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Dokumentenidentifikation DE69709919T2 22.08.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0900138
Titel WÄRMEISOLIERENDE TEXTILFASER
Anmelder The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London, GB
Erfinder RUSSELL, Derrick Arthur, Colchester, Essex CO2 7SS, GB;
ELTON, Stuart Frederick, Colchester, Essex CO2 7SS, GB;
CONGALTON, David, Colchester, Essex CO2 7SS, GB
Vertreter Beetz & Partner, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69709919
Vertragsstaaten BE, DE, FI, FR, IE, IT, NL, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 07.04.1997
EP-Aktenzeichen 979156130
WO-Anmeldetag 07.04.1997
PCT-Aktenzeichen PCT/GB97/00966
WO-Veröffentlichungsnummer 0009742026
WO-Veröffentlichungsdatum 13.11.1997
EP-Offenlegungsdatum 10.03.1999
EP date of grant 09.01.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.08.2002
IPC-Hauptklasse B32B 5/04
IPC-Nebenklasse B32B 5/26   A41D 31/02   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein wärmeisolierendes Gewebe und insbesondere ein wärmeisolierendes Gewebe, bei dem sich der Grad der Isolation als Reaktion auf eine Veränderung der Umgebungstemperatur automatisch verändert.

Der durch derzeit erhältliche Schutzkleidung, bei der wärmeisolierende Gewebe zum Einschließen von Luftschichten verwendet werden, gebotene Wärmeschutz kann durch variieren der eingeschlossenen Luftmenge verändert werden. Dies kann erreicht werden, indem der Träger Schichten von Kleidungsstücken hinzufügt oder ablegt. Hierzu muß der Träger jedoch entweder mehrere Kleidungsstücke oder ein Kleidungsstück tragen, das so beschaffen ist, daß es ihn vor der größten anzunehmenden Veränderung der Umgebungstemperatur schützt. Da Wärmeschutzbekleidung dazu neigt, voluminös zu sein, besteht bei beiden Lösungen die Wahrscheinlichkeit, daß sie sich für den Träger als lästig erweisen. Zudem kann der Träger beispielsweise in Situationen, in denen die Möglichkeit eines Feuers oder die Gefahr bestehen, Kälte ausgesetzt zu werden, durch das Tragen von Bekleidung, die Schutz vor der größtmöglichen Veränderung der Umgebungstemperatur bietet, bei einem Ausbleiben dieser Situationen einer Wärmebelastung ausgesetzt sein.

Als Alternative zur Steigerung der Anzahl der Bekleidungsschichten zum Erreichen eines gesteigerten Wärmeschutzes kann der Luftspalt zwischen zwei Schichten eines Kleidungsstücks vergrößert werden. Damit kann durch die Herstellung eines Kleidungsstücks, bei dem der Luftspalt verändert werden kann, ein verstellbarer Wärmeschutz erzielt werden. Ein bekannter Stoff, der zur Erzeugung eines derartigen Kleidungsstücks mit verstellbarem Luftspalt verwendet werden kann, ist in der GB 2 234 705 A beschrieben und umfaßt ein Material mit zwei parallelen Materialschichten, zwischen denen Fasern angeordnet sind, deren Höhe durch Herbeiführen einer relativen Bewegung der Schichten manuell verstellt werden kann. Diese Lösung erfordert zum Verändern der Wärmeisolierung ein Ziehen an der einen oder der anderen Schicht durch den Benutzer, beispielsweise durch Schließen und Öffnen von Zwickeln, und hat den Nachteil, daß der Träger seine Tätigkeit unterbrechen muß, um die Bekleidung einzustellen, und daß der Träger möglicherweise nicht schnell genug auf rasche Veränderungen der Umgebung reagiert, um einen rechtzeitigen Wärmeschutz zu erhalten.

Erfindungsgemäß wird ein Gewebe mit einem Laminat aus zwei Materialschichten geschaffen, zwischen denen eine temperaturempfindliche, sich ausdehnende Schicht angeordnet ist, wobei die sich ausdehnende Schicht eine Zusammensetzung mit Formgedächtnis aufweist, die zu einem derartigen Zusammenwirken mit den Materialschichten geeignet ist, daß der Spalt zwischen diesen bei einer Abweichung der Gewebetemperatur von einer vorgegebenen Temperatur in einer gewünschten Richtung automatisch verändert wird.

