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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Airbags, die aus beschichteten
Stoffen gebildet werden, und auf ihre Herstellung, wobei der beschichtete Stoff
fähig ist,
eine Drucksperre zwischen zwei Bereichen mit einem Druckunterschied
aufrecht zu erhalten.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Beschichtungszusammensetzungen
für textile
Substrate, die einen flexiblen Überzug
auf dem Stoff bereitstellen, z.B. um die Durchlässigkeit des Stoffes herabzusetzen
oder um thermischen Schutz des Stoffes zu verbessern, sind in der
Technik wohl bekannt und sind zum Beispiel in EP-A-553840, WO01/12894,
JP-A-6-227347 und EP-A-886164 beschrieben. Die meisten solcher Beschichtungszusammensetzungen
basieren auf Siliconelastomeren.
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Während Stoffe,
die mit solchen Zusammensetzungen beschichtet sind, für viele
Airbag-Anwendungen zufriedenstellend sein mögen, erfüllen sie nicht die Erfordernisse,
wo unter Druck stehende Fluide in einer Stoffhülle für einen relativ langen Zeitraum
gehalten werden müssen.
Dieses Erfordernis existiert zum Beispiel bei der Anwendung von
solchen Beschichtungen auf Side-Curtain-Airbags ("Seitenvorhang-Airbags", Dach-Airbags) für die Automobilindustrie.
Es ist beabsichtigt, dass diese Side-Curtain-Airbags sich zum Zeitpunkt
des Aufpralls aufblasen, wie es übliche
Airbags tun. Die Seitenvorhänge entfalten
sich, um einen gepolsterten Vorhang zwischen Passagieren und einem
Teil der Seite der Automobilkarosserie, z.B. den Fenstern, zu bilden.
Da die Absicht ist, nicht nur den Schlag beim Aufprall selbst abzupolstern,
wie es bei üblichen
Fahrer- und Beifahrer-Airbags der Fall ist, sondern z.B. Passagiere
zu schützen,
wenn sich ein Auto überschlägt, ist
es wichtig, dass der Side-Curtain-Airbag während solch eines Überschlagvorgangs
ausreichend unter Druck steht. Wo übliche Fahrer- und Beifahrer-Airbags
den Druck nur für
den Bruchteil einer Sekunde aufrechterhalten müssen, ist es erwünscht, dass
Side-Curtain-Airbags einen geeigneten Druck für einige Sekunden aufrechterhalten. Ähnliche
Anwendungen existieren, wo eine unter Druck stehende Gewebestruktur
erwünscht
ist, um einen bestimmten Fluid-Druck
für einen
relativ ausgedehnten Zeitraum aufrechtzuerhalten, z.B. in Notrutschen
für Flugzeuge,
aufblasbaren Flößen usw.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Stoff, der in den Airbags gemäß der Erfindung
verwendet wird, ist mit einem Olefinpolymer beschichtet, das über gepfropfte
Trialkoxysilaneinheiten vernetzt ist, die durch Hydrolyse und Kondensation
der Alkoxysilaneinheiten vernetzt sind.
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Das
Olefinpolymer ist vorzugsweise Polyethylen, zum Beispiel Polyethylen
mittlerer Dichte (MDPE) mit einer Dichte von 0,935 bis 0,955 g/ml oder
Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) mit einer Dichte von 0,918 bis
0,935 g/ml, kann aber alternativ ein Ethylencopolymer, wie etwa
ein Ethlyen-Vinylacetat-Copolymer (EVA), das zum Beispiel 5 bis
30 Gew.-% Vinylacetateinheiten enthält, oder ein Copolymer von
Ethylen mit bis zu 30 Gew.-% eines anderen Olefins, wie etwa Propylen,
1-Buten oder 1-Hexen, oder ein Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer,
das bis zu 5 Gew.-% Dieneinheiten enthält, sein.
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Das
Olefinpolymer kann mit Trialkoxysilaneinheiten durch Reaktion mit
einem Alkenyltrialkoxysilan in Gegenwart eines Katalysators gepfropft
werden. Die Alkoxygruppen des Trialkoxysilans haben vorzugsweise
1 bis 4 Kohlenstoffatome, insbesondere Methoxy- oder Ethoxygruppen.
