DE19819368A1 - Material mit temperaturgesteuerter Strahlungstransmission - Google Patents

Abstract

Es wird ein Material mit temperaturgesteuerter Strahlungstransmission vorgeschlagen, das in Kern/Hülle-Fasern in einem Kern vorliegt, der von einer transparenten Hüllschicht umgeben ist. Die Kern/Hülle-Fasern werden zur Herstellung von Geweben oder Gewirken verwendet, die zur temperaturabhängigen Steuerung der Strahlungstransmission an Gebäuden, technischen Einrichtungen, insbesondere Vorrichtungen, in der Bekleidungsindustrie und/oder zu dekorativen Zwecken eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft Materialien mit temperaturgesteuerter Strahlungstrans­ mission sowie ihre Verwendung zur reversibel temperaturabhängigen Steue­ rung der Strahlungstransmission an Gebäuden und technischen Einrichtungen.

Die Bestrahlung von geschlossenen Räumen oder technischen Vorrichtungen, beispielsweise sonnenenergetischen Vorrichtungen, mit Licht führt zu deren Aufheizung, welche je nach dem Energiegehalt und der Intensität des Lichts unterschiedlich groß und teilweise schädlich sein kann. Zum Beispiel kommt es aufgrund des tages- und jahreszeitlich schwankenden Energieangebots der Sonneneinstrahlung in Gebäuden, Gewächshäusern oder Autos zu unerwünsch­ ten Temperaturwerten.

Es wurden daher Materialien entwickelt, die auf Polymermischungen basie­ ren, die sich temperaturgesteuert, reversibel entmischen und somit eintrüben. Der Mechanismus dieses thermotropen Verhaltens besteht darin, daß sich jenseits einer bestimmten Temperatur die Struktur des Polymersystems so ändert, daß sich die Strahlungstransmission verändert. Dieses Phenomen tritt üblicherweise dann auf, wenn sich in einer Polymermischung Komponenten mit unterschiedlichen Brechungsindizes temperaturinduziert entmischen. Die Temperatur, bei welcher dieser Vorgang stattfindet, wird als untere kritische Entmischungstemperatur (LCST) bezeichnet. Grundlegende Ausführungen zum Zusammenhang zwischen der Struktur von Polymermischungen und dem Auftreten von LCST-Verhalten sowie die Verwendung von Polymermischun­ gen in Verglasungssystemen mit temperaturgesteuerter Lichtdurchlässigkeit sind in EP-B-0 181 485 enthalten.

Materialien mit verbesserter Reversibilität der Veränderung der Strahlungs­ transmission werden in EP-B-0 559 113 sowie in DE-A 44 08 156 angege­ ben.

Die Anwendung der bekannten Polymermischungen mit temperaturgesteuerter Strahlungstransmission kann unmittelbar erfolgen, zum Beispiel durch Auf­ streichen auf die zu schützenden Glasflächen oder indem zunächst ein Verglasungssystem erzeugt wird, wobei die Polymermischung als eine trans­ parente Deckschicht aufgebracht wird.

Die bekannten Polymermischungen mit temperaturgesteuerter Strahlungstrans­ mission konnten jedoch bislang nicht zu Fasern mit ausreichender mechani­ scher Belastbarkeit und damit zu Geweben und Gewirken verarbeitet werden. Eine reversible Strukturänderung, die Voraussetzung für eine reversible Änderung der Strahlungstransmission ist, kann nur mit Polymermischungen erreicht werden, die bewegliche, migrierbare Komponenten enthält. Derartige Mischungen sind jedoch nicht formstabil.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Materialien mit temperaturgesteuerter Strahlungstransmission in Faserform zur Verfügung zu stellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Materialien mit temperatur­ gesteuerter Strahlungstransmission, die in Kern/Hülle-Fasern in einem Kern vorliegen, der von einer transparenten Hüllschicht umgeben ist.

