DE1635561A1 - Waermeisolierendes Material - Google Patents

Description

München, den

5496 - 66/Dr. ν.Β .-Re
F - 642 ' '
Ü.S. Serial No. 482,473
Filed August 25, 1965

National Research Corporation Newton, Mass., USA

Wärmeisolierendes Material

Die Erfindung betrifft wärmeisolierende Materialien mit mindestens zwei Kunststoff-Folien, die auf den einander zugewandten Seiten jeweils eine dünne, im Vakuum aufgedampfte Metallschicht tragen .

Es ist schon vor Jahren angeregt worden, wärmeisolierende Materialien der oben angegebenen Art für leichte Bekleidungsstücke, Schutzbekleidungen für Sportleute und dergleichen zu verwenden. Der Personenkreis, der solche Produkte benötigt, war und ist noch immer sehr gross, die erforderlichen Rohprodukte sind ebenfalls seit längerem verfügbar, und es hat auch nicht an Bemühungen gefehlt, brauchbare Materialien dieser Art zu schaffen. Bisher waren diese Bemühungen jedoch ergebnislos . Es gibt zwar wärmeisolierende Folienmaterialien, die sich für bestimmte, eng begrenzte Zwecke eignen, es fehlt jedoch ein all-

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gemein brauchbares Produkt. Ein Grund hierfür dürfte darin liegen, dass an Materialien dieser Art eine grosse .Anzahl von Bedingungen gestellt werden, die sich häufig widersprechen, nämlich geringes Gewicht, kleine Dicke und niedrige Kosten einerseits und Dauerhaftigkeit, Festigkeit und geeignete Textur andererseits.

Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein wärmeisolierendes Material zu schaffen, das allen oben erwähnten Bedingungen genügt.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich die obige Aufgabe lösen lässt, wenn man gewisse, bereits verfügbare Materialien in spezieller Weise kombiniert.

Die Ziele der Erfindung werden bei einem wärmeisolierenden Material mit mindestens zwei Kunststoff-Folien, die auf den einander zugewandten Seiten jeweils eine dünne, im Vakuum aufgedampfte Metallschicht tragen, gemäss der Erfindung dadurch

erreicht

g, dass zwischen die Metallschichten eine Lage aus Verstärkungsfasern geklebt ist, die sich über die wirksame Fläche der Schichten erstreckt, und dass mindestens eine der metallisierten Kunststoff-Folien eine 80 % übersteigende Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung im Bereich zwischen 80 000 und 9o Sngström hat.

Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung enthält ein solches

selbst Material zwei dünne Kunststoff-Folien, die zwar -#ee%tragend sind,

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sich jedoch bei massiger Zugbeanspruchung dehnen, und die mit ira Vakuum aufgedampften, reflektierenden Metallschichten versehen sind. Mit den einander zugewandten Metallschichten ist eine Faserlage oder -matte verklebt. Mindestens eine, vorzugsweise jedoch beide Kunststoff-Folien sollen eine 80 % übersteigende Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 3o 000 bis 9o 000 Ängström haben.

Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Fasern praktisch nicht dehnbar, im wesentlichen gerade und in verschiedenen Richtungen verlaufend so angeordnet, dass sie auf das Material ausgeübte Zugkräfte sofort aufnehmen und dadurch eine Dehnung des Materials sowie eine dadurch verursachte Beschädigung der Metallisierung der Kunststoff-Folien verhindern. Das Fasermaterial hat dann vorzugsweise eine hohe Dichte, damit die nötige mechanische Festigkeit gewährleistet ist, die Wärmeleitfähigkeit soll jedoch gering sein. Ein für diesen Zweck geeignetes Material sind Glasfasern.

Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht jede Faser aus einem Bündel aus raonolUilen Elementarfäden und dient dazu, erstens die Kunststoff-Folien im Abstand voneinander zu halten und einen isolierenden Luftzwischenraum zu bilden, zweitens längere Wärmeleitungswege von der einen Kunststoff-Folie durch die Faser zu der anderen Kunststoff-Folie zu gewährleisten und drittens die verhältnismässig schlaffen Kunststoff-Folien zu versteifen. Der Aussenflache der Kunststoff-Folien kann ausserdem

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durch ein örtliches Anschmiegen der Kunststoff-Folien an den angeklebten Faserbündeln eine gewisse Textur verliehen werden, die dem Material einen angenehmeren Griff verleiht.

