DE69728404T2

DE69728404T2 - Einrichtung zur verringerung des luftwiderstandes

Info

Publication number: DE69728404T2
Application number: DE69728404T
Authority: DE
Inventors: R. Daniel FRONEK; J. Timothy KRYZER
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1996-08-26
Filing date: 1997-01-03
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2017-01-04
Also published as: WO1998008677A1; JP2000517258A; US5848769A; EP0920378A1; EP0920378B1; DE69728404D1; AU1824097A

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Artikel, die an Flächen angebracht werden können, um den von über diese Flächen strömenden Fluids (beispielsweise Luft, Gas, Wasser, etc.) Strömungswiderstand zu verringern.
Beschreibung des Standes der Technik
Es ist erwünscht, den von Körpern, welche sich durch Fluidmedien bewegen, beispielsweise Flugzeuge, die sich durch die Luft bewegen, Boote, die sich durch Wasser bewegt, oder ein Kraftfahrzeug, das sich durch die Luft bewegt, verursachten Strömungswiderstand zu verringern. Relativ geringe Verringerungen des Strömungswiderstands können zu einer erheblichen Verringerung des zum Antrieb des Körpers erforderlichen Kraftstoffs führen. Daraus kann eine verbesserte Kraftstoffersparnis resultieren.
Um ihren Nutzen zu verbessern, sollten Strömungswiderstandsartikel bestimmte Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise sollten sie witterungsbeständig sein. Das heißt, die den Strömungswiderstand verringernden Artikel sollten sich nicht verschlechtern oder an Leistung verlieren, wenn sie UV-Strahlung, Wind, Sand, Regen, Schnee, Eis, wiederholten und erheblichen Temperaturänderungen, etc. ausgesetzt sind. Darüber hinaus kann eine Routinewartung erfordern, daß der Strömungswiderstandsverringerungsartikel entfernt oder ersetzt wird. Im Idealfall ist dies nicht umständlich zu vollbringen. Der Strömungswiderstandsverringerungsartikel sollte von einer Fläche, an der er angebracht ist, sauber und leicht zu entfernen sein.
Zahlreiche verschiedene Strömungswiderstandsverringerungsartikel sind bekannt und umfassen einen thermoplastischen oder wärmehärtenden Film mit einer strukturierten Oberfläche, die Strömungswiderstand verringert. Beispiele für diese Artikel sind in US-A-4 986 496, U5-A-5 069 403 und U5-A-5 133 516 zu finden. Die in diesen Patenten offenbarten Artikel verringern des Strömungswiderstand wirkungsvoll. Sie wären jedoch noch nützlicher, wären sie nach dem Anbringen an einer Fläche leichter zu entfernen. Darüber hinaus können die Strömungswiderstandsverringerungsartikel mit der Zeit vergilben, was unschön sein kann, oder sie können andere Verschlechterungen durch den Wettereinfluß aufweisen.
Überblick über die Erfindung
Im allgemeinen betrifft die Erfindung Artikel, die an Oberflächen angebracht werden können, um den von über diese Flächen strömenden Fluids (beispielsweise Luft, Gas, Wasser, etc.) Strömungswiderstand zu verringern. Insbesondere, und nach einem Ausführungsbeispiel, betrifft die Erfindung einen mehrlagigen Strömungswiderstandsverringerungsartikel, der eine Außenschicht mit einer freiliegenden strukturierten Fläche, welche den Strömungswiderstand verringert, der von einem über die Fläche strömenden Fluid verursacht wird, sowie eine innere Verstärkungsschicht und eine Verbondungszwischenschicht zum Verbonden der Außenschicht mit der Verstärkungsschicht aufweist, wie in jedem der unabhängigen Ansprüche definiert.
Vorzugsweise weist die Außenschicht eine Mischung aus wenigstens einem Polymer mit guten Bondeigenschaften mit der Verbondungszwischenschicht und wenigstens einem Polymer mit guten Widerstandseigenschaften gegen chemische und witterungsbedingte Einwirkungen auf, um den Strömungswiderstandsverringerungsartikel zur Verwendung bei Luft- und Raumfahrtanwendungen geeignet zu machen. Das Polymer mit den guten Bondeigenschaften mit der Verbondungszwischenschicht ist üblicherweise ein Acrylpolymer und weist insbesondere vorzugsweise das Polymerisationsprodukt wenigstens eines Momomers auf, das aus der Gruppe gewählt ist, welche besteht aus: Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Butylmethacrylat und Mischungen derselben. Poly(methylmethacrylat) wird bevorzugt. Das Polymer mit den guten Widerstandseigenschaften gegen chemische und witterungsbedingte Einwirkungen ist üblicherweise ein Fluorpolymer, insbesondere eines, das polymerisierte Einheiten von Vinylidenfluorid, beispielsweise Poly(viylidenfluorid), Tetrafluorethylenhexafluoropropylen-Vinylidenfluoridterpolymer, und Mischungen derselben aufweist.
Die Verbondungszwischenschicht weist ebenfalls vorzugsweise eine Mischung aus einem Fluorpolymer und einem Acrylpolymer auf, und jene, die geeignet sind, können daraus gewählt werden, um die äußere strukturierte Schicht zu bilden. Üblicherweise verwendet die Verbondungszwischenschicht einen höheren Gewichtsprozentanteil des Acrylpolymers, um eine gute Haftung zwischen der Verstärkungsschicht und der äußeren strukturierten Schicht zu fördern. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Außenschicht eine Mischung aus wenigstens 70 Gewichtsprozent Fluorpolymer (vorzugsweise wenigstens 70–90 Gewichtsprozent und höchst vorzugsweise ungefähr 90 Gewichtsprozent) und höchstens 30 Gewichtsprozent Acrylpolmer (vorzugsweise höchstens 10–30 Gewichtsprozent und höchst vorzugsweise ungefähr 10 Gewichtsprozent) auf, während die Verbondungszwischenschicht auf einer Mischung von höchstens 30 Gewichtsprozent Fluorpolymer (vorzugsweise höchstens 10–30 Gewichtsprozent und höchst vorzugsweise ungefähr 10 Gewichtsprozent) und wenigstens 70 Gewichtsprozent Acrylpolymer (vorzugsweise wenigstens 70–90 Gewichtsprozent und höchst vorzugsweise ungefähr 90 Gewichtsprozent) aufweist.
Die innere Verstärkungsschicht kann aus einem thermoplastischen Polyurethan oder Poly(vinylchlorid) gebildet sein, obwohl ersteres bevorzugt wird.
Darüber hinaus kann der Strömungswiderstandsverringerungsartikel optional, jedoch wünschenswerterweise, eine Kleberschicht (beispielsweise einen Haftkleber) auf der inneren Verstärkungsschicht aufweisen, um den Strömungswiderstandsverringerungsartikel mit einer Fläche oder einem Substrat zu verbonden.
Die freiliegende strukturierte Fläche in der Außenschicht weist im allgemeinen eine Reihe von im wesentlichen parallelen Erhebungen auf, die durch eine Reihe von im wesentlichen parallelen Vertiefungen beabstandet sind, obwohl eine Vielzahl verschiedener Wellenformen im Rahmen dieser Beschreibung möglich ist, so lange diese den Strömungswiderstand verringern, der durch ein über die Fläche, an der der Strömungswiderstandsverringerungsartikel angebarcht ist, fließendes Fluid erzeugt wird. Derartige Flächen sind unter anderem die Oberfläche eines Flugzeugs, der Rumpf eines Boots oder eines anderen Wasserfahrzeugs, die Oberfläche eines Kraftfahrzeugs oder die Innenfläche einer fluidfördernden Leitung.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verringerung des Strömungswiderstands, der von einem über eine Fläche strömenden Fluid verursacht wird. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:

(a) Bereitstellen einer Fläche, über die ein Fluid strömen kann,
(b) Bereitstellen eines Artikels, der in der Lage ist, den Strömungswiderstand zu verringern, der von dem über die in Schritt (a) bereitgestellte Fläche fließenden Fluid erzeugt wird; und
(c) Anbringen des Artikels nach Schritt (b) an der in Schritt (a) bereitgestellten Fläche, um den durch ein über die Fläche strömendes Fluid verursachten Widerstand zu verringern.

