WO2011054638A9 - Werkstoff für leichtbauelemente aus einem mehrwandgewebe befüllt mit schaum - Google Patents

Werkstoff für leichtbauelemente aus einem mehrwandgewebe befüllt mit schaum Download PDF

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WO2011054638A9
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Markus Wirtz
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    • D10B2505/00—Industrial
    • D10B2505/20—Industrial for civil engineering, e.g. geotextiles

Definitions

  • the invention relates to lightweight components of a
  • Multiwoven fabric filled with a blown thermoplastic polymeric material and a method of making the same.
  • Coated two-wall fabrics are used for pneumatic purposes, for example as tents or as pillows to support technical work.
  • Coated two-wall fabrics are known in the ventilation area and filled with sand in soundproofing.
  • Double raschelware insert as reinforcement in components is transferred to textile reinforcements.
  • the filling material must absorb pressure loads, since the textile materials are internal and not biased.
  • the material reinforced with loose, unbiased mats, knitted or Raschelware must also be self-supporting. Such reinforcements eventually prevent the shearing of the components only to an insufficient degree.
  • Fillers are therefore regularly only materials with high bulk densities and relatively high weight, such as concrete or heavy foamed plastics into consideration.
  • Interior textile materials with high bulk densities and relatively high weight, such as concrete or heavy foamed plastics into consideration.
  • WO 02/030 662 A3 is a lightweight construction element, comprising a textile multi-wall fabric and at least one
  • particulate, blown, thermoplastic polymeric material wherein the expanded material between the walls of the multi-wall fabric, the textile connecting threads thereof is arranged tautening and the particles of the expanded material at least partially with each other
  • the lightweight construction element has a high
  • the invention is based on the object, a
  • the lightweight construction element should have a higher
  • a lightweight construction element comprising a textile multi-wall fabric and at least one expanded, thermoplastic polymeric material selected from the group consisting of polyurethane (PUR) and
  • PIR Polyisocyanurate
  • polyester fibers preferably polyester fibers, aramid fibers,
  • An essential feature of the lightweight element according to the invention is that the expanded material at least partially with the walls of the multi-wall fabric and / or with the textile
  • Connecting threads is connected. According to the invention, it is preferred if the formation of the connection between blown
  • Polymer fibers The connection between expanded material and the walls of the multi-wall fabric or textile
  • connecting threads can also be actively effected or supported in various ways, for example by gluing and / or thermal fusion.
  • thermoplastic polymeric material is made via a chemical linkage.
  • chemical linkage Under the term "chemical
  • Linkage is the formation of chemical bonds between the surface of the Mehrwandgewebes and / or the textile connecting threads and the expanded polymeric material understood.
  • a particularly stable chemical compound is used in the
  • lightweight element according to the invention formed when the surface of the walls of the multi-wall fabric and / or the textile connecting threads is changed in contact with the expanded polymeric material.
  • a change can be effected, for example, chemically by the action of the individual components of the thermoplastic material, for example by the action of reactive starting materials of the polymeric material, and / or the blowing agent.
  • the surface of the multi-wall fabric and / or the textile connecting threads can also be physically changed, for example by heat of reaction liberated.
  • the lightweight components according to the invention are characterized by an excellent compressive strength compared to the known lightweight components.
  • the components of the invention or the components provide high stability with low weight and are also extremely malleable. Depending on the thickness of the
  • Lightweight construction elements have wall thicknesses of a few millimeters up to one meter and more. Particularly good results are achieved with wall thicknesses of up to 350 mm.
  • Lightweight construction is mainly due to its filling
  • the dimensional stability of the lightweight components according to the invention usually increases with increasing strength of the connection between expanded material and the walls of the multi-wall fabric or the textile connecting threads. By filling with expanded material, the fabric outer surfaces and spacer threads are tightened. Due to the high intrinsic stability of the polymer / fabric system can be dispensed with a reinforcement by inserting textile mats, knitted or Raschelware in the device according to the invention, which leads to an enormous weight savings compared to conventional components and the
  • variable parameters are in particular the change in the
  • Fabric structure the type of connecting threads, the arrangement and number of connecting threads, the thickness of the component and the formulation and density of the filler. This variability makes it possible to use the components in various fields. Examples of useful fields of application of the lightweight construction elements according to the invention are:
  • load-bearing walls and ceilings with the components according to the invention through the use of high-tech fibers.
  • Bridge construction By using high-tech fibers and fillers, use of the lightweight construction elements according to the invention as load-bearing bridge elements is likewise conceivable. Again, the considerable labor and weight savings are an important argument in favor of the use of lightweight construction elements. For example, bridges can be completely sewn together in the factory, glued and flown to the site. Aviation sector: In particular by the already
  • the component according to the invention is outstandingly suitable as a construction element in an aircraft. Particularly good results are achieved when used in an aircraft whose lift is based on aerostatic forces, preferably an airship. An enrichment of the expanded material with helium or other noble gases additionally increases the positive properties of the lightweight components. Practical experiments have shown that lightweight construction elements according to the invention, which have a hexagonal, ie honeycomb shape, particularly well as
  • Design element in an aircraft are suitable.
  • airships which are constructed from lightweight elements with a honeycomb-shaped structure, a surprisingly high stability.
  • the honeycomb structure is excellent for a modular
  • Tankers with sandwich panels made of PU foam with textile cover layers to use. These are covered, i. with needles, two panels are sewn through the foam selectively. These plates can be cheaply substituted by the lightweight construction elements according to the invention.
  • the lightweight components of the invention are ideal for the construction of cold storage, in the equipment of reefers and refrigerated transporters and truck semi-trailers in general.
  • Security area vehicle and building protection in civil and military areas or police shields:
  • Lightweight element it is expedient to adjust the connecting threads in the multi-wall fabric at least partially diagonal to the walls of the multi-wall fabric. Particularly good results are achieved when the dacasf the alternating substantially perpendicular to the walls of the
  • Lightweight element i. to harden the side of the lightweight component facing away from the impact and / or to coat it with a preferably high-strength elastomer.
  • an aramid fabric and optionally a layer of the elastomer, may be applied to this elastomer. In this way, the individual Aramidgewebefäden are firmly embedded in the elastomer. This gives you a
  • the present invention thus comprises a
  • Lightweight element in which the textile connecting threads at least partially oblique to the walls of the
  • the element is laminated with aramid fabric, wherein the aramid fabric is expediently embedded in at least one elastomer layer on the back of the lightweight element.
  • the elastomer layer contains polyurethane, preferably a compact PU spray elastomer.
  • the polyurethane has a density of 0.85 to 3 kg / m 3 and a Shore hardness of 30 to 80. It is also advantageous if the lightweight component has a hard coating on the front side (impact side).
  • the lightweight construction element according to the invention is also outstandingly suitable for mushrooming the soft metal shell of a firearm ball. For this purpose can on the
  • the impinging ball will thus impact enlarged in the plate and is hampered by the solid foam, the possibly oblique spacer threads and the rear tissue surface. After that, already strong
  • the performance can be further increased: a. Increase the plate thickness
  • the tear strength of the fabric including the
  • Filament blend of the yarns used e.g., hybrid yarns.
  • Particularly well suited is a mixture of aramid / polyester / ceramic and hybrid yarns of mixed filaments.
  • Ceramic filaments have a heat resistance of more than 1000 ° C.
  • organic fibers are added to them.
  • aramid fibers are also excellent.
  • Aramid fibers contain aromatic polyamides and are commonly sold under the name Kevlar.
  • Aramid fibers are characterized by very high strength, high impact strength, high elongation at break, good
  • Polyester filaments are usually from the
  • PET polyethylene terephthalate
  • Fire protection equipment designed and introduced in high density 200 - 300 kgcbm.
  • the lightweight component has at least two different expanded, thermoplastic polymeric materials in a spatial separation from each other.
  • the lightweight component has at least two different expanded, thermoplastic polymeric materials in a spatial separation from each other.
  • the lightweight construction element comprises rigid polyurethane foam in combination with soft polyurethane foam.
  • a softer polymeric material is flanking surrounded by two harder polymeric materials.
  • This area can be used to form a joint, for example for the formation of kinks or doors.
  • it may be useful to form the textile multi-wall fabric stretchable at least in the flexible area.
  • PU foams are particularly preferred according to the invention, since PU foams show good flow behavior.
  • the material can be filled over comparatively few filling openings.
  • polyurethane rigid foam is characterized by an excellent thermal insulation, good mechanical
  • optimal thermal insulation also an extraordinary space-benefit advantage. Thanks to their low weight, structural elements made of rigid polyurethane foam can be easily processed and can be installed regardless of weather conditions.
  • the use of PIR foams is also outstandingly suitable for producing the lightweight component according to the invention.
  • the advantage of using PIR foams is that PIR foams can also be used at high temperatures and show excellent fire behavior.
  • polyurethane For the production of lightweight construction element according to the invention is particularly suitable polyurethane has proven that by reacting a) polyisocyanates with
  • organic polyisocyanates a) are preferably
  • aromatic polyfunctional isocyanates into consideration. Specific examples include: 2,4- and 2,6-tolylene diisocyanate (TDI) and the corresponding isomer mixtures, 4,4'-, 2,4'- and 2, 2 1- diphenylmethane diisocyanate (DI) and the
  • low molecular weight polyfunctional alcohols preferably ethylene glycol, propylene glycol, trimethanolpropane, glycerol
  • sugar more preferably sucrose and / or sugar alcohols, in particular sorbitol, or amines, in particular toluenediamine
  • Ethylenediamine prepared with alkylene oxide, preferably ethylene oxide or propylene oxide polyether bl.l).
  • Preferred polyether polyols have a functionality of 2.0 to 3.0, an OH number of 20 to 56 and more than 80 mol%, in particular more than 90 mol%, of primary OH groups.
  • suitable polyols are polyols based on rapeseed oil or castor oil as renewable raw materials.
  • polyether alcohols bl.l obtained by reacting low molecular weight, polyhydric alcohol with alkylene oxide are common compounds in polyurethane chemistry and act as cell openers.
  • the molar masses of the polyether alcohols bl.l) used can vary within wide limits. Particularly suitable are polyether alcohols bl.l) having molecular weights in the range of 100 to 1,000, preferably in the range of 200 to 700.
  • component b) one or more by condensation of polyfunctional alcohols, preferably diols, with 2 to 12
  • Carbon atoms more preferably 2 to 6
  • Carbon atoms in particular ethylene glycol
  • Diethylene glycol triethylene glycol, tetraethylene glycol, 1,2-propylene glycol, dipropylene glycol, 1,2-propanediol, 1,4-
  • Trimethylolpropane or mixtures thereof with
  • Carbon atoms preferably aromatic bifunctional acids, in particular phthalic acid, isophthalic acid,
  • Naphthalene dicarboxylic acids produced polyester polyols contains.
  • the alcohol component for producing the aliphatic polyesterpolyols there are preferably used monoethyleneglycol and diethyleneglycol, more preferably
  • the aliphatic polyester polyols have a functionality of from 1.8 to 6.5, in particular from 1.8 to 3.0, an OH number of 15 to 500 KOH / g, in particular from 100 to 300, and an acid number of 0.5 to 5.0 mg KOH / g.
  • Polyester polyols is that they are insensitive to
  • component b) contains a
  • Polyether polyols may be the polyol component more
  • Emulsifying ability of the blowing agent-containing formulation on continuously producing plants effect. Preference is given to using compounds which have a
  • polyurethanes and polyisocyanurate can in addition to the basic raw materials and auxiliary or
  • catalysts can be used which serve to accelerate the reaction. If delayed Bescheunist take place, then advantageously imidazole derivatives can be used as so-called latent catalysts. Also suitable are tertiary amines and / or organo-tin compounds.
  • Reaction partner polyisocyanate / polyol / water contribute in combination with catalysts to a uniform
  • Cell regulator in foam production They stabilize the rising foam until it hardens. In addition, they can control the open and closed cell density as well as the pore size of the foam.
  • Blowing agents can be used to produce foams from the liquid, viscous reaction mass. It will be appreciated that
  • the former is based on the isocyanate-water reaction; this supplies gaseous carbon dioxide (CO2) as propellant gas.
  • CO2 gaseous carbon dioxide
  • the addition of low-boiling liquids causes the exothermic reaction
  • the ozone layer less or not harmful HF ⁇ C) KW and / or hydrocarbons such as in particular pentane can be used.
  • blowing agent and co-blowing agent are used as much blowing agent and co-blowing agent, as is necessary to achieve a dimensionally stable foam matrix and desired density. In general, these are between 0 and 6.0 wt .-% of co-blowing agent and between 1.0 and 30.0 wt .-% of blowing agent, each based on
  • co-propellant water can be used, preferably in an amount of up to 6 wt .-%, particularly preferably 0.5 to 4 wt .-%, based on the total amount of compounds with isocyanate-reactive hydrogen atoms in the
  • Flame retardants can be added to reduce the combustibility of polyurethane. For that come both
  • inorganic especially aluminum hydroxide
  • Ammonium polyphosphates as well as organic chlorine, bromine, phosphorus and / or nitrogen-containing compounds in
  • the flame retardant may preferably be added to the polyol component, preferably in an amount of 10-25 wt .-% based on the total amount of compounds with isocyanate-reactive hydrogen atoms in the
  • chlorine-containing polyols or phosphorus compounds such as the esters of orthophosphoric acid and metaphosphoric acid, which may also contain halogen.
  • liquid flame retardants are selected at room temperature. Fillers (especially expanded glass, chalk, silicates, barite, wollastonite, glass, hemp, jute) can be used for
  • Solidifying and / or used to improve the physical properties is particularly preferred.
  • Particularly preferred is an addition of carbon nanotubes.
  • the lightweight component according to the invention is equipped with electrically conductive materials, it can be used for a variety of purposes in which it is advantageous to produce heated or charged composite materials. Examples for this are: the suppression of moisture in an object, such as a wall; imparting an insecticidal effect through a current flow; the imparting of an antistatic effect by a current flow; Adjusting and / or maintaining the temperature of a liquid or food within a
  • the lightweight element is used as a structural element in an aircraft, preferably in an aircraft whose lift is based on aerostatic forces.
  • Also very suitable as fillers are particles which adhere to the surface of the walls of the multi-wall fabric and / or the textile connecting threads. In this way, the fibers can be reinforced and the bond with the
  • thermoplastic material can be improved. Further, thermoplastic material can be improved.
  • the fillers have a high specific surface area (BET), preferably more than 20 m 2 / g
  • thermoplastic material more preferably more than 40 m 2 / g, in particular more than 50 m 2 / g.
  • auxiliaries or additives are aging inhibitors against photooxidation and hydrolysis. These are beneficial for many applications.
  • Suitable anti-aging agents are known to those skilled in the art and include, for example, lactones and substituted phenols.
  • Colorants for mass coloring include preparations of inorganic or organic dyes or pigments in the polyols.