Die Kunststoff-Folie stellt einen abriebfesten, dauerhaften Träger und Schutz für die reflektierenden Metallschichten dar und ist gleichzeitig in der Lage, praktisch die ganze Infrarotstrahlung vom menschlichen Körper zur inneren reflektierenden Metallschicht und die reflektierte Strahlung zurück zum Körper ™ zu übertragen. Die einzelnen Kunststoff-Folien können, obwohl sie dünn und für sich allein ziemlich dehnbar sind, in den Bereichen zwischen den Fasern selbsttragend sein, so dass das ganze Produkt verstärkt wird und ein Träger für die reflektierende Metallschicht zur Verfügung steht.

Bei der Herstellung eines Materials gemäss der Erfindung kann eine dünne Fasermatte mit Klebstoff überzogen werden und die metallisierten Oberflächen der Kunststoff-Filme werden dann un- ) . ter massigem Druck, z.B. mittels Fomwalzen, gegen die entgegengesetzten Seiten der Fasermatte gedrückt. Es wird nur soviel Kleber verwendet, dass die Faserbündel beim Anpressen gerade an den Metallflächen haften. Da also kein überschüssiger Kleber vorhanden ist, der von den Fasern abgequetscht werden kann, bleiben die übrigen Teile der Metallschichten in den Bereichen zwischen den Faserbündeln getrennt, haften also dort nicht aneinander, sondern bilden isolierende Luftzellen. Die Luftzellen können zur Verbesserung der Isolation vergrössert werden, indem man eine oder beide Folien nach dem Aufbringen der Metal1-

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schicht mit Eindrückungen versieht, z.B. mittels einer Prägewalze .

Für die Zwecke der Erfindung sind Polyäthylenfolien, die im Vakuum mit Aluminium bedampft worden sind, gut geeignet. Eine solche Kunststoff-Folie hat, wie gewünscht, im fernen Infrarot, also im Wellenlängenbereich zwischen etwa 8 und 9Wm, was dem Strahlungsmaximum bei der Temperatur des menschlichen Körpers entspricht, eine Durchlässigkeit, die 80 % übersteigt, wobei gleichzeitig das Reflexionsvermögen der Kunststoff/Metall-Grenzfläche sowie der anderen Metalloberfläche für die von der Kunststoff-Folie durchgelassene Infrarotstrahlung sehr hoch ist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Schichtstruktur, die zwei einseitig metallisierte Kunststoff-Folien enthält, deren metallisierte Seiten einander im Inneren der Schichtstruktur gegenüberliegen, während die Kunststoff-Folien die Aussenseiten bilden. Zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Metallschichten befindet sich eine Schicht aus verstärkenden Fasern, die mit den beiden Metallschichten zu einem integralen Produkt vereinigt sind,

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich für Verwendungszwecke eignet, bei denen es nicht auf besonders geringe Dicke ankommt, enthält der Kleber einen nicht brennbaren Polyurethanschaum, der zwischen den Schichten gebildet ist und diese miteinander und der verstärkenden Fasermatte verbindet. Dieser

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Schaum hat vorzugsweise eine geringe Dichte, die in der Grössenordnung von 3 lb/cf und darunter liegt und die Schaumschicht hat eine ziemlich geringe Dicke, z.B. grössenordnungsmässig 3 mm.

Das beschriebene zusammengesetzte Material hat wegen des hohen Reflexionsvermögens (und damit geringen Abstrahlungsvermögens) der Metallschichten auf den Innenflächen der Kunststoff-Folien eine aussergewöhnlich geringe Durchlässigkeit für Wärmestrahlung, W Ausserdem hat das Produkt wegen der geringen Wärmeleitzahl des Polyurethanschaums, den schlecht wärmeleitenden Fasern und den Luftzellen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Die scheinbare Wärmeleitfähigkeit K von Materialien gemäss den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung beträgt nur etwa 13,5 kcal/h/ m²/°C/m (o,o7 BTü/ft² hour inch ⁰F).

Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden, nicht einschränkend auszulegenden Beispiele erläutert:

Beispiel 1

zwei
Als Aussenschichten wurden . /25irfm dicke Polyäthylenfolien mit einer hochreflektierenden, im Vakuum aufgedampften Aluminiumschicht verwendet. Die Aluminiumschichten sind für sichtbares Licht praktisch undurchlässig und haben einen elektrischen Flächenwiderstand von ungefähr 1 Ohm. Eine Glasfasermatte, deren einzelne Fasern aus einem Bündel von Elementarfäden bestanden

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und jeweils einen Durchmesser von etwa 6544m hatten, und die

nicht gewebte Gitter- oder Netzsttfuktur Fasern eine/ftefe- bildeten, in dem die geradlinigen Fasern ein etwa rechteckiges Muster bildeten, wurde bei der einen Metallisierungsschicht angeordnet. Anschliessend wurde ein geeignetes Polyurethanvorpolymerisat zwischen den Schichten verteilt und in bekannter Weise geschäumt (siehe z.B. USA-Patentschrift 3 172 o72) . Der Polyurethanschaum hatte eine Dichte von ungefähr

3 lb/ft und die Polyurethanschicht war ungefähr 3,2 mm dick.

