DE102008031163A1

DE102008031163A1 - Mit Latentwärmespeichermaterial (PCM) gefüllte Hohlfaser, Verfahren zu deren Herstellung sowie Verwendung dieser

Info

Publication number: DE102008031163A1
Application number: DE102008031163A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Dr. Schütte; Hans-Peter Dr. Ebert
Original assignee: Evonik Degussa GmbH; Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV; ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV; ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV; Evonik Operations GmbH
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2010-01-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit Latentwärmespeichermaterial (Phase Change Material = PCM) gefüllte Hohlfaser sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser. Der gesamte Hohlraum der Faser ist mit einem Latentwärmespeichermaterial gefüllt. Hierdurch wird ein deutlich höherer Volumenanteil an PCM und damit eine größere Speicherkapazität von latenter Wärme zur Verfügung gestellt als in bisher gängigen PCM-Kapseln. Dies gilt insbesondere wenn das Verhältnis von Faserwandstärke zum Durchmesser des gefüllten Innenkerns deutlich kleiner als 1 ist. Weiterhin beinhaltet die Erfindung die Verwendung dieser gefüllten Hohlfasern in Geweben, Matten, Filzen und Vliesen und ermöglicht somit eine bessere Integration in Halbzeuge, Bauteile und Produkte.

Description

Die Erfindung betrifft eine mit Latentwärmespeichermaterial (Phase Change Material = PCM) gefüllte Hohlfaser zur Speicherung von latenter Wärme, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie die Verwendung der PCM gefüllten Fasern in Geweben, Matten, Filzen und Vliesen.
[Stand der Technik]
Latentwärmespeichermaterialien (Phase Change Material = PCM) werden in den verschiedensten Bereichen zum Abfangen (thermischen Pufferung) von Temperaturspitzen und zur thermischen Energiespeicherung angewandt. Je nach Anwendungsbereich empfehlen sich unterschiedliche Materialien. In technischen Anwendungen werden Latentwärmespeichermaterialien zur Realisierung von Wärmespeichern und Bauteilen mit erhöhter Wärmespeicherkapazität zur Wärmepufferung eingesetzt. Die Höhe der Phasenumwandlungstemperaturen kann dabei durch entsprechende Materialwahl in weiten Bereich (bis zu über 900°C) gewählt werden.
Für den Temperaturbereich unterhalb von ca. 110°C kommen überwiegend wässrige Salzlösungen, Gashydrate, Paraffine, Fettsäuren, Salzhydrate oder Mischungen aus den vorgenannten Stoffsystemen als Latentwärmespeichermaterialien in Frage. Für Temperaturen über ca. 50°C und darüber hinaus bis hin zu 900°C werden je nach Einsatztemperatur Zuckeralkohole, Nitrate, Hydroxide und Alkali- und Erdalkalisalzsysteme eingesetzt. Für Anwendungen von ca. 110°C bis ca. 300°C kommen verschiedene Kunststoffe (Polymere) hinzu und den Hochtemperaturbereich (> 600°C) ergänzen noch Metalle sowie Metalloxide und die verschiedensten Legierungen.
Prinzipiell ist jedes Material ein PCM, aber für technische Anwendungen eignen sich nur bestimmte Materialien und auch nur diese werden im Folgenden als PCMs bezeichnet. Ein PCM sollte eine möglichst große Schmelzenthalpie aufweisen bei gleichzeitig geringer Volumenänderung. Für die Verwendung als PCM ist eine Zyklenstabilität wichtig und bei korrosiven PCMs muss die Umgebung entsprechend angepasst sein. Wichtig ist ebenso, dass das PCM nur ein geringes Maß an Unterkühlung aufweist, d. h. die Erstarrungstemperatur sollte gleich oder nur wenig unterhalb der Schmelztemperatur liegen.
Stand der Technik ist beispielsweise die Integration von PCMs im Gebäudebereich, um die Wärmekapazität der Gebäude zu erhöhen [ WO002006100047A2 ]. Durch einen Phasenübergang im Raumtemperaturbereich (ca. 15°C bis ca. 30°C) nehmen sie große Mengen an Wärmeenergie (ca. 100 kJ/dm³ bis ca. 400 kJ/dm³) auf und fangen so sommerliche Temperaturspitzen ab. Bei Abkühlung geben sie die Wärme wieder ab und gleichen dadurch Temperaturschwankungen aus.
