DE60023621T2

DE60023621T2 - Flüssigkeit zurückhaltender, mehrschichtiger schutzverbundstoff

Info

Publication number: DE60023621T2
Application number: DE60023621T
Authority: DE
Inventors: A. Scott BUMBARGER; H. Thomas BUMBARGER; K. Brian BUMBARGER
Original assignee: Aquatex Industries Inc Huntsville; Aquatex Ind Inc
Current assignee: Aquatex Industries Inc Huntsville; Aquatex Ind Inc
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 2000-03-21
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2020-03-22
Also published as: JP2002539974A; AU3906600A; EP1082219A4; WO2000056545A1; DE60023621D1; US6371977B1; US20020147483A1; AU770658B2; CA2302987A1; EP1082219A1; EP1082219B1; CA2302987C; ES2253213T3; ATE308417T1

Description

Technologischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein gesagt Flüssigkeit zurückhaltende Materialien, und insbesondere ein Polymer-Fasergemisch und einen mehrschichtigen Verbundstoff, umfassend das Fasergemisch, der für die Herstellung der verschiedensten Gegenstände wie Schutzbekleidungen, Decken, Kompressen, usw. geeignet ist. Eine mit Flüssigkeit absorbierenden Fasern imprägnierte Füllschicht ist zwischen Schichten ausgewählter Stoffe angeordnet. Nachdem er mit einer Flüssigkeit getränkt wurde, bietet der Verbundstoff eine Abdeckung, die Schutz und/oder Komfort bietet. Die vorliegende Erfindung dient auch dem Schutz vor extremer Hitze oder Kälte sowie vor körperlichen Verletzungen aufgrund eines Aufpralls. Zudem kann die Erfindung dazu eingesetzt werden, die Körpertemperatur einer Person durch Zurverfügungstellen von Wärme oder Kälte, je nach Bedarf, zu steuern.
Technologischer Hintergrund
Der Stand der Technik weist viele Erfindungen auf, die sich auf Verbundstoffe und/oder Kleidungsstücke für den Komfort und/oder den Schutz des Körpers einer Person beziehen. Solche Erfindungen betreffen das Wärmen oder Abkühlen des Körpers einer Person, das Trocken- oder Feuchthalten eines Körpers, den Schutz des Körpers gegen Bedingungen extremer Hitze oder Kälte sowie den Schutz des Körpers gegen den Aufprall sehr schneller Objekte. Die Verwendung von Flüssigkeit absorbierenden Verbundstoffen ist bereits auf vielfache Weise eingesetzt worden, um die Effektivität derartiger Verbundstoffe und Kleidungsstücke zu erhöhen. Beispiele von US-Patenten, die sich auf die eine oder andere Art auf diesen Stand der Technik beziehen, sind die Folgenden: 2,855,758; 3,429,138; 3,670,731; 3,971,373; 4,105,033; 4,133,055; 4,235,227; 4,429,001; 4,556,055; 5,113,666; 5,289,695; 5,328,759; 5,419,955; 5,480,410.
Das US-Patent Nr. 5,885,912 offenbart bestimmte Arten von Kleidungsstücken, die gemäß den Ausführungsformen der darin offenbarten Verbundstoffe konstruiert sind. Insbesondere wurden in ein Kleidungsstück Taschen oder Steppnähte mit Säumen eingenäht und mit einer Kombination von Wattierung und Mikrokristallen hydrophiler Polymere gefüllt.
Die EP-A-0 947 184 betrifft Einmal-Artikel, wie etwa Damenbinden. Die Flüssigkeitsaufnahmeschicht des absorbierenden Kerns dieser Einmal-Artikel umfasst absorbierende Gelmaterialien und einen geeigneten Träger. Die US 5,043 209 offenbart ein absorbierendes Kleidungsfutter speziell für flüssigkeitsundurchlässige Kleidung, umfassend ein zweilagiges Futter mit einer inneren Lage dampfdurchlässigen, flüssigkeitsundurchlässigen Materials und einer äußeren Schicht eines Materials, das sowohl Wasserdampf als auch Flüssigkeiten hochgradig absorbiert.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Kombination von Faserfüll/Watte-Material und superabsorbierenden hydrophilen Polymerfasern vor. Zusätzlich sieht die vorliegende Erfindung ein mehrschichtiges, Flüssigkeit zurückhaltendes Verbundmaterial vor, das auf einer Seite eine leitende Schicht besitzt, die eine Beschichtung aufweist, die gegenüber Flüssigkeiten undurchlässig ist, jedoch das freie Hindurchtreten von Gasen erlaubt. Eine Füllschicht mit superabsorbierenden Eigenschaften ist neben dieser leitenden Schicht angeordnet, wobei eine Aufnahmeschicht an der Füllschicht anliegt. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Verwendung der Faserkombination und des Verbundstoffes zum Erwärmen oder Abkühlen eines Menschen.
Offenbarung der Erfindung
Nachfolgend wird Bezug genommen auf die anliegenden Zeichnungen, welche Teil der Beschreibung der vorliegenden Erfindung bilden:
1 Perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Mehrschicht-Verbundstoffs, wobei Abschnitte diskreter Schichten und Beschichtungen gezeigt sind;
2 Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines Mehrschicht-Verbundstoffs, wobei eine feuerresistente Schicht als Teil des Verbundstoffs vorgesehen ist;
3 Draufsicht auf einen Ausschnitt des Verbundstoffs nach 1, wobei eine ballistische Schicht als Teil derselben vorgesehen ist;
4 Schnittansicht eines Verbundstoffs vor dem Einweichen, wobei die Schichten desselben derart aneinander befestigt sind, dass sie gesteppte Taschen bilden;
5 perspektivische Ansicht eines Verbundstoffs, wobei die Schichten desselben derart aneinander befestigt sind, dass sie gesteppte Taschen bilden, und wobei die Taschen in einem ausgeweiteten Zustand als Folge des Einweichens des Verbundstoffs gezeigt sind;
6 eine Schnittansicht entlang einer Linie 6-6 in 8, wobei, nur für Demonstrationszwecke, die Füllschicht aus dem Inneren einer Tasche weggelassen wurde, um die Darstellung von Pfeilen Fi zu ermöglichen, welche einen Innendruck dar stellen, der durch die Füllung nach außen gegen die Aufnahmeschicht und die Leitschicht ausgeübt wird;
7 eine Schnittansicht wie in 6, wobei die gesteppten Taschen an einer ballistischen Schicht angebracht sind;
8 Schnittansicht wie in 7, die eine Deformation der gesteppten Taschen illustriert, wie durch den Aufprall eines Projektils auf eine ballistische Schicht verursacht, und weiterhin, mittels der Pfeile Fii die Zunahme des Druckes innerhalb der Taschen als Folge des Aufpralls des Projektils und der resultierenden Austreibung von Material durch die Aufnahmeschicht des Verbundstoffs illustriert;
9 vergrößerte Schnittansicht einer Tasche, die so weit deformiert wurde, dass Polymermaterial aus der Füllschicht durch die Aufnahmeschicht nach außen gedrückt wurde;
10 Verbund-Kleidungsstück, das eine Brust- und eine Rücken-Schutzschicht zum zeitweisen Anbringen an einer Aufnahmeschicht zum persönlichen Schutz gegen Projektile, wie etwa Geschosse, illustriert;
11 Schutzschicht in der Form eines Schienbeinschützers, der an einer Aufnahmeschicht einer Schutzbekleidung angebracht ist;
12 Schutzschicht eines Verbundstoffs, wobei eine Schicht für die zeitweise Anbringung des Restes des Verbundstoffs adaptiert ist, zum Schutz des Vorderteils des Beins und Fußes einer Person.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit dem thermischen und Aufprallschutz sowie bestimmten medizinischen Zuständen, indem sie einzigartige und vielseitige Mischungen superabsorbierender Polymerfasern zur Verfügung stellt. Diese Mischung kann im Zusammenhang mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung Verwendung finden, einem Mehrschicht-Verbundmaterial, aus dem Schutzbekleidungsstücke, Kompressen, Decken usw. hergestellt werden können. Der Verbundstoff ist außerdem gut geeignet für die Herstellung von Schutzeinrichtungen für das Abkühlen oder Erwärmen des Körpers und zum Schutz des Körpers vor starker Hitze oder Kälte sowie vor körperlichen Verletzungen. Dementsprechend ist eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Schutz des menschlichen Körpers vor Hitze oder Kälte, umfassend das Anwenden der Polymermischung der vorliegenden Erfindung auf einen Menschen, vorzugsweise mittels einer der vorstehend diskutierten Bekleidungsstücke. Eine weitere Ausführungsform sieht weiterhin ein Verfahren zum Anwärmen oder Abkühlen des Körpers durch Anwendung der hier offenbarten Polymermischung vor.
