JP4031047B2 - 赤外線反射性カバー - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、電磁波を反射し透過する材料、及びとりわけ赤外波長における電磁波カムフラージュにその材料を使用することに関する。
発明の背景
熱放射を検出する装置はよく知られている。人体その他の物体からの放射は、赤外線検出装置によって容易に検出可能である。
これらの装置は、３〜５μｍと８〜１２μｍの大気の透明電磁窓の範囲で動作する。これらの電磁窓の範囲外の波長における赤外線イメージ化（imaging）は、大気の吸収のため実施できない。これらの装置を用いて得られるイメージにおいて、高い放射率を有する物体や周囲よりも高い温度を有する物体は、明るいシルエットとして見える。放射エネルギーは次式で表わされる。
Ｗ＝εσＴ⁴
ここで Ｗ＝放射エネルギー（ＢＴＵ／（ｈｒ・平方フィート））
ε＝放射率
σ＝シュテファン・ボルツマン定数
Ｔ＝絶対温度
この式から、熱イメージ（themal image）を抑えるには、２つのアプローチ、即ち、外面上に低放射率の材料を使用すること又は外面温度を下げることがあり得ると理解できる。一般的アプローチは、外面上に低放射率の材料を使用し、その低放射率の表面を、赤外（ＩＲ）波長には透明であるが光学的不透明な材料で覆い、視覚的カムフラージュを与えることである。第２のアプローチは、断熱を用い、外面の温度を下げることである。もう１つの選択は、これらの方法を組み合わせることである。
長年にわたり、人間又は装置の易動性を妨げることなく電磁波のとりわけ赤外線による検出から人間又は装置を保護する材料を開発することが求められてきた。
例えば、Ｃｏｘの米国特許第５２８１４６０号は、多孔質のナイロンメッシュに取り付けられたストリップのパターンを提供する。そのストリップは、銀、銅、又は顔料でコーティングされる。
Ｐｕｓｃｈらの米国特許第４４９５２３９号は、布地の上に金属反射層を蒸着し、次いでカムフラージュ塗料を施した基材層を使用する。
Ｂｉｒｃｈの米国特許第４６５９６０２号は、織物材料の上に金属箔と導電性粒子含有ポリエチレンシートを有する材料を使用する。
Ｐｕｓｃｈの米国特許第４６２１０１２号において、選択された双極子材料を中に含む熱可塑性材料で布地がコーティングされる。その材料は、赤外線を反射する金属層を有する。
Ｐｕｓｃｈらの米国特許第４４６７００５号は、赤外線反射性金属コーティングを両側に有する支持ウェブを備えた支持ネットを採用する。この材料は水蒸気透過性である。
Ｓｏｒｋｏ−Ｒａｍの米国特許第４５３３５９１号は、中に分散されたバラバラの電磁性粒子を有する熱可塑性樹脂を提供する。
Ｗａｌｌｉｎの米国特許第４０６４３０５号は、不連続ポリマー繊維とレーダー波を反射する不連続金属繊維のストランドからなるニットを提供する。
Ｋａｒｌｓｓｏｎの米国特許第４５２９６３３号は、ポリエチレン層、金属コーティング層、接着剤、及び布帛からなる電磁波反射性材料を教示する。
プラスチック層の存在のため、これらの特許の構成は、衣服として着用したときには水蒸気が容易に逃散せずに心地が悪く、また、装置の上に覆せたときには装置の「発汗」を生じさせる。１つの例外は、水蒸気透過性をクレイムする米国特許第４４６７００５号であるが、空気透過性ではない。ここで、当業者には、水蒸気透過性と防水性を与える前述の技術が、実用レベルで十分に高い水蒸気透過性をもたらさないことは明らかなはずである。水蒸気透過性の何らかの改良は、それ相応の防水性の低下をもたらすはずである。上記の特許に記載の材料は、金属被覆のために足りる表面を提供し、高度の可撓性や易動性を必要としない定置物のカバーに使用されるのには十分であるが、人間の熱イメージ化の保護を与えるのにこれらの材料が使用されるときは、多くの欠点のある表面を与える。これらの欠点の主なものは、ドレープ性の欠如、低い水蒸気透過性、及び大きい重量が挙げられる。上記の欠点の他に、ラミネートの外面に金属被覆面が存在し、これがブラシがけするときに損傷する又は剥がれ落ちる位置にある。
