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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen flexiblen oder elastischen
Verbundwerkstoff, der eine Polymermatrix mit einer darin zur Verstärkung dispergierten
faserigen Komponente umfasst. Der Verbundwerkstoff ist durch seine
hohe Durchstoßbeständigkeit
und andere brauchbare Eigenschaften gekennzeichnet.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Derzeit
werden und wurden beträchtliche
Forschungsanstrengungen hinsichtlich der Entwicklung von Verbundwerkstoffen
aus Harzen und faserigen Materialien, die benötigte Eigenschaften bereitstellen,
unternommen. Typischerweise können
solche Verbundwerkstoffe ein oder mehrere beliebige herkömmliche
Harze oder ein anderes Matrixmaterial, wie Epoxy- oder Polyesterharze,
einschließen,
die mit verschiedenen Typen von Fasern, einschließlich beispielsweise
Glas- oder Metallfasern oder dergleichen, verstärkt sind.
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Eine
nützliche
Abhandlung bezüglich
Verbundwerkstoffen erscheint in einem Artikel von Chou et al. mit
dem Titel "Composites" und ist in Scientific
American, Oktober 1986, Bd. 255, Nr. 4, Ss. 193-202 erschienen.
Der Artikel beschreibt eine Vielzahl von verschiedenen Typen von
Verbundwerkstoffen, die in verschiedenen Matrixmaterialien dispergierte
faserige Materialien umfassen. Der Artikel gibt an, dass im Falle
eines spröden
keramischen Matrixmaterials ein Riss in der Matrix auch zu einem
Versagen der Verstärkungsfaser
führen kann,
wenn die Bindung zwischen Matrix und Faser recht schwach ist. Normalerweise
werden allerdings Schritte zur Bereitstellung eines maximalen Bindens
zwischen Matrix und Faserkomponente unternommen. Dies kann durch
entsprechend Wahl von Matrix und Fasern und/oder durch Vorbehandlung
der Fasern, um ein physikalisches oder chemisches Binden an der
Matrix bereitzustellen, erreicht werden.
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US-A-4766014
betrifft ein Verfahren zur Herstellung von künstlichem Leder, das echtem
Leder gleicht, durch chemisches Bearbeiten von synthetischem Folienmaterial.
Das Verfahren umfasst die Behandlung eines synthetischen Folienmaterials
mit einer wässrigen
Lösung
des Typs, der bei den bekannten Gerbprozessen und unter den bekannten
Gerbbedingungen angewandt wird, und die Durchführung mit dem behandelten Material
eines Schmälzverfahrens,
welches im Wesentlichen mit dem bekannten Schmälzverfahren, dem das Naturleder
unterzogen wird, identisch ist. Bezug genommen wird auf ein Material
mit Polyurethanharzschichten, das eine poröse offenzellige Matrix, die
eingelassen ist, und Polyester- oder Polyethylenfasern, denen eine
im Wesentlichen freie Bewegung im Inneren der Matrix längs ihrer
Achsen erlaubt ist, umfasst.
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US-A-3597307
betrifft ein weiches Folienmaterial und ein Verfahren zu seiner
Herstellung, welches zur Verwendung als Basismaterial bei der Herstellung
von künstlichem
Leder geeignet ist. Die Folie enthält eine möglichst große Menge an hydrophilem faserigen
Material, das eine Wasserdampf-"Aufnahme" aufweist, die derjenigen
von natürlichem
Basismaterial nahe kommt, und enthält auch einen Füllstoff,
der im Wesentlichen keine Haftung an den Fasern aufweist.
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Wie
festgestellt, wurde bereits eine Vielzahl von faserigen Komponenten
in verschiedenen Formen, z.B. Metall, Glas, Polyester, etc., in
Form von Gewebe-, Vlies- oder Strickstoffen oder als Stapelfasern
oder Filamentbündel
zur Verbundwerkstoff-Anwendung vorgeschlagen. Neuerdings werden
solche Materialien, wie Aramid und langkettige Polyethylenfasern
(z.B. Spectra-Fasern), zur Verwendung in Verbundwerkstoffe vorgeschlagen.
Soweit bekannt, allerdings erfordern alle derartigen bisher offenbarten
Anwendungen die Haftung zwischen Faserkomponente und Matrix, um
brauchbare flexible oder elastische Verbundwerkstoffe bereitzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, dass ein äußerst brauchbarer
elastischer oder flexibler Verbundwerkstoff durch Kombinieren einer
elastischen Harzkomponente und einer Faserkomponente derart, dass
das Harz die Faserkomponente einschließt oder umhüllt, mit im Wesentlichen keiner
chemischen Haftung oder Bindung zwischen den beiden Komponenten,
erhalten werden kann. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu den
früheren
Verbundwerkstoffen, wobei, wie angegeben, dass Binden zwischen Harz
und faserigen Komponenten als erwünscht, wenn nicht als essentiell
betrachtet worden ist. Im vorliegenden Fall werden das Harz und
die faserigen Komponenten so gewählt,
dass chemisches Binden in keiner nennenswerten Menge auftritt. Folglich
kann das Harz, welches an sich elastisch ist, seine Elastizität beibehalten,
während
es die Matrixfunktion übernimmt.
