VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON TEMPERATURREGULIERENDEN FLÄCHEN MIT LATENWÄRMESPEICHERMATERIAL Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von tempe- raturregulierenden Flächen und/oder Strukturen auf einem Sub- strat und Erzeugnisse, auf denen mit diesem Verfahren eine tem- peraturregulierende Fläche und/oder Struktur angebracht wurde.
Temperaturregulierende Flächen sind allgemein bekannt. Vorzugs- weise enthalten diese Latentwärmespeichermaterialien, auch "phase change material"oder PCM genannt. Ein geeignetes PCM besteht beispielsweise aus Paraffin. Bei einer Zu-oder Abfuhr von Energie im Bereich des Schmelzpunktes des PCM behält dieses so lange seine Schmelzpunkttemperatur, bis der Phasenübergang vom festen in den flüssigen Aggregatszustand (oder umgekehrt) abgeschlossen ist, beziehungsweise bis die gesamte Masse den neuen Aggregatszustand angenommen hat. Erst nach Abschluss die- ses Phasenüberganges wird die Temperatur bei anhaltender Ener- giezu-oder-abfuhr entsprechend ansteigen oder sinken. Dieser Effekt wird ausgenutzt um Temperaturen zu regulieren, insbeson- dere um Gegenstände oder Körper vor Hitze oder Kälte zu schüt- zen oder um eine bestimmte Temperatur eines Gegenstandes oder Körpers konstant zu halten.
In der Textilveredlung werden eine Vielzahl von PCM eingesetzt, wobei aus den Druckschriften US 5,366,801, US 5,804,297 und US 5,804,297 ein mikroverkapseltes PCM mit einem Polymerbinder be- kannt ist, wobei das mikroverkapselte PCM gegebenenfalls in der Herstellung relativ kostenaufwendig ist. Eine andere Form stellt nicht verkapseltes PCM dar, das in einer an eine Struk- tur gebundne Form verwendet wird. Polymerbinder mit beiden For- men von PCM werden vorzugsweise in waschbeständiger Form einge- setzt.
Temperaturregulierende Flächen werden jeweils mittels einer Be- schichtung auf ein Textilmaterial angebracht. Solche Beschich- tungsverfahren sind in der Textilindustrie, insbesondere in der Textilveredelung hinreichend bekannt.
Um einen genügend grossen Effekt einer lang anhaltenden Tempe- raturregulierung zu erhalten, muss die entsprechende Wärmekapa- zität und somit eine entsprechende Menge PCM angebracht werden.
Dies resultiert in einer höheren Beschichtungsdicke oder in ei- ner höheren Konzentration des PCM innerhalb der Beschichtung.
Sowohl eine höhere Schichtdicke als auch eine höhere Konzentra- tion wirken sich auf den Tragekomfort negativ aus, da die Stei- figkeit erhöht und die Atmungsaktivität reduziert wird. Spe- ziell in Verbindung mit semipermeablen Funktionsschichten ist dies ein gravierender Nachteil, da eine Kombination dieser bei- den Funktionen-sowohl Temperaturregulierung als auch Atmungs- aktivität-wünschenswert ist.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zu entwickeln, das temperaturregulierende Flächen und/oder Strukturen mit ausrei- chendem Anteil an PCM auf ein Substrat aufbringt, wobei gleich- zeitig die elastischen Fähigkeiten des Substrates sowie eine atmungsaktive und Dampf-und Feuchtigkeitsaustausch gewährleis- tende Oberfläche weitgehend erhalten bleiben. Weiterhin liegt der Erfindung zugrunde, entsprechende Erzeugnisse mit tempera- turregulierenden Flächen zu schaffen, die einen ausreichenden Anteil an PCM enthalten und denen gleichzeitig die elastischen Fähigkeiten sowie die Atmungsaktivität des Substrates und die Dampf-und Feuchtigkeitsaustausch gewährleistende Oberfläche weitgehend erhalten bleiben.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Isolationswir- kung des Substrates mit der temperaturregulierenden Fläche zu erhöhen und sowohl Herstellungs-und Materialkosten sowie das Gewicht der in der Fläche angebrachten Materialien zu minimie- ren.
Die Aufgabe hinsichtlich der Herstellung wird durch ein Druck- verfahren gemäss Patentanspruch 1 und das erfindungsgemässe Er- zeugnis durch die Merkmale des Patentanspruches 31 gelöst.
