DE4012672A1 - Flaechiges widerstandselement sowie verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Widerstandselement gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Her­ stellung eines solchen Widerstandselementes.

Bei den heutigen Flugsicherungssystemen werden elektromagne­ tische Wellen im Ultra-Kurzwellenbereich, insbesondere Radar­ wellen, zur Ortung und Kennung von Flugzeugen verwendet. Dies trifft sowohl für den zivilen wie auch militärischen Flugver­ kehr zu. Eine Beeinträchtigung dieses Flugsicherungssystems ergibt sich vor allem durch Reflektion der Radarwellen, ins­ besondere durch Außenfassaden von Gebäuden in der Umgebung von Flughäfen. Durch die Reflektion der Radarwellen kommt es zu einer erheblichen Störung der Radarortung von Flugzeugen. Zwar kann man am Boden durch gesonderte technische Einrich­ tungen für eine Ausfilterung von Fehlradar sorgen, was jedoch in einem Flugzeug aufgrund von Platzmangel nicht möglich ist.

Aus diesem Grund ist es sehr wesentlich, daß die Reflektion von elektromagnetischen Wellen, insbesondere Radarwellen, an Außenfassaden von Gebäuden in der Nähe eines Flughafens weit­ gehend ausgeschaltet wird.

Zur Lösung dieser Problematik wurde bereits vorgeschlagen, ein Radarwellen absorbierendes Flächenelement für die Gestal­ tung von Außenfassaden zu verwenden, bei dem Plattenab­ schnitte aus Mineralwolle mit solchen aus elektrisch leitfä­ higem Material in abwechselnder Anordnung in Art einer Lamel­ lenstruktur in einen kassettenähnlichen Rahmen eingelegt und über den Rahmen am Bauwerk befestigt werden.

Die praxisgerechte Umsetzung derartiger Radarabsorber führt jedoch zu erheblichen Schwierigkeiten, weil es für ein aus­ reichendes Reflektions- bzw. Dämpfungsverhalten eines solchen Absorbers gegenüber Radarstrahlen auf die Einhaltung von für die Absorption kritischen bzw. optimalen Werten ankommt. So wird bei Radarabsorbern in Art der obenbeschriebenen Mehr­ schichtsysteme das Reflektions- bzw. Dämpfungsverhalten nicht nur von den auf die Wellenlänge der zu absorbierenden Ra­ darstrahlen angepaßten Abstandsverhältnissen zwischen den Plattenabschnitten aus Mineralwolle und den Schichten aus elektrisch leitfähigem Material bestimmt, sondern auch durch die Menge und Verteilung des für die Leitfähigkeit der Zwi­ schenlagen verantwortlichen Materials. Zur Erzielung eines guten Absorptionsverhaltens kommt er bei der Einbettung des Widerstandsmaterials in die Zwischenlage zwischen den Mine­ ralwollschichten maßgeblich auf die Einhaltung sehr enger Aufbringtoleranzen an, die sich aber in industriellem Ferti­ gungsmaßstab nur sehr schwer realisieren lassen.

Die Einbettung des für die radarabsorbierende Eigenschaft des Schichtaufbaues maßgeblich verantwortlichen elektromagnetisch wirksamen Widerstandsmaterials sowie die Verwendung von Bin­ demitteln für den Schichtaufbau führt ferner dazu, daß derar­ tige Mehrschichtsysteme brennbar sind und demzufolge nicht mehr unter die maßgebliche Baustoffklasse A nach DIN 4102 eingereiht werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein flächiges Widerstandsele­ ment zur Bildung eines unbrennbaren Absorbers mit guten Ab­ sorptionseigenschaften gegenüber elektromagnetischen Wellen, insbesondere Radarstrahlen, zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der vereinfachten und reproduzierba­ ren Herstellung eines solchen absorbierenden Widerstandsele­ ments.

Diese Aufgabe wird produktbezogen durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst, wobei zweckmäßige Weiterbildungen durch die in den Unteran­ sprüchen enthaltenen Merkmale gekennzeichnet sind.