Gleichzeitig verleiht die faserige Komponente dem Verbundwerkstoff
Festigkeit und andere wünschenswerte
Eigenschaften, insbesondere Durchstoßbeständigkeit.
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Besonders
wirksame Ergebnisse werden durch Bilden der Harzmatrix in situ um
die faserige Komponente erhalten, die in Form von Stapelfasern,
kontinuierlichem Filament, Vlies-, Gewebe- oder Strickstoff vorliegen
kann.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
betrifft die Erfindung die Verwendung von ultrahochmolekularen,
sehr zugfesten, langkettigen Polyethylenfasern mit hohem Modul als
faserige Komponente und von flexiblem Polyurethan, das durch Anordnen
der Urethanbildenden Komponenten um die Fasern und Eintretenlassen der
gewünschten
Urethanbildungsreaktion in situ gebildet wird. Solche Fasern und
eine solche Harzmatrix binden nicht aneinander, wobei die nicht
bindende Wirkung durch den äußerst glatten
Charakter Polyethylenfasern unterstützt wird. Polyesterfasern können mit
der flexiblen Polyurethanmatrix oder dergleichen ebenfalls in geeigneter
Weise eingesetzt werden, solange jedes nennenswerte chemische Binden
zwischen Matrix und Faserkomponente vermieden wird. Erfindungsgemäß ist der
Verbundwerkstoff im Wesentlichen so elastisch wie das Polyurethan
selbst, bis der Verbundwerkstoff bis zu dem Punkt gebogen wird,
an dem die Fasern in der Matrix eingeschnürt werden, d.h. die Matrix
zieht sich um die einzelnen Fasern zusammen, um eine Bremswirkung
auf das Gleiten zwischen Matrix und Fasern zu bewirken. Der Verbundwerkstoff
kann bis zu diesem Punkt gebogen werden, ohne dass auf die eingekapselten
Fasern Spannung ausgeübt
wird, die gewissermaßen
in der Harzmatrix schwimmen. Wenn allerdings das Biegen des Verbundwerkstoffs
so ist, dass Faser-Einschnürung
oder -Abbremsen auftritt, erhöhen
die Fasern ihre Verstärkungswirkung
durch Zusammenwirken mit Fasern in ihrer Nachbarschaft, so dass
die Belastung, die auf dem Verbundwerkstoff lastet, verteilt wird. Wenn
dann die Biegekraft entspannt wird, erleichtert die in den eingeschnürten Fasern
gespeicherte Energie die Rückkehr
des Verbundwerkstoffs in seine früheren Dimensionen. Somit behält der Verbundwerkstoff
im Wesentlichen die gewünschte
Flexibilität
oder Elastizität
der Harzkomponente bei, während
er von den Fasern verstärkt
wird und von ihnen anderweitig profitiert.
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Es
muss ebenfalls festgestellt werden, dass die Art, in der der vorliegende
Verbundwerkstoff beim Biegen und Entspannen funktioniert, nicht
möglich
wäre, wenn
Fasern und Matrix physikalisch oder chemisch aneinander gebunden
wären.
Somit schränkt
eine wesentliche oder beabsichtigte Haftung zwischen Fasern und Matrix
die Flexibilität
ein, und die so eingeschlossenen Fasern könnten schon vor dem Aufteilen
der Biegelast auf andere, daneben liegende Fasern brechen. Im vorliegenden
Fall ändern
die Fasern die Position vor, während
oder nach der Verformung bezüglich
der Matrix nicht. Die Fasern schwimmen stattdessen unverklebt in der
Matrix, bis der Verbundwerkstoff bis zu dem Punkt gebogen wird,
wo die Fasern eingeschnürt
oder in ihrer Position durch die gebogene Matrix zusammengedrückt werden,
wobei die in den so eingeschnürten
Fasern gespeicherte Energie dazu beiträgt, dass der Verbundwerkstoff
wieder in seine ursprüngliche
Form zurückspringt,
wenn die Biegekraft entspannt wird.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie
vorstehend festgestellt, umfasst die Matrix ein flexibles oder elastisches
Polyurethan, das in situ durch Aufbringen der Polyurethan-bildenden
Reaktanten um die Faserkomponente und anschließende Reaktion und Härtung gebildet
wird. Typischerweise umfassen die Polyurethan-bildenden Reaktanten
(A) ein aliphatisches Isocyanat, z.B. ein Isocyanat-Prepolymer,
wie Isophorondiisocyanat oder Diphenylmethandiisocyanat, und (B)
eine aliphatische Hydroxykomponente, wie Polyesterpolyol oder ein
Gemisch davon mit Polypropylenglycol. Für diesen Zweck kann jede herkömmliche
Polyurethan-bildende Komponente eingesetzt werden, mit der Maßgabe, dass
die Polyurethanreaktion bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes
der faserigen Komponente eintritt. Vorzugsweise wird das Polyurethan
durch getrenntes vorheriges Erhitzen der Reaktanten (A) und (B)
auf eine Temperatur von beispielsweise 30-60 °C und Aufbringen dieser Reaktanten
um die faserige Komponente, wobei letztere in einer Form angeordnet
oder anderweitig gestützt
wird, bei Umgebungstemperatur (18-32 °C) gebildet. Die resultierende
in situ Reaktion ist exotherm und sollte, sofern notwendig, kontrolliert
werden, um die Temperatur auch unterhalb des Schmelzpunktes der
beteiligten Fasern zu halten. Üblicherweise
wird für
Polyethylenfasern die Temperatur unter etwa 70 °C gehalten, während höhere Temperaturen,
z.B. bis zu etwa 120 °C,
mit schrumpfarmen Polyesterfasern beobachtet werden können.