Das Produkt hatte an beiden Seiten eine Absorptionszahl unter o,2 und eine scheinbare Wärmeleitfähigkeit K von 13,5 kcal/h/ m /°C/m, die auf eine noch zu beschreibende Weise gemessen wurde

Beispiel 2
Das Material dieses Beispieles entspricht dem des Beispiels 1 mit der Ausnahme, dass kein Polyurethanschaum verwendet wurde und die Glasfasermatte stattdessen mittels einer dünnen Kleberschicht, die vor der Bildung der Schichtstruktur auf die Fasermatte aufgebracht worden war, mit den beiden Metallschichten verklebt wurde. Die beiden Folien wurden dabei nur mit der Fasermatte, nicht jedoch miteinander verklebt. Die Fasermatte bildete daher Lufteinschlüsse zwischen den beiden Metallschichten. Dieses Material hatte eine scheinbare Wärmeleitfähigkeit K von 9,6 kcal/h/m²/°C/m (o,o5 BTU/ft² hour inch ⁰F).

Bei dem obigen Beispiel enthielt die Fasermatte etwa 2,4 Fasern pro cm (6 Fasern pro Zoll) und der Durchmesser der Fasern betrug etwa 38 Aim. Dieses Material lässt sich gut nähen und zu Bekleidungsstücken verarbeiten, seine Reissfestigkeit ist aussergewöhn-

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lieh hoch.

Das Material dieses Beispiels wird vorzugsweise während der Vereinigung der metallisierten Folien mit der Fasermatte geprägt oder genoppt. Hierdurch wird der Griff, d.h. die Oberflächenbeschaffenheit des zusammengesetzten Materials verbessert, ohne dass dabei die ausgezeichnete Wärmeisolierfähigkeit oder Festigkeit leiden.

Beispiel 3

Das Material dieses Beispiels entspricht dem des Beispiels 2 mit der Ausnahme, dass als Kunststoff-Folie eine etwa 6,3 itm dicke Polyesterfolie (Polyäthylenterephthalat) verwendet wurde. Die Infrarotaurchlässigkeit von Polyester" ist nicht so gut wie die von Polyäthylen. Die metallisierte Oberfläche der Folie hat jedoch ungefähr dasselbe Reflexionsvermögen und dieselbe Absorptionszahl wie die Metallisierung der Polyäthylenfolie. Die scheinbare Wärmeleitfähigkeit K dieses Produktes betrug etwa 19 kcal/h/m²/⁰C/m (o,12 BTU/ft² hour inch°F).

Die bei den obigen Beispielen angegebene scheinbare Wärmeleitfähigkeit K wurde mittels eines einfachen Kalorimetertestes ermittelt, bei dem ein Teil des menschlichen Körpers, z.B. eine Hand, nachgebildet und die Wärmeisolierfähigkeit eines Produktes gegenüber einer kalten Umgebung gemessen wird. Als Wärmespeicher diente ein Aluminiumblock mit den Abmessungen 153 χ 8 3,3 χ 19 mm,

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xn diesem Slock befindet sich ein elektrisches Heizelement. Die Oberfläche des Blockes ist mit schwarzem Filz überzogen, um die Absorptions zahl des menschlichen Körpers nachzubilden, die etwa ο,95 beträgt. Die Temperatur der Filzoberfläche wird mittels eines Thermoelementes gemessen. Aus dem zu prüfenden Material wird eine um den Block passende und diesen einschliessende Hülle hergestellt. Der mit der Hülle umgebene Aluminiumblock wird dann in einem Kühlschrank mittels dünner Glasfäden aufgehängt, um eine Wärmeableitung zu den Wänden des Kühlschrankes zu verhindern Das Innere des Kühlschrankes wird auf einer konstanten, bekannten Temperatur gehalten.

