Seilartiges Gebilde mit Nanotechnologie-Fasern

Die Erfindung betrifft ein seilartiges Gebilde mit Nanotechnologie-Fasern gemäss Patentanspruch 1 sowie Verwendungen derselben gemäss den Patentansprüchen 11 bis 13.

Seit Jahrhunderten sind Seile aus Naturfasern bekannt. Diese sind heute noch im Einsatz für Anwendungen wie Garten- und Landwirtschaftsarbeiten, Bindestricke, Turnseile mit Ringen, Tauwerke auf Holzbooten, Darmsaiten für Tennisschläger. Weitgehend abgelöst wurden die Naturfasern durch die synthetischen Fasern im Einsatz für Hochleistungsseile und Kordeln, oder für technische Hochleistungs- Textilien. Für die Kordel- und Seilherstellung sind heute verschiedenste synthetische Fasern im Einsatz.

Polypropylen-Faserseile sind bekannt, da diese sehr kostengünstig und einfach in der Herstellung sind. Die Seil-Produkte hergestellt aus den Fasern haben ein leichtes Gewicht, geringe Reiss- und Abriebfestigkeiten, hohe Dehnung. Solche Fasern sind im Einsatz für Bindfaden, Wassersportseile, Spiel- und Hobbyseile, also überall dort wo keine hohen Ansprüche an die Kordeln und Seile gestellt werden, der Preis aber wesentlich den Kaufentscheid beeinflusst.

Seile aus Polyamidfasern (z.B. Trevira) werden vorwiegend im Klettersport oder für die Herstellung von Statikseilen für die Absturzsicherung verwendet. Polyamidfasern sind hochfest, haben gute Reissfestigkeiten, sind äusserst abriebfest und haben eine hohe dynamische Kraftabsorbierung. Dies ist besonders bei Absturzsicherungs- und Kletterseilen ein Vorteil, denn dadurch können eine hohe Anzahl von Stürzen in das Seil absorbiert werden, ohne dass dieses beschädigt wird. Die relativ hohe Dehnung ist in diesem Falle ein grosser Vorteil. Nachteilig wirkt sich die hohe Feuchtigkeits-

aufnähme mit einem entsprechenden Leistungsabfall der Faser aus.

Polyesterfasern (z.B. Dacron) werden für Seile in verschiedensten Anwendungen eingesetzt, da die Fasern hohe Reissfestigkeiten, wenig Dehnung, eine äusserst geringe Feuchtigkeitsaufnahme und eine gute Abriebfestigkeit aufweisen. Ebenfalls ist der Preis äusserst attraktiv. Polyesterseile sind im Einsatz für Spiel und Sport, Freizeit, aber auch als Tauwerk im Segelsport, vor allem im gemütlicheren Cruising-Bereich. Polyesterfasern werden auch als Abrieb- und UV-Schutzmantel für Hochleistungsfasern wie HPPE (high Performance polyethylene fiber) oder LCP (liquid crystal polymer) im Hochleistungssegelsport eingesetzt.

Aramid-Faserseile (z.B. Kevlar, Twaron) wurden vor einigen Jahren im Segelsport verwendet, aber ohne dauernden Erfolg. Obwohl die Faserseile gute Eigenschaften in Bezug auf Reissfestigkeit und geringer Dehnung aufwiesen, wurden die Fasern in der Verflechtung von Seilen bei häufigen Biegezyklen untereinander aufgescheuert und erlitten dadurch einen grosseren Leistungsabfall. Manchmal werden die Fasern noch als Schutzmantel von Kernmantelseilen eingesetzt. Die hohen Schmelztemperaturen und die besonderen Eigenschaften machen diese Fasern aber weiterhin zu einem grossen Erfolg bei Schutzwesten, Feuerwehranzügen.

LCP-Seile (z.B. Vectran) werden für wenige Anwendungen im Segelsport oder bei technischen Anwendungen eingesetzt. Die hohen Reissfestigkeiten und der tiefe Creep (kalter Fluss) machen die Seile teilweise attraktiv für den Einsatz als Falle oder für stehendes Gut. Die relativ schwierige Verarbeitung zu Seilen und die hohe Steifigkeit, nebst einer tieferen Festigkeit verglichen zu HPPE machen die Faser nur für einen beschränkten Einsatz attraktiv. Die Fasern werden trotz einem tiefen Reibungskoeffizienten, der aber über jenem von HPPE liegt, als Schutzmantel für Kernmantelseile, oft auch auf Winschen oder im Feuerwehrbereich eingesetzt.

HPPE-Fasern (z.B. Dyneema, Spectra) werden wegen den hohen Reissfestigkeiten gepaart mit einer wesentlich geringeren Dehnung als Polyester aber ähnlichen Reissdehnungen wie LCP, sehr häufig als Kern von Hochleistungsseilen eingesetzt.

