DE102010047149A1

DE102010047149A1 - Dauerhafte Einarbeitung von Stoffen, wie Latentwärmespeichermaterialien, in Baumaterialien

Info

Publication number: DE102010047149A1
Application number: DE102010047149A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2030-10-01
Also published as: DE102010047149B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Latentwärmespeichermaterialien (PCM) beinhaltenden Baumaterialien, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein PCM den Baumaterialien in Kombination mit mindestens einem weiteren organischen Material ausgewählt aus Harnstoff, Polyalkylenoxiden und helikale Strukturen aufweisenden polymeren Kohlenhydraten beigemischt wird, und weitere Ausführungsformen der Erfindung, wie Verfahren unter Verwendung von oder Verwendung von PCM oder anderen lipophilen Stoffen als Beimischungen zu Baumaterialien oder deren Verwendung

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Latentwärmespeichermaterialien (PCM) beinhaltenden Baumaterialien, Baumaterialien mit derartigen Beimischungen, und weitere nachfolgend genannte Ausführungsformen der Erfindung, wie Verfahren unter Verwendung von oder Verwendung von PCM oder anderen lipophilen Stoffen als Beimischungen zu Baumaterialien oder deren Verwendung.
Latentwärmespeicher basieren auf der Ausnutzung der Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums, vor allem des reversiblen Phasenübergangs fest-flüssig (Erstarren/Schmelzen). Latentwärmespeichermaterialien (auch als Phasenwechselmaterialien oder Phase Change Materials bezeichnet, nachfolgend als PCM) nehmen somit beim Schmelzen (Schmelzpunkt) die zum Schmelzen nötige Wärme (Schmelzwärme und/oder Lösungswärme) bei praktisch konstanter Temperatur des Materials auf („latente” Wärmespeicherung, da praktisch keine Temperaturänderung stattfindet). Erst nach vollständigem Schmelzen bewirkt weitere Wärmezufuhr einen Temperaturanstieg („sensible” Wärmespeicherung). Umgekehrt wird unterhalb der Erstarrungstemperatur (bei oder nahe der Schmelztemperatur) Wärme frei und die Temperatur des PCM bleibt konstant, bis alles Material fest ist. Danach kann sie weiter absinken.
Während des Phasenübergangs wird also latent Wärme gespeichert bzw. abgegeben. Die Speicherdichte der Latentwärmespeicher ist gegenüber der sensiblen Wärmespeicherung sehr hoch. Latentwärmespeicher werden für viele Verwendungen eingesetzt, beispielsweise in Autos zum Vorwärmen von Kühlwasser, in funktioneller Kleidung, als Speicher für Heizungen, für das Temperieren von Speisen oder zum Schutz von elektronischen Bauteilen vor starken Temperaturschwankungen. Auch im Baubereich sind Verwendungen bekannt. Vorteil der Verwendung von PCM (beispielsweise in Wänden, Böden, (auch abgehängten) Decken, Dächern, Einbauten, anderen Teilen von Gebäuden und dergleichen) ist, dass ihr Einsatz Energie sparen hilft und auch ein schwankungsarmes und behagliches Wohnklima ermöglichen helfen kann.
Eine ganze Reihe von Versuchen wurden unternommen, um PCM Baustoffen wie Gips oder Beton oder dergleichen zuzumischen, um die Eigenschaft der PCM zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur über längere Zeiträume im Bauwesen zu nutzen. Die bisher gefundenen Verfahren und Zusätze weisen jedoch Eigenschaften auf, die eine breite Durchsetzung und Vermarktung bisher verhindert haben.
Bekannte Latentwärmespeicher basieren z. B. auf der Verkapselung von Salzhydraten durch Umhüllung mit Polymeren (Mikroverkapselung oder auch sogenannte „Meso”-Kapseln mit mehreren Millimetern Durchmesser), wie beispielsweise das unter dem Markennamen Micronal^® PCM von der BASF vertriebene mikroverkapselte Material. Derartige PCM-Gipsplatten können jedoch rund 10× teurer sein als normale Wandverkleidungen! Copolymere mit Paraffinwachs werden von DuPont unter dem Namen ENERGAIN^® vertrieben und sind ebenfalls teuer.
US 4,587,279 beschreibt Zementzusammensetzungen mit einem zementartigen Material und (ggf. end-blockierten) Polyethylenglykolen. US 6,230,444 beschreibt die Verwendung von PCM in Decken- und Bodenbereichen, wobei die PCM in eingekapselter oder aufwändig in flexible Hüllen eingebetteter Form oder in Mikrokapseln oder anderen Behältersystemen beinhaltet verwendet werden sollen. US 4,259,401 beschreibt die Tränkung steifer poröser Strukturen mit PCM. US 6,079,404 beschreibt die Verwendung linearer Alkankohlenwasserstoffe oder alternativ (!) von Wasser/Harnstoffmischungen für Verpackungen. Auch ein mit Salzhydrat gefüllter Raumteiler ist bekannt.