Verschiedene Ansätze für die Anwendung von Latentwärmespeichermaterialien wurden im Gebäudebereich gemacht. Zum einen ist das Installieren von makroskopischen Behältnissen (z. B. Folienbeutel, Kunststoffcontainer, Stegplatten) im Gebäudeinneren möglich. Dies bringt als Nachteil mit sich, dass eine Beschädigung der Behälter zum Auslaufen des Materials führen kann. Zum anderen ist das Einbringen feinverteilter mikroskopisch kleiner PCMs in Bauteile interessant, wie z. B. die Mikroverkapselung von Paraffinen und anschließende Integration in Bauplatten [ DE 10 2004 041 298 A1 ]. Die Anwendung von PCMs im Gebäudebereich stellt eine sehr gute Lösung zur Reduzierung des Energiebedarfs (Kühl- und Heizlasten) in Gebäuden und Optimierung des Raumklimas dar. Es zeigen sich allerdings verschiedene Probleme bei der Integration der PCMs im Gebäudeinneren.
PCMs aus diesem „unteren” Temperaturbereich (< 110°C) werden auch beispielsweise in Form von Mikrokapseln in Textilien integriert, die zur Herstellung von Funktionskleidung mit erhöhter Wärmespeicherkapazität verwendet werden [ WO002006117702A2 ]. Beispiele sind hier Taucheranzüge, Sportkleidung, Feuerschutzanzüge oder Textilien für medizinische Anwendungen. Auch PCM beladene Fäden für textile Anwendungen sind bekannt, beispielsweise [ DE 10 2006 052 695 A1 ]. Dabei soll durch das Ausnützen der latenten Wärme des Latentwärmespeichermaterials eine Wärmepufferung in einem engen Temperaturintervall von wenigen Kelvin erfolgen, welches durch die Auswahl des Latentwärmespeichermaterials mit einer bestimmten Phasenwechseltemperatur, d. h. Schmelzpunkt, gezielt bezüglich der spezifischen Anwendung gewählt wird. Bei der Integration von mikroverkapselten PCMs entsprechend dem Stand der Technik in textilen Geweben erreicht man nur unzureichende Beladungsmengen an PCM und damit nur geringe Wärmespeichereffekte. Ein höherer Beladungsgrad wäre hier wünschenswert.
Für die Verkapselung von Latentwärmespeichermaterialien bis zu einem Temperaturbereich von ca. 150°C gibt es derzeit zwei unterschiedliche Möglichkeiten:
Mikroverkapselung (z. B. DE 10 2005 002 169 A1 ): Organische Latentwärmespeichermaterialien werden mit einer Umhüllung aus Polymerwerkstoffen versehen. Die Umhüllung besitzt einen Schmelzpunkt, der deutlich über dem Schmelzpunkt des Latentwärmespeichermaterials liegt. Die dadurch entstehenden kugelförmigen Mikrokapseln besitzen typischerweise Durchmesser im Bereich einiger Mikrometer. Vorteil der mikroverkapselten PCM ist ihre leicht zu bewerkstelligende Integration in eine Matrix, z. B. die homogene Verteilung in Baustoffe (z. B. Gipsfaserplatten).
Makroverkapselung: Organische und nichtorganische Latentwärmespeichermaterialien werden mit einer Umhüllung aus einem höherschmelzenden Werkstoff versehen. Üblicherweise werden Kunststoffe, Kunststoff-Metall-Laminate oder Metalle verwendet. Die Anforderungen an den umhüllenden Werkstoff werden durch das zu verkapselnde Latentwärmespeichermaterial bestimmt (z. B. geringe Wasserdampfdurchlässigkeit bei Salzhydraten). Dabei liegen die Größendimensionen der makroverkapselten Systeme im Bereich von einigen Millimetern bis mehrere Zentimeter.
Die Mikroverkapselung von PCMs stellt nur sehr geringe Mengen an PCM zur Verfügung bei gleichzeitig hohem Herstellungsaufwand. Die Integration von größeren PCM gefüllten Behältnissen birgt die Gefahr des Auslaufens größerer Mengen von PCM bei Beschädigung des Behälters.
Die Fa. BASF AG ist in der Lage, Paraffine mittels einer Grenzflächen-Polymerisation mit Melaminharz zu verkapseln (Patente bzw. Offenlegungsschriften EP1029018B1 (1998), DE10163162A1 ). Eine organische Mikroverkapselung von PCM ist auch in der Offenlegungsschrift DE10330840A1 des Chinese Textile Institutes beschrieben. Der Einsatz dieser mikroverkapselten, sphärischen PCMs in Kombination mit Fasern, z. B. Einlagerung der Mikrokapseln in die Stofffasern der Firma Outlast [ DE60124275T2 ], zur Erhöhung der thermischen Speicherkapazität von Textilien führt aber zu nicht zufrieden stellenden PCM-typischen Wärmespeichereffekten, da es nicht gelingt eine hinreichende Menge von PCM-Mikrokapseln in das Fasergewebe zu integrieren.
