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Die
Erfindung betrifft eine Segelmembran aus einem Gewebe aus synthetischen
Fasern, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Segelmembran
und daraus gefertigte Segel.
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Bei
der Fertigung von Hochleistungssegeln auch für Wettbewerbszwecke steht die
Vereinigung einer Reihe von besonderen Eigenschaften im Vordergrund,
als da sind niedriges Gewicht, gute Handhabbarkeit, geringe Winddurchlässigkeit,
hohe Reißfestigkeit,
Elastizität,
geringes Wasseraufnahmevermögen,
UV-Beständigkeit
und dergleichen. Ziel eines jeden Segelherstellers ist die Optimierung
dieser Eigenschaften in nur einem Gewebe für die Segelherstellung.
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Bei
der Herstellung von Segeln ist bislang noch nicht versucht worden,
gezielt aerodynamischen Eigenschaften des Materials verbessernde Strukturen
in die Oberfläche
einzubringen. Soweit Segelmembrane aus Folien hergestellt werden,
haben sie im Wesentlichen eine glatte Oberfläche. Soweit diese Membranen
aus Geweben besteht, was bei hochwertigen und großflächigen Segeln
häufig der
Fall ist, weist das Segel an seiner Oberfläche die dem Gewebe zu eigenen
Webstrukturen auf, ggf. kaschiert durch Folien, modifiziert durch
Beschichtungen oder verändert
durch Verklebung oder Verschmelzung. Diese Gewebestrukturen nehmen
Einfluss auf die aerodynamischen Eigenschaften der Segel und ggf.
auf die Winddurchlässigkeit
und das Wasseraufnahmevermögen,
sind jedoch nicht geeignet, auch wegen ihrer recht groben Strukturen,
den Luftwiderstand gezielt zu verändern.
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Sowohl
an glatten als auch an strukturierten Oberflächen, die im Wind stehen, bilden
sich Strömungsabrisse
und Mikrowirbel, die einen Widerstand darstellen. Durch das gezielte
Einbringen von Mikrorauigkeiten in die Oberfläche kann eine Widerstandsverminderung
erzielt werden. Hier sind insbesondere Mikrorauigkeiten zu nennen,
die geeignet sind, den Turbulenzgrad in der Turbulenzschicht zur
Oberfläche
des Segels zu vermindern. Solche Mikrorauigkeiten wurden im Flugzeugbau
entwickelt und haben dort in der Regel die Form von parallel verlaufenden Riefen
oder Rillen längs
zur Anströmrichtung
der Luft.
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Bei
der Herstellung von Segeln wird unterschieden zwischen Segeln, die
am Wind eingesetzt werden und deren Vortrieb über den Druckunterschied zwischen
Luv- und Leeseite herbeigeführt wird,
und solchen, die vor dem Wind eingesetzt werden und den Vortrieb
im Wesentlichen aus dem Winddruck beziehen. Segel, die vor dem Wind
eingesetzt werden, sollen luftdicht sein, eine hohe Reißfestigkeit
und Weiterreißfestigkeit
aufweisen und, insbesondere im Fall eine Spinnakers, aus einem leichten Material
gefertigt sein, eine gute Haptik haben und leicht zu setzen sein.
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Ziel
der Erfindung ist es, eine Segelmembran mit einer Oberflächenstruktur
zu schaffen, die besonders gut für
das Segeln mit achterlichem Wind geeignet ist, also für die Fertigung
von Spinnakern und Gennakern eingesetzt werden kann.
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Dieses
Ziel wird mit einer Segelmembran aus einem Gewebe aus synthetischen
Fasern erreicht, bei der das Gewebe Mikrorauigkeiten aufweist, die
in Form sich kreuzender Riefenscharen mit einer Dichte von 5 bis
25 Riefen/mm auf die Gewebestruktur auf- oder in diese eingebracht
sind.
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Erfindungsgemäß wird unter „Segelmembran” ein jegliches
Gewebe aus synthetischen Fasern verstanden, das für die Segelherstellung
geeignet ist bzw. eingesetzt wird. Insbesondere sind solche Segelmembranen
bestimmt für
die Fertigung von Segeln, die (auch) bei achterlichem Wind eingesetzt werden.
Die Gewebe können
aus einer einheitlichen Faser gefertigt werden, beispielsweise aus
Polyamidfasern, Polyolefinfasern und Polyesterfasern, aber auch
Mischsysteme enthalten. Die Gewebe können in an und für sich bekannter Weise
zur Verminderung oder Beseitigung der Luftdurchlässigkeit beschichtet sein und
sind in der Regel hydrophobiert. Zur Verminderung der Luftdurchlässigkeit
können
die Gewebe auch gewalzt und/oder thermisch behandelt sein, beispielsweise
durch Anschmelzen einer niedrig schmelzenden Faser eines Mischgewebes
aus verschiedenen Synthesefasern.