Die bevorzugte Alkenylgruppe ist Vinyl, obwohl Allyl und Hexenyl
Alternativen sind. Ein Beispiel für ein bevorzugtes Alkenyltrialkoxysilan
ist Vinyltrimethoxysilan. Die Propfreaktion kann zum Beispiel bei
erhöhter
Temperatur in Gegenwart eines Peroxidkatalysators, wie etwa Benzoylperoxid,
durchgeführt
werden. Die Menge an Alkenyltrialkoxysilan, die auf das Olefinpolymer
gepfropft wird, kann zum Beispiel 0,2 bis 20 Gew.-% sein. Geeignete
gepfropfte Polyethylene werden von AEI Compounds Limited of Gravesend,
Kent, GB, unter den Handelsbezeichnungen SX700, SX708 und SX408
vertrieben.
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Das
gepfropfte Polymer kann einen Füllstoff, vorzugsweise
einen verstärkenden
Füllstoff,
wie etwa Kohlenstoff oder Siliciumdioxid, Titandioxid oder Glasmikrokügelchen,
enthalten. Geeignete andere Füllstoffe
umfassen gemahlenen Quarz, gemahlene gehärtete Siliconkautschukteilchen
und Calciumcarbonat. Die Menge an Füllstoff kann zum Beispiel bis zu
25 Gew.-% der gepfropften Polymerzusammensetzung betragen, aber
Füllstoff
ist vorzugsweise nicht vorhanden oder zu nicht mehr als 5% vorhanden.
Andere zusätzliche
Komponenten können
in der gepfropften Polymerzusammensetzung enthalten sein, zum Beispiel
Farbstoffe, Haftvermittler, Färbemittel,
Pigmente, Viskositätsverbesserer
oder Weichmacher. Haftvermittler umfassen epoxyfunktionelle oder
aminofunktionelle Organosiliciumverbindungen oder Organotitanate.
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Das
gepfropfte Polymer kann als ein Thermoplast verarbeitet werden,
bevor es vernetzt wird. Vernetzung wird in einem nachfolgenden Verfahren durch
die Wirkung von Feuchtigkeit herbeigeführt. In Gegenwart von Feuchtigkeit
werden die Alkoxysilangruppen zu Silanolgruppen hydrolysiert, mit
nachfolgender Kondensationsreaktion zwischen Silanolgruppen, die
an unterschiedliche Polymermoleküle
gebunden sind. Die Polymerzusammensetzung enthält vorzugsweise einen Kondensationskatalysator,
zum Beispiel ein metallisches oder organometallisches Carboxylat,
wie etwa Dibutylzinndilaurat, (DBTDL) oder Zinn(II)-octoat, vorzugsweise
zu 0,1 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das gepfropfte Polymer. Die Vernetzungsgeschwindigkeit
wird durch die Diffusionsgeschwindigkeit der Feuchtigkeit in das
System und durch die Katalysatormenge bestimmt. Es mag bevorzugt
sein, den Katalysator in der letzten Verarbeitungsstufe vor Vernetzung
einzubringen. Alternativ kann eine gepfropfte Polymerzusammensetzung, die
Katalysator enthält,
vor Feuchtigkeit verschlossen werden, bis sie auf einen Stoff beschichtet
wird, zu welchem Zeitpunkt das große Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis rasche
Feuchtigkeitsdiffusion und Vernetzung erlaubt.
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Die
Erfindung umfasst somit ein Verfahren zur Herstellung von Airbags,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Stoff mit einem Olefinpolymer beschichtet
wird, das mit Trialkoxysilaneinheiten gepfropft ist, und das gepfropfte
Olefinpolymer nachfolgend durch Hydrolyse und Kondensation der Alkoxysilaneinheiten
vernetzt wird.