Jeder der zuvor beschriebenen Strömungswiderstandsverringerungsartikel kann im Schritt (b) verwendet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen näher beschrieben, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche oder analoge Teile bezeichnen, und welche zeigen:
1 eine fragmentarische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strömungswiderstandsverringerungsartikels;
2 eine Schnittdarstellung entlang der Linien 2–2 in 1;
3 eine Schnittdarstellung ähnlich der 2, jedoch ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellend, bei dem der Strömungswiderstandsverringerungsartikel graphische Zeichen trägt;
4 eine Schnittdarstellung analog der 2, jedoch eine andere strukturierte Fläche darstellend, die für den erfindungsgemäßen Strömungswiderstandsverringerungsartikel geeignet ist; und
5 eine Schnittdarstellung ähnlich 4 und eine andere strukturierte Fläche darstellend, die für den erfindungsgemäßen Strömungswiderstandsverringerungsartikel geeignet ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Strömungswiderstandsverringerungsartikel 10, der opak, lichtdurchlässig oder transparent sein kann. Der Strömungswiderstandsverringerungsartikel 10 weist eine strukturierte Außenschicht 11, eine Verbondungszwischenschicht 12, eine innere Verstärkungsschicht 13, eine optionale Substratverbondungsschicht 14 und einen optionalen zeitweiligen entfernbaren Schutzträger 16 auf. Der Strömungswiderstandsverringerungsartikel 10 (ausschließlich der Verbondungsschicht 14) weist üblicherweise und vorteilhafterweise thermoplastische Materialien auf, um das Herstellen des Strömungswiderstandsverringerungsartikels zu vereinfachen. Thermoplastische Materialien können wiederholt erwärmt und geformt werden, was die Herstellung des Strömungswiderstandsverringerungsartikels durch Extrusionsverfahren unterstützt, wie im folgenden näher erläutert. Vorzugsweise ist der Strömungswiderstandsverringerungsartikel 10 ungefähr 50 bis 400 Mikrometer (ungefähr 2 bis 16 mil), höchst vorzugsweise 75 bis 150 Mikrometer (3 bis 6 mil) dick.
Die Außenschicht 11 kann zu einer (im folgenden näher beschriebenen) Struktur geformt werden, welche dem Artikel 10 Strömungswiderstandverringerungseigenschaften verleiht. Darüber hinaus ist die strukturierte Außenschicht 11 gegen chemische und witterungsbedingte Einwirkungen ausreichend beständig, um die Verwendung des Strömungswiderstandsverringerungsartikels 10 für Luft- und Raumfahrtanwendungen zu ermöglichen. Die Schicht 11 kann längeren Einwir kungen von Wasser, Öl, Treibstoff, Lösungsmitteln, Hydraulikfluids und dergleichen ohne eine merkliche Verschlechterung seiner physikalischen Eigenschaften, der Leistung oder dem Aussehen widerstehen. Ferner wird er durch sauren Regen, Vogelkot oder andere aggressive Umweltstoffe, denen der Strömungswiderstandsverringerungsartikel 10 im normalen Gebrauch ausgesetzt sein kann, nicht merklich beeinträchtigt. Üblicherweise zeigen erfindungsgemäße Strömungswiderstandsverringerungsartikel keine wesentliche Veränderung des Aussehens oder der Lösbarkeit, selbst wenn sie beschleunigten Witterungsbedingungen (UV-Strahlung und Feuchtigkeit) für 500 Stunden gemäß den Verfahren nach ASTM G 53-95 "Standard Practice for Operating Light- and Water-Exposure Apparatus (Fluorescent UV Condensation Type) for Exposure of Non-Metallic Materials" ausgesetzt sind.
Die Verbondungszwischenschicht 12 verleiht dem Strömungswiderstandsverringerungsartikel gute Handhabungseigenschaften und fördert die Haftung zwischen der Außenschicht 11 und der Verstärkungsschicht 13.
Um diese erwünschten Eigenschaften zu erreichen, sind die äußere strukturierte Schicht 11 und die Verbondungszwischenschicht 12 vorzugsweise als Mischungen verschiedener Polymere vorgesehen, von denen wenigstens eines gute chemische Festigkeit und Witterungsbeständigkeit aufweist, und von denen wenigstens eines gute Verbondungseigenschaften hat. ("Polymer" wird in diesem Zusammenhang mit weiter Bedeutung verwendet, um Homopolymere und Copolymere einzuschließen, d.h. Polymere, die aus mehr als einem Monomer abgeleitet sind). Fluorpolymere, insbesondere solche, die polymerisierte Einheiten von Vinylidenfluorid enthalten, haben gute chemische Festigkeit und Witterungsbeständigkeit. Acrylpolymere, insbesondere jene, die polymerisierte Einheiten von kurzkettigen Alkylmethacrylaten enthalten, haben gute Verbondungseigenschaften und Handhabungseigenschaften.
Vorzugsweise sind die strukturierte Außenschicht 11 und die Verbondungszwischenschicht 12 als verschiedene Mischungen des Fluorpolymers und des Acrylpolymers ausgebildet, wobei die tatsächlichen Mengen von der gewünschten Verhältnis von chemischer Festigkeit, UV-Strahlungsbeständigkeit, Witterungsbeständigkeit und der Steifigkeit, die durch das Fluorpolymer bewirkt wird, und der Haftung, Flexibilität und der Handhabbarkeit, die durch das Acrylpolymer verliehen wird, abhängig sind. Die strukturierte Außenschicht 11 verwendet oft einen höheren Gewichtsprozentanteil des Fluorpolymers, wenn die Beständigkeit gegen UV-Strahlung, Witterung und chemische Stoffe erforderlich ist, während die Verbondungszwischenschicht 12 einen höheren Gewichtsprozentanteil an Acrylpolymer verwendet, wenn gute Verbondungseigenschaften zwischen der strukturierten Außenschicht 11 und der Verstärkungsschicht 13 erforderlich sind. Die strukturierte Außenschicht 11 weist vorzugsweise eine Mischung aus 70 bis 100 Gewichtsprozent an Fluorpolymer und 0 bis 30 Gewichtsprozent Acrylpolymer, höchst bevorzugt 70 bis 90 Gewichtsprozent an Fluorpolymer und 10 bis 30 Gewichtsprozent Acrylpolymer, und meist bevorzugt ungefähr 90 Gewichtsprozent an Fluorpolymer und ungefähr 10 Gewichtsprozent Acrylpolymer auf. Vorzugsweise weist die Verbondungszwischenschicht eine Mischung aus 70 bis 100 Gewichtsprozent an Acrylpolymer und 0 bis 30 Gewichtsprozent Fluorpolymer, höchst bevorzugt 70 bis 90 Gewichtsprozent an Acrylpolymer und 10 bis 30 Gewichtsprozent Fluorpolymer, und meist bevorzugt ungefähr 90 Gewichtsprozent an Acrylpolymer und ungefähr 10 Gewichtsprozent Fluorpolymer auf.
Geeignete vinylidenfluoridhaltige Fluorpolymere sind unter anderem Po-ly(vinylidenfluorid) (PVDF), Tetrafluorethylenhexafluorpropylenvinylidenfluoridterpolymer (THV) und Mischungen derselben. Derartige Materialien haben meist einen Schmelzflußindex (MFI) von ungefähr 6–120, gemessen nach ASTM D-1238 bei 230°C und 5 kg, und eine scheinbare Viskosität von 400-30000Pas (Pascal × Sekunde), gemessen bei 240°C und 50 s^–2 mit herkömmlichen Mitteln unter Verwendung eines Kapillarrheometers. PVDF wird bevorzugt, da es zu genauen Strukturen formbar ist, um die Schicht 11 mit einer Strömungswiederstandsverringerungsform zu versehen, und da sie Steiflgkeit verleiht. PVDF hält eine genaue Strömungsverringerungsstruktur leichter aufrecht als die für Strömungswiderstandsverringerungsartikel zuvor verwendeten thermoplastischen Materialien. Beispiele für geeignete THV-haltige Zusammensetzungen sind in der Internationalen Patentveröffentlichung WO-A-96/077701 beschrieben.
