DE102007043771B4

DE102007043771B4 - Flexibles, dampfdichtes Laminatmaterial

Info

Publication number: DE102007043771B4
Application number: DE200710043771
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Bormann Alexander; Dipl.-Ing. Skutnik Stefan
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2027-09-14
Also published as: DE102007043771A1

Abstract

Flexibles, dampfdichtes, dampfbeständiges und temperaturfestes Hüllstofflaminatmaterial für einen Traggasbehälter eines Aerostaten mit einer Anordnung mehrerer unter Verwendung eines elastischen Klebesystems (3) laminierter Schichten, die eine Trägerschicht (1) aus einem Trägermaterial, eine dampfdichte Barriereschicht (2) aus einem Barrierematerial sowie ein zwischen der Trägerschicht (1) und der dampfdichten Barriereschicht (2) angeordnetes und sich flächig ausbreitendes Verstärkungsgelege (4) umfassen, wobei das elastische Klebesystem (3) auf Basis von Silikon oder Acrylat gebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein flexibles, dampfdichtes, dampfbeständiges und temperaturfestes Laminatmaterial, insbesondere Material für einen Dampfbehälter.
Hintergrund der Erfindung
Konstruktionen, die dampfdicht, dampfbeständig und temperaturfest sind, werden üblicherweise aus Metall hergestellt, insbesondere aus Edelstahl. Edelstahl ist nicht besonders flexibel und aufgrund seiner Dichte vergleichsweise schwer.
Solche Materialien, die eine für die jeweilige Anwendung geeignete Flexibilität aufweisen und dampfdicht sind, das heißt ein Durchtritt von Dampf durch das Laminatmaterial hindurch ist aufgrund des Materialaufbaus unterbunden, können in verschiedenen Bereichen der Technik verwendet werden. Eine mögliche Anwendung eines solchen Laminatmaterials ist die Nutzung als Hüllstoff zum Ausbilden von Traggasbehältern für einen Aerostaten. In dem Behälter wird ein den Auftrieb des Aerostaten gewährleistendes Volumen eines Gases gehalten Als Aerostaten werden Ballone und Luftschiffe bezeichnet, welche aufgrund ihres statischen Auftriebs in der Luft ähnlich einem Schiff im Wasser „schwimmen”. Ihre Fortbewegung wird daher als Fahren oder leichter-als-Luft-Fahrt bezeichnet. Im Unterschied hierzu erzeugen Flugzeuge und Hubschrauber ihren dynamischen Auftrieb mittels Bewegungen durch die Luft. Dieses Fortbewegungsart nennt man Fliegen.
Als Traggase für Aerostate werden beispielsweise Helium oder Heißluft verwendet Des weiteren wurde vorgeschlagen, überhitzten Wasserdampf zu nutzen. Die Leistungsfähigkeit eines Aerostaten auf Basis von überhitztem Wasserdampf liegt zwischen der von Aerostaten, welche Helium oder Heißluft nutzen. Man bedient sich hierbei aber eines ausgesprochen preiswerten, nicht brennbaren und unsichtbaren Traggases, nämlich verdampften Wassers. Wasserdampf besitzt fast ¾ des Auftriebs von Helium, aber mehr als 2½ mal so viel Auftrieb wie der konventionelle Heißluftballon.
In Verbindung mit der Nutzung von überhitztem Wasserdampf für Aerostaten ist es nicht möglich, die bei Aerostaten auf Basis von Helium oder Heißluft verwendeten Materialien für den Traggasbehälter zu nutzen, da diese Materialien weder dampfdicht noch ausreichend resistent gegenüber Wasserdampf und auch nicht ausreichend temperaturbeständig sind. Wasserdampf ist ein sehr aggressives Medium, weshalb die bei bekannten Aerostaten verwendeten Hüllstoffe nicht zum Einsatz kommen können.
Im Dokument WO 2004/065114 A2 ist ein dreischichtiges Material für Nassanzüge mit einer mittleren Gewebeschicht und zwei äußeren für Wasserdampf und flüssiges Wasser undurchdringlichen Schichten beschrieben
Im Dokument GB 2 243 328 A wird ein gasundurchdringliches Laminatmaterial zur Verwendung in aufblasbaren Behältern in einer maritimen Anwendung beschrieben.