Seile aus HPPE weisen das beste GewichtsVLeistungsverhältnis auf. Der sehr tiefe Reibungsbeiwert bedingt aber in vielen Anwendungen einen Schutzmantel aus Fasern mit höherem Reibungsbeiwert, damit die Seile in Klemmen gehalten werden können. Ebenfalls weisen die Fasern einen relativ tiefen Schmelzpunkt auf, verlieren bei Hitze schnell an Festigkeit und haben einen höheren Creep als z.B. LCP- oder Aramid-Fasem. Seile aus HPPE werden wegen der fehlenden Absorbierung der Sturzdynamik nicht im Absturzsicherungsbereich eingesetzt. Unter hohen Belastungen als Seil verflochten kann die Faser durch die Hitzeerzeugung schmelzen und wird auch wegen dem tiefen Schmelzpunkt nicht im Feuerwehreinsatz eingesetzt. Häufig sind die Fasern im Einsatz für Sportanwendungen wie Fallschirmspringen, Kiting oder als Leinen und Kordeln im Racing-Segelsport.

PBO (Zylon) ist eine Faser mit Aramid-ähnlichen Eigenschaften, aber wesentlich höherem Schmelzpunkt und höherer Reissfestigkeit. Diese Fasern weisen die zur Zeit höchste Reissfestigkeit auf. Sie sind aber im Gewicht-Leistungsvergleich den HPPE- Fasern unterlegen. Ebenfalls fällt die Reissfestigkeit bei UV-Bestrahlung sehr schnell ab. Ein tiefer Creep-Faktor macht die Fasern aber im Segelsport als Seile attraktiv, wo eine Dauerbelastung entsteht, also z.B. auch als stehendes Gut. Der extrem hohe Preis und das Problem des Leistungsabfalls bei UV-Bestrahlung als auch das hohe spezifische Gewicht von mehr als 1 ,60 g/cm ³ machen die Faser aber nur für Spezial- anwendungen interessant, wenn z.B. auch eine hohe Schmelztemperatur oder ein tiefer Creep gefordert sind.

Nach der Patentschrift US 5,443,904 ist eine Polyethylen-Faser mit hoher Reissfestigkeit bekannt. Diese Fasern haben ein geringes spezifisches Gewicht. Sie sind aber in der Reissfestigkeit den HPPE-Fasem, die ähnliche Eigenschaften ausweisen, unterlegen. Die geringe Abriebfestigkeit und der tiefe Schmelzpunkt machen die Faser aber unattraktiv für Hochleistungsanwendungen.

Im Patentdokument EP 1 ,335,046-AI wird ein Seil beschrieben, das hochfeste PoIy- ethylen-Fasem mit Reissfestigkeiten von 22 cN/dtex oder mehr enthält. Der tiefe Schmelzpunkt der Fasern bedeutet, dass bei einer Seilkonstruktion unter hoher Last

die Fasern sich erhitzen und dadurch enorm an Festigkeit verlieren oder sogar schmelzen. Ebenfalls weist die Faser einen sehr tiefen Reibungsbeiwert auf, sodass in den meisten Anwendungen ein Schutzmantel nötig ist.

Im Patentdokument JP7238416 wird ein Herstellungsverfahren für eine hochfeste PoIy- ethyien-Faser beschrieben. Die Fasern weisen einen relativ hohen Creep (kalter Fluss) auf, was sich bei vielen Anwendungen unter Dauerlast in einer bleibenden Dehnung negativ auswirkt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein seilartiges Gebilde vorzuschlagen, das Nanotechnologie-Fasern aufweist und dadurch eine stark verbesserte Reissfestigkeit hat.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem seilartiges Gebilde mit Nanotechnologie-Fasern nach Patentanspruch 1 gelöst und mit Verwendungen desselben nach den Patentansprüchen 1 1 bis 13.

Bei der vorliegenden Erfindung geht es nun darum, ein seilartiges Gebilde (ein Saite, eine Kordel oder ein Seil) zu entwickeln, das die besten Eigenschaften der bisherigen Kunststoffaserseile übertrifft. Dies soll mit einem seilartigen Gebilde aus einer mit der Nanotechnologie verstärkten Faser erreicht werden, welches eine höhere Reissfestigkeit, eine geringere Dehnung und einen geringeren Creep als die bisherigen Hochleistungsfaserseile aufweist. Ebenfalls soll eine höhere Schmelztemperatur als jene von HPPE-Seilen und eine bessere UV-Beständigkeit als jene von PBO-Seilen erzielt werden.