  • Antistatic agents reduce electrostatic charge and biocides protect the materials from attack
  • Microorganisms (bacteria, fungi).
  • Catalysts may also preferably be used in the
  • Polyol component be present. Particularly suitable are, in particular, amine catalysts. These will
  • Such catalysts are: triethylenediamine, N, -dimethylcyclohexylamine, tetramethylenediamine, 1-methyl-4-dimethylaminoethylpiperazine, triethylamine, tributylamine, dimethylbenzylamine, ⁇ , ⁇ ', N "-tris-dimethylaminopropyl ⁇ hexahydrotriazine,
  • Tetramethylhexanediamine pentamethyldiethylenetriamine, tetramethyldiaminoethylether, dimethylpiperazine, 1,2-dimethylimidazole, 1-azabicyclo [3.3.0] octane, bis (dimethylaminopropyl) urea N-methylmorpholine, N-ethylmorpholine, N-cyclohexylmorpholine, 2, 3 -Dimethyl-3, 4, 5, 6-tetrahydropyrimidine, triethanolamine, diethanolamine,
  • Triisopropanolamine N-methyldiethanolamine, N-ethyldiethanolamine, dimethylethanolamine, stannous (11) acetate, stannous (11) octoate, stannous (11) -ethylhexoate, stannous (11) laurate, dibutyltin diacetate, dibutyltin dilaurate, dibutyltin maleate, Dioctyltin diacetate, tris- (N, -di-methylaminopropyl) -s- hexahydrotriazine, tetramethylammonium hydroxide,
  • Suitable foam stabilizers which can likewise be added to the polyol component are, in particular, polyethersiloxanes. These compounds are generally so
  • Propylene oxide is connected to a Polydimethylsiloxanrest.
  • Solid additives such as nanoparticles
  • flexible foams and rigid foams can be used.
  • the use of Hartschaumsto fen is inventively preferred because they have a high deformation resistance under compressive stress.
  • rigid foams have an excellent low
  • the key figure indicates the percentage ratio of the actually used
  • Isocyanate amount to stoichiometric, i. calculated, NCO amount For example, a figure of 100 means that the amount of isocyanate used is the calculated one
  • the bulk density has a significant influence on the
  • thermoplastic polymer So take with increasing density, the amount of builder. This increases the proportion of heat conduction across the cell walls.
  • reaction times which are standard at 20 ° C for a 100g batch at free
  • Foaming can be measured. Characteristic parameters are the start time, the setting time and the rise time.
  • Start time is the time from the beginning of the
  • the setting time characterizes the transition of the reaction mixture from the liquid to the solid state. Since threads can be pulled from the reaction mixture with a wooden stick from this point on, it is also called “thread-pulling time”.
  • the climb time indicates the end of the visually ascending ascension.
  • particularly suitable plastic foams have a starting time of 10 seconds to 3 minutes, preferably 20 seconds to 2 minutes and especially 20 seconds to 1 minute and a setting time of 10 seconds to 500 seconds, preferably 50 seconds to 300 seconds , and in particular 100 seconds to 200 seconds; and a rise time of 10 seconds to 400 seconds, preferably 50 seconds to 300 seconds and especially 100 to 200 seconds.
  • the thermal conductivity v is a specific one
  • Substance property It indicates which heat flux in watts (W) passes through a 1 m 2 thick and 1 m thick flat layer of a substance, if the temperature difference of the material is
  • Material in the lightweight component according to the invention is preferably 0.005 to 1 W / (m * k), preferably from 0.01 to 0.1 W / (m * k), in particular from 0.024 to 0.03 W / (m * k) the lightweight construction element according to the invention
  • the strength behavior of rigid polyurethane foam is essentially determined by the raw density.
  • the behavior under compression usually distinguishes between compressive stress and compressive strength.
  • the compressive stress is determined i. d. R. at a compression of 10%.
  • Compressive strength is the maximum stress to reach the breaking point. Practical tests have shown that the lightweight component according to the invention has excellent compressive strength and compressive stress.
  • Leichbauelement a compressive strength and / or a
  • Stability of lightweight components are tensile strength
  • insulation materials are often used in the Composite with other building materials, eg. In the
  • the expanded polymeric material in the lightweight element of the invention has a tensile strength according to EN 1607 perpendicular to the plate plane at a bulk density of 30 to 40 kg / m 3 of 10 to 200 kPa, preferably from 20 to 150 kPa, still
  • the expanded polymeric material exhibits shear strength according to EN 12090 at a bulk density of 30 to 40 kg / m 3 of 50 to 250 kPa, preferably 60 to 180 kPa, more preferably 80 to 120 kPa, and / or one
  • Bulk density of 30 to 80 kg / m from 70 to 600 kPa, preferably from 90 to 500 kPa, more preferably from 120 to 450 kPa.
  • lightweight element according to the invention a flexural strength according to EN 12089 at a density of 30 to 40 kg / m 3 of 150 to 800 kPa, preferably from 200 to 600 kPa, more preferably from 250 to 500 kPa, and / or at a bulk density of 30 to 80 kg / m 3 from 150 to 1800 kPa, preferably from 200 to 1500 kPa, more preferably from 250 to 1300 kPa.
  • the lightweight construction element according to the invention also has
  • the expanded polymeric material shows a modulus of elasticity, according to EN 1607 at a bulk density of 30 to 40 kg / m 3 of 2 to 20 MPa,
  • thermal expansion behavior Another important parameter of lightweight components is the thermal expansion behavior. Each fabric expands when heated. The material-specific thermal expansion per 1 Kelvin increase in temperature is determined by the
  • the coefficient of thermal expansion of rigid polyurethane foam in the lightweight component according to the invention depends, inter alia, on the bulk density, the type of multi-wall fabric, a possible fixation of the lightweight component on a component layer and the selected temperature range.
  • Lightweight construction element has a thermal expansion coefficient according to DIN 1604 of 0, 5 x IQ "5 ⁇ K" 1 to 20 x 10 "5 ⁇ ⁇ -1, preferably from 1 ⁇ 10" 5 -K _1 to 15 ⁇ 10 -5 ⁇ ⁇ _1 and in particular 3 ⁇ 10 "5 ⁇ K" 1 up V-IO ⁇ -K '1.
  • the specific heat capacity of the components is also relevant.
  • the specific heat capacity of the building materials has an importance for the heat storage capacity of the Components.
  • Called heat storage capacity indicates how much heat a homogeneous building material of 1 m 2 surface and the thickness s can store at a temperature increase of 1K.
  • Lightweight element preferably has a specific
  • the lightweight construction element according to the invention is to be used as a thermal insulation material, then it is advantageous if it has a high degree of closed-cell quality, which results in a low degree of closed-cell density
  • the expanded polymeric material has a closed cell content of more than 60 VI. %, preferably more than 70 Vi. %, more preferably more than 80 VI. % and in particular more than 90 VI. %, having.
  • the hardness, the weight and the material properties of the component are strongly influenced by the set density. Practical experiments have shown that it is advantageous if the bulk density of the polymeric material is greater than 40 kg / m 3 , preferably from 42 to 80 kg / m 3 , more preferably from 43 to 70 kg / m 3 , in particular from 45 to 62 kg / m 3 is set.
  • the foaming of the polymeric material can be effected by a variety of common methods. For example, foaming by means of is suitable
  • the foaming of the polymeric material is particularly suitable by means of a
  • Propellant preferably a physically acting
  • Hydrocarbons especially pentane, carbon dioxide and / or partially fluorinated hydrocarbons, especially
  • thermoplastic polymer tetrafluoroethane, pentafluoropropane and / or heptafluoropropane.
  • thermoplastic polymer tetrafluoroethane, pentafluoropropane and / or heptafluoropropane.
  • the preparation of the PUR / PIR foams can be carried out according to the one-step process known to the person skilled in the art, in which the reaction components are continuous or
  • the multiwall fabric may be a two wall fabric, a fabric of three wall layers each having a cavity between two Layers or a multi-wall fabric with one after
  • the multiwall fabrics to be used according to the invention have two spaced-apart fabrics in the case of the two-wall fabrics.
  • the two spaced-apart fabrics form the outer surfaces of the lightweight components which may need further treatment and are connected to one another by threads (connecting threads).
  • connecting threads are interwoven with the two fabrics. It is understood that the connecting threads not only as individual threads, but in any form, for example, bundled or in the form of spacer bars, may be formed. Of the
  • Two-wall fabric can be a few millimeters up to a meter and more.
  • the fabrics and the threads connecting the flat fabrics are made of polymer fibers, preferably polyester fibers,
  • the polymer fibers can be high-strength and flame-resistant.
  • the flame retardant equipment can be made by adding a flame retardant to the mass from which the fibers are made.
  • ⁇ Aramid fibers ⁇ especially fibers available under the name Kevlar®. Also advantageous is the
  • Texturing improves the following properties: the Elasticity, volume, moisture absorption, moisture transport, air influence. In particular, when using textured fibers an even better
  • the connecting threads can be untreated or with
  • Impregnation preferably with a PUR wetting
  • the lightweight construction elements according to the invention obtain their high strength by the interaction of the prestressed
  • Lightweight elements for example, as ceilings, bridge elements, etc. a higher pressure, breaking and tear resistance can be achieved.
  • a higher pressure, breaking and tear resistance can be achieved.
  • Filaments achieve special properties and strengths. Also, there is the possibility of specifying the spinning process, example: soul and coat of a thread made of different materials. Furthermore, the
  • Fabric surfaces are woven from different materials so that it gives a front and back.
  • the coating can be any material, plastics or other materials.
  • the coating can be any material, plastics or other materials.
  • PVC polyvinyl chloride
  • aluminum or steel sheet done.
  • the lightweight construction element according to the invention can also be used in conjunction with rigid cover layers, for example
  • Wood-based panels or mineral belt building materials such as e.g. Plasterboard be used.
  • a bundling of the light waves can also be achieved, for example, by the fact that the film applied to the outside consists of a large number of small lens-like fields. Due to their curvature, these fields concentrate the light and transfer it precisely to the light-conducting glass fibers, which
  • the lightweight construction elements according to the invention can serve as carriers for all possible materials.
  • they can be coated with CIS solar cells.
  • This technology which is a copper-indium-diselenide (CuInSe 2 ) compound, converts light into electricity, generating power from solar cell foils by using CIS technology on the lightweight device surface.
  • CuInSe 2 copper-indium-diselenide
  • a likewise expedient embodiment of the invention can be to combine the described embodiments of light transport and solar power generation.
  • For this purpose for example, on the outer surface of a
  • Tissue side a film are applied ⁇ if necessary a sheet of acrylic or Plexiglas), as described above
  • CIS solar cells preferably consists of a plurality of small lens-like fields.
  • a kind of screen or gusset grid of the CIS Solar cells applied in such a way that the incident light in some places on the CIS solar cells and the lenses directly to the device. In the places where there are no CIS solar cells between the film and the component
  • the film is directly welded to the glass / synthetic connecting threads contained in the device. As a result, a light transport from the top to the bottom of the device is achieved. Power can be generated in parallel at the points between the film and the component to which the CIS solar cells have been applied.
  • lightweight construction elements according to the invention can be further processed into components or components, including three-dimensional nature.
  • the invention also provides a method for
  • Production of the lightweight construction elements according to the invention which comprises at least the following steps:
  • thermoplastic material selected from the group consisting of polyurethane (PUR) and polyisocyanurate (PIR) under
  • Multiwall fabric and - Forming a link between the
  • thermoplastic material and the textile
  • Multi-wall fabric Multi-wall fabric.
  • the clamping can, for example, by mechanical gripping and pulling apart of the two tissue surfaces of a
  • Multi-wall fabric done. For the discontinuous
  • the textile multi-wall fabric for example, in a vertical or horizontal press as a mold carrier
  • the temperature of the mold carrier is advantageously in the range of 20 to 60 ° C, in particular 30 to 50 ° C.
  • the heating of the press can be electric or with a
  • Heat transfer (such as water) take place. Water has the advantage that with him also heat of reaction can be dissipated and the press is not increasingly heated. In this way, the residence time in the press can be reduced.
  • thermoplastic material is filled through the one-shot technique through one or more filling holes in the space between the walls of the multi-wall fabric.
  • the filling has on the long side
  • Vents with a diameter of 1 to 10 mm, preferably 2 to 5 mm. These may be provided, for example, at the corners, below the upper cover layer.
  • the "one-shot” technique is a common method for introducing foamable thermoplastic materials.
  • Reaction mixture in several shots via filler holes the preferably arranged on the longitudinal side of the component, registered.
  • Polyurethane foam is the total amount
  • Polyisocyanate react in a first step with a partial amount of polyol and in a second step this still reactive NCO-containing product with the balance amount of polyol and the required excipients for finished
  • polyurethane polymers are structured ordered.
  • the cavity to be filled is divided by shots into several areas and these are individually foamed.
  • the shots can be off
  • thermoplastic material can with usual
  • Mold part length corresponds.
  • the filling hole is located on the front side. During filling, the lance is slowly pulled out of the mold.
  • the filling process basically corresponds to that of the lance technique. Here, however, is at the beginning of the entire mixing head in the form and is during the
  • reaction mixture is filled with a moving over the open mold casting rake.
  • the production of the components can be continuous or discontinuous.
  • the manufacture of the lightweight element can be carried out continuously such that lancets retract laterally into the space between the walls of a multi-wall fabric and deposit the foam from the center of the multi-wall fabric to the sides during forward movement, and the process continues
  • Example 1 Production of a Lightweight Component in
  • Model test a A textile multi-wall fabric made of high-strength polyester is applied to a wooden frame measuring 720 mm x 400 mm x 67 mm curious; excited. The element is clamped in a horizontal press as a mold carrier. The press is at about 45 ° C
  • LAMOLTAN® hard foam system B2-G22-31-5 is inserted on the long side of the multi-wall fabric via a filling hole.
  • the polymer foam is filled with a Marka LACKFA HD-2® filling machine equipped with 10 cm 3 pumps and a discharge rate of 6.96 kg / min.
  • the registered volume is 19.3 liters, the shot time 8.32 seconds. It is introduced a foam amount of 965 grams.
  • the theoretical bulk density is 50 kg / m 3 .
  • a lightweight construction element without textile multi-wall fabric is produced.
  • a metal frame measuring 490 mm x 940 mm x 65 mm is filled with LAMOLTAN® rigid foam system B2-G22-31-5.
  • the filling volume is 15.6 liters, the shot time 6.72
  • Lightweight construction elements are checked for bulk density, compressive strength and thermal conductivity. a) It has been found that the lightweight element produced according to the invention in test la has a measured apparent density of 48 kg / m 3 (measured without cover layer). The
  • Compressive strength is 0.35-0.39 MPa and is shown in FIG. If the compressive strength is measured using a cover layer, values of 0.34 to 0.36 MPa are obtained (see FIG.
  • the thermal conductivity of the device according to the invention was determined as follows:
  • Comparative element is about 47 kg / m 3 .