Bei der Messung wird die Temperatur im Kühlschrank und die Temperatur der Oberfläche der Wärmequelle gemessen. Die Heizung wird so eingestellt, dass die Oberflächentemperatur entsprechend der Temperatur des menschlichen Körpers etwa 37° C beträgt. Man misst aie elektrische Leistung, die erforderlich ist, um den Wärmespeicher auf dieser Temperatur zu halten. Aus dein bekannten Wärmegradienten zwischen dem Aluminiumblock und der Atmosphäre im Kühlschrank, der Oberfläche des Aluminiumblockes und der zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Aluminiuinblockes erforderlichen elektrischen Leistung lassen sich sowohl die scheinbare Wärmeleitzahl K für das Isoliermaterial messen als auch verschiedene Materialien unter gleichen Bedingungen vergleichen. Die Wärmeleitzahl ist eine Funktion der Dicke des Materials, aus dem

2 o^, die Hülle besteht, und wird in kcal pro Stunde pro m pro C pro m(oder BTü/Quadratfuss/Stunde/Grad Fahrenheit/ΖοΐΓ· gemessen.

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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Statt Polyäthylenfolien können bei den Beispielen 1 und 2 auch beispielsweise Polypropylenfolien verwendet werden. Eine oder beide Kunststoff-Folien können beidseits metallisiert sein. Die Oberfläche kann gefärbt werden, solange die verwendeten Farbstoffe eine gute Durchlässigkeit im fernen Infrarot haben.

Ausser den beschriebenen, nicht gewebten Fasermatten können auch andere Arten von Fasermatten verwendet werden, es können ζ .B. nicht gewebte Strukturen Verwendung finden, die aue geraden Fasern bestehen, die in drei oder mehr Richtungen ausgerichtet sind und beispielsweise Winkel von 12o miteinander bilden . Statt Glasfasern können auch andere Werkstoffe verwendet werden, z.B. Fasern aus Nylon (Superpolyamid).

Anlage: 1 Muster des Materials gemäß der Erfindung

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Claims (11)

Patentansprüche

1. V7ärmeisolierendes Material mit mindestens zwei Kunststoff-Folien, die mindestens auf den einander zugewandten Seiten jeweils eine dünne, im Vakuum aufgedampfte Metallschicht tragen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Metallschichten eine Lage aus Verstärkungsfasern geklebt ist, und dass die Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 80 000 und 9o 000 äagström bei mindestens einer der Kunststoff-Folien über 80 % beträgt.

2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff-Folien für sich dehnbar sind und aussen liegende verschliessfeste Oberflächen bilden, und dass die Lage aus Verstärkungsfasern aus einem offenen, lockeren Netzwerk gerader, im wesentlichen nicht dehnbarer Fasern besteht, dass das Fasernetzwerk im wesentlichen eben ist und dass die Abstände zwischen benachbarten Fasern beträchtlich grosser sind als der Duriahmesser der Fasern.

3. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Fasern auf beiden Seiten der Lage über den grössten Teil ihrer Länge durch dünne Kleberschichten mit den Metallschichten der Kunststoff-Folien verbunden sind, dass sich die Kunststoff-Folien örtlich um

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die aussen liegenden Teile des Faserprofils krümmen und sich an diese anschmiegen, so dass die Aussenflachen der Kunststoff-Folien verformt werden und zwischen den Metallschichten ein isolierender Luftzwischenraum verbleibt, der nicht grosser ist als etwa der Durchmesser der Fasern.

4. Material nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Faser aus einem langgestreckten, losen Bündel zu einer beträchtlichen Anzahl

* gerader Elementarfäden besteht.

5. Material nach Anspruch 1,2 oder 4, dadurch gekennzeichne t, dass die metallisierten Flächen der Kunststoff-Folie durch einen in situ zwischen den Metallschichten gebildeten Polyurethanschaum mit den Fasern verklebt sind.

. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - ) durch gekennzeichnet, dass die Kunststoff-Folien aus Polyäthylen bestehen.

7. Material nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kunststoff-Folien aus Polypropylen bestehen.

8. Isoliermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die scheinbare Wärmeleitzahl K kleiner als o,lo BTü/ft²/h/Zoll/°F be-

^trägt* 1098 19/U08

9. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschichten eine von der Faserlage unabhängige Noppung haben.

19. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e kennzeichnet durch die Verwendung für Decken oder Bekleidungsstücke.

11. Verfahren zum Herstellen eines Materials nach. Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausschliesslich auf die Fasern einer lockeren, netzartigen Fasennasse Klebstoff aufgebracht wird-und dass dann die metallisierten Seiten der beiden Kunststoff-Folien an die mit dem. Klebstoff überzogenen Seiten der Fas.armatte angedrückt werden.

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