Außerdem sind Kleidungsstücke, die aus dem Mehrschicht-Verbundstoff hergestellt werden, extrem effizient zum Gebrauch durch Feuerwehrmänner, Vollstreckungsbeamte, militärisches Personal und Personen wie Arbeiter in Gießereien oder Bäckereien, die über längere Zeiträume hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Die Kleidungsstücke, insbesondere Decken, können auch effektiv sein, um Personen zu behandeln, die extrem niedrigen Temperaturen ausgesetzt waren und an Hypothermie leiden. Umgekehrt, wo eine Person an hohem Fieber leidet, bietet eine solche Decke, die in einer kalten Flüssigkeit eingeweicht wurde, ein Mittel zur Notfallbehandlung von Fieber. Bei dieser Anwendung kann eine Flüssigkeit verwendet werden, die flüchtiger ist als Wasser, wie etwa Alkohol, um den Kühlvorgang zu verstärken. Insbesondere können derartige Decken auch Schutz vor Feu er und den Aufprall von Projektilen oder projektilartigen Objekten bieten. Daneben können Bekleidungsstücke und Decken, die aus dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial angefertigt wurden, dazu verwendet werden, thermale Signaturen für Militäroperationen zu vermindern. Katastrophen, wie etwa Stürme, Feuer und Krieg, treten häufig derart auf, dass die Menschen eine gewisse Vorwarnzeit haben, jedoch die Zeit nicht die Evakuierung bettlägeriger Patienten aus Krankenhäusern oder Altenheimen erlauben. Für solche Personen bieten flüssigkeitsgetränkte Decken, die aus dem erfindungsgemäßen Verbundstoff hergestellt wurden, einen effektiven Schutz vor Verbrennungen oder Aufprallverletzungen.
Allgemein gesagt beinhaltet die Erfindung eine Grundkonfiguration eines mehrschichtigen, Flüssigkeit zurückhalten Verbundmaterials, umfassend:
eine leitende Schicht, welche für die Platzierung in direkter Nähe oder in direktem Kontakt mit dem Körper des Trägers vorgesehen ist;
eine Füllschicht, die mit einem Faserfüllwatte-Material und Flüssigkeit absorbierenden Fasern imprägniert ist;
eine Aufnahmeschicht zum Aufnehmen der Füllschicht zwischen der leitenden Schicht und der Rückhalteschicht; sowie erforderlichenfalls
eine äußere Schutzschicht, die an der äußersten Oberfläche der Rückhalteschicht angebracht oder neben dieser platziert ist.
Was die Flüssigkeit absorbierenden Fasern anbelangt, so besteht die Mischung aus einer Kombination einer/s superabsorbierenden Polymerfaser und Faserfüllstoff oder Watte. Der genaue Faserfüllstoff ist nicht als kritisch anzusehen. Es kann daher jeder handelsübliche Faserfüllstoff verwendet werden, solange er den Einsatz des fertigen Verbundstoffs nicht negativ beeinflusst. Dementsprechend, wenn ein fertiger Verbundstoff als Teil eines feuerhemmenden Kleidungsstücks verwendet werden soll, so wird der Faserfüllstoff oder die Wattierung entsprechend ausgewählt. In einem solchen Fall besteht der Faserfüllstoff üblicherweise aus einem flammen- und hitzeresis tenten Material wie etwa verwobenes Aramid und/oder Polybenzamidazol („PBI")-Fasern. Das heißt, der Faserfüllstoff wird aus einer Gruppe ausgewählt, die aus einem Aramid-Polymer-Fasermaterial besteht, als Mischung von Aramid-Polymer-Fasermaterialien, einem Polybenzamidazol-Material und einer Mischung von Aramid-Polymerfasern und Polybenzamidazol-Materialien. Für andere, nicht flammenfeste Anwendungen, handelsübliche Faserfüllstoffe wie etwa DuPont DACRON^®, erhältlich bei DuPont, oder Polyester-Faserfüllprodukte von Consolidated Textiles, Inc., Charlotte, NC. Außerdem sind Faserfüllfasern und Mischungen, die für bestimmte Anwendungen der vorliegenden Erfindung geeignet sind, in US-Patenten Nr. 5,104,725, 4,304,817 sowie 4,818,599 offenbart.
Was die vorstehend diskutierte extrudierte hydrophile Faser anbelangt, so sollen die hydrophilen Fasern wenigstens ungefähr das 2,5- bis 3-Fache ihres Gewichts in Wasser absorbieren, auf eine Art und Weise entsprechend den hierin diskutierten Polymerpartikeln. Wie nachstehend diskutiert, ist eine bevorzugte Faser eine hydrophile Polyakrylonitril/Polyakrylatfaser ähnlich dem Material des Typs LANSEAL-F. Die hydrophile Faser der vorliegenden Erfindung kann auch eine der superabsorbierenden Fasern sein, die im US-Patent Nr. 5,350,370 offenbart sind. Solche Fasern weisen typischerweise Durchmesser von etwa 10 bis 50 Mikron und Längen in einem Bereich von 3 bis 60 Millimetern auf. Ihr Absorptionsvermögen liegt typischerweise im Bereich zwischen etwa 10 und etwa 40 Gramm pro Gramm Superadsorbens unter einer Belastung von 0,03 kg (0,5 Pfund pro Quadratzentimeter (Zoll) (3500 Pascal) unter Verwendung einer 0,9 gewichtsprozentigen Salzlösung. Handelsübliche superabsorbierende Fasern sind u.a. Allied Colloids/Courtalds FSA.RTM. 101 und 111; ARCO FIBERSORB.RTM. von Arco Corporation, Philadelphia, Pa; sowie TOYO BOSEKI KK Lanseal von Toyo Boseki KK, Osaka, Japan.
Außerdem können die Fasern der vorliegenden Erfindung eine superabsorbierende Faser nach dem US-Patent 5,906,952 sein. Damit können die hydrophilen Fasern der vorliegenden Erfindung ein vernetztes Akrylat-Copolymer sein, teilweise neutralisiert zum Natriumsalz (entsprechend US-Patent Nr. 5,413,748 und 5,466,731) erhältlich in Faserform unter dem Handelsnamen OASIS von Technical Absorbents Limited, Grimsby, Vereinigtes Königreich; oder ein Olefin/Alkyl-Carboxylat-Copolymer, teilweise neutralisiert zum Natriumsalz (entsprechend EP 0 436 514 81 ), erhältlich in Faserform unter dem Handelsnamen CAMELOT von Camelot Super Absorbents Ltd., Calgary, Kanada). Die superabsorbierenden Fasern nach der US ... 952 weisen vorzugsweise eine Fadenstärke weniger als 10 Denier (optimalerweise 3–10 Denier) mit einer Schnittlänge von 30–65 Millimetern (optimalerweise 50 mm) auf. Denier ist das Einheitsgewicht einer Faser ausgedrückt als das Gewicht in Gramm einer Länge von 9.000 Metern.
Schließlich, bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, können die hydrophilen Fasern der vorliegenden Erfindung die in US-Patent 5,681,300 offenbarten hochgeschwindigkeits-absorbierenden fibrösen Gelmaterialien sein, Derartige Fasern (wenngleich nicht notwendigerweise hochgeschwindigkeitsfibröse absorbierende Gelmaterialien) sind detaillierter diskutiert in dem US-Patent Nr. 4,855,179, erteilt am 8. Aug. 1989 an Bourland et al. Der Begriff „fibröse absorbierende Gelmaterialien", soweit hierin verwendet, soll absorbierende Gelmaterialien in der Form von Fasern einschließen, die vollständig aus absorbierendem Gelmaterial bestehen, sowie bi-komponenten Fasern, die wenigstens teilweise aus anderen Materialien bestehen, deren Oberfläche mit absorbierenden Gelmaterialien überzogen sind. Geeignete fibröse absorbierende Gelmaterialien beinhalten ein Akrylfasermaterial erhältlich unter dem Handelsnamen Lanseal-F, eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und ein Carboxymethylzellulose-Fasermaterial, erhältlich unter dem Handelsnamen Aqualon C von Hercules, Inc.. Geeignete hochgeschwindigkeitsfibröse absorbierende Gelmateria lien sind bekannt als FIBERSORB SA7000 oder SA7200, früher hergestellt von Arco Chemical Company, Newton Square, Pa.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Fasern der vorliegenden Erfindung Bi-Komponenten-Fasern des Typs mit Hülle und Kern, wobei die äußere Schicht aus vernetztem Akrylat-Copolymer besteht, teilweise neutralisiert zum Ammoniumsalz, und die innere Schicht aus Polyakrylonitril. Solche Fasern sind offenbart in dem US-Patent Nr. 4,562,114.