Da sich das Volumen des Gewebes automatisch verändert, verändern sich daher die Wärmeisolationseigenschaften des Gewebes, wobei sie bei einer Steigerung des Volumens zum Einschließen von mehr Luft zunehmen und bei einer Verringerung des Volumens zum Einschließen von weniger Luft abnehmen. Dies hat den Vorteil, daß die unter Verwendung dieses Gewebes hergestellte Bekleidung dazu geeignet ist, dem. Träger einen veränderlichen Wärmeschutz zu bieten, ohne daß der Träger die Anzahl der Kleidungsstücke verändern muß, die er trägt, oder manuell Veränderungen am Luftspalt vornehmen muß.

Zusammensetzungen mit einem sogenannten "Formgedächtnis" sind allgemein bekannt (beispielsweise aus "Plastics Engineering" vom Februar 1995, Seiten 29-31; "Properties and Applications of Polyurethane-Series Shape Memory Polymer", Seiten 1998-2001, ANTEO '94 und "The Properties and Processing of Shape Memory Alloys...", AD-Bd. 24/AMD-Bd. 123; "Smart Structures and Materials Avionics Society of Mechanical Engineering" (ASME), 1991) und haben die Eigenschaft, daß sie in zwei Festphasen existieren können, so daß sie bei bestimmten Temperaturen primär in der einen oder der anderen Phase vorliegen. Diese Zusammensetzungen können beispielsweise durch Aufbringen einer Beschichtung auf ein flexibles Substrat, wie eine Gewebeschicht, das die Innenfläche der Gewebehülle bilden kann, oder durch Einbringen von Fasern aus derartigen Zusammensetzungen in das Geflecht einer Gewebeschicht in ein Gewebe eingefügt und entweder für einen reversiblen oder für einen irreversiblen Prozeß verwendet werden.

Bei dem reversiblen Prozeß wird hauptsächlich die Eigenschaft dieser Zusammensetzungen ausgenutzt, daß mit der Umstellung zwischen den Phasen eine bestimmte Volumenveränderung verbunden ist, wogegen der irreversible Prozeß hauptsächlich die Eigenschaft des "Formgedächtnisses" dieser Zusammensetzungen nutzt, bei dem eine in einer Phase bei einer bestimmten Temperatur eingebaute Form bei einer vorgegebenen Temperatur in der zweiten Phase in eine andere Form umgewandelt wird, die nur wieder hergestellt wird, wenn die Zusammensetzung in die ursprüngliche, bestimmte Temperatur zurückversetzt wird. Daher ist durch eine derartige Auswahl des Volumens der Form, daß es bei der bestimmten Temperatur erheblich größer als bei der vorgegebenen Temperatur ist, ein Gewebe, in dem eine derartige Zusammensetzung enthalten ist, für eine irreversible Volumensteigerung bei einem Wechsel von der vorgegebenen Temperatur auf die bestimmte Temperatur geeignet.

Bei einer reversiblen Verwendung, beispielsweise bei einer Abscheidung auf einem flexiblen Substrat, wie einer Stoff-, einer- Kunststoff oder einer Kautschukschicht, zur Erzeugung von Ausbuchtungen aus einer Ebene in dem Substrat bei einer Abnahme des spezifischen Volumens der Zusammensetzung darf die Veränderung des spezifischen Volumens der Zusammensetzung mit Formgedächtnis nicht mehr als wenige Prozent betragen. Vorzugsweise ist daher der Aufbau des Gewebes aus der Zusammensetzung und dem Substrat so gefertigt, daß diese Veränderung vergrößert wird. Dies kann durch eine derartige Auswahl des Musters der auf das Substrat aufgebrachten Zusammensetzung mit Formgedächtnis erreicht werden, daß ein mehrfacher Effekt erzeugt wird, beispielsweise durch die Verwendung mehrerer konzentrischer Ringe in einem sich wiederholenden Muster.

Zweckmäßiger Weise kann eine weitere Verbesserung dieses Mehrfacheffekts durch die Herstellung eines Gewebes mit einem oder mehreren Paaren derartiger gemusterter flexibler Substrate erreicht werden, die so angeordnet sind, daß die Ausbuchtungen jedes Substrats eines Paars einander gegenüberliegen. Als Alternative zur Verwendung derartiger Muster kann ein gefaltetes Substrat erzeugt werden, das beispielsweise in Leporellofalzung oder spiralförmig gefaltet sein kann, wobei auf Teile des Substrats die Zusammensetzung mit Formgedächtnis aufgebracht ist und diese Teile derart ausgewählt sind, daß sich das gefaltete Substrat entfaltet, wenn sich das spezifische Volumen der Zusammensetzung mit Formgedächtnis verringert. Wenn sich das Substrat entfaltet, wird die Größe des Querschnitts des Gewebes gesteigert, wodurch seine Wärmeisolationswirkung gesteigert wird.