Verschiedene Acrylpolymere können verwendet werden, beispielsweise Acrylharze mit mittlerem oder geringem Molekulargewicht von unter 750000, einschließlich Mischungen oder Copolymeren mit wenigstens zwei Materialien, die aus der Gruppe gewählt sind, welche besteht aus: Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Butylmethacrylat und Mischungen derselben. Poly(methylmethacrylat) (PMMA) wird bevorzugt.
Die Schichten 11 und 12 können ebenfalls Additive wie UV-Stabilisatoren (beispielsweise die TINUVIN Familie von Stabilisatoren, erhältlich von Ciba-Geigy Corp.), Antioxidationsmittel, Füllstoffe wie Glas, Keramik oder Polymerblasen, Pigmente, Prozeßhilfen wie Polyolefinpolymere und Feuerhemmstoffe aufweisen.
Die strukturierte Außenschicht 11 kann 5 bis 250 Mikrometer (0,2 bis 10 mil) dick sein, vorzugsweise 10 bis 40 Mikrometer (0,5 bis 1,5 mil). Die Verbondungszwischenschicht 12 kann 2,5 bis 75 Mikrometer (0,1 bis 3 mil) dick sein, vorzugsweise 3 bis 12 Mikrometer (0,1 bis 0,5 mil). Die kombinierte Dicke der Schichten 11 und 12 kann zusammen 7,5 bis 325 Mikrometer (0,3 bis 13 mil), vorzugsweise 15 bis 50 Mikrometer (0,6 bis 2,0 mil) betragen. Wenn die kombinierte Dicke größer als 325 Mikrometer (13 mil) ist, kann die Formanpassungsfähigkeit des Strömungswiderstandsverringerungsartikels verringert werden, und das Gewicht und die Kosten des Strömungswiderstandsverringerungsartikels werden erhöht, was unerwünscht sein kann.
Die Verstärkungsschicht 13 verstärkt die strukturierte Außenschicht 11 und die Verbondungszwischenschicht 12, wodurch sie Festigkeit und Streckung bietet, was zu einem einfachen Entfernen des Strömungswiderstandsverringerungsartikels beiträgt. Es wird stark bevorzugt, daß das Material der Verstärkungsschicht 13 elastischer ist als die Materialien der Schichten 11 und 12 und eine gute Dehnbarkeit aufweisen, beispielsweise mindestens ungefähr 300%, ohne zu zerreißen. Ohne durch die Theorie festgelegt sein zu wollen, wird angenommen, daß eine größere Elastizität und Festigkeit der Verstärkungsschicht 13 zur Entfernbarkeit des Strömungswiderstandsverringerungsartikels beitragen. Sie dient ferner der Verringerung von Belastungen an der Grenzfläche zwischen den Schichten 12 und 13, wenn der Artikel auf einem Substrat angebracht ist.
Geeignete Materialien für die Verstärkungsschicht 13 sind thermoplastische Urethane und Poly(vinylchlorid). Beispiele für thermoplastische Urethane sind unter anderem Polyesterurethan, Polyetherurethan und Polycaprolactonurethan (beispielsweise die Morthan^TM Familie der Urethane von Morton Intentional) und Mischungen derselben. Die Verstärkungsschicht kann UV-Stabilisatoren, Antioxidationsmittel, Füllstoffe, Pigmente und Nachvernetzungsadditive aufweisen.
Die Verstärkungsschicht 13 ist 35 bis 300 Mikrometer (1,5 bis 12 mil) dick, vorzugsweise ungefähr 50 bis 100 Mikrometer (2 bis 4 mil). Ist die Dicke der Verstärkungsschicht größer als 300 Mikrometer, erhöht dies das Gewicht und die Kosten des Strömungswiderstandsverringerungsartikels, was unerwünscht ist. Wenn die Dicke der Verstärkungsschicht geringer als 35 Mikrometer ist, kann die Lösbarkeit des Strömungswiderstandsverringerungsartikels von einem Substrat nachteilig beeinflußt sein.
Wie am besten in 3 dargestellt kann die Verstärkungsschicht 13 eine durchgehende oder unterbrochene Grafikschicht 18 tragen (obwohl nur letztere in 3 dargestellt ist), beispielsweise ein grafisches Design, ein Logo, alphanumerische Zeichen, etc., die ästhetische und/oder funktionale Zwecke haben kann. Die Grafikschicht 18 kann als Farbe (beispielsweise als in einem kompatiblen Bindemittel dispergiertes Pigment) vorliegen und auf die Verstärkungsschicht 13 unter Verwendung eines beliebigen bekannten Druckverfahrens aufgebracht sein. (Zwar ist dies in den Zeichnungen nicht spezifisch dargestellt, jedoch kann die Grafikschicht 18 auf die strukturierte Außenschicht 11, die Verbondungszwischenschicht 12 oder die Substratverbondungsschicht 14 aufgebracht sein).
Die optionale Verbondungsschicht 14 heftet den Strömungswiderstandsverringerungsartikel an ein Substrat, beispielsweise die Oberfläche eines Flugzeugs, den Rumpf eines Boots oder eines anderen Wasserfahrzeugs, die Oberfläche eines Kraftfahrzeugs oder die Innenfläche einer fluidfördernden Leitung. Vorzugsweise ist die Verbondungsschicht ein Kleber (insbesondere ein Haftkleber), obwohl andere Befestigungssysteme wie mechanische Befestigungseinrichtungen unter geeigneten Umständen verwendet werden können. Geeignete Haftkleber sind Polyacrylate wie diejenigen, welche ein Polymer aus einem Acrylatester aus Acrylsäure mit einem nicht-tertiären Alkohol aufweisen. Höchst vorzugsweise weist der Kleber das Polymerisationsprodukt von 85 bis 95 Gewichtsprozent eines oder mehrerer (co)polymerisierbarer Acrylatestermonomere und 2 bis 15 Gewichtsprozent einer copolymerisierbaren Säure oder eines Amids auf. Multifunktionale Acrylate, copolymerisierbare Photoinitiatoren oder Kombinationen der beiden können ebenfalls in einer Gesamtmenge von bis zu 0,5 Gewichtsprozent vorliegen, um eine gewisse Vernetzung zu bewirken, die zu einem leichteren Entfernen, einer besseren Fluibeständigkeit und verbesserter Hochtemperatureigenschaften des Strömungswiderstandsverringerungsartikels beitragen kann. Die Entfernbarkeit ist das Gleichgewicht zwischen der Abzugshaftung, dem Grad der Vernetzung und der Dicke der Verbondungsschicht sowie der Festigkeit der Verstärkungsschicht. Für die Verbondungsschicht geeignete Kleber und Verfahren zu deren Herstellung sind in den US-Patenten 5 599 265 (Esmay), 4 629 663 (Brown et al., RE 24906 (Ulrich) und 4 181 752 (Martens) offenbart.
Die Dicke der Substratverbondungsschicht 14 ist nicht entscheidend und kann 10 bis 125 Mikrometer (0,4 bis 5 mil) betragen, vorzugsweise 12 bis 50 Mikrometer (0,5 bis 2 mil). Wenn die Dicke der Substratverbondungsschicht größer als ungefähr 125 Mikrometer ist, kann es schwieriger sein, den Strömungswiderstandsverringerungsartikel von einem Substrat, auf das er aufgebracht wurde, zu entfernen und das Gewicht des Artikels könnte unnötig erhöht werden. Wenn jedoch die Dicke der Verbondungsschicht weniger als 10 Mikrometer beträgt, kann sie möglicherweise nicht ausreichend Haftung bewirken, um den Strömungswiderstandsverringerungsartikel im Gebrauch an Ort und Stelle zu halten.
