Flexibles mehrschichtiges Material, vorzugsweise für eine aufblasbare Ballonhülle, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer aufblasbaren

Hülle

Die Erfindung betrifft ein flexibles mehrschichtiges Material, insbesondere für eine aufblasbare Ballonhülle, ein Luftschiff, einen Airbag, ein Segel, eine flexible Solarzelle oder eine flexible Antenne, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer aufblasbare Hülle.

Es ist bekannt, die Hülle für mit Gas gefüllte Ballone, die beispielsweise zum Stationieren von diversen Telekommunikations- und/oder überwachungsplattformen in der Stratosphäre verwendet werden (high altitude

balloons), aus einem aus mehreren Schichten bestehenden Material herzustellen, bei dem z.B. auf ein Polyestergewebe eine Schicht bzw. eine Folie aus Mylar (Polyethylenterephthalat, PET) und auf diese eine weitere PoIy- ethylenschicht bzw. eine weitere Polyethylenfolie aufgebracht werden. Dabei werden die einzelnen Schichten mittels geeigneter Klebstoffe miteinander verbunden. In der Regel wird die Ballonhülle aus einer Mehrzahl von aus dem mehrschichtigen Material bestehenden Bahnen hergestellt, die ebenfalls miteinander verklebt werden. Dies bringt einige Nachteile mit sich. An den Klebstellen besteht immer die Gefahr, dass sie undicht werden, so dass das den Ballon füllende Gas, z.B. Helium oder Wasserstoff, entweichen kann. Sie beeinträchtigen auch die Flexibilität und die erforderliche hohe Festigkeit bzw. Reissfestigkeit der Ballonhülle, und nicht zuletzt erhöhen sie auch das Hüllengewicht. Gerade bei den auf der Höhe von 20 bis 30 km stationierten Ballonen (high altitude balloons), die extremen Temperaturunterschieden und insbesondere auch z.B. Temperaturen von -80 ⁰ C ausgesetzt sind, stellen die Klebstellen einen Risikofaktor dar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mehrschichtiges Material, insbesondere für eine aufblasbare Ballonhülle aber auch beispielsweise für Luftschiffe, Fallschirme, Airbags, Segel, flexible Solarzellen oder dergleichen zu schaffen, welches leicht ist und einen hohen E- Modul sowie eine hohe Festigkeit bzw. Reissfestigkeit aufweist. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung einer aufblasbaren Hülle aus dem erfin- dungsgemässen mehrschichtigen Material vorgeschlagen werden, bei welchem auf das mit Nachteilen verbundene Verkleben einzelner Schichten und Bahnen weitgehend verzichtet und eine leichte, flexible und auch bei unterschiedlichen Bedingungen hohem Druck standhaltende Hülle, z.B. eine Ballon-, Luftschiff oder Airbag-Hülle, erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein mehrschichtiges Material mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst.

Bevorzugte Weitergestaltungen des erfindungsgemässen mehrschichtigen Materials und des erfindungsgemässen Verfahrens bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemässe flexible mehrschichtige Material kennzeichnet sich dank der wenigstens einen Schicht aus Ultra Molekulargewichtpoly- ethylen (ultra high molecular weight polyethylene, UHMWPE) oder aus Ultra Molekulargewichtpolypropylen (ultra high molecular weight po- lypropylen, UHMWPP) durch eine hohe Reissfestigkeit aus. Dadurch, dass diese UHMWPE-Schicht beidseitig durch je eine Schicht bzw. Folie aus Polyethylen (oder die UHMWPP-Schicht durch je eine Schicht bzw. Folie aus Polypropylen) umgeben ist, können die aufeinander gebrachten Schichten bzw. Folien allein durch Erhitzen miteinander verbunden werden, ohne dass Klebstoffe eingesetzt werden müssen.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren kann eine aufblasbare Hülle, z.B. eine Ballonhülle, praktisch wie ein „Hochdruckbehälter" rund um eine aufgeblasene Formhülle gebildet werden, indem die einzelnen Schichten bzw. Folien nacheinander aufgerollt und anschliessend mittels einer Heizrolle erhitzt und dadurch miteinander verbunden werden. Vorzugsweise werden die Schichten bzw. Folien wendeiförmig und sich überlappend auf die aufgeblasene Formhülle gewickelt bzw. aufgerollt. Mit Vorteil werden die Schichten bzw. Folien auf eine um ihre Längsachse drehende Formhülle mittels einer entlang der Formhülle bewegten Rolle aufgerollt, wobei

