DE102014213917B4 - Schutzschicht für ein Elastomerprodukt zum frequenzselektiven Reflektieren elektromagnetischer Strahlung - Google Patents

Abstract

Schutzschicht für ein Elastomerprodukt zum frequenzselektiven Reflektieren elektromagnetischer Strahlung, die als ein Wärmestrahlungsschutz ausgebildet ist, und die aus mehreren Lagen (2a, 2b, 3a, 3b, 5, 6) aufgebaut ist, welche als eine reflektivitätserhöhende dielektrische Beschichtung wirksam sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (1, 1') aus dem gleichen Elastomer oder aus einem Elastomer mit vergleichbaren mechanischen Eigenschaften wie das zu schützende Elastomerprodukt (4) besteht, wobei die einzelnen Lagen (2a, 2b, 3a, 3b, 5, 6) der Schutzschicht (1, 1') alternierend mit einem den Brechungsindex des Materials der Schutzschicht (1, 1') modifizierenden Additiv behandelt und unbehandelt sind, so dass die elastische Schutzschicht (1, 1') innerhalb eines festgelegten Frequenzbereichs des elektromagnetischen Strahlungsspektrums, wenigstens im Infrarotbereich bei Frequenzen von 6 THz bis 60 THz, reflektivitätserhöhend wirkt, sowie außerhalb des festgelegten Frequenzbereichs wenigstens in solchen Teilbereichen des elektromagnetischen Strahlungsspektrums, welche sichtbarer Strahlung und Funkwellen zugeordnet sind, weitgehend strahlungsdurchlässig ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schutzschicht für ein Elastomerprodukt zum frequenzselektiven Reflektieren elektromagnetischer Strahlung, die als ein Wärmestrahlungsschutz ausgebildet ist, und die aus mehreren Lagen aufgebaut ist, welche als eine reflektivitätserhöhende dielektrische Beschichtung wirksam sind.
• Wärmestrahlung kann elastomeren Produkten schaden, wenn sie die Temperatur an deren Oberfläche deutlich anhebt. Zum Schutz vor Wärmestrahlung können thermisch empfindliche Produkte mit einer Abschirmung oder einer Beschichtung versehen werden. Herkömmliche metallische Abschirmungen oder Spiegel sind allerdings kaum frequenzselektiv wirksam sowie recht unflexibel.
• Aus der DE 10 2009 044 533 A1 ist eine strahlungsreflektierende Schutzschicht zum Schutz eines elastomeren Grundkörpers gegen elektromagnetische Strahlung bekannt. Die Schutzschicht besteht aus einem einlagigen polymeren Basiswerkstoff, welcher durch Polymerisation von Isocyanat mit Wasser ein Polymerisat erzeugt, das mit dem elastomeren Grundkörper durch Vulkanisieren eine Haftverbindung eingeht. In die Schutzschicht sind reflektierende Mikropartikel, insbesondere Aluminiumpartikel, eingemischt.
• Die DE 10 2007 023 995 A1 offenbart eine Schutzschicht für Oberflächen von elastomeren Elementen, insbesondere für die Balgwand eines Luftfederbalges. Um die Oberfläche gegen Wärme und sonstige Strahlenbelastung zu schützen ist die Schutzschicht aus fest mit der Oberfläche der elastomeren Elemente verbundenem Fluorkautschuk mit eingebetteten Mikroteilchen ausgebildet, wobei die Mikroteilchen gegen elektromagnetische Strahlungen, insbesondere Wärmestrahlen, eine hohe Reflexionsfähigkeit aufweisen.
• Die DE 10 2010 038 083 A1 offenbart einen Artikel mit einem Grundkörper aus einem Polymerwerkstoff, wobei der Polymerwerkstoff des Grundkörpers vollständig oder teilweise aus einer rußfreien Polymermischung besteht, in der Mikropartikel mit Reflexionsfähigkeit eingemischt sind.
• Durch die Mikropartikel erhält die Schutzschicht allerdings eine breitbandige Reflektivität für alle Wellenlängen. Elektromagnetische Strahlung wird nicht nur im für den Wärmeschutz relevanten infraroten Wellenlängenbereich sondern auch im für die Farbgebung relevanten sichtbaren Wellenlängenbereich und im für die Kommunikation mit Sensoren relevanten Funkwellenbereich von der Schutzschicht reflektiert. Schutzschichten zum frequenzselektiven Reflektieren elektromagnetischer Strahlung können durch sogenannte dielektrische Spiegel realisiert werden. Eine solche reflektivitätserhöhende Beschichtung für einen festgelegten Wellenlängenbereich kann erzeugt werden, indem abwechselnd dielektrische Lagen mit hohem beziehungsweise niedrigem Brechungsindex auf ein Substrat aufgebracht werden. Dabei unterliegen die einzelnen Lagen jeweils der Beziehung für die optische Dicke ${\text{n}}_{\text{H}}{\text{d}}_{\text{H}}={\text{n}}_{\text{L}}{\text{d}}_{\text{L}}=\frac{{\mathrm{\lambda }}_0}{4}\text{k}$

  

  (Gleichung 1), (k = 1,3,5,7...), mit dem hohen Brechungsindex n_H, der geometrischen Dicke d_H der Lage mit dem hohem Brechungsindex, dem niedrigen Brechungsindex n_L, der geometrischen Dicke d_L der Lage mit dem niedrigen Brechungsindex und der Wellenlänge λ₀ der einfallenden Strahlung, wobei der Brechungsindex n mit der relativen Permittivität ε_r der jeweiligen dielektrischen Lage gemäß der Gleichung $\text{n}=\sqrt{{\mathrm{\epsilon }}_{\text{r}}}$

