Wärmeisolierendes Material, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendung des Materials
Die Erfindung betrifft wärmeisolierendes Material, welches eine Kunststoff-Folie mit einer aufgedampften Metallschicht aufweist, ein Verfahren zu dessen Herstellung, sowie eine Verwendung des Materials.
Es ist schon vor Jahren angeregt worden, wärmeisolierende Materialien der oben angegebenen Art für leichte Bekleidungsstücke, Schutzbekleidungen für Sportleute und dergleichen zu verwenden. Der Personenkreis, der solche Produkte benötigt, war und ist noch immer sehr gross, die erforderlichen Rohprodukte sind ebenfalls seit längerem verfügbar, und es hat auch nicht an Bemühungen gefehlt, brauchbare Materialien dieser Art zu schaffen.
Bisher waren diese Bemühungen jedoch ergebnislos. Es gibt zwar wärmeisolierende Folienmaterialien, die sich für bestimmte, eng begrenzte Zwecke eignen, es fehlt jedoch ein allgemein brauchbares Produkt. Ein Grund hierfür dürfte darin liegen, dass an Materialien dieser Art eine grosse Anzahl von Bedingungen gestellt werden, die sich häufig widersprechen, nämlich geringes Gewicht, kleine Dicke und niedrige Kosten einerseits und Dauerhaftigkeit, Festigkeit und geeignete Textur anderseits.
Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein wärmeisolierendes Material zu schaffen, das allen oben erwähnten Bedingungen genügt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich die obige Aufgabe lösen lässt, wenn man gewisse, bereits verfügbare Materialien in spezieller Weise kombiniert.
Gegenstand der Erfindung ist: a) ein wärmeisolierendes Material, welches eine Kunststoff-Folie mit einer aufgedampften Metallschicht aufweist, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es mindestens eine zweite mit einer aufgedampften Metallschicht versehene Kunststoff-Folie aufweist, wobei die beiden Kunststoff-Folien mit ihren metallisierten Seiten einander zugekehrt sind und zwischen sich eine mit den Metallschichten verbundene Verstärkungseinlage aufweisen, wobei mindestens eine der Kunststoff-Folien eine Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 80000 und 90 000 Angström von über 80 % aufweist.
b) ein Verfahren zur Herstellung eines solchen wärmeisolierenden Materials, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man ausschliesslich auf die Verstärkungseinlage Klebstoff aufbringt und dann die metallisierten Seiten der beiden Kunststoff-Folien an die mit dem Klebstoff überzogenen Seiten der Verstärkungseinlage andrückt, sowie c) die Verwendung des wärmeisolierenden Materials zur Herstellung von Bekleidungen.
Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung enthält ein solches Material zwei dünne Kunststoff-Folien, die zwar selbsttragend sind, sich jedoch bei mässiger Zugbeanspruchung dehnen, und die mit im Vakuum aufgedampften, reflektierenden Metallschichten versehen sind. Mit den einander zugewandten Metallschichten ist eine als Verstärkungseinlage beispielsweise eine Fa seriage oder -matte verklebt. Mindestens eine vorzugsweise, jedoch beide Kunststoff-Folien sollen eine 80 W übersteigende Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 80000 bis 90000 Angström haben. Es ist zweckmässig, wenn die aussen liegenden Oberflächen der Kunststoff-Folien verschleissfest sind bzw. ausgestattet sind.
Die Verstärkungseinlage ist vorteilhafterweise praktisch nicht dehnbar. Hierzu vorzugsweise verwendete Fasern verlaufen im wesentlichen gerade und in verschiedenen Richtungen derart, dass sie auf das Material ausgeübte Zugkräfte sofort aufnehmen und dadurch eine Dehnung des Materials sowie eine dadurch verursachte Beschädigung der Metallisierung der Kunststoff-Folien verhindern. Das Fasermaterial hat vorzugsweise eine hohe Dichte, damit die nötige mechanische Festigkeit gewährleistet ist, die Wärmeleitfähigkeit soll jedoch gering sein. Zweckmässig kann die Lage aus Verstärkungsfasern aus einem offenen, lockeren Netzwerk solcher Fasern bestehen, wobei das Fasernetzwerk praktisch eben ist und die Abstände zwischen benachbarten Fa sern beträchtlich grösser sind als der Durchmesser der Fasern. Geeignete Fasern sind beispielsweise Glasfasern.