Im Dokument DE 299 16 481 U1 wird ein Flugkörper beschrieben, der aus einem Traggerüst besteht, das mit einer gasdichten Außenhülle versehen ist und dessen Auftrieb im Wesentlichen durch eine Leichtgasfüllung bewirkt wird.
Im Dokument DE 102 03 431 A1 wird ein Flugverbund aus einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Aerostaten beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein flexibles, dampfdichtes, dampfbeständiges und temperaturfestes Laminatmaterial, insbesondere Material für einen Dampfbehälter, mit verbesserten Gebrauchseigenschaften zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein flexibles, dampfdichtes Hüllstofflaminatmaterial für einen Traggasbehälter eines Aerostaten, nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Das Trägermaterial für die Trägerschicht und das Barrierematerial für die dampfdichte Barriereschicht können aus dem gleichen oder unterschiedlichen Materialien gebildet sein. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Laminatmaterials ist ein für verschiedenste Anwendungen geeignetes Material zur Verfügung gestellt, welches sich durch eine anwendungsfreundliche Flexibilität einerseits und eine zuverlässige Dampfdichtigkeit andererseits auszeichnet. Der Schichtaufbau ermöglicht es, die Materialien für die Schichten individuell dem jeweiligen Anwendungszweck entsprechend auszuwählen und auszugestalten, insbesondere hinsichtlich der verwendeten Schichtdicke. Auf diese Weise können Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit, Weiterreißfestigkeit und Knüllfestigkeit gemäß den gewünschten Forderungen bei der Anwendung eingestellt werden. Als elastisches Klebesystem kommt ein Klebstoff auf Basis von Silikon oder Acrylat zum Einsatz, welches sich neben der Elastizität vorzugsweise durch eine hohe Temperatur- und Dampfbeständigkeit auszeichnet. Das Laminatmaterial kann insbesondere als Hüllstoffmaterial für einen Aerostaten eingesetzt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens das Trägermaterial oder wenigstens das Barrierematerial aus einem Polyimidwerkstoff sind. Als Polyimidwerkstoff wird bevorzugt Upilex-S verwendet, zweckmäßig als Folie oder Filmmaterial. Alternativ kann das Material mit dem Handelsnamen Teonex eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich um ein Polyethylennaphtalat, wofür auch die Produktkurzbezeichnung PEN verwendet wird. Die Verwendung von Teonex hat den Vorteil, dass hierdurch die Herstellungskosten minimiert werden können. Geeignet sind darüber hinaus andere Polimidwerkstoffe, die über eine zur chemischen Restgruppe von Upilex-S ähnliche oder gleiche Restgruppe verfügen.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verstärkungsgelege aus einem Filamentgarn gebildet ist, welches bedarfsweise weitmaschig gelegt ist. Als Filamentgarn kommen bevorzugt Fasern mit den Handelsnamen Kevlar und Nomex zum Einsatz, die beide eine Temperaturbeständigkeit bis etwa 260°C aufweisen. Zum Beispiel kann für leichte Laminate ein 12,5/80 Gelege mit 220 dtex Kevlar Filamentgarn genutzt werden. Die wahlweise vorgesehene Weitmaschigkeit ist zweckmäßig mit einer Maschenweite von etwa 4 bis etwa 40 mm gebildet.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Verstärkungsgelege mit einem wenigstens zweidirektionalen Aufbau gebildet ist. Weiter bevorzugt ist ein wenigstens triaxialer Aufbau.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass die dampfdichte Barriereschicht wasserdampfdicht ausgeführt ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Anordnung der mehreren laminierten Schichten mit einer Dampfdichtigkeit von wenigstens etwa 500 g/m²/d/bar (Gramm pro Quadratmeter pro Tag pro bar Partialdruck), vorzugsweise von wenigstens etwa 50 g/m²/d/bar gebildet ist. Das Verfahren zum Ermitteln der Dampfdichtigkeit ist definiert in der Normvorschrift DIN 53122.