DE10044375A1 - Infrarotwirksame Beschichtung sowie mit dieser Beschichtung, wenigstens teilweise überzogene Gegenstände - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine infrarotwirksame Beschichtung, die in einem fließfähigen Zustand die Konsistenz eines lackartigen Anstriches aufweist, selbstaushärtend ist und auf Oberflächen bzw. inneren Oberflächen von Gegenständen in Art einer Schicht mittels Pinsel-, Spachtel- oder Sprühtechnik aufbringbar ist und für Wellenlängen lambda > 600 nm eine Emissionszahl epsilon < 0,2 aufweisen. Ferner werden Gegenstände beschrieben, deren Oberflächen zumindest teilweise mit der infrarotwirksamen Beschichtung versehen sind.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine infrarotwirksame Beschichtung sowie auf Gegenstände, die mit dieser Beschichtung überzogen sind, vornehmlich Gegenstände, die für den Einsatz auf dem Bausektor geeignet sind.

Stand der Technik

Der Wunsch nach Energieeinsparung bzw. Reduzierung des Energieverlustes spielt in allen technischen Bereichen, und insbesondere im Bauwesen eine zunehmend große Rolle, zumal die Ansprüche an die thermische Behaglichkeit der von Menschen genutzten Räumen stets zunehmen, die Ressourcen knapper werden und überdies die Energiekosten zur Erschaffung eines für den Menschen angenehmen Wohn- und Raumklimas unentwegt steigen. Um diesen Wünschen gerecht zu werden, werden stets Verbesserungen an den Wärmeschutz raumumschließender Bauteile und Optimierung der Raumtemperatur angestrebt.

Grundsätzlich ist dieses Ziel durch Beeinflussung des Wärmeübergangskoeffizienten α jenseits der Bauteile zu erreichen. α setzt sich aus einem konvektiven Anteil α_K und einem strahlungsbedingten Anteil α_S zusammen. Während α_K im Wesentlichen durch die Strömungsverhältnisse bestimmt wird, die an den Grenzflächen vorherrschen, berücksichtigt α_S vornehmlich den langwelligen Strahlungsaustausch, mit der Umgebung. α_S hängt jedoch direkt proportional vom Emissionsgrad ε (Emissionszahl) der Bauteiloberfläche ab, über die der Wärmeübergang erfolgt. Werden diese Oberflächen mit infrarotwirksamen Materialien beschichtet, d. h. Materialien mit sehr geringer langweiliger Strahlungsemissionszahl, so kann deren Strahlungsemission entscheidend beeinflusst werden.

Optimierungen an Gebäudehüllen beispielsweise Dach- oder Wandbauteilen, die einen Innenraum von einem Außenraum trennen, können durch gezielte Reduzierung ihres Wärmedurchgangskoeffizienten (k-Wert) vorgenommen werden. Der k-Wert ist nebst unten stehender Legende aus nachfolgender Formel zu entnehmen.

1/α_i Wärmeübergangswiderstand im Innenraum (Warmseite)
1/α_a Wärmeübergangswiderstand im Außenraum (Kaltseite)
1/∧ Wärmedurchlaßwiderstand des Bauteils

Die in oben stehender Formel auftretenden Kenngrößen α_i und α_a entsprechen jeweils dem Wärmeübergangskoeffizienten der Luft auf beiden Seiten des Bauteils, bei dem ein Energiestrom von der Warm- zur Kaltseite bzw. von innen nach außen hindurchgerichtet ist. Eine schematische Darstellung des strahlungsbedingten und konvektiven Wärmeübergangs auf der Außen- und Innenoberfläche eines Bauteils ist aus Fig. 3 zu entnehmen. An der Außenseite des Bauteils, das in Fig. 3 im Querschnitt dargestellt ist und eine Schraffur aufweist, überwiegt dort im Winter aufgrund des stets auftretenden Windes der konvektive Wärmeübergang α_K gegenüber dem strahlungsbedingten Wärmeübergang α_S. Anders stellen sich die Verhältnisse für den Innenraum im Winter und für den äußeren Wärmeübergang im Sommer dar, wo der konvektive und strahlungsbedingte Anteil an der Wärmeübertragung in etwa gleich groß sind.