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Allerdings
sind Polyurethanmatrixmaterialien bevorzugt, da sie eine gute Abriebfestigkeit
und im Falle von aliphatischen Urethanen eine gute UV-Beständigkeit;
und im Falle von Polyethern eine gute Hydrolysestabilität aufzuweisen
pflegen.
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Für die vorliegenden
Zwecke kann eine Vielzahl von faserigen Komponenten oder Gemischen
davon verwendet werden. Allerdings, ist es, wie festgestellt, bevorzugt,
dass diese Komponente entweder Polyesterfasern oder ultrahochmolekulare, äußerst zugfeste
Polyolefinfasern umfasst. Besonders bevorzugt sind langkettige Polyethylenfasern,
z.B. Fasern, die als Spectra 900 und Spectra 1000 erhältlich sind,
die als besonders wirksam befunden wurden. Solche Polyethylenfasern
besitzen eine außergewöhnliche
hohe Zugfestigkeit, und aufgrund dessen kann aus dieser Faser ein
Textilstoff hergestellt werden, der offener ist als ein aus weniger festen
Fasern bei einem gegebenen Festigkeitsniveau hergestellte Textilstoffe.
Beispielsweise besitzt ein Stoff, der aus 1200-Denier-Polyestergarn in einem 32-auf-32-Aufbau
(d.h. 32 Kett- und 32-Schussfäden
pro in., etwa 12,6 Kett- und 12,6 Schussfäden pro cm) gewebt ist, praktisch
keine "Fenster", d.h. es gibt im
Wesentlichen keine Öffnungen
darin wie in einem gewebten Vorhangstoff. Ein solcher geschlossener
Polyesterstoff ist nicht so fest wie ein offener Stoff, der aus
1200-Denier-Garn aus Spectra 900- oder Spectra 1000-Fasern in einem 10-auf-10-Aufbau
(d.h. 10 Kett- und 10 Schussfäden
pro in., etwa 3,94 Kett- und 3,94 Schussfäden pro cm) gewebt ist. Der
letztgenannte Stoff ist so offen, dass er zwischen jedem Kett- und
Schussfaden ein nennenswertes "Fenster" aufweist. Die Fähigkeit
zur Herstellung eines festen Stoffes mit "Fenstern", gekoppelt mit dem glatten oder gleitenden
Charakter der Polyesterfaser, macht diese Faser für die vorliegende
Zwecke besonders geeignet.
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Festgestellt
wird auch, dass die "Spectra"-Faser die Belastung
schneller überträgt als die
nächstliegende
Hochleistungsfaser, die Aramid-Faser, nahezu zweimal so schnell.
Wenn demnach 1 "Spectra"-Faser in Stoffform
einer Kraft ausgesetzt wird, arrangiert sich diese Faser schnell
mit ihrer Begleitfaser, und sie teilen sich die ihnen zugeordnete
Verstärkungsaufgabe
mit der Geschwindigkeit von 12300 m pro s. Demnach bringt ein Läufer, der
beispielsweise mit einer erfindungsgemäß hergestellt Schuhmittelsohle
auf einen Nagel tritt, automatisch und praktisch schlagartig eine
sehr große
Menge von superstarken Fasern in ein Schutzverhalten.
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Die "Spectra"-Faser ist leichter,
d.h. sie besitzt ein geringeres spezifisches Gewicht (0,97) als
Polyester (1,38) oder Aramid (1,44) oder Glas (2,6) oder Stahl (7,0)
und besitzt immer noch eine bessere Leistung als die anderen Fasern.