Der Vorteil einer Applikation mittels Druckverfahren besteht in der Möglichkeit, den Druck vorzugsweise nur partiell aufzubrin- gen. Für die somit erhaltenen Flächenabschnitte des Substrates, welche nicht mit dem Druck versehen wurden, bleiben in vorteil- hafter Weise die ursprünglichen Eigenschaften, insbesondere die Elastizität, die Atmungsaktivität und die Fähigkeit zur Gewähr- leistung von Dampf-und Feuchtigkeitsaustausch erhalten.
Damit eine genügend grosse Menge von PCM auf dem Substrat ange- bracht wird, sind die bedruckten Stellen vorzugsweise als Nop- pen ausgebildet. Dies wird erreicht, indem Schablonen verwendet werden, die eine Wandstärke in der Grössenordnung zwischen 0.6 und 4 mm, vorzugsweise zwischen 0.6 und 2 mm und eine offene Fläche von mindestens 25 %, bevorzugt von mindestens 35 % auf- weisen.
Als Latentwärmespeichermaterial oder PCM wird bevorzugt eine kristallierende organische Substanz, beispielsweise ein n- Paraffin mit einem Schmelzpunkt zwischen-10 und 65 °C (n- Docaden bis n-Octacosan) verwendet. Das Paraffin kann in einer an eine poröse Struktur gebundenen Form oder in mikroverkapsel- ter Form in die Polymerdispersion eingebracht werden.
PCM kann beispielsweise an poröse Silikatpulver mit hoher spe- zifischer Oberfläche gebunden werden ; der dabei entstandene Verbund enthält bis zu 60 % PCM und hat die Form eines fliess- fähigen Pulvers. Als Verkapselungsmaterial für die PCM enthal- tenden Mikrokapseln hat sich Melaminharz bewährt, da es nicht quillt wie zum Beispiel Gelatine. Die Lösungsmittel der Poly- merdispersion können Alkohole sein, bevorzugt wird jedoch Was- ser verwendet. Der Wasseranteil an der nassen Polymerdispersion soll zwischen 20 und 60 %, bevorzugt zwischen 25 und 40 % sein.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn das verwendete Polymer filmbildend, kalt-, warm-oder durch UV-Licht vernetzbar, elas- tisch, kältezäh, wasch-und chemischreinigungs-beständig ist.
Die PCM enthaltenden Mikrokapseln werden unter ständigem Rühren langsam der wässrigen Dispersion beigegeben. Damit die PCM- Mikrokapseln rascher benetzt werden, kann zusätzlich ein Dispergiermittel zugegeben werden. Steigt die Viskosität durch die Zugabe der PCM enthaltenden Mikrokapseln trotz Dispergier- mittel so weit an, dass die Paste nicht mehr rührfähig ist, muss der Wasseranteil erhöht werden. Andererseits sollte die Viskosität der Dispersion im Bereich 80 bis 180 dPa s, bevor- zugt 120 bis 160 dPa s (nach Hacke, Prüfspindel 1) sein, damit kein Entmischen auftritt. Wird dieser Wert durch Zugabe von PCM-Mikrokapseln noch nicht erreicht, so wird zusätzlich ein Verdicker zugefügt. Der Binder kann in Form von Monomeren, Oli- gomeren oder niedermolekularen Polymeren vorliegen, welche bei der Trocknung und/oder Aushärtung polymerisiert oder vernetzt werden. Ein Beimischen von Vernetzern ist nur dann notwendig, wenn sich die Bindersysteme bei höheren Temperaturen nicht selbst vernetzen. Warmvernetzer wie auch Kaltvernetzer sind ge- eignet. Weitere Beigaben wie Farbstoffe, Bakteriostatika, Flammhemmer oder Duftstoffe können bei Bedarf ebenfalls beige- mischt werden. Falls der Druck anschliessend aufgeschäumt wer- den soll um das Volumen des Drucks zu vergrössern, wird zusätz- lich ein Treibmittel beigefügt. Der Trockenanteil der fertigen Polymerdispersion soll einen Anteil von zwischen 30 und 80 % an PCM enthalten. Ein Beispiel einer Polymerdispersion ist in Ta- belle 1 gegeben.