Das erfindungsgemäße flächige Widerstandselement zeichnet sich infolge der zusätzlichen Einbettung einer flammlöschen­ den und/oder flammhemmenden Substanz in den Trägerkörper durch seine Unbrennbarkeit aus, so daß mit diesem flächigen Widerstandselement aufgebaute Absorber im Brandverhalten der Baustoffgruppe A nach DIN 4102 entsprechen. Insbesondere wird durch diese zusätzlich in den Trägerkörper eingebrachte Sustanz eine Verschlechterung des Brandverhaltens kompen­ siert, die sich aus der Einbettung der brennbaren elektroma­ gnetisch wirksamen Widerstandsmaterialien in den Trägerkörper und durch die Verwendung von Bindemitteln beim Aufbau eines Mehrschichtsystems aus abwechselnd Mineralwollestreifen und Zwischenlagen aus dem flächigen Widerstandselement ergibt. Gleichzeitig läßt sich das Absorptionsvermögen dadurch ver­ bessern, daß die Zugabe der für das Absorptionsverhalten maß­ geblichen und in aller Regel brennbaren Widerstandsmateria­ lien nicht mehr durch die damit einhergehende Verschlechte­ rung des Brandverhaltens begrenzt ist, vielmehr die Zugabe der Widerstandsmaterialien alleine unter Berücksichtigung des optimalen Absorptionsverhaltens erfolgen kann. Auch für den Schichtaufbau ergeben sich Vorteile, weil für die Bindemit­ telwahl und -menge der Einfluß auf das Brandverhalten vernachlässigbar ist. Von besonderem Vorteil ist hierbei das Aufbringen des elektromagnetisch wirksamen Widerstandsmateri­ als durch ein Bedruckungsverfahren, weil hierdurch eine indu­ strielle Fertigung eines radarabsorbierenden flächigen Widerstandselements mit engen Auftragstoleranzen des Wider­ standsmaterials möglich ist. Nach den Erkenntnissen der An­ melderin ermöglicht das Aufbringen des Widerstandsmaterials durch Tränken, Bestreichen, Spachteln oder Spritzen in indu­ striellem Fertigungsmaßstab keine gleichbleibend gute Einbet­ tung und Verteilung des Materials innerhalb des Trägerkörpers bzw. des flächigen Widerstandselements, um den zur Erzielung eines guten Absorptionsverhalten erforderlichen engen Tole­ ranzen zu entsprechen. Nach Maßgabe der Erfindung ist aber das Bedruckungsverfahren erst möglich, weil die durch die Bedruckungsfarbe infolge des Anteils an organischen Stoffen zwangsweise resultierende Verschlechterung im Brandverhalten durch den zusätzlichen Einbau einer flammlöschenden und/oder flammhemmenden Substanz ausgeglichen wird. Insofern ergibt sich durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ein synergisti­ scher Effekt dadurch, indem wegen der das Brandverhalten des Absorbers verbessernden flammlöschenden, bzw. flammhemmenden Substanz gleichzeitig eine Verbesserung des Absorptionsvermö­ gens durch Einhaltung enger Auftragstoleranzen wegen der be­ druckungstechnischen Aufbringung des Widerstandsmaterials möglich ist.

Die Einhaltung einer für ein optimales Absorptionsverhalten maßgeblichen sehr engen Auftragstoleranz für das Widerstands­ material, nämlich in einem Bereich von 9-16 g/m² vorzugsweise 10-12 g/m² ergibt sich durch das Aufbringen des Widerstandsma­ terials nach dem Siebdruckverfahren. Hierbei wird das Wider­ standsmaterial insbesondere in einer mit dem Widerstandsmate­ rial angereicherten Farbdispersion auf den Trägerkörper auf­ gebracht. Als Widerstandsmaterial eignen sich hierbei insbe­ sondere Ruß und Graphit.

Besonders zweckmäßig mit Hinsicht auf den Schichtaufbau eines Absorbers in Art eines Mehrschichtsystems ist die Ausbildung des Trägerkörpers aus einem Vlies, und zwar vorzugsweise aus einem Glasfaservlies. Hierbei lassen sich die abwechselnden Lagen aus Mineralwollstreifen und Glasfaserlagen auf einen flächigen Träger aufkaschieren.