生理学的見地からは、赤外線カムフラージュ衣服を着用する者の熱応力を可能な限り抑えることが望ましい。このことは、ラミネートを通して水蒸気を容易に通気させることによる人体の蒸発冷却を促進し、全体的な熱カムフラージュパッケージの重さと厚さを下げることにより達成することができるはずである。
もう１つの特異な例が、Ｍａｎｎｉｓｏの米国特許第４５５７９５７号に開示されており、この特許は、微細多孔質の延伸膨張ポリテトラフルオロエチレン膜の上の親水性金属コーティングを教示している。この特許に記載のコーティング膜を用いて構成されたラミネートは、上記の他の材料を超える熱的・生理的性能における長所を与えるが、実用レベルに足る防水性ではない。このため、この特許に記載の金属層は腐食や磨耗を受ける。
発明の要旨
本発明は、一般的な衣類品等に作成されることができ、又はテントのような物体を覆うために使用されることができ、赤外領域及び遠赤外領域の熱イメージのマスキングや抑制のために使用可能であり、可視及び近赤外のカムフラージュの有効性、人間の着心地、効率、及び易動性を損わない赤外線反射材料を提供する。この材料は、金属被覆層と、その金属被覆層の上の疎油性コーティングを備える。衣類又はカバーの物品に金属被覆された微細多孔質の膜を取り入れることは、金属被覆された膜に覆われた又はその背後の物体の熱イメージ化を抑える。金属被覆された層を覆う付加的な疎油性コーティングを取り入れることにより、磨耗や化学的な攻撃から金属が保護される。
具体的には、本発明は、織物、不織布、又は編物のポリアミド、ポリオレフィン、ポリエステル、綿、絹など又はその他の微細多孔質層のような少なくとも１つの別な層又は布地の裏張り材料にラミネートされた少なくとも１つの金属被覆された微細多孔質の膜を備えた、疎油性、空気透過性、水蒸気透過性、耐水性、ドレープ性であって、イメージ抑制又は赤外線反射性の材料に関する。金属被覆された膜の中の金属は、微細多孔質の膜の表面上に又はその表面付近の気孔壁の上に不連続層を形成する。疎油性材料のコーティングが、金属被覆された表面を覆う。
図面の説明
本発明は、添付の図面と併せて読み進める時、以下の詳細な説明より最も的確に理解されるはずである。
図１Ａは、上側表面から下側表面まで連続的に延びる不規則形状の気孔を有する、本発明に使用される微細多孔質膜の横断面図である。
図１Ｂは、蒸着された金属コーティングを有する図１Ａの微細多孔質膜の横断面図である。
図１Ｃは、その上に配置された疎油性コーティングを有する図１Ｂの金属被覆された微細多孔質膜の横断面図である。
図２は、疎油性オーバーコートを有し且つ裏張材料にラミネートされた図１Ｃの疎油性金属被覆膜の横断面図である。
発明の詳細な説明
次に図面に関し（同じ参照番号は同じエレメントを示す）、図１Ａは、上側表面10ａ、下側表面10ｂ、及びそれらの間に気孔12を画定する不連続ポリマー部分を有する微細多孔質膜10の横断面図を示す。用語「微細多孔質」とは、構造的完全性を有するがその構造の全体にわたってミクロサイズの不連続性もまた有し、その不連続性が膜の一方の外側表面から他方まで延びる気孔又は通路を与える膜材料を意味する。また、これらの気孔又は通路の寸法は、膜が形成される材料構造の表面特性を総合すると、気孔又は通路は空気や水蒸気は透過するが、液体水には不透過性である。このような微細多孔質膜の１つは、Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ ＆ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社（ニューアーク，デラウェア州）の登録商標ＧＯＲＥ−ＴＥＸ^▲Ｒ▼膜として入手可能な伸長されたＰＴＦＥ布帛材料である。