Nachteilig bei den bisherigen Methoden und Zusammensetzungen sind vor allem hohe Kosten, die einen verbreiteten Einsatz im Bauwesen bisher verhindert haben, zum anderen können negative Einflüsse auf die Festigkeit, Druckbeständigkeit und andere Eigenschaften der resultierenden Baumaterialien resultieren. Auch ist ein Nageln oder Bohren oft nicht möglich.
Bekannt ist auch eine Bindung von Riechstoffen, bakteriziden und/oder insektiziden Stoffen in festen mineralischen Materialien mittels einer verdünnten wässrigen Lösung eines Polyalkylenglykols oder dessen Monoalkoxyderivates ( DE 25 54 969 ).
Aufgabe der Erfindung ist vor diesem Hintergrund, endlich eine einfache neue Technologie zu finden, die kostengünstig und ökologisch sinnvoll ist ohne nachteilige Beeinflussung der Eigenschaften von Baumaterialien.
Die Aufgabe wird überraschend gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein PCM den Baumaterialien in Kombination mit mindestens einem weiteren organischen Material ausgewählt aus der Gruppe aus Harnstoff, Polyalkylenoxiden und helikale Strukturen aufweisenden polymeren Kohlenhydraten beigemischt wird. Überraschend wurde gefunden, dass die PCM so gut gebunden werden und beispielsweise keine Neigung zeigen, auszuschwitzen.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung betrifft daher das bereits genannte Verfahren, insbesondere gemäß Anspruch 1.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein (zur Latentwärmespeicherung ausgestattetes) Baumaterial, das als Beimischung (mindestens) ein PCM in Kombination mit mindestens einem weiteren organischen Material ausgewählt aus Harnstoff, Polyalkylenoxiden und helikale Strukturen aufweisenden polymeren Kohlenhydraten beinhaltet.
Eine weitere Ausführungsform betrifft die Verwendung eines derartig erhältlichen Baumaterials als Latentwärmespeicher im Bauwesen.
Eine weitere Ausführungsform betrifft die Verwendung einer Kombination (mindestens) eines PCM (oder (mindestens) eines anderen lipophilen Stoffes) in Kombination mit mindestens einem weiteren organischen Material ausgewählt aus Harnstoff, Polyalkylenoxiden und helikale Strukturen aufweisenden polymeren Kohlenhydraten zur Herstellung von derartigen Baumaterialien, sowie in einer weiteren Ausführungsform deren Verwendung als Wärmespeicher- und Wärmeabgabematerialien im Bauwesen.
Derartige Baumaterialien können dann zur Regulierung und besseren Konstanthaltung der Temperatur insbesondere in Gebäuden oder Klimaanlagen verwendet werden, z. B. auch besonders in Wänden, Böden, Decken und/oder Dächern von Gebäuden.
Die Erfindung geht über die Anwendung mit PCM hinaus: Auch (soweit auch die PCM lipophil sind) andere lipophile Stoffe, wie z. B. bituminöse Massen, ölige oder wachsartige Stoffe, können in Kombination mit einem weiteren organischen Material ausgewählt aus Harnstoff, Polyalkylenoxiden und helikale Strukturen aufweisenden polymeren Kohlenhydraten hervorragend gebunden werden, so dass auch die Verwendung dieser weiteren organischen Materialien zum Binden lipophiler Stoffe in Baumaterialien, und die Verwendung solcher Baumaterialien im Bauwesen, Ausführungsformen der Erfindung darstellen.
Erfindungsgemäß können neben der Vermeidung der genannten Nachteile auch weitere Vorteile verwirklicht werden, wie beispielsweise eine gute Einbindung der Kombination ohne Gefahr des Ausschmelzens oder Ausschwitzens aus fertigem Baumaterial und einfache Herstellbarkeit der Baumaterialien.
Die nachfolgenden spezifischeren Definitionen können in allen vor- und nachstehend (auch in den Ansprüchen) genannten Ausführungsformen der Erfindung (Erfindungsverkörperungen) anstelle allgemeinerer Ausdrücke oder Symbole eingesetzt werden, wobei einzelne, mehrere oder alle allgemeinen Ausdrücke je Erfindungsverkörperung ersetzt werden können, was spezielle Ausführungsformen der jeweiligen Erfindung ergibt.
Wo der Plural verwendet wird (z. B. „Baumaterialien”), beinhaltet dies auch den Singular (z. B. „Baumaterial”), wo „ein” verwendet wird, bedeutet dies auch „mindestens ein”. „Beinhalten” bedeutet, dass weitere Komponenten vorhanden sein können.
