Еластичний багатошаровий матеріал, переважно для оболонки надувної повітряної кулі, і спосіб виробництва надувної оболонки

Реферат: Винахід стосується еластичного багатошарового матеріалу, який може бути використаний, зокрема, для оболонки надувної повітряної кулі, аеростата, повітряної камери, вітрила, еластичного сонячного елемента або еластичної антени. Принаймні один шар (11, 13) переважно виготовлений з поліетилену ультрависокої молекулярної маси (UHMWPE) або з поліпропілену ультрависокої молекулярної маси (UHMWPP). Ці шари оточені на кожному з двох боків шаром або плівкою (10, 12; 12, 14) на основі поліетилену або поліпропілену, та з′єднані, причому шари або плівки (10-14), накладені на верхню поверхню одне одного, з можливістю з′єднання одне з одним шляхом нагрівання. Такий шаруватий матеріал є легким та має високу міцність або опір розриву і високий модуль пружності. UA 102997 C2 (12) UA 102997 C2 UA 102997 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід стосується еластичного багатошарового матеріалу, призначеного, зокрема, для оболонки надувної повітряної кулі, аеростату, повітряної камери, вітрила, еластичного сонячного елемента, або еластичної антени, і способу виробництва надувної оболонки. Відомі оболонки для газонаповнених повітряних куль, які використовують, наприклад, для встановлення різних телекомунікацій і/або спостережних платформ у стратосфері (на великих висотах за допомогою повітряних куль). Згадані оболонки виготовлені з матеріалу, який складається з декількох шарів, причому вони містять, наприклад, шари або плівки Mylar (поліетилен терефталат, PET), і застосовують додатковий шар поліетилену чи додаткової поліетиленової плівки. Тут окремі шари пов'язані один з одним за допомогою відповідних клеїв. Оболонку повітряної кулі, взагалі, виготовляють з багатьох смуг, складених с багатошарового матеріалу, які також з'єднані одна з одною шляхом склеювання. Це викликає деякі незручності. В точках склеювання завжди є ризик того, що остання стане нещільною, і внаслідок цього газ, що наповнює повітряну кулю, наприклад, гелій або водень, може витекти. Такі точки склеювання також негативно впливають на еластичність і необхідну високу міцність або на опір розриву оболонки повітряної кулі, крім того, не в останню чергу, вони збільшують вагу оболонки. Особливий фактор ризику становлять точки склеювання для повітряних куль, що підіймаються на висоту 20-30 км (великовисотні повітряні кулі), які піддаються дії екстремальної різниці температур, особливо при температурі - 80 °C. Завданням даного винаходу є створення багатошарового матеріалу, зокрема для оболонки надувної повітряної кулі, а також, наприклад, для аеростатів, парашутів, повітряних камер, вітрил, еластичних сонячних елементів або подібних виробів, який є легким і має високий Εмодуль і високу міцність або опір розриву. Крім того, завданням даного винаходу є створення способу виробництва надувної оболонки, виготовленої з багатошарового матеріалу, який позбавлений недоліків, пов'язаних зі склеюванням окремих шарів і смуг, завдяки чому може бути одержана легка, еластична оболонка, здатна витримувати вплив високого тиску та різних умов, наприклад, працювати, як оболонка повітряної кулі, аеростату, або повітряної камери. Це завдання вирішується у даному винаході шляхом створення багатошарового матеріалу з особливостями, зазначеними у пункті 1, і шляхом створення застосування способу відповідно до пункту 10 формули. Переважні наступні втілення багатошарового матеріалу відповідно до винаходу та способу відповідно до винаходу викладені у залежних пунктах формули. Еластичний багатошаровий матеріал відповідно до винаходу характеризується тим, що принаймні один шар з поліетилену ультрависокої молекулярної маси (UHMWPE) або з поліпропілену