Tabelle 1 : Zusammensetzung der Polymerdispersion : 1000 Teile Polymerbinder in Lö- z.B. Dicrylan AS sung oder in wässri- Binder z.B. Acrylate, Polyure- ger Dispersion tane, Latices oder Silicone, oder Blends oder Copolymerisate derselben Polymere 200 bis 2000 PCM in gebundener Teile oder mikroverkapsel- ter Form 0 bis 40 Teile Dispergier-oder z. B. Invadin PBN, oder Rapi- Emulgiermittel doprint HL 0 bis 30 Teile Verdickungsmittel z. B. Dicrylan R Amoniak zur Anhebung des PH-Wertes 0 bis 30 Teile Vernetzer Warmvernetzer auf Basis Mela- minharz, z. B. Lyofix CHN Kaltvernetzer auf Basis Isocya- nat, z. B. Tubigard Fix Bei Bedarf 20 Treibmittel z. B. Mikroprint E-46, Polyacoa- bis 100 Teile ting Bei Bedarf Farbstoffe, Bakteriostatika, Klammhemmer, Duftstoffe Als Substrat ist jede bedruckbare Fläche geeignet, insbesondere wird eine Fläche in Form eines Metallbleches, einer Metallfo- lie, einer Kunststoffplatte-oder Folie, eines Schaumstoffes oder vorzugsweise einer textilen Fläche verwendet. Als sehr ge- eignet haben sich elastische, textile Flächengebilde, insbeson- dere bestehend aus einem Gewebe, einer Maschenware oder einem Nonwoven erwiesen. Untersuchungen haben weiterhin ergeben, dass es von Vorteil sein kann, wenn die textile Fläche vorgängig hydrophob ausgerüstet wurde. Einerseits bleibt dadurch der wei- che Griff der textilen Fläche erhalten, da das Textil die wäss- rige Dispersion nicht aufsaugt, andererseits verhindert die Hydrophobierung eines textilen Substrates die Ausbildung einer Trennschicht aus Wasser bei einem Bedrucken mit wässrigen Dis- persionen, was zu Haftungsproblemen des Druckes führen kann.
Für den Druck wird erfindungsgemäss ein Schablonendruck ange- wandt, der mittels Rotationsschablonen oder mittels Flachschab- lonen durchgeführt wird. Um das erforderliche hohe Auftragsge- wicht von 200 bis 500 g/m2 Trockensubstanz der Polymerdispersi- on mit dem Druck zu erzielen, ist unter Berücksichtigung der Schablonengeometrie eine Feinabstimmung von Pastenviskosität zum Rakeldruck und zum Substratabstand erforderlich. Der Schab- lonen-Anpressdruck ist nicht oder nur indirekt massgebend für die Bestimmung des Auftragsgewichtes. Das durch den Druck auf dem Substrat angebrachte PCM soll mindestens 80 g/m2, vorzugs- weise 100 bis 300 g/m2 betragen.
Das frisch bedruckte Substrat wird zum Entfernen des Lösungs- mittels, beispielsweise das Wassers, anschliessend durch eine Trocknungseinrichtung geführt. Je höher der Feststoffgehalt der PCM enthaltenden Dispersion ist, desto weniger Zeit und Energie wird für die Trocknung benötigt. Werden temperaturaktivierte Warmvernetzer eingesetzt oder handelt es sich um ein selbstver- netzendes Bindersystem, so muss in der Trocknungsanlage zugleich die Reaktionstemperatur von typischerweise 120 bis 150 °C erreicht werden. Beim Einsatz von UV Vernetzern wird an- schliessend an die Trocknung der Druck bestrahlt, um die Reak- tion zu starten. Wird ein Treibmittel zur Verschäumung einge- setzt so sollte es unter den gewählten Trocknungs-oder Konden- sationsbedingungen ebenfalls aktiviert werden, damit der Druck in der gewünschten Enddicke vernetzt wird.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, die Polymerdispersion gleichzeitig als Kleber für eine Laminierung zu verwenden. In diesem Fall wird noch vor dem Durchgang durch die Trocknungsan- lage auf den noch nassen Druck eine Decklage, zum Beispiel ein Gewebe, eine Maschenware oder ein Nonwoven, gelegt.
Nach dem Durchgang durch die Trocknungsanlage ist der Druck so- weit ausgehärtet, dass das Substrat gerollt oder gestapelt wer- den kann, ohne dass das Motiv verwischt, verschmiert oder zer- stört wird, beziehungsweise die Ware ungewollt zusammenklebt oder ein aufgeschäumter Druck wieder flach gepresst wird.
Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass dadurch rela- tiv grosse Mengen an PCM für den langanhaltenden Effekt der Temperaturregulierung gespeichert werden können, ohne dass da- durch die Elastizität des bedruckten Substrates massgeblich re- duziert wird. Dies wird durch die Anhäufung von grossen Mengen an PCM in den Noppen erreicht. Der nicht bedruckte Bereich des Substrates, demnach der Zwischenraum zwischen den Noppen, be- hält seine Elastizität und gleichzeitig die Atmungsaktivität sowie die Dampf-und Feuchtigkeitsdurchlässigkeit. Das Substrat wird somit weniger versteift als bei einer vollflächigen Be- schichtung und behält die gewünschte Anschmiegsamkeit. Da die einzelnen Noppen nicht miteinander verbunden sind wirken diese nicht versteifend. Insgesamt kann so der PCM-Anteil am Binder erhöht werden und das Erzeugnis gewährleistet ein besseres Ver- hältnis der PCM-Masse zur Gesamtdicke, zum Gesamtgewicht und zu den Herstellungs-und Materialkosten.
Ein anderer positiver Effekt dieses Verfahrens ist die bessere Isolationswirkung des Substrates mit dem Druck, speziell wenn dieser in Noppen ausgestaltet ist und wenn eine weitere Deckla- ge auf den Noppen appliziert wurde. Die zwischen den Lagen und den Noppen eingeschlossene Luft trägt zur Isolation des Erzeug- nisses bei, ohne zusätzliches Gewicht durch Isolationsmateria- lien in das Erzeugnis einbringen zu müssen und demnach ohne weitere Herstellungs-und Materialkosten aufwenden zu müssen.
Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht in der Möglich- keit, den Druck nur selektiv, an ausgewählten Stellen anzubrin- gen. Der Druck wird beispielsweise gemäss Druckkonturen einer Schnittmustervorlage für eine Konfektionierung selektiv ange- bracht. Der Vorteil dieser Anwendung liegt nicht nur in der Ge- wichts-und Kostenersparnis durch Verhinderung von Anbringung eines Druckes auf ein Gebiet eines Substrates, das später nicht verwendet wird, es ist zudem auch vorteilhaft bei der Konfekti- onierung. Bei Nähten und Säumen tritt kein Auftragen einer zweiten Schicht des Druckes auf. Dies wirkt sich auch positiv auf die fertig konfektionierten Kleidungsstücke aus, die eine gleichmässig dicke Schicht aufweisen, insbesondere auch in den Saum-und Faltenbereichen.
Weitere bevorzugte Möglichkeiten durch den Druck ergeben sich bei einer regional unterschiedlichen Abdeckfläche des Druckes beziehungsweise der Noppen auf dem Substrat. In Bereichen von Kleidungsstücken, die partiell unterschiedliche Anforderung an die Elastizität, an die Atmungsaktivität, den Wasserdampfdurch- gangswidertand und/oder an den PCM Anteil haben, wird partiell ein unterschiedlicher Druck angebracht bezüglich Noppenhöhe, Verhältnis bedruckte und unbedruckte Fläche und Konzentration des PCM in der Dispersion. Dafür Drucke mit verschiedenen Re- zepturen wird der Druckvorgang mit einer den Anforderungen an- gepassten Rezeptur wiederholt durchgeführt.
Speziell die Luftzirkulation zwischen den Noppen und den die Noppen begrenzenden Lagen fördert den Gasaustausch durch natür- liche Konvektion und trägt somit zum Tragekomfort des Klei- dungsstückes bei.
Eine weitere Möglichkeit des selektiven Druckes besteht in der Anbringung von speziellen Designs wie Schriftzügen, Logos, Fi- guren oder dergleichen sowie die Beimischung verschiedener Far- ben zur optischen Gestaltung. Weitere Funktionen werden dem Druck durch ein Beimischen von Bakteriostatika oder von einem Flammenschutz beigefügt.
Eine weitere Möglichkeit besteht im Anbringen des Druckes auf bereits mindestens teilweise konfektionierten Textilen. So wird gezielt in den erforderlichen Bereichen eines textilen Gegens- tandes der Druck mit der gewünschten Spezifikation angebracht, wiederum ohne Verlust und mit der Gewährleistung, dass die Näh- te nicht auftragen und dass der Druck sparsam und effizient an- gebracht wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens stellen die somit erzeugten Noppen dar, wenn diese eine auf Abrieb emp- findlichen Lage, beispielsweise einer Lage mit einer semiperme- ablen Beschichtung, durch Distanzhaltung vor Abrieb schützen.
Die erzeugten Noppen werden im noch feuchten Zustand an die zu schützende Lage angebracht und mit dieser verklebt, oder der Druck wird direkt auf die zu schützende Lage mit der semiperme- ablen Membran aufgebracht. Die Luft in den Zwischenräumen ge- währleistet die gewünschte Atmungsaktivität und den Dampf-und Feuchtigkeitsaustausch.