Für das Brandverhalten des Widerstandselements ist es von Vorteil, als flammlöschende Substanz ein Material zu verwen­ den, das sein Gefüge vor Erreichen einer zulässigen Höchst­ temperatur endotherm ändert. Hierfür eignen sich insbesondere Kernspeichermassen mit hohem Kristallwassergehalt. Im Brand­ falle kommt es bei kritischen Temperaturen zu einer Freiset­ zung des Kristallwassergehalts und Verdampfung des Kristall­ wassers, wodurch sich ein im Brandfalle wesentlicher Verzöge­ rungseffekt, der sich zeitlich genau bestimmen läßt, ein­ stellt. Als Kernspeichermasse eignet sich vor allem Alumini­ umhydroxid, welches vozugsweise mit einem extrem niedrigen Bindergehalt von weniger als 5% bezogen auf die Trockenmasse Verwendung findet. Weitere Beispiele von Kernspeichermassen sind Aluminiumoxidhydrat, Natrium- Metasilikat-Hydrat oder Natriumsulfatdekahydrat. In einer alternativen Ausführungs­ form ist der Trägerkörper, also das Vlies bzw. Glasfaservlies mit flammhemmenden Halogenverbindungen beschichtet.

Zweckmäßiger Weise wird zur Herstellung des Widerstandsele­ ments der Trägerkörper, also insbesondere das Glasfaservlies, vor dem Aufbringen des Widerstandsmaterials mit der flammlö­ schenden und/oder flammhemmenden Substanz beschichtet, etwa imprägniert, wobei diese anorganischen Substanzen in einem zusätzlichen Arbeitsgang in großer Menge aufgebracht werden.

Erst nach der Beschichtung des Glasfaservlieses mit flammlöschenden und/oder flammhemmenden Substanzen wird zweckmäßigerweise das Widerstandsmaterial mit einer Farbdi­ spersion durch das Siebdruckverfahren aufgebracht, wodurch sich eine sehr gute Verteilung des Widerstandsmaterials im flächigen Widerstandselement ergibt. Das Widerstandsmaterial, also insbesondere Ruß oder Graphit wird hierbei in einer Menge von 9-16 g/m², vorzugsweise aber in einer Menge von 10-12 g/m² auf das Glasfaservlies aufgebracht. Damit läßt sich ein optimales Absorptionsverhalten des Widerstandselements erzielen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung rein schematisch anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben, von denen

Fig. 1 den Aufbau eines Absorbers in Art eines Mehr­ schichtsystems und

Fig. 2 ein Diagramm der Reflektionsdämpfung über der Auftragmenge an Widerstandsmaterial, hier Ruß, zeigen.

Fig. 1 zeigt bei 1 ein als Matte ausgebildetes Flächenele­ ment aus einem Schichtaufbau aus abwechselnden Lagen 2 aus Mineralwolle und schmaleren Streifen 3 eines Widerstandsele­ ments 3 zur Bildung eines radarabsorbierenden Mehrschichtsy­ stems. Die abwechselnden Lagen 2 und 3 sind auf einer Bahn 4 angeordnet, die beispielsweise aus armierter Aluminiumfolie hergestellt sein kann. Zur Gestaltung einer Außenfassade ist der Schichtaufbau 1 in einem nicht dargestellten kassettenar­ tigen Rahmen angeordnet, der zur Befestigung am Bauwerk dient und an dem außenseitig und den Schichtaufbau 1 überdeckend eine Außenplatte aus Glas, Kunststoff oder sonst einem ge­ eigneten Material befestigt ist.

Die auf die Außenplatte auftreffenden elektromagnetischen Wellen gelangen weitgehend reflexionsfrei durch die Außen­ platte und werden innerhalb des Schichtaufbaues weitgehend absorbiert, woraus die geringe Reflektion der Außenfassade resultiert.

Maßgeblich für diese Reflektionsdämpfung der Außenfassade ist hierbei vor allem das flächige Widerstandselement 3, das in einer vorteilhaften Ausführungsform aus Glasfaservlies als Trägerkörper aufgebaut ist, in den das elektromagnetisch wirksame Widerstandsmaterial und eine flammlöschende und/oder flammhemmende Substanz eingebettet ist.

Als Material für den Trägerkörper wird bevorzugt Glasfaser­ vlies verwendet, wobei aber auch andere Vliese oder andere Materialien, wie etwa Papier oder Folie verwendbar sind.

