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Technologischer
Bereich
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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.
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Technologischer
Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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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.
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Offenbarung
der Erfindung
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Nachfolgend
wird Bezug genommen auf die anliegenden Zeichnungen, welche Teil
der Beschreibung der vorliegenden Erfindung bilden:
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1 Perspektivische
Ansicht einer Ausführungsform
eines Mehrschicht-Verbundstoffs, wobei Abschnitte diskreter Schichten
und Beschichtungen gezeigt sind;
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2 Draufsicht
auf einen Ausschnitt einer Ausführungsform
eines Mehrschicht-Verbundstoffs, wobei eine feuerresistente Schicht
als Teil des Verbundstoffs vorgesehen ist;
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3 Draufsicht
auf einen Ausschnitt des Verbundstoffs nach 1, wobei
eine ballistische Schicht als Teil derselben vorgesehen ist;
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4 Schnittansicht
eines Verbundstoffs vor dem Einweichen, wobei die Schichten desselben derart
aneinander befestigt sind, dass sie gesteppte Taschen bilden;
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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;
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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;
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7 eine
Schnittansicht wie in 6, wobei die gesteppten Taschen
an einer ballistischen Schicht angebracht sind;
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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;
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9 vergrößerte Schnittansicht
einer Tasche, die so weit deformiert wurde, dass Polymermaterial
aus der Füllschicht
durch die Aufnahmeschicht nach außen gedrückt wurde;
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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;
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11 Schutzschicht
in der Form eines Schienbeinschützers,
der an einer Aufnahmeschicht einer Schutzbekleidung angebracht ist;
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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..
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Ein
Beispiel eines für
die Füllschicht
geeigneten Wattematerials ist ein Material vom Typ ARAMID-E 89,
wobei das Material selbst bei DuPont erhältlich ist.
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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.
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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.
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Ein
geeignetes Material zur Verwendung als Feuerschutzschicht ist ein
Material vom Typ NOMEX, was, wie gesagt, bei DuPont erhältlich ist.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.