Das wärmeisolierende Material ist vorzugsweise so ausgebildet, dass als Verstärkungseinlage dienende Fasern zweckmässig auf den der Kunststoff-Folien zugewandten Seiten mindestens über den grössten Teil ihrer Länge mittels dünner Klebeschichten mit den Metallschichten verbunden sind. Die Kunststoff-Folien können sich örtlich um die aussen liegenden Teile der Faser Profile krümmen und sich an diese anschmiegen, so dass die Aussenflächen der Kunststoff-Folien verformt werden und zwischen den Metallschichten ein isolierender Luftzwischenraum verbleibt, der zweckmässig nicht grösser ist als angenähert der Durchmesser der Fasern.
Jede Faser kann aus einem Bündel aus monofilen Elementarfäden bestehen. Aufgabe der Fasern ist es vorzugsweise: erstens die Kunststoff-Folien im Abstand voneinander zu halten und einen isolierenden Luft- zwischenraum zu bilden, zweitens längere Wärmeleitungswege von der einen Kunststoff-Folie durch die Faser zur anderen Kunststoff-Folie zu gewährleisten und drittens die verhältnismässig schlaffen Kunststoff-Folien zu versteifen. Der Aussenfläche der Kunststoff-Folie kann ausserdem durch ein örtliches Anschmiegen der Kunststoff-Folien an den angeklebten Faserbündeln eine gewisse Textur verliehen werden, die dem Material einen angenehmeren Griff verleiht.
Die Kunststoff-Folie stellt einen abriebfesten, dauerhaften Träger und Schutz für die Metallschichten dar und ist gleichzeitig in der Lage, praktisch die ganze Infrarotstrahlung vom menschlichen Körper zur inneren reflektierenden Metallschicht und die reflektierende Strahlung zurück zum Körper zu übertragen. Die einzelnen Kunststoff-Folien können, obwohl sie dünn und für sich allein ziemlich dehnbar sein können, in den Bereichen zwischen den vorzugsweise als Verstärkungseinlage dienenden Fasern selbsttragend sein, so dass das ganze Produkt verstärkt wird und ein Träger für die
Metallschicht zur Verfügung steht.
Bei der Herstellung des vorliegenden wärmeisolie renden Materials kann eine dünne Verstärkungseinlage, beispielsweise eine Fasermatte mit Klebstoff überzogen und die metallisierten Oberflächen der Kunststoff-Folien dann unter mässigem Druck, z. B. mittels Formwalzen, gegen die entgegengesetzten Seiten der Verstärkungseinlage gedrückt werden. Es wird zweckmässig nur so viel Kleber verwendet, dass die Verstärkungseinlage beim Anpressen gerade an den Metallflächen haften. Da also in diesem Falle kein überschüssiger Kleber vorhanden ist, der beispielsweise von den Fasern abge quetscht werden kann, bleiben die übrigen Teile der Metallschichten in den Bereichen zwischen den Faserbündeln getrennt, haften also dort nicht aneinander, sondern bilden isolierende Luftzellen.
Die Luftzellen können zur Verbesserung der Isolation vergrössert werden, indem man eine oder beide Folien nach dem Aufbringen der Metallschicht mit Eindrückungen versieht, z. B. mittels einer Prägewalze.
Für das wärmeisolierende Material sind beispielsweise Polyäthylenfolien, die im Vakuum mit Aluminium bedampft worden sind, gut geeignet. Eine solche Kunststoff-Folie hat, wie gewünscht, im fernen Infrarot, also im Wellenlängenbereich zwischen etwa 8 und 9 ,um, was dem Strahlungsmaximum bei der Temperatur des menschlichen Körpers entspricht, eine Durchlässigkeit, die 80 % übersteigt, wobei gleichzeitig das Reflexionsvermögen der Kunststoff-Metall-Grenzfläche sowie der anderen Metalloberfläche für die von der Kunststoff Folie durchgelassene Infrarotstrahlung sehr hoch ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel des wäfmeisolieren- den Materials, das sich für Verwendungszwecke eignet, bei denen es nicht auf besonders geringe Dicke ankommt, enthält der Kleber einen nicht brennbaren Polyurethanschaum, der zwischen den Schichten gebildet ist und diese miteinander und der verstärkenden Fasermatte verbindet. Dieser Schaum hat vorzugsweise eine geringe Dichte, die in der Grössenordnung von 48 kg/m3 und darunter liegt. Die Schaumschicht weist zweckmässig eine geringe Dicke, z. B. 3 mm, auf.