Bei den weiteren organischen Materialien handelt es sich um Harnstoff (wobei auch Thioharnstoff oder Selenoharnstoff denkbar wären, jedoch z. B. aus ökonomischen Gründen nicht bevorzugt sind); oder um Polyalkylenoxide, wie insbesondere Poly(ethylenglykol), Poly(propylenglykol) oder Poly(tetramethylenoxid), die als Homopolymere, Copolymere, Block-Copolymere oder Gemische von zwei oder mehr beispielsweise der genannten Polymere eingesetzt werden können. Auch an einer oder beiden der endständigen Hydroxygruppen blockierte, wie zu Alkyloxiden (wobei Alkyl beispielsweise 1 bis 20 Kohlenstoffatome hat und vorzugsweise unverzweigt ist, oder allenfalls einzelne Methylgruppen als Verzweigungen aufweisen kann) veretherte oder zu Acyloxiden (wobei Acyl beispielsweise ein über sein CO gebundener Rest einer 2 bis 20 Kohlenstoffatome enthaltenden gesättigten, ungesättigten oder aromatischen Carbonsäure oder einer 1 bis 20 Kohlenstoffatome enthaltenden Sulfonsäure sein kann) veresterte Hydroxygruppen aufweisende Polyalkylenoxide können Verwendung finden (Beispiele sind hier Polyethylenglykol-nonylphenylether oder Ethoxylierungsprodukte des Polypropylenglykols); oder um helikale Strukturen bildenden Polysaccharide (einschließlich Oligosacchariden) oder deren Derivate (beispielsweise an einzelnen oder mehreren Hydroxygruppen alkyliert mit C₁-C₁₀alkylresten, wie Methyl oder Ethyl, oder verzweigtkettige Derivate, beispielsweise Glucosyl- oder Maltosyl-Derivate), wie beispielsweise Stärke oder hydrolysierte Stärke, oder nichtverzweigte biokatalytisch (z. B. mittels Bakterien oder anderer Mikroorganismen (die auch genetisch verändert sein können) oder mit Hilfe von gereinigten Enzymen wie Polysaccharidsynthasen, Stärkesynthasen, Glykosyltransferasen, α-1, 4-Glucantransferasen, Glycogensynthasen, Amylosucrasen oder Phosphorylasen) hergestellte Saccharide, wie 1,4-α-D-Polyglucan, oder andere lineare Polysaccharide, wie Pullulane, Pektine, Mannane oder Polyfructane.
Bevorzugt sind Harnstoff und/oder Polalkylenoxide, wie z. B. PEG-14M oder PEG-20M (M steht für „1000”, also 20M für 20000 als durchschnittliches Molekulargewicht).
Unter PCM sind, wie eingangs bereits beschrieben, solche Stoffe (was auch Stoffgemische beinhaltet) zu verstehen, die einer wiederholten (reversiblen) Umwandlung zwischen einem festen und einem flüssigen Zustand und umgekehrt zugänglich sind und so die latente Schmelzwärme des jeweiligen Stoffes aufnehmen, speichern oder freisetzen, so dass sie Wärme abgeben oder aufnehmen können.
Vorzugsweise handelt es sich bei den PCM um (insbesondere lineare) Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffgemische, wie beispielsweise Paraffine (besonders bevorzugt), oder Salzhydrate, höhere Fettsäuren (Alkancarbonsäuren), Wachse (Ester von Hydroxyalkanen mit Alkancarbonsäuren (wobei die Alkanbestandteile z. B. jeweils 5 bis 32 Kohlenstoffatome haben können) oder dergleichen Materialien oder Mischungen davon.
Bei den Paraffinen sind für geeignete Innentemperaturen in Gebäuden insbesondere solche Paraffine besonders geeignet, deren Schmelz- und Erstarrungstemperaturen im Bereich von 0 bis 80°C, beispielsweise 15 bis 70°C, wie von 18 bis 25°C liegen. Bevorzugt weisen diese Schmelzenthalpien im Bereich von 100 bis 280 J/g, z. B. 120 bis 260 J/g, auf (zum Vergleich: Wasser hat eine Schmelzenthalpie von ca. 333,5 J/g).
Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass keine vollständige Reinigung der Paraffine z. B. bis hin zu Kristallinität erforderlich ist, sondern auch Mischungen von Alkanen verschiedener Kettenlängen möglich sind, soweit sie eine hinreichend scharfe Phasenübergangstemperatur (beispielsweise in einem Bereich von 10°C oder weniger) zeigen. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung handelt es sich darum bei den Paraffinen um Gemische von Kohlenwasserstoffen, die beispielsweise durch Fraktionierung geeigneter Kohlenwasserstoffgemische, wie Erdöl, gewonnen werden, wobei erforderlichenfalls verzweigte Kohlenwasserstoffe (mindestens solche, die längere als nur Methyl-Seitengruppen an Verzweigungen beinhalten) abgetrennt werden, beispielsweise mittels der Trennung unter Verwendung von Harnstoff.