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Besonders
bevorzugt als Materialien sind Polyamid (Nylon-6.6), Polyester sowie
mit Polyethylen (Dyneema® und/oder Spectra®).
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Die
Riefendichte innerhalb einer Riefenschar beträgt erfindungsgemäß 5 bis
25 Riefen/mm, was einem Kammabstand der Riefen von 200 μm bis 40 μm entspricht,
und vorzugsweise 8 bis 20 Riefen/mm, entsprechend 125 μm bis 50 μm Kammabstand.
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Die
Amplitude der Riefen, d. h. Höhe
von den Tälern
zwischen zwei Kämmen
bis zur Kammhöhe beträgt vorzugsweise
25 bis 75% des Kammabstandes einer Riefenschar und insbesondere
40 bis 60%.
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Die
Riefen einer jeden Schar laufen im Wesentlichen alle parallel zueinander
und können
im Grunde genommen in jeglicher Ausrichtung über das Gewebe verlaufen. Bevorzugt
ist aber ein diagonaler Verlauf in einem Winkel von 45° zu den Kett-
oder Schussfäden,
+/–15°. Ein im
Wesentlichen diagonaler Verlauf von 45° ist besonders bevorzugt, da
dieser Verlauf geeignet ist, die Gewebeunebenheiten am besten zu überspielen.
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Die
Mikrorauigkeiten in Form von wenigstens zwei sich parallel erstreckenden
Riefenscharen können
auf beliebige Art und Weise in die Gewebestruktur eingebracht werden,
beispielsweise durch Bedrucken, Einweben, reihenförmiges Aufbringen
nanopartikulärer
Partikel oder auch durch Einwalzen. Besonders bevorzugt ist das
Kalandern mit einer Struktur- oder Rillenwalze, wobei die Walze
in der Regel auf eine Temperatur erwärmt ist, die unterhalb der
Erweichungstemperatur der Synthesefaser oder der niedrigst erweichenden
Synthesefaser liegt, vorzugsweise etwa 10°C unterhalb. Zur Verbesserung
des Prägeeffekts
kann es sinnvoll sein, das Gewebe vor dem Kalandern mit Heißdampf zu
behandeln, beispielsweise mit einer Temperatur von 110°C.
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Das
Kalandern findet bei erhöhter
Temperatur unter einem Druck von wenigstens 50 N/mm statt, vorzugsweise
etwa 100 bis 600 N/mm und insbesondere etwa 200 bis 400 N/mm.
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Vorzugsweise
wird die Segelmembran beidseitig mit einer solchen Struktur- oder
Rillenwalze kalandert.
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Besonders
bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Segelmembran ein Rautenmuster
mit sich kreuzenden Riefen, d. h. zwei Riefenscharen, die sich insbesondere
in einem Winkel von 80° bis
120° kreuzen.
Es ergibt sich auf diese Art und Weise ein Rechteck- bzw. Rautenmuster,
das gegenüber
dem normalen Gewebemuster aus sich kreuzenden Kett- und Schussfäden um 45° +/– 15° verdreht
ist. Es können
aber auch drei einander kreuzende Riefenscharen vorgesehen sein,
die sich im Winkel von beispielsweise 60° schneiden und sechseckige Eintiefungen
umschließen.
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Die
erfindungsgemäße Segelmembran
kann auf an und für
sich bekannte Art und Weise hydrophobiert sein, wobei insbesondere
eine Hydrophobierung mit einem Perfluorpolyalkylen in Frage kommt,
beispielsweise mit Teflon®. Die Hydrophobierung
findet vorzugsweise vor dem Kalandern statt. Wird das Gewebe gefärbt und
auf besondere Art und Weise ausgerüstet, so finden der Färbevorgang
und die Ausrüstung
ebenfalls vor dem Kalandern statt.
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Eine
Hydrophobierung kann insbesondere auch bzw. zusätzlich durch Aufbringen hydrophober Teilchen
erzielt werden, beispielsweise durch die Aufbringung von Nanopartikeln,
die ein hydrophobes Benetzungsregime nach Cassie-Baxter herrichten. Solche
nanopartikulären
Beschichtungen können
unregelmäßiger Natur
sein und sollten insbesondere dimensionsmäßig deutlich hinter dem eingeprägten Rillenmuster
zurückbleiben.
Die Höhe
dieser Partikel sollte einen Wert von 5 μm, insbesondere 2 μm nicht überschreiten.