Das vorliegende wärmeisolierende Material hat beispielsweise wegen des hohen Reflexionsvermögens (und damit geringen Abstrahlungsvermögens) der Metallschichten auf den Innenflächen der Kunststoff-Folien eine aussergewöhnlich geringe Durchlässigkeit für Wärmestrahlung. Ausserdem hat das Material, falls es eine Polyurethanschaumschicht enthält, wegen deren gefinger Wärmeleitzahl und wegen der schlecht wärmeleitenden Fasern und den Luftzellen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit K von Materialien gemäss den bevorzugten Ausführungsbeispielen beträgt nur etwa 13,5 kcal/h m2 C m. Die scheinbare Wärmeleitzahl K ist bei einem wärmeisolierenden Material der vorliegenden Art zweckmässig kleiner als
19,2 keal/h m2 Cm.
Das vorliegende wärmeleitende Material eignet sich für viele Zwecke und wird erfindungsgemäss für Textilien verwendet, dabei ist es insbesondere für Decken und Bekleidungsstücke geeignet.
Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen wärmeisolierenden Materials werden nachfolgend näher erläutert:
Beispiel I
Als Aussenschichten wurden zwei 25 ,um dicke Polyäthylenfolien mit einer hochreflektierenden, im Vakuum aufgedampften Aluminiumschicht verwendet. Die Aluminiumschichten sind für sichbares Licht praktisch undurchlässig und haben einen elektrischen Flächenwiderstand von ungefähr 1 Ohm. Eine Glasfasermatte, deren einzelne Fasern aus einem Bündel von Elementarfäden bestanden, und jeweils einen Durchmesser von etwa 65 ,um hatten, und die eine nicht gewebte Gitterund Netzstruktur aufwiesen, in dem die geradlinigen Fasern ein etwa rechteckiges Muster bildeten, wurde an der einen Metallschicht angeordnet.
Anschliessend wurde ein geeignetes Polyurethanvorpolymerisat zwischen den Schichten verteilt und in bekannter Weise geschäumt (siehe z. B. USA-Patentschrift Nummer 3172 072). Der Polyurethanschaum hatte eine Dichte von ungefähr 48 kg/m3 und die Polyurethanschicht war ungefähr 3,2 mm dick. Das Produkt hatte an beiden Seiten eine Absorptionszahl unter 0,2 und eine scheinbare Wärmeleitfähigkeit K von 13,5 kcal/ h m2 C m, die auf eine noch zu beschreibende Weise gemessen wurde.
Beispiel 2
Das Material dieses Beispiels entspricht dem des Beispiels 1 mit der Ausnahme, dass kein Polyurethanschaum verwendet wurde, und die Glasfasermatte statt dessen mittels einer dünnen Kleberschicht, die vor der Bildung der Schichtstruktur auf die Fasermatte aufgebracht worden war, mit den beiden Metallschichten verklebt wurde. Die beiden Folien wurden dabei nur mit der Fasermatte, nicht jedoch miteinander verklebt.
Die Fasermatte bildete daher Lufteinschlüsse zwischen den beiden Metallschichten. Dieses Material hatte eine scheinbare Wärmeleitfähigkeit K von 9,6 kcal/ hm20 Cm
Bei dem obigen Beispiel enthielt die Fasermatte etwa 2,4 Fasern pro cm und der Durchmesser der Fasern betrug etwa 38 ,um. Dieses Material liess sich gut nähen und zu Bekleidungsstücken verarbeiten, seine Reissfestigkeit war aussergewöhnlich hoch.