  • the compressive strength of the comparative element is shown in Figure 3 and is from 0.25-0.26 MPa.
  • the thermal conductivity of the control element was determined as follows:
  • the lightweight element according to the invention has a significantly increased compressive strength compared to polyurethane foam without multi-wall fabric. At the same time, the lightweight element according to the invention shows a low
  • LACKFA HD-2 filling machine with 20 cm 3 pumps and a discharge rate of 18.71 kg / min.
  • the multi-wall fabric is placed on a wooden frame in the
  • Filling volume is 24.1 liters.
  • the shooting time is 3.9 seconds (handstopped).
  • the filled amount of foam is 1220 g.
  • the theoretical bulk density is 50 kg / m 3 .
  • test specimens have a
  • test specimens have a
  • FIG. 6 shows the compressive strength of a test specimen
  • the test specimen has a Compressive strength perpendicular to the pile yarns, measured with cover layer, of 0.40 - 0.50 MPa.
  • Figure 7 shows the compressive strength of a specimen in the dimensions 50 x 50 mm.
  • the test specimen has a

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Abstract

Leichtbauelement, umfassend ein textiles Mehrwandgewebe und mindestens ein geblähtes, thermoplastisches polymeres Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyurethan (PUR) und Polyisocyanurat (PIR), wobei das geblähte Material zwischen den Wänden des Mehrwandgewebes die textilen Verbindungsfäden desselben straffend angeordnet ist, das geblähte Material zumindest teilweise mit den Wänden des Mehrwandgewebes und/oder mit den textilen Verbindungsfäden verbunden ist, und die Wände des Mehrwandgewebes und/oder die textilen Verbindungsfäden aus Polymerfasern, vorzugsweise Polyesterfasern, Aramidfasern, Polypropylenfasern, Polyamidfasern und/oder Polylactidfasern erzeugt sind. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Bauelements besteht darin, dass es an vielen Parametern spezialisiert werden kann ohne dass sich die Produktionskosten wesentlich verändern.

Description

WERKSTOFF FÜR LEICHTBAUELEMENTE AUS EINEM MEHRWANDGEWEBE
BEFÜLLT MIT SCHAUM
Die Erfindung betrifft Leichtbauelemente aus einem
Mehrwandgewebe, befüllt mit einem geblähten thermoplastischen polymeren Material und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Es ist bekannt, Zweiwandgewebe im Baubereich als Schalung für Betoneinfüllungen zu verwenden. Wandelemente werden zumeist durch das Verfüllen von Zweiwandgeweben mit Beton
hergestellt, so dass das Zweiwandgewebe als Schalung dient. Im Hochbau werden Textilgewebe bis heute in geringem Maße verwendet, meist in der Oberflächengestaltung. Mit PVC
beschichtete Zweiwandgewebe werden für pneumatische Zwecke eingesetzt, beispielsweise als Zelte oder als Kissen zur Unterstützung technischer Arbeiten. Bekannt sind beschichtete Zweiwandgewebe im Lüftungsbereich und mit Sand gefüllt im Schallschutz .
Derartige Zweiwandgewebe-Produkte weisen wesentliche
Nachteile auf. Für hohe Gebäude, für erdbebengefährdete
Hochbauten, für die Luft- und Raumfahrt sowie den Einsatz im Bau mit Fertigbauelementen benötigt man tragende, jedoch leichte Bauelemente. Die gegenwärtigen, in der textilen
Architektur eingesetzten Produkte sind entweder sehr schwer (Betonfüllung} oder genügen statischen Anforderungen nicht (Luftfüllungen) . Die heutige textile Leichtbautechnik hat den Nachteil, dass sie zwar feuerfeste und verbindungssteife
Produkte herstellen kann, jedoch im Regelfall als Maß- oder Einzelanfertigungen mit hohen Material- und Produktionskosten, so dass ein Einsatz im zivilen Baubereich zumeist nicht in Betracht kommt.
Es ist ferner bekannt, untereinander verbundene gitterartige Textilmatten, Gewirke oder Raschelware, insbesondere
Doppelraschelware als Armierung in Bauteile einzulegen. Damit wird das aus der Stahlarmierung bekannte Prinzip auf textile Armierungen übertragen. Hierbei werden der Zwischenraum zwischen zwei miteinander verbundenen, gitterartigen textilen Matten und die Gitterzwischenräume der Matten mit
Füllstoffen, insbesondere Beton, verfüllt. Auf diese Weise umhüllt der Beton oder das sonstige armierte Material das textile Gebilde, das als innenliegende Armierung dient. Derartige Produkte weisen erhebliche Nachteile auf. Zunächst werden für die Herstellung Formen oder sonstige Vorrichtungen benötigt, die das lose Gewirke, die Matten oder die
Raschelware für das Verfüllen stützen bzw. fixieren. Ferner muß das Füllmaterial Druckbelastungen aufnehmen, da die textilen Materialien innenliegend und nicht vorgespannt sind. Das mit losen, nicht vorgespannten Matten, Gewirken oder Raschelware armierte Material muss sich außerdem selbst tragen. Derartige Armierungen verhindern schließlich das Abscheren der Bauteile nur in unzureichendem Maße. Als
Füllstoffe kommen daher regelmäßig nur Materialien mit hohen Raumdichten und relativ hohem Gewicht, wie Beton oder schwere Schaumkunststoffe in Betracht. Innenliegende textile
Armierungen sind darüber hinaus nicht oder nur sehr
eingeschränkt für die Konfektionierung geeignet; ein
Vernähen, Verkleben oder Verschweißen des Bauelements an den textilen Einlagen oder Matten ist nicht oder nur schwierig möglich, da es sich wie beschrieben um innenliegende Armierungen handelt.
Aus der DE 41 41 113 AI ist ein Frontteil für den Innenraum von Kraftfahrzeugen aus einem Abstandsgewirke, einer auf das Abstandsgewirke kaschierten Folie und einer auf die Folie aufgebrachten Schicht aufgeblähter Schaumperlen bekannt. Die andere Seite des Abstandsgewirkes kann mit einer Dekorschicht versehen sein. Der Innenraum des Abstandsgewirkes selbst ist nicht verfüllt.
Aus der WO 02/030 662 A3 ist ein Leichtbauelement, umfassend ein textiles Mehrwandgewebe und mindestens ein
teilchenförmiges, geblähtes, thermoplastisches polymeres Material bekannt, wobei das geblähte Material zwischen den Wänden des Mehrwandgewebes die textilen Verbindungsfäden desselben straffend angeordnet ist und die Teilchen des geblähten Materials zumindest teilweise untereinander
verbunden sind. Das Leichtbauelement weist eine hohe
Stabilität bei niedrigem Gewicht auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein
Leichtbauelement der eingangs genannten Art bereit zu
stellen, das eine weiter verbesserte Stabilität aufweist. Insbesondere soll das Leichtbauelement eine höhere
Druckfestigkeit als bekannte Leichtbauelemente aufweisen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Leichtbauelement, umfassend ein textiles Mehrwandgewebe und mindestens ein geblähtes, thermoplastisches polymeres Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyurethan (PUR) und
Polyisocyanurat (PIR), wobei das geblähte Material zwischen den Wänden des Mehrwandgewebes die textilen Verbindungsfäden desselben straffend angeordnet ist und das geblähte Material zumindest teilweise mit den Wänden des Mehrwandgewebes und/oder mit den textilen Verbindungsfäden verbunden ist, wobei die Wände des Mehrwandgewebes und/oder die textilen Verbindungsfäden im Wesentlichen aus Polymerfasern,
vorzugsweise Polyesterfasern, Aramidfasern,
Polypropylenfasern, Polyamidfasern und/oder Polylactidfasern, erzeugt sind.
Wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Leichtbauelements ist, dass das geblähte Material zumindest teilweise mit den Wänden des Mehrwandgewebes und/oder mit den textilen
Verbindungsfäden verbunden ist. Erfindungsgemäß bevorzugt ist es, wenn die Ausbildung der Verbindung zwischen geblähtem
Material und den Wänden des Mehrwandgewebes bzw. den textilen Verbindungsfäden selbsttätig stattfindet. Polyurethan (PUR) und Polyisocyanurat (PIR) verbindet sich beim Aufschäumen in der Regel selbsttätig mit den meisten handelsüblichen
Polymerfasern. Die Verbindung zwischen geblähtem Material und den Wänden des Mehrwandgewebes bzw. den textilen
Verbindungsfäden kann aber auch auf verschiedene Arten und Weisen, beispielsweise durch Verkleben und/oder thermisches Verschmelzen, aktiv bewirkt bzw. unterstützt werden.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist es, wenn die
Verbindung zwischen den Wänden des Mehrwandgewebes und/oder den textilen Verbindungsfäden desselben mit dem
thermoplastischen polymeren Material über eine chemische Verknüpfung erfolgt. Unter dem Begriff "chemische
Verknüpfung" im Sinne der Erfindung wird die Ausbildung von chemischen Bindungen zwischen der Oberfläche des Mehrwandgewebes und/oder der textilen Verbindungsfäden und dem geblähten polymeren Material verstanden.
Eine besonders stabile chemische Verbindung wird im
erfindungsgemäßen Leichtbauelement ausgebildet, wenn die Oberfläche der Wände des Mehrwandgewebes und/oder der textilen Verbindungsfäden bei in Kontakt bringen mit dem geblähten polymeren Material verändert wird. Eine derartige Veränderung kann beispielsweise chemisch durch Einwirken der einzelnen Komponenten des thermoplastischen Materials, beispielsweise durch Einwirken von reaktiven Ausgangsstoffen des polymeren Materials, und/oder des Treibmittels bewirkt werden. Die Oberfläche des Mehrwandgewebes und/oder der textilen Verbindungsfäden kann aber auch physikalisch, beispielsweise durch freiwerdende Reaktionswärme, verändert werden .
Praktische Versuche haben ergeben, dass bei Verwendung von Polyesterfasern und/oder Aramidfasern in den Wänden des Mehrwandgewebes und/oder in den textilen Verbindungsfäden eine besonders gute Verbundhaftung erhalten wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Polymere der Gewebefäde mit denen des PU - Schaums genau aufeinander abgestimmt wurden. Es ergibt eine zweite Polymerisation im Grenzbereich mit deutlich höherer Festigkeit. Man kann es vergleichen mit dem Schmieden von Stahl.
Die erfindungsgemäßen Leichtbauelemente zeichnen sich verglichen mit den bekannten Leichtbauelementen durch eine hervorragende Druckfestigkeit aus. Darüber hinaus liefern die erfindungsgemäßen Bauelemente oder die Bauelemente eine hohe Stabilität bei niedrigem Gewicht und sind zusätzlich überaus formbar. Je nach Dicke des
Mehrwandgewebes können die erfindungsgemäßen
Leichtbauelemente Wandstärken von wenigen Millimetern bis zu einem Meter und mehr aufweisen. Besonders gute Ergebnisse werden mit Wandstärken von bis zu 350 mm erzielt.
Die ausgezeichnete Formstabilität der erfindungsgemäßen
Leichtbauelemente ist vor allem auf deren Füllung mit
geblähtem, thermoplastischen polymeren Material zurück zu führen, wobei das geblähte Material zumindest teilweise mit den Wänden des Mehrwandgewebes und/oder mit den textilen Verbindungsfäden verbunden ist. Die Formstabilität der erfindungsgemäßen Leichtbauelemente steigt üblicherweise mit zunehmender Festigkeit der Verbindung zwischen geblähtem Material und den Wänden des Mehrwandgewebes bzw. den textilen Verbindungsfäden. Durch das Befüllen mit geblähtem Material werden die Gewebeaußenflächen und Abstandsfäden gestrafft. Durch die hohe Eigenstabilität des Polymer-/Gewebesystems kann bei dem erfindungsgemäßen Bauelement auf eine Armierung durch Einlegen von Textilmatten, Gewirken oder Raschelware verzichtet werden, was zu einer enormen Gewichtsersparnis gegenüber herkömmlichen Bauelementen führt und die
Herstellung und Konfektionierung vereinfacht.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Leichtbauelemente ist ferner, dass die Stabilität des Bauelements je nach
Einsatzgebiet variabel angepasst werden kann. Die variablen Parameter liegen insbesondere in der Veränderung der
Gewebestruktur, der Art der Verbindungsfäden, der Anordnung und Anzahl der Verbindungsfäden, der Dicke des Bauelements und der Formulierung sowie Dichte des Füllstoffes . Durch diese Variabilität ist ein Einsatz der Bauelemente in verschiedenen Gebieten möglich. Beispiele für sinnvolle Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Leichtbauelemente sind:
• Hallen-, Container- und Garagenbau: Im Hallenbau können die erfindungsgemäßen Leichtbauelemente sämtliche heute genutzten Materialien für Wand- und Dachkonstruktionen substituieren. Analog gilt dieses auch für den Container- und Garagenbau, da hier die statischen Anforderungen eher geringer ausfallen.
• Haus- und Wohnungsbau: Im Haus- und Wohnungsbau sind
zunächst heutiges Ständerbauwerk sowie Innen- und
Außensteinwände zu ersetzen. Ferner liegt ein breites Einsatzgebiet in der Herstellung von Fertigdecken und - wänden, Dachgauben, Dächern sowie Baikonen.
• Hochbau: Für den Hochbau können mit den erfindungsgemäßen Bauelementen zunächst günstige Zwischenwände produziert werden, die das Gewicht der Bauwerke signifikant
reduzieren. Ebenso ist möglich, durch den Einsatz von hochtechnologischen Fasern tragende Wände und Decken mit den erfindungsgemäßen Bauelementen zu konstruieren.
• Brückenbau: Durch die Nutzung hochtechnologischer Fasern und Füllstoffe ist ein Einsatz der erfindungsgemäßen Leichtbauelemente als tragende Brückenelemente ebenfalls denkbar. Auch hier sind die erheblichen Arbeitsaufwandsund Gewichtseinsparungen ein wichtiges Argument für den Einsatz der Leichtbauelemente. So können beispielsweise Brücken komplett in der Fabrik zusammengenäht, verklebt und an den Einsatzort geflogen werden. Luftfahrtbereich: Insbesondere durch die bereits
beschriebenen Gewichtseinsparungen bei gleichzeitig hoher Stabilität sind die erfindungsgemäßen Leichtbauelemente geradezu ideal für den Einsatz im Luftfahrtbereich. Das erfindungsgemäße Bauelement eignet sich hervorragend als Konstruktionselement in einem Luftfahrzeug. Besonders gute Ergebnisse werden beim Einsatz in einem Luftfahrzeug, dessen Auftrieb auf aerostatischen Kräften beruht, vorzugsweise einem Luftschiff, erzielt. Eine Anreicherung des geblähten Materials mit Helium oder anderen Edelgasen erhöht die positiven Eigenschaften der Leichtbauelemente zusätzlich. Praktische Versuche haben ergeben, dass sich erfindungsgemäße Leichtbauelemente, die eine sechseckige, also wabenförmige Form aufweisen, besonders gut als
Konstruktionselement in einem Luftfahrzeug eignen. So weisen Luftschiffe, die aus Leichtbauelementen mit einer wabenförmigen Struktur aufgebaut sind, eine überraschend hohe Stabilität auf. Darüber hinaus eignet sich die wabenförmige Struktur hervorragend für eine modulare
Bauweise. Hier überzeugt besonders die Minimierung der Bauteile und somit der Arbeitsschritte und -stunden.