  

  korreliert ist. Dem liegt die Wechselwirkung elektromagnetischer Felder mit einem Dielektrikum zugrunde, wobei es im atomaren und molekularen Bereich zu Polarisierungseffekten, wie Verschiebungspolarisierung, atomarer Polarisierung und/oder Orientierungspolarisierung, kommt.
• Bei einem ausreichenden dielektrischen Kontrast aufgrund des Brechungsindexunterschiedes interferieren die an den Grenzflächen der Lagen einfallenden Teilstrahlen in Reflexionsrichtung konstruktiv und in Fortpflanzungsrichtung destruktiv, wenn die Wellenlänge beziehungsweise die k-ten Oberschwingungen der Wellenlänge dem Vierfachen der optischen Weglänge der jeweiligen Lage entspricht. Die Reflektivität einer dielektrischen Schicht mit einer Anzahl von 2N Lagen ergibt sich aus der Gleichung $\text{R}={\left(\frac{1-{\left({\text{n}}_{\text{H}}/{\text{n}}_{\text{L}}\right)}^{\text{2N}}}{1+{\left({\text{n}}_{\text{H}}/{\text{n}}_{\text{L}}\right)}^{\text{2N}}}\right)}^2,$

  

  woraus folgt, dass die Reflektivität mit wachsender Anzahl von Lagen gegen Eins geht. Durch die destruktive Interferenz der Teilstrahlen in der Einfallrichtung und die konstruktive Interferenz der Teilstrahlen in der Ausfallrichtung reduziert sich die Transmission beziehungsweise verbessert sich die Reflexion für die passenden Wellenlängen beziehungsweise Frequenzen der Grundschwingung k = 1 und der Oberschwingungen (k = 3,5,7...) In einem Transmissionsspektrum bilden sich für die Grundschwingungen und die Oberschwingungen sogenannte Stoppbanden aus. Dies sind Frequenzbereiche, in denen sich einfallende Wellen, deren Frequenzen innerhalb dieser Bereiche liegen, nicht über die dielektrische Beschichtung hinaus ausbreiten können.
• Optische Beschichtungen, die auf den Eigenschaften dünner dielektrischer Schichten beruhen, sind bereits bekannt. Für den Laborbedarf sind Infrarotspiegel mit dielektrischen Beschichtungen erhältlich, welche Wellenlängen zwischen 700 nm und 1150 nm, beziehungsweise Frequenzen zwischen 428 THz und 260 THz reflektieren, um die Wärmebelastung von empfindlichen Optiken zu verringern. Allerdings sind diese dielektrischen Spiegel mechanisch empfindlich und daher nicht an dehnungsbeanspruchte elastomere Bauteile oder Produkte anpassbar.
• Aus den Forschungsveröffentlichungen „D. Turchinovich et al., Flexible all-plastic mirrors for the THz range, Applied Physics A, February 2002, Volume 74, Issue 2, pp 291-293“, „Frank Rutz et al., Ceramic dielectric mirrors for the terahertz range, Applied Optics, Vol. 45, Issue 31, pp. 8070-8073 (2006)“ und „N. Krumbholz et al., Omnidirectional terahertz mirrors: A key element for future terahertz communication systems, Appl. Phys. Lett. 88, 202905 (2006)“ sind dielektrische Spiegel bekannt, die aus reinen Kunststoffschichten, aus Keramikschichten oder aus Polypropylenschichten bestehen. Allerdings sind diese dielektrischen Spiegel aus starren oder spröden Strukturen gefertigt und daher ebenfalls nicht an dehnungsbeanspruchte Elastomerprodukte anpassbar.
• Aus der DE 10 2007 021 954 A1 ist eine als dielektrischer Spiegel wirksame mehrlagige Schutzschicht zum Reflektieren elektromagnetischer Strahlung bekannt. Die Schutzschicht weist im Frequenzbereich zwischen 5 GHz und 10 THz ein vergleichsweise schmales Reflexionsmaximum auf, welches typischerweise eine Frequenzbreite von einigen Zehntel THz hat. Der genannte Frequenzbereich ist dem EHF-Frequenzbereich (Extremely High Frequency) und dem SHF-Frequenzbereich (Super High Frequency) beziehungsweise dem Millimeter- und Zentimeter-Wellenbereich zuzuordnen, welche vorwiegend für drahtlose Kommunikationsdienste genutzt werden. Das Reflexionsmaximum der Schutzschicht ist durch deren Ausgestaltung in seiner Lage und Breite einstellbar. Außerhalb des Reflexionsmaximums kann die Schutzschicht, mit Einschränkungen im optischen Frequenzbereich, weitgehend strahlungsdurchlässig sein. Zumindest ist sie innerhalb des genannten Frequenzbereichs und außerhalb des Reflexionsmaximums für eine Referenzfrequenz strahlungsdurchlässig. Die reflektierende Schutzschicht weist wenigstens eine erste und eine zweite Lage auf, wobei die Dicke der Lagen jeweils einem Viertel oder der Hälfte der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung der Referenzfrequenz entspricht. Die erste Lage besteht aus einem Kunststoff, der mit einem Füllstoff versetzt ist, und weist einen ersten Brechungsindex auf. Der Füllstoff der ersten Lage ist beispielsweise ein TiO₂-Pulver. Die zweite Lage kann aus dem gleichen Kunststoff bestehen, ist aber nicht mit Füllstoff versetzt und weist einen zweiten Brechungsindex auf, welcher kleiner als der Brechungsindex der ersten Lage ist. Der Kunststoff ist vorzugsweise ein Thermoplast, also ein bei Raumtemperatur nicht elastisches Material. Beispielsweise sind zur Bildung der Schutzschicht zwei miteinander verklebte Lagen nicht elastischer Polypropylen-Folie ausgebildet, von denen eine mit dem Füllstoff versetzt ist.
• Die US 2011/0134515 A1 betrifft ebenfalls einen mehrschichtigen stapelförmigen Aufbau aus mindestens drei Schichten, wobei die mindestens drei Schichten mindestens ein Material mit einem ersten Brechungsindex und mindestens eine Schicht mit einem zweiten Brechungsindex aufweisen. Die mindestens eine Materialschicht mit dem ersten Brechungsindex und die mindestens eine Materialschicht mit dem zweiten Brechungsindex weisen jeweils eine vordefinierte, voneinander verschiedene Dicke auf, sodass der mehrschichtige Stapel eine nichtperiodische Schichtstruktur aufweist.