Polymersysteme mit temperaturgesteuerter Strahlungstransmission, wie sie zum Beispiel aus DE-A 44 08 156, EP-B-0 181 485 oder EP-B-0 559 113 bekannt sind, neigen besonders bei höheren Anwendungstemperaturen zum Verkleben und die mechanische Belastbarkeit ist gering. Es wurde gefunden, daß eine transparente Hüllschicht, die mindestens einen Kern aus einer der bekannten thermotropen Polymermischungen vollständig umgibt einen Ver­ klebungsschutz sowie eine mechanische Verfestigung bewirkt und es somit ermöglicht, die thermotrope Polymermischung in Faserform zu bringen.

Durch die unterschiedlichen Brechungsindizes in Kern- beziehungsweise Hüllschicht entsteht zudem der optische Eindruck eines größeren Kernquer­ schnitts (Lupeneffekt). Im Kern befindet sich der teure Effektstoff. Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Materials in Kern/Hülle-Faserform kann somit mit einer geringeren Menge des teuren Effektstoffes dieselbe Wirkung erzielt werden wie mit einer größeren Menge an nicht umhülltem Effekt­ stoff.

Als Kernmaterial können bekannte thermotrope Polymermischungen, wie sie beispielsweise in EP-B-0 181 485, EP-B-0 559 113 oder DE-44 08 156 beschrieben sind, eingesetzt werden. Wesentlich ist, daß diese Materialien eine untere kritische Entmischungstemperatur (LCST) aufweisen, die in bekannter Weise bei Polymermischungen auftritt, deren Komponenten eine mittlere Wechselwirkung zeigen, nach beispielsweise einem der Mechanismen wie Salzbildung, Wasserstoffbrückenbindung, Komplexbildung, p-Elektronen­ wechselwirkung oder dipolare Wechselwirkung.

Für thermotrope Polymermischungen geeignete Polymere können aus einer Reihe von bekannten Polymeren, beispielsweise Homo- und Copolymeren ausgewählt werden, deren Wechselwirkungen miteinander Trübungspunkte im geeigneten Bereich aufweisen. Beispiele für geeignete Polymere sind: Poly­ styrol, Polyvinylmethylether, Polymethyl(meth)acrylat, Styrol-Acrylnitril- Copolymere, Poly-ε-caprolacton, Chlorkautschuk, Ethylen-Vinylacetat-Copoly­ mere, PVC, Polycarbonat, Polyvinylidenfluorid, Polyethylacrylat, Poly-n- butylacrylat, Poly(ethylhexylacrylat-co-acrylsäure), Poly(tetradecylmethacrylat- co-styrol-co-3-dimethylamino-2,2-dimethylpropyl-1-methacrylat), Poly(styrol-co- hydroxyethylmethacrylat), Polypropylenoxid.

Durch die Veränderung des relativen Gehalts der einzelnen Comonomeren (wechselwirkende Gruppen) in einem Copolymeren kann sehr einfach die kritische Trübungstemperatur auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.

Der relative Gehalt der Comonomeren ist nicht kritisch. Er liegt üblicher­ weise im Bereich von 0,1 bis 50 Mol-%, vorzugsweise von 0,5 bis 25 Mol-%.

Das zahlenmittlere Molekulargewicht M der Polymeren P1 oder P2 ist an sich unkritisch, liegt aber im allgemeinen im Bereich von 500 bis 1 000 000, vorzugsweise von 1000 bis 500 000.

Das Mischungsverhältnis der Polymeren P1 und P2 richtet sich nach der gewünschten Trübungstemperatur und kann insofern frei gewählt werden. Im allgemeinen liegen die Mischungsverhältnisse P1 P2 im Bereich von 5 : 95 bis 95 : 5, vorzugsweise von 20 : 80 bis 80 : 20 Gew.-%.

Geeignete Polymersysteme können weiterhin bekannte Photoinitiatoren enthal­ ten, die auch als Copolymere Bestandteil von Polymerketten sein können.

Der thermotropen Polymermischung können übliche Zusatzstoffe, beispiels­ weise Schmiermittel, Additive, UV-Stabilisatoren, Verarbeitungsstabilisatoren (zum Beispiel Antioxidantien) Antikorrosiva, Weichmacher, Farbstoffe oder Pigmente zugesetzt werden.