ультрависокої молекулярної маси (UHMWPP) має високий опір розриву. Внаслідок того, що цей UHMWPE шар оточений з обох боків шаром або плівкою з поліетилену (або UHMWPP шар відповідним шаром або плівкою з поліпропілену), шари або плівки, накладені на верхню поверхню один одного, можуть бути з'єднані один з одним просто шляхом нагрівання без необхідності використання клеїв. Згідно способу відповідно до винаходу надувну оболонку, наприклад оболонку повітряної кулі, може бути сформовано навколо надутого шаблону, по суті, подібного до "резервуару високого тиску", окремі шари або плівки накладають один на одного і потім нагрівають за допомогою нагрівального ролика, і таким чином виконують з'єднання шарів одного з одним. Переважно, шари або плівки є намотаними і накатаними на надувний шаблон оболонки у формі котушки та нахлистом. Більш прийнятно, шари або плівки є накатаними на шаблон оболонки, що обертається відносно його поздовжньої осі за допомогою ролика, що рухається по шаблону оболонки, нагрівальний ролик також рухається по обертовому шаблону оболонки. Після виготовлення оболонки її шаблон звільняють від повітря і витягують з оболонки через передбачений для цього зачиняємий отвір. Далі винахід буде пояснено більш докладно за допомогою креслень. Останні схематично показують наступне: Фіг. 1 переважне втілення структури та складу шару багатошарового матеріалу відповідно до винаходу; Фіг. 2 збільшений частковий поперечний переріз багатошарового матеріалу відповідно до винаходу; Фіг. 3 пристосування для виробництва надувної оболонки повітряної кулі, виготовленої з багатошарового матеріалу відповідно до винаходу; і Фіг. 4 вид спереду на вітрило, виготовлене з багатошарового матеріалу відповідно до винаходу. 1 UA 102997 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг. 1 схематично показано, які шари, відповідно до винаходу, можуть входити до складу еластичного багатошарового матеріалу, призначеного, наприклад, для оболонки надувної повітряної кулі або аеростату. Переважне втілення визначено п'ятьма шарами 10-14. Перший шар 10, який має формувати внутрішню частину повітряної кулі, сформований на плівці на основі етилену, наприклад, етилен вінілового спирту (EVOH), товщина якого складає приблизно 5-20 мкм. На цей перший шар або плівку 10 накладено шар 11 з поліетилену ультрависокої молекулярної маси (UHMWPE), це може бути, наприклад, доступний для придбання матеріал, виготовлений з волокон, ниток або подібних елементів, такий як Dyneema або Spectra. Між цим шаром 11 і наступним UHMWPE шаром 13, також переважно виготовленим з Dyneema волокон або ниток, розташовано проміжний шар 12 з поліетилену низької щільності (LLPPE), товщина якого складає приблизно 8 мкм. Другий UHMWPE шар 13 має, нарешті, бути покритим наступною LDPE поліетиленовою плівкою 14, яка може бути забезпечена на зовнішньому боці алюмінієвим захисним шаром. Крім того, на внутрішній частині повітряної кулі внутрішній шар 10 може бути забезпечений додатковим порошковим покриттям на нанорівні шляхом використання плазми або подібного. Через наявність двох UHMWPE шарів 11, 13 досягається дуже висока міцність або опір розриву матеріалу, зокрема, якщо волокна або нитки одного UHMWPE шару 11 простягаються перпендикулярно до волокон або ниток іншого UHMWPE шару 13, як показано на фіг. 1. Теоретично, однак, в якості зміцнюючого елемента може бути використаний лише один UHMWPE шар. Ці волокна або нитки можуть бути поверхнево оброблені, наприклад з використанням плазмового методу, але це не є обов'язковим. Ці шари 13 виготовлені з декількох прядок волокон або ниток, настелених окремо одна поряд з одною на однаковій відстані, і які є відповідно складеними з множини окремих волокон. Ці нитки мають певну вагу 50-2300 г/10000 м. Для цієї заявки переважно