Dies ist folgerichtig, da dadurch bei den vorliegenden Verbundwerkstoffen
ein Maximum in den Eigenschaften von Festigkeit:Gewicht möglich ist.
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Es
wird festgestellt, dass die "Spectra"-Faser bei dem Siedepunkt
von Wasser zum Schrumpfen neigt und die Faser bei 250 °F (etwa 121 °C) langsam,
allerdings nicht merklich schwach zu werden beginnt. Als Folge sollte
das Harz, das zur Verwendung mit diesen Fasern ausgewählt ist,
schon bei Temperaturen unterhalb des Siedepunkts von Wasser geformt
werden, vorzugsweise beispielsweise bei im Wesentlichen Handwaschtemperaturen
(unter etwa 70 °C).
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"Spectra"-Fasern oder gleichartige
langkettige Polyolefinfasern verbinden sich mit den meisten Harzen
nicht. In der Vergangenheit wurden Schritte zur Verbesserung der Hafteigenschaften
dieser Fasern unternommen, z.B. durch Corona- oder Plasmabehandlung
oder durch spezielle Klebstoffe, um Verbundwerkstoffe zu bilden,
da davon ausgegangen wurde, dass eine solche Haftung essentiell
ist. Für
die vorliegenden Zwecke ist es allerdings von Bedeutung, dass die
Fasern nicht an der Harzmatrix haften, um einen elastischen Verbundwerkstoff
zu erhalten. In dieser Hinsicht kann eine gewisse zufällige physikalische
Haftung zwischen Fasern und Matrix auftreten, beispielsweise aufgrund
von Unregelmäßigkeiten
in der Faseroberfläche.
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Allerdings
ist eine solche zufällige
Haftung nicht von der Art, deren Vermeidung erfindungsgemäß beabsichtigt
ist. Der Schlüssel
liegt in der Vermeidung der chemischen Haftung zwischen Matrix und
faserigen Komponenten.
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Der
vorliegende Verbundwerkstoff kann auf eine Vielzahl von Wegen hergestellt
werden. Beispielsweise können
die Harz-bildenden Komponenten gegossen oder um die Fasern gepresst
werden, oder sie können zwischen
die faserige Komponente gesprüht
und in situ absetzen und reagieren und härten gelassen werden. Zweckmäßigerweise
können
zwei flüssige
Reaktantenteile des Matrixharzes zuvor erhitzt und exakt unter Hochdruck
am Kopf einer luftlosen Sprühpistole
gemischt werden. Sodann wird das so zerstäubte Harzgemisch auf und zwischen
den vorpositionierten Fasern abgeschieden, wobei diese in einem
geeigneten Absetzbehälter
oder einer geeigneten Form oder dergleichen angeordnet sind. Alternativ
können
die Reaktanten zusammen mit den Fasern und jeder anderen frei wählbaren
Komponenten auf ein geeignetes Substrat oder eine geeignete Formoberfläche aufgesprüht werden,
wo die Harzkomponenten unter Bildung der Matrix mit den darin dispergierten
Fasern reagieren. Es wird davon ausgegangen, dass das Substrat ein
Textilstoff, Papier, Film, Blech, Folie, Metall oder dergleichen
sein kann. Gleich welches Verfahren angewandt wird, umhüllt das
Harz die Verstärkungsfasern
oder Faserbündel,
ohne daran zu binden, wobei festgestellt wird, dass bei Verwendung eines
Bündels
von Fasern das Harz das Bündel
einkapselt.
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Die
Faserkomponente kann in jeder zweckmäßigen Form vorliegen, z.B.
als Einzelfasern, Filamente, Faserbündel oder als Vlies-, Web-
oder Strickstoff. Der Begriff "Fasern" wird hier zweckmäßigkeitshalber
verwendet, obwohl beabsichtigt ist, dass der Begriff sowohl Stapelfaser
als auch Endlosfilament, auf die gewünschte Länge geschnitten, Bündel davon
oder Stoffe auf der Grundlage davon einschließt.
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Die
faserige Komponente kann in regelloser oder orientierter Weise,
beispielsweise in Abhängigkeit von
den gewünschten
Eigenschaften in dem Verbundwerkstoff verwendet werden. Im Falle
einer regellosen Konfiguration können
Stapelfasern verwendet werden. Solche Fasern neigen bei Dispersion
in der Harzmatrix in schwankendem Ausmaß zum Kräuseln oder Biegen. Als Alternative
können
kontinuierliche Filamente, regellos oder vermischt, verwendet werden.