Die Fa. Remmers Bauchemie GmbH beschreibt in den Offenlegungsschriften zu den Patentanmeldungen von 1999 ( DE19954769A1 , DE19954771A1 , DE19954772A1 ) Verfahren zur Beschichtung von Materialien zur latenten Wärmespeicherung mit siliziumorganischen Verbindungen. Neben den oben erwähnten generellen Nachteilen der Kombination mikroverkapselten PCMs und Fasermaterialien, ist bei den hier beschriebenen Verfahren die generelle Machbarkeit der notwendig dichten Verkapselung von Salzhydraten und Salzen mit siliziumorganischen Verbindungen anzuzweifeln.
In der Patentschrift EP 1 319 095 B1 wird eine Mehrkomponentenfaser mit reversiblen thermischen Eigenschaften beschrieben, wobei ein organisches Phasenübergangsmaterial in einem Polymermaterial dispergiert ist. Nachteilig ist hier der zu geringe Anteil an Latentwärmespeichermaterial.
[Aufgabe der Erfindung]
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen höheren Volumenanteil an PCM zur Verfügung zu stellen und gleichzeitig eine bessere Integration in Halbzeuge, Bauteile und Produkte zu ermöglichen. Somit wird eine deutlich effizientere Wärmespeicherung in diesen funktionalisierten Halbzeugen, Bauteilen und Produkten gewährleistet. Erfindungsgemäß werden diese Ziele durch die Anwendung von PCM gefüllten Hohlfasern erreicht (siehe 1).
Die Hohlfasern (1) können auf beliebige Weise hergestellt werden, vorzugsweise handelt es sich um Kunststofffasern. Für technische Anwendungen können auch im Sinne der Erfindung keramische mit PCM gefüllte Hohlfasern verwendet werden. Der Hohlraum der Faser (2) wird mit einem PCM (3) gefüllt, beispielsweise durch Tränken der Hohlfaser in flüssigem Latentwärmespeichermaterial. Eine weitere Möglichkeit ist die kontinuierliche Herstellung von PCM-befüllten Hohlfasern mittels konzentrischer Düsen, wobei in einem kontinuierlichen Prozess gleichzeitig eine äußere ringförmige Düse für die Formgebung der Hohlfaser sorgt und eine innenliegende Düse das PCM in die Hohlfaser füllt. Im Sinne der Erfindung können die Hohlräume in den Hohlfasern durch verfahrenstechnisch realisierte Trennwände (4) segmentiert werden (siehe 2). Dabei kann bei der späteren Verarbeitung oder während der Nutzungsdauer der Hohlfasern ein Auslaufen bzw. Verdunsten oder eine kritische Wasseraufnahme im Falle der Verwendung von Salzhydraten wesentlich eingeschränkt werden. Im Sinne der Erfindung können durch das Einbringungsverfahren in regelmäßigen Abständen Segmente in der Hohlfaser realisiert werden, die kein PCM enthalten. Damit gelingt es auch im Falle, wenn das PCM unterhalb der Schmelztemperatur vorliegt, also im erstarrten Zustand, eine hohe mechanische Flexibilität der Einzelfasern oder Geweben und eine hohe Bauschigkeit von Vliesen und Matten, die aus den PCM-gefüllten Hohlfasern bestehen, zu erhalten.
Eine weitere Möglichkeit der Herstellung von PCM gefüllten Hohlfasern liegt bei geeigneter Kombination von Latentwärmespeichermaterial und Hohlfaser in der Ausnutzung von Kapillarkräften, so dass z. B. kürzere Fasersegmente ohne äußere Krafteinwirkung gefüllt werden.
Die mit PCM gefüllten Hohlfasern können in Bauteile eingebracht werden, beispielsweise in Gipsplatten. Des Weiteren können textile, papp- oder papierähnliche Materialien durch Fasern gemäß Anspruch 1 ergänzt werden, beispielsweise Fasertapeten. Auch die Herstellung eines Gewebes oder Filzes aus Fasern gemäß Anspruch 1 oder die Ergänzung vorhandener Gewebe oder Filze durch Fasern gemäß Anspruch 1 ist möglich.
[Ausführungsbeispiel]
Eine Hohlfaser aus Zellulose-Tri-Azetat mit einem Außendurchmesser von 1 mm und einen Innendurchmesser von 0,8 mm lässt sich mit 60 Massenprozent einer Paraffinmischung befüllen. Die experimentelle Bestimmung der Schmelzenthalpie des in der Hohlfaser eingebrachten Latentwärmespeichermaterials ergab bei einer Onset-Temperatur bezüglich des fest-flüssig Phasenübergangs von ca. 24°C eine spezifische Schmelzenthalpie von etwa 113 J/g bezogen auf die Masse des eingebrachten PCMs (siehe 3). Der Phasenwechsel ist dabei reversibel.