Die Fasern gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind damit Wasser absorbierende Akrylfasern, welche eine stabile Wasserabsorptionsfähigkeit aufweisen, die nicht ohne weiteres durch Einfluss von Hitze usw. vermindert wird, und die ausgezeichnete physikalische Eigenschaften wie Stärke und Dehnung und praktische Eigenschaften wie Farbechtheit, Spinnbarkeit usw. aufweisen.
Die Wasser absorbierenden Fasern dieser Ausführungsform bestehen aus nicht weniger als 90 Gewichts% Polymer von Akrylonitril (nachstehend abgekürzt als AN) und weniger als 10 Gewichts% eines Wasser absorbierenden Harzes, welches Carboxyl-Gruppen (repräsentiert durch -COOX, wobei X gleich H, NH₄ oder ein Alkalimetall ist) enthalten und ein Ausmaß an Wasseranschwellvermögen von 10–300 cc/g aufweisen, wobei der Partikeldurchmesser des Harzes nicht größer als 0,5 Mikron bei absoluter Trockenheit ist, wobei die Carboxyl-Gruppen des Wasser absorbierenden Harzes wenigstens in der äußeren Schicht der Fasern Säuregruppen (-COOH) sind, die innere Schicht der Fasern Poren von nicht kleiner als 0,2 Mikron in ihrem größten Durchmesser aufweist und das Wasseraufnahmeverhältnis der Fasern nicht weniger als 20% beträgt.
Die Fasern dieser Ausführungsform werden entsprechend den in der US ... 114 angegebenen Verfahren hergestellt. Was die oben beschriebenen AN-Polymere der vorliegenden Erfindung anbelangt, können beliebige der in der bekannten Produktion von Akrylfasern Verwendeten benutzt werden, und hinsichtlich des Polymers besteht keine Beschränkung. Es ist jedoch aus Gründen der physikalischen Fasereigenschaften, Färbbarkeit usw. vorzuziehen, ein Copolymer von nicht weniger als 80 Gewichts%, vorzugsweise nicht weniger als 90 Gewichts%, von AN zu verwenden, wobei der Rest ein anderes Vinylmonomer ist. Weiterhin kann ein beliebiges Wasser absorbierendes Harz verwendet werden, solange es Carboxyl-Gruppen enthält (dargestellt durch -COOX, wobei X gleich H, NH₄ oder ein Alkalimetall), in einer Menge von vorzugsweise nicht weniger als 1,5 m mol/g, noch bevorzugter weise nicht weniger als 3,9 m mol/g, mit einem Maß an Wasseranschwellpotential von 10–300 cc/g, vorzugsweise 20–150 cc/g und einem Partikeldurchmesser nicht größer als 0,6 Mikron, vorzugsweise nicht größer als 0,2 Mikron, sofern sie nicht löslich in Wasser und AN-Polymer-Lösemitteln sind.
Wenn ein vernetztes AN-Copolymer mit einem Partikeldurchmesser nicht größer als 0,5 Mikron, vorzugsweise nicht größer als 0,2 Mikron, das aus vorzugsweise nicht weniger als 50 Gewichts%, noch bevorzugterweise nicht weniger als 70 Gewichts%, AN besteht, basierend auf der Gesamtmenge der das Polymer ausmachenden Monomere, und bestimmte Mengen eines vernetzenden Monomers und eines anderen mit AN copolymerisierbaren Vinylmonomers besteht, oder eine wässrige Dispersion eines solchen vernetzten AN-Copolymers auf die übliche Weise mit einer alkalischen Substanz reagiert, um Carboxyl-Gruppen in das Copolymer einzubringen, ist es möglich, auf eine gewerblich vorteilhafte Weise ein Harz herzustellen, das ein Maß an Wasseranschwellpotential von 10–300 cc/g, vorzugsweise 20–150 cc/g aufweist, oder eine wässrige Dispersion dieses Harzes.
Die Wasser absorbierenden Akrylfasern gemäß dieser Ausführungsform, die auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellt wurden, sollten vorzugsweise nicht weniger als 5 Poren mit längeren Durchmessern, nicht kürzer als 0,2 Mikron, in der Innenschicht der Fasern aufweisen und ein Wasseraufnahmeverhältnis von nicht weniger als 20%, vorzugsweise nicht weniger als 25% besitzen.
Außerdem weisen die Fasern gemäß dieser Aufführungsform nach einer trockenen Hitzebehandlung bei 120°C eine Stunde lang eine Verminderung im Wasseraufnahmeverhältnis von nicht mehr als 10%, vorzugsweise nicht mehr als 5% auf, so dass in nachfolgenden Verarbeitungsschritten oder im praktischen Gebrauch keine wesentliche Verringerung der Wasserabsorptionseigenschaften auftritt.
Zusammengefasst besitzen die Wasser absorbierenden Akrylfasern gemäß der bevorzugten Ausführungsform vorzugsweise eine äußere und eine innere Schicht und bestehen aus nicht weniger als 90 Gewichts% eines Akrylonitril-Polymers mit darin dispergierten weniger als 10 Gewichts% Wasser absorbierender Harzpartikel mit Carboxyl-Gruppen, repräsentiert durch -COOX, wobei X gleich H, NH₄ oder ein Alkalimetall ist. Das Harz besitzt vorzugsweise kein Wasseranschwellvermögen wenn X gleich H ist und besitzt ein Maß an Wasseranschwellvermögen von 10–300 cc/g wenn X gleich NH₄ oder ein Alkalimetall ist. Der Partikeldurchmesser des Harzes ist vorzugsweise nicht größer als 0,4 Mikron bei absoluter Trockenheit, und die Partikel des Wasser absorbierenden Harzes sind wenigstens in der äußeren Schicht der Fasern mit Carboxyl-Gruppen enthalten, wobei X gleich H ist. Die Partikel des in der inneren Schicht vorhandenen Wasser absorbierenden Harzes besitzen die Carboxyl-Grupen, wobei X = NH₄ oder ein Alkalimetall in ausreichender Menge vorhanden ist, um die Faser Wasser absorbierend zu machen, wobei ein Querschnitt der Fasern nicht weniger als 5 Poren nicht kleiner als 0,2 Mikron in ihrem maximalen Durchmesser enthält und die Fasern ein Wasseraufnahmeverhältnis von nicht weniger als 20% aufweisen. Die Fasern wurden hergestellt durch Nass-Spinnen einer Spinnlösung zusammengesetzt aus einem Akrylonitril-Polymer und den genannten Wasser absorbierenden Harzpartikeln, Auswaschen der resultierenden Fasern mit Wasser, Behandlung der Fasern mit Säure bei einem pH-Wert von nicht höher als 4, Aussetzen der Fasern einer thermischen Streckbehandlung und Trockenverdichtungs-Behandlung, gefolgt von einer Entspannungsbehandlung bei feuchter Hitze bei einer Temperatur nicht geringer als 110°C und dann Trocknen der Fasern bei 105–170 °C, wobei das Wasser absorbierende Harz zu 0,5–7 Gewichts% vorhanden ist.
Die hydrophile Polymerfaser wird vorzugsweise mit dem Faserfüllstoff in einem Bereich von etwa 15% bis 75% mit dem Faserfüllstoff vermischt. Die Mischung kann je nach der endgültigen Zweckbestimmung des Verbundstoffs variiert werden. Zum Beispiel würde eine geringe Menge Polymerfasern zu einem leichten Verbundstoff führen, der zum Beispiel für ein Hemd verwendet werden kann. Eine große Menge an Fasern würde einen schweren Verbundstoff ergeben, der zum Beispiel für einen Feuerwehranzug verwendet werden kann. Außerdem kann die Wattierung je nach der Zweckbestimmung des Endproduktes verdickt werden. Zum Beispiel kann eine Wattierung mit einer Dicke von 1,58 mm (1/16 Zoll) (vor dem Steppen) als Hemd verwendet werden. Eine Wattierung mit einer Dicke von mehr als 2,5 cm (1 Zoll) (vor dem Steppen) kann beispielsweise im Zusammenhang mit einer schusssicheren Weste verwendet werden.