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Vorzugsweise
werden die Fasern in Stoff oder Bündelform verwendet, und sehr
brauchbare Ergebnisse werden erhalten, wenn die Fasern in einer
vorgegebenen Ebene gerade oder parallel liegen, ohne Kräuseln oder
Biegen. Auch mehrere Achsen, jeweils in einer vorgegebenen Ebene,
können
verwendet werden, wenn es die Umstände rechtfertigen. Wenn Faserbündel verwendet
werden, umfassen die Bündel
vorzugsweise 10-1000 Filamente, wobei die Bündel parallel in einer gemeinsamen
Ebene angeordnet sind. Auch parallele Schichten von Filmenten können mit
den Filamenten in jeder Schicht, orientiert in verschiedenen Winkeln
zu den Filamenten in benachbarten Schichten, verwendet werden. Vorzugsweise
werden geradkettige oder ungekräuselte
Fasern verwendet, da jede an solche Fasern angelegte Kraft die Faser
augenblicklich in Spannung oder Kompression versetzt, wohingegen
gekräuselte
Fasern zuerst durch die angelegte Kraft gestrafft werden müssen.
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Die
Orientierung von Faserschichten wird hauptsächlich zum Aufbau von Festigkeit
in der (den) gewünschten
Richtungen) verwendet. Zweckmäßigerweise
sind die Fasern in jeder Schicht parallel oder im Wesentlichen parallel
angeordnet, da sich dadurch mehr Fasern in ein vorgegebenes Volumen
packen lassen. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass diese Fasern so
positioniert sind, dass ihre längste
Dimension (Länge)
parallel zu der Kraft ist, der zu widerstehen beabsichtigt ist.
Die Matrix dient dazu, die orientierten Fasern in Ausrichtung zu
halten, sowohl einzeln als auch in Bündelform, auch während der
Belastungscyclen des Verbundwerkstoffs durch Spannung und Druck.
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Die
Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert:
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BEISPIEL 1
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Ein
Harzfaser-Verbundwerkstoff wurde wie folgt unter Verwendung eines
flexiblen Zweireaktanten-Polyurethans, gebildet in situ als Harzmatrix
und Textilstoff, bestehend aus langkettigen "Spectra"-1000-Polyethylenfasern, hergestellt.
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Das
Harz wurde durch Sprühen
des Zweireaktantengemisches um den flachen Textilstoff unter Verwendung
eines Faser:Harzverhältnisses
(bezüglich
Volumen) von 30:70 aufgebracht. Der Stoff war ein Nadelvlies (7,7
oz./yd.2, etwa 261 g/m2) von regellos orientierten 5 cm (2 in) "Spectra"-1000-Fasern.
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Das
bei diesem Beispiel verwendete Polyurethan bestand aus den folgenden
zwei reaktive Komponenten:
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50
Teile (A) und 50 Teile (B), bezogen auf das Volumen, wurden zur
Bildung der Polyurethanmatrix verwendet. Diese Reaktanten wurden
vor dem Kombinieren und Aufbringen auf den Stoff jeweils getrennt
auf 50 °C
vorerhitzt. Der Stoff befand sich bei Umgebungstemperatur, jedoch
stieg die Temperatur aufgrund der beteiligten exothermen Reaktion
auf etwa 60 °C.
Das resultierende Polyurethan begann in etwa 20-25 s fest zu werden,
und an den sich so bildenden Verbundwerkstoff wurde Druck angelegt,
um die Dicke auf unter 1 mm zu reduzieren. Für diesen Zweck wurde eine Plattenpresse
verwendet, obwohl auch eine Vakuumvorrichtung verwendet werden könnte. Die
Zeit bis zum Festwerden könnte
durch Erhöhen
der Temperatur der Umgebung um den Verbundwerkstoff ebenfalls herabgesetzt
werden.
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Das
erhaltene Polyurethan wies nach abgeschlossener Reaktion eine Shore-A-Härte von
etwa 80 auf, und der Verbundwerkstoff war durch seine Elastizität und Durchstoßbeständigkeit
gekennzeichnet.
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Das
obige Polyurethan kann durch ein starreres Polyurethan ersetzt werden,
z.B. eines mit einer Shore-D-Härte
von etwa 60, um ebenfalls einen sehr brauchbaren erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff
bereitzustellen.
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BEISPIEL 2
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Ein
Verbundwerkstoff wurde durch Aufsprühen eines zweikomponentigen
Polyurethanbildenden Gemisches auf Textilstoff unter Verwendung
eines Faser:Harzverhältnisses
(bezogen auf das Volumen) von etwa 50:50, so dass der Stoff vollständig umschlossen
war, und anschließendes
Oberflächenbeschichten
mit unverstärktem
Harz hergestellt.
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Der
verwendete Textilstoff war ein triaxialer Strickstoff von nicht
gezwirnten 650 Denier-60
Filament-Spectra 900-Fasern mit 12 Fäden/in. (etwa 4,72 Fäden/cm)
in Schussrichtung, 12 Fäden/in.