In aufwändigeren Ausführungsformen der Erfindung können jedoch auch aufgereinigte lineare „kristalline” Paraffine (vgl. US 6,230,444 ) verwendet werden, in denen ein Molekültyp angereichert oder im wesentlichen in reiner Form vorliegt. Beispiele sind Hexadecan (Smp. 21,1°C, latente Wärmeabsorption (Wabs.) 235,2 J/g, latente Wärmeabgabe (Wabg.) 236,6 J/g); Heptadecan (Schmelzpunkt 25,0°C, Wabs. 176,4 J/g, Wabg. 182,6 J/g); Octadecan (Smp. 31,2°C, Wabs. 244,8 J/g, Wabg. 246,4 J/g); oder Nonadecan (Smp. 34,4°C, Wabs. 177,6 J/g, Wabg. 182,6 J/g). Dies erlaubt eine besonders genaue Einstellung der Umwandlungstemperatur zwischen der flüssigen und der festen Phase.
Ein Beispiel für geeignete Paraffine sind solche, die unter der MarkeRUBITHERM^® vertrieben werden (Rubitherm Technologies GmbH, Berlin, Deutschland), z. B. RUBITHERM^® RT 21.
Andere Latentwärmespeichermaterialien sind möglich. Zu den Salzhydraten können beispielsweise folgende gezählt werden, die in erster Linie durch Kombination positiver Ionen von Na, K, Ca, NH₃ oder Eisen mit negativen Ionen ausgewählt aus Silikat, Chlorid, Nitrat, mono-, di- oder tribasischem Phosphat, mono- oder dibasischem Carbonat, mono- oder dibasischem Sulfat oder Alkanoat, wie Acetat, gebildet werden. Weitere mögliche Salzhydrate und Beispiele der zuvor genannten sind solche der Formeln Fe₂O₄(SO₃)₄·9H₂O, NaNH₄SO₄·2H₂O, NaNH₄HPO₄·H₂O, FeCl₃·2H₂O, Na₃PO₄·12H₂O, Na₂SiO₃·5H₂O, Ca(NO₃)₂·3H₂O, K₂HPO₄·3H₂O, K₂SiO₃·9H₂O, Fe(NO₃)₂·9H₂O, K₃PO₄·7H₂O, NaHPO₄·12H₂O oder CaCl₂·6H₂O, NaAc·3H₂O (Schmelztemperatur um 58°C), Glaubersalz (Na₂SO₄·10H₂O, 32,5°C), oder ferner Alaunsalze (M^IM^II(SO₄)₂·12H₂O, wobei M^I aus Na, K, Rb, Cs (nicht Li), Th oder Ammonium ausgewählt sein kann und M^II aus Al, Ga, In, Ti, Vn, Cr, Mn, Fe, Co, Rho, Ir oder Th, typischerweise aus Al und Fe), z. B. NaAl(SO)₄)₂·12H₂O oder KAl(SO₄)₂·10H₂O.
Die erfindungsgemäße Verwendung von mindestens einem weiteren organischen Material ausgewählt aus Harnstoff, Polyalkylenoxiden und helikale Strukturen aufweisenden polymeren Kohlenhydraten zum Binden lipophiler Stoffe in Baumaterialien ermöglicht insbesondere das Binden von bituminösen Massen, öligen oder wachsartigen Stoffen zum Zwecke der Hydrophobisierung, der Strahlungsabsorption oder -abweisung (beispielsweise für elektromagnetische Strahlung, wie Röntgenstrahlung, oder für Licht (schwarzer Körper z. B. mit bituminösen Massen)) oder Wärmeabschirmung oder -aufnahme, so dass derartige Verwendungen bevorzugt sind, oder ferner zur Isolierung in Kunststoffgranulaten oder Sägemehl oder -spänen.
Als Baumaterialien kommen insbesondere mineralische Materialien in Frage, die (z. B. nach (z. B. hydraulischem) Härten oder Trocknen oder Einbauen) im endgültigen Einbauzustand vorhanden sein können. Zu den Baumaterialien zählen Baurohmaterialien, bei denen durch anorganische oder organische Bindemittel eine (vorzugsweise hydraulische) Aushärtung erfolgt und denen beispielsweise Füllstoffe und gegebenenfalls ein oder mehrere andere Zusatzstoffe beigemengt sein können. Die Baumaterialien können in noch zu härtender Form oder bereits in ausgehärteter Form mit der Kombination aus PCM und anderem organischen Material versetzt werden, wie unten näher beschrieben.
Bei den anorganischen (insbesondere hydraulischen) Bindemitteln (Bindebaustoffe) handelt es sich um im Bauwesen übliche, wie Zement, z. B. Portlandzement, Puzzolanzement oder Aluminatzemente, Löschkalk, Ca-Silicat, Klinker, Gips (z. B. Anhydrit, α- oder β-Halbhydrat), Magnesiabinder, Magnesiumoxychloridzement, Wasserglasbinder, Phosphatbinder, Brennofenzement, Natriumaluminiumsilikate, Flugasche oder dergleichen. Zement und/oder Gips sind beispielsweise besonders bevorzugt.
Zu den Baurohmaterialien können insbesondere Mörtel, Estriche, Putze, Beton (auch Leichtbeton) oder dergleichen (auch hinreichend dicke Anstriche), beispielsweise in Pulverform (z. B. als Sackware oder dergleichen), gezählt werden, aber auch Lehm oder andere durch Trocknen verfestigende Materialien. Bevorzugte Beispiele sind Branntkalk-, Mörtel- oder insbesondere Gips- und/oder Betonmischungen.