• Die US 2013/0279000 A1 betrifft ebenfalls einen schichtweisen Aufbau zur Reflexion infraroter Strahlung.
• Die DE 10 2007 021 954 A1 offenbart eine Schichtanordnung zum Reflektieren elektromagnetischer Strahlung mit einer ersten Schicht und einer darauf vorgesehenen zweiten Schicht. Die erste Schicht ist aus einem für elektromagnetische Strahlung durchlässigen ersten Material mit einem ersten Brechungsindex gebildet, wobei die zweite Schicht aus einem für die elektromagnetische Strahlung durchlässigen zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex gebildet, wobei der erste Brechungsindex größer als der zweite Brechungsindex ist.
• Die Ausbildung einer elastomere Schutzschicht zum frequenzselektiven Schutz elastomerer Bauteile ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschicht für ein Elastomerprodukt vorzustellen, die an das mechanische Verhalten des Elastomerprodukts, auf dem sie angeordnet ist, anpassungsfähig ist, die sich frequenzselektiv gegenüber elektromagnetischer Bestrahlung verhält, und die zum thermischen Schutz des Elastomerprodukts Wärmestrahlung reflektiert.
• Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Brechungsindex dielektrischer Körper für einfallende elektromagnetische Strahlung mit deren Permittivität verknüpft ist. Durch eine dielektrische Modifikation mit Additiven, also mit geeigneten Beimischungen von Füllstoffen, kann der Brechungsindex in dielektrischen dünnen Schichten gezielt eingestellt werden. Dadurch erhält ein dielektrischer Spiegel, der aus mehreren solcher Schichten mit alternierenden Brechungsindizes aufgebaut ist, bestimmte Reflexions- und Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Wellen, abhängig von deren Wellenlänge. Dies lässt sich gezielt dazu nutzen, um einen Strahlungsschutz mit bestimmten gewünschten Eigenschaften für ein Elastomerprodukt zu schaffen.
• Eine Schutzschicht eines betreffenden Elastomerprodukts soll zum einen mechanische Eigenschaften besitzen, durch die sie sich möglichst ohne mechanische Spannungen an elastische Bewegungen des mit ihr verbundenen Produkts anpassen kann. Die Schutzschicht soll zum anderen optische Eigenschaften besitzen, mittels denen sie schädliche Wärmestrahlung blockiert, aber in anderen Strahlungsbereichen, welche von funktionalem und/oder ästhetischem Interesse eines Anwenders sind, nicht hinderlich ist.
• Die Erfindung geht daher aus von einer Schutzschicht für ein Elastomerprodukt zum frequenzselektiven Reflektieren elektromagnetischer Strahlung, die als ein Wärmestrahlungsschutz ausgebildet ist, und die aus mehreren Lagen aufgebaut ist, welche als eine reflektivitätserhöhende dielektrische Beschichtung wirksam sind. Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass die Schutzschicht aus dem gleichen Elastomer oder aus einem Elastomer mit vergleichbaren mechanischen Eigenschaften wie das zu schützende Elastomerprodukt besteht, wobei die einzelnen Lagen der Schutzschicht alternierend mit einem den Brechungsindex des Materials der Schutzschicht modifizierenden Additiv behandelt und unbehandelt sind, so dass die elastische Schutzschicht innerhalb eines festgelegten Frequenzbereichs des elektromagnetischen Strahlungsspektrums, wenigstens im Infrarotbereich bei Frequenzen von 6 THz bis 60 THz, reflektivitätserhöhend wirkt, sowie außerhalb des festgelegten Frequenzbereichs, wenigstens in solchen Teilbereichen des elektromagnetischen Strahlungsspektrums, welche sichtbarer Strahlung und Funkwellen zugeordnet sind, weitgehend strahlungsdurchlässig ist.
• Unter einem Elastomer wird ein synthetischer oder natürlicher Kautschuk oder ein diesen ähnlicher elastischer Werkstoff mit dielektrischen Materialeigenschaften verstanden. Unter einem Elastomerprodukt wird ein Artikel oder ein Bauteil verstanden, welcher/welches ganz oder in Teilen aus einem Elastomer besteht und zumindest in bestimmten Teilen oder Bereichen elastische Eigenschaften aufweist.
• Unter einem Additiv wird ein Stoff verstanden, der einem dielektrischen Material einer Schutzschicht zugesetzt wird, um dessen Brechungsindex in einer gewünschter Weise zu ändern. Unter einer Behandlung einer Lage wird ein Versetzen oder Einarbeiten eines solchen Additivs in die Lage verstanden. Unter einer unbehandelten Lage wird eine Lage verstanden, die nicht mit einem den Brechungsindex des Materials der Schutzschicht modifizierenden Additiv behandelt ist.
• Unter einem Brechungsindex wird ein Maß für die Materialeigenschaft eines Mediums verstanden, einfallende elektromagnetische Wellen beim Übertritt von einem Medium in ein anders Medium unter Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Ausbreitungsrichtung frequenzselektiv zu brechen. Diese Materialeigenschaft kann auch durch eine Korrelation des Brechungsindex mit der relativen Permittivität eines dielektrischen Materials ausgedrückt werden. Unter einer dielektrischen Modifizierung ist daher hier eine Modifizierung des Brechungsindexes zu verstehen.
• Die Permittivität beschreibt die frequenzabhängige Durchlässigkeit eines Dielektrikums für elektrische Felder. Die Permittivität, oder genauer gesagt die Permittivitätsdifferenz an den Grenzflächen, ist hinsichtlich der Erfindung maßgebend für die frequenzabhängige beziehungsweise wellenlängenabhängige Reflexion oder Transmission elektromagnetischer Strahlung an dielektrischen Grenzschichten, und damit die Grundlage für die Realisierung dielektrischer Spiegel.
• Im Folgenden werden für die elektromagnetische Strahlung sowohl Frequenzangaben als auch Wellenlängenangaben verwendet. Eine Umrechnung kann gemäß der Formel $\mathrm{\lambda }=\frac{\text{c}}{\text{f}}$