(etwa 4,72 Garne/cm), jeweils –45
und +45 ° zur
Kette (kein starkes Garn in Maschinenrichtung) und mit einer 70
Denier-Polyester-Umstrickung (nicht hindurch) der festen Spectra-Garne
zur leichteren Handhabung der Bahn.
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Die
Bildung des Harzes in situ wurde wie in Beispiel 1 ermöglicht.
Das Produkt war ein fester elastischer Verbundwerkstoff, der hohe
Durchstoßbeständigkeit
zeigte.
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Die
Harz-bildende Zusammensetzung in diesem Beispiel bestand, bezogen
auf das Volumen, aus 50 Teilen Diphenylmethandiisocyanat und 50
Teilen Polyol, hauptsächlich
Polypropylenglycol.
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BEISPIEL 3
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Eine
Vliesbahn von regellos orientierten Spectra-1000-Fasern, etwa 2
in. (etwa 5 cm) lang, mit einem Gewicht von etwa 5 oz./yd2 (etwa
170 g/m2) wurde mit einer aliphatischen Polyurethan-Vergussverbindung, im
Wesentlichen wie in Beispiel 1 verwendet, gesättigt. Es wurde darauf geachtet,
den Einschluss von sichtbaren Luftblasen zu vermeiden. Die Vergussverbindung
könnte
durch ein zerstäubtes
Spray oder jedes andere bekannte Verfahren auch um die Faser aufgebracht
werden.
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Das
resultierende Verbundmaterial wog 11 oz./yd2 (etwa 373 g/m2) und
zeigte ausgezeichnete Eindringbeständigkeit, Farbstabilität und hohe
Flexibilität.
Der Verbundwerkstoff ist für
Anwendungen geeignet, die Flexibilität und hohe Festigkeit erfordern,
wie die Mittelsohle eines Schuhs oder dergleichen.
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BEISPIEL 4
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Ein
triaxialer Stickstoff (+45 °,
0 °, –45 °) aus 650
Denier-Spectra 900, der etwa 8 oz./yd2 (etwa
271 g/m2) wog, wurde als Verstärkungsfaser
für den
Verbundwerkstoff verwendet. Der Stoff wurde gestrickt, so dass eine
Kräuselung
der Fasern vermieden wurde, was die Lastübertragung in dem resultierenden
Verbundwerkstoff verbessert. Eine aromatische Polyurethanverbindung,
im Wesentlichen wie in Beispiel 2, wurde auf den Stoff aufgesprüht, so dass
die Bündel
der Garne durchdrungen wurden.
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Der
resultierende Verbundwerkstoff, der etwa 14 oz./yd2 (etwa 475 g/m2)
wog, war flexibel und zeigte ausgezeichnete Eindring-, Abrieb-,
Schnitt- und Zugfestigkeit, die größen waren als entweder das
Matrixharz oder der Verstärkungsstoff
allein. Der so gebildete Verbundwerkstoff wäre für Anwendungen bei weichem Gepäck oder
dergleichen geeignet.
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Es
ist festzustellen, dass in den obigen Beispielen Spectra-900- und
Spectra-1000-Fasern verwendet wurden. Es ist bevorzugt, Spektra
900 zu verwenden, da solche Fasern einen etwas größeren Durchmesser (38
Mikron im Vergleich zu 27 Mikron für Spektra 1000) aufweisen und
ein geringeres Zerschneiden der Harzmatrix beim Biegen und Belasten
des Verbundwerkstoffs zeigen. Spektra 1000 ist tatsächlich stärker als
Spektra 900, allerdings sind die Kanäle durch die Hohlraumfraktion
eines 900er Stoffs größer im Schnitt
senkrecht zu ihren Achsen als durch die Hohlraumfraktion eines 1000er
Stoffs von entsprechender Festigkeit. Die größeren Kanäle in dem 900er Stoff scheinen
die Positionierung der Harzkomponenten zu erleichtern, um das Harz
in situ zu bilden und somit die Fasern zu einzukapseln.
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Der
in den obigen Beispielen gezeigte Verbundwerkstoff, umfasst allgemein
ausgedrückt,
eine federnde, flexible oder elastische Polyurethanmatrix, die in
situ um eine Schicht von hochfesten langkettigen Polyethylenfasern
gebildet wurde. Die Matrix und die Fasern sind nicht aneinander
gebunden und daher und aufgrund des hohen Grades an Gleitfähigkeit,
den die Fasern aufweisen, besitzt der Verbundwerkstoff im Wesentlichen
den gleichen Grad an Spannkraft oder Elastizität des Harzes an sich bis zu
dem Punkt, an dem der Verbundwerkstoff ausreichend gebogen ist,
damit die Matrix einzuschneiden und auf oder um die Fasern zu brechen
beginnt (Einschnüren).
