Selbstheilende Membran

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membran, welche nach mechanischer Verletzung im Sinne eines Einstiches oder ei- nes Ein- bzw. Durchschusses mit einer kleinkalibrigen Waffe in der Lage ist, diese Verletzung ohne äusseres Dazutun zu verschliessen.

Das Verfahren richtet sich nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, das mit dem Verfahren hergestellte Produkt nach jenem des Anspruches 12.

Bei der vorliegenden Erfindung geht es um pneumatische Strukturen, wie sie beispielsweise aus den Europäischen Patentschriften EP 1 239 756, EP 1 210 489, den Europäischen Patentanmeldungen EP 03 700 039 und EP 03 764 875 und der Internationalen Veröffentlichung WO 2005/007991 bekannt geworden sind.

EP 1 239 756 zeigt eine pneumatische Liege oder Sitzbank, die keine horizontale Auflage als Unterlage benötigt. Sie kann rasch betriebsbereit aufgestellt und mit kleinem Platzbedarf wieder verstaut werden. Die Anordnung der Trag- kammern kann derart ausgebildet werden, dass die Liege selbst in der Art einer Tragkonstruktion ausgebildet ist.

EP 1 210 489 zeigt ein pneumatisches Bauelement in der Art eines aufblasbaren rohrförmigen Höhlkörpers, der auftretende Zug- und Schubkräfte aufneh- men kann, ohne dass er einknickt. Das Bauelement kann leicht zu komplexeren Bauteilen wie Dächern bzw. Brücken zusammengefügt werden, wobei die Aufrichtung sehr schnell erfolgt.

EP 1 554 158 (EP 1 210 489) zeigt ein adaptives pneumatisches Sitz- und Lehnkissen für Fahrzeuge und Flugzeuge, das trotz der gegebenen Grundstruktur der Luftkammern den konventionellen Schaumstoffkissen entsprechend hohen Sitzkomfort bietet und gegenüber diesen eine spürbare Gewichtsersparnis bringt.

WO 2004/009400 (EP 03 764 875) zeigt ein adaptives pneumatisches Sitz- und Lehnkissen für Fahrzeuge und Flugzeuge, das trotz der gegebenen Grundstruktur der Luftkammern den konventionellen Schaumstoffkissen entsprechend hohen Sitzkomfort bietet, gegenüber diesen eine spürbare Gewichtser- sparnis bringt und zudem einfach auf bestehende Sitzschalenkonstruktionen ausgelegt werden kann.

WO 2005/007991 zeigt einen pneumatischen Träger. Das Bauelement kann leicht zu komplexeren Bauteilen wie Dächern bzw. Brücken zusammengefügt werden, wobei die Aufrichtung sehr schnell erfolgt. Zudem kann das Bauelement leicht mit konventionellen, vorhandenen Baukonstruktionen verbunden werden.

Solchen pneumatische Strukturen ist unter anderem gemeinsam, dass sie ver- gleichsweise wenig wiegen, d.h. leicht transportabel sind und, da deren Membran im luftentleerten Zustand wenig Raum einnimmt, raumsparend gelagert und transportiert werden können.

Diese pneumatischen Strukturen sind auf der einen Seite grossflächige Gebilde mit Flächen von allenfalls mehreren hundert bis mehreren tausend Quadratmetern mit kleinen überdrücken von der Grössenordnung 10 bis 500 mBar, anderseits kleinvolumige und kleinflächige Gebilde mit überdrücken von 50 - 200 mBar, wie beispielsweise bei pneumatischen Sitzen.

In allen diesen Fällen ist das Entweichen von Druckgas - in der Regel Luft - zu vermeiden, um den genannten Betriebsinnendruck mindestens im notwendigen Minimum aufrecht zu erhalten.

Die Aufgabe, die sich für die vorliegende Erfindung stellt, ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, mit welchem eine Membran, welche bei solchen genannten pneumatischen Strukturen als Hülle zum Einsatz kommt, so herzurichten und zu verarbeiten, dass ein Loch der genannten Art in dieser Membran sich ohne Intervention schliesst.