Möchte man nun, wie bereits vorstehend erläutert, den Wärmedurchgangskoeffizient (k-Wert) eines Bauteils reduzieren, so zeigt sich aufgrund theoretischer Überlegungen, dass in gleicher Weise die Wärmeübergangskoeffizienten α und hierbei insbesondere α_S zu reduzieren sind. Dies wiederum bedeutet, dass eine Minderung des Wärmedurchgangskoeffizienten k beispielsweise durch ein Bauteil auch durch die Unterbindung bzw. Reduzierung des langwelligen Strahlungsaustausches zwischen den jeweiligen am Wärmeübergang beteiligten Körperoberflächen möglich ist. Dies wird wie bereits oben ausgeführt erreicht, wenn die Oberflächen mit infrarotwirksamen Materialien beschichtet werden.

Derartige Materialien mit geringen Strahlungsemissionszahlen sind aus der Literatur bekannt:

• - Gertis, K. und Erhorn, H.: Infrarotwirksame Schichten zur Energieeinsparung bei Gebäuden. Gesundheits-Ingenieur 103 (1982), H. 1, S. 20-24 und 33-34;
• - Kälin, R. und Kneubühl, F.: Die Verminderung des Wärmeverbrauches durch Infrarot-Verspiegelung von Fenstern, Fassaden und Dächern. Gesundheits- Ingenieur 98 (1977), H. 9, S 244-251;
• - Finger, G. et al.: Verbesserung des Energiehaushaltes von Gebäuden durch Verminderung der Wärmestrahlung von Fenstern und Fassaden. Schweizer Ingenieur und Architekt 17 (1979), H. 7, S. 287-294
• - Gubareff, G. G.; Janssen, J. E. und Torborg, R. H.: Thermal Radiation Properties Survey. A review of the Literature. Second edition. Honeywell Research Center, Minneapolis, Minnesota (1960))

Insbesondere handelt es sich bei diesen Materialien um eine Reihe von Metallen, Metalloxyden, Kunststoffen und viele andere organische wie auch anorganische Substanzen. Aus dem Diagramm gemäß Fig. 2 sind die Emissionszahlen verschiedener Materialien in der Abhängigkeit von der Wellenlänge entnehmbar. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass für eine infrarotwirksame Beschichtung von Oberflächen nur eine kleine Anzahl der genannten Materialien, Metalle, Metallverbindungen, Kunststoffe und organische Lösungsmittel in Frage kommen.

Unter Verwendung derartiger Materialien werden an sich in bekannter Weise zur infrarotwirksamen Behandlung Oberflächen, Hohlräume, Spalten und Poren etc. technischer Gegenstände mit entsprechenden infrarotwirksamen Materialschichten versehen. So wird beispielsweise in der Glasindustrie die vorstehende Maßnahme zur Verbesserung der Wärmedämmung von Isoliergläsern angewandt, wie es beispielsweise aus "Gläser, J.: Verbesserung der Wärmedämmung bei Isoliergläsern. Glastechnische Berichte 50 (1977), H. 10, S. 248-256, hervorgeht. Auch ist der Einsatz von infrarotreflektierenden Schichten auf Folien oder Platten bekannt. Beispielsweise werden Tapeten mit infrarotwirksamen Schichtmaterialien überzogen, wie es z. B. aus den folgenden Artikeln entnehmbar ist:

• - McIntyre, D. A. und Brailsford, J. R.: Wallpapers to cut the heating bills. Building Research and Practice (1975), H. 3, S. 88-95;
• - Weimar, R. J.; Hoffmann, A. und Leers, K. J.: Auswirkung wärmereflektierender Wand- und Deckbeläge auf die Behaglichkeit und Energieverbrauch. Elektrowärme 39 (1981), H. 2, S. A81-A90;
• - Kast, W. und Klan, H.: Energieeinsparung durch infrarotreflektierende Tapeten. Gesundheits-Ingenieur 104 (1983), H. 4, S. 181-197.