Für Fachleute ist offensichtlich, daß durch eine geeignete Wahl der Abschnitte, auf denen die Zusammensetzung abgeschieden wird, durch eine Steigerung des Volumens der Zusammensetzung eine Faltung des Substrats erzielt werden kann. Reversible Anordnungen, wie die in diesem Absatz besprochenen, haben den Vorteil, daß bei einer Änderung der Temperatur von einer vorgegebenen. Temperatur, die typischer Weise in etwa zwischen 20º und 40ºC liegt, eine Volumensteigerung des Verbundstoffs mit Formgedächtnis um einen von der Temperaturveränderung abhängigen Betrag in einer gewünschten Richtung auftreten kann, die das Gewebe mit einer veränderlichen Wärmeisolation ausstattet, die sich umkehrt, wenn sich die Temperatur des Gewebes zu der vorgegebenen Temperatur zurück bewegt.

Das Gewebe kann alternativ so gefertigt sein, daß es einer irreversiblen Veränderung der Wärmeisolierung unterzogen wird, und es können Substrate, die den für reversibel arbeitende Gewebe verwendeten im wesentlichen ähnlich sind, d. h. verflochtene oder gefaltete, flexible Substrate mit Abscheidungen oder Mustern, verwendet werden. Diese Substrate sind so gefertigt, daß sie eine Steigerung der Wärmeisolation des Gewebes bieten, indem sie bei einer Temperatur, bei der eine Wärmeisolation erforderlich ist, zum Schutz vor hohen Temperaturen beispielsweise bei ca. 60ºC oder einer höheren Verarbeitungstemperatur, zu einem Gefüge mit großem Volumen umgeformt werden, wobei nach einer geeigneten Kühlung zur Verringerung des Volumens eine Spannung aufgebracht wird, beispielsweise durch Komprimieren oder Falten des ursprünglichen Gefüges, und die Spannung bei einer vorgegebenen Temperatur, die typischer Weise zwischen ca. 20º und 40ºC liegt, fixiert wird. Derartige Textilien haben gegenüber Textilien, die so beschaffen sind, daß sie reversiblen Veränderungen der Wärmeisolierung unterzogen werden, den Vorteil, daß große, gehaltene Spannungen gelöst werden können. Dadurch werden eine erheblichere Volumenveränderung in dem Gewebe und damit eine größere Veränderung des von derartigen Textilien gebotenen Wärmeschutzes erreicht. Dies ist für die Verwendung bei der Herstellung von Wärmeschutzbekleidung besonders geeignet, da derartige Kleidungsstücke automatisch auf große und rasche Temperaturveränderungen reagieren können müssen.

Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in den beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen:

die Fig. 1 schematische Darstellungen eines erfindungsgemäßen Gewebes mit einer sich ausdehnenden Schicht, die eine auf einem Gewebesubstrats abgeschiedene Zusammensetzung mit Formgedächtnis umfaßt, wobei a) eine Draufsicht des Gewebesubstrats ist, b) eine Schnittansicht durch das Gewebe bei 20ºC ist und c) eine Schnittansicht durch das Gewebe bei 0ºC ist;

die Fig. 2 schematische Darstellungen eines Gewebes gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, das für eine irreversible Veränderung geeignet ist, wobei a) das Gewebe bei 20ºC und b) das Gewebe bei 70ºC zeigen; und