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Die Lösung der gestellten Aufgabe ist wiedergegeben im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 hinsichtlich der Hauptmerkmale des Verfahrens, im Patentanspruch 17 hinsichtlich der Hauptmerkmale der nach diesem Verfahren hergestellten Membran und im Anspruch 24 hinsichtlich der Hauptmerkmale einer erfindungsgemässen pneumatischen Struktur.

Durch mehrere Ausführungsbeispiele wird das Verfahren und die entsprechenden Verfahrensmerkmale anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäss hergestellte Membran,

Fig. 2 eine erste Art von Verletzungen,

Fig. 3 Fig. 2 nach Entfernen des verletzenden Gegenstandes,

Fig. 4 die erste Art von Verletzungen in einem vergrösserten Massstab.

Fig. 5 eine zweite Art von Verletzungen im Selbstheilungsprozess,

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine auf die Schicht 2 aufzulegende Folie,

Fig. 7 eine Variante zu Fig. 6.

Fig. 8 einen Querschnitt einer zweiten Variante zum Verfahrensschritt gemäss Fig.6.

Im Querschnitt gemäss Fig. 1 durch eine Membran als Hülle einer pneumati- sehen Struktur ist die luftdichte Membran mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Als Membran 1 kommen beispielsweise in Frage: Gewebe aus Polyester, Nylon, Fiberglas, Aramiden, welche mit einem Kunststoff, wie PVC, PU, Silikon, Teflon ^® beschichtet sind, aber auch flexible Folien aus solchen genannten Ma-

terialien, falls die auftretenden Zugspannungen innerhalb der zulässigen Materialeigenschaften liegen.

Auf diese Membran 1 wird auf deren Innenseite mittels einer der bekannten Techniken, also beispielsweise durch Rakeln, Walzen, Spritzen, eine dünne Schicht 2 aus einem Kunststoff aufgebracht, welche eine Vielzahl kleiner Gasblasen 3 enthält. Als Kunststoff wird hier beispielsweise Polyurethan verwendet.

Beispielsweise wurde mit PVC beschichtetes Polyestergewebe der Firma Du-

® raskin (Type III, Verseidag, Krefeld) mit verschiedenen handelsüblichen geschlossen-porigen Polyurethanschäumen nach Anleitung der Hersteller beschichtet. Als besonders geeignet erwies sich dabei der Zwei-Komponenten Polyurethanschaum Polyfoam F5 (Polyconform GmbH).

Die oben erwähnten Gasblasen 3, die sich im Kunststoff der Schicht 2 befinden, können entweder durch einen raschen Mischvorgang des Kunststoffs in diesen eingetragen werden. Sie können aber auch durch den Polymerisationsvorgang entstehen und anschliessend durch Weglassen einer Vakuum- Behandlung im Kunststoff belassen werden. Für den Erfolg des angestrebten Selbstheilungsvorgang einer Verletzung der Membran 1 haben sich Gasblasen im Bereich von lOμ - 200μ als vorteilhaft erwiesen. (Für die Untersuchung der durch die Schicht 2 beschichteten Membran 1 vorteilhaft war eine Anordnung mit einem Stereomikroskop (Olympus, SZX9) und angeschlossener Digitalka- mera (Olympus DP12, Japan)).

Anschliessend wird die Membran 1 unter erhöhtem Druck polymerisiert Die Polymerisationsparameter wie Druck und Temperatur können kunststoffspezifisch jedoch variieren. Wesentlich ist der erhöhte Druck, typischerweise 2 Bar.

Ein überdruck über 5 bar führt zu einer gegenüber dem überdruck von 2 Bar verschlechterten Selbstheilungs- oder Reparaturfähigkeit, die im Bereich derjenigen liegt, die bereits bei einer Poymerisation ohne überdruck erreichbar

ist. Wie erwähnt, wurden die besten Resultate der Selbstheilung bei der Polymerisation unter überdruck im Bereich von 2 Bar erreicht. Ebenfalls noch gute Resultate lieferte eine Polymerisation im überdruckbereich von 2 bis 3 Bar. Immer noch deutlich bessere Resultate gegenüber der Polymerisation ohne überdruck liefert die Polymerisation im Bereich von 0.5 bis 4 Bar überdruck.