використовують нитки з вагою 110 г/10000 м. З 2 волокнами Dyneema досягається середнє значення стійкості 2000 Н/мм (навантаження розтягу). Внаслідок того, що цей принаймні один UHMWPE шар оточений на кожному з двох боків шаром або плівкою, виготовленою з поліетилену, шари або плівки, накладені на верхню поверхню один одного, можуть бути з'єднані один з одним просто шляхом нагрівання без необхідності використання клеїв або полімерних сумішей. При цьому шари нагрівають до температури трохи нижче точки плавлення, переважно 60-90 °C і утримують у стиснутому стані. Більш прийнятно у якості поліетиленових плівок використовувати стрейчеві плівки, за допомогою яких відбувається аутогезія (Selbsthaftung) вже після з'єднання з шаром 13, виготовленим з волокон або ниток. Замість UHMWPE. відповідно шари 11, 13 може формувати поліпропілен ультрависокої молекулярної маси (UHMWPP), у цьому випадку замість звичайних поліетиленових шарів або плівок необхідно використовувати поліпропіленові (пропіленові) шари або плівки. Поліпропілен є особливо придатним для застосування в умовах температур природного середовища, оскільки поліпропілен може використовуватись лише при температурах до приблизно -20 °C. На фіг. 2 збільшено показано поперечний переріз, зокрема, через шар 13 з волокнами або нитками 13’. Ці нитки 13’, які, відповідно, мають діаметр у межах мікрометру, упорядковані так, що вони розташовані приблизно в ряд, не лежать одна над одною, і паралельно одна до одної так, щоб кожна окрема нитка 13’ була пов'язана з обох боків з відповідною плівкою 12, 14. Таке розташування приводить до виникнення оптимального цілісного поверхневого зв'язку між плівкою і волокнами або нитками. З цією метою нитки, які взагалі постачаються у групах, відокремлюють одну від одної та вирівнюють так, щоб формувати приблизно єдиний ряд шарів 13 перед їх об'єднанням разом з плівками під час зліплювання. З посиланням на фіг. 3 розкривається приклад оболонки повітряної кулі, виготовленої з багатошарового матеріалу, описаного вище. Фіг. 3 показує пристосування 20 з шаблоном оболонки 21, який відповідає зовнішній формі оболонки повітряної кулі, що буде виготовлена, переважно, у надутому до аеродинамічної форми стані. Шаблон оболонки 21 виготовлений, переважно, з матеріалу, який не може сплавлятися з поліетиленом, зокрема, з текстилю. Шаблон оболонки 21 встановлений у пристосування 20 так, що він обертається відносно його поздовжньої осі "а". Відповідно до винаходу перший шар 10, переважно сформований з газонепроникної плівки на основі етилен вінілового спирту (EVOH), передусім намотують на надутий шаблон оболонки 21 з формуванням котушки та нахлистом, для чого передбачений ролик 22, який рухається по шаблону оболонки 21. Після цього за допомогою нагрівального ролика 24, який також рухається по шаблону оболонки 21, та магнітозахоплюючого протиролика 25, встановленого всередині шаблону оболонки 21, перший шар 10 нагрівається, а накладені частини плівки з'єднуються 2 UA 102997 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 одна з одною і таким чином створюють газонепроникне з'єднання одного з одним. Більш прийнятно, з'єднані разом плівки негайно після цього охолоджують, щоб молекулярна структура волокон не змінилася. Потім наступні шари або плівки накатують окремо один за одним на шаблон оболонки. Тут два UHMWPE або Dyneema шари 11, 13 є намотаними так, що волокна або нитки цих двох шарів простягають назустріч одне одному, упорядковано по відношенню до поздовжньої або поперечної осі шаблону оболонки 21. З цією метою вісь обертання шаблону оболонки 21 може у всіх випадках бути розташованою під кутом до напрямку переміщення рухомого ролика 22. Після того, як останній шар поліетиленової плівки 14 накатають на оболонку, всі шари 10-14 з'єднують між