Schiffsbau: Auch im Schiffsbau werden leichte aber dennoch stabile Bauelemente benötigt. Ob die Erstellung der
Außenhaut ohne Negativform oder die stabileren Spannten. Ebenso Pritschenschiffe. Dies sind Container - Flussschiffe, die im Oberflächenwasser mit ihrer Fracht als Schnellboote, bei geringem Tiefgang die
Partikulierschifffahrt wieder in Gang setzen. Ebenso
Passagierschiffe, die ebenfalls über Gewichtsreduktion ein schwimmendes Hotel generieren können. Für
Überschwemmungsgebiete ergeben die Leichtbauplatten Flöze und Zelte oder Unterkünfte, hergestellt in Einfachtechnik und leicht transportierbar. Hochseeschiffe kommen durch den möglichen Einsatz dieser Platten mit wesentlich geringerem Antriebsenergiebedarf aus. Tankschiffe werden sicherer. Es ist bekannt die Zwischenräume auf
Tankschiffen mit Sandwichplatten aus PU-Schaum mit textilen Deckschichten zu nutzen. Diese werden getaftet, d.h. mit Nadeln werden zwei Stoffbahnen durch den Schaum hindurch punktuell vernäht. Diese Platten können durch die erfindungsgemäßen Leichtbauelemente preiswert substituiert werden .
Kühltechnik: PUR/PIR-Schaum weist hervorragende
Dämmeigenschaften auf. Aus diesem Grund eignen sich die erfindungsgemäßen Leichtbauelemente hervorragend zum Bau von Kühlhäusern, in der Ausrüstung von Kühlschiffen und Kühltransportern und LKW-Aufliegern im Allgemeinen.
Besonders gute Ergebnisse werden bei der Verwendung von Kohlefaser-verstärktem PUR/PIR erzielt. Hier kommen vorzugsweise Hybridgarne zum Einsatz.
Securitybereich : Fahrzeug- und Gebäudeschutz im Zivil- und Militärbereich oder Polizeischutzschilde:
Für dieses Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen
Leichtbauelements ist es zweckmäßig die Verbindungsfäden im Mehrwandgewebe zumindest teilweise diagonal zu den Wänden des Mehrwandgewebes einzustellen. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die Verbindungsf den im Wechsel im Wesentlichen senkrecht zu den Wänden des
Mehrwandgewebes und schräg hierzu, vorzugsweise in einem Winkel von etwa 45° angeordnet sind. Auf diese Weise wird ein Innennetz gebildet, das besonders vorteilhafte
Eigenschaften aufweist.
Gute Ergebnisse werden insbesondere dann erzielt, wenn ein PU-Schaum mit hoher Dichte, vorzugsweise ein PU-Schaum einer Dichte von 200 - 300 kgcbm eingesetzt wird.
Zweckmäßig ist es ferner die Rückseite des
Leichtbauelements, d.h. die dem Aufprall abgewandte Seite des Leichtbauelements zu verharzen und/oder mit einem vorzugsweise hochfestem Elastomer zu beschichten. Auf dieses Elastomer kann außerdem ein Aramidgewebe , und ggf. wieder eine Schicht des Elastomers aufgebracht werden. Auf diese Weise sind die einzelnen Aramidgewebefäden fest im Elastomer eingebettet. Hierdurch erhält man einen
hervorragenden Kugel- und Splitterschutz/fänger .
Die vorliegende Erfindung umfasst somit ein
Leichtbauelement, in dem die textilen Verbindungsfäden zumindest teilweise schräg zu den Wänden des
Mehrwandgewebes angeordnet sind. Vorzugsweise ist das Element mit Aramidgewebe laminiert, wobei das Aramidgewebe zweckmäßigerweise in mindestens einer Elastomerlage auf der Rückseite des Leichtbauelements eingebettet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Elastomerlage Polyurethan, vorzugsweise ein PU-Sprüh- Elastomer Kompakt. Zweckmäßigerweise weist das Polyurethan eine Dichte von 0,85 bis 3 kg/m3 und eine Shore-Härte von 30 bis 80 auf. Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn das Leichtbauelement eine Hartbeschichtung auf der Vorderseite (Aufprallseite) aufweist. Das erfindungsgemäße Leichtbauelement eignet sich auch hervorragend zum Aufpilzen des weichen Metallmantels einer Schusswaffenkugel. Zu diesem Zweck kann auf die
Vorderseitengewebefläche des Laminats eine Schicht aus Keramikharzgemisch aufgebracht werden. Dieses ist
vorzugsweise angereichert mit Hartmetallpartikeln. Die auftreffende Kugel wird somit vergrößert in die Platte einschlagen und wird behindert durch den festen Schaum, den gegebenenfalls schräg verlaufenden Abstandsfäden und die hintere Gewebefläche. Danach, bereits stark
verlangsamt, bleibt sie in dem Gebilde aus Elastomer mit eingebundenem, hochfesten Aramidgewebe stecken. Durch Variierung beispielsweise folgender Parameter kann die Leistung weiter erhöht werden: a. Erhöhung der Plattendicke/ bzw.
b. der Schaumdichte
c. Vervielfachung der Schichten.
Die Reißfestigkeit des Gewebes einschließlich der
Verbindungsfäden wird vorteilhafterweise über die
Filamentmischung der verwendeten Garne (z.B. Hybridgarne) verstärkt. Hervorragend eignet sich insbesondere eine Mischung aus Aramid/Polyester/Keramik sowie Hybridgarne aus gemischten Filamenten.
Ebenfalls geeignet sind Keramikfilamente . Keramikfilamente weisen eine Hitzebeständigkeit bis über 1.000° C auf. Zur Herstellung von textilen Fasern werden ihnen üblicherweise ca.20% organische Fasern zugesetzt. Ebenfalls hervorragend geeignet sind Aramidfasern .
Aramidfasern enthalten aromatische Polyamide und werden üblicherweise unter dem Namen Kevlar vertrieben.
Aramidfasern zeichnen sich durch sehr hohe Festigkeit, hohe Schlagzähigkeit, hohe Bruchdehnung, gute
Schwingungsdämpfung aus .
Ebenfalls hervorragend geeignet sind Polyesterfilamente Polyesterfilamente werden üblicherweise aus dem
petrochemischen Polymer Polyethylentherephthalat (PET) hergestellt. Zu den herausragenden Eigenschaften gehört dass sie sehr reißfest, elastisch, scheuerfest, bestand gegen Säuren und preiswert sind.
Die PU -Schaumfüllung wird vorteilhafterweise als
Hartschaum, zweckmäßigerweise mit Beimischungen von elastischen Anteilen, Blähglas- und/oder
Feuerschutzmitteln ausgelegt und in hoher Dichte, 200 - 300 kgcbm eingebracht.
In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung weist das Leichtbauelement mindestens zwei verschiedene geblähte, thermoplastische polymere Materialien in einer räumlichen Trennung voneinander auf. Vorzugsweise
unterscheiden sich diese polymeren Materialien in ihrer Formstabilität bzw. Härte. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Leichtbauelement PUR-Hartschaum in Kombination mit PUR- Weichschaum aufweist. Als besonders zweckmäßig hat sich eine Anordnung erwiesen, in der ein weicheres polymeres Material flankierend von zwei härteren polymeren Materialien umgeben ist. Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, einen
flexiblen Bereich in das Leichtbauelement zu integrieren. Dieser Bereich kann zur Ausbildung eines Gelenks, beispielsweise für die Formung von Knickstellen oder Türen, genutzt werden. Zu diesem Zweck kann es sinnvoll sein das textile Mehrwandgewebe zumindest im flexiblen Bereich dehnbar auszubilden .
Die Verwendung von PUR-Schäumen ist erfindungsgemäß besonders bevorzugt, da PUR-Schäume ein gutes Fließverhalten zeigen. Somit kann beim Ausschäumen der Mehrwandgewebe das Material über vergleichsweise wenige Einfüllöffnungen eingefüllt werden.
Praktische Versuche haben ergeben, dass eine besonders stabile Verbindung erhalten werden kann, wenn als geblähtes polymeres Material ein Polyurethan-Hartschaum, vorzugsweise ein Hartschaum spezieller Legierung, eingesetzt wird.
Vorteilhaft ist es insbesondere wenn Gewebe-Fadenfilamente und Schaum in den Polymeren zusammenpassen.
Die Verwendung von Polyurethan-Hartschaum zur Herstellung des erfindungsgemäßen Leichtbauelements ist auch deshalb
vorteilhaft, weil Polyurethan-Hartschaum sich durch ein hervorragendes Wärmedämmvermögen, gute mechanische
Eigenschaften und eine niedrige Rohdichte auszeichnet.
Darüber hinaus bietet Polyurethan-Hartschaum schon bei
Konstruktionsaufbauten mit geringer Dicke neben einem
optimalen Wärmeschutz auch einen außergewöhnlichen Raum- Nutzen-Vorteil. Bauelemente aus Polyurethan-Hartschaum lassen sich dank ihres geringen Gewichts problemlos verarbeiten und sind witterungsunabhängig montierbar. Auch die Verwendung von PIR-Schäumen ist zur Herstellung des erfindungsgemäßen Leichtbauelements hervorragend geeignet. Vorteilhaft am Einsatz von PIR-Schäumen ist, dass PIR-Schäume auch bei hohen Temperaturen verwendet werden können und ein ausgezeichnetes Brandverhalten zeigen.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Leichtbauelements besonders geeignet hat sich Polyurethan erwiesen, das durch Umsetzen von a) Polyisocyanaten mit
b) einer Polyolkomponente enthaltend
bl) Verbindungen mit mindestens zwei gegenüber
Isocyanatgruppen reaktiven Wasserstoffatomen, b2 ) Treibmitteln und gegebenenfalls
b3) Flammschutzmitteln,
b4) Katalysatoren und/oder weiteren Hilfs- und Zusatzstoffen, hergestellt wird.
Als organische Polyisocyanate a) kommen vorzugsweise
aromatische mehrwertige Isocyanate in Betracht. Im Einzelnen seien beispielhaft genannt: 2,4- und 2 , 6-Toluylendiisocyanat (TDI) und die entsprechenden Isomerengemische, 4,4'-, 2,4'- und 2 , 21 -Diphenylmethan-diisocyanat ( DI) und die
entsprechenden Isomerengemische, Mischungen aus 4,4'- und 2,4' -Diphenylmethan-diisocyanaten, Polyphenyl-polymethylen- polyisocyanate, Mischungen aus 4,4'-, 2,4'- und 2,2'- Diphenylmethan-diisocyanaten und Polyphenyl-polymethylen- polyisocyanaten (Roh-MDI) und Mischungen aus Roh-MDI und Toluylendiisocyanaten . Die organischen Di- und Polyisocyanate können einzeln oder in Form von Mischungen eingesetzt werden.
Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die Komponente b} eines oder mehrere durch Umsetzen von niedermolekularen mehrfunktionellen Alkoholen, vorzugsweise Ethylenglykol , Propylenglykol , Trimethanolpropan, Glycerin, Zucker, noch bevorzugter Saccharose und/oder Zuckeralkohole, insbesondere Sorbit, oder Aminen, insbesondere Toluoldiamin,
Ethylendiamin, mit Alkylenoxid, vorzugsweise Ethylenoxid oder Propylenoxid hergestellte Polyetheralkohole bl.l) enthält.
Bevorzugte Polyetherpolyole weisen eine Funktionalität von 2,0 bis 3,0, eine OH-Zahl von 20 bis 56 und mehr als 80 mol%, Insbesondere mehr als 90 mol%, primäre OH-Gruppen auf.
Die Verwendung von Aminen hat den Vorteil, dass dem Polymer Härte sowie eine verbesserte Temperaturbeständigkeit
verliehen wird. Darüber hinaus kann mit Aminoverbindungen die Reaktionsgeschwindigkeit der Polyaddition erhöht werden.
Zur Herstellung der Polyetheralkohole bl.l} ebenfalls
geeignete Polyole sind Polyole auf Basis von Rapsöl- oder Rizinusöl als nachwachsende Rohstoffe.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die Polyether-Alkohole bl.l)
Umsetzungsprodukte von Alkandiolen und/oder Alkantriolen mit Propylenoxid .
Die durch Umsetzung von niedermolekularem, mehrfunktionellem Alkohol mit Alkylenoxid erhaltenen Polyether-Alkohole bl.l) sind in der Polyurethan-Chemie gebräuchliche Verbindungen und fungieren als Zellöffner.
Die Molmassen der eingesetzten Polyether-Alkohole bl.l) können in weiten Bereichen schwanken. Besonders geeignet sind Polyether-Alkohole bl.l) mit Molmassen im Bereich von 100 bis 1.000, vorzugsweise im Bereich von 200 bis 700.
Gute Ergebnisse werden auch erzielt, wenn die Komponente b) eines oder mehrere durch Kondensation von mehrfunktionellen Alkoholen, vorzugsweise Diolen, mit 2 bis 12
Kohlenstoffatomen, noch bevorzugter 2 bis 6
Kohlenstoffatomen, insbesondere Ethylenglykol ,
Diethylenglykol, Triethylenglykol , Tetraethylenglykol , 1,2- Propylenglykol, Dipropylenglykol , 1 , 2-Propandiol , 1,4-
Butandiol, 3-Methyl-l , 5-pentandiol , 1 , 5-Pentandiol , 1,4- Hexandiol, 1 , 6-Hexandiol, 1, 10-Decandiol, Glycerin,
Trimethylolpropan, bzw. Mischungen daraus mit
mehrfunktionellen Carbonsäuren mit 2 bis 12
Kohlenstoffatomen, vorzugsweise aromatischen bifunktionellen Säuren, insbesondere Phtalsäure, Isophthalsäure,
Terephtalsäure, Adipinsäure und/oder isomeren
Naphthalindicarbonsäuren, hergestellten Polyesterpolyolen enthält .
Als Alkoholkomponente zur Herstellung der aliphatischen Polyesterpolyole werden vorzugsweise Monoethylenglykol und Diethylenglykol verwendet, besonders bevorzugt
Monoethylenglykol .
Vorzugswelse weisen die aliphatischen Polyesterpolyole eine Funktionalität von 1,8 bis 6,5 insbesondere von 1,8 bis 3,0, eine OH-Zahl von 15 bis 500 rag KOH/g, insbesondere von 100 bis 300, sowie eine Säurezahl von 0,5 bis 5,0 mg KOH/g auf.