Die thermotropen Polymermischungen werden in geeigneten Apparaten aufge­ schmolzen, zum Beispiel in beheizten Behältern, die sich selbständig nach unten entleeren. Besonders geeignet sind Faßschmelzanlagen, wie sie in der Hotmelt-Klebstoffdosierung verwendet werden, bei denen ausschließlich der Deckel beheizt wird und das aufzuschmelzende Polymermaterial durch einen beheizten Schlauch direkt in die Düse geleitet wird. Diese Art der Auf­ schmelzung hat den Vorteil einer kurzen Aufschmelzzeit, in der sich die thermotrope Polymermischung nicht entmischen kann. Möglich ist es auch, die thermotrope Polymermischung in einem Extruder aufzuschmelzen.

Die aufgeschmolzene Polymermischung wird über eine Pumpe, beispielsweise eine Zahnradpumpe, eine Kolbenpumpe oder einen Extruder einer zur Herstellung von Kern/Hülle-Fasern geeigneten Spinndüse zugeführt.

Die Verarbeitungstemperaturen für die thermotrope Polymermischung liegen bei 40°C bis 250°C.

Als Hüllmaterial sind Polymere geeignet, die sich aufgrund ihrer Material­ eigenschaften zu Fasern verarbeiten lassen und die mit der als Kernmaterial eingesetzten thermotropen Polymermischung nicht mischbar sein dürfen. Als Hüllmaterial geeignet sind beispielsweise Polyacrylnitril, Modacryl, Polyester, Polyolefine, wie Polyethylen, Polypropylen, Ethylenvinylacetat, Polyamid, Aramid, Polyurethan, Hochtemperaturpolymere, wie Polyphenylensulfid, Polyetherketon; Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylidenfluorid, Polytetrafluorethylen, Polyethylentetrafluorethylen. Das Hüllmaterial wird in geeigneter Weise aufgeschmolzen, zum Beispiel in einem Einschnecken- oder Zweischneckenextruder. Die Verarbeitungstemperaturen im Extruder für das Hüllmaterial liegen, abhängig vom Erweichungspunkt des Hüllmaterials, bei 80°C bis 250°C. Für spezielle, hochschmelzende Hüllpolymere können die Temperaturen auch höher liegen, bis zu 400°C. Dies ist besonders bei hochtemperaturbeständigen Polymeren und bei Fluor enthaltenden Polymeren der Fall, zum Beispiel bei Polytetrafluorethylen und Derivaten. Das Hüll­ material kann bevorzugt Hilfsmittel, wie Schmiermittel, Additive, UV-Filter, HALS (Hindered-Amine-Light-Stabilizers), Verarbeitungsstabilisatoren wie Antioxidantien, Farbstoffe und Pigmente enthalten.

Ein besonderer Vorteil der Kern/Hülle-Struktur der erfindungsgemäßen Materialien ist es, daß auch solche Hilfsmittel eingesetzt werden können, deren Verträglichkeit mit dem thermotropen Kernmaterial nicht gewährleistet ist: für derartige Hilfsstoffe, insbesondere Farbstoffe und Pigmente, bietet sich die Formulierung in den Hüllpolymeren an.

Ebenso werden UV-Filterstoffe vorzugsweise in Hüllpolymeren formuliert, da dort bei gleicher Einsatzmenge eine bessere Schutzwirkung für die thermo­ trope Polymermischung gegen UV-Licht gegeben ist als bei der Formulie­ rung in der thermotropen Polymermischung selbst.