Bei den Baumaterialien kann es sich auch und in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung (da sie einen nachträglichen Einbau ermöglichen) um Bauelemente handeln.
Zu den Bauelementen (die auch aus den genannten Baurohmaterialien hergestellt werden bzw. sein können) zählen unter anderem natürliche oder künstliche Steine oder Blöcke, Platten oder Wandverkleidungen, oder (z. B. auch aus Beton) Decken, Wände oder Böden, wie z. B. Lehmbausteine oder insbesondere Gipselemente, wie Gipsplatten (besonders bevorzugt), wie Gipskarton oder Gips(wand)bauplatten, Schlackenblöcke, Betonsteine oder Betonplatten (bevorzugt), Porenbetonsteine- oder Platten (z. B. Ytong^®), Blähtonsteine oder -platten, oder Ähnliches.
Der Anteil an den erfindungsgemäß verwendeten Beimischungen aus einer Kombination von PCM und weiteren organischen Materialien kann, bezogen auf das jeweilige Baumaterial, bei 1 bis 60 Gew.-%, 3 bis 55 Gew.-%, 5 bis 50 Gew.-%, 10 bis 45 Gew.-% oder 20 bis 40 Gew.-% liegen. „Gew.-%” steht vor- und nachstehend für Gewichtsprozent.
Der Anteil des PCM an der Kombination mit den weiteren organischen Materialien kann dabei, bezogen auf die Kombination nur dieser beiden Komponenten, in den Erfindungsverkörperungen bei 40 bis 99 Gew.-%, beispielsweise bei 50 bis 90 Gew.-%, liegen, der Anteil des PCM bei 1 bis 60 Gew.-%, beispielsweise bei 10 bis 50 Gew.-%, liegen.
Weitere mögliche Bestandteile für Baumaterialien in den Ausführungsformen der Erfindung können ein oder mehrere im Bauwesen übliche Zusätze und Zuschläge sein.
Zu den Zusätzen und Zuschlägen zählen insbesondere Füller (Füllstoffe) wie Kreiden, Kies, Feinkies, Sand, wie Natursand, Quarzsand, Quarzmehl, Fasern, Graphit, Holzspäne, Korund, kompressible Füllstoffe oder -materialien, wobei Füller in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, bezogen auf das Gesamtgewicht des jeweiligen Baumaterials, in Anteilen bis zu 90 Gew.-%, beispielsweise von 2 bis 80 Gew.-%, z. B. von 10 bis 50 Gew.-%, vorhanden sein können.
Weitere Zusätze sind beispielsweise ein oder mehrere ausgewählt aus der Gruppe, welche umfasst: Absetzverhinderungsmittel, wie Stabilisatoren auf Alkylcellulosebasis; Luftporenbildner, beispielsweise Harzseifen (Resinate), Resine oder Fettalkoholsulfate, oder Alkylarylsulfonate, oder Blähton oder Blähbeton; Trockenfließmittel sowie Fließmittel, wie Netzmittel, Ligninsulfonate, sulfonierte Polykondensate mit Melamin- bzw. Naphthalinsystemen; Fasern, Pigmente, Farbstoffe; Beschleuniger, beispielsweise Tonerdzement, Aluminatsulfatphase, Aluminatfluoridphase, Calciumchlorid, Natriumaluminat, Natriumchlorid, Natriumnitrat, Natriumfluorid, Natriumcarbonat, Natriumsilicat, Calciumacetat, Calciumlactat, Calciumformiat, Glycerin oder Glycol; Verzögerer, wie Natriumborate, Natriumphosphate, Natriumfluorosilicate, Zucker, Calcium- oder Natriumgluconat, Calciumcitrat, Calciumsalicylat, Calciumphthalat, Calciumligninsulfonat, Calciumtartrat, Calciumhumate, Hydrochinon oder Melaminharze; organische Bindemittel, z. B. Silicone oder Silane; porenverengende oder quellende Stoffe, wie Silicate oder Phosphate; Thixotropiermittel; Dispergiermittel; Emulgatoren; Antioxidantien; Pilzschutzmittel; Flammschutzmittel (vorzugsweise halogenfrei); oder dergleichen übliche Zusätze, oder zwei oder mehr dieser Komponenten. Diese können z. B. insgesamt in einer Menge von, bezogen auf das Gesamtgewicht des Baumaterials, bis zu 40 Gew.-%, wie von 0,1 bis 20 Gew.-%, zugesetzt sein.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines erfindungsgemäßen Baumaterials (mit den genannten Beimischungen) als Latentwärmespeicher im Bauwesen wird vorzugsweise das Baumaterial in oder an Wänden, Böden, Decken, Dachbereichen, Wandungen von Schächten von Klimaanlagen, Raumteilern, gewünschtenfalls auch auf der Außenseite oder Einbauten von Gebäuden verbaut oder bei der Herstellung entsprechender Strukturen aus Baurohmaterialien (beispielsweise im Falle von Beton oder Gips) diesen beigemischt, oder die Baumaterialien werden damit imprägniert.