Alle bekannten Maßnahmen zur Reduzierung des Wärmeüberganges mit Hilfe infrarotwirksamer Materialien sind mit kostenaufwendigen Herstell- und Verarbeitungsverfahren verbunden und sind nur für speziellen Anwendungen geeignet.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine infrarotwirksame Beschichtung anzugeben, die technisch einfach herstellbar ist und insbesondere mit beliebigen technischen Oberflächen, Hohlräumen, Spalten oder Poren in Verbindung gebracht werden kann. Insbesondere soll das infrarotwirksame Beschichtungsmaterial in der Lage sein keine oder nur geringe langweilige Strahlung zu emittieren. Überdies sollen Gegenstände zum Einsatz im Bauwesen, insbesondere zur Errichtung von Bauteilen angegeben werden, die mit der infrarotwirksamen Beschichtung versehen sind und über besonders bevorzugte, reduzierte Wärmeübergangs- und damit auch Wärmedurchgangskoeffizienten verfügen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 sowie Anspruch 6 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Beschichtung weist in einem fließfähigen Zustand die Konsistenz eines lackartigen Anstriches auf, ist selbst aushärtend und auf inneren sowie äußeren Oberflächen, in Hohlräumen und Spalten wie auch in den Poren von Körpern in Art einer Schicht mittels Pinsel, Spachtel- oder Sprühtechnik aufbringbar. Überdies weist die infrarotwirksame Beschichtung für Wellenlängen größer 600 nm eine Emissionszahl ε < 2 auf.

Das Beschichtungsmaterial besteht vorzugsweise aus einer Mischung aus Partikeln aus Metall- und/oder Metallverbindungen, Kunststoffmaterial sowie organischen oder anorganischen Lösungsmittel. Insbesondere bestehen die infrarotwirksamen Partikel aus blankem Aluminium, die im nichtoxidierten Zustand mit einer Kautschukmasse und unter Zugabe eines organischen Lösungsmittels zu einem aluminium- pigmentierten Anstrich vermengt sind. Der aluminium-pigmentierte Kautschukanstrich weist vorzugsweise folgende Zusammensetzungsverhältnisse auf: 1 g Bung-Kautschuk, 25 ml Tetrahydrofuran sowie 8 g nicht oxydiertem blankem Aluminiumpulver.

Ein derartig zusammengesetzter aluminium-pigmentierter Kautschukanstrich weist in Abhängigkeit der Bauteiloberflächentemperatur besonders geringe Emissionszahlen ε auf, wie sie aus Fig. 4a in Diagrammdarstellung zu entnehmen sind. Die in dem Diagramm gemäß Fig. 4a durchgehend eingezeichnete Linie entspricht einer Messung der vorstehend bezeichneten infraroten Beschichtung ohne Staubschicht. Die gestrichelt eingezeichnete Linie im Diagramm gemäß Fig. 4a entspricht einer Messung mit Staub. In Fig. 4b ist eine Diagrammdarstellung angegeben, die Messungen der Emissionszahlen in Abhängigkeit des Ausstrahlwinkels wiedergeben.

Besonders gute Ergebnisse mit dem erfindungsgemäßen infrarotwirksamen Schichtmaterial können erzielt werden, wenn der Anstrich an Gegenständen aufgebracht wird, die in sich oder mit wenigstens einem weiteren Gegenstand einen wenigstens teilweise umschlossenen Hohlraum oder einen Spalt vorsehen, bei dem die den Hohlraum oder Spalt eingrenzende Oberflächen mit dem infrarotwirksamen Beschichtungsmaterial flächig versiegelt sind. Die Auswirkung der infrarotwirksamen Beschichtung ist dann am wirkungsvollsten, wenn die Hohlräume bzw. die Spalte luftdicht abgeschlossen sind, so dass dort konvektiv keine oder infolge der Eigenkonvektion nur wenig Wärme übertragen wird. In diesem Fall erfolgt der Wärmeübergang fast ausschließlich durch Strahlung, so dass gerade an jenen Oberflächenbereichen, die im luftdicht abgeschlossenen Hohlraum gegenüberliegen, das Anbringen der erfindungsgemäßen infrarotwirksamen Schicht eine besonders hohe Wirksamkeit erfährt.