Die verbesserten Reparatureigenschaften können sowohl auf den erhöhten Innendruck der Schaumzellen bzw. Blasen (3) zurückgeführt werden als auch auf eine Konformationsänderung bzw. Strukturänderung innerhalb des Schaums, die lediglich durch eine andere Anordnung des Materials einen positiven Einfluss auf das Reparatur- , d.h. Abdichtungsverhalten ausübt.

Das Reparaturverhalten konnte über die Bemessung der pro Flächeneinheit aufgetragenen Menge an zu polymerisierendem Kunststoff weiter verbessert werden: Mit einer auf einer Fläche von ca. 20 cm2 (kreisförmige Probe mit 5 cm Durchmesser) aufgetragenen Beschichtungsmenge im Bereich von 1 bis 2 g wurden bessere Resultate im Selbstheilungs- bzw. Reparaturverhalten erreicht, als mit einer ausserhalb dieses Bereichs liegenden Beschichtungsmenge. Als besonders vorteilhaft erwies sich dabei eine Beschichtungsmenge von 1,6 g. Dies entspricht einer Menge pro 100 cm2 von 5 bis 10 g bzw. einer optimalen Menge von 8 g an Beschichtungsmaterial.

Schliesslich hat es sich ebenfalls als günstig erwiesen, die beschichtete Membran nach der Polymerisation zu lagern oder vor mechanischer Beanspruchung zu schützen, d.h. die Zeitdauer bis zur möglichen ersten Verletzung hinauszuzögern. Eine Verbesserung der Reparaturfähigkeit der beschichteten Membran wurde bereits nach einer Woche beobachtet, wobei sich acht Wochen als besonders vorteilhaft erwiesen haben.

Falls eine Verletzung der Membran 1 durch einen Stich mit einem spitzen Gegenstand erfolgt, wird sich ein dadurch entstehendes Loch wie in Fig. 2 gezeigt, durch die elastischen Eigenschaften der Membran 1 zum Teil selbst schliessen. übrig bleibt eine Fissur 5, wie in Fig. 3 dargestellt.

In Fig. 4 ist ein Ausschnitt des obersten Teiles der Fissur 5 abgebildet. Unter dem Einfluss des inneren Druckes der Gasblasen bzw. einer inneren Spannung der Schicht 2 schiebt sich ein Teil der Schicht 2 in die Fissur 5 und wird teilweise von der entweichenden Luft in diese hinein gedrückt; ein Vorgang der Sekunden bis Minuten dauern kann. Dadurch wird der Querschnitt des Loches verringert und der Leckstrom stark unterbunden. Da in der Regel der Innendruck durch äussere Mittel wie Kompressoren oder - bei kleinen Innendrucken der pneumatischen Strukturen - durch Ventilatoren aufrecht erhalten wird, zudem dieser Innendruck in aller Regel permanent überwacht wird, bleibt genü- gend Zeit für eine Intervention im Sinne einer Reparatur der Hülle der pneumatischen Struktur.

Bei kleinen Durchmessern von Fissuren 5 kann es auch zum gänzlichen Verschluss allein durch das Nachschieben der Schicht 2 kommen.

Bei grosseren Löchern 4 oder Löchern, welche durch stumpfe Gegenstände oder durch Projektile von Schusswaffen verursacht werden, führt der Selbstheilungseffekt, beschrieben anhand der Fig. 2 bis 4, allerdings nicht zu einem völligen Verschluss des Loches 4. Bei einer solchen Verletzung wird die Schicht 2 entlang einer grosseren Berandung eines Loches 4 aufgerissen. Um selbst in den genannten Fällen eine Selbstheilung zu ermöglichen, werden beispielsweise Präpolymere in geeigneter Form zur Verfügung gestellt, welche im Kontakt mit Luft und der in ihr enthaltenen Feuchtigkeit polymerisieren. Typischerweise bilden solche Polymere beim Kontakt mit der Luftfeuchtigkeit Blasen, wel- che in das Loch 4 hineingezogen werden und dort vollends aushärten. Da die strukturellen Kräfte durch die Membran weiterhin aufgenommen werden, ist ein Loch in der Membran keine Schwächung, wenn dort ein Unterbruch des Kraftflusses wegen der kleineren Festigkeit von dessen Füllung vorliegt. Alternativ dazu können an Stelle von Präpolymeren auch Zweikomponenten- Kunststoffe ebenfalls in geeigneter Form zur Anwendung gelangen.