1: Faser
2: Hohlraum der Faser
3: Latentwärmespeichermaterial
4: Trennwände

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 002006100047 A2 [0005]
- DE 102004041298 A1 [0006]
- WO 002006117702 A2 [0007]
- DE 102006052695 A1 [0007]
- DE 102005002169 A1 [0008]
- EP 1029018 B1 [0011]
- DE 10163162 A1 [0011]
- DE 10330840 A1 [0011]
- DE 60124275 T2 [0011]
- DE 19954769 A1 [0012]
- DE 19954771 A1 [0012]
- DE 19954772 A1 [0012]
- EP 1319095 B1 [0013]

Claims

Hohlfaser dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Hohlraum der Faser mit einem Latentwärmespeichermaterial gefüllt ist.
Hohlfaser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Faser ein Kunststoff ist und das PCM ein Salzhydrat, Salz, Paraffin oder eine Kombination dieser ist.
Hohlfaser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Faser eine Keramik, Metall oder Glas ist und das PCM ein Salz, Salzhydrat, Metall oder Legierung ist.
Hohlfaser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeichermaterial einen Phasenübergang im Temperaturbereich von –50°C bis 900°C aufweist, vorzugsweise von 10°C bis 40°C für Anwendungen im Gebäudebereich oder Bekleidungsbereich.
Hohlfaser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Faserdurchmesser zwischen 1 μm und 4000 μm liegt.
Hohlfaser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Faserwandstärke zum Durchmesser des gefülltem Innenkern kleiner 1 ist.
Hohlfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum in der Faser quer zur Faserachse segmentiert ist, dabei können alle oder vereinzelte Segmente mit PCM gefüllt sein.
Verfahren zur Herstellung einer Hohlfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das PCM in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess in die Hohlfaser eingebracht wird, insbesondere durch Tränken der Hohlfasern in flüssigem PCM.
Verfahren zur Herstellung einer Hohlfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfaser um das PCM herum erzeugt wird, insbesondere durch Beschichten der Faser aus festem PCM mit dem Hohlfasermaterial.
Verfahren zur Herstellung einer Hohlfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass Hohlfaser und PCM-Füllfaser in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess gleichzeitig hergestellt werden, insbesondere durch gleichzeitiges Spritzen der beiden Fasermaterialien bei entsprechender Düsenanordnung.
Verwendung einer Hohlfaser gemäß Ansprüchen 1 bis 4 in einem Bauteil.
Verwendung einer Hohlfaser gemäß Ansprüchen 1 bis 4 in einem Gewebe, Filz oder Geflecht.
Verwendung einer Hohlfaser gemäß Ansprüchen 1 bis 4 zur Herstellung eines Gewebes oder Filzes.
Verwendung einer Hohlfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Wärmedämmung, insbesondere für keramische Fasern zur Hochtemperatur-Temperaturwärmedämmung.