalt (Füllgrad) Niedrig Tg Polymermatrix verbessert die Abriebseigenschaften zu Lasten der Griffigkeit

31 Verlustfaktor tan(d) Mischungsentwicklung Ansatz: Hoch Tg Mischung mit niedrig Tg Polymer-Matrix 0,8 0,6 0,4 0,2 niedrig Tg Polymermatrix Anpassung in der Mischung: + Harze + Erhöhter Füllgrad (Crystal silica) Mischungsansatz Tg Tg Mischung mit hohem Tg und niedrig Tg Polymermatrix Temperature [ C] korrespondierende Frequenz [Hz] Niedrig Tg Polymer-Matrix Abriebsbeständigkeit Anpassung des Harzgehaltes und des Füllgrades um den Tg der Mischung einzustellen Griffigkeit

32 Technologie Überblick Komfort der neuesten Generation Komfort der neuesten Generation Kundennutzen Sicherheit ohne Kompromisse Erhöhter Fahrkomfort über die gesamte Lebensdauer Sportliches Fahren mit jedem Auto Technologie Sicherheitsoptimierte Silika-Mischung Komfort-optimierte Kontaktfläche Handling-optimiertes Profildesign Merkmal Kristallartige Silika- Komposition Laufleistungoptimierter Polymer-Mix Gleichmäßige Profilsteifigkeit Weiterentwickeltes Makroblock Design Asymmetrische Umfangsrillengeometrie

33 Mischungsansätze für sicheres Fahren ohne Kompromisse Crystal silica composition Crystal silica composition Polymer Füllstoff Interaktion Höchste qualität und homogenität der Primärpartikel Silica Hervorragende Dispergierbarkeit auch bei sehr hohen Füllgraden Optimierte Oberflächeneigenschaften zur Anbindung an die Polymermatrix durch Silane Silica Primärpartikel Silan zur Kopplung Polymer

34 Mischungsansätze für längeres Fahrvergnügen Abriebsbeständige Polymermischungen Abriebsoptimierte Polymermischung Polymerstruktur Low Polymer Glass Transition Temperature Technologie Speziell entwickelte niedrig Tg Polymermischug mit gezielt engestellter Mikro- und Makrostruktur Verbesserte Anbindung an Crystal Silica Partikel durch Funktionalisierung Butadien Styrol Vinyl-gruppe Reaktive Gruppe

35 Virtuelle Mischungsentwicklung Beispiel Lösen Sie Zielkonflikte auf höchstem Niveau Rollwiderstand Mischung Nassgriff Abrieb

36 Virtuelle Mischungsentwicklung Beispiel Zielkonflikte: Abrieb Griffigkeit Rollwiderstand Mischungsmaßnahmen um Griffigkeit, Rollwiderstand und Abrieb zu beeinflussen: Füllgrad mit Crystal silica SSBR Polymermischung Harzgehalt

37

38 Virtuelle Mischungsentwicklung Beispiel Zielkonflikte: Abrieb Griffigkeit Rollwiderstand Ihre Aufgabe: Entwicklung von drei Mischungen Maximale Griffigkeit Maximale Abriebsbeständigkeit Maximum score of 100 points per compound PremiumContact 6 Mischung

39 Virtuelle Mischungsentwicklung Beispiel Der Gewinner ist

40 Thank you for your attention!

41 WET GRIP Influence of compoud TG better Solution strategy 2) Crystal Silica filler level & Resin worse WEAR better 1) Wear SSBR