  

  beziehungsweise $\text{f}=\frac{\text{c}}{\mathrm{\lambda }}$

  

  erfolgen, wobei λ für die Wellenlänge steht und mit c = 3 · 10⁸ m/s die Lichtgeschwindigkeit angegeben ist.
• Es hat sich herausgestellt, dass ein bedeutender Anteil der auf ein Elastomerprodukt schädlich einwirkenden Wärme in Form von Strahlung bei Wellenlängen im Bereich von λ = 5 µm - 50 µm, entsprechend Frequenzen im Bereich von f = 6 THz - 60 THz, übertragen wird.
• Die Erfindung beruht auf einer Schichtstruktur mit alternierendem Brechungsindex beziehungsweise alternierender Permittivität im Bereich dieser Wärmestrahlung. Die Wellen der Wärmestrahlung können unter bestimmten Voraussetzungen bei der Ausbreitung durch diese Schichtstruktur so interferieren, dass sich ein dielektrischer Spiegel für Wärmewellen ergibt. Die Interferenz der Wärmestrahlung resultiert aus der Teilreflektion an den Grenzflächen zwischen den Schichtlagen aufgrund deren dielektrischen Kontrastes. Besitzt eine Schichtstruktur zwischen den Einzellagen sowie zur umgebenden Luft einen ausreichenden dielektrischen Kontrast, was gleichbedeutend ist mit einem ausreichenden Brechungsindexunterschied, und genügt die optische Dicke der Schichten der bereits eingangs beschriebenen Beziehung $${\text{n}}_{\text{H}}{\text{d}}_{\text{H}}={\text{n}}_{\text{L}}{\text{d}}_{\text{L}}=\frac{{\mathrm{\lambda }}_0}{4}\text{k}$$

  

  (k = 1,3,5,7), kommt es zu destruktiver Interferenz in der Ausbreitungsrichtung der Wärmestrahlung und zu konstruktiver Interferenz in der Reflexionsrichtung der Wärmestrahlung. Dadurch reduziert sich die Transmission und verbessert sich entsprechend die Reflexion für die passenden Frequenzen der Grundschwingung k = 1 und der Oberschwingungen (k = 3,5,7...). Daraus resultieren in einem Transmissionsspektrum sogenannte diskrete Stoppbanden in dem entsprechenden Frequenzbereich um eine Wellenlänge, für die der dielektrische Spiegel ausgelegt ist: ${\mathrm{\lambda }}_0=\frac{4}{\text{k}}{\text{n}}_{\text{H}\text{,L}}{\text{d}}_{\text{H}\text{,L}}.$

  