微細多孔質膜10の気孔12は、不規則形状であり、上側表面から下側表面まで連続的に延び、ポリマー膜は、空気透過性、蒸気透過性、防水性（即ち、液体水を通さない）、及びドレープ性である。図１Ｂにおいて、蒸着された金属のコーティング13が示されており、金属が膜の上側表面の上に配置され、即ち、金属が上側表面と「開口」気孔壁（即ち、上側表面又は露出下部表面の気孔壁の部分で、これらの下部表面は膜の上側表面から見ると開口（露出）している）を覆う。従って、上側表面を垂直に見下ろした場合、金属コーティング13は、図１Ｂの点線で示したように、連続的な目視線の被覆を形成する。横から見ると、金属コーティングは不連続であり、水蒸気が通る開口気孔が残存する一方で、上側表面とその露出した下位表面を覆うことが分る。
図１Ｃは、ポリマー粒子11の表面上の疎油性コーティング14と微細多孔質膜10の気孔12の壁を示す。少なくとも、疎油性コーティングは、延在する金属被覆コーティングを少なくとも覆うべきである。ここで、図１Ｃの態様において、疎油性コーティング14は、金属コーティング13を完全に覆ってそれを微細多孔質膜の気孔12から隔てるだけでなく、横から見えるように、疎油性コーティング14は膜の全表面と気孔壁を覆う一方で、空気と水蒸気が通る気孔12を依然として開口したままにする。
標準的な生地の裏張材料にラミネートされることができる疎油性の金属被覆された微細多孔質のフィルムと膜（例えば、微細多孔質のポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、延伸膨張ポリテトラフルオロエチレンなど）の使用は、いくつかの理由によって従来技術の欠点を回避する。第１に、疎油性処理は、金属層の酸化を防ぎ、一方又は双方の膜表面あるいは多孔質膜構造の全体にもわたる金属被覆を可能にする。また、このことは、膜の防水性を損うことなく達成されることができる。第２に、微細多孔質材料の三次元的性状は、上から見たときの表面上の１００％視野の金属被覆を提供し、適切な熱イメージ抑制に必要なＩＲ反射を提供する。第３に、複合材料を貫通する多量の水蒸気を可能にするのに必要な三次元の多孔性が保存され、これにより、着用者に及ぼす熱応力を低下させる。第４に、断熱性空隙を与えることにより、膜の微細気孔の中の空気が、膜の熱伝導性を低下させる。このことは、人体と外界との間での蒸発冷却による熱交換をより促進する。人体から微細多孔質膜を通して反射される熱の大部分は、人体に再び反射され、このことが外面の温度を下げ、それにより、熱イメージを抑える。反射された熱は、人体の自然の冷却メカニズムである蒸発によって除去される。また、これらの薄い微細多孔質の膜は、従来技術における材料よりも軽く、可撓性で、ドレープ性があり、このことがその材料を衣料により適切なものにする。
上記のように、金属被覆は一般に一方の面のみであるが、双方の面でもあるいは膜の構造の全体にわたってもよい。金属被覆は、物理的蒸着の例えばスパッタ−コーティング、化学的蒸着の例えば無電解メッキ、又はその他の公知のコーティング技術などの多くのコーティング技術を用いて膜に施すことができる。金属コーティングは、結節とフィブリルの上に４０〜１２００Åの厚さで存在することができ、金属被覆膜は、１〜６の光学濃度を有することができる。金属コーティングの放射率は０．０６〜１の範囲にあることができ、所望の熱的性能によって決まる。高度の反射率が望まれる場合、低い放射率のコーティングが必要とされる。他方で、高度の吸収率が望まれる場合、高い放射率のコーティングが必要とされる。
金属被覆された微細多孔質フィルム又は膜の厚さ（図１Ｂに寸法「Ａ」で示す）は、０．００１〜０．１２５インチの範囲でよく、所望の空気・水蒸気透過率によって変わることができる。金属コーティングの厚さは、微細多孔質フィルム又は膜の気孔を閉塞させる程に大きくはなく、表面と一部の気孔壁が覆われて、図１Ｂについて上述したように、目視線（line-on-sight）を形成する程度に堆積を生じさせる。