Vorteilhaft an der Verwendung von Polyetherpolyolen ist ihre Hydrolysestabilität. Vorteilhaft an der Verwendung von
Polyesterpolyolen ist, dass sie unempfindlich gegen
Photooxidation sind und die Festigkeit in fertigem
Polyurethan erhöhen. Ganz besonders bevorzugt enthält die Komponente b) ein
Gemisch aus Polyether- und Polyester-Polyolen wie vorangehend beschrieben .
Neben den aliphatischen Polyesterpolyolen bzw.
Polyetherpolyolen kann die Polyolkomponente weitere
Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven
Wasserstoffatomen enthalten, die keine Polyesterpolyole sind, beispielsweise niedermolekulare Kettenverlängerer oder
Vernetzer. Diese Zusätze können eine Verbesserung der
Fließfähigkeit des Reaktionsgemisches und der
Emulgierfähigkeit der treibmittelhaltigen Formulierung auf kontinuierlich produzierenden Anlagen bewirken. Bevorzugt werden hierbei Verbindungen eingesetzt, welche eine
Funktionalität von 1,8 bis 4,5, eine OH-Zahl von 20 bis 460 mg KOH/g und gegebenenfalls primäre OH-Gruppen aufweisen.
Besonders einfach gestaltet sich der Einsatz von PUR-Schäumen in Form von Zwei-Komponenten-Systemen. Hierin kann
beispielsweise die erste Komponente Polyisocyanat enthalten und die zweite Komponente die Polyolkomponente. Hervorragende Ergebnisse werden bei Verwendung des LAMOLTAN®- Polyurethan-Hartschaumsystems B2-G22-31-5, erhältlich bei der Firma Lackfa Isolierstoff GmbH & Co. KG, erzielt.
Bei der Herstellung von Polyurethanen und Polyisocyanurat können neben den Grundrohstoffen auch Hilfs- oder
Zusatzstoffe eingesetzt werden. So können Katalysatoren verwendet werden, die der Reaktionsbeschleunigung dienen. Soll eine verzögerte Bescheunigung stattfinden, so können vorteilhafter Weise Imidazolderivate als sogenannte latente Katalysatoren eingesetzt werden. Geeignet sind auch tertiäre Amine und/oder Organo-Zinn-Verbindungen .
Tenside, z.B. Emulgatoren, bewirken eine verbesserte
Mischbarkeit der eigentlich "unverträglichen"
Reaktionspartner Polyisocyanat/Polyol/Wasser und tragen somit in Kombination mit Katalysatoren zu einer gleichmäßigen
Polyurethanbildung bei. Spezielle Siliciumorganische
Verbindungen dienen als Schaumstabilisatoren und/oder
Zellregler bei der Schaumstoff-Herstellung . Sie stabilisieren den aufsteigenden Schaum bis zur Aushärtung. Darüber hinaus können sie die Offen- und Geschlossenzelligkeit sowie die Porengröße des Schaumstoffs regeln.
Treibmittel können zur Herstellung von Schaumstoffen aus der flüssigen, viskosen Reaktionsmasse dienen. Dabei wird
zwischen chemischen und physikalischen Treibverf hren
unterschieden. Das Erstere beruht auf der Isocyanat-Wasser- Reaktion; diese liefert gasförmiges Kohlendioxid (CO2) als Treibgas. Bei physikalischen Verfahren wird durch den Zusatz niedrigsiedender Flüssigkeiten das exotherm reagierende
Gemisch durch Verdampfen des Treibmittels aufgeschäumt. Dabei können vorteilhafter Weise anstelle von FCKW aus Gründen des Umweltschutzes die Ozonschicht weniger bzw. nicht schädigende HF{C)KW und/oder Kohlenwasserstoffe wie insbesondere Pentan, Cyclopentan verwendet werden.
Eingesetzt wird soviel Treibmittel und Co-Treibmittel , wie zur Erzielung einer dimensionsstabilen Schaummatrix und gewünschten Rohdichte nötig ist. In der Regel sind dies zwischen 0 und 6,0 Gew.-% an Co-Treibmittel und zwischen 1,0 und 30,0 Gew.-% an Treibmittel, jeweils bezogen auf
100 Gew.-% Polyolkomponente . Das Mengenverhältnis von Co- Treibmittel zu Treibmittel kann je nach Bedarf von 1:7 bis 1:35 betragen. Als Co-Treibmittel kann Wasser eingesetzt werden, bevorzugt in einer Menge bis 6 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5 bis 4 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an Verbindungen mit gegenüber Isocyanat reaktiven Wasserstoffatomen in der
Polyolkomponente .
Erfindungsgemäß besonders bevorzugte Treibmittel sind
Pentafluorbutan/Heptafluorpropan und/oder ein Gemisch
hiervon . Flammschutzmittel können zur Verminderung der Brennbarkeit von Polyurethan zugesetzt werden. Dafür kommen sowohl
anorganische (insbesondere Aluminiumhydroxid,
Magnesiumhydroxid, Aluminiumoxidhydrate,
Ammoniumpolyphosphate) als auch organische Chlor, Brom, Phosphor und/oder Stickstoff enthaltende Verbindungen in
Frage. Besonders geeignet sind Tetrabrombenzoesäureester und aliphatische Bromverbindungen. Das Flammschutzmittel kann vorzugsweise der Polyolkomponente zugesetzt werden, bevorzugt in einer Menge von 10-25 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge an Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven Wasserstoffatomen in der
Polyolkomponente. Derartige Flammschutzmittel sind dem
Fachmann im Prinzip bekannt und beispielsweise in
"Kunststoffhandbuch", Band 7 "Polyurethane", Kapitel 6.1. beschrieben. Diese können beispielsweise brom- und
chlorhaltige Polyole oder Phosphorverbindungen wie die Ester der Orthophosphorsäure und der Metaphosphorsäure , die ebenfalls Halogen enthalten können, sein. Bevorzugt werden bei Raumtemperatur flüssige Flammschutzmittel gewählt. Füllstoffbeigaben (insbesondere Blähglas, Kreide, Silikate, Schwerspat, Wollastonit, Glas, Hanf, Jute) können zum
Verfestigen und/oder zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist eine Beigabe von Carbon-Nanotubes .
In manchen Fällen kann es auch zweckmäßig sein, elektrisch leitfähige Füllstoffe zu verwenden oder die leitfähigen Materialien als Beschichtung auf das Leichtbauelement aufzubringen. Auch hierfür sind Carbon-Nanotubes besonders geeignet.
Wird das erfindungsgemäße Leichtbauelement mit elektrisch leitfähigen Materialien ausgestattet, so kann es zu den verschiedensten Zwecken eingesetzt werden, in denen es von Vorteil ist, beheizte bzw. geladene Verbundwerkstoffe zu erzeugen. Beispiele hierfür sind: - das Unterdrücken von Feuchtigkeit in einem Gegenstand, wie beispielsweise einer Mauer; das Verleihen einer Insektiziden Wirkung durch einen Stromdurchfluss ; das Verleihen einer antistatischen Wirkung durch ein Stromfluss; das Einstellen und/oder Halten der Temperatur einer Flüssigkeit bzw. von Lebensmitteln innerhalb eines
Behältnisses ;
- die Vermeidung von Taupunktunterschreitungen auf Innen- Außenwänden und sonstigen Gebäudeteilen, vorwiegend auf wärmegedämmten Fassaden ( -teilen) . das Abtöten von biologischem Bewuchs durch
Hitzeentwicklung; die Vermeidung von biologischem Befall in Innenräumen, vorwiegend in Feuchträumen; die abhörsichere Gestaltung eines Raums, Faradaykäfig .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Leichtbauelement verwendet als Konstruktionselement in einem Luftfahrzeug, vorzugsweise in einem Luftfahrzeug, dessen Auftrieb auf aerostatischen Kräften beruht. Ebenfalls hervorragend geeignet als Füllstoffe sind Partikel, die an der Oberfläche der Wände des Mehrwandgewebes und/oder der textilen Verbindungsfäden anhaften. Auf diese Weise können die Fasern verstärkt und der Verbund mit dem
thermoplastischen Material verbessert werden. Weiter
bevorzugt ist es wenn die Füllstoffe eine große spezifische Oberfläche (BET) , vorzugsweise mehr als 20 m2/g, noch
bevorzugter mehr als 40 m2/g, insbesondere mehr als 50 m2/g, aufweisen. Bei der Verwendung derartiger Füllstoffe kann der Verbund mit dem thermoplastischen Material weiter verbessert werden .
Weitere Hilfs- oder Zusatzstoffe sind Alterungsschutzmittel gegen die Photooxidation und Hydrolyse. Diese sind für viele Anwendungen von Vorteil. Geeignete Alterungsschutzmittel sind dem Fachmann bekannt und umfassen beispielsweise Lactone und substituierte Phenole.
Farbmittel zur Masse-Einfärbung umfassen Zubereitungen aus anorganischen oder organischen Farbstoffen oder Pigmenten im Polyolen .
Antistatika vermindern die elektrostatische Aufladung und Biozide schützen die Materialien gegen Angriffe von
Mikroorganismen (Bakterien, Pilze} .
Katalysatoren können ebenfalls vorzugsweise in der
Polyolkomponente vorhanden sein. Besonders geeignet sind insbesondere aminische Katalysatoren. Diese werden
vorzugsweise in einer solchen Menge eingesetzt, dass z.B. auf kontinuierlich produzierenden Anlagen Elemente mit Geschwindigkeiten bis zu 60m/min je nach Elementstärke produziert werden können.
Beispiele für derartige Katalysatoren sind: Triethylendiamin, N, -Dimethylcyclohexylamin, Tetramethylendiamin, l-Methyl-4- dimethylaminoethylpiperazin, Triethylamin, Tributylamin, Dimethylbenzylamin, Ν,Ν' ,N"-Tris- dimethylaminopropyl } hexahydrotriazin,
Dimethylaminopropylformamid, N, N, N ' , N ' -Tetramethyle- thylendiamin, N, N, N ' , ' -Tetramethylbutandlamin,
Tetramethylhexandiamin, Pentamethyldienthylentriamin, Te- tramethyldiaminoethylether , Dimethylpiperazin, 1,2- Dimethylimidazol, 1-Azabicyclo [ 3.3.0 ] octan, Bis- (dimethyl- aminopropyl) -harnstoff N-Methylmorpholin, N-Ethylmorpholin, N-Cyclohexylmorpholin, 2 , 3-Dimethyl-3 , 4 , 5 , 6- tetrahydropyrimidin, Triethanolamin, Diethanolamin,
Triisopropanolamin, N-Methyldiethanolamin, N- Ethyldiethanolamin, Dimethylethanolamin, Zinn- (11) -acetat , Zinn- ( 11) -octoat , Zinn- ( 11) -ethylhexoat , Zinn- ( 11) -laurat , Dibutylzinndiacetat , Dibutylzinndilaurat, Dibutylzinnmaleat , Dioctylzinndiacetat, Tris- (N, -di-methylaminopropyl) -s- hexahydrotriazin, Tetramethylammoniumhydroxid,
Natriumacetat , Natriumoctoat , Kaliumacetat , aliumoctoat, Natriumhydroxid oder Gemische dieser Katalysatoren.
Als Schaumstabilisatoren, die ebenfalls der Polyolkomponente zugesetzt werden können, kommen vor allem Polyethersiloxane in Frage. Diese Verbindungen sind im Allgemeinen so
aufgebaut, dass ein Copolymerisat aus Ethylenoxid und
Propylenoxid mit einem Polydimethylsiloxanrest verbunden ist. Zur Beeinflussung des Lambdaalterungsverhaltens können der Polyolkomponente feste Additive wie z.B. Nanoteilchen
zugesetzt werden. Weitere Beispiele von gegebenenfalls in der erfindungsgemäßen Polyolformulierung mitzuverwendenden festen Additiven sind literaturbekannt.
Erfindungsgemäß können Weichschaumstoffe und Hartschaumstoffe eingesetzt werden. Die Verwendung von Hartschaumsto fen ist erfindungsgemäß bevorzugt, da diese bei Druckbeanspruchung einen hohen Verformungswiderstand aufweisen. Darüber hinaus besitzen Hartschaumstoffe eine hervorragend niedrige
Wärmeleitung infolge der in den geschlossenen Zellen
vorhandenen Dämmgase. Bei der Herstellung von Polyurethan-Schaumstoff ist die
Kennzahl ein wichtiger Parameter. Die Kennzahl gibt das prozentuale Verhältnis der tatsächlich eingesetzten
Isocyanat-Menge zur stöchiometrisch, d.h. berechneten, NCO- Menge an. So bedeutet beispielsweise eine Kennzahl von 100, dass die eingesetzte Menge Isocyanat der berechneten
entspricht. Bei einer Kennzahl größer als 100 übersteigt die eingesetzte Menge Isocyanat die berechnete Menge. Liegt die Kennzahl unter 100 so ist die eingesetzte Menge Isocyanat niedriger als die berechnete Menge. Durch Veränderung der Kennzahl können Verarbeitbarkeit des Reaktionsgemisches bzw. die Eigenschaften des Polyurethan-Werkstoffes beeinflusst werden. Im vorliegenden Fall haben sich Kennzahlen von 90 bis 180, vorzugsweise von 105 bis 150, noch bevorzugter von 108 bis 120 und insbesondere von 110 erwiesen.
Die Rohdichte hat einen wesentlichen Einfluss auf die
Wärmeleitfähigkeit des thermoplastischen Polymers. So nimmt mit zunehmender Rohdichte die Menge an Gerüstsubstanz zu. Dadurch erhöht sich der Anteil der Wärmeleitung über die Zellwände. Vorteilhaft an einer Einstellung der Rohdichte auf niedrige Werte, vorzugsweise unterhalb von 65 kg/m3 ist, dass die gebildeten Verbundelemente ein niedriges Gewicht
aufweisen, was insbesondere für den Einsatz im Leichtbau von Vorteil ist.
Ein weiterer wesentlicher Parameter zur Charakterisierung von Polyurethan Hartschaumsystemen sind die Reaktionszeiten, die standardmäßig bei 20°C für einen 100g-Ansatz bei freier
Verschäumung gemessen werden. Charakteristische Parameter sind die Startzeit, die Abbindezeit sowie die Steigzeit.
Unter Startzeit wird die Zeit verstanden vom Beginn der
Vermischung der Reaktionspartner bis zum sichtbaren
Schäumbeginn des Gemischs. Die Abbindezeit kennzeichnet den Übergang des Reaktionsgemischs vom flüssigen in den festen Zustand. Da ab diesem Zeitpunkt mit einem Holzstab aus dem Reaktionsgemisch Fäden gezogen werden können, wird sie auch "Fadenziehzeit" genannt. Die Steigzeit gibt das Ende des optisch wahrnehmbaren Aufsteigens an.