Heutige Hochleistungsseile, -saiten, und -kordein werden für den Segelsport als Kernmantelseile hergestellt, für Tennissaiten gedreht und ummantelt und für Flugleinen geflochten. Diese Seile weisen je nach Kombination von Fasern für Kern und Mantel verschiedene Dehnungen und Festigkeiten auf.

Dies ist bei verschiedensten Sportanwendungen von Vorteil, so z.B. bei Tennissaiten,

Kitingleinen, Fallschirmleinen, Segelsportleinen und Tauwerk wenn hohe Reissfestigkeiten entscheidend sind. Je stärker das Seil, die Saite oder die Kordel ist, umso geringer kann der Durchmesser sein und damit das Gewicht und der Luftwiderstand.

Bekannte Tennissaiten sind ca. 1 ,2 - 1 ,5 mm im Durchmesser und werden mit Festigkeiten von ca. 28 daN bespannt. Die Saiten sollen hochabriebfest, dynamisch und reissfest sein.

Eine Nanotechnologie-verstärkte Faser wird eingesetzt, um eine Saite herzustellen, die einen Durchmesser von 0,3 - 0,8 mm aufweist mit einer Festigkeit und einer Dynamik, die der heutigen Bespannungsfestigkeit entspricht und mindestens dieselbe Reisskraft aufweist.

Bekannte Seile für den Segelsport weisen bei einem Durchmesser von 10 mm geflochten mit einem Kern aus HPPE-Fasem von 30 - 33 cN/dtex und einem Mantel aus Polyester eine Reissfestigkeit von 4500 - 6000 daN auf. Die Dehnung liegt bedingt durch die Fasern und die Flechtkonstruktion bei nicht-vorge reckten Seilen bei ca. 3,5 - 4,5 %. Wenn die Seile speziell vorgereckt werden, d.h. die Konstruktionsdehnung herausgezogen wird, beträgt die Dehnung ca. 2,8 - 3,8 %. Der Creep beträgt weniger als 4 %. Beim Einsatz auf einer Winsch oder bei einer extrem hohen, lang andauernden Belastung an der Reisskraftgrenze entwickelt sich im Seil eine Hitze. Der damit verbundene Leistungsabfall beginnt bei ca. 40-60 ⁰ C und der Schmelzpunkt liegt bei ca. 150 °C.

Bekannte Seile für den Segelsport weisen bei einem Durchmesser von 10 mm geflochten mit einem Kern aus LCP-Faserπ von 27 - 30 cN/dtex und einem Mantel aus Polyester eine Reissfestigkeit von 3500 - 5000 daN auf. Die Dehnung liegt bedingt durch die Fasern und die Flechtkonstruktion bei nicht-vorgereckten Seilen bei ca. 3,2 - 4,3 %. Wenn die Seile speziell vorgereckt werden, d.h. die Konstruktionsdehnung heraus gezogen wird, beträgt die Dehnung ca. 2,5 - 3,6 %. Der Creep beträgt weniger als 3 %. Beim Einsatz auf einer Winsch oder bei einer extrem hohen, lang andauernden Belastung an der Reisskraftgrenze entwickelt sich im Seil eine Hitze. Der damit verbundene Leistungsabfall beginnt bei ca. 75 - 90 °C und der Schmelzpunkt liegt bei

ca. 350 °C.

Bekannte Seile für den Segelsport weisen bei einem Durchmesser von 10 mm geflochten mit einem Kern aus PBO-Fasern von 33 - 36 cN/dtex und einem Mantel aus Polyester eine Reissfestigkeit von 4700 - 6300 daN auf. Die Dehnung liegt bedingt durch die Fasern und die Flechtkonstruktion bei nicht-vorgereckten Seilen bei ca. 2,5 - 3,5 %. Wenn die Seile speziell vorgereckt werden, d.h. die Konstruktionsdehnung heraus gezogen wird, beträgt die Dehnung ca. 2,0 - 3,5 %. Der Creep beträgt weniger als 1 %. Beim Einsatz auf einer Winsch oder bei einer extrem hohen, lang andauernden Belastung an der Reisskraftgrenze entwickelt sich im Seil eine Hitze. Der damit verbundene Leistungsabfall beginnt bei ca. 150 ⁰ C und der Schmelzpunkt liegt bei ca. 600 ⁰ C. Ein enormer Nachteil ist der kurzfristig stattfindende und extreme Leistungsabfall bei UV-Bestrahlung.