Einer der Vorteile der Kombination des hydrophilen Polymers und des Faserfüllmaterials liegt darin, dass die Mischung sowohl die Verdunstungseigenschaften verbessert als auch ein Mittel zum Kühlhalten oder Warmhalten zur Verfügung stellt. Das heißt, die Mischung hält Kälte oder Wärme, wenn sie abgekühlt oder aufgeheizt wird. Hydrophile Mischungen gemäß der vorliegenden Erfindung erlauben die Behandlung bestimmter Verbundstoffe mit Mikrowellen oder deren Abkühlung. Bei einer derartigen Verwendung arbeitet die Wattierung als Isolation, um zu helfen, die gewünschte Temperatur aufrechtzuerhalten.
Was das Flüssigkeit zurückhaltende Verbundmaterial anbelangt, so kann die leitende Schicht üblicherweise gebildet sein aus einem wasserdichten Material, welches die Transmission von Feuchte erlaubt. Die Fülllschicht kann gebildet werden aus einem Faserfüllstoff-Wattematerial imprägniert mit Flüssigkeit absorbierenden Partikeln und superabsorbierenden Fasern. Diese Partikel sind üblicherweise vom superabsorbierenden Polymertyp. Die Aufnahmeschicht ist üblicherweise ein Stoff mit einer Porosität, welche das Hindurchtreten einer Flüssigkeit, wie etwa Wasser, erlaubt, jedoch trockene Absorptionspartikel zurückhalten kann. Die optionale Schutzschicht ist üblicherweise als feuer- und/oder aufprallresistent konfiguriert.
Wenn eine Anwendung des Verbundstoffs den Schutz des Körpers gegen hohe Temperaturen betrifft, wird der Mehrschicht-Verbundstoff in eine Flüssigkeit, etwa Wasser, eingeweicht, bis die Polymerpartikel und/oder Fasern den gewünschten Sättigungsgrad erreichen, üblicherweise ein Grad entsprechend 50% bis 90% der Gesamt-Sättigung je nach der Anwendung im einzelnen. Dieser Sättigungsbereich erfordert ein Untertauchen in Wasser für einen Zeitraum von etwa 2–5 Minuten. Wird das gemischte Verbundmaterial als Aufprallschutz verwendet, so kann der Sättigungsgrad bis zu 100% betragen. Soweit für Notsituationen erforderlich, können Vorkehrungen für die Aufbewahrung von aus dem Verbundstoff hergestellten Kleidungsstücken oder sonstigen Gegenständen in Vorrichtungen getroffen werden, die die erforderliche Sättigung beschleunigen. Derartige Vorrichtungen können Druckbehälter oder Tanks sein, in welchen die Temperatur der Flüssigkeit bei einer Temperatur gehalten wird, die der raschen Absorption durch das verwendete Polymer am ehesten zuträglich ist. Ist es vorherzusehen, dass für das Einweichen nicht ausreichend Zeit zur Verfügung steht, kann der Verbundstoff auch in einem bereits eingeweichten Zustand gelagert werden. Wie nachstehend näher erläutert wird, sind die optimalen Sättigungszeiten der Absorptionspartikel und/oder Fasern anhand des beabsichtigten Einsatzes sowie der Eigenschaften und Qualität des Verbundstoffs zu ermitteln.
Bei einigen Anwendungen kann der mehrschichtige Verbundstoff als flaches Tuch konfiguriert werden. Allerdings bietet die Zwischenverbindung der verschiedenen Lagen durch Steppnähte effektivere Resultate bei vielen Anwendungen, insbesondere in Bezug auf den Schutz vor Aufprall. Dieser Stepp-Prozess bildet Taschen zum Halten der Absorptionspartikel und/oder Fasern, wie nachstehend näher beschrieben. Bei anderen Anwendungen, wo synthetische Stoffe oder Tücher verwendet werden, können Nähte mittels Ultraschall-Schweißen, Verkleben, Hitzeanwendung oder auf jede andere geeignete Art angebracht werden. Beim Gebrauch und nach Einweichen in Wasser für einen vorbestimmten Zeitraum expandiert jedes Absorptionspartikel üblicherweise auf das 100- bis 300-Fache seines ursprünglichen Volumens und verändert sich von einer relativ harten, kristallinen Form zu einer matschigen, gallertartigen Masse. Die Polymerfasern absorbieren üblicherweise das 2,5- bis 3-Fache ihres Gewichts. Aufgrund der Eigenschaften der Polymerpartikel und/oder Fasern kann die Entfernung des Wassers aus dem Polymer nur durch Verdunstung erreicht werden. Versuche, das Wasser aus dem hydrierten Polymer herauszupressen, werden voraussichtlich zu einer Zerstörung der strukturellen Integrität des Partikels oder der Faser in kleinere Stücke führen, die das absorbierte Wasser weiterhin zurückhalten. Diese Eigenschaft bietet ein effektives Mittel zur Verwendung der Polymermasse als Stoß absorbierende Substanz.
Wasser als solches ist bekanntermaßen als nicht komprimierbar anzusehen. Wasser und viele andere Flüssigkeiten werden für Zwecke des Absorbierens von Stößen verwendet, indem die Flüssigkeit in einem Behältnis eingekapselt wird, welches bis auf eine kleine Öffnung dicht ist, die den Ausstoß des Wassers mit einer kontrollierten Geschwindigkeit erlaubt. Wasser an sich auf eine solche Art in einer Stoffkleidung mit zahlreichen einzelnen Behältern (Taschen) einzusetzen, wäre offensichtlich unpraktisch, weil das Wasser durch die Materialien, durch die es eingedrungen ist, austreten würde. Indem man jedoch das Wasser innerhalb eines Polymers hält, bieten diese Eigenschaften des Wassers, während es innerhalb des Polymers zurückgehalten wird, ein effektives Stoß absorbierendes Medium.
In der vorliegenden Erfindung wird eine vorbestimmte Menge von mit Wasser getränkten Polymerpartikeln und/oder Fasern innerhalb einer Stofftasche einer vorbestimmten Größe eingekapselt. Durch Steuern der Menge von Polymer im Verhältnis zur Größe der Tasche wird auf die innere Oberfläche der Tasche durch die expandierenden Polymerpartikel und/oder Fasern, wenn diese Wasser ausgesetzt werden, ein positiver Druck ausgeübt. Es ist daher ersichtlich, dass die Anwendung einer externen Kompressionskraft auf die Tasche, wie sie etwa ein Aufschlag auf die Tasche zur Folge hätte, das Volumen der Tasche vermindert. Eine Zunahme des Innendrucks ist die Folge, wenn das Volumen der Tasche vermindert wird. Ist das Polymer total gesättigt, und davon ausgehend, dass der Stoff wasserdicht ist, ist ebenfalls ersichtlich, dass nach einer teilweisen Komprimierung der Tasche die Nicht-komprimierbarkeit des innerhalb der Polymerpartikel gefangenen Wassers ein Reißen der Tasche zur Folge hätte, wenn die Kraft der Kompression zu stark wird. Wenngleich einiges an Energie des Aufschlags während dieses Prozesses absorbiert werden würde, würde das abrupte Reißen der Tasche den sofortigen Verlust jeglichen Widerstands gegen den Aufprall zur Folge haben. Um ein solches Reißen zu verhindern, ist ein Teil des Stoffes der Tasche von einer Porosität, die das kontrollierte Auspressen oder Austreten der hydrierten Polymermasse erlaubt. Das Herauspressen der hydrierten Masse tritt derart ein, dass sie durch die Poren des Stoffes gedrückt wird, mit einer Geschwindigkeit, die ausreichend zur Absorption von Energie ist, jedoch ein Einreißen der Tasche verhindert.
Dieses kontrollierte Herausdrängen des hydrierten Polymers aus der Tasche bietet ein effektives Mittel zur Absorption der durch den Aufprall erzeugten Energie. Wird das gesättigte Polymer komprimiert und durch die Poren des Materials gedrückt, so ändert sich seine strukturelle Integrität rasch von einer gelatineartigen Substanz zu einer nahezu verflüssigten Emulsion. Diese rasche strukturelle Transformation erfordert die Anwendung erheblicher Kraft. Wie ersichtlich werden wird, wird die Anwendung von Energie bei einem Aufprall effektiver absorbiert, wenn die Kraft des Aufpralls über eine Anzahl von Taschen verteilt wird. Diese Verteilung der Aufschlagskraft wird durch eine optionale äußere Schutzschicht erreicht, die mit einer Steifigkeit angefertigt ist, die ausreicht, die Kraft entsprechend der Härte des Aufschlags effektiv zu verteilen. Dementsprechend erhält der Benutzer eines Mehrschicht-Verbundstoffs einen effektiven Schutz vor Verletzungen durch Aufprall. Ist die Gefahr extremer Aufschläge besonders groß, so wie etwa bei der Polizei bei Unruhen oder sonstigen gefährlichen Einsätzen, werden Schichten noch steiferen Materials eingesetzt, um ein Mittel zur Verteilung der Energie eines Aufpralls auf die größtmögliche Zahl von Drucktaschen zu bieten. Bei Auftreffen eines Schussprojektils, so hat sich herausgestellt, vermindert die Verwendung von Kleidungsstücken aus diesem Verbundstoff mit einer ballistischen Schutzschicht den Aufprall auf den Träger um etwa 20%. Es sei weiterhin darauf hingewiesen, dass Segmente der Schutzschicht des schusssicheren oder ballistischen Materials nur über die am ehesten verletzlichen Bereiche des Körpers platziert werden können. Diese Anordnung bietet den gewünschten Schutz bei erheblicher Verbesserung der Mobilität des Benutzers.