金属被覆された微細多孔質のフィルムと膜に使用される金属は、フィルム又は膜の上に蒸着又はスパッタリングさせることができ、所望の反射作用を与える任意の金属でよく、例えば、アルミニウム、銀、銅、亜鉛など又はこれらの金属の組み合わせが挙げられる。好ましくは、微細多孔質膜10は延伸膨張ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）であり、金属コーティング13は、アルミニウムを含む材料からなる。
疎油性コーティング14は、一般に、金属被覆プロセスが完了した後に施される。基本的には、オイルを撥く性向があり、金属被覆コーティングの上に配置させることができ、下地の膜の気孔率を有意に低下させずに表面を疎油性にすることができるならば、任意の疎油性材料が使用可能である。使用可能な疎油性コーティングのタイプには、ペルフルオロポリエステルのコーティング；ポリマー主鎖に応じたフッ素化側鎖を有し、その側鎖が例えば
−（ＣＨ₂−ＣＲ）−
ＣＯＯ−（ＣＨ₂）_n−（ＣＦ₂）_m−ＣＦ₃
のような−ＣＦ₃末端基を有するアクリレート又はメタクリレートのポリマー又はコポリマーのコーティング；フルオロアルキルアクリルメタン、フルオロアルキルアリルウレタン、フルオロアルキルマレイン酸エステルのコーティング、が挙げられる。
好ましくは、ポリマーは、反復単位の中に上記のフッ素化アルキル側鎖を有する有機ポリマーである。疎油性コーティングは、好ましくは、マイヤー（Maier）ロッド、キスロール、パッドコーティング、スプレーコーティングのような膜コーティング技術を用いて施される。一般に、疎油性コーティング14は、基材の膜に５〜５０％の付加重量で施されるが、好ましくは、約１２〜２５％の付加重量で施される。好ましくは、疎油性コーティング14は金属被覆コーティングの上に水系のフルオロアクリレートのミクロエマルジョンのコーティングをブラシ塗布し、そのミクロエマルジョンのコーティングを乾燥させ、次いで加熱によってそのミクロエマルジョンのコーティングを硬化させることによって形成される。
図２に、内部に気孔12を有する不連続ポリマー部分11から形成された微細多孔質膜10であって、上側表面10ａの上に堆積された金属コーティング13を有する膜10からなるラミネート物品20を含んでなる、本発明の１つの態様が示されている。疎油性コーティング14が金属コーティング13の上と残りのポリマー部分11の上に配置される。織物の絹やナイロンのような生地のシェル材料23が、不連続のポリウレタン接着剤22又は可融性の不織接着剤（例えば、Ｓｐｕｎｆａｂ＃ＥＶ３０１４、スパンファブコーポレーション社から市販）によって、コーティングされた膜に接着される。あるいは、直接の熱溶融又は熱・圧力によるラミネートによって、コーティングされた微細多孔質膜に生地シェルが接着されることもできる。
シェル材料23に使用される生地は、所望の特性（例えば、ＩＲ５透明性、可視光不透明性、強度など）を有するべきであり、基本的に、絹やナイロンの他にこれらの特性を有する任意の材料からなることができる。好ましくは、デュロコーポレーション社から市販のような織物ナイロン生地材料が使用される。使用可能なその他の生地シェル材料には、合成材料（例えば、ポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィン、アクリル）又は天然材料（例えば、綿、ウール、絹、又は配合物）が挙げられ、これらの材料は織物、不織物、編物であることができる。また、生地のシェル材料は、難燃性、撥水性、電磁波吸収性又は反射性のようなその他の望ましい特性を付与するため、付加的な所望のコーティングでさらにコーティングすることもできる。例として、チタン酸バリウムのような所望のコーティング材料が使用され、ラミネート物品の放射熱特性を調節することができる。シェルと同様な仕方で、編物ポリプロピレンのようなライナー布帛（図示せず）がラミネート物品20に取り付けられることもできる。生地シェルは、ジャケット、ズボン、帽子、ソックスなどの衣類構造の中に含められることができる。