Das Imprägnieren kann dabei erfolgen, indem zunächst eine der Komponenten PCM und weitere organische Materialien (beispielsweise Letzteres) als Lösung in einem üblichen Lösungsmittel (wie Wasser) oder als Schmelze zum Imprägnieren (beispielsweise durch Auftragen oder Eintauchen des Materials) bei geeigneten Temperaturen z. B. von 0°C bis 100°C, z. B. bei 10 bis 50°C, einem entsprechenden Baumaterial, insbesondere einem fertigen Bauelement (z. B. Platte oder künstlicher oder natürlicher Stein, etwa aus Gips oder Beton), beigefügt wird und gleichzeitig oder anschließend (beispielsweise nach Trocknen des erhaltenen Zwischenproduktes) die andere Komponente (beispielsweise das PCM) ebenfalls zum Imprägnieren davon verwendet wird, beispielsweise als Lösung oder Schmelze bei geeigneten Temperaturen, z. B. bei Temperaturen z. B. von 10°C bis 100°C, z. B. von 30 bis 90°C (z. B. als Schmelze oberhalb der Schmelztemperatur des PCM). Diese Variante kann insbesondere für Harnstoff und Paraffine Verwendung finden.
Möglich ist, dass in geeigneten Fällen die Baumaterialien auch im Einbauzustand (z. B. zum nachträglichen Verbessern der Raumtemperaturkonstanz) durch Imprägnieren mit der Beimischung versehen werden können. Auch beim Einbau von Bauelementen mit der erfindungsgemäßen Beimischung (wie Platten, z. B. Gipsplatten) kann eine Nachrüstung bereits vorhandener Bausubstanz erfolgen.
Die erfindungsgemäße Kombination kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch gleichzeitige oder nacheinander erfolgende Zugabe der Komponenten „PCM” und „weitere organische Materialien” oder (beispielsweise im Falle von Harnstoff bevorzugt) deren Zugabe als bereits vorbereitete Kombination (beispielsweise als mittels Sedimentation oder dergleichen vorgereinigt) erfolgen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Baumaterialien kann das Verfahren durch Imprägnieren wie gerade beschrieben erfolgen.
Alternativ (oder auch ergänzend) kann die Beimischung der Komponenten weitere organische Materialien und PCM zu einem Baumaterial in Form eines Baurohmaterials (beispielsweise der weiteren organischen Materialien) als Festmaterial oder insbesondere (wegen der besseren Verteilung) als Lösung in einem üblichen Lösungsmittel (wie Wasser) oder Schmelze (beispielsweise unter Rühren) durchgeführt werden, wobei durch Zumischen in das Baurohmaterial oder durch Zumischen in das Baurohmaterial und anschließend durch Imprägnieren (wie oben beschrieben) eines daraus (z. B. durch Aushärtung) gebildeten („fertigen”) Baumaterials oder Bauelements die andere Komponente (beispielsweise das PCM) zugefügt wird. Das Baurohmaterial kann dabei in zerkleinerter Form als Festmaterial, wie in Pulverform oder Granulatform, verwendet werden oder in einem Lösungsmittel (z. B. in Wasser oder wässrigen Lösungsmitteln) suspendiert bzw. gelöst verwendet werden. Diese Variante eignet sich besonders da, wo eine der Komponenten (beispielsweise das längliche Hohlräume bildende Material) nicht gut in ein fertiges Baumaterial eindringt, was z. B. bei Polyalkylenoxiden der Fall sein kann.
Die Verwendung als Wärmespeicher- und Wärmeabgabematerialien im Bauwesen kann dann vorzugsweise wie oben beschrieben erfolgen.
Die Herstellung der Baumaterialien für die erfindungsgemäße Verwendung der oben und unten beschriebenen weiteren organischen Materialien zur Bindung lipophiler Stoffe kann unter Beimischung und/oder Imprägnieren wie in den vorstehenden Verfahren mit PCM geschehen, wobei anstelle der PCM die lipophilen, insbesondere bituminösen, öligen oder wachartigen Stoffe bzw. Substanzen verwendet werden.