Die thermotrope Polymermischung sowie das Hüllpolymere werden in aufge­ schmolzenem Zustand getrennt über einen Extruder einer Düse zugeführt, die zur Herstellung von Mehrkomponentenfasern geeignet ist. Derartige Düsen sind beispielsweise in US 5,234,650 sowie in US 5,162,074 beschrieben. Die erhaltenen Kern/Hülle-Fasern mit thermotropem Kern- und transparentem Hüllmaterial sind in der Anzahl und dem Querschnitt der Kerne nicht beschränkt. Der Kern kann im einfachsten Fall einen kreisförmigen Quer­ schnitt haben und konzentrisch von Hüllmaterial umgeben sein. Durch besondere Ausgestaltung der Spinndüsen können jedoch auch verschiedenste Kernquerschnitte sowie Kerne in unterschiedlicher Anzahl hergestellt werden.

In vorteilhafter Weise kann auch ein zusätzlicher Polymerkern aus einem nicht-thermotropen, jedoch mechanisch hochbelastbaren Material vorgesehen sein.

Das erfindungsgemäße Material in Faserform kann wie üblich einkomponen­ tige Fasern zu Geweben oder Gewirken durch bekannte Textilverarbeitungs­ techniken wie Spinnen, Weben, Flechten, und so weiter, weiterverarbeitet werden. Mögliche Faserdurchmesser sind 0,001 mm bis 10 mm. Für Gewe­ beanwendungen eignen sich insbesondere monofile Kern/Hülle-Fasern mit Faserdurchmessern von 0,1 mm bis 2 mm.

Die Gewebe oder Textilien müssen nicht ausschließlich aus dem erflndungs­ gemäßen Material in Faserform bestehen. Es ist auch möglich, die thermo­ tropen Fasern zusammen mit üblichen einkomponentigen Fasern in Form von Flächen, geometrischen Mustern oder von thermotropen Einzelfasern in horizontaler und/oder vertikaler Ausrichtung eines Gewebes oder Textils zu verarbeiten. Bei vollflächiger Anwendung der thermotropen Fasern ist der erreichbare Sonnenschutz am größten, wogegen bei nur teilweise Verwendung der thermotropen Fasern der dekorative Effekt des Umschaltens bei Wärme- und/oder Sonneneinwirkung im Vordergrund stehen kann.

Die aus dem erfindungsgemäßen faserförmigen Material hergestellten Gewebe oder Textilien können als thermotroper Sonnenschutz vor oder hinter Fen­ stern eingesetzt werden, als Markise, Rollo oder Jalousie, zu Bekleidungs­ zwecken und/oder zu dekorativen Zwecken.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert.

Beispiel

In einen Zweischneckenextruder ZSK 25 von Werner & Pfleiderer mit 25 mm Schneckendurchmesser wurde beispielhaft als Hüllpolymer bei einer Drehzahl von 50 Umdrehungen/min ein Massestrom von 1 kg/h Ethylenvi­ nylacetat-Copolymer (Escorene® Ultra UL 00018 mit 17,5 Gew.-% Vinyl­ acetat, mittlerem Molekulargewicht von 3000 bis 50 000, und Schmelzindex nach ASTM D 1238 von 0,37 g/10 min) in die Aufschmelzzone bei 150°C aufgegeben. Im weiteren Verlauf wurde die Temperatur auf 180°C einge­ stellt. Als Düse wurde am Ende des Extruders eine Multikomponent-Faserdü­ se, die als Explosionszeichnung in Fig. 1 dargestellt ist, verwendet.

Die Multikomponent-Faserdüse besteht aus einem Paket von 4 Düsenplatten 1 bis 4, die durch Schrauben 5 zusammengehalten werden. Die 4 Düsen­ platten sind fest verschraubt, so daß die Produktströme nur in den dafür vorgesehenen Bohrungen und Aussparungen der Platten verlaufen können. Die Düsenplatte 1 ist zum Extruder hin orientiert und an dessen Austrittsöff­ nung dichtend angeschraubt. Die Platte 4 stellt das Ende des Düsenaufbaus dar und enthält die drei Austrittsöffnungen 6 für die Kern/Hülle-Fasern. In die Multikomponent-Faserdüse gelangen die beiden Produktströme des Kern­ polymeren und des Hüllepolymeren über getrennte Öffnungen.

