DE102009024409B4

DE102009024409B4 - Faserverstärktes Kunststoffbauteil mit mikroverkapseltem Phasenwechselmaterial

Info

Publication number: DE102009024409B4
Application number: DE102009024409.3A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Hessemer Joachim
Original assignee: Heinrich Strunz GmbH
Current assignee: Heinrich Strunz GmbH
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2009-06-09
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2029-06-10
Also published as: DE102009024409A1

Abstract

Bauteil, umfassend eine glasfaserverstärkte Kunststoffmatrix und darin ein mit einer Kunststoffummantelung mikroverkapseltes Phasenwechselmaterial, wobei das mikroverkapselte Phasenwechselmaterial in den Laminierprozess des Bauteils beigegeben ist, wobei das Bauteil ein Aufsatzkranz für Lichtkuppel- bzw. Glaselemente ist und der Aufsatzkranz eine Innenschale aufweist, die mikroverkapseltes Phasenwechselmaterial umfasst, und eine Außenschale aufweist, die kein mikroverkapseltes Phasenwechselmaterial umfasst, wobei die Innen- und Außenschale miteinander kraftschlüssig verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil, umfassend eine glasfaserverstärkte Kunststoffmatrix und darin ein mit einer Kunststoffummantelung mikroverkapseltes Phasenwechselmaterial, wobei das Bauteil ein Aufsatzkranz für Lichtkuppel- bzw. Glaselemente ist.
Mit der zunehmenden Verknappung der Energieressourcen wird ein immer sensiblerer Umgang mit Energie gefordert. Dabei kommt dem Wohnbereich eine besondere Bedeutung bei. Die eingesetzten Bauteile sollen Energie beispielsweise in Form von Sonneneinstrahlung speichern können und diese wieder beispielsweise in der Nacht in Form von Wärme abgeben können. Dabei sollen allerdings die anderen Ursprungseigenschaften wie beispielsweise die Dimensionsstabilität und die Wärmestandfestigkeit erhalten bleiben.
Derzeit werden beispielsweise Aufsatzkränze für Lichtkuppelelemente sowie Glaselemente im Flachdach aus handelsüblichen Kunststoff- und Metallmaterialien wie PVC, GFK, Aluminium und Stahlblech mit Dämmwerkstoffen aus Mineralwolle und PU-Schaum hergestellt.
In der Bereitstellung von Bauteilen für Wohnbereiche, insbesondere Formteile als Aufsatzkränze für Lichtkuppel- bzw. Glaselemente, oder Dach- bzw. Seitenwandelemente eines Wohnwagens oder -mobils, wird schon länger besonders auf die Verwendung von verstärkten Kunststoffen anstatt von beispielsweise Metallen gesetzt. Die Verwendung solcher verstärkten Kunststoffe zeichnet sich durch geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Formstabilität aus. Daneben lassen sich Beschädigungen entsprechender Bauteile verhältnismäßig einfach beheben.
Aus DE 103 29 583 A1 ist ein Werkstoff für Formteile bekannt, bei dem einem als Basisstoff vorgesehenen Kunststoff poröse Partikel eines Füllstoffes beigemischt sind, wobei Hohlräume der Partikel mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt sind. DE 197 49 731 A1 beschreibt die Verwendung von Mikrokapseln als Latentwärmespeicher. DE 19 38 857 U offenbart einen doppelschaligen Aufsetzkranz für lichtdurchlässige Aufbauten, bestehend aus einer inneren Einzelschale 1 mit einem unteren Flansch 2 und einer äußeren Einzelschale 3 mit einem unteren Flansch 4, wobei der untere Flansch 2 der inneren Schale breiter ist als der untere Flansch 4 der äußeren Schale, sowie gegebenenfalls einem im Innern der Schalen befindlichen wärmedämmenden Material, und welcher gegebenenfalls aus Kunststoff besteht. DE 86 29 123 U1 offenbart einen Aufsetzkranz für Lichtkuppeln mit Innen- und Außenschale aus GFK, welche zusätzlich eine Beschichtung aufweisen. In US 2004/0040969 A1 wird ein Laminierverfahren beschrieben, bei welchem Jutefasern in eine Kunststoffmatrix mit mikroverkapseltem Phasenwechselmaterial eingearbeitet werden, wobei das Laminat als stoßfeste und feuerfeste Beschichtung für einen Druckbehälter verwendet wird.