An diesem Punkt breitet jedes weitere Biegen des Verbundwerkstoffs
die Belastung entlang den danebenliegenden Fasern oder Fasersegmente
aus. Wenn die Biegelast anschließend entspannt wird, wird auch
die in den Fasern und ihrer Matrix angesammelte Energie entspannt,
und der Verbundwerkstoff stellt seine ursprüngliche Form wieder her. Der
Rückstellcharakter
der Spectra-Faser ist diesbezüglich
unterstützend.
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Die
Flexibilität
des Verbundwerkstoffs beruht weitgehend auf der Tatsache, dass zwischen
Fasern und Matrix wenig oder keine Verklebung besteht, und auf der
flexiblen oder elastischen Natur beider Materialien. Wenn das Material
gebogen wird, werden die Fasern im mikroskopischen Bereich frei,
um sich zu biegen und besitzen nicht die Funktion der der Verfestigung
der Matrix, bis das Ausmaß des
Biegens so ist, dass die Fasern gequetscht oder durch die Matrix
eingeschnürt
werden. Die Fasern können
sich bis zu diesem Punkt krümmen
und frei biegen, da sie im Wesentlichen von der Matrix unabhängig sind
und die Flexibilität
in diesem Stadium überwiegend
durch die Merkmale der Harzmatrix an sich bestimmt wird. Allerdings
beginnen die Fasern bei einem weiteren Biegen selbst eine brechende
Wirkung auszuüben,
da sie durch die gebogene Matrix gequetscht werden, und dienen somit
der Verstärkung
des gebogenen Verbundwerkstoffs und unterstützen ihn bei der Rückkehr in
seine ursprüngliche
Form, wenn die Last entspannt wird.
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Wie
festgestellt, statten die Fasern den Verbundwerkstoff mit einer
außergewöhnlichen
Durchdringbeständigkeit
aus. In dieser Hinsicht hat die Matrix die Funktion des Festhaltens
der Fasern in der Matrix, so dass jede auf den Verbundwerkstoff
ausgeübte
Belastung, z.B. die Belastung, die aus der Anwendung eines durchstoßenen Objektes
herrührt,
wie ein Nagel oder ein Eispickel, auf viele Fasern als Gruppe aufgeteilt
wird. Die angelegte Last wird somit gemäß der ausgeübten Spannung auf die große Zahl
von Fasern verteilt. Dies verleiht dem Verbundwerkstoff ein hohes
Maß an
Durchstoßbeständigkeit.
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Der
erfindungsgemäße Verbundwerkstoff
ist für
einen breiten Bereich von Industrie- und Gebrauchsprodukten geeignet,
insbesondere diejenigen, die Durchstoßbeständigkeit und Festigkeit mit
Flexibilität
erfordern. Diese umfassen solche diversen Produkte, wie Gepäck, Schuhe,
Körperschutz,
Boote, tragbare Häuser und
Gewächshäuser, Autobahn-Leitplanken, Bojen
und dergleichen. Die Verbundwerkstoffe besitzen außergewöhnlich hohe
Festigkeits:Gewichtsverhältnisse
und können
im Wesentlichen abrieb- und durchstoßfest sein. Obgleich die Produkte,
wie beschrieben, elastisch, d.h. flexibel genug sind, um ihre ursprüngliche
Form nach Verformung oder Biegung wieder herzustellen, können aus
ihnen auch starre Formen gefertigt werden, wenn ein solcher Aufbau
erwünscht
ist.
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Eine
besonders brauchbare Anwendung der vorliegenden Verbundwerkstoffe
ist die Verstärkung
in den Ecken oder anderen Gepäckteilen.
Gepäck
wird beim Transport häufig durchstoßen. Die
Verwendung der vorliegenden Verbundwerkstoffe mit ihrer nennenswerten
Durchstoßbeständigkeit
kann dieses Problem wirksam behandeln.
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Ein
weiterer besonders wesentlicher Anwendungsbereich, der zum großen Teil
von der verbesserten Durchstoßbeständigkeit
der Verbundwerkstoffe abhängt,
ist das Vorsehen von Schutzkleidung für Polizeikräfte oder dergleichen, wo spitze
Gegenstände
angetroffen werden können.
Von einem gleichen Vorteil wird im Falle von Sohlen für Schuhe
ausgegangen, wo die Durchstoßbeständigkeit
gegen Nägel
oder dergleichen wichtig ist.
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Obgleich
die Erfindung vorstehend unter Verwendung einer Polyurethanmatrix
und langkettiger Polyethylenfasern beschrieben wurde, wird davon
ausgegangen, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden
können,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können andere
Typen von hochfesten Fasern zum teilweisen oder vollständigen Ersatz
der Polyurethanfasern eingesetzt werden, mit der Maßgabe, dass
diese anderen Fasern so sind, dass sie nicht gut an die Matrix binden.