Der Strömungswiderstandsverringerungsartikel 10 kann ferner und optional einen vorübergehenden Träger 16 aufweisen, der die Substratverbondungsschicht 14 vor Verunreinigung durch Schmutz und andere Materialien schützt und kurz vor dem Anbringen des Strömungswiderstandsverringerungsartikels an einer Oberfläche entfernt wird. Der Träger 16 kann beispielsweise als unbehandelte Polyolefinbahn oder eine silikon- oder fluorsilikonbehandelte Papier- oder Kunststoffbahn ausgebildet sein.
Die strukturierte Außenschicht 11 weist eine strukturierte Außenfläche auf, welche den Strömungswiderstand gegen ein über die Schicht 11 strömendes Fluid (beispielsweise Luft, Gas, Wasser, etc.) verringert. Im allgemeinen, und weiter unter Bezugnahme auf die 1 bis 3, weist die strukturierte Fläche eine Reihe von im wesentlichen parallelen Erhebungen 20 auf, die durch eine Reihe von im wesentlichen parallelen Vertiefungen 22 getrennt sind. Im Schnitt kann die struk turierte Fläche eine Vielzahl verschiedener Wellenformen aufweisen. Zum Beispiel zeigen die 1 bis 3 ein symmetrisches Sägezahnmuster, bei dem jede der Erhebungen und jede der Vertiefungen identisch ist. 4 zeigt eine Reihe von parallelen Erhebungen 28 und 30, die verschiedene Höhen haben und durch eine Reihe von parallelen Vertiefungen 22 getrennt sind. 5 zeigt ein Sägezahnmuster abwechselnder paralleler asymmetrischer Erhebungen 40, die durch eine Reihe von parallelen asymmetrischen Vertiefungen 42 getrennt sind.
Zwar sind nur durchgehende Erhebungen und Vertiefungen dargestellt, jedoch ist aus ein unterbrochenes Muster von Erhebungen und Vertiefungen möglich. Beispielsweise können die Erhebungen und Vertiefungen in einem Bereich des Artikels enden. Die Vertiefungen können über die Erstreckung der Erhebung oder der Vertiefung von einem Ende zum anderen des Artikels entweder zulaufen oder sich aufweiten. Des weiteren kann die Höhe und/oder Breite einer betsimmten Erhebung oder Vertiefung sich über die Erstreckung der Erhebung oder der Vertiefung von einem Ende zum anderen des Artikels ändern.
Die Abmessungen der Erhebungen oder Vertiefungen sind für die Erfindung nicht wesentlich, vorausgesetzt, daß, ungeachtet der verwendeten strukturierten Fläche, die gewünschte Verringerung des Strömungswiderstands erreicht wird. Die optimalen Abmessungen hängen in gewissem Maß von der Geschwindigkeit ab, mit der sich das zu bedeckende Substrat durch das Fluid bewegt (oder von der Geschwindigkeit, mit der sich das Fluid über das Substrat bewegt). Weitere Erörterungen zu diesem Thema finden sich in AIAA-88-0138 "Drag Reduction for External Boundary Layers Using Riblets and Polymers", L. W. Riley and G.W. Anderson, vorgelegt bei dem AIAA 26th Aerospace Sciences Meeting, 11–14. Januar, 1988 in Reno, Nevada. Es hat sich jedoch gezeigt, daß Erhebungen mit einer Höhe von 10 bis 250 Mikrometer (0,4 bis 10 mil) geeignet sind. In diesem Bereich wird bevorzugt, daß die Erhebungen für Hochgeschwindigkeitsanwendungen (beispielsweise Flugzeuge) ungefähr 20 bis 150 Mikrometer (ungefähr 0,8 bis 6 mil) hoch sind. Der Abstand zwischen den benachbarten Erhebungen ist ebenfalls nicht wesentlich für die Erfindung. Ein Abstand von 10 bis 250 Mikrometer (0,4 bis 10 mil) ist geeignet, obwohl bei Flugzeuganwendungen ein Abstand von 20 bis 150 Mikrometer (0,8 bis 6 mil) bevorzugt wird. Der zwischen Erhebungen eingeschlossene Winkel kann ebenfalls variieren. Während ebene und runde Vertiefungsböden geeignet sein können, wird bevorzugt, daß die Vertiefungen und Erhebungen im wesentlichen V-förmig sind und einen eingeschlossenen Winkel zwischen 15° und 140°, vorzugsweise zwischen 50° bis 60°.
Erfindungsgemäße Strömungswiderstandsverringerungsartikel sind durch eine Vielzahl verschiedener Verfahren leicht herstellbar. Beispielsweise kann die Strömungswiderstandsverringerungsstruktur während der Herstellung der Schichten 11 und/oder 12 ausgebildet werden oder es kann alternativ eine vorgeformte Bahn mit einer oder mehreren Schichten 11, 12, 13, 14 und 16 vorgesehen und eine Strömungswiderstandsverringerungsstruktur in der Schicht 11 ausgebildet werden. Nach der Herstellung kann der Strömungswiderstandsverringerungsartikel zum einfachen Lagern, Verschicken und Gebrauch um einen Kern zu einer Rollenform gewickelt werden.
Nach einem Ansatz werden die Polymere für die strukturierte Außenschicht 11 und die Verbondungszwischenschicht 12 koextrudiert (d.h. gleichzeitig zusammen extrudiert). Nach einem zweiten Ansatz können die Zwischenverbondungsschicht 12 und die Verstärkungsschicht 12 koextrudiert und anschließend mit der strukturierten Außenschicht 11 verbunden werden. Alternativ kann jede der Schichten separat extrudiert und anschließend miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Laminieren oder Kleben. Beinahe jede Kombination von Schichten kann koextrudiert und anschließend mit den verbliebenen Schichten verbunden werden. Die verschiedenen Schichten können ferner durch verschiedene aufeinanderfolgende oder Tandem-Beschichtungsverfahren zusammengefügt werden. Kombinationen von Beschichten und Extrudieren sind ebenfalls möglich. Die strukturierte Fläche kann durch Prägeverfahren unter Verwendung von Wärme und/oder Druck gebildet werden. Selbstverständlich sind auch andere Verfahren möglich und für den Fachmann offensichtlich.
Die Verstärkungsschicht 13 kann mit der Verbondungszwischenschicht 12 durch das Koextrudieren der Schichten 11, 12 und 13 verbunden werden. Alternativ kann die Verstärkungsschicht 13 auf eine vorab gebildete Bahn mit den Schichten 11 und 12 extrudiert, aufgebracht oder laminiert werden. Es ist höchst bevorzugt, daß die Materialien benachbarter, sich berührender Schichten kompatibel sind und entweder selbst haften oder so zusammenhaftbar sind, daß eine ausreichende Haftung der Schichten gegeben ist, um ein Ablösen des Strömungswiderstandsverringerungsartikels im Gebrauch zu vermeiden. Ein großer Anteil an Acrylpolymer in der Zwischenverbondungsschicht 12 fördert die gute Haftung zwischen der strukturierten Außenschicht 11 und der Verstärkungsschicht 13.
Die Substratverbondungsschicht 14 wird auf die Seite der Verstärkungsschicht 13 aufgebracht, die der Seite gegenüberliegt, welche die Zwischenverbondungsschicht 12 berührt. Beispielsweise kann die Verbondungsschicht 14 auf eine Bahn aufgebracht werden, welche die Schichten 11, 12 und 13 umfaßt, die zuvor miteinander verbunden wurden. Alternativ kann die Verbondungsschicht 14 auf einen Träger aufgebracht und auf eine vorgeformte Bahn mit den Schichten 11, 12 und 13 transfer-laminiert werden, indem die vorgeformte Bahn und der mit der Verbondungsschicht beschichtete Träger zwischen Gummiwalzen hindurchgeführt werden, die nötigenfalls erwärmt sein können.