Als Widerstandsmaterial wird bevorzugt Ruß oder Graphit oder auch anderes, elektrisch leitendes und vor allem disper­ gierbares Material verwendet.

Bei dem Schichtaufbau sind die Abstände zweier schmaler Wi­ derstandselemente in Bezug auf die Wellenlänge der zu absor­ bierenden elektromagnetischen Wellen, insbesondere Radarwel­ len derart ausgelegt, daß es innerhalb des Flächenelementes zu einer Absorption, insbesondere einer Resonanzabsorption, der eingestrahlten Wellen kommt. Für die Radarabsorption in einer gewünschten Höhe ist als wesentlicher Faktor auch die Einbettung einer ganz bestimmten Menge gleichmäßig verteilten Widerstandsmaterials, insbesondere Ruß, im Trägerkörper er­ forderlich. Eine gleichmäßige Einbettung von Widerstandsma­ trial über das flächige Widerstandselement bei einer sehr ge­ ringen Aufbringtoleranz erreicht man durch ein Bedruckungs­ verfahren. Hierbei wird als Bedruckungsfarbe eine Farbdisper­ sion verwendet, welche um das Widerstandsmaterial, etwa Ruß, angereichert ist. Insbesondere eignet sich für die Erzielung enger Auftragtoleranzen das Siebdruckverfahren, wobei eine für das Siebdruckverfahren geeignete Bedruckungsfarbe organi­ sche Stoffe als Emulgatoren, Bindemittel und Füllstoffe auf­ weist. Dadurch kommt es bei einem Bedruckungsverfahren zu ei­ ner hohen organischen Anreicherung des Widerstandselements, was zwar einen Schichtaufbau mit hohem Absorptionsvermögen zur Folge hat, jedoch gleichzeitig zu einer Verschlechterung des Brandverhaltens führt.

Dies wird dadurch ausgeglichen, daß in einem zusätzlichen Ar­ beitsgang, insbesondere vor dem Aufbringen des Widerstandsma­ terials eine flammlöschende und/oder flammhemmende Substanz aufgebracht wird, und zwar in großer Menge, um das Brandver­ halten zu verbessern. Als Substanz eignet sich hierbei ins­ besondere Aluminiumhydroxid mit extrem niedrigem Bindemittel­ gehalt von zweckmäßigerweise weniger als 5 Gewichtsprozent bezogen auf die Trockenmasse. Aluminiumhydroxid stellt eine Kernspeichermasse dar, die einen hohen Kristallwassergehalt aufweist, der im Brandfalle freigesetzt wird. Als Kernspeichermassen können auch Aluminiumoxidhydrat, Natrium- Metasilikat-Hydrat oder Natriumsulfatdekahydrat verwendet werden. Als flammhemmende Substanz eignen sich auch Halogen­ verbindungen oder ähnliche Produkte.

Nach der Beschichtung des Trägerkörpers, also des Glasfaser­ vlieses, mit der flammlöschenden und/oder flammhemmenden Substanz wird in einem weiteren Beschichtungsvorgang rußhal­ tige Farbe nach dem Siebdruckverfahren mit niedrigen Auftragsmengentoleranzen aufgebracht.

In einer Ausführungsform besteht die flüssige Farbdispersion aus 70% Wassergehalt und 30% Feststoffgehalt aus 5% Ruß, 5% Dispergierhilfen und 20% Bindemittel sowie Füllstoff, wo­ bei als Füllstoff Kreide gewählt wurde. Damit konnte ein aus­ gezeichnetes Absorptionsverhalten erzielt werden und zwar konstant über die gesamte Fläche des Widerstandselements.

Fig. 2 zeigt recht anschaulich, daß für eine Auftragsmenge an Ruß von 9-16 g/m² eine sehr gute Reflektionsdämpfung von -11,5 bis -15 dB erreichbar ist, wobei der optimale Bereich bei einer Auftragsmenge von 10-12 g/m² Ruß liegt und hierbei eine Reflektionsdämpfung von -13,5 bis -15 dB erreichbar ist. Das Diagramm nach Fig. 2 zeigt die Reflektionsdämpfung von Mikrowellen bei 600 MHz als Funktion von Rußmenge eingebracht in ein vorbeschichtetes Glasfaservlies der Type SM60/2.