Solche Fasern können beispielsweise
Textilfaser umfassen, wie Polyester- oder Metall- oder Keramikfasern, die vorbehandelt
werden können,
so dass sie gegenüber
der Matrix nicht klebend sind. Zweckmäßigerweise werden Polyesterfasern verwendet,
wenn ein relativ dicker Verbundwerkstoff (z.B. einer, der 10 mm
dick ist) hergestellt werden soll. Es wurde gefunden, dass es mit
solchen dickeren Verbundwerkstoffen schwer ist, die Wärmeentwicklung
zu kontrollieren, wenn eine Polyurethanmatrix in situ gebildet wird,
um unter dem Erweichungspunkt der Polyethylenfasern zu bleiben.
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Obgleich "Spectra"-Fasern als Beispiel
verwendet wurden, sollte zusätzlich
davon ausgegangen werden, dass andere entsprechende hochfeste Polyethylenfasern,
z.B. diejenigen die als "Dynema" erhältlich sind,
verwendet werden können.
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Auch
ein Füllmaterial
kann in dem Verbundwerkstoff eingeschlossen sein. Dies können beispielsweise eine
andere Faser, gleich ob regellos oder orientiert oder beides; ein
Pigment, um Farbe bereitzustellen, Glas-Mikrokügelchen oder Metallpulver,
um die Dichte zu vermindern oder zu erhöhen; Harz-Plastifizierer oder -Modifizierer;
thixotrope Mittel; Schleifmittel, etc. sein, die ausgewählt werden,
um die gewünschten
Gesamteigenschaften bereitzustellen. So kann als Erläuterung
ein in situ verstärkter,
synthetischer Schaum hergestellt werden, der eine Polyurethanmatrix,
langkettige Polyethylenfasern und Kunststoff- oder Glaskügelchen
umfasst.
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Es
wird davon ausgegangen, dass, ohne Rücksicht auf die Modifikationen,
die vorgenommen werden können,
die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe
bestimmte essentielle Merkmale beibehalten sollten. Erstens sollte
im Wesentlichen keine Haftung zumindest zwischen dem verstärkenden
Teil der faserigen Komponente und der Matrix bestehen. Dies ist
eine wichtige Unterscheidung gegenüber früheren Verbundwerkstoffen, wobei
davon ausgegangen wurde, dass das Binden essentiell war. Im vorliegenden
Fall ist Freiheit von jeder wesentlichen Menge an Bindung zwischen
der verstärkenden
faserigen Komponente und der Matrix essentiell, so dass eine Grenzflächenbewegung
oder ein Gleiten zwischen Harz und faseriger Komponente möglich ist.
Dieses Gleiten ist bidirektional und erlaubt somit die Erholung
des Verbundwerkstoffs nach dem Biegen.
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Ein
weiteres essentielles Merkmal besteht darin, dass die Harzmatrix
die Verstärkungsfasern
umhüllt. Diese
Umhüllung
kann um einzelne Fasern bestehen, typischerweise die Situation,
wobei regellose Stapelfasern verwendet werden. In diesem Fall gleitet
die Seite einer jeden Stapelfaser an der Grenzfläche mit dem umhüllenden
Harz vorwärts
und rückwärts. Allerdings
umhüllt
die Matrix auch die Enden des Stapels, so dass er sich nicht an
einen anderen Ort in der Matrix bewegen kann.
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Wenn
Bündel
von Fasern in Endlosfilamentform verwendet werden, typischerweise
in orientierter Weise, wobei die Filamente durch ein anderes Garn
in Position, z.B. in Stoffform, gehalten werden, umhüllt die Matrix
jedes Bündel.
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Die
gewünschte
Kombination von hoher Festigkeit und Flexibilität in den vorliegenden Verbundwerkstoffen
ergibt sich offenbar aus der Tatsache, dass die Fasern nicht an
die Matrix gebunden sind, mit den daraus folgenden Reibungseffekten
zwischen den beiden Komponenten. Erwünschterweise weist die Matrix
auch ein viel kleineres Young-Modul als die Fasern auf. In diesem
Zusammenhang scheint es, dass die gewünschte Kombination von Festigkeit
und Flexibilität
durch Multiplikation des Young-Moduls des Matrixmaterials mit 2/3 des
Verhältnisses
der Länge
zu dem Radius der Faser, d.h.
realisiert werden kann, wobei
Y der Young Modul für
die Matrix ist und l und r Länge
und Radius der Faser darstellen. Wenn X in der Nähe oder über dem Young-Modul der Faser
liegt (17 × 106
psi für
Spectra 900 und 25 × 106
psi für
Spectra 1000), nähert
sich die Festigkeit der Matrix derjenigen der Faser, multipliziert
mit der prozentualen Volumenbelastung. Das resultierende Material
bleibt flexibel, während
die optimale Festigkeit beibehalten wird.
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Der
Umfang der Erfindung ist in den folgenden Ansprüchen definiert.