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Bauteil aus verstärktem Kunststoff für den Wohnbereich als integralen und intelligenten Bestandteil einer energieeffizienten Wohnhülle zu sehen und das Bauteil mit der Fähigkeit eines latenten Wärmespeichers auszurüsten.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Gegenstände gelöst.
Insbesondere wird ein Bauteil bereitgestellt, umfassend eine glasfaserverstärkte Kunststoffmatrix und darin ein mit einer Kunststoffummantelung mikroverkapseltes Phasenwechselmaterial, wobei das mikroverkapselte Phasenwechselmaterial in den Laminierprozess des Bauteils beigegeben ist, wobei das Bauteil ein Aufsatzkranz für Lichtkuppel- bzw. Glaselemente ist und der Aufsatzkranz eine Innenschale aufweist, die mikroverkapseltes Phasenwechselmaterial umfasst, und eine Außenschale aufweist, die kein mikroverkapseltes Phasenwechselmaterial umfasst, wobei die Innen- und Außenschale miteinander kraftschlüssig verbunden sind.
Überraschender Weise wurde festgestellt, dass sich vorstehende Materialien miteinander kombinieren lassen, wobei die vorteilhaften, vorstehend beschriebenen Eigenschaften der glasfaserverstärkten Kunststoffmatrix erhalten bleiben. Gleichzeitig entsprechen die erfindungsgemäßen Bauteile den heutzutage gestiegenen Anforderungen an einen sensiblen Umgang mit Energieressourcen, da sie zu einer wiederholten Aufnahme und Abgabe von Energie beispielsweise in Form von Sonneneinstrahlung und Wärme fähig sind.

1a zeigt ein Bauteil der vorliegenden Erfindung in Form eines Aufsatzkranzes mit darauf aufliegendem Lichtkuppel- bzw. Glaselement.
1b zeigt einen Schnitt des erfindungsgemäßen Bauteils in Form eines Aufsatzkranzes mit darauf aufliegendem Lichtkuppel- bzw. Glaselement.
2 zeigt einen vergrößerten Bereich des Schnitts aus 1b.
3a zeigt die Energieaufnahme des erfindungsgemäßen Bauteils in Form eines Aufsatzkranzes bei Sonneneinstrahlung.
3b zeigt die Energieabgabe in Form von Wärme des erfindungsgemäßen Bauteils in Form eines Aufsatzkranzes.

Bei dem erfindungsgemäß eingesetzten mikroverkapselten Phasenwechselmaterial (auch „Phase Change Material“, „PCM“ genannt) handelt es sich um einen mikroverkapselten Latentwärmespeicher.
Latentwärmespeicher beruhen auf der beim fest/flüssig-Phasenübergang auftretenden Umwandlungsenthalpie, die eine Energieaufnahme oder Energieabgabe an die Umgebung bedeutet. Sie können damit zur Temperaturkonstanthaltung in einem festgelegten Temperaturbereich verwendet werden.
Als latente Wärme bezeichnet man somit die bei einem Phasenwechsel aufgenommene bzw. abgegebene Wärmemenge. Latent heißt sie deshalb, weil die Aufnahme bzw. Abgabe nicht zu einer Temperaturänderung führt.
Schmelzwärme bezeichnet die Energie, die benötigt wird, um eine Stoffprobe vom festen in den flüssigen Aggregatszustand zu überführen. Dabei werden Bindungskräfte zwischen Molekülen bzw. Atomen überwunden, ohne deren kinetische Energie und damit ihre Temperatur zu erhöhen. Die spezifische Schmelzwärme bezeichnet die Energiemenge, die zum Schmelzen eines Stoffes benötigt wird.