Aus diesem Verbundstoff hergestellte Kleidungsstücke haben sich in Tests als herausragend erwiesen. Wie vorstehend erwähnt, können Verbund-Kleidungsstücke leicht für die Anforderungen einer Vielzahl von Anwendungen adaptiert werden. Bei der Anwendung eines beschriebenen Verbundstoff-Kleidungsstücks, beispielsweise durch einen Feuerwehrmann, kann die Aufnahmeschicht einfach mit einer Feuer abweisenden Schicht besprüht werden, oder erforderlichenfalls eine zusätzliche oder teilweise diskrete Lage eines feuerfesten Materials zum Einsatz kommen.
Es versteht sich, dass nach dem Einweichen eines Verbundstoff-Kleidungsstücks wie vorstehend beschrieben der Verbundstoff einen extrem effizienten Schutz für den Träger nicht nur gegen extreme Hitze, sondern auch gegen Verletzungen bietet.
Bezug nehmend nun auf die Zeichnungen, zeigt 1 eine Ausführungsform der Erfindung, nämlich beispielhaft einen Mehrschicht-Verbundstoff 10 mit einer Aufnahmeschicht 12, einer Füllschicht 14 und einer leitenden Schicht 16. Die Aufnahmeschicht 12 kann ein eng verwobener hochfester Stoff, wie etwa ein Stoff vom NOMEX-Typ sein, durch welchen eine Flüssigkeit (typischerweise Wasser) hindurchtreten kann. Auf der äußeren Oberfläche der Aufnahmeschicht 12 kann eine optionale Schutzbeschichtung 13 angebracht werden. Wie der Name besagt, schützt diese Schicht den Rest des Verbundstoffs gegen Beschädigung von äußeren Gefahren wie Feuer und/oder Aufprall.
Eine Vielzahl von feuer- und aufprallresistenten Schutzschichten, die für diesen Zweck geeignet sind, sind allgemein erhältlich; es muss allerdings vorgesehen sein, dass das Hindurchtreten von Flüssigkeit entweder durch oder um die Schutzbeschichtung herum möglich ist, um die Hydrierung der Absorptionspartikel und/oder Fasern zu ermöglichen. Dies kann man erreichen, indem man die Schutzbeschichtung mit einer Vielzahl winziger Löcher versieht.
Die Füllschicht 14 besteht aus einer Mischung fibröser Materialien, wobei eines der fibrösen Materialien ein extrudiertes hydrophiles Polymer ist. Bei dieser Ausführungsform kann das hydrophile Polymer ein Material vom Typ LANSEAL-F sein, erhältlich bei TOJOBO, OSAKA, Japan, welches aus einem Garn oder einer Faser extrudiert wird, die in einem Bereich von etwa 30% bis etwa 60% mit Polyester-Faserfüllstoff vermischt werden kann. Die resultierende Fasermischung ist von der Erscheinung her identisch mit Faserfüllstoff, wobei die hydrophilen Polymerfasern ungefähr das 2½- bis 3-Fache ihres Gewichts in Wasser absorbieren.
Die leitende Schicht 16 kann, wie die Aufnahmeschicht 12, aus einem Stoff vom Typ NOMEX gefertigt sein. Die innere oder äußere Oberfläche, oder möglicherweise beide Oberflächen, der leitenden Schicht 16 (die Oberfläche, die beim Gebrauch direkt am oder nahe am Körper einer Person liegt) kann mit einer wasserdichten, aber atmungsaktiven Beschichtung 18, wie etwa „BREATHE TEX", bedeckt sein. Die äußere Oberfläche ist in 1 mit einer solchen Beschichtung gezeigt. (Es sei darauf hingewiesen, dass wo nachstehend Bezug genommen wird auf eine innere oder äußere Oberfläche von Lagen zusätzlich zur leitenden Schicht, so ist mit der inneren Oberfläche jeweils die Oberfläche der Schicht gemeint, welche näher an der leitenden Schicht liegt). Im Gebrauch verhindert diese Beschichtung, dass in der Füllschicht enthaltene Flüssigkeit in Kontakt mit dem Körper eines Benutzers kommt, und bietet außerdem einen effektiven thermischen Leiter, welcher den Körper des Benutzers der ungefähren Temperatur der die Flüssigkeit haltenden Fasern aussetzt. Da die Beschichtung atmungsaktiv ist, erlaubt sie das Hindurchtreten von Feuchtigkeit in Form von Wasserdampf vom Körper des Benutzers zu den absorbierenden Fasern zur Absorption durch diese. Hierbei wird natürlich davon ausgegangen, dass die Fasern nicht vollständig gesättigt sind. Bei den meisten Anwendungen, wo der Verbundstoff zur Steuerung der Körpertemperatur oder Schutz gegen extreme Außentemperaturen eingesetzt wird, wird das Absorptionsmittel bis auf 50%–70% der vollständigen Sättigung eingeweicht.
Das beispielhaft in 2 gezeigte Verbundmaterial beinhaltet eine optionale feuerresistente Schutzschicht 20. Diese diskrete Schicht wird für Anwendungen eingesetzt, wo es vorauszusehen ist, dass der Benutzer Feuer oder Hitze ausgesetzt ist, die so extrem ist, dass der maximal mögliche thermische Schutz erforderlich ist. Beispiele derartiger feuerresistenter Materialien beinhalten ein Material vom Typ NOMEX sowie FR (feuerresistente Baumwolle). Wie gesagt, ist das Material vom Typ NOMEX, das oben als grundsätzlicher Aufnahmestoff vorgeschlagen wurde, ein feuerresistentes Material.
Das beispielhaft in 3 gezeigte Verbundmaterial beinhaltet eine optionale ballistische Schutzschicht 22. Diese diskrete Schicht wird eingesetzt bei Anwendungen, wo es vorauszusehen ist, dass der Benutzer dem Beschuss mit Feuerwaffen oder extremen Aufprallen ausgesetzt ist, wie es bei der Polizei in Aufruhrsituationen der Fall sein kann. Typischerweise kann die ballistische Schicht 22 mittels eines Stoffs vom CORDURA-Typ über einem Material vom Typ KELVER bebildet werden. Diese Schicht ist charakteristischerweise recht steif und erfordert daher spezielle Anbringungsverfahren, die detailliert nachstehend diskutiert werden. Obgleich es viele geeignete Arten gibt, die ballistische Schicht zu befestigen, illustrieren 3, 7, 8 und 10–12 die Verwendung von Befestigern mit Haken und Ösen des Typs VELCRO. Die Verwendung derartiger entfernbarer Befestiger erlaubt die temporäre Anbringung segmentierter Schutzschichten von ballistischem Material auf anderen Schichten von Verbundstoff-Kleidungsstücken, wie etwa Jacken, auf eine Weise, die gleichfalls detaillierter nachstehend diskutiert wird.
Die Verbundstoffe wie gezeigt in 1 und 2 sind mit Stichen versehen, um Nähte 26 in einem kreuzweisen Muster zur Bildung einer gesteppten Konfiguration zu versehen, wie in 4 und 5 gezeigt. Wie dort gezeigt ist, bilden die gekreuzten Säume 26 geschlossene Taschen 27. Es sei darauf hingewiesen, dass die Taschen 27, die in 4 gezeigt sind, noch nicht in Flüssigkeit getränkt sind. In diesem trockenen Zustand nehmen die Fasern einen nur unbedeutenden Raum innerhalb der Taschen 27 ein. Dementsprechend liegen die Aufnahme- und die leitende Schicht 12 bzw. 18 im wesentlichen flach und sind keinem inneren Druck von den trockenen Fasern ausgesetzt. Allerdings, wie bereits festgestellt, wird die Größe der Fasern durch Tränken der Fasern in Flüssigkeit erhöht. Dementsprechend zeigen 5 bis 11 die Taschen nach Durchführung einer geeigneten Einweichung. Wie in diesen Figuren gezeigt, haben die absorbierenden Fasern nach dem Einweichen die Taschen so weit expandiert, dass, wie in 6 gezeigt, ein interner Druck Fi gegen die Aufnahme- und die leitende Schicht 12 bzw. 16 ausgeübt wird.