Praktische Versuche haben ergeben, dass erfindungsgemäß besonders geeignete plastische Schaumstoffe eine Startzeit von 10 Sekunden bis 3 Minuten, vorzugsweise 20 Sekunden bis 2 Minuten und insbesondere 20 Sekunden bis 1 Minute aufweisen sowie eine Abbindezeit von 10 Sekunden bis 500 Sekunden, vorzugsweise 50 Sekunden bis 300 Sekunden, und insbesondere 100 Sekunden bis 200 Sekunden; und eine Steigzeit von 10 Sekunden bis 400 Sekunden, vorzugsweise 50 Sekunden bis 300 Sekunden und insbesondere 100 bis 200 Sekunden. Die Wärmeleitfähigkeit v ist eine spezifische
Stoffeigenschaft . Sie gibt an, welcher Wärmestrom in Watt (W) durch eine I m2 große und 1 m dicke ebene Schicht eines Stoffes hindurchgeht, wenn die Temperaturdifferenz der
Schichtoberflächen in Richtung des Wärmestroms 1 Kelvin (K} beträgt. Die Wärmeleitfähigkeit des geblähten polymeren
Materials im erfindungsgemäßen Leichtbauelement beträgt vorzugsweise 0,005 bis 1 W/ (m*k) , vorzugsweise von 0,01 bis 0,1 W/(m*k) insbesondere von 0,024 bis 0,03 W/ (m*k} . Somit weist das erfindungsgemäße Leichtbauelement ein
hervorragendes Dämmvermögen auf.
Das Festigkeitsverhalten von Polyurethan-Hartschaum wird wesentlich durch die Roh-Dichte bestimmt. Beim Verhalten unter Druckbeanspruchung unterscheidet man üblicherweise zwischen Druckspannung und Druckfestigkeit. Die Druckspannung ermittelt man i. d. R. bei einer Stauchung von 10 %. Als Druckfestigkeit bezeichnet man die maximale Spannung bis zum Erreichen der Bruchgrenze. Praktische Versuche haben gezeigt, dass das erfindungsgemäße Leichtbauelement eine hervorragende Druckfestigkeit und Druckspannung aufweist. So zeigt das geblähte polymere Material im erfindungsgemäßen
Leichbauelement eine Druckfestigkeit und/oder eine
Druckspannung bei 10 % Stauchung gemessen gemäß EN 826 von mindestens 60 kPa, vorzugsweise mindestens 80 kPa, noch bevorzugter von mindestens 100 kPa, insbesondere von
mindestens 150 kPa.
Weitere wesentliche Parameter zur Kennzeichnung der
Stabilität von Leichtbauelementen sind Zugfestigkeit
senkrecht zur Plattenebene, Scherfestigkeit und
Biegefestigkeit. So werden insbesondere Dämmstoffe häufig im Verbund mit anderen Baustoffen, z. B. im
Wärmedämmverbundsystem, im industriellen und
landwirtschaftlichen Hallenbau eingesetzt. In diesen
Anwendungen sind sie auf Zug-, Scher- und Biegefestigkeit beansprucht. Praktische Versuche haben gezeigt, dass die erfindungsgemäßen Leichtbauelemente hervorragende Ergebnisse zeigen .
So weist das geblähte polymere Material im erfindungsgemäßen Leichtbauelement eine Zugfestigkeit gemäß EN 1607 senkrecht zur Plattenebene bei einer Rohdichte von 30 bis 40 kg/m3 von 10 bis 200 kPa, vorzugweise von 20 bis 150 kPa, noch
bevorzugter von 40 bis 100 kPa, und/oder bei einer Rohdichte von 30 bis 80 kg/m3 von 10 bis 1500 kPa, vorzugweise von 20 bis 1200 kPa, noch bevorzugter von 40 bis 900 kPa auf.
Darüber hinaus zeigt das geblähte polymere Material eine Scherfestigkeit gemäß EN 12090 bei einer Rohdichte von 30 bis 40 kg/m3 von 50 bis 250 kPa, vorzugweise von 60 bis 180 kPa, noch bevorzugter von 80 bis 120 kPa, und/oder bei einer
Rohdichte von 30 bis 80 kg/m von 70 bis 600 kPa, vorzugweise von 90 bis 500 kPa, noch bevorzugter von 120 bis 450 kPa .
Ferner zeigt das geblähte polymere Material im
erfindungsgemäßen Leichtbauelement eine Biegefestigkeit gemäß EN 12089 bei einer Rohdichte von 30 bis 40 kg/m3 von 150 bis 800 kPa, vorzugweise von 200 bis 600 kPa, noch bevorzugter von 250 bis 500 kPa, und/oder bei einer Rohdichte von 30 bis 80 kg/m3 von 150 bis 1800 kPa, vorzugweise von 200 bis 1500 kPa, noch bevorzugter von 250 bis 1300 kPa . Das erfindungsgemäße Leichtbauelement weist auch
hervorragende Werte bezüglich des E-Moduls auf. So zeigt das geblähte polymere Material ein E-Modul, gemäß EN 1607 bei einer Rohdichte von 30 bis 40 kg/m3 von 2 bis 20 MPa,
vorzugweise von 4 bis 15 MPa, noch bevorzugter von 6 bis 9 MPa, und/oder bei einer Rohdichte von 30 bis 80 kg/m3 von 4 bis 50 MPa, vorzugweise von 6 bis 40 MPa, noch bevorzugter von 8 bis 32 MPa.
Ein weiterer wichtiger Parameter von Leichtbauelementen ist das thermische Ausdehnungsverhalten. Jeder Stoff dehnt sich bei Erwärmung aus. Die materialspezifische Wärmeausdehnung pro 1 Kelvin Temperaturerhöhung wird durch den
Wärmeausdehnungskoeffizienten beschrieben. Bei
geschlossenzelligen Schaumkunststoffen beeinflusst auch der Gasdruck im Zellgefüge das Ausdehnungsverhalten. Der
Wärmeausdehnungskoeffizient von Polyurethan-Hartschaum im erfindungsgemäßen Leichtbauelement hängt unter anderem ab von der Rohdichte, der Art des Mehrwandgewebes, einer eventuellen Fixierung des Leichtbauelements auf einer Bauteilschicht sowie dem gewählten Temperaturbereich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das geblähte polymere Material im erfindungsgemäßen
Leichtbauelement einen Wärmeausdehnungskoeffizienten gemäß DIN 1604 von 0, 5 · IQ"5■ K"1 bis 20·10"5·Κ-1, vorzugsweise von 1■ 10"5-K_1 bis 15·10~5·Κ_1 und insbesondere von 3■ 10"5 · K"1 bis V-IO^-K"1 auf.
Die spezifische Wärmekapazität der Bauelemente ist ebenfalls von Relevanz. So hat die spezifische Wärmekapazität der Baustoffe eine Bedeutung für das Wärmespeichervermögen der Bauelemente. Das Wärmespeichervermögen, auch
Wärmespeicherfähigkeit genannt, gibt an, wie viel Wärme ein homogener Baustoff von 1 m2 Oberfläche und der Dicke s bei einer Temperaturerhöhung um 1K speichern kann.
Das geblähte polymere Material des erfindungsgemäßen
Leichtbauelements weist vorzugsweise eine spezifische
Wärmekapazität gemäß EN 12524 von 500 bis 3000 J(kg*K), vorzugsweise von 1000 bis 2000 J(kg-K), und insbesondere von 1200 bis 1600 J(kg-K), auf.
Soll das erfindungsgemäße Leichtbauelement als Wärmedämmstoff eingesetzt werden, so ist es von Vorteil, wenn es eine hohe Geschlossenzelligkeit aufweist, die zu einer geringen
Wärmeleitung führt. So ist es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn das geblähte polymere Material eine Geschlossenzelligkeit von mehr als 60 VI. %, vorzugsweise von mehr als 70 Vi. %, noch bevorzugter von mehr als 80 VI. % und insbesondere von mehr als 90 VI. %, aufweist.
Die Härte, das Gewicht und die Materialeigenschaften des Bauelements werden stark von der eingestellten Rohdichte beeinflusst. Praktische Versuche haben gezeigt, dass es von Vorteil ist, wenn die Rohdichte des polymeren Materials auf einen Wert von mehr als 40 kg/m3, vorzugsweise von 42 bis 80 kg/m3, noch bevorzugter von 43 bis 70 kg/m3, insbesondere von 45 bis 62 kg/m3 eingestellt wird. Die Einstellung einer
Rohdichte auf Werte von mehr als 40 kg/m3 ist bei der
Herstellung der erfindungsgemäßen Leichtbauelemente von
Vorteil, da somit eine vollständige Verteilung des geblähten polymeren Materials - trotz Verbindungsfäden - erzielt werden kann . Das Aufschäumen des polymeren Materials kann über die verschiedensten gebräuchlichen Methoden bewirkt werden. So eignet sich beispielsweise das Aufschäumen mittels
physikalischem Schäumen, chemischem Schäumen und/oder mechanischem Schäumen. Erfindungsgemäß besonders geeignet ist das Aufschäumen des polymeren Materials mittels eines
Treibmittels, vorzugsweise eines physikalisch wirkenden
Treibmittels, insbesondere mittels niedrig siedender
Kohlenwasserstoffe, speziell Pentan, Kohlendioxid und/oder teilfluorierten Kohlenwasserstoffen, speziell
Pentafluorbutan, Tetrafluorethan, Pentafluorpropan und/oder Heptafluorpropan . Vorteilhafter Weise wird das thermoplastische polymere
Material bei Normaldruck oder Unterdruck zwischen die Wände des Mehrwandgewebes geschäumt.
Die Herstellung der PUR-/PIR-Schaumstoffe kann nach dem dem Fachmann bekannten Einstufenverfahren durchgeführt werden, bei dem die Reaktionskomponenten kontinuierlich oder
diskontinuierlich miteinander zur Reaktion gebracht werden. Beispiele sind in US-A 2 764 565, in G.Oertel (Hrsg.) „Kunststoff-Handbuch" , Band VII, Carl Hanser Verlag, 3.
Auflage, München 1993, S. 267 ff., sowie in K. Uhlig (Hrsg.) „Polyurethan Taschenbuch", Carl Hanser Verlag, 2. Auflage, Wien 2001, S. 83-102 beschrieben. Bei der kontinuierlichen Herstellung haben sich insbesondere Doppelband-Anlagen als zweckmäßig erwiesen.
Das Mehrwandgewebe kann ein Zweiwandgewebe, ein Gewebe aus drei Wandschichten mit jeweils einem Hohlraum zwischen zwei Schichten oder ein Mehrwandgewebe mit einer nach
Verwendungszweck zu bestimmenden Vielzahl von Wandschichten sein. Besonders bevorzugt ist jedoch ein Zweiwandgewebe. Die erfindungsgemäß einzusetzenden Mehrwandgewebe weisen im Falle der Zweiwandgewebe zwei voneinander beabstandete Gewebe auf. Die beiden voneinander beabstandeten Gewebe bilden die ggf. weiter zu behandelnden Außenflächen der Leichtbauelemente und sind durch Fäden (Verbindungsfäden) miteinander verbunden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese verbindenden Fäden mit den beiden Geweben verwoben sind. Es versteht sich, dass die Verbindungsfäden nicht nur als einzelne Fäden, sondern in beliebiger Form, beispielsweise gebündelt oder in Form von abstandshaltenden Stegen, ausgebildet sein können. Der
Abstand zwischen den beiden flächigen Geweben des
Zweiwandgewebes kann einige Millimeter bis zu einem Meter und mehr betragen.
Die Gewebe und die die flächigen Gewebe verbindenden Fäden sind aus Polymerfasern, vorzugsweise Polyesterfasern,
Aramidfasern, Polypropylenfasern, Polyamidfasern und/oder Polylactidfasern erzeugt. Die Polymerfasern können hochfest und flammwidrig ausgerüstet sein. Die flammwidrige Ausrüstung kann erfolgen durch Zusatz eines Flammschutzmittels zu der Masse, aus der die Fasern erzeugt werden.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist die Verwendung von textilen Verbindungsfäden aus aromatischen Polyamiden
{Aramid-Fasern} , insbesondere Fasern, die unter dem Namen Kevlar® erhältlich sind. Ebenfalls vorteilhaft ist die
Verwendung von texturierten Fasern. So werden durch die
Texturierung folgende Eigenschaften verbessert: die Elastizität, das Volumen, die Feuchtigkeitsaufnahme, der Feuchtigkeitstransport, der Lufteinfluss . Insbesondere wird bei Verwendung texturierter Fasern eine noch bessere
Verbundhaftung erzielt.
Die Verbindungsfäden können unbehandelt oder mit
gebräuchlichen Methoden vorbehandelt werden. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt das Mehrwandgewebe und/oder die
Verbindungsfäden mit einer füllstoffkompatiblen
Imprägnierung, vorzugsweise mit einer PUR-Benetzung,
vorzubehandeln .
Vorteilhaft ist ferner, die erfindungsgemäßen
Leichtbauelemente an den außenliegenden Gewebeflächen direkt zu vernähen, zu verkleben oder zu verschweißen.
Zweiwandgewebe sind im Handel erhältlich und werden
beispielsweise durch die pile fabrics Viersen GmbH angeboten. Derartige Zweiwandgewebe werden üblicherweise auf Velour- und Teppichwebstühlen gewoben.
Die erfindungsgemäßen Leichtbauelemente erhalten ihre hohe Festigkeit durch das Zusammenwirken der vorgespannten
Gewebeflächen mit den Verbindungsfäden und dem einen
kompakten Körper bildenden geblähten polymeren Material im Innenraum zwischen den Gewebeaußenflächen. Das polymere
Material ist dazu geeignet, die Verbindungsf den
kraftschlüssig zu umschließen, wobei die Kräfte jeweils abgeleitet und auf die andere Gewebeseite sowie die weiteren Verbindungsfäden übertragen werden können. Es kann vorteilhaft sein, die Gewebeaußenflächen mit {ggf. vorgespannten) Kohlenstoffasern auszurüsten, vorzugsweise diese einzuweben. Hierdurch kann zur Verwendung der
Leichtbauelemente beispielsweise als Decken, Brückenelemente etc. eine höhere Druck-, Bruch- und Reißfestigkeit erreicht werden. Hier können Hybridfäden aus unterschiedlichen
Filamenten besondere Eigenschaften und Festigkeiten erzielen. Ebenfalls gibt es die Möglichkeit der Spezifizierung beim Spinnvorgang, Beispiel: Seele und Mantel eines Fadens aus unterschiedlichen Materialien. Ferner können die
Gewebeflächen aus verschiedenen Materialien gewoben werden, so dass es eine Vorder- und Rückseite ergibt.
Es kann ferner vorteilhaft sein, das Element ein- oder beidseitig zu beschichten. So kann es für manche Anwendungen sinnvoll sein, das Element mit einem Harz, vorzugsweise mit einem PVC- und/oder Epoxidharz zu versiegeln. Ein besonders geeignetes Verfahren zum Versiegeln eines erfindungsgemäßen Leichtbauelements mit einem Harz ist beschrieben in der
DE 10237634 AI, dessen Offenbarung hiermit in Bezug genommen wird .
Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, die
Leichtbauelemente und/oder die nach Vernähen erhaltenen
Bauteile mit keramischen Materialien, metallischen
Materialien, hölzernen Materialien, mineralischen
Materialien, Kunststoffen oder sonstigen Materialien zu beschichten oder zu laminieren. Die Beschichtung kann
beispielsweise durch PVC (Polyvinylchlorid) , Aluminium- oder Stahlblech erfolgen. Das erfindungsgemäße Leichtbauelement kann auch im Verbund mit starren Deckschichten, beispielsweise
Holzwerkstoffplatten oder mineralischen Bandbaustoffen, wie z.B. Gipskartonplatten eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, in das Mehrwandgewebe einseitig oder beidseitig für den Lichttransport geeignete Glas- oder Licht leitende Synthetikfasern einzubringen. Hierdurch kann ein Lichttransport von der einen Seite zur anderen Seite des Leichtbauelements erreicht werden.
Um das auf der oberen Seite auffallende Licht optimal zu nutzen, kann es vorteilhaft sein, die Außenseite der oberen Gewebefläche mit einer Folie aus Acryl- oder Plexiglas zu beschichten. Hierdurch werden sowohl vertikale als auch horizontale Lichtwellen verteilt und können durch die
lichtleitenden Glasfasern aufgenommen werden. Eine Bündelung der Lichtwellen kann darüber hinaus etwa dadurch erzielt werden, dass die auf die Außenseite aufgetragene Folie aus einer Vielzahl kleiner linsenartiger Felder besteht. Diese Felder bündeln durch ihre Krümmung das Licht und übertragen es punktgenau an die lichtleitenden Glasfasern, die
beispielsweise mit der Folie verschweißt sein können. Um auf der Unterseite das Licht wiederum abzustrahlen, werden die lichttransportierenden Glasfaser-Verbindungsfäden bzw.
Glas/Synthetik-Verbindungsfäden auf der' Unterseite
angeschliffen bzw durch einen Laser "aufgeschmolzen". Bei einer Verwendung derartiger Leichtbauelemente als Decken- und Wandelemente können diese nicht nur die tragende Struktur darstellen und isolierend wirken, sondern auch der
Raumbeleuchtung dienen. Die erfindungsgemäßen Leichtbauelemente können als Träger für alle möglichen Materialien dienen. Sie können beispielsweise mit CIS-Solarzellen beschichtet sein. Durch diese aus einer Kupfer-Indium-Diselenid-Verbindung (CuInSe2} entstandene Technologie, kann Licht in Strom umgewandelt werden. Auf diese Weise wird durch Verwendung der CIS-Technologie auf der Leichtbauelementoberfläche Strom aus Solarzellenfolien erzeugt .
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung kann auch darin liegen, in Ergänzung zu der vorstehend beschriebenen
Beschichtung einer Seite des Leichtbauelements mit CIS- Solarzellen auf der gegenüber liegenden Seite des
Leichtbauelements Akkuflächen, beispielsweise Silicium-
Polymer-Akkus in einem Gitter aufzudampfen, einzuweben oder sonstwie aufzubringen und durch ein elektrisch leitfähiges Material mit den CIS-Solarzellen auf der gegenüber liegenden Plattenseite zu verbinden. Auf diese Weise kann der durch Lichteinfall in den CIS-Solarzellen produzierte Strom auf der gegenüber liegenden Plattenseite im Akkumulator oder
Akkumulatorgitter gespeichert werden.
Eine ebenfalls zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, die beschriebenen Ausgestaltungsformen des Lichttransports und der Solarstromerzeugung zu kombinieren. Hierzu kann beispielsweise auf der Außenfläche einer
Gewebeseite eine Folie aufgetragen werden {ggf. eine Folie aus Acryl- oder Plexiglas) , die wie oben beschrieben
vorzugsweise aus einer Vielzahl kleiner linsenartiger Felder besteht. Auf der zu dem Leichtbauelement gerichteten Seite der Folie wird eine Art Sieb bzw. Zwickel-Gitter der CIS- Solarzellen derart aufgetragen, dass das einfallende Licht an einigen Stellen auf die CIS-Solarzellen und an den Linsen direkt auf das Bauelement trifft. An den Stellen, an denen zwischen Folie und Bauelement keine CIS-Solarzellen
aufgetragen wurden, wird die Folie direkt mit den in dem Bauelement enthaltenen Glas/Synthetik-Verbindungsfäden verschweißt. Hierdurch wird ein Lichttransport von der Oberauf die Unterseite des Bauelements erreicht. An den Stellen zwischen Folie und Bauelement, an denen die CIS-Solarzellen aufgetragen wurden, kann parallel Strom erzeugt werden.
Besonders zweckmäßig ist auch die Beschichtung mit
organischen Solarzellen. Die Verwendung organischer
Solarzellen hat den Vorteil, dass diese einfach und
kostengünstig herstellbar sind .
Schließlich können die erfindungsgemäßen Leichtbauelemente zu Bauteilen oder Bauelementen, auch dreidimensionaler Natur, weiterverarbeitet werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Leichtbauelemente, welches mindestens folgende Schritte aufweist:
- zumindest teilweises Ausschäumen des Raumes zwischen den Wänden eines Mehrwandgewebes mit einem
thermoplastischen Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyurethan (PUR) und Polyisocyanurat (PIR) unter
- Straffung der textilen Verbindungsf den des
Mehrwandgewebes und - Ausbildung einer Verbindung zwischen dem
thermoplastischen Material und den textilen
Verbindungsfäden und/oder den Wänden des
Mehrwandgewebes .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens werden die Gewebeflächen des
Mehrwandgewebes vor dem Einbringen des Polymers gespannt. Das Spannen kann beispielsweise durch mechanisches Greifen und Auseinanderziehen der beiden Gewebeflächen eines
Mehrwandgewebes erfolgen. Für die diskontinuierliche
Herstellung kann das textile Mehrwandgewebe beispielsweise in einer Vertikal- oder Horizontalpresse als Formträger
eingespannt werden. Die Temperatur des Formträgers liegt vorteilhafter Weise im Bereich von 20 bis 60°C, insbesondere 30 bis 50°C.
Vorteilhaft bei der Verwendung einer vertikal angeordneten Presse ist die einfachere Entlüftung. Praktische Versuche haben jedoch ergeben, dass auch bei Verwendung einer
horizontalen Presse sehr gute Oberflächenqualitäten bei niedrigeren Kosten erreicht werden können.
Die Beheizung der Presse kann elektrisch oder mit einem
Wärmeträger (z.B. Wasser) erfolgen. Wasser hat den Vorteil, dass mit ihm auch Reaktionswärme abgeführt werden kann und sich die Presse nicht zunehmend erwärmt. Auf diese Weise kann die Verweilzeit in der Presse reduziert werden.
In einem weiteren Schritt wird der Raum zwischen den Wänden des Mehrwandgewebes zumindest teilweise mit dem
thermoplastischen Material ausgeschäumt. Vorzugsweise wird das thermoplastische Material über die "One-shot"-Technik durch ein oder mehrere Einfülllöcher in den Raum zwischen den Wänden des Mehrwandgewebes eingefüllt. Als besonders
zweckmäßig hat sich das Einfüllen über die Längsseite
erwiesen. Die Anzahl der Einfülllöcher wird zweckmäßiger
Weise an die Länge der Bauelemente, die Austragsleistung der Maschine sowie die Anzahl und Dichte der Verbindungsfäden angepasst . Besonders zweckmäßig ist es, wenn Entlüftungsöffnungen in dem Leichtbauelement vorgesehen sind. Gute Ergebnisse werden mit Entlüftungsöffnungen mit einem Durchmesser von 1 bis 10 mm, vorzugsweise 2 bis 5 mm, erzielt. Diese können beispielsweise an den Ecken, unterhalb der oberen Deckschicht vorgesehen sein.
Die "Ein-Schuss"-Technik ist ein gebräuchliches Verfahren zum Einbringen schäumbarer thermoplastischer Materialien. Bei dem "Ein-Schuss"-Verfahren wird die Gesamtmenge an umzusetzenden Polyisocyanat mit der Gesamtmenge Polyol und ggf.
Hilfsstoffen in "einem Schuss" vermischt und durch ein
Einfüllloch eingefüllt. Vorteilhaft an der "Ein-Schuss"- Technik ist, dass eine besonders gleichmäßige Schaumstruktur erhalten werden kann. So können Schaumstörungen durch
Überwälzungen, Blasenbildung unter den Deckschichten, mangelnde Dimensionsstabilität des Schaumstoffes, die bei der Verwendung mehrerer Einfülllöcher auftreten können, vermieden werden . Erfindungsgemäß ebenfalls geeignet ist die
"Mehr-Schuss"-Technik. Bei dieser Technik wird das
Reaktionsgemisch in mehreren Schüssen über Einfülllöcher, die vorzugsweise an der Längsseite des Bauelements angeordnet sind, eingetragen. Vorteilhaft an der "Mehr-Schuss"-Technik ist die, mit der "Ein-Schuss"-Technik verglichen, verringerte Einfüllzeit .
Eine weitere Möglichkeit zum Herstellen des
Polyurethanschaums besteht darin, die Gesamtmenge
Polyisocyanat in einem ersten Schritt mit einer Teilmenge Polyol umzusetzen und in einem zweiten Schritt dieses noch reaktive NCO-Gruppen enthaltende Produkt mit der Restmenge Polyol und den erforderlichen Hilfsstoffen zum fertigen
Polyurethan umzusetzen ( "Prepolymer-Verfahren" ) .
Gegenüber dem Vorteil des schnelleren „Ein-Schuss"-Verfahrens hat der langsamere Zweistufenweg über das Prepolymer den
Vorteil, dass die Polyurethan-Polymere geordneter aufgebaut sind.
Bei Einsatz der "Mehr-Schuss"-Technik kann es vorteilhaft sein, wenn der zu füllende Hohlraum durch Shots in mehrere Bereiche eingeteilt wird und diese einzeln ausgeschäumt werden. Die Shots können beispielsweise aus
Hartschaumstreifen bestehen. Das Einfüllen des
thermoplastischen Materials kann mit üblichen
Einfülltechniken, beispielsweise der Lanzen-, Zieh- und
Gießharkentechnik erfolgen.
Bei der Lanzentechnik wird üblicherweise am Mischkopf ein Auslaufrohr angebracht, dessen Länge etwa 2/3 der
Formteillänge entspricht. Das Einfüllloch befindet sich auf der Stirnseite. Während des Einfüllens wird die Lanze langsam aus der Form gezogen. Bei der Ziehtechnik entspricht der Füllvorgang grundsätzlich dem der Lanzentechnik. Hier befindet sich jedoch zu Beginn der gesamte Mischkopf in der Form und wird während des
Füllens allmählich heraus gezogen. Hierzu ist es von Vorteil, einen entsprechend kleinen Mischkopf zur Verfügung zu
stellen .
Bei der Gießharkentechnik wird das Reaktionsgemisch mit einer sich über die offene Form bewegenden Gießharke eingefüllt.
Für diese Technik ist z. B. eine Klappdeckelpresse notwendig, die sofort nach dem Einfüllen geschlossen wird.
Die Herstellung der Bauelemente kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen.
So kann die Herstellung des Leichtbauelements kontinuierlich derart erfolgt, dass Lanzetten seitlich in den Raum zwischen den Wänden eines Mehrwandgewebes einfahren und während der Vorwärtsbewegung den Schaum von der Mitte des Mehrwandgewebes zu den Seiten ablegen, und sich der Prozess laufend
wiederholt, um eine Endlosplatte herzustellen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einiger Beispiele und Figuren näher erläutert.
Beispiel 1: Herstellung eines Leichtbauelements im
Modellversuch a) Ein textiles Mehrwandgewebe aus hochfestem Polyester wird auf einen Holzrahmen in der Abmessung 720 mm x 400 mm x 67 mm gespannt. Das Element wird in einer Horizontalpresse als Formenträger eingespannt. Die Presse ist auf ca. 45°C
temperiert. Es wird ein Polyurethan Reaktionsgemisch
LAMOLTAN®-Hartschaum-System B2-G22-31-5 an der Längsseite des Mehrwandgewebes über ein Einfüllloch eingebracht. Die
Einfüllung des Polymerschaums wird mit einer Einfüllmaschine der Marka LACKFA HD-2® ausgerüstet mit 10cm3 - Pumpen und einer Austragsleistung von 6,96 kg/min durchgeführt. Das eingetragene Volumen beträgt 19,3 Liter, die Schusszeit 8,32 Sekunden. Es wird eine Schaummenge von 965 Gramm eingebracht. Die theoretische Rohdichte beträgt 50 kg/m3. b) Zum Vergleich wird ein Leichtbauelement ohne textiles Mehrwandgewebe hergestellt. Hierzu wird ein Metallrahmen in der Abmessung: 490 mm x 940 mm x 65 mm mit Polyurethan der Marke LAMOLTAN®-Hartschaum-System B2-G22-31-5 befüllt. Das Einfüllvolumen beträgt 15,6 Liter, die Schusszeit 6,72
Sekunden, die eingetragene Schaummenge 780 g. Die
theoretische Rohdichte beträgt 50 kg/m3.
Schaumprüfung
Die in den Versuchen la und lb hergestellten
Leichtbauelemente werden auf Rohdichte, Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit überprüft. a) Es zeigt sich, dass das in Versuch la erfindungsgemäß hergestellte Leichtbauelement eine gemessene Rohdichte von 48 kg/m3 (gemessen ohne Deckschicht) aufweist. Die
Druckfestigkeit beträgt 0,35 - 0,39 MPa und ist in Figur 1 dargestellt . Wird die Druckfestigkeit mit Deckschicht gemessen, so erhält man Werte von 0,34 bis 0,36 MPa (vgl. Figur 2) .
Die Wärmeleitf higkeit des erfindungsgemäßen Bauelements wurde wie folgt bestimmt:
0,0212 W/mK (Tm = 23°C, Anfangswert)
0,0236 W/mK (Tm = 23°C, nach 6 Wochen)
0, 0249 W/mk ( Tm = 23°C, nach 12 Wochen) b) Die Rohdichte des in Beispiel lb hergestellten
Vergleichselements beträgt etwa 47 kg/m3. Die Druckfestigkeit des Vergleichselements ist in Figur 3 dargestellt und beträgt von 0,25 - 0,26 MPa .