Bei der Entwicklung der neuen Nanotechnologie-verstärkten Faserseilen geht es darum, ein Seil zu entwickeln, das folgende Werte übertrifft:

Erfindungsgemäss weist ein seilartiges Gebilde bei einem Durchmesser von 10 mm geflochten mit einem Kern aus Nanotechnologie-verstärkten Fasern und einem Mantel aus Polyester eine Reissfestigkeit von mehr als 6500 daN auf. Das seilartige Gebilde als Seil, Saite oder Kordel, besteht aus einer Vielzahl von Fasern, von denen ein Anteil von mindestens 25% als mit Nanoröhrchen verstärkte Fasern sind. Diese so verstärkten Fasern weisen eine Festigkeit grösser als 38 cN/dtex auf und die damit gefertigten seilartigen Gebilde übertreffen dadurch die Reissfestigkeit üblicher Seile, Saiten oder Kordeln. Der Anteil kann aber auch weit mehr als 25 % betragen, was einerseits bezüglich der Reissfestigkeit einen Gewinn darstellt, andererseits aber den Preis ungünstig beeinflusst. Der Anteil an Nanoröhrchen in den mit Nanoröhrchen verstärkten Fasern beträgt 0,3 % bis 20 %. Durch den Anteil Nanoröhrchen-verstärkter Fasern und durch die Wahl weiterer hochfester Fasern kann für jede Anwendung das seilartige Gebilde optimal konzipiert werden. Je nach Pflichtenheft werden die Parameter Reissfestigkeit, Anteil verstärkter Fasern, Anteil weiterer Fasern, Dehnung, Creep, Schmelztemperatur, Dichte und Preis

berücksichtigt.

Die Dehnung liegt bei einem nicht-vorgereckten seilartiges Gebilde bei weniger als 2,5 %. Wenn das seilartige Gebilde speziell vorgereckt wird, d.h. wenn die Konstruktionsdehnung heraus gezogen wird, oder/und mit der Paraloc-Flechttechnologie hergestellt wird, beträgt die Dehnung weniger als 2 %. Der Creep beträgt weniger als 0,9 %. Die Reissfestigkeit der Nanotechnologie-verstärkten Fasern beträgt mehr als 38 cN/dtex. Beim Einsatz auf einer Winsch oder bei einer extrem hohen, lang andauernden Belastung an der Reisskraftgrenze entwickelt sich im Seil eine Hitze. Der damit verbundene Leistungsabfall beginnt bei ca. 100 °C und der Schmelzpunkt liegt bei ca. 350 ⁰ C.

Typischerweise weisen die verstärkten Fasern in einem derartigen seilartigen Gebilde eine Dichte von weniger als 1 ,40 g/cm ³ auf.

überraschenderweise werden die für die Anwender positiven Eigenschaften bisher bekannter Fasern in Faser/Kemmantelseilen erfindungsgemäss in einer einzigen Faser vereint, mit der das seilartige Gebilde, ein Seil, eine Saite oder eine Kordel, hergestellt wird.

Ein' seilartiges Gebilde ^" mit Nanotechnologie-Fasern übertrifft sämtliche bekannten Faserseile in Bezug auf die Reissfestigkeit (also höhere cN/dtex), auch die bisher stärkste Faser PBO (Zylon). Im Weiteren übertrifft das seilartige Gebilde HPPE (Dyneema, Spectra) im höheren Schmelzpunkt und weist einen tieferen Creep und eine geringere Dehnung auf, d.h. eine Reissdehnung von weniger als 2,5 %.

Im Anwendernutzen übertrifft das erfindungsgemässe seilartige Gebilde bisher bekannte Seile, Saiten oder Kordeln als Fall auf einem Segelschiff, als Saite für die Bespannung von Tennisschlägern oder als Kordel für das Kiting.

Ein Ausführungsbeispiel beschreibt ein seilartiges Gebilde als Fall für eine Yacht. Das Fall weist einen Kern von 12 mm Durchmesser auf, dessen Kernfasern zu 90% aus Nanoröhrchen verstärkten Fasern und zu 10% aus Vectran-Fasem bestehen. Der Kern ist von einem Mantel von 1 mm Dicke umgeben, der aus 90% Vectran-Fasem (LCP) und aus 10% Nanoröhrchen verstärkten Fasern besteht. Das seilartige Gebilde ist mit

der Paraloc-Tθchnologie untereinander verflochten. Dieses seilartige Gebilde bzw. das Fall weist somit eine Mindestreissfestigkeit von 6500 daN bei weniger als 2,5 % Dehnung auf.

Nanotechnologie-Fasern werden als seilartige Gebilde verflochten, gedreht, parallel verflochten oder gewirkt zu Seilen, Saiten oder Kordeln hergestellt.

Verwendung finden derartige seilartige Gebilde im Segel- und Wassersport für laufendes aber auch für stehendes Gut. Im Weiteren werden seilartige Gebilde im Flug-, Tennis- und Bergsport verwendet.

In Industrieanwendungen finden sich die seilartigen Gebilde als Lift- und Skiliftkabel und als Sesselbahn- und Kabinenbahnkabel.