Da die Latentwärmespeicher jedoch je nach Temperatur auch flüssig vorliegen, können sie nicht direkt in entsprechenden Matrizes von Bauteilen verarbeitet werden, denn Emissionen an die Raumluft sowie die Trennung von der entsprechenden Matrix wären zu befürchten. Dementsprechend wird das Phasenwechselmaterial zum Einsatz in den erfindungsgemäßen Bauteilen zunächst mikroverkapselt.
Zum Erhalt des mikroverkapselten Phasenwechselmaterials werden einige Pikogramm Speichermaterial mit einer Kunststoff-, d.h. Polymerschicht umhüllt. Im Speziellen wird geschmolzenes Speichermaterial unter Rühren in Wasser fein verteilt, es bilden sich Speichermaterialtröpfchen. Um jedes Tröpfchen wird in einer in situ-Synthese die feste, sehr dünne Mikrokapselwand aus Kunststoffvorprodukten erzeugt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Mikrokapseln kugelförmig und weisen eine mittlere Teilchengröße von 0,5 bis 30 µm, vorzugsweise 3 bis 12 µm auf.
Darüber hinaus weist das mikroverkapselte Phasenwechselmaterial ein Gewichtsverhältnis von Kapselkern zu Kapselwand von 50:50 bis 95:5 auf.
Beispiele für erfindungsgemäß einsetzbare Phasenwechselmaterialien sind aliphatische Kohlenwasserstoffverbindungen wie gesättigte oder ungesättigte C₁₀-C₄₀-Kohienwasserstoffe, die verzweigt oder linear sind, aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen, alkylsubstituierte aromatische Kohlenwasserstoffe, gesättigte oder ungesättigte C₆-C₃₀-Fettsäuren, Fettalkohole, Oxoalkohole, C₆-C₃₀-Fettamine, Ester wie C₁-C₁₀-Alkylester von Fettsäuren, natürliche und synthetische Wachse und halogenierte Kohlenwasserstoffe. Weiterhin sind Mischungen dieser Materialien geeignet, solange es nicht zu einer Schmelzpunkterniedrigung außerhalb des gewünschten Bereichs kommt, oder die Schmelzwärme der Mischung für eine sinnvolle Anwendung zu gering wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem eingesetzten Phasenwechselmaterial um eine lipophile Substanz mit einem fest/flüssig Phasenübergang im Temperaturbereich von -20°C bis 120°C. Dabei kommen bevorzugt aliphatische Kohlenwasserstoffverbindungen zum Einsatz, wie gesättigte oder ungesättigte C₁₀-C₄₀-Kohlenwasserstoffe, die verzweigt oder linear sind, z.B. wie n-Tetradecan, n-Pentadecan, n-Hexadecan, n-Heptadecan, n-Octadecan, n-Nonadecan, n-Eicosan, n-Heneicosan, n-Docosan, n-Tricosan, n-Tetracosan, n-Pentacosan, n-Hexacosan, n-Heptacosan, n-Octacosan, insbesondere aliphatische Kohlenwasserstoffe mit 14 bis 20 Kohlenstoffatomen.
Die organische Verbindung Paraffin ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein besonders bevorzugtes Speichermedium in Latentwärmespeichern. Es handelt sich dabei um ein Gemisch aus aliphatischen, verzweigten und unverzweigten Alkanen mit der allgemeinen Summenformel C_nH_2n+2. Das gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzte Paraffin hat dabei die Vorteile, dass es zyklenstabil, chemisch reaktionsträge, gegenüber vielen Chemikalien inert, ungiftig und nicht umweltgefährdend ist. Dabei kann der Schmelzpunkt abhängig von der Molekülkettenlänge modifiziert werden. Des Weiteren besitzt Paraffin eine geringe Wärmeleitfähigkeit, unterliegt einer Volumenänderung von etwa 10% und ist mittels Mikroverkapselung gut verarbeitbar.