Im eingeweichten Zustand bildet ein Kleidungsstück, das aus einem Mehrschicht-Verbundstoff wie oben beschrieben hergestellt ist, einen äußerst effektiven Körperschutz gegen große Hitze. Dieser Schutz wird auf mehrfache Weise erreicht. Zunächst kann die Aufnahmeschicht des Verbundstoffs mit einer hitzebeständigen Beschichtung versehen sein, deren Funktion offensichtlich ist. Zweitens bietet die Flüssigkeit (üblicherweise Wasser), die sich in den hydrierten Fasern oder Kombinationen von Fasern und Partikeln innerhalb der Füllschicht befindet, einen effektiven thermischen Isolator zwischen der Aufnahmeschicht und der thermisch leitenden Schicht am Körper einer Person. Drittens, wenn die Aufnahmeschicht der Hitze ausgesetzt wird, beginnt die Flüssigkeit innerhalb der Füllschicht zu verdampfen und langsam durch die Aufnahmeschicht zu entweichen, wodurch ein Feuchtigkeitsfilm an der äußeren Oberfläche der Aufnahmeschicht gebildet wird. Die Feuchtigkeit selbst widersteht der Hitze und schützt die äußere Oberfläche der Aufnahmeschicht. Viertens, wenn die Feuchtigkeit auf der Aufnahmeschicht verdampft, entsteht eine Verdunstungskühlung, welche die Aufnahmeschicht weiter abkühlt. (Es versteht sich, dass innerhalb der Füllschicht gespeicherte Flüssigkeit ein Andauern dieser Kühlprozesse aufrechterhält). Fünftens, wenn der Benutzer Schweiß absondert, wird der Schweiß weitgehend verdunsten und den Benutzer abkühlen. Die Feuchtigkeit wird dann in der Form von feuchter Luft durch die atmungsaktive leitende Schicht und in die Füllschicht geleitet, wo sie von den teilweise gesättigten absorbierenden Partikeln und/oder Fasern absorbiert wird. Um diesen Effekt zu verstärken, sei darauf hingewiesen, dass bei bestimmten Anwendungen die Fasern während des Einweichprozesses nicht vollständig gesättigt werden und dass die leitende Schicht bauartbedingt ein effektiver Wärmeleiter ist. Die leitende Schicht ist außerdem vorzugsweise wasserdicht, jedoch porös genug, um atmungsaktiv zu sein.
Wie bereits gesagt, ist ein für die Verwendung als leitende Schicht geeignetes Material ein Material vom Typ NOMEX (NOMEX (TM) erhältlich bei der Firma DuPont Corporation). Ein Beispiel eines Beschichtungsmaterials kann ein Material vom Typ BREATHE TEX sein, welches eine atmungsaktive, aber wasserdichte Beschichtung bietet, die ein ausgezeichneter Wärmeleiter ist und dem Körper des Trägers eine kühle, trockene Oberfläche darbietet. BREATHE TEX (TM) ist erhältlich von Alden Industries, Inc..
Ein Beispiel eines für die Füllschicht geeigneten Wattematerials ist ein Material vom Typ ARAMID-E 89, wobei das Material selbst bei DuPont erhältlich ist.
Ein für Partikel geeignetes Material, die innerhalb des Füllmaterials imprägniert sind, ist ein vernetztes Polyakrylamid-Polymer erhältlich bei Plant Health Care Inc.. Wie gesagt, ein anderes Material kann ein Material vom Typ LANSEAL-F sein, ein fibröses hydrophiles Polymer, das mit anderen Faserfüll- oder Wattematerialien und Fasern vermischt werden kann.
Ein für die Verwendung in einer Aufnahmeschicht geeignetes Material ist hochgradige Baumwolle. Ist ein Feuerschutz ohne diskrete Schutzschicht erwünscht, so kann feuerresistente Baumwolle (cotton-FR) verwendet werden. Dies ist ein Baumwollstoff, der mit einem Flammenhemmer eingesprüht wurde.
Ein geeignetes Material zur Verwendung als Feuerschutzschicht ist ein Material vom Typ NOMEX, was, wie gesagt, bei DuPont erhältlich ist.
Ein für die Verwendung in einer Aufprallschutzschicht geeignetes Material, wie es bei Personen verwendet würde, die Feuerwaffenbeschuss ausgesetzt sind, ist ein Material vom Typ CORDURA und ein Material vom Typ KEVLAR, beide erhältlich bei DuPont.
6 ist eine Schnittansicht auf der Basis eines Schnitts entlang der Linie 6-6 in 5. Zum Zwecke der Illustration ist bei einer der Taschen 27 die Füllschicht weggelassen. Es sind Pfeile Fi vorhanden innerhalb der Tasche, um die Tatsache zu illustrieren, dass nach einem geeigneten Einweichen ein auswärts gerichteter Ruck auf die inneren Wände sowohl der Aufnahme- als auch der leitenden Schicht 12 bzw. 16 durch die absorbierenden gesättigten Fasern ausgeübt wird. Zur Ermittlung einer geeigneten Einweichzeit muss die Größe und Anzahl der absorbierenden Fasern vorbestimmt werden. Parameter wie die Taschengröße, die erforderlich ist, nach dem Einweichen des Verbundstoffs einen vorbestimmten positiven Druck innerhalb der Taschen zu erreichen, sind auch in Betracht zu ziehen. Der erforderliche interne Druck Fi hängt von der beabsichtigten Anwendung des Verbundstoffs ab.
Bezug nehmend nunmehr auf 7 ist die ballistische Schicht 22 gezeigt als angebracht an dem äußersten Teilen der Taschen 27 durch individuelle Flicken 25 eines Haken- und Ösenmaterials vom VELCRO-Typ. Ein Tuch 24 von entweder der Hakenseite oder der Ösenseite des Haken- und Ösenmaterials kann an der inneren Oberfläche der ballistischen Schicht 22 angebracht sein. Diese Anordnung erlaubt die Platzierung und Anbringung der ballistischen Schicht 22 in jeder gewünschten Position auf der Aufnahmeschicht 12.
Bezug nehmend nunmehr auf 8 ist die ballistische Schicht 22 gezeigt nach Aufprall eines Hochgeschwindigkeitsobjekts, wie eines Geschosses B. Es sei darauf hingewiesen, dass wegen der Steifigkeit der ballistischen Schicht der Aufprall des Projektils B über einen relativ großen Bereich verteilt wurde, welcher eine proportional große Anzahl von Taschen 27 umfasst. Es sei darauf hingewiesen, dass der Aufprall erhebliche Deformierung und Kompression der betroffenen Taschen zur Folge hat. Durch Zusammendrücken des Volumens der vom Aufprall betroffenen Taschen erhöht sich der Druck innerhalb der Taschen rapide, wie durch die Kraftpfeile Fii in 8 gezeigt. Da die Flüssigkeit innerhalb des Polymers nicht komprimierbar ist, versteht es sich, dass, wenn die Drücke innerhalb der Taschen nicht bis zu einem gewissen Grade entweichen können, die Taschen aufgrund der durch den Aufprall des Projektils verursachten schweren Beanspruchung reißen. Wegen der Eigenschaften der Polymere, aus denen diese Fasern gebildet sind, kann eine effektive Entfernung des Wassers aus dem Polymer nur mittels Verdunsten erreicht werden. Nach dem Einweichen wird das Polymer in eine stark vergrößerte gelatineartige Masse transformiert (siehe 9).