In Fig. 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel dieses erfindungsgemässen zweiten Schrittes der Herstellungsverfahrens dargestellt. Hier werden in das Material der Schicht 2 eine Vielzahl von Mikrokapseln 6 eingemischt. Solche Mikrokap-

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sein, typischerweise mit einem Durchmesser von etwa 100μ, enthalten beispielsweise ein Monomer, andere einen Beschleuniger und/ oder einen Katalysator zum Bewirken einer Polymerisation des Monomers. Das Monomer kann auch ein Lösungsmittel enthalten, in welchem ein geeignetes Gas unter Druck gelöst ist. Solche Techniken sind aus der Kunststoff-Technik bekannt. Ferner ist es möglich, in solche Mikrokapseln 6 ein Präpolymer einzuschliessen, welches vorzugsweise ebenfalls ein Lösungsmittel und ein unter Druck darin gelöstes Treibgas enthält. Werden solche Mikrokapseln 6 nun durch eine Verletzung - einen Einstich oder einen Durchschuss - zerrissen, so tritt an der Be- randung des Loches aus einer Vielzahl von Mikrokapseln 6 deren Inhalt aus, bildet einen Schaum 7, der nun unter der Wirkung entweder des Katalysators oder der Luftfeuchtigkeit aushärtet und das Loch 4 dauerhaft verschliesst. Eine Haftung an den Wänden des Loches 4 tritt bei textilarmierten Membranen 1 auch dann ein, wenn der in den Mikrokapseln 6 enthaltene Kunststoff sich mit jenem der Schicht 2 oder jenem die Membran 1 dichtenden nicht oder nur schlecht verbindet, da eine Vielzahl von textilen Fasern freigelegt wird, an deren offenen Enden der aus den Mikrokapseln austretende Kunststoff haften kann. Andernfalls muss der Kunststoff der Membranbeschichtung auf jenen der Schicht 2 abgestimmt sein. Selbstverständlich und optimal sind die ge- nannten Kunststoffe aufeinander abgestimmt, und das Dichtverhalten kann so optimiert werden.

Figur 6 ist eine Draufsicht auf eine Blisterfolie 8, welche in einer Vielzahl von Blistern 9 entweder ein Monomer oder in einer ausgewählten Verteilung ein Monomer und einen geeigneten Polymerisationspartner, oder aber ein feuch- tigkeitsaushärtendes Präpolymer mit Beschleuniger enthält. Die Grosse der Blister 9 kann in einem weiten Rahmen so ausgewählt und angepasst werden, dass sie, im Verbund mit den Abständen a der Blister 9, Gewähr dafür bietet, dass bei Verletzungen der Membran, welche über das Selbstheilungsvermögen der Schicht 2 hinausgehen, mehrere solche Blister 9 aufgerissen werden. Darauf bildet sich, wie zu Fig. 5 beschrieben, ein Schaum, welcher in die Verletzung tritt und dort polymerisiert. Zwischen den Reihen von Blistern 9 im genannten Abstande a befinden sich in geeigneter Häufigkeit ein Abstand

d > a, welcher gestattet, die Blisterfolie auf der Schicht 2 durch Kleben oder Schweissen zu befestigen.

Selbstverständlich können die Blister 9 in jeder passenden Form erzeugt wer- den, und damit die Flächenbedeckung optimiert werden. Ebenso ist die Grosse der Blister 9 in weitem Bereich variabel.

In Fig. 7 ist eine Variante zum Ausführungsbeispiel von Fig. 6 dargestellt, e- benfalls in einer Draufsicht. Hier sind langgestreckte Blister 10 vorgesehen, welche, beispielsweise mit einem Monomer gefüllt sind. In einer zweiten Lage - nun auf der Rückseite der Blisterfolie 8 - sind weitere Blister 11 koinzident angeordnet (mit gepunktet dargestellter Berandung). Selbstverständlich können die. Formen auch hier anders gewählt und die respektiven Grössenverhält- nisse der Blister 10, 11 anders vorgesehen werden. Dem Erfindungsgedanken entspricht es, die Blister 10, 11 so anzuordnen, dass bei Verletzung eines Blisters 10 auch ein Blister 11 verletzt wird, so dass ein polymerisierender Kunststoff entsteht und in ein Loch 4 eindringen und dieses abdichten kann. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann ein Streifen d > a vorgesehen werden, welcher gestattet - ohne Verletzung von Blistern 10, 11 - die Blisterfolie 8 mit der Schicht 2 zu verkleben oder zu versch weissen.