Führt man dem festen Paraffin Wärme zu, so beginnt das Paraffin bei Erreichen seiner Schmelztemperatur, der sogenannten Phasenübergangstemperatur, im Inneren der Mikrokapsel zu schmelzen. Während des Phasenwechsels absorbiert das Paraffin eine bestimmte Wärmemenge (z.B. überschüssige Raumwärme), die sogenannte Schmelzwärme (bestimmt durch Schmelzenthalpie und Masse des Speichermaterials). Da sich beim Phasenübergang die Temperatur des Paraffins trotz Wärmezufuhr nicht ändert, spricht man von latenter (versteckter) Wärme. Beim Erstarren wird die gespeicherte Latentwärme bei konstanter Temperatur wieder abgegeben.
Vor/nach Phasenwechsel wird Wärme entsprechend der spezifischen Wärmekapazität sensibel (fühlbar) gespeichert.
Wie schon vorstehend ausgeführt, liegen Latentwärmespeicher jedoch je nach Temperatur auch flüssig vor, und so können sie nicht direkt in entsprechenden Matrizes von Bauteilen verarbeitet werden, denn Emissionen an die Raumluft sowie die Trennung von der entsprechenden Matrix wären zu befürchten.
Dementsprechend sind solche Latentwärmespeicher im erfindungsgemäßen Bauteil mit faserverstärkter Kunststoffmatrix mit einer Hülle aus Kunststoff mikroverkapselt. Dabei eignen sich alle Kunststoffe, die wie vorstehend beschrieben zur Mikorverkapselung von Phasenwechselmaterial herangezogen werden können. Beispiele solcher Kunststoffe sind die Polymere der Acryl- und/oder Methacrylsäure, Polymere deren Ester, jeweils gegebenenfalls derivatisiert und gegebenenfalls in Kombination mit anderen Comonomeren, und Melamin/Formaldehydharze. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Bauteil mit Acrylglas (d.h. hochvernetztes Polymethylmethacrylat (PMMA))-ummanteltem Latentwärmespeicher besonders bevorzugt. Solche Mikrokapseln tolerieren eine Phasenumwandlung und eine Volumenänderung des Kerns. Daraus folgt eine belastbare, dichte Verpackung des Phasenwechselmaterials. Zudem liegt eine geringe Größe der Mikrokapsel bei einer großen Gesamtoberfläche des Paraffins vor. Damit bewirken die Kapseln einen optimalen Wärmeaustausch zwischen dem Phasenwechselmaterial und dem faserverstärkten Kunststoff im erfindungsgemäßen Bauteil.
Ein Beispiel eines im Bauteil der vorliegenden Erfindung eingesetzten mikroverkapselten Phasenwechselmaterials ist Micronal DS 5001 X der Firma BASF. Dabei handelt es sich um mikroskopisch kleine Polymerkapseln mit einem Durchmesser von ca. 5 µm aus Acrylglas, d.h. hochvernetztes Polymethylmethacrylat (PMMA), mit Kern aus Paraffinwachs, dessen Schmelztemperatur 26°C beträgt, mit einer Schmelzenthalpie von 110 kJ/kg und einer Gesamtspeicherkapazität von 145 kJ/kg.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Glasfasern zur Verstärkung der Kunststoffmatrix des Bauteils eingesetzt.