Ein Versuch, das Wasser aus den vergrößerten Fasern durch Kompression der Fasern herauszuquetschen, kann zum Zusammenbruch der strukturellen Integrität der Fasern in kleinere Teile führen, welche weiterhin das absorbierte Wasser festhaften. Wie bereits erwähnt, bietet diese Eigenschaft des Polymers ein außerordentlich effektives Medium für die Anwendung als Schock absorbierende Substanz. Wie gesagt, ist Wasser an sich als nicht komprimierbar anzusehen. Wasser und viele andere Flüssigkeiten werden zum Zwecke der Schockabsorption verwendet, indem sie in einen Behälter eingekapselt werden, welcher bis auf eine geringe Öffnung versiegelt ist, welche das Austreten mit einer kontrollierten Geschwindigkeit erlaubt. Was ser an sich in einem Kleidungsstück mit zahlreichen individuellen Behältern (Taschen) zu verwenden, wäre offensichtlich unpraktikabel. Indem man jedoch das Wasser wie beschrieben in einem hydrophilen Polymer hält, bieten die Eigenschaften des Wassers in Kombination mit dem Polymer ein effektives Schock absorbierendes Medium. Die Verwendung des gesättigten oder teilweise gesättigten Polymers als Schock absorbierendes Medium wird erreicht durch Einkapseln einer vorbestimmten Menge von mit Wasser gesättigten Polymerfasern oder Mischungen von Fasern und Partikeln innerhalb einer Stofftasche einer vorbestimmten Größe. Durch Steuern der Menge des Polymers in Proportion zur Größe der Tasche wird ein positiver Druck auf die innere Oberfläche der Tasche durch das expandierende Polymer ausgeübt, wenn diese dem Wasser ausgesetzt wird. Es ist daher offensichtlich, dass die Anwendung einer externen Kompression der Tasche, wie sie bei einem Aufprall auf die Tasche stattfinden würde, das Volumen der Tasche deformieren und vermindern wird.
Ein Anstieg des Innendrucks resultiert durch die Verminderung des Volumens der Tasche. Wäre das Polymer vollkommen gesättigt und davon ausgehend, dass der Stoff wasserdicht sei, versteht sich, dass die Nicht-komprimierbarkeit des Wassers innerhalb des Polymers das Einreißen der Tasche zur Folge hätte, wenn die Kraft zu groß wird. Wenngleich eine geringe Menge Energie während dieses Prozesses absorbiert werden würde, würde das abrupte Einreißen der Tasche zum sofortigen Verlust von Widerstand gegen den Aufprall führen. Um eine solche Ruptur zu verhindern, ist ein Teil des Stoffes der Tasche aus einem Material gefertigt, das eine Porosität aufweist, welche das Austreiben von Gelatinemassen des gesättigten Polymers durch die Poren des Stoffes 15 mit einer kontrollierten Geschwindigkeit erlauben (siehe 9). Die Geschwindigkeit des Auspressens hängt von der Porosität des Materials ab. Das Auspressen verhindert das Einreißen der Tasche und bietet damit ein effektives Mittel zum Absorbieren der durch den Aufprall auf die Tasche erzeugten Energie. Das Austreiben des gesättigten Polymers wird deutlicher in 8 und vergrößert in 9 dargestellt, wobei das ausgestoßene Polymer durch die Bezugszahl 32 identifiziert ist. Es sollte ersichtlich sein, dass die Anwendung von Energie aus einem Aufprall effektiver absorbiert wird, wenn die Kraft des Aufpralls über eine Anzahl von Taschen verteilt wird.
Der Benutzer des mehrschichtigen Verbundmaterials, sei es in Form eines Kleidungsstücks, einer Decke oder eines sonstigen Gegenstands, erhält damit einen effektiven Schutz gegen Aufprallverletzungen. Bei steigender Gefahr extremer Aufschläge, wie etwa bei der Polizei, die bei Aufruhrsituationen oder sonstigen gefährlichen Diensten tätig ist, können Schichten von steiferen Materialien eingesetzt werden, um ein Mittel zum Verteilen der Energie eines Aufschlags auf die größtmögliche Anzahl von Drucktaschen zu verteilen. Verglichen mit dem Einsatz einer ballistischen Schutzkleidung allein hat sich herausgestellt, dass ein Verbundstoff-Kleidungsstück mit einer ballistischen Schicht den Aufprall eines Projektils einer Feuerwaffe auf den Körper des Trägers um etwa 20% vermindert.
Der Verbundstoff hat sich in Tests bei Kleidungsstücken zur Anwendung von Feuerwehrleuten, Polizisten und militärischem Personal als herausragend herausgestellt. Diese Kleidungsstücke sind leicht adaptierbar, um den Erfordernissen der Vielzahl der oben erwähnten Anwendungen gerecht zu werden.
Um beispielsweise ein aus dem grundlegenden mehrschichtigen Verbundstoff hergestelltes Kleidungsstück durch einen Feuerwehrmann nutzen zu lassen, kann die Aufnahmeschicht einfach mit einer Feuer hemmenden Beschichtung eingesprüht werden. Soweit erforderlich, kann man leicht eine zusätzliche diskrete Schicht eines Feuer hemmenden Materials hinzufügen.
Nach dem Einweichen eines Kleidungsstücks wie oben beschrieben, bietet damit der mehrschichtige Verbundstoff einen äußerst effektiven Schutz für den Träger nicht nur gegen extreme Hitze, sondern auch gegen Verletzungen durch herunterfallende Trümmer, wie sie bei Feuerwehrleuten in einem brennenden Gebäude auftreten können.
Im Gebrauch wird jeder aus dem Verbundmaterial nach einer der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellter Gegenstand in einer Flüssigkeit, wie etwa Wasser, für eine vorbestimmte Zeit lang eingeweicht. Eine typische Einweichzeit kann etwa 2 bis 5 Minuten betragen; jedoch sind viele Parameter zum Bestimmen einer optimalen Einweichzeit zu betrachten. Zu diesen Parametern gehören der Aufbau des Verbundstoffs sowie seine beabsichtigte Anwendung. So kann zum Beispiel bei Anwendungen, die primär den Schutz gegen schweren Aufprall bezwecken, ein Zeitraum erforderlich sein, der ausreicht, die Polymerfasern oder Mischungen von Fasern und Partikeln auf nahezu 100% Sättigung zu bringen. Liegt die Anwendung in dem Schutz gegenüber starker Hitze, so kann eine Zeit angemessen sein, die ausreicht, 50 bis 90% Sättigung zu erreichen. Es sei darauf hingewiesen, dass der Grad der Sättigung experimentell gemessen und in eine Einweichzeit und/oder ein Einweichverfahren umgewandelt wird. Im Gebrauch werden solche Informationen mit jedem Verbundstoff-Gegenstand mitgeliefert. Genauer gesagt würde bei einer Anwendung als Aufprallschutz eine größere Anzahl von Fasern für eine längere Zeit lang eingeweicht, so dass ein größerer Druck innerhalb jeder der Taschen des Verbundstoffs ausgeübt würde. Es folgt auch, dass, innerhalb der von den Taschen vorgegebenen Beschränkungen, der ursprüngliche Druck innerhalb der Taschen umso höher sein sollte, je größer der zu erwartende Aufschlag ist. Wie bereits ausgeführt, beinhaltet der Verbundstoff zum Schutz gegen schweren Aufprall von Geschossen und dergleichen eine Schicht eines ballistischen Materials. Diese Schutzschicht kann permanent oder temporär an der Aufnahmeschicht angebracht sein. Permanente Anbringung kann mittels Vernähen, Verkleben oder auf andere geeignete Weise vorgenommen werden und kann üblicherweise vor dem Steppprozess durchgeführt werden. Temporäre Anbringung der Schutzschicht kann nach Fertigstellung des Steppprozesses durch Verwendung eines Haken- und Ösenmaterials wie beschrieben durchgeführt werden. Auf diese Weise kann die Schutzschicht temporär an der Aufnahmeschicht angebracht werden, ohne dass die ineinander greifenden Haken- und Ösenmaterialien ausgerichtet werden müssen. Diese temporäre Befestigungsanordnung erlaubt das Anbringen oder Entfernen einer ausgewählten Schutzschicht an jedem beliebigen Teil des Körpers des Trägers, der Schutz bedarf. Der Träger kann also in einem kompletten Anzug gesteppten Verbundmaterials ohne Schutzschicht gekleidet sein. Dann kann jede gewählte Konfiguration der Schutzschicht rasch angebracht werden. Wie in 10 illustriert, kann ein Polizeibeamter, der Schutz vor Beschuss mit Feuerwaffen benötigt, mit einer angepassten Brust- und/oder Rückenschutzschicht (Bezugszeichen 40 bzw. 42) ausgestattet werden. Wie in 11 und 12 gezeigt, kann ein Feuerwehrmann, der einen Waldbrand bekämpft, mit einer zusätzlichen Schutzschicht für die Beine ausgestattet werden, zum Schutz gegen Verletzungen aufgrund der Bewegung durch dichtes und häufig dorniges Unterholz, sowie gegen die große Hitze des Feuers.