Eine Alternative zu den Verfahrensbeispielen von Fig. 6 und 7 ist in Fig. 8 dargestellt. Vor der Druckpolymerisation der Schicht 2 wird auf diese eine Blisterfolie 12 aufgelegt, welche gegenüber den bereits beschriebenen Blisterfolien 8 zusätzlich eine sich in die Fläche erstreckende Perforation aufweist, bestehend aus einer Vielzahl von kleinen Löchern 13 , welche vorzugsweise eine Grosse von 0,1 bis 1.0 mm Durchmesser aufweisen. Die Blister 9 enthalten beispielweise wiederum die zwei Komponenten eines geeigneten Kunststoffes.

Nach dem Auflegen der Blisterfolie 12 erfolgt nun die Polymerisation unter Druck, wie zu Fig. 1 beschrieben. Durch teilweises Eindringen der Schicht 2 in die Perforation 13 wird die Blisterfolie 12 an der Schicht 2 fixiert.

Zusammenfassend kann das Herstellungsverfahren so beschrieben werden:

1. Eine aus einem flexiblen Kunststoff bestehende oder mit einem solchen beschichtete textilarmierte Membran 1 wird auf der Innenseite der pneumatischen Struktur mit einem polymerisierenden und eine Vielzahl von kleinen Luft- oder Gasblasen enthaltendem Kunststoff beschichtet.

Allenfalls kann eine solche Beschichtung mit einer Schicht 2 auf besonders verletzungsgefährdete Stellen oder Bereiche beschränkt werden. Anschliessend wird der auf die Membran aufgebrachte Kunststoff unter einem Druck von etwa 2 Bar polymerisiert.

2. Dem die Schicht 2 bildenden Kunststoff können eine Vielzahl von Mikro- kapseln 6 beigemischt werden, wobei diese Mikrokapseln 6 enthalten können

- ein feuchtigkeitsaushärtendes Präpolymer oder

- die ersten Mikrokapseln 6 ein Monomer, die zweiten einen Beschleuniger und/oder Katalysator, wobei das Verhältnis der Zahlen der ersten und zweiten Mikrokapseln 6 dem zu polymerisierenden Kunststoff angepasst sind.

3. Der zu polymerisierende Kunststoff ist entweder ein feuchtigkeitsaushärtendes Präpolymer oder ein Zweikomponenten-Kunststoff, wozu

- im ersten Fall das Präpolymer in Blistem 9 einer Blisterfolie 8 eingebracht und mit einer Folie abgeschlossen wird, - bei einem Zweikomponenten-Kunststoff die zwei Komponenten entweder

- alternierend in Blistern 9 eingebracht sind, oder

- auf den beiden Seiten der Blisterfolie 8 getrennt in koinzidenten Blistern 9 untergebracht sind.

4. Die Blisterfolie 8 wird durch Kleben oder Schweissen entweder

- auf die ganze Membran 1, oder

- nur auf besonders versetzungsgefährdete Stellen oder Gebiete der pneumatischen Struktur angebracht.

5. Alternativ zu den Verfahrensschritten 2 und 3 wird auf die Schicht 2 vor der Polymerisation eine Blisterfolie 12 aufgelegt, welche auf die Fläche verteilt eine Vielzahl von kleinen Löchern 13 im Bereich von 0,1 bis 1,0 mm Durchmesser aufweist und auf der der Schicht 3 abgewandten Seite eine Vielzahl von Blistern 9 gemäss der Charakterisierung von Verfahrensschritt 2 oder 3 trägt. Anschliessend wird die Schicht 2 unter Druck polymerisiert. Dadurch wird die Blisterfolie partiell in die Schicht 2 integriert.