Derartig ausgebildete Gegenstände sind unter Bezugnahme auf die Fig. 1a-d dargestellt. In Fig. 1a ist der Querschnitt eines Gegenstandes dargestellt, der einen vollständig umschlossenen Hohlraum 1 vorsieht. Die Oberflächen des Hohlraumes sind dabei mit der infrarotwirksamen Beschichtung 2 versiegelt. In Fig. 1b weist der Hohlraum 1 einen elliptischen Querschnitt auf und ist ebenso inwändig mit der infrarotwirksamen Beschichtung 2 überzogen. In den Fig. 1c und d sind Spalträume 3 dargestellt, die an den beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen, die den Spalt 3 eingrenzen, mit der erfindungsgemäß ausgebildeten infrarotwirksamen Beschichtung 2 versiegelt sind. Ähnlich können auch die in einem Körper befindlichen Poren behandelt werden.

In Fig. 5a, b sind Hohlblockbausteine abgebildet, wie sie vielfach auf dem Bausektor zum Errichten von Wänden eingesetzt werden. Die Hohlblockbausteine bestehen üblicherweise aus Ziegel, Bimskalkstein oder Leichbetonmaterial und schließen in sich Hohlkammern ein. Erfindungsgemäß sind die Hohlblockbausteine inwändig in ihren Hohlkammern 3 mit der infrarotwirksamen Beschichtung 2 ausgekleidet, um den strahlungsbedingten Wärmeübergang gezielt zu reduzieren. Versuche haben gezeigt, dass derartig, mit einer infrarotwirksamen Beschichtung versehene Hohlblockbausteine Wärmedämmungseigenschaften aufweisen, die um 26% besser sind als üblicherweise verwendete Hohlblocksbausteine ohne eine derartige infrarotwirksamen Beschichtung. Auch die Behandlung der äußeren Oberflächen sowie der Materialporen der Hohlblocksteinen mit der Beschichtung gemäß der Erfindung ist möglich.

Die erfindungsgemäß ausgebildete infrarotwirksame Beschichtung kann grundsätzlich auf allen Oberflächen, in allen Hohlräumen, Spalten und Poren jeglicher Form und Geometrie aufgebracht werden und dies mit Hilfe üblicher Sprüh- Spachtel- oder Pinseltechnik. Sie ist besonders wirksam, wenn sie Oberflächen von Hohlräumen oder Spalten umschließt. Dies gilt einerseits für die vorstehend bereits erwähnten Hohlblockbausteine, wie sie zum Errichten von Bauteilen auf dem Bausektor verwendet werden. Auch ist es möglich, Zwischenräume von mehrschaligen Bauteilen wie Böden, Türen, Rolladenkästen, Fertigbauteile, Decken, Wänden, Panelendoppelfassaden etc. mit der beschriebenen infrarotwirksamen Beschichtung zu versehen.

Folgende Eigenschaften weist der aluminium-pigmentierte Kautschukanstrich auf: Die Emissionszahl bleibt bei fast allen Messtemperaturen im Bereich zwischen 20°C bis 100°C nahezu konstant und zeigt damit praktisch keine Temperaturabhängigkeit.

Der Anstrich haftet gut auf jeglichem Trägermaterial und gibt ihm unabhängig von seiner Oberflächenbeschaffenheit eine glatte und gleichmäßige Oberflächenstruktur. Der Kautschukanstrich blättert in seiner festen Form nicht ab und verfügt über eine hohe Reibfestigkeit.

Befeuchtungen des Anstriches sowie starke Temperaturschwankungen beeinflussen die Wirksamkeit des Wärmeübergangsverhaltens durch den Anstrich nahezu nicht.

Eine Korrosionsgefahr des blanken Aluminiumpulvers besteht nicht, da dies durch den Bung-Kautschuk geschützt ist.

Bei Hohlblockbausteinen und Fertigbauteilen im Bauwesen kann die Beschichtung bereits bei der Produktion aufgebracht werden.

Auch im Automobilbereich und in anderen Bereichen der Technik kann die Anbringung der erfindungsgemäßen Beschichtung bereits während der Produktion erfolgen.