Die Wärmeleitfähigkeit des Vergleichselements wurde wie folgt bestimmt :
0,0193 W/mK (Tm = 23°C, Anfangswert)
0,0208 W/mK ( Tm = 23°C, nach 6 Wochen)
0,0222 W/mk (Tm = 23°C, nach 12 Wochen)
Ergebnis Es zeigt sich, dass das erfindungsgemäße Leichtbauelement verglichen mit Polyurethanschaum ohne Mehrwandgewebe eine deutlich erhöhte Druckfestigkeit aufweist. Gleichzeitig zeigt das erfindungsgemäße Leichtbauelement eine niedrige
Wärmeleitfähigkeit . Beispiel 2: Herstellung eines Leichbauelements im Modellversuch
Es wird ein erfindungsgemäßes Leichbauelement entsprechend der Vorgehensweise von Beispiel la hergestellt. Die
Eintragung des Polyurethanschaums erfolgt mit einer
Einfüllmaschine der Marke LACKFA HD-2 mit 20 cm3 - Pumpen und einer Austragsleistung von 18,71 kg/min. Das Mehrwandgewebe wird auf einen Holzrahmen in der
Abmessung: 895 mm x 490 mm x 55 mm gespannt. Das
Einfüllvolumen beträgt 24,1 Liter. Die Schusszeit beträgt 3,9 Sekunden (handgestoppt) . Die eingefüllte Schaummenge beträgt 1220 g. Die theoretische Rohdichte beträgt 50 kg/m3.
Schaumprüfung
Die Untersuchung des Bauelements ergibt, dass es eine
Rohdichte von etwa 53 kg/m3 aufweist. Die Druckfestigkeit verschiedener Prüfkörper ist in den Figuren 4-7 dargestellt. Figur 4 zeigt die Druckfestigkeit von Prüfkörpern in
Abmessungen von 50 x 50 mm. Die Prüfkörper weisen eine
Druckfestigkeit von 0,43 - 0,46 MPa auf. Figur 5 zeigt die Druckfestigkeit von Prüfkörpern in
Abmessungen von 90 x 90 mm. Die Prüfkörper weisen eine
Druckfestigkeit von 0,45 - 0,49 MPa auf. Die Proben 4 und 5 werden ohne Deckschicht geprüft. Figur 6 zeigt die Druckfestigkeit eines Prüfkörpers mit
Abmessungen von 60 x 50 mm. Der Prüfkörper weist eine Druckfestigkeit senkrecht zu den Polfäden, gemessen mit Deckschicht, von 0,40 - 0,50 MPa auf.
Figur 7 zeigt die Druckfestigkeit eines Prüfkörpers in den Abmessungen 50 x 50 mm. Der Prüfkörper weist eine
Druckfestigkeit senkrecht zu den Polfäden, gemessen ohne Deckschicht, von 0,29 - 0,32 MPa auf.

Claims

Geänder e en a s rüche
1. Leichtbauelement, umfassend ein textiles Mehrwandgewebe und mindestens ein geblähtes, thermoplastisches polymeres Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
Polyurethan (PUR) und Polyisocyanurat (PIR) , wobei das geblähte Material zwischen den Wänden des Mehrwandgewebes die textilen Verbindungsfäden desselben straffend
angeordnet ist, das geblähte Material zumindest teilweise mit den Wänden des Mehrwandgewebes und/oder mit den textilen Verbindungsfäden verbunden ist und die Wände des Mehrwandgewebes und/oder die textilen Verbindungsfäden aus Polymerfasern, vorzugsweise Polyesterfasern, Aramidfasern, Polypropylenfasern, Polyamidfasern und/oder
Polylactidfasern erzeugt sind.
2. Leichtbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geblähte Material durch Verkleben, Polymerisieren, und/oder thermisches Verschmelzen mit den Wänden des
Mehrwandgewebes und/oder mit den textilen Verbindungsfäden verbunden ist.
3. Leichtbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass das geblähte, thermoplastische
polymere Material flammwidrig ausgerüstet ist.
4. Leichtbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das geblähte, thermoplastische polymere Material ein Polyurethan-Hartschaum oder ein Polyurethan-Hartschaum mit Beimischung von Feststoffen, insbesondere Blähglas und/oder Carbon-Nanotubes , ist.
Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyurethan durch Umsetzen von a) Polyisocyanaten mit
b) einer Polyolkomponente enthaltend
bl) Verbindungen mit mindestens zwei gegenüber
Isocyanatgruppan reaktiven Wasserstoffatomen, b2) Treibmitteln und gegebenenfalls
b3) Flammschutzmitteln,
b4) Katalysatoren und/oder weiteren Hilfs- und
Zusatzstoffen, hergestellt wird.
Leichtbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente b) eines oder mehrere durch Umsetzen von niedermolekularen mehrfunktionellen Alkoholen,
vorzugsweise Ethylenglykol, Propylenglykol ,
Trimethanolpropan, Glycerin, Zucker, insbesondere
Saccharose und/oder Zuckeralkohole, insbesondere Sorbit, oder Aminen, vorzugsweise Toluoldiamin, Ethylendiamin, mit Alkylenoxid, vorzugsweise Ethylenoxid oder Propylenoxid hergestellte Polyetheralkohole bl.l) enthält.
Leichtbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet:, dass die Polyetheralkohole bl.l) Umsetzungsprodukte von Alkandiolen und/oder Alkantriolen mit Propylenoxid sind.
8. Leichtbauelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyetheralkohole bl.l) Molmassen im Bereich von 100 bis 1000, vorzugsweise im Bereich von 200 bis 700, aufweisen.
9. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente b) eines oder mehrere durch Kondensation von mehrfunktionellen Alkoholen, vorzugsweise Diolen, mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 2 bis 6 Kohlenstoff tomen, insbesondere
Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, 1,2- Propylenglykol, Dipropylenglykol, 1, 4-Butandiol, 1,4- Hexandiol mit mehrfunktionellen Carbonsäuren mit 2 bis 12 Kohlenstof atomen, vorzugsweise aromatische bifunktionelle Säuren, insbesondere Phtalsäure, Isophthalsäure,
TerephtalsMure, Adipinsäure und/oder isomeren
Naphthalindicarbonsäuren, hergestellten Polyesterpolyolen enthäl .
10. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als organisches Polyisocyanat a) ein aromatisches mehrwertiges Isocyanat, vorzugsweise 2,2'- Diphenylmethan-di.isocyanat , eingesetzt wird.
11. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyurethan eine Kennzahl von 90 bis 160, vorzugsweise von 105 bis 130, insbesondere von 108 bis 120, aufweist.
12. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das geblähte polymere Material mittels eines Treibmittels, vorzugsweise eines physikalisch wirkenden Treibmittels, insbesondere mittels niedrigsiedender Kohlenwasserstoffe, speziell Pentan,
Kohlendioxid und/oder teilfluorierten Kohlenwasserstoffen, speziall Pentafiuorbutan, Tetrafluorethan,
Pentafluorpropan, und/oder Heptafluorpropan, a fgeschäumt wurde.
Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das geblähte 'polymere Material eina Geschlossenzeiligkeit von mehr als 60 Vol.%, vorzugsweise von mehr als 70 Vol.%, noch bevorzugter von mehr als 80 Vol.%, und insbesondere von mehr als 9G Vol.%, aufweist.
14. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet:, dass das geblähte polymere Material eine Wärmeleitfähigkeit von 0,005 bis 1 W/(m*K), vorzugweise von 0,01 bis 0,1 W/(m-K), insbesondere von 0,024 bis 0,03 W/(m-K), aufweist.
15. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das geblähte polymere Material eine Druckfestigkeit und/oder eine Druckspannung bei 10%
Stauchung gemäß EN 826 von mindestens 60 kPa, vorzugweise mindestens 80 kPa, noch bevorzugte . mindestens 100 kPa, und insbesondere mindestens 150 kPa aufweist.
16- Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das geblähte polymere Material eine Zugfestigkeit gemäß EN 1607 senkrecht zur Plattenebene bei einer Rohdichte von 30 bis 40 kg/m3 von 10 bis 200 kPa, vorzugweise von 20 bis 150 kPa, noch bevorzugter von 40 bis 100 kPa, und/oder bei einer Rohdichte von 30 bis 80 kg/ 3 von 10 bis 1500 kPa, vorzugweise von 20 bis 1200 kPa, noch bevorzugter von 40 bis 900 kPa aufweist.
17. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass da3 geblähte, polymere Material eine Scherfestigkeit gemäß EN 12090 bei einer Rohdichte von 30 bis 40 kg/m3 von 50 bis 250 kPa, vorzugweise von 60 bis 180 kPa, noch bevorzugter von 80 bis 120 kPa, und/oder bei einer Rohdichte von 30 bis 80 kg/m3 von 70 bis 600 kPa, vorzugweise von 90 bis 500 kPa, noch bevorzugter von 120 bis 450 kPa aufweist.
18. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das geblähte, thermoplastische
polymere Material eine Biegefestigkeit gemäß EN 12089 bei einer Rohdichte von 30 bis 40 kg/m3 von 150 bis 800 kPa, vorzugweise von 200 bis 600 kPa, noch bevorzugter von 250 bis 500 kPa, und/oder bei einer Rohdichte von 30 bis 80 kg/m3 von 150 bis 1800 kPa, vorzugweise von 200 bis 1500 kPa, noch bevorzugter von 250 bis 1300 kPa aufweist.
19. Leichtbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass das geblähte polymere Material ein E- Modul, gemäß EN 1607 bei einer Rohdichte von 30 bis 40 kg/m3 von 2 bis 20 MPa, vorzugweise von 4 bis 15 MPa, noch bevorzugter von 6 bis 9 MPa , und/oder bei einer Rohdichte von 30 bis 80 kg/m3 von 4 bis 50 MPa, vorzugweise von 6 bis 40 MPa, noch bevorzugter von 8 bis 32 MPa aufweist,
20. Leichtbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurc
gekennzeichnet, dass das geblähte polymere Material einen Wärmeausdehnungskoeffizienten gemäß DIN 1604 von 0,5-lO"5* " 1 bis 20·10"5·Κ_1, vorzugsweise von l'105'K_1bis 15■ IQ"5- K"1 und insbesondere von 3 · 10"5· K"1 bis 7·10"5·Κ-1 aufweist.
21. Leichtbauelement nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch
gekennzeichnet, dass das geblähte, polymere Material eine spezifische Wärmekapazität gemäß EN 12524 von 500 bis 3000 J(kg-K), vorzugsweise von 1000 bis 2000 J(kg-K), und insbesondere von 1200 bis 1600 J(kg-K), aufweist.
22. Leichtbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass das geblähte, thermoplastische polymere Material eine Rohdichte von mehr als 40 kg/m3, vorzugsweise von 42 bis 80 kg/m3, noch bevorzugter von 43 bis 70 kg/m3, insbesondere von 45 bis 62 kg/m3 aufweist .
23. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet:, dass das Mehrwandgewebe ein Zweiwandgewebe is .
24. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Mehrwandgewebe ein Gewebe ist, das aus Polyesterfaser und/oder Aramidfaser erzeugt ist, und in das Kohlenstofffasern eingewoben sein können.
25. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Element ein- oder beidseitig beschichtet ist.
26. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Element mit einem Harz,
vorzugsweise einem PVC und/oder Epoxidharz versiegelt ist. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass es für den Lichttransport geeignete Glas/Synthetikfasern enthält.
Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einseitig mit
Solarzellen, vorzugsweise organischen Solarzellen,
beschichtet ist.
Lej.chtbauelernent nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Seite des
Elements oder vorzugsweise innert ein Akkumulator,
insbesondere ein Silicium-Polymer-Akkumulator,
auf/eingebracht und/oder eingewebt ist.
Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Element mit einem leitfähigen Material befüllt oder beschichtet ist.
Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einer Seite Solarzellen, vorzugsweise auf organischer Basis, und auf der
gegenüberliegenden Seite einen Akkumulator aufweist und beide Seiten miteinander durch ein den elektrischen Strom leitendes Material miteinander verbunden sind.
32. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 31 dadurch gekennzeichnet, dass das Element ein- oder beidseitig mit keramischen, metallischen, polymeren, hölzernen oder mineralischen Materialien beschichtet und/oder laminiert is .
33. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Element die Form einer Platte aufweist.
34. Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauelements nach
einem der Ansprüche 1 bis 33, gekennzeichnet durch
- zumindest teilweises Ausschäumen des Raumes zwischen den Wänden eines Mehrwandgewebes mit einem thermoplastischen Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
Polyurethan (PUR) und Polyisocyanurat (PIR) unter
- Straffung der textilen Verbindungsfäden des
Mehrwandgewebes und
- Ausbildung einer Verbindung zwischen dem
thermoplastischen Material und den textilen
Verbindungsfäden und/oder den Wänden des
Mehrwandgewebes, wobei die Oberfläche des
Mehrwandgewebes und/oder der textilen Verbindungsfäden vorzugsweise verändert wird.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen den Wänden eines Mehrwandgewebes mit einem Polyurethan Hartschaum ausgeschäumt wird.
36. Verfahren nach Anspruch 34 oder 35, gekennzeichnet durch
Verharzen des Mehrwandgewebes und/oder der
Verbindungsfäden zwischen den Gewebeaußenflächen,
vorzugsweise durch Anlegen eines Vakuums auf einer Seite des Gewebes und Aufbringen flüssigen Harzes auf der
gegenüberliegenden Gewebeaußenfläche.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material über die „one-shot" Technik durch ein Einfüllloch in den Raum zwischen den Wänden des Mehrwandgewebes eingefüllt wird.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 37, dadurch
gekennzeichnet dass das thermoplastische Material mit einer Eintragsleistung von 1 bis 100 kg/min, vorzugsweise 2 bis 50 kg/min, noch bevorzugter 5 bis 30 kg/min, und
insbesondere etwa 7 kg/min in den Raum zwischen den Wänden des Mehrwandgewebes eingefüllt wird.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 38, dadurch
gekennzeichnet dass das thermoplastische Material mit einer Schusszeit von 1 bis 20 s, vorzugsweise von 2 bis 15 s, noch bevorzugter von 3 bis 10 s, und insbesondere von 3,9 bis 8,3 s in den Raum zwischen den Wänden des
Mehrwandgewebes eingefüllt wird.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 39, dadurch
gekennzeichnet dass die Gewebeflächen des Mehrwandgewebes vor dem Einbringen des thermoplastischen Materials gespannt werden .
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 40, dadurch
gekennzeichnet dass das Leichtbauelement nach der
Herstellung durch Zerschneiden, Zersägen und/oder Vernähen der Schnittkanten kon ektioniert wird.
42. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 41, dadurch
gekennzeichnet, dass die Herstellung des Leichtbauelements kontinuierlich derart erfolgt, dass Lanzetten seitlich in den Raum zwischen den Wänden des Mehrwandgewebes einfahren und während der Vorwärtsbewegung den Schaum von der Mitte des Mehrwandgewebes zu den Seiten ablegen, und sich der Prozess laufend wiederholt, um eine Endlosplatte
herzustellen .
43. Verwendung eines Leichtbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 33 als Konstruktionselement in einem Luf fahrzeug, vorzugsweise in einem Luftfahrzeug, dessen Auftrieb auf aerostatischen Kräften beruht
44. Verwendung eines Leichtbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 33 zum Personen- und/oder Sachschutz.
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