Als Kunststoffmatrix kann im Bauteil der vorliegenden Erfindung jeder geeignete Duroplast eingesetzt werden. Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix lassen sich nach dem Aushärten bzw. dem Vernetzen der Matrix nicht mehr umformen. Sie weisen jedoch einen hohen Temperatureinsatzbereich auf. Zudem weisen faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix meist die höchsten Festigkeiten auf.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die vorliegende Kunststoffmatrix Epoxid-, ungesättigtes Polyester-, Vinylester-, Phenol-Formaldehyd-, Diallylphthalat-, Methacrylat-, Polyurethan- und Amino-, insbesondere Melamin- und Harnstoffharz, einzeln und gegebenenfalls in Kombination, umfassen. Besonders bevorzugt ist dabei gemäß der vorliegenden Erfindung ein Bauteil mit einer glasfaserverstärkten ungesättigen Polyesterharzmatrix.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Bauteile erfolgt nach den üblichen Laminierverfahren. Dabei wird das mikroverkapselte Phasenwechselmaterial in den Laminierprozess der faserverstärkten Kunststoffbauteile beigegeben. Dies kann im Harz selbst, als auch in einer zusätzlichen Schicht erfolgen.
Beim Handlaminieren wird erfindungsgemäß beispielsweise zunächst eine Trennschicht auf eine Arbeitsplatte aufgetragen und darauf anschließend eine Oberflächenschicht in Form eines Gelcoats. Nach Angelieren der Oberflächenschicht wird während des Laminierens Harz, entsprechende Additive und das mikroverkapselte Phasenwechselmaterial und eine Lage Faservlies aufgebracht, dabei wird mit dem Auftragen der Harzmischung begonnen und beendet. Das Faservlies wird in die vorher aufgetragene Harz-Phasenwechselmaterial-Additive-Schicht mittels Pinsel, Riffelwalze (beseitigt Lufteinschlüsse) und Lammfellrolle eingearbeitet. Danach erfolgt das Aushärten des Bauteils. Durch heißes Aushärten können höhere Festigkeiten erreicht und der Aushärtungsvorgang beschleunigt werden. Schließlich erfolgt das Ablösen von der Platte nach vollständiger Durchhärtung. Je nach Form des zu erstellenden Bauteils kann anstelle der beschriebenen Platte ein entsprechendes Formteil verwendet werden, auf dem die vorstehend beschriebene Auftragung der Materialien erfolgt.
Beim erfindungsgemäßen Einsatz des Phasenwechselmaterials in einer zusätzlichen Schicht wird diese unabhängig von einem vorstehenden Laminiervorgang ohne Phasenwechselmaterial zusätzlich aufgebracht. Dies kann zu Beginn, zwischen und am Ende des Laminiervorgangs erfolgen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt der Masseanteil des mikoverkapselten Phasenwechselmaterials bevorzugt 10 bis 90%, mehr bevorzugt 30 bis 40% des Bauteils.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Bauteil ein Aufsatzkranz für Lichtkuppel- bzw. Glaselemente. Dieser kann einteilig gefertigt sein, wobei die Innen- und die Außenwand einen Hohlraum begrenzen können. Vorteilhafterweise ist in dem Hohlraum ein Isolationsmaterial vorgesehen. Dadurch kann auf einfache Art und Weise die thermische Dämmwirkung erhöht werden. Beispiele geeigneter Dämmwerkstoffe sind hierbei Mineralwolle und/oder PU-Schaum.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der erfindungsgemäße Aufsatzkranz eine Innenschale, die mikroverkapseltes Phasenwechselmaterial umfasst, und eine Außenschale, die kein mikroverkapseltes Phasenwechselmaterial umfasst, wobei die Innen- und die Außenschale miteinander kraftschlüssig verbunden sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt der Masseanteil des mikoverkapselten Phasenwechselmaterials bevorzugt 10 bis 90%, mehr bevorzugt 30 bis 40% der Innenschale.
Die Dicke der Innen- und Außenwände bzw. Innen- und Außenschalen der erfindungsgemäßen Aufsatzkränze beträgt dabei 3 bis 60 mm, bevorzugt 4 bis 10 mm.