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die Anordnung der mehreren laminierten Schichten weiterhin wenigstens eine Bedampfungsschicht aufweist, die wahlweise aus einem Metallwerkstoff ist. In möglichen Ausführungen ist die wenigstens eine Bedampfungsschicht aus aufgedampftem Aluminium oder Silber. Mit Hilfe der wenigstens einen Bedampfungsschicht wird die Dampfdichtigkeit weiter verbessert. Darüber hinaus wird eine verbesserte thermische Isolierung erreicht, welche den Wärmetransport vermindert. Die wenigstens eine Bedampfungsschicht ist vorzugsweise außenseitig gebildet. Ergänzend oder alternativ kann eine weitere Bedampfungsschicht innerhalb der Anordnung laminierter Schichten gebildet sein.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest das Trägermaterial oder zumindest das Barrierematerial wenigstens einseitig verspiegelt sind. Eine Verspiegelung kann sowohl auf das Trägermaterial als auch auf das Barrierematerial ein- oder zweiseitig gebildet sein. Sie wird in einer bevorzugten Fortbildung mittels Metallbedampfung aufgebracht, beispielsweise unter Verwendung von Aluminium oder Silber.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Schichtdicke ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Schichtdicken gebildet ist: eine Schichtdicke von etwa 6 μm bis etwa 100 μm für die Trägerschicht, eine Schichtdicke von etwa 5 μm bis etwa 60 μm einer aus dem elastischen Klebesystem gebildeten Klebeschicht, eine Schichtdicke von etwa 6 μm bis etwa 100 μm für die dampfdichte Barriereschicht und eine Schichtdicke von etwa 10 nm bis etwa 200 nm für die Bedampfungsschicht. Die Ausbildung innerhalb der angegebenen Schichtdicken trägt sowohl für Einzelschichten als auch bei der Kombination beliebiger dieser Schichten zur Optimierung der Materialeigenschaften des Laminatmaterials bei, beispielsweise zur Verbesserung der Dampfdichtigkeit.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Anordnung der mehreren laminierten Schichten mit einer Temperaturfestigkeit bei etwa 150°C von wenigstens etwa 250 N/5 cm, vorzugsweise von wenigstens etwa 400 N/5 cm oder mehr gebildet ist.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass die Anordnung der mehreren laminierten Schichten mit einer Temperaturfestigkeit bei etwa 260°C von wenigstens etwa 150 N/5 cm, vorzugsweise von wenigstens etwa 400 N/5 cm gebildet ist.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des beschriebenen Laminatmaterials ist die Verwendung als Hüllstofflaminatmaterial für einen Traggasbehälter eines Aerostaten. Aber auch auf anderen technischen Gebieten können aufgrund der verbesserten Materialeigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Dampfdichtigkeit, des Laminatmaterials verbesserte Produkte hergestellt werden. Hier ist insbesondere die Verwendung als Filmmaterial in einem Wärmetauscher zu nennen. Weitere Anwendungen ergeben sich in allen Bereichen, wo die Beständigkeits-Festigkeits- und Temperaturanforderungen eine Substitution von Edelstahl zulassen.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines flexiblen, dampfdichten Laminatmaterials im Querschnitt,
2 eine schematische Darstellung eines vergrößerten Ausschnitts für das Laminatmaterial nach 1 im Querschnitt,
3 die chemische Formel des Materials mit dem Handelsnamen Upilex-S und