Der vorübergehende entfernbare Schutzträger 16 kann sodann auf die Substratverbondungsschicht 14 laminiert oder vorab auf eine Verbondungsschicht aufgebracht werden, die anschließend auf die Verstärkungsschicht 13 transferlaminiert wird.
Ein anderes geeignetes Verfahren umfaßt das Aufbringen einer strahlungshärtbaren Zusammensetzung auf einen flexiblen Träger, das Kontaktieren der strahlungshärtbaren Zusammensetzung mit. einem Master, der die positive Struktur der gewünschten Struktur aufweist, und das Strahlungshärten der Zusammensetzung. Die resultierende Werkzeugbahn kann vom Master genommen werden und kann anschließend verwendet werden, der Außenschicht 11 eine Struktur durch Beschichten, Extrudieren oder Koextrudieren der Materialien für die Schichten 11, 12 und/oder 13 auf die Werkzeugbahn zu verleihen. Weitere Informationen über derartige Herstellungsverfahren sind im US-Patent 4 576 850 (Martens), US-Patent 5 183 597 (Lu) und US-Patent 5 468 540 (Lu) zu finden.
Ein weiterer Ansatz beinhaltet die Verwendung einer aus den Schichten 11, 12 und 13 bestehenden Bahn und das Laminieren einer Werkzeugbahn auf die Schicht 11 unter Verwendung von Wärme und/oder Druck, um die Struktur der Werkzeugbahn auf die Oberfläche der Schicht 11 zu übertragen.
Die Verwendung einer Werkzeugbahn kann dahingehend vorteilhaft sein, daß sie ferner als Trägerbahn zum Schutz der Schicht 11 mittels eines zusätzlichen Bearbeitungsvorgangs dienen kann, beispielsweise durch Coronabearbeitung, Substratverbondungsschichtanbringung, -schlitzen oder -perforieren. Sie wird vor dem Verwenden des Strömungswiderstandsverringerungsartikels entfernt oder kann jederzeit während der Herstellung des Strömungswiderstandsverringerungsartikels entfernt werden.
Die erfindungsgemäßen Strömungswiderstandsverringerungsartikel können leicht an eine Vielzahl verschiedener Substrate zum Verringern des Strömungswiderstandes angebracht werden, der entsteht, wenn sich das Substrat durch ein Fluidmedium bewegt oder wenn sich ein Fluid entlang dem Substrat bewegt. Vorzugsweise ist der Artikel an dem Substrat derart positioniert, daß die strukturierte Fläche eine maximale Strömungswiderstandsverringerung bewirkt. Wenn die strukturierte Fläche parallele Erhebungen und Vertiefungen aufweist, wird eine maximale Strömungswiderstandsverringerung erreicht, wenn die Erhebungen und Vertiefungen im wesentlichen parallel zur Fluidströmung verlaufen. Der Artikel kann gegebenenfalls gestreckt werden, um eine Anpassung an die Substratfläche zu erreichen und unerwünschte Falten und Luftblasen zu entfernen. Das Vorsehen von Perforationen oder anderen Unterbrechungen (beispielsweise Schlitze) im Strömungswiderstandsverringerungsartikel kann das Anbringen des Strömungswiderstandsverringerungsartikels an einem Substrat erleichtern und bewirkt das Ablaufen von Feuchtigkeit und Dämpfen durch den Artikel.
Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die nachfolgenden nicht einschränkenden Beispiele besser zu verstehen. Verschiedene Abkürzungen und Handelsbezeichnungen, die in den Beispielen verwendet werden, sind gemäß der nachfolgenden Tabelle definiert.
Abkürzungen und Handelsbezeichnungen
I – Strukturierte Außenschicht und Verbondungszwischenschicht
II – Verstärkungsschicht
Beispiele
Vorbereitung einer Trägerbahn/Werkzeugbahn
Eine strukturierte Werkzeugbahn wurde aus den folgenden Materialien hergestellt.
Ein 125 Mikrometer (5 mil) dicker Polyesterfilm wurde mit einer UV-härtbaren Acrylpolymerlösung mit den folgenden Bestandteilen beschichtet, um ein Beschichtungsgewicht von ungefähr 34 g/m² (3,2 g/ft²) zu erreichen:

a. 59,5 Gewichtsprozent Bisphenol-A-Epoxy-Diacrylat (Photomer^TM 3016 von Henkel Corp., Ambler, PA);
b. 39,5% Gewichtsprozent Phenoxyethylacrylat (Photomer^TM 4035 von Henkel Corp., Ambler, PA), und
c. 1,0 Gewichtsprozent 2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-on (Darocur^TM 1173 von Ciba-Geigy, Hawthorne, NY),

Die Struktur der gehärteten Materialoberfläche hatte einen Querschnitt ähnlich dem in 2 mit einer Erhebungshöhe von 62,5 Mikrometer (2,5 mil), einem Erhebungsabstand von 62,5 Mikrometer (2,5 mil) und einem zwischen benachbarten Erhebungen eingeschlossenen Winkel von 53°.
Allgemeine Herstellung des Strömungswiderstandsverringerungsartikels
Ein Strömungswiderstandsverringerungsartikel, bei dem die Verstärkungsschicht, die Verbondungszwischenschicht und die strukturierte Außenschicht koextrudiert wurden, wurde wie folgt hergestellt.
Jede Schicht wurde von einem Einzelschneckenextruder mit einem Längen/Durchmesser-Verhältnis von 21 : 1 unabhängig voneinander zu einer Drei schichtenkoextrusionsdüse mit einer Öffnung von 635 mm × 0,51 mm (25 × 0,02 Inch) transportiert. Jeder Extruder hatte mehrere Erwärmungszonen, wobei die letzte Zone zwischen 204,5° und 215,5° C (400 – 420° F) eingestellt war. Die Temperatur der Koextrusionsdüse betrug 215,5° C (420° F).
Die Extruder wurden wie folgt beschickt:

Extruder A: Schicht A = strukturierte Außenschicht 11;
Extruder B: Schicht B = Verbondungszwischenschicht 12; und
Extruder C: Schicht C: Verstärkungsschicht 13.

Die Extruder wurden an die Düse angeschlossen, so daß die Schicht A die Düse verließ und in direktem Kontakt mit der beschriebenen Trägerbahn/Werkzeugbahn abgelegt wurde. Die Schicht B trat als mittlere Schicht und die Schicht C als die Schicht auf der Seite der Schicht B aus, welche der Trägerbahn/Werkzeugbahn abgewandt war.
Die Trägerbahn wurde durch einen Spalt zwischen einer polierten Chromwalze und einer mattierten geschliffenen Silikongummiwalze geleitet. Die temperatur der beiden Klemmwalzen wurde bei 88° C (190°F) gehalten.
Das warme mehrschichtige Extrudat wurde auf die Trägerbahn/Werkzeugbahn gegossen und unmittelbar zwischen Klemmwalzen mit einem Walzendruck von 21 kg/cm (118 Ib pro linearer Inch) gewalzt. Die Oberflächengeschwindigkeit der Walzen betrug 8,5 m (28 ft)/min. die Schicht A des resultierenden Films war eine genaue Wiedergabe der Struktur der Trägerbahn/Werkzeugbahn.