1a zeigt ein Beispiel eines Aufsatzkranzes (1) mit Lichtkuppel- bzw. Glaselement (2). 1b zeigt einen Schnitt des Aufsatzkranzes (1) mit Lichtkuppel- bzw. Glaselements (2) aus 1a. Insbesondere zeigt 2 einen vergrößerten Bereich des Schnitts aus 1b und ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Aufsatzkranzes (1). Dieser umfasst eine Außenschale (1a) und eine Innenschale (1b), die miteinander kraftschlüssig verbunden sind und gemeinsam einen Hohlraum (3) begrenzen, der mit PU-Schaum gefüllt ist. Der Aufsatzkranz besteht dabei aus glasfaserverstärktem ungesättigten Polyester (GFUP), wobei die Außenschale (1a) kein Phasenwechselmaterial und die Innenschale (1b) Phasenwechselmaterial enthält, wie durch die Schraffierung angedeutet. Dabei liegt das Lichtkuppel- bzw. Glaselement (2) über Dichtungen mit dem Lichtkuppelrahmen (2a) auf dem Aufsatzkranz (1) auf.
3a zeigt die Speicherung von Energie bei Sonneneinstrahlung (4) und 3b zeigt die Abgabe von Wärmeenergie (5) über Nacht.
Somit stellt die vorliegende Erfindung ein Bauteil bereit, das durch die überraschend mögliche und vorteilhafte Kombination von faserverstärktem Kunststoff und mikroverkapseltem Phasenwechselmaterial die vorstehend beschriebenen Eigenschaften der faserverstärkten Kunststoffmatrix erhält, und gleichzeitig entsprechen die erfindungsgemäßen Bauteile den heutzutage gestiegenen Anforderungen an einen sensiblen Umgang mit Energieressourcen. Insbesondere im Wohnbereich, beim Einsatz des Bauteils als Aufsatzkranz, kann Energie beispielsweise in Form von Sonneneinstrahlung und/oder Heizungswärme gespeichert und diese wieder beispielsweise in der Nacht in Form von Wärme abgegeben werden. Dabei bleiben trotz des zusätzlichen mikroverkapselten Phasenwechselmaterials die Ursprungseigenschaften wie beispielsweise die Dimensionsstabilität und die Wärmestandfestigkeit der faserverstärkten Matrix erhalten, während ein sinnvoller Umgang mit Energieressourcen erzielt wird.
Bezugszeichenliste

1: Aufsatzkranz
1a: Außenschale
1b: Innenschale
2: Lichtkuppel- bzw. Glaselement
2a: Lichtkuppelrahmen
3: Hohlraum
4: Energiezufuhr in Form von Sonnenstrahlung
5: Energieabgabe in Form von Wärme

Claims

Bauteil, umfassend eine glasfaserverstärkte Kunststoffmatrix und darin ein mit einer Kunststoffummantelung mikroverkapseltes Phasenwechselmaterial, wobei das mikroverkapselte Phasenwechselmaterial in den Laminierprozess des Bauteils beigegeben ist, wobei das Bauteil ein Aufsatzkranz für Lichtkuppel- bzw. Glaselemente ist und der Aufsatzkranz eine Innenschale aufweist, die mikroverkapseltes Phasenwechselmaterial umfasst, und eine Außenschale aufweist, die kein mikroverkapseltes Phasenwechselmaterial umfasst, wobei die Innen- und Außenschale miteinander kraftschlüssig verbunden sind.
Bauteil nach Anspruch 1, wobei die Kunststoffmatrix ungesättigtes Polyesterharz umfasst.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mikroverkapselte Phasenwechselmaterial mit Kunststoff ummantelte lipophile Substanz mit einem fest/flüssig Phasenübergang im Temperaturbereich von -20 bis 120°C umfasst.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Phasenwechselmaterial Paraffin umfasst.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kunststoffummantelung Acrylglas umfasst.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das mikroverkapselte Phasenwechselmaterial kugelförmig ist und einen Durchmesser von 0,5 bis 30 µm aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Masseanteil des mikroverkapselten Phasenwechselmaterials 10 bis 90% der Innenschale beträgt.