Wenngleich die in 10 gezeigte Ausstattung üblicherweise an Stelle einer existierenden Ausstattung getragen werden wird, so kann sie auch unter einer existierenden Feuerwehrausstattung getragen werden. Bekannter weise sehen sich die Bekämpfer von Waldbränden großen Gefahren durch Flugfeuer ausgesetzt, die alle Wege, den Flammen zu entkommen, abschneiden können. In dieser Situation besteht die Überlebenstaktik darin, sich in einen rasch angefertigten Graben zu legen, seinen Körper mit einer Decke abzudecken und das Feuer über sich hinwegwandern zu lassen. Die Verwendung einer eingeweichten Decke hergestellt aus dem hierin beschriebenen Verbundstoff bietet einen unerreichten Schutz für diesen Zweck. Wie bereits erwähnt, ist auch die Verwendung solcher Decken zum Schutz bett lägeriger Personen ins Auge gefasst. Wie bereits festgestellt, kann bei einer Anwendung, die den Schutz gegen große Hitze erfordert, eine Sättigung von 50 bis 90% angemessen sein, so dass ein Mittel zur Absorption des Schweißes des Benutzers zur Verfügung gestellt wird. Sondert der Benutzer Schweiß ab, so wird der Schweiß im Wesentlichen verdunsten und damit den Benutzer kühlen. Die Feuchtigkeit wird dann in Form von feuchter Luft durch die atmungsaktive leitende Schicht in die Füllschicht zur Absorption durch die teilweise gesättigten Fasern transportiert. Vorstehend wurden auch andere Kühlfunktionen des Verbundstoffs beschrieben.
Es versteht sich daher, dass verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart sind, welche die Zwecke der Erfindung wie hierin beschrieben erzielen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass diese Erfindung auf andere Arten als die hier offenbarten implementiert werden kann. Variationen sind auch möglich in Bezug auf die beste Art der Anwendung dieser Erfindung ohne Abweichen vom Schutzumfang der Erfindung, wie sie in den nachstehenden Ansprüchen formuliert ist.

Claims

Mehrschichtiges, Flüssigkeit zurückhaltendes Verbundmaterial, umfassend: i) eine leitende Schicht (16) umfassend ein wasserdichtes Material, welches das freie Hindurchtreten von Gasen erlaubt, wobei die leitende Schicht eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist; ii) eine Füllschicht mit einer inneren Oberfläche und einer äußeren Oberfläche, wobei die innere Oberfläche der Füllschicht in Kontakt mit der äußeren Oberfläche der leitenden Schicht steht; sowie iii) eine Aufnahmeschicht (12) mit einer inneren Oberfläche und einer äußeren Oberfläche, wobei die innere Oberfläche der Aufnahmeschicht an der äußeren Oberfläche der Füllschicht anliegt; dadurch gekennzeichnet, dass die Füllschicht (14) ein Faserfüll-Wattematerial und hydrophile Polymerfasern umfasst, welche wenigstens ungefähr 2,5 bis 3 mal das Fasergewicht an Wasser absorbieren.
Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei die äußere Oberfläche der Aufnahmeschicht (12) eine Schicht eines gegenüber Projektilen widerstandsfähigen Materials (22) oder eine Schicht feuerfesten Materials beinhaltet.
Verbundmaterial nach Anspruch 2, wobei die gegenüber Projektilen widerstandsfähige Schicht (22) abnehmbar mit der äußeren Oberflä che der Aufnahmeschicht (12) verbunden ist, vorzugsweise mittels eines Haken- und Ösen-Materials (25).
Verbundmaterial nach Anspruch 3, wobei die Schutzschicht (22) ein festes ballistisches Material ist, das so konfiguriert ist, dass es der Form des Körpers einer Person angepasst ist.
Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei: i) die leitende Schicht (16), die Füllschicht (14) und die Aufnahmeschicht (12) mittels Säumen (26) miteinander verbunden sind, so dass zwischen der leitenden Schicht (16) und der Aufnahmeschicht (12) Taschen gebildet werden; und/oder ii) die leitende Schicht (16) eine thermal leitende Schicht ist.
Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Füllschicht (14) weiterhin Flüssigkeit absorbierende Partikel umfasst, die sich bei Aufsaugen von Flüssigkeit von der trockenen Größe bis zur feuchten Grüße einhundertfach bis dreihundertfach vergrößern.
Verbundmaterial nach Anspruch 6, wobei die Flüssigkeit absorbierenden Partikel im trockenen Zustand ein Volumen zwischen 0,1 und 2 Kubikmillimetern aufweisen.
Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die hydrophilen Polymerfasern: i) Polyakrylnitril/Polyakrylat-Fasern sind; und/oder ii) Durchmesser im Bereich von etwa 10 bis 50 Mikrometern und Längen im Bereich zwischen 3 und 60 Millimetern aufweisen; und/oder iii) einen Absorbierungsbereich zwischen etwa 10 bis etwa 40 g pro Gramm Fasern unter einer Last von 0,03 kg (0,5 Pfund) pro Quadratzentimeter (Zoll) bei Verwendung einer 0,9 gewichtsprozentigen Kochsalzlösung aufweisen; und/oder iv) aus absorbierendem Geliermaterial bestehen und die Fasern Zwei-Komponenten-Fasern sind.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die hydrophilen Polymerfasern Zwei-Komponenten-Fasern des Mantel- und Kerntyps sind.
Verbundmaterial nach Anspruch 9, wobei die Fasern: aus nicht weniger als 90 Gewichtsprozent Akrylnitril und weniger als 10 Gewichtsprozent eines Wasser absorbierenden Harzes aufgebaut sind, mit Karboxylgruppen und einem Anschwellpotential von 10 bis 300 cc/g.
Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei die Fasern nach einer Behandlung für eine Stunde mit trockener Hitze bei 120 °C ein Nachlassen im Wasseraufnahmeverhältnis von nicht mehr als 10 % aufweisen.
Verbundmaterial nach Anspruch 9, wobei die Fasern aus nicht weniger als 80 Gewichtsprozent eines Akrylnitril-Polymers aufgebaut sind, wobei die verbleibenden Gewichtsprozent ein Vinyl-Monomer sind.
Verbundmaterial nach Anspruch 9, wobei die Fasern aus nicht weniger als 80 Gewichtsprozent eines Akrylnitril-Polymers und einem Wasser absorbierenden Harz aufgebaut sind, welches eine Karboxylgruppe in einer Menge von nicht weniger als 3,0 m mol/g enthält.
Verbundmaterial nach Anspruch 13, wobei das Wasser absorbierende Harz: i) ein Wasseranschwellpotential von 10 bis 300 cc/g aufweist; ii) ein Partikeldurchmesser von nicht mehr als 0,5 Mikrometer bei absoluter Trockenheit aufweist; und iii) in Wasser unlöslich ist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die hydrophilen Polymerfasern eine innere Schicht und eine äußere Schicht aufweisen und die Fasern aus nicht weniger als 90 Gesichtsprozent eines Akrylnitril-Polymers aufgebaut sind, wobei darin verteilt weniger als 10 Gewichtsprozent Wasser absorbierender Harzpartikel verteilt sind, die wenigstens eine Karboxylgruppe enthalten, die durch -COOX repräsentiert ist, wobei X gleich H, NH₄ oder ein Alkalimetall ist.
Verbundmaterial nach Anspruch 15, wobei die Harzpartikel: i) im wesentlichen ein Wasseranschwellpotential aufweisen, wenn X gleich H ist und ein Anschwellpotential von 10 bis 300 cc/g aufweisen, wenn X gleich NH₄ oder ein Alkalimetall ist; und/oder ii) einen Partikeldurchmesser von nicht mehr als 0,5 Mikrometer bei absoluter Trockenheit aufweisen.
Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Faserfüll-Wattematerial wenigstens eines der Materialien gewebte Aramidfaser oder Polybenzamidazol-Faser enthält.
Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, die hydrophile Polymerfaser mit dem Faserfüllstoff im Bereich von etwa 15 % zu 75 % mit dem Faserfüllstoff vermischt ist.
Verfahren zum Abkühlen einer Person, umfassend: i) Zurverfügungstellen eines mehrschichtigen, Flüssigkeit zurückhaltenden Verbundmaterials (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 18; ii) Einweichen des Verbundmaterials nach Schritt (i) in einer Flüssigkeit, vorzugsweise für einen Zeitraum von 2 bis 5 Minuten; und iii) Anwenden des Verbundmaterials nach Schritt (ii) als Kleidungsstück oder flaches Tuch.
Verfahren zum Wärmen einer Person, umfassend: i) Zurverfügungstellen eines mehrschichtigen, Flüssigkeit zurückhaltenden Verbundmaterials (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 18; ii) Einweichen des Verbundmaterials nach Schritt (i) in einer Flüssigkeit; iii) Aufwärmen des Verbundmaterials nach Schritt (ii) auf die gewünschte Temperatur; und iv) Anwenden des Verbundmaterials nach Schritt (iii) als Kleidungsstück oder flaches Tuch.