Der Film wurde sodann auf der coronabehandelten Schicht C mit einem Haftkleber beschichtet (hergestellt aus einer Polymermischung aus 94 Gewichtsanteilen IOA, 6 Gewichtsanteilen AA, 0,14 Gewichtsanteilen Photoinitiator (KB-1) und 0,2 Gewichtsanteilen HDDA pro 100 Gewichtsanteilen an Monomeren). Die Dicke der Kleberschicht betrug ungefähr 37 Mikrometer (1,5 mil). Die Kleberschicht wurde in einer inerten Atmosphäre mit einer konstanten Gesamt-UV-Energie von 450 – 500 mjoules/cm²) bestrahlt und anschließend mit einem 75 Mikrometer (3 mil) dicken entfernbaren Schutzträger aus klarem silikonbehandelten Polyethylenfilm versehen. Der Aufbau wurde anschließend mit einem Kohlendioxidlaser perforiert, um ein 12,5 mm × 6,35 mm (0,5 Inch × 0,25 Inch) Muster mit Durchgangslöchern mit einem Durchmesser von 0,20 mm (0,08 Inch) zu erhalten. Die Trägerbahn/Werkzeugbahn und der Schutzträger wurden vor dem Anbringen des Strömungswiderstandsverringerungsartikels an einem Substrat entfernt.
Beispiele 1–7
In diesen Beispielen wurden Filme, bestehend aus einer Verstärkungsschicht, einer Verbondungszwischenschicht und einer strukturierten Außenschicht mit variierenden Mengen an PVDF und PMMA in den letzteren beiden Schichten hergestellt.
Die Filme wurden entsprechend der zuvor beschriebenen allgemeinen Herstellung hergestellt, mit der Ausnahme, daß kein Kleber auf den Film aufgebracht wurde und der Film nicht perforiert wurde. Die Verstärkungsschicht (d.h. Schicht C) war 69 Mikrometer (2,75 mil) dickes PU-1. Die Inhaltsstoffe und die Mengen, die für die Schichten A (d.h. die strukturierte Außenschicht) und B (d.h. die Verbondungszwischenschicht) sind in der Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1
Die Proben wurden anschließend unter einem 100-fach verstärkenden Mikroskop untersucht. Jedes Profil war durch spitze Erhebungen und Vertiefungen gekennzeichnet. Die Beispiele zeigen die Fähigkeit eine strukturierte Außenschicht (Schicht A) mit spitzen Erhebungen und Vertiefungen zu bilden, die zur Verringerung des durch ein über die Schicht fließendes Fluid bewirkten Strömungswiderstands geeignet ist.
Beispiele 8–9
Filme wurden mit verschiedenen Graden von PVDF in der strukturierten Außenschicht (d.h. Schicht A) hergestellt. Die Filme wurden gemäß den zuvor beschriebenen Beispielen 1-7 hergestellt. Das Beispiel 2 wird hier aus Gründen der Vollständigkeit wiederholt. Die Inhaltsstoffe und die verwendeten Mengen sind in der Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2
Die Proben wurden anschließend unter einem 100-fach verstärkenden Mikroskop untersucht, um die Spitzigkeit des unter Verwendung der verschiedenen Schichtzusammensetzungen erzeugten Profils zu bestimmen. Jedes Beispiel wie spitze Erhebungen und Vertiefungen auf. Diese Daten zeigen, daß der Schmelzflußindex des Fluorpolymers variiert werden kann und dennoch spitze Erhebungen und Vertiefungen erhalten werden, die zur Verringerung des Strömungswiderstands an der strukturierten Außenschicht geeignet sind.
Beispiel 10
Ein Strömungswiderstandsverringerungsartikel wurde entsprechend der zuvor beschriebenen allgemeinen Herstellung mit dem folgenden Aufbau hergestellt: Schicht A/strukturierte Außenschicht: 19 Mikrometer (0,75 mil) dick, 90 Gewichtsprozent/10 Gewichtsprozent einer Mischung aus PVDF-1/PMMA-1; Schicht B/Verbondungszwischenschicht: 6 Mikrometer (0,25 mil) dick, 90 Gewichtsprozent/10 Gewichtsprozent einer Mischung aus PMMA-1/PVDF-1; und Schicht C/Verstärkungsschicht: 69 Mikrometer (2,75 mil) dickes PU-1.
Der Artikel wurde auf Temperaturbeständigkeit, Witterungsbeständigkeit, Flexibilität, Delamination, Lösbarkeit und Fluidbeständigkeit nach den folgenden Testverfahren getestet.
Temperaturbeständigkeit - Rillenverformung
Eine Probe des Strömungswiderstandsverringerungsartikels wurde in einem Umluftofen bei 100°C für 72 Stunden aufgehängt. Nach dem Entnehmen aus dem Ofen wurde die Probe unter einem 500-fach vergrößernden Mikroskop untersucht, um festzustellen, ob eine Veränderung des Profils der strukturierten Fläche stattgefunden hat. Es wurden im Vergleich zu einer nicht wärme-gealterten Probe keine Veränderungen festgestellt.
Witterungsbeständigkeit (Gelb-Index)
5,1 cm breite × 10,2 cm lange (2 Inch breite × 4 Inch lange) Streifen des Strömungswiderstandsverringerungsartikels wurden an eine vorbehandelte Aluminiumplatte angebracht, die entweder mit einer 100 Mikrometer (0,004 Inch) dikken Beschichtung einer zweikomponenten-Polyurethanfarbe (Alumagrip Matterhorn White, erhältlich von US Paint and Lacquer) (PLATTE A) oder eine Platte angebracht wurden, die mit einer 100 Mikrometer (0,004 Inch) dicken Beschichtung aus einer Zweikomponenten-Polyurethanfarbe (PU 66 ETE, erhältlich von International Celomer) (PLATTE B) gestrichen war. Die Streifen des Strömungswiderstandsverringerungsartikels wurden durch Besprühen derselben mit einer verdünnten Lösung aus einem Detergenten in Wasser, Aufbringen der Streifen auf die 30,5 × 30,5 × 0,16 cm (12 Inch × 12 Inch × 0,063 Inch) große Platte, Ausdrücken des Wassers und Trocknen der Platte bei Raumtemperatur aufge bracht. Die Platten wurden entsprechend den Angaben des Farbherstellers gestrichen.
Die Platte wurde anschließend einer der folgenden Witterungsbedingungen unterzogen:

Bedingung A: 41,7 Zyklen (500 Stunden), wobei jeder Zyklus 8 Stunden fluoreszenter UV-Licht-Bestrahlung (FS-40 313/820, erhältlich von Q-Panel Inc., Cleveland, Ohio) bei 70°C, gefolgt von 4 Stunden Kondensation bei 50°C entsprechend ASTM G53-95 in einer Typ A Testkammer von Atlas, Chicago, Illinois, umfaßt;
Bedingung B: 500 Stunden bei 80°C;
Bedingung C: 500 Stunden Bestrahlung mit fluoreszentem UV-Licht (FS-40 313/280) bei 30°C, oder Bedingung D: 24 Zyklen von 25 Minuten bei 70°C, gefolgt von 5 Minuten be – 55°C bis –65° C.

Die die Teststreifen tragende Platte wurde sodann auf den Gelb-Index untersucht, wobei ein Labscan2 Colorimeter von Hunter Associates mit einer Illuminant D65 Lichtquelle verwendet wurde. Die Gelb-Indexmessung erfolgte an der freiliegenden Fläche des Teststreifens auf der Platte und an der Fläche der Farbe unter dem Teststreifen nach dem Entfernen des Teststreifens. Der Unterschied zwischen diesen beiden Werten ist als Δ Gelb-Index angegeben und gibt die Veränderung des Strömungswiderstandsverringerungsartikels infolge von Witterungseinflüssen wieder. Höhere Werte geben einen höheren Grad der Veränderung des Aussehens an. Das gewünschte Ergebnis ist keine Veränderung des Gelb-Index von der Anfangsmessung (d.h. vor den Witterungseinflüssen) und der letzten Messung (d.h. nach den Witterungseinwirkungen).