die Fig. 3 schematische Darstellungen eines erfindungsgemäßen Gewebes mit einer sich ausdehnenden Schicht, die eine Legierung mit Formgedächtnis enthält, das in das Geflecht eines Gewebesubstrats eingearbeitet ist, wobei a) eine Draufsicht des Gewebesubstrats, b) eine Schnittansicht durch das Gewebe bei 20ºC und c) eine Schnittansicht durch das Gewebe bei 70ºC zeigen.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die sich ausdehnende Schicht 1 des Gewebes 2 zwei Gewebesubstrate 3a, b, auf die in einem sich wiederholenden Muster ein Polymer mit Formgedächtnis auf Polyurethanbasis aufgebracht wurde. Das Polymer wurde so ausgewählt, daß es bei ca. 0ºC eine reversible Phasenveränderung in eine Phase mit einem verringerten spezifischen Volumen aufweist, wobei für Fachleute offensichtlich ist, daß eine Reihe geeigneter Polymere existiert, die das hier genannte ersetzen können. Ein derartiges Gewebesubstrat 3 ist in Fig. 1a gezeigt und mit einem aufgedruckten Muster aus konzentrischen Kreisen 4 aus dem Polymer versehen, die sich um Mittelpunkte C wiederholen. Diese Kreise 4 werden bei ca. 20ºC aufgedruckt und werden bei einer geeigneten Aufrechterhaltung des Gleichgewichts bei dieser Temperatur eben gefertigt, beispielsweise durch Aufbringen von Druck durch ablösbares Papier bei einer Bügeltemperatur von ca. 110ºC. Das in den Fig. 1b und, 1c gezeigte Gewebe 2 umfaßt zwei Stoffschichten 15, 15' mit zwei dazwischen angeordneten Stoffsubstraten 3a, b. Die Substrate 3a, b sind so aufeinander abgestimmt, daß die Ausbuchtungen 6, 6', die bei einer Phasenänderung auf jedem Substrat auftreten, einander gegenüberliegen. Diese Abstimmung kann aufrechterhalten werden, indem die Schichten 3a, b, 15, 15' des Gewebes 2 an den Kanten zusammengenäht werden.

Da das Gewebe gemäß Fig. 1 die Volumenänderung des Polymers mit Formgedächtnis zum Erreichen einer Veränderung der Wärmeisolationseigenschaften des Gewebes nutzt, sind die Veränderungen dann reversibel.

Eine Variante des Gewebes gemäß den Fig. 1 wäre die Auswahl eines Polyurethanpolymers mit Formgedächtnis, das bei höheren Temperaturen, beispielsweise bei ca. 70ºC, eine Phasenveränderung aufweist, um ein Gewebe herzustellen, daß für einen Wärmeschutz bei höheren Temperaturen geeignet ist.

Ein Gewebe 7, das so ausgebildet ist, daß es einer irreversiblen Steigerung der Wärmeisolierung unterzogen wird, ist in den Fig. 2 gezeigt. Die sich ausdehnende Schicht umfaßt eine Reihe von Stoffstreifen 8a, ..., n, auf die ein Polyurethanpolymer mit Formgedächtnis aufgebracht wurde. Die Streifen 8a, ..., n sind so ausgebildet, daß sie einzelne Spulen oder "Federn" bilden, die erzeugt und bei 70ºC in ausgedehntem Zustand ins Gleichgewicht gebracht werden. Diese spannungsfreien Strukturen 8a, ..., n werden dann aufgerollt, so daß sie die in Fig. 2a gezeigten kompakten Querschnitte aufweisen, und die aufgebrachte Spannung wird bei 20ºC fixiert. Ein Ende jeder dieser kompakten Spulen 8a, ..., n wird dann durch das Geflecht einer der Stoffschichten 25, 25' geschlauft und durch Ul- traschallpunktschweißen befestigt. Die Spulen 8a, ..., n bilden über im wesentlichen die gesamte Fläche einer der Stoffschichten 25, 25 eine sich ausdehnende Schicht.

Wird das Gewebe 7 einer Temperatur von 70ºC ausgesetzt, reagiert die sich ausdehnende Schicht irreversibel damit, daß die Spulen 8a, ..., n ihren ursprünglichen ausgedehnten Zustand wieder einnehmen, wodurch sie die Stoffschichten 25, 25' auseinander drücken, wie in Fig. 2b gezeigt.

Es ist offensichtlich, daß durch Ersetzen der beschichteten Stoffstreifen durch aufgerollte "Federn" aus geeigneten Metallen mit Formgedächtnis, wie Nickel-Titan-Legierungen, eine ähnliche Wirkung erzielt werden kann.

Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gewebes 9 ist in den Fig. 3 gezeigt. Die sich ausdehnende Schicht umfaßt ein Stoffsubstrat 10, auf den in einem Gittermuster Drähte 11 aus einer Nickel-Titan-Legierung mit Formgedächtnis mit einer Rückhaltespannung von 4% befestigt wurden. Die Drähte werden auf dem Stoffsubstrat 10 befestigt, indem an ihren Kreuzungspunkten ein Klebstoff aufgebracht wird. Eine Anzahl dieser Substrate 10a, ..., n; die so ausgewählt ist, daß sie die gewünschte Änderung der Wärmeisolierung herbeiführen kann, wird zwischen zwei Stoffschichten 35, 35' geschichtet, um die sich ausdehnende Schicht des Gewebes 9 zu erzeugen, die bei 20ºC im wesentlichen flach ist (Fig. 3b). Wenn die Temperatur des Gewebes von der vorgegebenen Temperatur zu einer höheren Temperatur verschoben wird, falten sich die Substrate 10a, ... n dieser sich ausdehnenden Schicht, wodurch der Spalt zwischen den Schichten 35, 35' ausgedehnt wird, wie in Fig. 3c schematisch dargestellt.