4 eine schematische Darstellung eines flexiblen, dampfdichten Laminatmaterials im Querschnitt nach einer weiteren Ausführungsform.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines flexiblen, dampfdichten Laminatmaterials im Querschnitt. Eine Trägerschicht 1 aus einem Trägermaterial ist aus einem Polyimidwerkstoff hergestellt, bei dem es sich beispielsweise um Upilex-S (vgl. 3) handelt. Für eine dampfdichte Barriereschicht 2 auf der dem Dampf zugewandten Warmseite wird als Barrierematerial ebenfalls Upilex-S genutzt. In anderen Ausführungen können die Trägerschicht 1 und die dampfdichte Barriereschicht 2 auch aus unterschiedlichen Materialien sein. Alternativ zu Upilex-S können das Material mit dem Handelsnamen Teonex oder ein anderer Polyimidwerkstoff mit einer chemischen Restgruppe zum Einsatz kommen, die gleich oder ähnlich zu der Restgruppe von Upilex-S ist (vgl. 3).
Verbunden sind die Trägerschicht 1 und die dampfdichte Barriereschicht 2 mittels eines Klebstoffs 3 auf Basis von Silikon oder Acrylat. Zwischen der Trägerschicht 1 und der dampfdichten Barriereschicht 2 ist weiterhin ein Verstärkungsgelege 4 eingebracht, welches aus einem Filamentgarn ist.
Als weitere Schicht ist auf der der Umgebung zugewandten Kaltseite eine äußere Bedampfungsschicht 5 auf die dampfdichte Barriereschicht 2 aufgebracht. Hierbei handelt es sich um eine aufgedampfte Metallschicht, welche optional ist und zur Verbesserung der Dampfdichtigkeit sowie zur Verminderung des Wärmetransports durch das Laminatmaterial dient. Ms Metalle werden beispielsweise Aluminium oder Silber eingesetzt.
2 zeigt einen Ausschnitt des Laminatmaterials in 1 vergrößert im Querschnitt. In 2 werden für die gleichen Merkmale die selben Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Das Verstärkungsgelege 4 ist aus Fasern 6 gebildet.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines flexiblen, dampfdichten Laminatmaterials im Querschnitt in einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist eine weitere Bedampfungsschicht 20 zwischen die dampfdichte Barriereschicht 2 und den Klebstoff 3 eingebracht. Die weitere Bedampfungsschicht 20 ist der äußeren Bedampfungsschicht 5 entsprechend gebildet.
In einer Ausführungsform des beschriebenen Laminatmaterials wurden die Trägerschicht 1 und die dampfdichte Barriereschicht 2 mittels einer 12,5 μm dicken Folie aus Upilex-S gebildet. Als Verstärkungsgelege 4 wurde ein 12,5/80 Gelege mit 220 dtex Kevlar 29 verwendet, welches weitmaschig ausgeführt ist, wodurch eine sehr gute Verklebung mit minimaler Kleberdicke erreicht wurde. Die hierbei erreichte Temperaturfestigkeit, nämlich Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen, betrug etwa 275 N/5 cm bei 150°C und 123 N/5 cm bei 260°C. Die Zugfestigkeit kann gewichtsgünstig mittels Hinzunahme eines Verstäkungsmaterials gesteigert werden.
Die Dampfdichtigkeit des so gebildeten Laminatmaterials wurde gemäß der DIN 53122 ermittelt für eine Ausführung, bei der weder die Trägerschicht 1 noch die dampfdichte Barriereschicht 2 mit einer Verspiegelung in Form einer aufgedampften Metallschicht aus Aluminium oder Silber versehen waren, und eine weitere Ausführungsform, bei der eine solche Verspiegelung gebildet war. Die Dampfdichtigkeit bei etwa 120°C betrug für die unverspiegelte Ausführungsform etwa 25 g/m²/d/bar. Für die verspiegelte Ausführungsform wurde eine Dampfdichtigkeit bei 120°C von etwa 5 g/m²/d/bar gemessen.
Bei der Verwendung des vorangehend beschriebenen Laminatmaterials als Hüllstoff für einen Wasserdampfballon können für die unterschiedlichen Elemente oder Abschnitte des Wasserdampfballons sich unterscheidende Materialvarianten zum Einsatz kommen. Hierbei werden in dem gewählten Ausführungsbeispiel die Bereiche des Traggasbehälters, eines Wärmetauschers und eines Beheizungskegels, welcher auch als Brennraum bezeichnet werden kann, unterschieden. Tabelle 1 zeigt für die verschiedenen Elemente besonders geeignete Laminatmaterialvarianten, wobei die folgenden Abkürzungen genutzt wurden: U – Upilex-S, K – Verstärkungsgelege aus Kevlar-Fasern, N – Verstärkungsgelege aus Nomex-Fasern, a – Bedampfungsschicht aus Aluminium und PEN – Polyethylennaphtalat (Teonex). Tabelle 1

Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4

Wärmetauscher U-K-U U-N-U

Traggasbehälter Ua-K-Ua Ua-K-PENa Ua-N-PENa

Beheizungskegel aU-K-Ua aU-K-U aU-N-Ua aU-N-U
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Flexibles, dampfdichtes, dampfbeständiges und temperaturfestes Hüllstofflaminatmaterial für einen Traggasbehälter eines Aerostaten mit einer Anordnung mehrerer unter Verwendung eines elastischen Klebesystems (3) laminierter Schichten, die eine Trägerschicht (1) aus einem Trägermaterial, eine dampfdichte Barriereschicht (2) aus einem Barrierematerial sowie ein zwischen der Trägerschicht (1) und der dampfdichten Barriereschicht (2) angeordnetes und sich flächig ausbreitendes Verstärkungsgelege (4) umfassen, wobei das elastische Klebesystem (3) auf Basis von Silikon oder Acrylat gebildet ist.
Hüllstofflaminatmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das Trägermaterial oder wenigstens das Barrierematerial aus einem Polyimidwerkstoff sind.
Hüllstofflaminatmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsgelege (4) aus einem Filamentgarn gebildet ist, welches bedarfsweise weitmaschig gelegt ist.
Hüllstofflaminatmaterial nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsgelege (4) mit einem wenigstens zweidirektionalen Aufbau gebildet ist.
Hüllstofflaminatmaterial nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dampfdichte Barriereschicht (2) wasserdampfdicht ausgeführt ist.
Hüllstofflaminatmaterial nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der mehreren laminierten Schichten mit einer Wasserdampfdichtigkeit von wenigstens etwa 500 g/m²/d/bar vorzugsweise von wenigstens etwa 50 g/m²/d/bar gebildet ist.
Hüllstofflaminatmaterial nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der mehreren laminierten Schichten weiterhin wenigstens eine Bedampfungsschicht (5; 20) aufweist, die wahlweise aus einem Metallwerkstoff ist.
Hüllstofflaminatmaterial nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Trägermaterial oder zumindest das Barrierematerial wenigstens einseitig verspiegelt sind.
Hüllstofflaminatmaterial nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schichtdicke ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Schichtdicken gebildet ist: eine Schichtdicke von etwa 6 μm bis etwa 100 μm für die Trägerschicht (1), eine Schichtdicke von etwa 5 μm bis etwa 60 μm einer aus dem elastischen Klebesystem (3) gebildeten Klebeschicht, eine Schichtdicke von etwa 6 μm bis etwa 100 μm für die dampfdichte Barriereschicht (2) und eine Schichtdicke von etwa 10 nm bis etwa 200 nm für die Bedampfungsschicht (5; 20).
Hüllstofflaminatmaterial nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der mehreren laminierten Schichten mit einer Temperaturfestigkeit bei etwa 260°C von wenigstens etwa 150 N/5 cm, vorzugsweise von wenigstens etwa 400 N/5 cm gebildet ist.