собою шляхом нагрівання за допомогою нагрівального ролика 24 так, щоб модель "цільного резервуару високого тиску" була сформована навколо надутого шаблону оболонки 21. Після завершення процесу виготовлення оболонки повітряної кулі з шаблону оболонки 21 випускають повітря і витягують його через передбачений для цього зачиняємий отвір 26. Перед звільненням від повітря шаблону оболонки 21 і його витяганням з оболонки, яку формують, до оболонки повітряної кулі може бути приклеєний, переважно за допомогою акрилового клею 966, додатковий тефлоновий шар (FEP) як захист від ультрафіолетового опромінювання. Оболонка повітряної кулі, виготовлена відповідно до винаходу, є тонкою і легкою, і при цьому може витримувати екстремально високі стискуючі навантаження, навіть при перемінних умовах. Корисно, коли окремі плівки можуть бути з'єднані з суміщеннями у різних точках так, щоб оболонка мала різну міцність у різних точках. Завдяки таким властивостям оболонки повітряна куля може здійматися на більші висоти, ніж це можливо з оболонкою повітряної кулі, виготовленої за традиційним способом. Також можуть бути виготовлені подібні до оболонок повітряної кулі оболонки аеростату або повітряної камери. Для оболонки повітряної камери перший шар, на який наносять наступні шари або плівки, більш прийнятно формувати шляхом нанесення покриття алюмінієм на поліетиленову плівку з боку відповідної внутрішньої частини оболонки повітряної камери. Завдяки використанню багатошарового матеріалу відповідно до винаходу, можна застосовувати більш високий тиск, при цьому повітряна камера залишається досить еластичною під дією ударного навантаження завдяки високому значенню модуля Ε матеріалу оболонки. Крім оболонок, відповідно до винаходу, також можуть бути виготовлені такі вироби, як вітрила, еластичні сонячні елементи, еластичні антени тощо. Залежно від форми виробу, який буде виготовлено, перший шар або плівку наносять безпосередньо на поверхню шаблону або на одну наявну відповідну негативну форму, наприклад, втягнуту, перед наступними шарами, серед яких, знову ж таки, принаймні один виготовляють з UHMWPE або UHMWPP, і з'єднують один з одним шляхом нагрівання. У тому випадку, коли виготовляють вітрило, корисно один з шарів, сусідніх з UHMWPE шаром, виготовити з нейлону 66, покритого поліетиленом (РЕ) з метою підвищення його міцності. При цьому таке вітрило є значно легшим за звичайні вітрила, виготовлені з нейлону, а тому є більш досконалим при керуванні ним. Крім того, завдяки матеріалу відповідно до винаходу, може бути вирішена проблема з вітрилом 30, показана на фіг. 4. Так, дотепер завжди у точках з'єднання, забезпечених отворами для засобів кріплення, ініціювався процес їх розривання. Згідно ж з винаходом, волокна або нитки 31 з UHMWPE або UHMWPP шару або шарів з тканин, які виступають за межі верхніх поверхонь один одного або з'єднані один з одним, використовують в якості засобів кріплення вітрила 30. Волокна або нитки 31 можуть бути сформовані, наприклад, у петлі 32, з яких ці волокна або нитки 31 пропускають назовні з вітрила і заводять назад до вітрила, як показано за ниткою 33, 33’, 3’’. Тому зусилля переміщення від вітрила 30 до відповідних шнурів та їх утримання є оптимальними. В частині, що виступає з вітрила, ці нитки можуть, наприклад, бути сплетені із зовнішнім боком вітрила. Крім того, волокна або нитки також можуть бути застосовані і у поперечному напрямку. Багатошаровий матеріал, відповідно до винаходу, може бути використаний також для виготовлення куленепробивних елементів обшивок, еластичних сонячних елементів і батарей, куленепробивного покриття для гелікоптерів, еластичних труб, балонів з катетерами високого тиску для отворів артеріосклеротичних судин у хірургічній галузі, тощо. Таким чином, відповідний шар волокон або ниток може бути складений з різних синтетичних матеріалів, наприклад, UHMWPE і UHMWPP так, щоб один бік шару, виготовленого з волокон або ниток міг бути з'єднаним з протилежним боком шару або плівки з іншого матеріалу шляхом їх нагрівання. 