例１
公称気孔サイズ０．２μｍで厚さ０．００１インチの微細多孔質ｅＰＴＦＥ膜（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ ＆ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社から入手）を、アルミニウムの蒸発と凝縮による蒸着によって金属被覆し、３．０濃度単位の光学濃度にした（トビアスアリシエーツ社のＴＲＸ−Ｎ型濃度計によって測定）。具体的には、アルミニウム線材を酸化物ルツボの中で１２２０℃の高真空下（２×１０^-6トル）で加熱した。アルミニウムは蒸発した。一つの面の上に蒸気侵入を妨げるポリエステルフィルムの裏張りを備えたｅＰＴＦＥ膜を、裏張り面をルツボの反対にしてルツボの上を通した。ルツボから蒸気が上昇し、近くの膜の面上に不連続なコーティングを形成した。次いでコーティングした膜をロール上に巻いた、裏張りを除去した後、アルミニウム被覆した微細多孔質の膜に、主として
−ＣＯＯ−（ＣＨ₂）₂−（ＣＦ₂）−ＣＦ₃
の側鎖を有するポリアクリレートの水系フルオロアクリレートミクロエマルジョンをブラシ塗布し、乾燥させ、２１０℃のオーブン中で２分間硬化させた。次いでフルオロアクリレートをコーティングした金属被覆膜の６×９インチのサンプルを、２．７オンス／ヤードの織物ナイロンタスライトシェル材料に、アルミニウム被覆面がシェル材料に最も近くなるようにしてラミネートした。シェル材料を、可融性不織布接着剤（Spunfab Adhesive Fabrics社よりスパンファブ＃ＥＶ３０１４として入手）を用い、２０００ｐｓｉの圧力下の１２５℃で１０秒間プレスし、ラミネート物品を作成した。
赤外線イメージの抑制をテストするため、Ｈｕｇｈｅｓ／Ｔｅｘａｓインスツールメントの暗視装置（誘電性ボロメーターPart # 6245935）を使用した。誘電性ボロメーターは、１つの面が０．８９の放射率で残りの５面が０．０６の放射率を有する加熱されたアルミニウムの標的ブロックからの熱放射を記録した。この標的を、内部ヒーターを用いて３０℃に保持した。ラミネートを標的に被せて置いたとき、標的のイメージは大きく低下した。
ラミネートの放射率をテストするため、Devices and Services Model AE Emissometerを使用した。ラミネートサンプルを、この装置のヒートシンクの上に置き、測定用ヘッドをラミネートサンプルの上に置いた。上記のラミネートの放射率は、同様な構造の一般的ラミネートに比較して大きく低下した。
例２
疎油性の金属被覆された微細多孔質ｅＰＴＦＥ膜を、例１と同様にして調製した。１枚の１オンス／平方ヤードのチャイナシルクを、６×９インチのゴムパッドの上に置いた。６×９インチの１片の可融性開孔（open）不織布接着剤（Spunfab # EV3014）をチャイナシルクの上に置いた。金属側を接着剤に向け、１枚の金属被覆フィルムを接着剤層に被せて置いた。得られたゴムパッド／シルク／接着剤／金属被覆膜の組み合わせを、２０００ｐｓｉの圧力下の１２３℃で１０秒間にわたって加熱プレスすることによりラミネートした。次いでラミネートしたサンプルを取り出した。赤外線イメージ抑制の特性とサンプルの放射率を例１と同様にして測定した。イメージと放射率は大きく低下した。
例３