Flexibilität
Die Platte B wurde vorbereitet und der Bedingung D, wie im Witterungsbeständigkeitstest beschrieben, oder der folgenden Bedingung E unterzogen: 121°C für 4 Stunden, gefolgt von 23°C für 1 Stunde, und anschließend wurde die Platte nach dem Zustand E um einen zylindrischen Dorn mit einem Durchmesser von 25 mm (ein Inch) gebogen. Die Platte wurde auf Risse im Teststreifen und auf ein Abheben des Teststreifens von der Plattenoberfläche insbesondere um die Ränder des Teststeifens untersucht.
Delaminierung
Streifen des Strömungswiderstandsverringerungsartikels wurden auf einer gestrichenen Aluminiumplatte unter Verwendung des in Zusammenhang mit dem Flexibilitätstest beschriebenen Verfahrens aufgebracht. Die Platte mit den Teststreifen wurde anschließend auf –55°C gekühlt. Bei dieser Temperatur wurde der Teststreifen von der Platte manuell in einem 180° Winkel abgezogen. Es ist erwünscht, daß der Streifen in Stücke zerbricht, anstatt sich als ein Stück abzulösen.
Lösbarkeit
2,54 cm breite × 30,5 cm lange (1 Inch breite × 12 Inch lange) Streifen des Strömungswiderstandsverringerungsartikels wurden auf der Platte B unter Verwendung des in Zusammenhang mit dem Witterungsbeständigkeitstest beschriebenen Verfahrens angebracht. Die Platte mit den Teststreifen wurde anschließend entweder der Bedingung A, wie im Witterungsbeständigkeitstest beschreiben, oder der folgenden Bedingung F ausgesetzt: Raumtemperatur (23°C). die Platte mit den Teststreifen wurde bei Raumtemperatur (23°C) auf eine 180° Abziehhaftung bei einer Geschwindigkeit von 30,5 cm (12 Inch) pro Minute in verschiedenen Zeitintervallen getestet.
Fluidbeständigkeit
Die Platten A und B, wie m Witterungsbeständigkeitstest beschrieben, wurden vorbereitet und 7 Tage bei Raumtemperatur (23°C) konditioniert, bevor sie in verschiedene Testfluids bei verschiedenen Temperaturen getaucht wurden. Drei Platten jedes Typs wurden getestet. Ferner wurden die Platten thermischem Schock in Enteisungsfluid ausgesetzt, indem die Platten zwischen einem Behälter mit Enteisungsfluid bei 90° C für 15 Minuten und einem Behälter mit Enteisungsfluid bei –15° für 15 Minuten für 24 Zyklen verbracht werden. Beim Entnehmen aus dem Testfluid wurden die Platten mit Wasser gespült und trockneten 24 Stunden bei Raumtemperatur (23°C). die Teststreifen wurden anschließend auf die 180° Abzughaftung bei einer Geschwindigkeit von 30,5 cm (12 Inch) pro Minute getestet.
Die Ergebnisse hinsichtlich der Witterungsbeständigkeit, der Flexibilität, der Lösbarkeit und der Fluidbeständigkeit sind in den folgenden Tabelle angeführt. Beim Testen der Delaminieruny brach der Streifen und konnte nur in kleinen Stücken entfernt werden, anstatt in einem großen durchgehenden Stück.
Witterungsbeständigkeit
Ein Vergleichsströmungswiderstandsverringerungsartikel wurde entsprechend dem Beispiel 5 im US-Patent 4 986 496 (Marentic et al.) hergestellt. Beim Test unter der Bedingung A auf der Platte A, zeigte dieser Artikel einen Δ Gelb-Index von 28,8.
Flexibilität
Entfernbarkeit
Nach 634 Tagen Alterung bei Raumtemperatur konnten die Teststreifen immer noch in einem Stück gelöst werden. Es erfolgte keine Trennung von der Verbondungsschicht und keine Kleberreste verblieben auf der Testplatte. Der vorgenannte Vergleichsströmungswiderstandsverringerungsartikel konnte, unter der Bedingung A getestet, nicht entfernt werden, ohne in zahlreiche Teile zu zerrei ßen. Unter der Bedingung F getestet, war der Film nach 7 Tagen nicht mehr lösbar, da eine übermäßige Haftung aufgetreten war (Haftung größer als ungefähr 120N/100 mm).
Fluidbeständigkeit
In Gegenwart von Hydraulikfluid wurden die Haftkleberschicht und die Polyurethan-Verstärkungsschicht erheblich beeinträchtigt, was zu einem Verlust an Haftkraft führte. In Gegenwart von Flugtreibstoff wurde die Haftkleberschicht angegriffen, wodurch sich ein Verlust an Haftkraft ergab. Die Polyurethan-Verstärkungsschicht schwoll, löste sich jedoch nicht von der Verbondungszwischenschicht. Es trat keine wesentliche Veränderung im Aussehen der strukturierten Außenschicht nach dem Einwirken von Enteisungsfluid oder Wasser auf. Ein modifizierter Strömungswiderstandsverringerungsartikel wurde sodann wie in diesem Beispiel beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, daß die freiliegenden Ränder unter Verwendung von Scotch-WeId^TM-DP-240 Epoxidkleber von 3M versiegelt wurden. Darüber hinaus wurde der Artikel nicht perforiert und die kombinierte Dicke der Verbondungszwischenschicht sowie des Bereichs der strukturierten Außenschicht, der sich von deren Innenfläche zum Boden der Vertiefungen erstreckte, wurde erhöht. Der modifizierte Strömungswiderstandsverringerungs artikel wurde Hydraulikfluid wie zuvor beschrieben mit verbesserten Ergebnissen ausgesetzt. Es trat keine wesentliche Änderung des Aussehens der Strömungswiderstandsverringerungsstruktur und keine Schwellung, Wellenbildung oder Verwerfung des Artikels auf.

Claims

Mehrlagiger Strömungswiderstandsverringerungsartikel mit: (a) einer äußeren Schicht (11) mit einer freiliegenden strukturierten Fläche, welche den von einem über die Fläche strömenden Fluid verursachten Widerstand verringert; (b) einer inneren Verstärkungsschicht (13), und (c) einer Verbondungszwischenschicht (12) zum Verbonden der äußeren Schicht (11) mit der Verstärkungsschicht (13), wobei das Material der inneren Verstärkungsschicht (13) elastischer als das Material der äußeren Schicht (11) ist.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach Anspruch 1, bei dem die äußere Schicht (11) eine Mischung aus wenigstens einem Polymer mit guten Bondeigenschaften in Bezug auf die Verbondungszwischenschicht (12) und wenigstens einem Polymer mit guten Eigenschaften hinsichtlich der Chemikalien- und Wetterbeständigkeit aufweist.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach Anspruch 2, bei dem das wenigstens eine Polymer mit den guten Bondeigenschaften hinsichtlich der Verbondungszwischenschicht ein Acrylpolymer ist.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach Anspruch 2, bei dem das wenigstens eine Polymer mit guten Eigenschaften hinsichtlich der Chemikalien- und Wetterbeständigkeit ein Fluorpolymer ist.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach Anspruch 4, bei dem das Fluorpolymer polymerisierte Einheiten von Vinylidenfluorid aufweist.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach Anspruch 5, bei dem das Fluorpolymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Po-ly(vinylidenfluorid), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid-Terpolymer und Mischungen derselben besteht.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach Anspruch 5, bei dem das wenigstens eine Polymer mit den guten Bondeigenschaften hinsichtlich der Verbondungszwischenschicht (12) das Polymerisationsprodukt wenigstens eines Monomers aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Butylmethacrylat und Mischungen derselben besteht.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die äußere Schicht (11) und/oder die Verbondungszwischenschicht (12) das Polymerisationsprodukt wenigstens eines Monomers aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Butylmethacrylat und Mischungen derselben besteht.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach Anspruch 8, bei dem die äußere Schicht (11) und/oder die Verbondungszwischenschicht (12) ferner wenigstens ein Fluorpolymer aufweist.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach Anspruch 9, bei dem das wenigstens eine Fluorpolymer polymerisierte Einheiten von Vinylidenfluorid aufweist.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach Anspruch 10, bei dem das Fluorpolymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Po-ly(vinylidenfluorid), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid-Terpolymer und Mischungen derselben besteht.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem: – die äußere Schicht (11) eine Mischung aus ersten und zweiten Polymeren aufweist, wobei das erste Polymer wenigstens 70 Gew.-% wenigstens eines Fluorpolymers und das zweite Polymer höchstens 30 Gew.-% wenigstens eines Acrylpolymers aufweist, und – die Verbondungszwischenschicht (12) eine Mischung aus ersten und zweiten Polymeren aufweist, wobei das erste Polymer höchstens 30 Gew.% wenigstens eines Fluorpolymers und das zweite Polymer mindestens 70 Gew.-% wenigstens eines Acrylpolymers aufweist.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die innere Verstärkungsschicht (13) ein thermoplastisches Polyurethan ist.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die freiliegende strukturierte Fläche eine Reihe von im wesentlichen parallelen Erhebungen aufweist, die durch eine Reihe von im wesentlichen parallelen Tälern getrennt sind.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner mit einer Schicht (14) aus Haftkleber auf der inneren Verstärkungsschicht zum Verbonden des Strömungswiderstandsverringerungsartikels mit einer Fläche.