3 UA 102997 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1. Еластичний багатошаровий матеріал, переважно для оболонки надувної повітряної кулі, аеростата, повітряної камери, вітрила, еластичного сонячного елемента, еластичної антени, що містить принаймні один шар (11, 13), виготовлений з синтетичних волокон або ниток з високим опором розриву, з'єднаний із щонайменше одним існуючим шаром або з плівкою (10, 12; 12, 14), який відрізняється тим, що принаймні один шар або плівка (10, 12; 12, 14) з'єднаний із шаром (11, 13) шляхом нагрівання. 2. Еластичний багатошаровий матеріал за п. 1, який відрізняється тим, що волокна або нитки шару (11, 13) виготовлені з поліетилену ультрависокої молекулярної маси (UHMWPE) та оточені на кожній з двох поверхонь шаром або плівкою (10, 12; 12, 14) на основі поліетилену, або етилену з можливістю їх з'єднання з останнім шляхом нагрівання. 3. Еластичний багатошаровий матеріал за п. 1, який відрізняється тим, що волокна або нитки шару (11, 13) виготовлені з поліпропілену ультрависокої молекулярної маси (UHMWPP) та оточені на кожній з двох поверхонь шаром або плівкою (10, 12; 12, 14) на основі поліпропілену, або пропілену з можливістю їх з'єднання з останнім шляхом нагрівання. 4. Еластичний багатошаровий матеріал за п. 2, який відрізняється тим, що два UHMWPE шари (11, 13) забезпечені спільним проміжним шаром, сформованим поліетиленовою плівкою (12), або два UHMWPP шари забезпечені спільним проміжним шаром, виготовленим з поліпропілену. 5. Еластичний багатошаровий матеріал за п. 2, який відрізняється тим, що в як UHMWPE шари (11, 13), зокрема використані волокна Dyneema, волокна або нитки одного UHMWPE шару (11) спрямовані перпендикулярно до волокон або ниток іншого UHMWPE шару (13). 6. Еластичний багатошаровий матеріал за будь-яким з пунктів 1-5, який відрізняється тим, що шар (11, 13) є відповідним чином сформованим з декількох прядок волокон або ниток (13'), настелених одна поряд з одною, які відповідним чином складені з множини окремих волокон або ниток (13'). 7. Еластичний багатошаровий матеріал за будь-яким з пунктів 1-6, який відрізняється тим, що нитки (13') шару (11, 13), які відповідно мають величину діаметра у мікрометричному діапазоні, упорядковані так, що вони розташовані приблизно в ряд одна відносно одної, не лежать одна над одною, так, що після нагрівання майже кожна окрема нитка (13') з'єднана з обох боків з відповідною плівкою (12, 14). 8. Еластичний багатошаровий матеріал за п. 2, зокрема, для оболонки повітряної кулі або аеростата, який відрізняється тим, що перший шар (10), що утворює внутрішню частину оболонки повітряної кулі, сформований на плівці на основі етилену (EVOH), на який накладено один UHMWPE шар (11), виконаний з волокон або ниток Dyneema, а на цей UHMWPE шар (11) накладено проміжний шар або плівку (12), виготовлену з поліетилену низької щільності (LDPE), і на останній накладено інший UHMWPE шар (13), виготовлений з волокон або ниток Dyneema, а останній закритий поліетиленовою плівкою (14), яка на зовнішньому боці покрита алюмінієм. 9. Еластичний багатошаровий матеріал за п. 8, який відрізняється тим, що до поліетиленової плівки (14), покритої на зовнішньому боці алюмінієм, після з'єднання всіх шарів або плівок (1014) шляхом нагрівання, приклеєний додатковий тефлоновий шар (FEP), за допомогою, переважно, акрилового клею 966. 