公称０．２μｍの気孔サイズで厚さ０．００１インチの微細多孔質ｅＰＴＦＥ膜（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ ＆ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社から入手）を、蒸発と凝固によってアルミニウムを光学濃度４．９１（Ｔｏｂｉａｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社製のＴＲＸ−Ｎ型デンシトメーターを用いて測定）まで蒸着させることにより金属被覆した。詳しくは、０．１５ｇのアルミニウム線を直径１４インチのベルジャーの下のタングステンバスケットの中に入れた。１０インチ×１８インチのｅＰＴＦＥ膜の片を、ベルジャーの内側の周りにぶら下げた。ベルジャーを高真空（２×１０^-5トル）まで排気し、４０アンペアの電流をタングステンバスケットに印加し、その温度を約１２２０℃にし、アルミニウムを蒸発させた。バスケットから蒸気が上昇し、近くの膜の面に不連続なコーティングを形成した。次いでｅＰＴＦＥ膜を取り出し、タングステンバスケットに０．１４ｇのアルミニウム線を再充填し、先に被覆していなかった表面がタングステンバスケットを向くようにしてｅＰＴＦＥサンプルを固定した。金属被覆プロセスを繰り返し、次いで二重の金属被覆サンプルを取り出した。アルミニウム被覆した微細多孔質膜に、水系のフルオロアクリレートミクロエマルジョン（ＢＷ１３００）をキスロールでコーティングし、乾燥させ、２１０℃のオーブン中で２分間硬化させた。フルオロアクリレートをコーティングした金属被覆膜の６×９インチのサンプルを、アルミニウム被覆した第２面がシェル材料に最も近いようにして、２．７オンス／ヤードの織物ナイロンのタスライトシェル材料にラミネートした。可融性不織布接着剤（Spunfab # EV3014）を用いてシェル材料を金属被覆膜に接着し、２０００ｐｓｉの圧力下の１２５℃で１０秒間にわたって加熱プレスし、ラミネート物品を作成した。赤外線イメージ抑制の特性とサンプルの放射率を例１と同様にして測定した。イメージと放射率は大きく低下した。

Claims (8)

1. 上側表面、下側表面、及びそれらの間の気孔を有する、微細多孔質で、空気透過性、透湿性、耐水性、及びドレープ性のあるポリマー膜を備えた、物体をカバーするための赤外線反射性材料であって、その膜が
   (a)その膜の上側表面とその露出した内部表面の少なくとも一方に不連続的にのみ配置されるように、その膜の表面とその露出した内部表面部分の少なくとも一方を被覆する、赤外線反射性の金属コーティング、及び
   (b)少なくともその金属コーティングを被覆する、疎油性コーティング、
   を備えた、赤外線反射性材料。
2. その疎油性コーティングが、その膜の上側表面と下側表面、及びその膜の気孔を形成する壁を被覆した、請求項１に記載の赤外線反射性材料。
3. その疎油性コーティングが、ポリマーの反復単位の中にフッ素化アルキル側鎖を有する有機ポリマーであり、その側鎖が−ＣＦ₃末端基を有する、請求項１に記載の赤外線反射性材料。
4. その金属コーティングが、アルミニウム、金、銀、銅、亜鉛、コバルト、ニッケル、白金、及びこれらの合金と組み合わせからなる群より選択された、請求項１に記載の赤外線反射性材料。
5. その微細多孔質膜が、延伸膨張されたポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、及びこれらの混合物からなる群より選択された、請求項１に記載の赤外線反射性材料。
6. そのコーティングされた膜に接着された外側の布地シェル材料をさらに備えた、請求項５に記載の赤外線反射性材料。
7. その外側の布地シェルが、絹、ウール、綿、ポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィン、アクリル、ナイロン、及びこれらの混合物からなる群より選択された、請求項６に記載の赤外線反射性材料。
8. 衣服又はテント材料の一方の少なくとも一部を形成した、請求項１に記載の赤外線反射性材料。

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