Das Material dieses Beispiels wurde vorzugsweise während der Vereinigung der metallisierten Folien mit der Fasermatte geprägt oder genoppt. Hierdurch wurde der Griff, d. h. die Oberflächenbeschaffenheit des zusammengesetzten Materials verbessert, ohne dass dabei die ausgezeichnete Wärmeisolierfähigkeit oder Festigkeit litt.
Beispiel 3
Das Material dieses Beispiels entsprach dem des Beispiels 2 mit der Ausnahme, dass als Kunststoff-Folie eine etwa 6,3 ,um dicke Polyesterfolie (Polyäthylenterephthalat) verwendet wurde. Die Infrarotdurchlässigkeit von Polyester war nicht so gut wie die von Poly äthylen. Die metallisierte Oberfläche der Folie hatte jedoch ungefähr dasselbe Reflexionsvermögen und dieselbe Absorptionszahi wie die Metallschicht der Poly äthylenfolie. Die scheinbare Wärmeleitfähigkeit K dieses Produktes betrug etwa 23 kcayh mB O C m.
Die bei den obigen Beispielen angegebene Wärmeleitfähigkeit K wurde mittels eines einfachen Kalorimetertestes ermittelt, bei dem ein Teil des menschlichen Körpers, z. B. eine Hand, nachgebildet und die Wärmeisolierfähigkeit eines Produktes gegenüber einer kalten Umgebung gemessen wurde. Als Wärmespeicher diente ein Aluminiumblock mit den Abmessungen 153 x 83,3 x 19 mm. In diesem Block befand sich ein elektrisches Heizelement. Die Oberfläche des Blockes war mit schwarzem Filz überzogen, um die Absorptionszahl des menschlichen Körpers nachzubilden, die etwa 0,95 beträgt. Die Temperatur der Filzoberfläche wurde mittels eines Thermoelementes gemessen. Aus dem zu prüfenden Material wurde eine um den Block passende und diesen einschliessende Hülle hergestellt.
Der mit der Hülle umgebene Aluminiumblock wurde dann in einem Kühlschrank mittels dünner Glasfäden aufgehängt, um eine Wärmeableitung zu den Wänden des Kühlschrankes zu verhindern. Das Innere des Kühlschrankes hielt man auf einer konstanten, bekannten Temperatur.
Bei der Messung wurde die Temperatur im Kühlschrank und die Temperatur der Oberfläche der Wärmequelle gemessen. Die Heizung stellt man so ein, dass die Oberflächentemperatur entsprechend der Temperatur des menschlichen Körpers etwa 370 C betrug.
Man mass die elektrische Leitung, die erforderlich war, um den Wärmespeicher auf dieser Temperatur zu halten.
Aus dem bekannten Wärmegradienten zwischen dem Aluminiumblock und der Atmosphäre im Kühlschrank, der Oberfläche des Aluminiumblockes und der zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Aluminiumblokkes erforderlichen elektrischen Leistung liessen sich sowohl die scheinbare Wärmeleitzahl K für das wärmeisolierende Material messen als auch verschiedene Materialien unter gleichen Bedingungen vergleichen. Die Wärmeleitzahl ergab sich als Funktion der Dicke des Materials, aus dem die Hülle bestand, und wurde in kcal pro Stunde pro m2 pro 0 C pro m gemessen.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich in der verschiedensten Weise abwandeln. Statt Polyäthylenfolien können bei den Beispielen 1 und 2 auch Polypropylenfolien verwendet werden. Eine oder beide Kunststoff-Folien können beidreits metallisiert sein. Die Oberfläche kann gefärbt werden, solange die verwendeten Farbstoffe eine gute Durchlässigkeit im fernen Infrarot haben.
Ausser den beschriebenen, nicht gewebten Fasermatten können auch andere Arten von Fasermatten verwendet werden, es können z. B. nicht gewebte Strukturen Verwendung finden, die aus geraden Fasern bestehen, die in drei oder mehr Richtungen ausgerichtet sind und beispielsweise Winkel von 1200 miteinander bilden. Statt Glasfasern können auch andere Werkstoffe verwendet werden, z. B. Fasern aus Nylon (Superpolyamid).