10. Еластичний багатошаровий матеріал за будь-яким з пунктів 1-3, зокрема, для оболонки повітряної камери, який відрізняється тим, що перший шар, призначений для його покриття наступними шарами чи плівкою, сформований на поліетиленовій плівці, на боці, що відповідає внутрішній поверхні оболонки повітряної камери, має покриття з підготовленого на нанорівні порошкового алюмінію. 11. Еластичний багатошаровий матеріал за будь-яким з пунктів 1-3, зокрема, для вітрил, який відрізняється тим, що волокна або нитки (31) з UHMWPE і/або UHMWPP шару або шарів, які виступають за межі тканинних шарів, розташованих на верхніх поверхнях з'єднаних шарів, які утворюють поверхню вітрила (30), та виконані з можливістю використання як засобів кріплення вітрила. 12. Еластичний багатошаровий матеріал за п. 11, який відрізняється тим, що один з шарів, сусідніх з UHMWPE шаром, виготовлений з нейлону 66, покритого поліетиленом (РЕ). 13. Еластичний багатошаровий матеріал за будь-яким з пунктів 1-12, який відрізняється тим, що шари або плівки (10-14), накладені на верхню поверхню одне одного, виконані з можливістю з'єднання одне з одним шляхом нагрівання до температури приблизно 60-90 °С під дією контактного тиску. 4 UA 102997 C2 5 10 15 20 25 30 14. Еластичний багатошаровий матеріал за п. 1, який відрізняється тим, що шар волокон або ниток складений з різних синтетичних матеріалів, наприклад UHMWPE і UHMWPP, так, що один бік шару, виготовленого з волокон або ниток, виконано з можливістю з'єднання з протилежним боком шару або плівки з подібного матеріалу шляхом нагрівання. 15. Еластичний багатошаровий матеріал за будь-яким з пунктів 1-14, який відрізняється тим, що як поліетиленова плівка, зокрема, використана стрейчева плівка, за допомогою якої відбувається злипання вже після з'єднання з шаром 13, виготовленим з волокон або ниток. 16. Спосіб виробництва надувної оболонки, переважно оболонки повітряної кулі, аеростата, повітряної камери, виготовленої з еластичного багатошарового матеріалу за будь-яким з пунктів 1-9, який відрізняється тим, що перший шар або плівку, виготовлену з поліетилену або поліпропілену, намотують на шаблон оболонки (21), надутий до бажаної форми повітряної кулі, аеростата, повітряної камери, виготовлений з матеріалу, що виконаний з можливістю не сплавлятись з поліетиленом або поліпропіленом, переважно з текстилю, після чого наступні шари або плівки окремо намотують один за одним на шаблон оболонки (21), а потім шари або плівки нагрівають за допомогою нагрівального ролика (24) і у такий спосіб з'єднують їх один з одним, формуючи повітряну кулю, аеростат або повітряну камеру, що охоплює шаблон оболонки (21), після чого шаблон оболонки опорожнюють і витягують назовні з завершеної оболонки. 17. Спосіб за п. 16, який відрізняється тим, що шари або плівки намотують і накатують на надутий шаблон оболонки (21) з формуванням котушки та внахльост. 18. Спосіб за п. 17, який відрізняється тим, що шари або плівки накатують на шаблон оболонки (21), який обертають відносно його осі (а) за допомогою ролика (22), що рухають по шаблону оболонки (21), а нагрівальний ролик (24) також рухають по обертовому шаблону оболонки (21) для нагрівання шарів або плівок. 19. Спосіб за будь-яким з пунктів 16-18, який відрізняється тим, що вже після намотування першої плівки накладені частини плівки з'єднують одна з одною до утворення газонепроникного з'єднання шляхом нагрівання. 20. Спосіб за будь-яким з пунктів 18-19, який відрізняється тим, що матеріали двох UHMWPE або Dyneema шарів, волокна або нитки яких простягають назустріч одне одному, намотують або накатують під кутом до осі обертання ("а") шаблона оболонки (21), а вісь обертання ("а") шаблона оболонки розташовують під кутом до напрямку переміщення рухомого ролика (22). 21. Спосіб за будь-яким з пунктів 16-20, який відрізняється тим, що шари або плівки охолоджують негайно після нагрівання. 5 UA 102997 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6