- A - auch die Heizrolle entlang der drehenden Formhülle bewegt wird. Nach der Fertigstellung der Hülle wird die Formhülle entleert und durch eine dafür vorgesehene, verschliessbare öffnung aus der Hülle ausgezogen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen rein schematisch:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel vom Aufbau bzw. von Schichtzusammensetzung eines erfϊndungsgemässen mehrschichtigen Materials;

Fig. 2 einen vergrösserten Teilquerschnitt des erfindungsgemässen mehrschichtigen Materials;

Fig. 3 eine Anlage für die Herstellung einer aufblasbaren Ballonhülle aus dem erfindungsgemässen mehrschichtigen Material; und

Fig. 4 in Vorderansicht ein Segel aus erfindungsgemässem mehrschichtigen Material.

In Fig. l wird schematisch gezeigt, aus welchen Schichten sich erfindungs- gemäss ein beispielsweise für eine aufblasbare Ballon- oder Luftschiffhülle vorgesehenes flexibles, mehrschichtiges Material zusammensetzen kann.

Angedeutet ist ein Ausführungsbeispiel mit fünf Schichten 10 bis 14. Eine erste Schicht 10, die die Innenseite des Ballons bilden soll, ist durch eine aus Ethylen basierend, beispielsweise Ethylenvinylalkohol-Folie (EVOH), gebildet, die etwa 5 bis 20 μm dick ist. Auf diese erste Schicht bzw. Folie 10 wird eine Schicht 1 1 aus Ultra Molekulargewichtpolyethylen (ultra high molecular weight polyethylene, UHMWPE) aufgebracht, bei der es sich beispielsweise um handelsübliches Material aus Fasern, Fäden oder dergleichen, wie Dyneema oder Spectra, handeln kann. Zwischen dieser Schicht 11 und einer weiteren UHMWPE-Schicht 13 vorzugsweise eben-

falls aus Dyneema-Fasern oder Fäden ist eine Zwischenschicht 12 aus Po- lyethylen niedriger Dichte (low density polyethylene, LLPPE) vorgesehen, die etwa 8 μm dick ist. Die zweite UHMWPE- Schicht 13 soll schliesslich mit einer weiteren LDPE-Polyethylen-Folie 14 abgedeckt werden, die auf der Aussenseite mit einer Aluminium-Schutzschicht versehen sein kann.

Auf der Innenseite des Ballons könnte zudem die Innenschicht 10 mit einer zusätzlichen Pulverbeschichtung im Nanobereich durch Plasmaauftrag oder dergleichen versehen sein.

Durch Vorhandensein der beiden UHMWPE-Schichten 11, 13 wird eine extrem hohe Festigkeit bzw. Reissfestigkeit des Materials erreicht, insbesondere wenn die Fasern oder Fäden der einen UHMWPE-Schicht 1 1 quer zu den Fasern oder Fäden der anderen UHMWPE-Schicht 13 verlaufen, wie in Fig. 1 angedeutet. Theoretisch könnte allerdings auch nur eine UHMWPE-Schicht als Verstärkung vorhanden sein. Es ist nicht erforderlich, dass diese Fasern bzw. Fäden oberflächenbehandelt sind, im Prinzip könnten sie aber, wie zum Beispiel durch ein Plasmaverfahren. Diese Schichten 13 bestehen aus mehreren in regelmässigen Abständen nebeneinander gelegten Fasersträngen bzw. Fäden, die jeweils aus einer Vielzahl von einzelnen Fasern zusammengesetzt sind. Solche Fäden weisen ein spezifisches Gewicht von 50 bis 2300 g/10000m auf. Für die vorliegende Anwendung wird vorzugsweise ein solches mit 1 10 g/ 10000m verwendet. Es werden mit solchen Dyneema-Fasern durchschnittliche Festigkeitswerte bis zu 2'00O N/mm ² (Zuglasten) erreicht.

Dadurch, dass diese mindestens eine UHMWPE- Schicht beidseitig durch je eine Schicht bzw. Folie aus Polyethylen umgeben ist, können die aufeinander gebrachten Schichten bzw. Folien allein durch Erhitzen mitein-

ander verbunden werden, ohne dass Klebstoffe oder Harzgemische (Resin) eingesetzt werden müssen. Dabei werden die Schichten auf eine Temperatur knapp unterhalb vom Schmelzpunkt, vorzugsweise auf 60-90 ⁰ C in zusammengedrücktem Zustand erhitzt. Als Polyethylen-Folien eignen sich in besonderer Weise Stretchfolien, durch welche beim Zusammenfügen mit der aus Fasern bzw. Fäden bestehenden Schicht 13 bereits eine Selbsthaftung bewirkt wird.