Enge Auftragstoleranzen werden demnach durch Aufbringen des Widerstandsmaterials, etwa Ruß, durch Bedruckungstechnik er­ reicht, wobei für die Bedruckungstechnik eine Farbdispersion mit organischen Substanzen (Emulgatoren und Bindemittel) ver­ wendet wird. Aufgrund einer Vorbeschichtung des Glasfaser­ vlieses mit einer Kernspeichermasse, die im Brandfalle Wasser abgibt oder einer flammhemmenden Halogenverbindung oder der­ gleichen läßt sich für das flächige Widerstandselement eine Brandhemmung erzielen, so daß ein mit diesem Widerstandsele­ ment hergestellter Schichtaufbau der Brandklasse A nach DIN 4102 entspricht.

Der durch diese Maßnahmen erzielte besondere Effekt läßt sich physikalisch schwer erklären, ist aber vielleicht auf die Einbettung der Rußteilchen innerhalb der Teilchen der Farbdi­ spersion zurückzuführen, wobei durch die Siebdrucktechnik eine sehr gute Einbringung der Rußteilchen über die Farbdi­ spersion in das Glasfaservlies erfolgt. Dadurch ergibt sich eine Rußbeschichtung in sehr engen Auftragstoleranzen und da­ mit eine optimale Reflektionsdämpfung. Von Vorteil ist hier­ bei die Reproduzierbarkeit der Widerstandselemente mit be­ stimmten Absorptionseigenschaften.

Claims (12)

1. Flächiges Widerstandselement für einen zur Gestaltung von Außenfassaden bestimmten Absorber von elektromagnetischen Wellen, insbesondere Radarstrahlen, dadurch gekennzei­ chnet, daß das Widerstandselement zusätzlich zu einem ra­ darabsorbierenden Trägerkörper mit einem vorzugsweise durch ein Bedruckungsverfahren aufgebrachten, elektroma­ gnetisch wirksamen Widerstandsmaterial eine flammlö­ schende und/oder flammhemmende Substanz aufweist.

2. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das durch Ruß, Graphit oder dergleichen gebil­ dete Widerstandsmaterial nach dem Siebdruckverfahren auf den Trägerkörper aufgebracht ist.

3. Widerstandselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial in einer mit dem Widerstandsmaterial angereicherten Farbdispersion auf den Trägerkörper aufgebracht ist.

4. Widerstandselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Farbdispersion aus organischen Stoffen, ins­ besondere Emulgatoren, Bindemittel und Füllstoffen gebil­ det ist.

5. Widerstandselement nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper aus ei­ nem Vlies, vorzugsweise Glasfaservlies, gebildet ist.

6. Widerstandselement nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper mit ei­ nem sein Gefüge vor Erreichen einer zulässigen Höchstter­ meratur endotherm ändernden Material als flammlöschende Substanz und/oder einer flammhemmenden Halogenverbindung beschichtet ist.

7. Widerstandselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die flammlöschende Substanz eine Kernspeicher­ masse mit hohem Kristallwassergehalt ist.

8. Widerstandselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Trägerkörper mit Aluminiumhydroxid, Alumini­ umoxidhydrat, Natrium-Metasilikat-Hydrat oder Natriumsul­ fatdekahydrat als flammlöschende Substanz beschichtet ist.

9. Widerstandselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die flammlöschende Substanz einen niedrigen Bin­ dergehalt von vorzugsweise weniger als 5% bezogen auf die Trockenmasse aufweist.

10. Verfahren zur Herstellung eines flächigen Widerstands­ elements nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper vor dem Aufbringen des Widerstandsmaterials mit flammlöschender und/oder flammhemmender Substanz beschichtet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Beschichtung des Trägerkörpers mit flammlöschen­ der und/oder flammhemmender Substanz das Widerstandsmate­ rial in einer Farbdispersion durch ein Bedruckungsverfah­ ren, vorzugsweise Siebdruckverfahren auf dem Trägerkörper aufgebracht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich­ net, daß Ruß in einer Menge von 9-16, vorzugsweise 10-12 g/m² auf den Trägerkörper aufgebracht wird.