Anordnung mit einem Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach Anspruch 15, der haftend mit einer Fläche verbondet ist, um den durch ein über die Fläche strömendes Fluid verursachten Widerstand zu verringern.
Mehrlagiger Strömungswiderstandsverringerungsartikel mit: (a) einer äußeren Schicht (11) mit einer freiliegenden strukturierten Fläche, welche den von einem über die Fläche strömenden Fluid verursachten Widerstand verringert, wobei (1) die äußere Schicht (11) wenigstens ein Polymer, das polymerisierte Einheiten von Vinylidenfluorid aufweist, und wenigstens ein Polymer aufweist, welches das Polymerisationsprodukt wenigstens eines Monomers aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Butylmethacrylat und Mischungen derselben besteht, und (2) die freiliegende strukturierte Fläche eine Reihe von im wesentlichen parallelen Erhebungen aufweist, die durch eine Reihe von im wesentlichen parallelen Tälern getrennt sind, (b) einer inneren Verstärkungsschicht (13), (c) einer Verbondungszwischenschicht (12) zum Verbonden der äußeren Schicht (11) mit der Verstärkungsschicht (13), wobei die Verbondungszwischenschicht (12) wenigstens ein Polymer, das polymerisierte Einheiten von Vinylidenfluorid aufweist, und wenigstens ein anderes Polymer aufweist, welches das Polymerisationsprodukt wenigstens eines Monomers aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Butylmethacrylat und Mischungen derselben besteht, wobei das Material der inneren Verstärkungsschicht (13) elastischer als das Material der äußeren Schicht (11) ist, und (d) einem Haftkleber (14) auf der inneren Verstärkungsschicht (13) zum Verbonden des Strömungswiderstandsverringerungsartikels mit einer Fläche.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach Anspruch 17, bei dem das Polymer, das polymerisierte Einheiten von Vinylidenfluorid aufweist, sowohl für die äußere Schicht, als auch für die Verbondungszwischenschicht unabhängig aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Poly(vinylidenfluorid), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid-Terpolymer und Mischungen derselben besteht.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach Anspruch 18, bei dem das wenigstens eine andere Polymer Poly(methylmethacrylat) ist.
Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem die innere Verstärkungsschicht (13) ein thermoplastisches Polyurethan ist.
Artikel, der den durch ein über ein Substrat, an dem der Artikel angebracht ist, strömendes Fluid verursachten Widerstand verringert, wobei der Strömungswiderstandsverringerungsartikel aufweist: (a) eine äußere Schicht (11) mit einer freiliegenden strukturierten Fläche, welche den von einem über die Fläche strömenden Fluid verursachten Widerstand verringert, wobei (1) die äußere Schicht (11) eine Mischung aus ersten und zweiten Polymeren aufweist, wobei das erste Polymer wenigstens 70 Gew.-% eines Polymers aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Poly(vinylidenfluorid), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid-Terpolymer und Mischungen derselben besteht, und das zweite Polymer höchstens 30 Gew.-% Poly(methylmethacrylat) aufweist, (2) die freiliegende strukturierte Fläche eine Reihe von im wesentlichen parallelen Erhebungen aufweist, die durch eine Reihe von im wesentlichen parallelen Tälern getrennt sind, (b) eine innere Verstärkungsschicht (13) aus thermoplastischem Polyurethan, (c) eine Verbondungszwischenschicht (12) zum Verbonden der äußeren Schicht (11) mit der Verstärkungsschicht (13), wobei die Verbondungszwischenschicht (12) eine Mischung aus ersten und zweiten Polymeren aufweist, wobei das erste Polymer höchstens 30 Gew.-% eines Polymers aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Poly(vinylidenfluorid), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid-Terpolymer und Mi schungen derselben besteht, und das zweite Polymer mindestens 70 Gew.-% Poly(methylmethacrylat) aufweist, und (d) einen Haftkleber (14) auf der inneren Verstärkungsschicht (13) zum Verbonden des Strömungswiderstandsverringerungsartikels mit dem Substrat.
Anordnung mit einem Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach Anspruch 21, der haftend mit der Oberfläche eines Flugzeugs verbondet ist, um den durch ein über die Fläche strömendes Fluid verursachten Widerstand zu verringern.
Verfahren zum Verringern des durch ein über eine Fläche strömendes Fluid verursachten Strömungswiderstands, mit den folgenden Schritten: (a) Bereitstellen einer Fläche, über die ein Fluid strömen kann, (b) Bereitstellen eines Artikels nach einem der Ansprüche 1-15 oder 17 bis 21, und (c) Anbringen des Artikels nach Schritt (b) an der in Schritt (a) bereitgestellten Fläche, um den durch ein über die Fläche strömendes Fluid verursachten Widerstand zu verringern.
Mehrlagiger Strömungswiderstandsverringerungsartikel mit: (a) einer äußeren Schicht (11) mit einer freiliegenden strukturierten Fläche, welche den von einem über die Fläche strömenden Fluid verursachten Widerstand verringert; (b) einer inneren Verstärkungsschicht (13), und (c) einer Verbondungszwischenschicht (12) zum Verbonden der äußeren Schicht mit der Verstärkungsschicht, wobei das Material der inneren Verstärkungsschicht (13) elastischer als das Material der Verbondungszwischenschicht (12) ist.
Mehrlagiger Strömungswiderstandsverringerungsartikel mit: (a) einer äußeren Schicht (11) mit einer freiliegenden strukturierten Fläche, welche den von einem über die Fläche strömenden Fluid verursachten Widerstand verringert; (b) einer inneren Verstärkungsschicht (13), und (c) einer Verbondungszwischenschicht (12) zum Verbonden der äußeren Schicht mit der Verstärkungsschicht (13), wobei das Material der inneren Verstärkungsschicht (13) um wenigstens 300% dehnbar ist, ohne zu zerreißen.
Mehrlagiger Strömungswiderstandsverringerungsartikel nach Anspruch 25, bei dem die äußere Schicht (11) ein Fluorpolymer aufweist.
Mehrlagiger Strömungswiderstandsverringerungsartikel mit: (a) einer äußeren Schicht (11) mit einer freiliegenden strukturierten Fläche, welche den von einem über die Fläche strömenden Fluid verursachten Widerstand verringert; (b) einer inneren Verstärkungsschicht (13), und (c) einer Verbondungszwischenschicht (12) zum Verbonden der äußeren Schicht mit der Verstärkungsschicht (13), wobei die innere Verstärkungsschicht (13) ein Material aufweist, das aus der Gruppe gewählt ist, die thermoplastische Polyurethane und Poly(vinylchlorid) umfaßt.