Solch ein nanopartikuläre
Beschichtung bewirkt, dass sich ansammelnde Wassertropfen nicht
die Segelmembran selbst benetzen und dort eindringen, sondern von
der Oberfläche
abperlen und damit die Wasseraufnahme der Membran vermindern.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere auch ein Verfahren zur Herstellung
einer Segelmembran nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei
dem das Gewebe als Rohware oder Halbfabrikat nach der Erstellung
ggf. gefärbt
und/oder ausgerüstet
wird, danach bei einem Druck von wenigstens 50 N/mm mit einer Strukturwalze
zur Einprägung
von sich kreuzenden Riefenscharen mit einer Dichte von 5 bis 25 Riefen/mm
von wenigstens einer Seite kalandert wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
stellt das Kalandern in der Regel den letzten Schritt zur Herstellung
der fertigen Segelmembran dar. Alle Färbe- und Ausrüstungsschritte
finden im Vorfeld statt, ebenso evtl. Beschichtungen zur Hydrophobierung. Das
Kalandern findet bei erhöhter
Temperatur statt, wobei die Walze auf eine Temperatur aufgeheizt
wird, die unterhalb des Erweichungs- bzw. Schmelzpunktes der am
niedrigsten schmelzenden Synthesefaser eingestellt wird. Vorzugsweise
liegt die Temperatur etwa 10°C
unter dem Schmelz- oder Erweichungspunkt. Zur Verbesserung der Einprägung kann
das Gewebe zuvor einer Wasserdampfbehandlung unterzogen werden,
z. B. mit Heißdampf
von 110°C.
Eine Hydrophobierung, wie vorstehend beschrieben, wird ebenfalls
vor dem Kalandern vorgenommen. Weitere Veredlungsschritte, so beispielsweise
die Aufbringung nanopartikulärer
Schichten zur Erhöhung
der Hydrophobie, werden nach dem Kalandern vorgenommen.
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Aus
der erfindungsgemäßen Segelmembran können auf übliche Art
und Weise Segel gefertigt werden. In der Regel wird das Segel aus
einzelnen Bahnen oder Gewebestücken
zusammengesetzt, wobei in an und für sich bekannter Weise die
Hauptkraftlinien und die Reißfestigkeit
in den verschiedenen Richtungen berücksichtigt werden.
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Die
Erfindung betrifft entsprechend auch ein aus einer erfindungsgemäßen Segelmembran
gefertigtes Segel, insbesondere Spinnaker und Gennaker.
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Es
wurde gefunden, dass erfindungsgemäß gefertigte Segelmembrane
dank der Kreuz-Riffelstruktur, insbesondere beim Segeln mit achterlichem Wind,
besondere aerodynamische Eigenschaften aufweisen. Durch das Kalandern
wird die Luftdurchlässigkeit
des Gewebes deutlich vermindert. Die ohnehin geringere Luftdurchlässigkeit
kann durch herkömmliche Beschichtungsmaßnahmen
weiter vermindert und auf 0 gesenkt werden, wofür dann deutlich weniger Beschichtungsmaterial
benötigt
wird. Eine solche Beschichtungsmaßnahme findet sinnvoller Weise
nach dem Kalandern statt.
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Derart
hergestellte Spinnaker- und Gennakergewebe können somit erfindungsgemäß deutlich leichter
hergestellt werden. Dieser Gewichtsvorteil kann, wenn z. B. ein
Mindestgewicht gewünscht
oder gefordert ist, zur Einarbeitung von Verstärkungsfäden genutzt werden, so dass
bei vergleichbarem Gewicht höhere
Reiß-
und Weiterreißfestigkeiten
erzielt werden können.
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Die
erfindungsgemäßen Segelmembranen sind
insbesondere für
die Fertigung von Spinnakern und Gennakern geeignet. Das eingeprägte Muster sich
kreuzender Riefenscharen ergibt eine verbesserte Haptik, was das
Setzen des Segels erleichtert. Zwar haben Strömungsabrisse und Mikrowirbel
beim Vorwindsegeln keinen entscheidenden Einfluss auf den Luftwiderstand,
jedoch für
die Mikrorauigkeiten und die Strukturierung der Segeloberfläche und
die damit verbundenen Wirbelablösungen
zu verbesserten aerodynamischen Eigenschaften, einer erhöhten Stabilität des Segeln
und erleichtern insbesondere auch das Setzen des Spinnakers.
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Wird
die erfindungsgemäße Segelmembran zusätzlich mit
einer nanopartikulären
Schicht zur Wasserabweisung versehen, kann auf diese Art und Weise
das Wasseraufnahmevermögen
deutlich herabgesetzt werden. In diesem Fall kann auf eine durchgehende
Beschichtung mit einem wasserabweisenden Material – wie auch
auf eine Beschichtung zur Verminderung der Winddurchlässigkeit – ganz oder
weitgehend verzichtet werden, so dass sich insgesamt eine deutliche
Gewichtsverminderung sowohl des trocknen Segels als auch des sich
im Einsatz befindlichen Segels ergibt.