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In
einem bevorzugten Beschichtungsverfahren wird der Stoff durch Extrusionsbeschichtung
des gepfropften Olefinpolymers beschichtet. Das Polymer kann zum
Beispiel durch eine Schlitzdüse
auf einen Stoff extrudiert werden, der von einer gekühlten Gegendruckwalze
getragen wird. Alternativ kann das gepfropfte Olefinpolymer auf
den Stoff durch Kaschieren eines erwärmten Films aus dem gepfropften Olefinpolymer
auf den Stoff beschichtet werden. Der Stoff kann zum Beispiel durch
eine Schmelzbeschichtungstechnik beschichtet werden, bei welcher geschmolzenes
gepfropftes Olefinpolymer auf ein erwärmtes Zweiwalzenwerk, zum Beispiel
durch Extrusion, aufgebracht wird, um einen Film zu bilden und der
resultierende Film an einem Spalt auf den Stoff kaschiert wird.
Ein anderes bevorzugtes Beschichtungsverfahren ist Schmelzbeschichtung,
bei welcher zum Beispiel die gepfropfte Polymerzusammensetzung in
den Spalt zwischen Walzen extrudiert wird, wobei eine von ihnen
eine weniger klebrige Oberfläche
hat, so dass ein Polymerfilm von dem Spalt durch die andere Walze
getragen wird und mit dem Stoff an einem anschließenden Spalt
auf dieser Walze in Berührung
gebracht wird. Weitere alternative Beschichtungsverfahren umfassen
Sprühen,
Tiefdruckbeschichtungsverfahren, Beschichtung mit Rollrakel, Beschichtung
mit Walzenrakel, Beschichtung mit Luftrakel, Aufklotzen und Siebdruck.
Die Beschichtung wird vorzugsweise als eine lösungsmittelfreie, z.B. geschmolzene,
Zusammensetzung aufgebracht, kann aber in einem organischen Lösungsmittel
gelöst
werden, falls gewünscht.
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Es
ist bevorzugt, dass die Zusammensetzung in einem Beschichtungsgewicht
vor Härtung von
mindestens 25 g/m2 aufgebracht wird. Vorzugsweise
beträgt
die Beschichtungsdicke 25 bis 150 g/m2,
bevorzugter 60 bis 130 g/m2 für Anwendungen, wo
Druck länger
aufrechterhalten werden muss, z.B. in Side-Curtain-Airbags, oder 30 bis 50 g/m2 für
Anwendungen, wo Druckerhalt über
ausgedehnte Zeiträume
nicht so kritisch ist, z.B. in gewöhnlichen Fahrer-Airbags. Obwohl
es nicht bevorzugt ist, ist es möglich,
die Zusammensetzung in mehreren Lagen aufzubringen, die zusammen
die Dicke haben, die oben ausgeführt
ist. Es ist auch möglich,
auf die Beschichtungszusammensetzung eine weitere Beschichtung aufzubringen,
z.B. aus einem Material, das niedrige Reibung verleiht, oder einem
zusätzlichen
textilen Gewebe, ob gewebt oder nichtgewebt, um die Festigkeit und/oder
den Griff des Stoffs zu verbessern.
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Bevorzugte
Stoffe zur Verwendung als Substrat in der vorliegenden Erfindung
können
aus synthetischen Fasern oder Mischungen aus natürlichen und synthetischen Fasern
hergestellt werden und umfassen Polyamid-, Polyester-, Polyimid-,
Polyethylen-, Polypropylen-, Polyester-Baumwolle- oder Glasfaserstoffe,
am meisten bevorzugt Polyamidfasern, wie etwa Nylon 6,6. Sie sind
vorzugsweise gewebte Stoffe.
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Wenn
der beschichtete Stoff verwendet wird, um die Airbags zu bilden,
ist die Beschichtung vorzugsweise auf der Oberfläche des Airbags vorhanden,
die von der Zündeinheit
des Airbags entfernt ist, und optional auch auf der Oberfläche des
Airbags, die näher
an der Zündeinheit
liegt. Wenn beide Seiten des Stoffes beschichtet sind, beträgt das Gesamtbeschichtungsgewicht
vorzugsweise nicht mehr als 150 g/m2.