Um die wärmespeichernden/-abgebenden Eigenschaften von erfindungsgemäß erhältlichen Baumaterialien zu bestimmen und zu bestätigen, können übliche Methoden, wie Differentialkalorimetrie (DSC, Differential Scanning Calorimetry) verwendet werden, beispielsweise mit normierten Proben (beispielsweise Würfeln mit 2 cm Kantenlänge) der zu untersuchenden Baumaterialien, beispielsweise im Bereich von –25 bis +30°C und bei einer Erwärmungs- oder Abkühlrate von 2°C/min. Alternativ kann in einem einfachen Verfahren vorab bestimmt werden, ob die latente Wärmespeicherung bzw. Abgabe größer ist als bei einem Material ohne das jeweilige Latentwärmespeichermaterial, beispielsweise durch Nachweis einer Verzögerung der Abkühlung oder Erwärmung bei einem erfindungsgemäßen Baumaterial im Vergleich zu einem entsprechenden Material ohne Beimischung von PCM und weiteren organischen Materialien. Schließlich kann die Entwicklung der Raumtemperatur in Gebäuden oder Räumen mit und ohne entsprechende Baumaterialien verglichen werden. Bei Verwendung erfindungsgemäß erhältlicher Baumaterialien kann dann mit den erfindungsgemäßen mit einer Beimischung versehenen Baumaterialien eine verzögerte Temperaturänderung (beispielsweise verlangsamte Erwärmung oder, wenn die Aufnahmefähigkeit ausreicht, keine Erwärmung bei hohen Außentemperaturen oder verlangsamte oder keine Abkühlung bei niedrigen Außentemperaturen) ermittelt werden.
Vorzugsweise haben die erfindungsgemäßen Baumaterialien eine, zwei oder alle drei folgende Eigenschaften: Temperaturpufferwirkung (Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur) im Bereich von 0 bis 80°C, beispielsweise 15 bis 70°C oder von 0°C bis 50°C oder von 15°C bis 40°C, wie von 18 bis 25°C; Schmelzenthalpie für das eingeschlossene Latentwärmespeichermaterial im Bereich von 30 bis 330 J/g; und (als Baumaterial im verbauten Zustand) Dicke von 2 bis 2000 mm, z. B. von 3 bis 50 mm, 15 bis 250 mm oder von 200 bis 800 mm.
Die Erfindung betrifft insbesondere die in den Ansprüchen genannten Erfindungsgegenstände, die hier durch Bezugnahme aufgenommen werden, wobei weitere Ausführungsformen der Erfindung durch Ersatz ein oder mehrerer oder aller allgemeinerer Ausdrücke durch spezifischere Definitionen, wie oben beschrieben, definiert sind. Die nachfolgenden Beispiele illustrieren die Erfindung, ohne den Umfang einzuschränken.
Beispiel 1: Harnstoff-/Paraffinbasierter Baustoff mit Latentwärmespeichereigenschaften
Von einer handelsüblichen Gipskartonplatte (ca. 12,5 mm dick; LAFARGE Gips GmbH, Oberursel, Deutschland; LaGyp^® 12,5; DIN EN 520 Bezeichnung A) wurde das Schrenzpapier entfernt. Das Gewicht der getrockneten Platte betrug 172 g. 50 g Harnstoff wurden in 100 ml Wasser gelöst und die Platte getränkt und getrocknet. Das Plattengewicht lag nach dem Trocknen bei 222 g. Auf die getrocknete Platte wurden bei 70°C im Ofen 25 g Paraffin (Schmelzpunkt ca. 55°C) nach und nach aufgegeben. Das Paraffin wurde restlos aufgenommen. Das Material verursachte in der Wärme keinen Fettfleck auf untergelegtem Papier, was für eine gute Bindung des Paraffins spricht. Die Platte bleibt nach dem Trocknen bei 70°C länger warm als eine unbehandelte Platte.
Beispiel 2: PEG- und Paraffinbasierter Baustoff mit Latentwärmespeichereigenschaften I
25 g PEG-20M wurden in 27 ml Wasser gelöst und 62 g Modellgips der Firma PUFAS Werk KG, Hannoversch-Münden, eingerührt. Der Gips fing nach 10 min langsam an, zu erhärten. Beim Wiegen direkt aus der Form hatte der entstandene Formkörper ein Gewicht von 114 g. Nach Trocknen im Ofen bei 120°C bis zur Gewichtskonstanz lag das Gewicht bei 84 g. Zu diesem Formkörper wurden bei 100°C 16 g aufgeschmolzenes Paraffin (Schmelzpunkt ca. 55 bis 57°C) gegeben, die vollständig aufgenommen werden. Das Endgewicht des trockenen Körpers liegt bei 100 g und zeigt eine Graufärbung. Die Platte bleibt nach dem Trocknen länger warm als eine unbehandelte Platte.
Beispiel 3: PEG- und Paraffinbasierter Baustoff mit Latentwärmespeichereigenschaften II
Auf eine fertige Trockengipsplatte LaGyp^® 12,5 (siehe Beispiel 1), Gewicht 120 g, wurde im Ofen 1 g PEG-20M bei 75°C aufgeschmolzen und die sirupöse Masse mittels eines Spatels verteilt. Darauf wurden nach und nach 39 g Rubitherm^® RT 21 (s. o.) bei 75°C aufgegossen. Das Endgewicht der Platte betrug 151 g. Im Ergebnis ließ sich also die fertige Gipsplatte bei Anwesenheit einer geringen Menge von Geschmolzenem PEG-20M bei erhöhter Temperatur mit geschmolzenem Paraffin imprägnieren. Rund ein Drittel des Eigengewichts der Platte an Paraffin wurden so auslaufsicher gebunden.