Für Fachleute ist offensichtlich, daß abhängig von den gewünschten Eigenschaften der aus dem Gewebe herzustellenden Kleidungsstücke jedes geeignet flexible Material als Ersatz verwendet werden kann, obwohl bei den vorstehend beschriebenen Beispielen Stoffsubstrate und -schichten verwendet werden.


Anspruch[de]

1. Gewebe mit einem Laminat aus zwei Materialschichten, zwischen denen eine temperaturempfindliche, sich ausdehnende Schicht angeordnet ist, wobei die sich ausdehnende Schicht eine Zusammensetzung mit Formgedächtnis umfaßt, die zum derartigen Zusammenwirken mit den Stoffschichten geeignet ist, daß der Spalt zwischen ihnen bei einer Veränderung der Gewebetemperatur aus einer vorgegebenen Temperatur automatisch in einer vorgegebenen Richtung verändert wird.

2. Gewebe nach Anspruch 1, bei dem die sich ausdehnende Schicht zusätzlich ein flexibles Substrat umfaßt, auf das die Zusammensetzung mit Formgedächtnis aufgebracht wird.

3. Gewebe nach Anspruch 2, bei dem sich das flexible Substrat bei der vorgegebenen Temperatur in einem gefalteten Zustand befindet, wobei die Zusammensetzung mit Formgedächtnis derart mit ihm in Kontakt steht, daß sie zum Veranlassen einer Entfaltung des Substrats bei einem Abweichen von der vorgegebenen Temperatur geeignet ist.

4. Gewebe nach Anspruch 2, bei dem die Zusammensetzung mit Formgedächtnis derart als Abscheidung auf dem flexiblen Substrat ausgebildet ist, daß aus einer Ebene Ausbuchtungen gebildet werden, wenn das spezifische Volumen der Zusammensetzung abnimmt.

5. Gewebe nach Anspruch 4, bei dem die Zusammensetzung mit Formgedächtnis so auf das flexible Substrat aufgebracht wird, daß mehrere konzentrisch angeordnete Kreise in einem sich wiederholenden Muster gebildet werden.

6. Gewebe nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem zusätzlich eines oder mehrere mit einer im wesentlichen ähnlichen Zusammensetzung beschichtete flexible Substrate vorgesehen sind, wobei die Substrate paarweise so angeordnet sind, daß die Ausbuchtungen eines Substrats eines Paars denen des anderen Substrats des Paars gegenüberliegen.

7. Gewebe nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem entweder das flexible Substrat oder die Materialschichten oder beide einen Stoff umfassen.

8. Gewebe nach Anspruch 2, bei dem die sich ausdehnende Schicht eine oder mehrere flexible Substrate mit Fasern aus einer Zusammensetzung mit Formgedächtnis umfaßt, die mit diesen in Kontakt stehen.

9. Gewebe nach Anspruch 8, bei dem die Fasern im Geflecht eines oder mehrerer der Stoffsubstrate enthalten sind.

10. Gewebe nach Anspruch 9, bei dem die Zusammensetzung mit Formgedächtnis die Form von Drähten aus einer Legierung mit Formgedächtnis aufweist.

11. Gewebe nach Anspruch 10, bei dem die Drähte Legierungen aus Nickel und Titan umfassen.

12. Gewebe nach Anspruch 8, bei dem die Fasern Drähte aus einer Legierung mit Formgedächtnis in Form eines Gitters umfassen, das mit der Oberfläche eines oder mehrerer der flexiblen Substrate in Kontakt steht.

13. Gewebe nach Anspruch 1, bei dem die sich ausdehnende Schicht mehrere Drähte mit Formgedächtnis umfaßt, die jeweils so beschaffen sind, daß sie sich bei einer Abweichung von einer vorgegebenen Temperatur aus einer aufgespulten Konfiguration in eine abgespulte Konfiguration bewegen.







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