Anstelle von UHMWPE könnte auch Ultra Molekulargewichtpolypropylen (ultra high molecular weight polypropylen, UHMWPP) entsprechende Schicht oder Schichten 11, 13 bilden, wobei dann statt der übrigen PoIy- ethylen-Schichten bzw. Folien entsprechend Schichten bzw. Folien aus Polypropylen (Propylen) verwendet werden müssten. Polypropylen eignet sich insbesondere für Anwendungen bei Raumtemperaturen, da Polypropylen nur bis ca. -20 ⁰ C eingesetzt werden kann.

Fig. 2 zeigt in vergrösserter Darstellung einen Querschnitt insbesondere durch die Schicht 13 mit den Fasern bzw. Fäden 13'. Diese Fäden 13 ', welche jeweils einen Durchmesser im Mikrometerbereich aufweisen, sind derart angeordnet, dass sie sich annähernd in einer Reihe, nicht übereinan- derliegend, parallel zueinander befinden, damit jeder einzelne Faden 13 ' auf beiden Seiten mit der jeweiligen Folie 12, 14 verbunden wird. Damit ergibt sich eine optimale ganzflächige Verbindung zwischen den Folien und den Fasern bzw. Fäden. Zu diesem Zweck werden die in der Regel gebündelt angelieferten Fäden voneinander gelöst und zu einer annähernd einreihigen Schicht 13 ausgerichtet, ehe sie dann mit den Folien zusammengefügt und verklebt werden.

Anhand von Fig. 3 wird nun erklärt, wie beispielsweise aus dem vorstehend beschriebenen mehrschichtigen Material eine Hülle, z.B. eine Ballonhülle, hergestellt wird.

Fig. 3 zeigt eine Anlage 20 mit einer der Aussenform der herzustellenden Ballonhülle entsprechenden, vorzugsweise in eine aerodynamische Form aufgeblasenen Formhülle 21, die aus einem mit Polyethylen nicht verschmelzbaren Material, vorzugsweise Textil, besteht. Die Formhülle 21 ist in der Anlage 20 um ihre Längsachse a drehbar gelagert. Auf die aufgeblasene Formhülle 21 wird erfindungsgemäss zuerst die erste, vorzugsweise durch die gasdichte Ethylenvinylalkohol-Folie (EVOH) gebildete Schicht 10 wendeiförmig und sich überlappend gerollt, wozu eine entlang der Formhülle 21 bewegte Rolle 22 vorhanden ist. Danach wird mittels einer ebenfalls entlang der Formhülle 21 bewegten Heizrolle 24, der im Innern der Formhülle 21 eine magnetisch mitbewegte Gegenrolle 25 zugeordnet ist, die erste Schicht 10 erhitzt und die sich überlappenden Folienteile aneinandergepresst und hierbei miteinander gasdicht verbunden. Vorteilhaft werden diese zusammengefügten Folien nachher sofort gekühlt, damit die Molekuarstruktur bei den Fasern nicht verändert wird.

Anschliessend werden die weiteren Schichten bzw. Folien nacheinander einzeln auf die Formhülle gerollt. Dabei werden die beiden UHMWPE bzw. Dyneema-Schichten 11, 13 derart gewickelt, dass die quer zueinander verlaufenden Fasern oder Fäden der beiden Schichten zur Längs- bzw. Drehachse a der Formhülle 21 gerichtet sind. Zu diesem Zweck kann allenfalls die Drehachse a der Formhülle 21 schräg zur Verschieberichtung der beweglichen Rolle 22 gestellt werden.

Nachdem die letzte Polyethylen-Folie 14 auf die Hülle gerollt wurde, werden mittels der Heizrolle 24 alle Schichten bzw. Folien 10 bis 14 durch das Erhitzen miteinander verbunden, so dass um die aufgeblasene Formhülle 21 eine Art vom „einstückigen Hochdruckbehälter" gebildet wird. Nach der Fertigstellung dieser Ballonhülle wird die Luft aus der Formhülle 21 ausgelassen und aus der Ballonhülle durch eine dafür vorgesehene, ver- schliessbare öffnung 26 ausgezogen.

Vor dem Entleeren und Herausziehen der Formhülle 21 kann zusätzlich auf die Ballonhülle Teflonschicht (FEP) als UV-Schutz aufgeklebt werden, vorzugsweise mittels eines Akrylklebstoffes 966.