Das Hüllpolymer, das Ethylen-Vinylacetat-Copolymer, fließt von der Aus­ trittsöffnung des Extruders in die rechteckförmige Aussparung 8 der Düsen­ platte 1. Von dieser Stelle aus fließt das Hüllpolymer unter dem Druck des aus dem Extruder nachgelieferten weiteren Hüllpolymers durch die zwölf Bohrungen 9 in die Düsenplatte 2. In der Düsenplatte 2 fließt das Hüll­ polymer ebenfalls durch die an gleicher Stelle angebrachten zwölf Bohrungen 10, wie bereits in der Düsenplatte 1.

Das beispielhaft eingesetzte Kernpolymer ist eine Mischung aus 53,5 Gewichtsteilen molekular einheitlichem Styrolcopolymer bestehend aus 94 Mol.-% Styrol und 4 Mol.-% Hydroxyethylmethacrylat, mit dem mittleren Molekulargewicht von 50 000, aus 43,2 Gewichtsteilen Propylenoxid, mit dem mittleren Molekulargewicht von 4000, aus 2,5 Gewichtsteilen Trimethy­ lolpropantriacrylat und aus 0,75 Gewichtsteilen 2,4,6-Trimethylbenzoylphen­ ylphosphinoxid. Diese Mischung wird auf ca. 130°C erwärmt und schmelz­ flüssig über eine Zahnradpumpe durch die Verschraubung 7 in die Öffnung der Düsenplatte 4 dosiert. Das Kernpolymere fließt durch den Kanal 16 innerhalb der Düsenplatte 4 über die Bohrung 12 in die Bohrung 13 der Düsenplatte 3 und weiter in die drei Kanäle 14 der Düsenplatte 2 in die Mitte zwischen den je 4 Bohrungen 10 für das Hüllpolymere.

Von der Düsenplatte 2 fließen Hüllpolymer und Kernpolymer in die Düsen­ platte 3 und werden dort in den x-förmigen Aussparungen 15 zusammen­ geführt. In den x-förmigen Aussparungen 15 entsteht die Kern/Hülle-Struktur aus den beiden Teilströmen der Polymeren. Gemeinsam verlassen das Hüll­ polymer und das Kernpolymer die Multikomponent-Faserdüse durch die Bohrungen 6 der Düsenplatte 4 als Kern/Hülle-Fasern.

Mit der in Fig. 1 dargestellten Düsenplatte wurden 3 Kern/Hülle-Fasern mit einem Außendurchmesser von ca. 4 mm erhalten. Die Fasern zeigen bei Erwärmung eine deutliche Eintrübung durch verstärkte Lichtstreuung des thermotropen Kerns. Der Trübungspunkt liegt bei ca 50°C.

Durch Änderung der Abziehgeschwindigkeit der gebildeten Fasern an der Düse oder durch eine geänderte Düsengeometrie lassen sich auch dünnere Fasern herstellen.

Claims (7)

1. Material mit temperaturgesteuerter Strahlungstransmission, dadurch gekennzeichnet, daß es in Kern/Hülle-Fasern in einem Kern vor­ liegt, der von einer transparenten Hülischicht umgeben ist.

2. Kern/Hülle-Fasern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllschicht Filtersubstanzen enthält.

3. Kern/Hülle-Fasern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hüllschicht transparent eingefärbt ist.

4. Kern/Hülle-Fasern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeich­ net durch zwei oder mehrere Kerne, die im wesentlichen aus einem Material mit temperaturgesteuerter Strahlungstransmission bestehen.

5. Kern/Hülle-Fasern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen zusätzlichen Polymerkern aus hochzugfestem Material enthalten.

6. Gewebe oder Gewirke enthaltend Kern/Hülle-Fasern nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

7. Verwendung der Gewebe oder Gewirke nach Anspruch 6 zur reversibel temperaturabhängigen Steuerung der Strahlungstransmis­ sion an Gebäuden, technischen Einrichtungen, insbesondere sonnen­ energetischen Vorrichtungen, in der Bekleidungsindustrie und/oder zu dekorativen Zwecken.