In Hohl- und Zwischenräumen die von Außen zugänglich sind, ist eine nachträgliche Beschichtung der Oberflächen ohne großen Aufwand mit Hilfe der vorstehend genannten Aufbringtechniken möglich.

Neben der Sprüh- und Spachteltechnik, mit der die Beschichtung auf eine Oberfläche aufgebracht werden kann, ermöglicht die im fließfähigen Zustand befindliche Beschichtung auch den Auftrag durch bloßen Pinselanstrich.

Die Materialkosten zur Herstellung des Beschichtungsmaterials sowie die notwendige Schichtdicke sind sehr gering. Zudem ist die Schicht leicht und benötigt wenig Platz.

Da die vorbeschriebene Beschichtung eine Art Anstrich darstellt, kann sie ohne spezielle Geräte mit handelsüblichen Werkzeugen auf die Oberfläche aufgebracht werden. Es ist aber auch möglich, sie als Sprühgas oder als Film herzustellen.

Claims (12)

1. Infrarotwirksame Beschichtung, die in einem fließfähigem Zustand die Konsistenz eines lackartigen Anstriches aufweist, selbstaushärtend und auf inneren sowie äußeren Oberflächen, wie etwa in Hohlräumen, Spalten und Poren von Gegenständen in Art einer Schicht mittels Spachtel- oder Sprühtechnik oder Pinselaufstrich aufbringbar ist und für Wellenlängen λ < 600 nm eine Emissionszahl ε < 0,2 aufweist.

2. Infrarotwirksame Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial eine Mischung aus Partikeln aus Metall- und/oder Metallverbindungen, Kunststoffmaterial sowie organischem oder anorganischem Lösungsmittel aufweist.

3. Infrarotwirksames Beschichtungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als infrarotwirksamer Bestandteil Partikel aus blankem Aluminium dienen, die im nicht oxidierten Zustand mit einer Kautschukmasse und unter Zugabe eines organischen Lösungsmittels zu einem aluminiumpigmentierten Anstrich vermengt sind.

4. Infrarotwirksames Beschichtungsmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der aluminium-pigmentierte Kautschukanstrich ein Mengenverhältnis von 1 g Bung-Kautschuk, 25 ml Tetrahydrofuran sowie 8 g blankem, nichtoxidierten Aluminiumpulver aufweist.

5. Infrarotwirksames Beschichtungsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das infrarotwirksame Beschichtungsmaterial als Sprühgas oder Film herstellbar ist.

6. Gegenstand, auf dem das infrarotwirksame Beschichtungsmaterial flächig aufgebracht ist.

7. Gegenstand nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand in sich oder mit wenigstens einem weiteren Gegenstand einen wenigstens teilweise umschlossenen Hohlraum oder einen Spalt vorsieht, dessen den Hohlraum oder Spalt eingrenzende Oberflächen mit dem infrarotwirksamen Beschichtungsmaterial flächig versiegelt sind.

8. Gegenstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum Poren innerhalb eines porösen Materials entspricht.

9. Gegenstand nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der vollständig umschlossene Hohlraum teilweise oder gänzlich luftdicht abgeschlossen ist.

10. Gegenstand nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand in Art eines Hohlblocksteines zum Errichten von Mauerwerk für Gebäude ausgebildet ist, mit Hohlkammerbereichen, deren Kammerwände mit der infrarotwirksamen Beschichtung überzogen sind.

11. Gegenstand nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Gegenstände einen Zwischenraum einschließen in Art mehrschaliger Bauteile im Bauwesen, wie Wände, Decken, Dächer, Böden, Türen oder Rolladenkästen, auf deren den Zwischenraum einschließenden Oberflächen die infrarotwirksame Schicht aufgebracht ist.

12. Gegenstand nach Anspruch 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Gegenstände einen Zwischenraum einschließen in Art mehrschaliger Bauteile im Automobilbau, wie Karosserieteil, Autotüren sowie Blechverkleidungen, auf deren den Zwischenraum einschließenden Oberflächen die infrarotwirksame Beschichtung aufgebracht ist.