Beispiel 4: PEG- und Paraffinbasierter Baustoff mit Latentwärmespeichereigenschaften III
40 g PEG-20M (Firma Carl Roth GmbH & Co. KG, Karlsruhe, Deutschland) wurden in 200 g kaltem Wasser gelöst und mit 360 g Gips (Modellgips, siehe Beispiel 2) angeteigt. Sobald die Mischung homogen war, wurden 60 g Rubitherm^® RT 21 (s. o.) mit einem schnell laufenden Rührwerk gemischt, bis die Masse völlig homogen war. Diese wurde dann in eine Form (Polypropylen) gegossen. Nach dem Festwerden lag das Gewicht des Formkörpers bei 544 g, nach Trocknen bei 60°C im Brutschrank bei 500 g. Bei 80°C im Brutschrank für 60 min zeigte die Platte kein Ausschwitzen, wie eine Vergleichsplatte ohne PEG/Rubitherm^®-Zusatz.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4587279 [0006]
US 6230444 [0006, 0026]
US 4259401 [0006]
US 6079404 [0006]
DE 2554969 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 520 Bezeichnung A [0051]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Latentwärmespeichermaterialien (PCM) beinhaltenden Baumaterialien, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein PCM den Baumaterialien in Kombination mit mindestens einem weiteren organischen Material ausgewählt aus Harnstoff, Polyalkylenoxiden und helikale Strukturen aufweisenden polymeren Kohlenhydraten beigemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als PCM mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe, die aus Paraffinen, höheren Fettsäuren und Wachsen besteht, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei als PCM Paraffin mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 0 bis 80°C eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres organisches Material Polyalkylenoxide und/oder an einer oder beiden der endständigen Hydroxygruppen blockierte Polyalkylenoxide eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass weiteres organisches Material Harnstoff eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beimischung bezogen auf das jeweilige Baumaterial, bei 1 bis 60 Gew.-% liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des PCM an der Kombination mit dem mindestens einen weiteren organischen Material, bezogen auf die reine Kombination dieser beiden Komponenten, bei 40 bis 99 Gew.-%, vorzugsweise bei 50 bis 90 Gew.-%, liegt, der Anteil des PCM bei 1 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise bei 10 bis 50 Gew.-%.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das resultierende Baumaterial eine Temperaturpufferwirkung im Bereich von 0°C bis 50°C, insbesondere von 15°C bis 40°C; eine Schmelzenthalpie im Bereich von 30 bis 330 J/g; und eine Dicke von 2 bis 2000 mm, beispielsweise von 3 bis 50 mm oder von 200 bis 800 mm, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Baumaterial ein mineralisches Baumaterial in Form eines Baurohmaterials, bei dem durch anorganische oder organische Bindemittel eine Aushärtung erfolgt und die Füllstoffe und ein oder mehrere weitere Zusatzstoffe beinhalten können, und/oder Bauelemente eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Baurohmaterial um einen Mörtel, einen Anstrich, einen Putz, einen Estrich oder Beton handelt, wobei als Bindemittel Zement, Löschkalk, Ca-Silicat, Klinker, Gips, Magnesiabinder, Magnesiumoxychloridzement, Wasserglasbinder, Phosphatbinder, Brennofenzement, Natriumaluminiumsilikate oder Flugasche, oder Mischungen von zwei oder mehr davon, verwendet wird; und es sich bei den Bauelementen um natürliche oder künstliche Steine oder Blöcke, Platten, Wandverkleidungen, Decken, Wände oder Böden, Gipsplatten oder Gips(wand)bauplatten, Schlackenblöcke, Betonsteine oder Betonplatten, Blähtonsteine oder -platten, oder Porenbetonsteine oder -platten handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine PCM und das mindestens eine weitere organische Material gleichzeitig und/oder zeitlich versetzt zugegeben werden
Zur Latentwärmespeicherung ausgestattetes Baumaterial, dadurch gekennzeichnet, dass es wie in einem der Ansprüche 1 bis 11 beschrieben zusammengesetzt ist oder nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 erhältlich ist.
Baumaterial nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eines der in Anspruch 10 genannten Baumaterialien handelt, insbesondere um Gips oder Gips(bau)platten oder Beton.
Verwendung eines Baumaterials nach Anspruch 13 als Latentwärmespeicher im Bauwesen.
Verwendung von lipophilen Stoffen als Beimischungen zu Baumaterialien, wobei die lipophilen Stoffe in Kombination mit einem weiteren organischen Material ausgewählt aus Harnstoff, Polyalkylenoxiden und helikale Strukturen aufweisenden polymeren Kohlenhydraten gebunden werden.
Verwendung nach Anspruch 15, wobei es sich bei den lipophilen Stoffen um bituminöse Massen, ölige oder wachsartige Stoffe handelt.
Verwendung nach Anspruch 15 oder 16, wobei es sich bei den Baumaterialien um Gips, Mörtel, Zement oder Lehm, oder daraus hergestellt Bauelemente handelt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 15 bis 17 erhältlicher Baumaterialien im Bauwesen.