  Die Auslegungswellenlänge λ₀ ist eine mittlere Wellenlänge der Grundschwingung k = 1, innerhalb des Bereichs der Wärmestrahlung, für den die Schutzschicht möglichst effektiv reflektierend sein soll. Die Oberschwingungen (k = 3,5,7...) dieser Auslegungswellenlänge fungieren als weitere Auslegungswellenlängen höherer Ordnung. Aufgrund von Fertigungstoleranzen, Einfallswinkelabhängigkeiten und weiteren Materialeinflüssen ergeben sich in der Praxis allerdings keine diskreten Stoppbanden, sondern eher relativ breite Wellenlängenbereiche, in denen sich die Wärmestrahlung nicht über die Schutzschicht hinaus ausbreiten kann.
• An dieser Stelle sei angemerkt, dass der genannte Wellenlängenbereich, für den die Schutzschicht ausgelegt sein soll, nicht als streng festgelegter Bereich sondern als ein bevorzugter Bereich zu verstehen ist, der sich als besonders effektiv für den Wärmestrahlungsschutz eines Elastomerprodukts herausgestellt hat.
• Durch die Erfindung ist somit eine Schutzschicht für elastomere Produkte geschaffen, die wie ein elastischer dielektrischer Spiegel für Infrarotstrahlung wirkt. Die Wärmestrahlungsschutzschicht reflektiert frequenzselektiv im Wesentlichen nur Wärmestrahlung. Die Schutzschicht ist für sichtbares Licht zumindest annähernd transparent, so dass das zu schützende Elastomerprodukt seine ursprüngliche Farbe behält. Außerdem ist die Schutzschicht weitgehend transparent für Funkwellen, so dass sie die Kommunikation mit in das Produkt eingearbeiteten Sensoren, wie beispielsweise Antennen und/oder Transpondern, welche Informationen über den Materialzustand und/oder den Funktionszustand des Produkts übertragen können, nicht behindert.
• Demnach besteht ein besonderer Vorteil der dielektrischen Schutzschicht gemäß der Erfindung in deren Frequenzselektivitat. Während eine herkömmliche Metallbeschichtung elektromagnetische Wellen aller Frequenzen spiegeln würde, lässt sich ein dielektrischer Spiegel so anpassen, dass er nur in bestimmten Spektralbereichen reflektiert. Dies ermöglicht es, mit dem Elastomerprodukt durch die Wärmestrahlungsschutzschicht hindurch drahtlos zu kommunizieren. Beispielweise kann in dem betreffenden Elastomerprodukt ein RFID-Trans-
  ponder (radio-frequency identification Transponder) eingebettet sein. Ein sogenannter RFID-Tag besteht aus einem geeigneten Transponderelement, das an einem Sensor oder einem Datengeber angeordnet ist, und einem entfernten Transponder-Lesegerät, und dient zur drahtlosen Übertragung und/oder zur produktspezifischen Speicherung von Informationen.
• Weitere Vorteile resultieren aus dem Ansatz, die zur Realisierung des dielektrischen Spiegels erforderlichen hochbrechenden Schichten aus dem dielektrisch modifizierten Material des Produkts selbst herzustellen. Bei einem Serienprodukt aus einer Gummimischung kann somit die Schutzschicht auch aus dieser Gummimischung bestehen, allerdings in den Lagen der oberflächennahen Schicht alternierend mit einem geeigneten Additiv beziehungsweise Füllstoff versetzt, so dass dort ein hoher dielektrischer Kontrast erzeugt wird.
• Im Gegensatz zu herkömmlichen Spiegeln aus Metall oder Keramik kann eine solche Schutzschicht direkt bei einer Vulkanisierung des Produkts gleichzeitig mit dem zu schützenden Produkt stoffschlüssig verbunden werden und weist dann nahezu die gleichen mechanischen Eigenschaften auf, wie das Produkt selbst. Der dielektrische Wärmeschutz ist somit für dynamisch belastete
  elastomere Artikel oder Bauteile, die mit großen Dehnungsänderungen reagieren können, besonders geeignet.
• Die erfindungsgemäße Schutzschicht lässt sich grundsätzlich bei allen Elastomerprodukten anwenden, von denen Wärmestrahlung ferngehalten werden soll oder die selbst die Funktion einer Wärmebarriere übernehmen sollen. Beispielhafte Anwendungen sind: Bälge in Luftfedern von Kraftfahrzeugen, Motorlager, Schläuche für Fahrzeugreifen, Antriebsriemen und Schutzanzüge.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Schichtstruktur aus drei funktionalen Lagen ausgebildet ist, welche aus dem gleichen Material wie das Elastomerprodukt besteht, wobei eine obere Lage, welche auf einer Außenseite des Elastomerprodukts in Strahlungseinfallsrichtung angeordnet ist und eine untere Lage, welche auf einer Unterlage oder unmittelbar auf der Oberfläche des Elastomerprodukts angeordnet ist, mit einem den Brechungsindex dieser beiden Lagen erhöhenden Additiv versetzt sind, und wobei eine mittlere Lage unbehandelt ist. Die Lagen der Schutzschicht können miteinander und mit dem Elastomerprodukt stoffschlüssig verbundenen sein. Selbstverständlich sind auch Schichtstrukturen mit einer höheren Anzahl von Einzellagen möglich, die nach diesem Schema aufgebaut sind.
• Ein Elastomerprodukt mit einer solchen Schutzschicht kann beispielsweise aus einer auf Chloropren-Kautschuk basierenden Gummimischung bestehen. Chloropren-Kautschuk ist als Werkstoff im Fahrzeugbau weit verbreitet. Für Schutzanzüge oder Sportbekleidung wird dieses Material auch unter dem Namen Neopren häufig verwendet. Als Additiv kann beispielsweise ein feines Pulver aus Titandioxid-Partikeln in den Chloropren-Kautschuk eingearbeitet werden. In Versuchen mit Prüfkörpern konnte bereits gezeigt werden, dass durch die dielektrische Modifizierung eines Chloropren-Kautschuks eines elastomeren Serienprodukts mit Schichten mit Titandioxid, alternierend mit Schichten mit dem unveränderten Material des Serienprodukts, ein effektiver dielektrischer Spiegel für Wärmestrahlung mit einem hohen dielektrischen Kontrast realisierbar ist.