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Die
Erfindung wird durch die beiliegenden Abbildungen näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
Segeltuchgewebe nach dem Kalandern in 60-facher Vergrößerung und
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2 ein
weiteres Segeltuch nach dem Kalandern in 300-facher Vergrößerung und
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3 ein
drittes Segeltuch nach dem Kalandern in 60-facher Vergrößerung.
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1 zeigt
ein Segeltuch aus einem Polyamidgewebe, bei dem die senkrecht zueinander
verlaufenden Kett- und Schussfäden
in Leinenbindung deutlich zu erkennen sind. In dieses Gewebe wurden mit
einer Kalanderwalze mit X-Riffelung
ein X-Muster sich kreuzender Riefen eingeprägt, die diagonal zur Geweberichtung
verlaufen. Die einzelnen Riefen verlaufen in einem Abstand von etwa
125 μm zueinander,
entsprechend 8 Riefen/mm. Die diagonal von links oben nach rechts
unten und links unten nach rechts oben verlaufenden Riefenscharen
kreuzen sich in einem Winkel von etwa 90°. Der Prägedruck betrug 300 N/mm, die
Walzentemperatur war auf einen Wert von 200°C eingestellt.
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2 zeigt
ein Segeltuch aus einem Polyamidgewebe in Leinenbindng mit 20 Riefen/mm
in 300-facher Vergrößerung.
Deutlich zu erkennen sind die diagonal zur Faserrichtung verlaufenden
Kämme der
sich kreuzenden Riefen und die eingeschlossenen rautenförmigen Eintiefungen
in die Faseroberfläche,
die sich kettenförmig
in Faserrichtung fortsetzen. Das Segeltuch wurde mit einem Kreuzriffelkalander
bei 200°C
und 300 N mm behandelt.
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3 zeigt
ein Segeltuch aus einem Polyestergewebe, bei dem die senkrecht zueinander
verlaufenden Kett- und Schussfäden
in Leinenbindung deutlich zu erkennen sind. In dieses Gewebe wurde mit
einer Kalanderwalze eine Kreuzriffelung eingeprägt, die diagonal zur Geweberichtung
verläuft.
Die einzelnen Riefen verlaufen in einem Abstand von 50 μm von Riefe
zu Riefe, entsprechend einer Riefendichte von 20 Riefen/mm. Die
diagonal von links oben nach rechts unten und links unten nach rechts oben
verlaufenden Riefenscharen kreuzen sich in einem Winkel von etwa
95°. Der
Prägedruck
war 400 N/mm bei einer Walzentemperatur von 200°C.
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Untersuchungen
an einem Polyamid-Rohgewebe, das mit einer Riffelwalze mit 8 Linien/mm
bei einer Temperatur von 200°C
bearbeitet wurde ergab, nach dem Kalandern, eine deutliche Verminderung der
Luftdurchlässigkeit
bei 20 mm/WS von 600 bis 800 l/dm2/min auf
30 bis 40 l/dm2/min für die Rohware. Für die gefärbte Rohware
ist eine weitere Verminderung zu erwarten. Im Falle des beschichteten
Segeltuchs sinkt die Luftdurchlässigkeit
auf 0, wobei für die
kalanderte Ware die Beschichtung wesentlich geringer ausfällt. Eine
geringere Beschichtung führt
zu einer Gewichtsverminderung bei dem fertigen Segel mit der Möglichkeit,
die Gewichtsersparnis für
Verstärkungsmaßnahmen
(Verstärkungsfäden) zu
nutzen.
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Zur
Erzielung optimaler Werte ist grundsätzlich eine beidseitige Behandlung
mit dem Riffelkalander erforderlich.
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Reihenuntersuchungen
an einem Polyamid-Rohgewebe, das mit einer Kreuzriffelwalze mit 20
Linien/mm bei einer Temperatur von 200°C bearbeitet wurde ergaben eine
deutliche Abhängigkeit
der Luftdurchlässigkeit
von Druck, mit einem Optimum bei 200 bis 400 N/mm:
| Druck
N/mm | Luftdurchl.
l/dm2/min |
| 100 | 100 |
| 150 | 70 |
| 200 | 40 |
| 300 | 30 |
| 400 | 30 |
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Das
Rohgewebe war beidseitig kalandert. Bei gefärbter Ware lagen die Durchlässigkeiten
(bei 300 bis 400 N/mm) bei 10 bis 20 l/dm2.