Die erfindungsgemäss hergestellte Ballonhülle ist dünn und leicht, und dennoch kann sie extrem hohen Druckbelastungen standhalten, auch bei sich ändernden Bedingungen. Von Vorteil ist, dass die einzelnen Folien an unterschiedlichen Stellen mit unterschiedlicher überlappung gewickelt werden können, so dass die Hülle an unterschiedlichen Stellen verschieden stark ausgebildet sein kann. Dank den vorstehend erwähnten Eigenschaften der Hülle kann ein Ballon auf grossere Höhe gebracht werden, als es mit herkömmlichen Ballonhüllen möglich ist.

ähnlich wie die Ballonhüllen könnten auch Luftschiff- oder Airbag-Hüllen hergestellt werden. Bei einer Airbag-Hülle wird mit Vorteil die erste Schicht, auf welche die weiteren Schichten bzw. Folien aufgebracht sind, durch eine auf der der Innenseite der Airbag-Hülle entsprechenden Seite mit Aluminium beschichteten Polyethylen-Folie gebildet. Dank dem erfin- dungsgemässen mehrschichtigen Material kann ein höherer Druck verwendet werden, wobei jedoch der Airbag dank dem hohen E-Modul des Materials beim Aufprall ausreichend flexibel ist.

Anstelle von Hüllen könnten auch Produkte wie Segel, flexible Solarzellen, flexible Antennen und ähnliches aus dem erfindungsgemässen Material hergestellt werden. Je nach Form des herzustellenden Produktes wird dann die erste Schicht bzw. Folie auf eine gerade oder eine entsprechende Negativform aufweisende Formfläche aufgetragen, beispielsweise angesaugt, bevor die weiteren Schichten, von denen wiederum mindestens eine aus UHMWPE oder UHMWPP besteht, aufgetragen und durch Erhitzen miteinander verbunden werden.

Bei der Verwendung für ein Segel besteht mit Vorteil eine der die UHMWPE-Schicht umgebenden Schichten zur Stabilitätserhöhung aus einem mit Polyethylen (PE) beschichteten Nylon 66. Das Segel ist dennoch wesentlich leichter als herkömmliche Segel aus Nylon und dadurch besser zu handhaben. Als Alternative kann auch bei einem Segel eine Abdeckfolie mit einer äusseren Aluminium- Schutzschicht Verwendung finden.

Zudem kann mit dem erfindungsgemässen Material ein weiteres Problem gelöst werden, wie in Fig. 4 mit dem Segel 30 angedeutet ist. Bisher waren es immer die mit öffnungen für Befestigungsmittel versehenen Anbindestellen, wo es zu Rissen kam. Erfindungsgemäss können nun Fasern oder Fäden 31 der UHMWPE- oder UHMWPP-Schicht oder Schichten aus den aufeinander gebrachten und miteinander verbundenen Materialschichten, die die Segelfläche 30' bilden, hinausragen und als Mittel zur Befestigung des Segels 30 verwendet werden.

Die Fasern oder Fäden 31 können dann z.B. auch zu Schlaufen 32 gebildet werden, bei denen diese Fasern bzw. Fäden 31 aus dem Segel austreten und wieder ins Segel zurückgeführt werden, wie dies mit dem Faden 33,

33', 33 " veranschaulicht ist. Damit entsteht eine optimale Kraftüberleitung vom Segel 30 auf diese sie haltenden Seile. In dem aus dem Segel herausragenden Teil könnten diese Fäden beispielsweise zu einem Seil geflochten sein. Zudem könnten Fasern bzw. Fäden auch in Querrichtung vorgesehen sein.

Als weitere Verwendungen dieses erfindungsgemässen mehrschichtigen Materials sind kugelsichere Kleidungsstücke, flexible Solarzellen bzw. Batterien, kugelsichere Abdeckungen bei Helikoptern, flexible Rohre, Ballone im chirurgischen Bereich bei Hochdruck-Kathetern für arteriosklerotische Gefässöffnungen, und weiteres denkbar.

Im Prinzip könnte die jeweilige Schicht aus Fasern bzw. Fäden aus unterschiedlichen Kunststoffmaterialien, zum Beispiel UHMWPE und UHMWPP zusammengesetzt sein, so dass auf der einen Seite der aus Fasern bzw. Fäden bestehenden Schicht eine Schicht bzw. Folie aus unterschiedlichem Material gegenüber der Schicht auf der andern Seite durch Erhitzen verbindbar wären.