• Wenn die Teilchengröße der in die Kautschuk-Matrix eingearbeiteten Partikel klein gegenüber der Auslegungswellenlänge ist, und wenn das Additiv in dem Elastomer gleichmäßig verteilt sowie gut benetzt ist, lässt sich in den derart behandelten Schichten ein signifikant höherer Brechungsindex gegenüber den unbehandelten Schichten erzeugen. In der Folge des hohen dielektrischen Kontrasts in der Schutzschicht stellt sich eine effektive Wechselwirkung ein, die zu der gewünschten Destruktion der Wärmeabstrahlung in Richtung des zu schützenden Elastomerprodukts führt.
• Es hat sich gezeigt, dass ein besonders effektiver Wärmestrahlungsschutz für ein Elastomerprodukt erreicht werden kann, wenn die mittlere Teilchengröße der Partikel des Additivs in einer Größenordnung liegt, die um mindestens den Faktor Hundert kleiner ist, als eine Auslegungswellenlänge, für die der Wärmestrahlungsschutz der Schutzschicht ausgelegt ist. Für den angestrebten Strahlungsschutz im Wellenlängenbereich von λ = 5 µm - 50 µm oder im Frequenzbereich von f = 6 THz - 60 THz ist demnach eine mittlere Teilchengröße der Partikel des Additivs in einer Größenordnung von 50 nm bis 100 nm vorteilhaft.
• Wie durchgeführte Unersuchungen zeigten, sind als Additiv Teilchen aus Titandioxid (TiO₂) sehr gut geeignet, wenn diese zur Ausbildung einer Schutzschicht beispielsweise in einem Anteil von etwa 13% (Volumen), entsprechend 90 parts per hundred rubber (phr), und mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 80 nm, in einer auf Chloropren-Kautschuk basierenden Gummimischung eingemischt sind. Dies erzeugt einen ausreichend hohen dielektrischen Kontrast zur Realisierung eines dielektrischen Spiegels an einem Produkt aus einem elastomeren Werkstoff.
• Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die mittlere Teilchengröße der Partikel des Additivs in der gleichen Größenordnung liegt wie eine Auslegungswellenlänge, für die der Wärmestrahlungsschutz der Schutzschicht ausgelegt ist.
• Demnach kann auch die streuende Wirkung eines hoch brechenden Additivs genutzt werden, um einen Wärmestrahlungsschutz zu erreichen. Wenn die mittlere Teilchengröße der Partikel des Additivs in der Größenordnung der Auslegungswellenlänge beziehungsweise der Auslegungswellenlängen liegt, überwiegt anstelle der konstruktiven oder destruktiven Interferenz der Wärmestrahlung deren Streuung in der dielektrischen Schutzschicht. Die Partikel fungieren in diesem Fall überwiegend als einzelne, agglomerate Streuzentren für die Wärmestrahlungswellen. Die Wärmestrahlungsleistung wird durch die Streuzentren in alle Raumrichtungen umverteilt, so dass im Ergebnis auch durch die Wärmestreuung mehr Wärmestrahlung reflektiert und weniger Wärmestrahlung in das zu schützende Produkt vordringen kann. Die Schutzwirkung eines durch Wellenstreuung dominierten Strahlungsschutzes ist im Vergleich zu einem durch destruktive Welleninterferenz dominierten Strahlungsschutz zwar geringer. Grundsätzlich kann jedoch auch schon durch eine dielektrisch modifizierte streuende Schicht eine Wärmestrahlungsschutzwirkung für ein Elastomerprodukt mit einem etwas geringeren Wirkungsgrad erreicht werden. Die Streuschicht kann eine Deckschicht sein, die auf einer nicht modifizierten Schicht angeordnet ist, wobei die nicht modifizierte Schicht Bestandteil des zu schützenden Produkts sein kann.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen weiter erläutert. Darin zeigt
• 1 ein Schema der Phasenänderungen einer elektromagnetischen Welle beim Durchlaufen einer Schichtstruktur gemäß der Erfindung,
• 2 ein Schema einer Schichtstruktur gemäß der Erfindung, zur Bildung einer als dielektrischer Spiegel wirksamen Wärmestrahlungsschutzschicht für ein Elastomerprodukt,
• 3 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Schichtstruktur gemäß der Erfindung,
• 4 ein Diagramm mit einem Strahlungsfrequenzverlauf des Brechungsindex eines Elastomers und eines dielektrisch modifizierten Elastomers gemäß der Erfindung, und
• 5 ein Schema einer alternativen Schichtstruktur gemäß der Erfindung, zur Bildung eines Wärmestrahlungsschutzes für ein Elastomerprodukt.
• Die 1 verdeutlicht das Funktionsprinzip eines dielektrischen Spiegels, der auf einem vor dem Eintrag von Wärmestrahlung zu schützenden Elastomerprodukt 4 angeordnet sein kann. Demnach resultiert die Reflektivität einer dielektrischen Schichtstruktur, welche aus abwechselnden Lagen beziehungsweise Schichten der Dicke d_H mit hohem Brechungsindex n_H und der Dicke d_L mit niedrigem Brechungsindex n_L besteht, aus der Teilreflexion einer einfallenden elektromagnetischen Welle 7 an den Grenzflächen der einzelnen Schichten. Um eine Interferenz der Teilstrahlen zu erhalten, die zur der gewünschten konstruktiven Interferenz, also Strahlungserhöhung in Reflexionsrichtung sowie destruktiven Interferenz, also Strahlungsauslöschung in Transmissionsrichtung für eine Auslegungswellenlänge führt, muss die optische Dicke der Schichten jeweils ${\text{n}}_{\text{H}}{\text{d}}_{\text{H}}={\text{n}}_{\text{L}}{\text{d}}_{\text{L}}=\frac{{\mathrm{\lambda }}_0}{4}\text{k}$