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Die
Beschichtung aus vernetztem Olefinpolymer hat eine Reißfestigkeit
und Dehnung, die der von Siliconkautschuken ähnlich ist, die kommerziell als
Airbag-Beschichtungen verwendet werden, hat aber eine wesentlich
höhere
Zugfestigkeit, zum Beispiel 50 bis 100% höher. Dies hat den Vorteil,
dass die Airbag-Beschichtung
nicht durch Bildung nadelfeiner Löcher, die mit Schwächung des
Beschichtungsfilms verbunden ist, versagt. Airbags, die gemäß der Erfindung
beschichtet sind, halten 10 s nach dem Zündzeitpunkt 0,5 bar Druck,
was die angemessene Druckaufrechterhaltung für Side-Curtain-Airbags ist.
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Die
Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht:
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Beispiel 1
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Ein
silangepfropftes Polyethylen, das von AEI Compounds geliefert wurde,
von dem geglaubt wird, dass es LDPE ist, das mit Vinyltrimethoxysilan gepfropft ist,
wurde auf Stoff unter Verwendung einer sogenannten Schmelzbeschichtungstechnik
aufgebracht. Das Beschichtungsmaterial selbst ergab, wenn es in
Folienform unter Verwendung von 95% gepfropftem Polyethylen und
5% DBTDL-Katalysator hergestellt
und vernetzt wird, die folgenden physikalischen Eigenschaften: Reißfestigkeit – 40 kN/m; Reißdehnung – 650%;
Shore-A-Härte – 80; Zugfestigkeit – 12 MPa.
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Das
silangepfropfte Polyethylen wurde bei 170°C auf ein erwärmtes Zweiwalzenwerk
extrudiert und dadurch auf beide Seiten eines aufblasbaren Miniatur-Airbags des Vorhangtyps,
der selbst aus einem gewebten Nylon-6,6-Stoff hergestellt war, beschichtet.
Das erwärmte
Zweiwalzenwerk wurde auf etwa 170°C
eingestellt, um Bildung eines geeigneten geschmolzenen Films, der
für den
Kaschierprozess benötigt
wurde, sicherzustellen. Das Beschichtungsgewicht auf dem Stoff betrug
etwa 150 g/m2. Der beschichtete Stoff wurde
der Atmosphäre
einige Tage ausgesetzt, um Vernetzung der Methoxysilanstellen zu
initiieren, und die beschichteten Airbags wurden nachfolgend entfaltet,
um ihre Druckaufrechterhaltungseigenschaften zu prüfen.
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Die
beschichteten Miniatur-Airbags, die so in dem Schmelzbeschichtungsversuch
hergestellt wurden, wurden einem Aufblastest mit kaltem Gas unterworfen,
der die Bedingungen simuliert, die der Airbag in Normalgröße erfährt. Die
Airbags hielten 10 s nach dem Zündzeitpunkt
0,5 bar Druck. Es gab eine teilweise Delaminierung der Beschichtung
von dem Stoff in dem Aufblastest; diese Stellen waren die Quelle
für Druckverlust.
Wenn der Stoff oder die Beschichtungszusammensetzung modifiziert
wird, um Haftung zu verbessern, kann sogar noch bessere Druckaufrechterhaltung
erwartet werden.
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Beispiel 2
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Die
gepfropfte Polyethylenzusammensetzung aus Beispiel 1 wurde auf einen
gewebten Nylon-6,6-Stoff beschichtet, der von einer gekühlten Walze
getragen wurde. Die Polymerzusammensetzung wurde durch eine computergesteuerte
Schlitzdüse
extrudiert, um ein Beschichtungsgewicht von 40 g/m2 auf
dem Stoff zu ergeben. Dieser Versuch erzeugte eine einseitige Beschichtung
auf gera dem Stoff, somit war kein Aufblastest möglich. Wiederum wurde beobachtet,
dass die Haftung schlecht war, aber die Durchführbarkeit des Aufbringens eines dünnen Films
wurde bewiesen. Dieses Beschichtungsgewicht lieferte ein sehr gut
faltbares Material mit niedriger Reibung. Beide diese Merkmale sind
extrem wichtig bei der Endanwendung, wo der beschichtete Airbag
fest gefaltet werden muss, sich dennoch geschmeidig und rasch entfalten
muss, ohne aneinander zu haften (Blocking).