  

  betragen, wobei (k = 1,3,5,7...) die Schwingungsordnung und λ₀ die Wellenlänge der einfallenden Welle sind. In 1 verläuft die Transmissionsrichtung in Blickrichtung von links nach rechts und die Reflexionsrichtung entsprechend von rechts nach links.
• Die Transmission durch jede Schichtlage mit der optischen Dicke n_Hd_H = n_Ld_L bewirkt eine Phasenveränderung der Wärmewelle um den Wert $\frac{\mathrm{\pi }}{2}.$

  

  . Die Reflexion an der Grenzfläche von einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex n_L zu einer Schicht mit hohem Brechungsindex n_H führt zu einer zusätzliche Phasenänderung der Wärmestrahlungswelle um den Wert $\frac{\mathrm{\pi }}{2}$

  

  und damit zu einem resultierenden Phasensprung mit dem Wert π. Alle teilreflektierten Wellen mit den Auslegungswellenlängen k - λ₀ weisen somit eine Phasenänderung von k·π zur eingestrahlten Welle auf. Daraus ergibt sich für jeweils zwei miteinander interferierende reflektierte Teilstrahlen eine Differenz der Phasenänderungen in Höhe 2 π. Aufgrund dieser Phasenänderung interferieren die Teilstrahlen in Reflexionsrichtung konstruktiv. Alle transmitierenden Teilstrahlen weisen hingegen eine Differenz der Phasenänderungen von π auf und interferieren daher in Transmissionsrichtung destruktiv. Daraus resultiert eine erhöhte frequenzselektive Reflektivität und somit eine Reduzierung des Eintrags von Wärmestrahlung in das Elastomerprodukt 4 im Frequenzbereich um die Auslegungswellenlänge und die Stoppbanden, welche sich für die Grundschwingungen und die Oberschwingungen der Auslegungswellenlänge im Transmissionsspektrum ausbilden. Elektromagnetische Wellen außerhalb der Stoppbanden, welche die Bedingung für die optische Dicke nicht erfüllen, werden hingegen nahezu ungehindert transmittiert.
• Die 2 zeigt eine beispielhafte Schichtstruktur 1 mit drei funktionalen Lagen 2a, 3a, 2b sowie einer Unterlage 3b, welche durch eine zusätzliche, nichtfunktionale Lage oder durch das zu schützende Elastomerprodukt 4 selbst gebildet sein kann. Die Schichtstruktur 1 kann während eines Vulkanisierungsverfahrens mit dem Elastomerprodukt 4 stoffschlüssig verbunden sein.
• Dabei ist die oberste Lage 2a auf der Außenseite des Elastomerprodukts 4 ausgebildet, also in Richtung zu der einfallenden Wärmestrahlung. Sie besteht aus einem Material mit einem vergleichsweise hohen Brechungsindex, beispielsweise aus einer auf Chloropren-Kautschuk basierenden Gummimischung, aus der auch das Elastomerprodukt 4 selbst besteht. Diese äußere Lage 2a ist jedoch dielektrisch modifiziert worden, um ihren Brechungsindex gegenüber dem nichtmodifizierten Material weiter zu erhöhen.
• Ein hoher dielektrischer Kontrast (Brechungsindexunterschied) zum Grundmaterial wird erreicht, indem ein hoch brechendes Additiv in die Gummimischung eingearbeitet wird. In ersten Vorversuchen hat sich gezeigt, dass beispielsweise Titandioxid-Teilchen (TiO₂) in einem Anteil von etwa 13% (Volumen), entsprechend 90 parts per hundred rubber (phr), mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 80 nm, als Additiv in einer auf Chloropren-Kautschuk basierenden Gummimischung sehr gut geeignet sind, um einen ausreichend hohen dielektrischen Kontrast zur Realisierung der Schutzschicht 1,1' des dielektrischen Spiegels zu erzeugen. Dabei wurde eine gute Dispergierung des Additivs im Grundmaterial sichergestellt, um eine möglichst effektive Wechselwirkung der Strahlung mit der modifizierten Lage zu gewährleisten. Unter der obersten Lage 2a liegt eine Lage 3a aus der nichtmodifizierten Gummimischung des Produkts und darunter wiederum eine modifizierte Lage 2b.
• Die 3 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer solchen Schichtstruktur, in der die einzelnen Lagen 2a, 3a, 2b, 3b in Blickrichtung von links nach rechts deutlich zu erkennen sind. Die ersten drei Lagen 2a, 3a, 2b weisen geometrische Schichtdicken zwischen 250 µm und 300 µm auf, die Unterlage 3b eine Schichtdicke von etwa 1300 µm. Daraus ergeben sich bei einem Brechungsindex zwischen etwa n = 2,5 und n = 3 optische Dicken im Bereich von etwa 750 µm, so dass gemäß Gleichung 1 eine 1. Stoppbande (k = 1) im Bereich von 100 Ghz und beispielsweise eine 5. Stoppbande (k = 5) im Bereich von 500 Ghz liegt. Hierbei handelt es sich lediglich um eine Machbarkeitsstudie. Für den angestrebten Schutzbereich für Wärmestrahlung im Frequenzbereich von f = 6 THz - 60 THz wären dann optische Schichtdicken in einer Größenordnung von 1 µm bis 100 µm erforderlich.
• Die 4 zeigt die Frequenzverläufe n(f)_n_L, n(f)_n_H der beiden Brechungsindizes n_L, n_H, der auf der auf Chloropren-Kautschuk basierenden Gummimischung SM (= Serienmischung) und ihrer dielektrischen Modifikation KM (= Kontrastmischung) mit etwa 13 Vol.% TiO₂, gemessen an 300 µm und 400 µm dünnen Prüfkörpern. Deutlich ist der dielektrische Kontrast zu erkennen, der zur Bildung der alternierenden Schichtstruktur erforderlich ist.
• Der Brechungsindex n_L der auf Chloropren-Kautschuk basierenden Gummimischung SM und der Brechungsindex n_H der höher brechend modifizierten Schicht wurden für den Infrarotstrahlungsbereich mittels Messungen im THz-Frequenzbereich bis 3 THz abgeschätzt. Die Wechselwirkung elektromagnetischer Felder mit dem Dielektrikum ist in diesem Frequenzbereich durch die atomare Polarisation, also die Verschiebung der Elektronenhüllen gegenüber den Atomkernen, bestimmt. Andere Wechselwirkungsmechanismen sind von untergeordneter Bedeutung. Daher sind mit weiter steigender Frequenz im Infrarot-Bereich keine signifikanten Änderungen der Permittivität zu erwarten. Gemäß 4 sollten somit die dielektrischen Werte bei ca. 0,5 THz bis 2 THz zur Charakterisierung und Auslegung eines effektiven dielektrischen Wärmespiegels zumindest näherungsweise genügen. Die Brechungsindexdifferenz scheint sich sogar vorteilhaft zu höheren Frequenzen, also den für die Anwendung wichtigen Frequenzen noch zu vergrößern.
• 5 zeigt ein Schema einer zur Schichtstruktur 1 der 2 alternativen Schichtstruktur 1'. Demnach kann auch die streuende Wirkung eines hoch brechenden Additivs zur Bildung eines Wärmestrahlungsschutzes für ein Elastomerprodukt genutzt werden, sofern die Teilchengröße, im Gegensatz zu dem Beispiel gemäß 2, in der Größenordnung der Auslegungswellenlänge/n ist. Dabei ist die Wirkung nicht so hoch wie bei der destruktiven Interferenz, jedoch wird die Wärmestrahlungsleistung durch die durch die Teilchen gebildeten Streuzentren in alle Raumrichtungen umverteilt, so dass anteilig auch hier weniger Wärme in das Elastomerprodukt vordringen kann. Dann reicht eine dielektrisch modifizierte streuende Deckschicht 5 aus, welche auf einer Unterlage 6 angeordnet ist, welche durch eine zusätzliche nichtfunktionale Lage, oder durch das zu schützende Elastomerprodukt 4 selbst gebildet sein kann, um einen Wärmestrahlungsschutz zu erzeugen.
• Bezugszeichenliste

1,1'

Schichtstruktur, Schutzschicht

2a, 2b

Lage, Schicht

3a, 3b

Lage, Schicht

4

Elastomerprodukt

5

Lage, Schicht

6

Lage, Schicht

7

Elektromagnetische Welle

dH

Dicke der modifizierten hochbrechenden Lage

dL

Dicke der unbehandelten geringbrechenden Lage

εr

Relative Permittivität

f

Frequenz

GHz

Gigahertz (10⁹ Hz)

k

Schwingungsordnung

λ0

Wellenlänge

µm

Mikrometer (10^-6 m)

n0

Brechungsindex Umgebung (Luft)

nH

Brechungsindex modifizierte Lage (High)

nL

Brechungsindex unbehandelte Lage (Low)

nm

Nanometer (10^-9 m)

π

Phasenverschiebung, Phasenveränderung

THz

Terahertz (10¹² Hz)

Claims (9)

1. Schutzschicht für ein Elastomerprodukt zum frequenzselektiven Reflektieren elektromagnetischer Strahlung, die als ein Wärmestrahlungsschutz ausgebildet ist, und die aus mehreren Lagen (2a, 2b, 3a, 3b, 5, 6) aufgebaut ist, welche als eine reflektivitätserhöhende dielektrische Beschichtung wirksam sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (1, 1') aus dem gleichen Elastomer oder aus einem Elastomer mit vergleichbaren mechanischen Eigenschaften wie das zu schützende Elastomerprodukt (4) besteht, wobei die einzelnen Lagen (2a, 2b, 3a, 3b, 5, 6) der Schutzschicht (1, 1') alternierend mit einem den Brechungsindex des Materials der Schutzschicht (1, 1') modifizierenden Additiv behandelt und unbehandelt sind, so dass die elastische Schutzschicht (1, 1') innerhalb eines festgelegten Frequenzbereichs des elektromagnetischen Strahlungsspektrums, wenigstens im Infrarotbereich bei Frequenzen von 6 THz bis 60 THz, reflektivitätserhöhend wirkt, sowie außerhalb des festgelegten Frequenzbereichs wenigstens in solchen Teilbereichen des elektromagnetischen Strahlungsspektrums, welche sichtbarer Strahlung und Funkwellen zugeordnet sind, weitgehend strahlungsdurchlässig ist.
2. Schutzschicht für ein Elastomerprodukt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtstruktur (1, 1') aus drei funktionalen Lagen (2a, 2b, 3a) ausgebildet ist, welche aus dem gleichen Material wie das Elastomerprodukt (4) besteht, wobei eine obere Lage (2a), welche auf einer Außenseite des Elastomerprodukts (4) in Strahlungseinfallsrichtung angeordnet ist und eine untere Lage (2b), welche auf einer Unterlage (3b) oder unmittelbar auf der Oberfläche des Elastomerprodukts (4) angeordnet ist, mit einem den Brechungsindex (n_H) dieser beiden Lagen (2a, 2b) erhöhenden Additiv versetzt sind, und wobei eine mittlere Lage (3a) unbehandelt ist.
3. Schutzschicht für ein Elastomerprodukt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (2a, 2b, 3a, 3b, 5, 6) der Schutzschicht (1, 1') miteinander und mit dem Elastomerprodukt (4) stoffschlüssig verbundenen sind.
4. Schutzschicht für ein Elastomerprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zu schützende Elastomerprodukt (4) aus einer auf Chloropren-Kautschuk basierenden Gummimischung besteht.
5. Schutzschicht für ein Elastomerprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv aus Titandioxid-Partikeln besteht.
6. Schutzschicht für ein Elastomerprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Teilchengröße der Partikel des Additivs in einer Größenordnung liegt, die um mindestens den Faktor Hundert kleiner ist, als eine Auslegungswellenlänge (λ₀), für die der Wärmestrahlungsschutz der Schutzschicht (1, 1') ausgelegt ist.
7. Schutzschicht für ein Elastomerprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Teilchengröße der Partikel des Additivs in einer Größenordnung von 50 nm bis 100 nm liegt.
8. Schutzschicht für ein Elastomerprodukt nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv aus Titandioxid-Partikeln in einem Anteil von etwa 13% (Volumen), entsprechend 90 parts per hundred rubber (phr), und mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 80 nm zur Bildung der Schutzschicht (1, 1') in einer auf Chloropren-Kautschuk basierenden Gummimischung eingemischt sind.
9. Schutzschicht für ein Elastomerprodukt nach Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Teilchengröße der Partikel des Additivs in der gleichen Größenordnung liegt wie eine Auslegungswellenlänge (λ₀), für die der Wärmestrahlungsschutz der Schutzschicht (1, 1') ausgelegt ist.

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