DE202020005942U1

DE202020005942U1 - Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE202020005942U1
Application number: DE202020005942.0U
Authority: DE
Original assignee: At Advanced Tech GmbH; At Advanced Technologies GmbH
Current assignee: AT ADVANCED TECHNOLOGIES GMBH, DE
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2030-09-04

Abstract

Verbundwerkstoff, hergestellt durch ein Verfahren, bei dem ein erstes Nanopulver und ein zweites Nanopulver in einer Flüssigkeit mit Ultraschall homogenisiert werden und eine Emulsion bilden, und die Emulsion erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Emulsion in Unterdruck versetzt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen neuartigen, z.B. aus wiederverwertetem Abfall hergestellten Verbundwerkstoff, der z.B. als Rahmen für Photovoltaikmodule und/oder Unterkonstruktion für Photovoltaikmodule verwendet werden kann.
Das Material umfasst oder besteht aus zwei Teilen: einer Grundmatrix aus z.B. recycelten Polymeren wie z.B. Polypropylen oder Polyethylen, sowie, z.B. aus Abfall gewonnenen, Nanopartikeln zur Verstärkung. Die Grundmatrix dient als Klebemittel, welches die Verstärkungen zusammenhält, damit der Verbundwerkstoff die geeigneten physikalischen Eigenschaften aufweist.
Das Verhältnis des ersten Nanopulvers zum zweiten Nanopulver beträgt vorzugsweise 50:50 %. Bei den Prozentangaben kann es sich z.B. um Gewichtsprozent und/oder Volumenprozent handeln.
Beispielsweise werden zwei Aufgaben durch die Erfindung erfüllt: ein besser realisierbares Material für den Rahmen und/oder das Montagesystem von Photovoltaikmodulen (gegenüber Aluminium als aktuellem Werkstoff) sowie Umweltschutz durch die Wiederverwertung von Abfall.
Die Realisierbarkeit einer Photovoltaikanlage im Vergleich zu anderen Energieanlagen ist ein wichtiger Faktor, welcher wiederum weitere positive Nebenwirkungen wie Umweltschutz durch geringere Schadstoffemissionen usw. bewirken kann. Neben den passenden mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs weist die Erfindung bezüglich der Realisierbarkeit zwei weitere wichtige Aspekte auf: geringere Anfangsinvestitionen und lange Lebensdauer aller Bestandteile des Systems in rauer Umgebung und bei Sonneneinstrahlung. Außerdem setzt die im Normalfall erwartete 20-30-jährige Lebensdauer von Photovoltaikanlagen für Modulrahmen und Unterkonstruktion beständiges Material mit geeigneten physikalischen Eigenschaften voraus. Selbstverständlich ist es möglich, das Material für die gleiche oder eine andere geeignete Anwendung wieder zu verwerten.
Eine wichtige Innovation stammt aus dem Bereich der Nanotechnologie. Sie sorgt nicht nur dafür, dass der Verbundwerkstoff für diese spezifische Anwendung hergestellt werden kann, sondern erzeugt möglicherweise auch hinreichend starres und beständiges Material mit geeigneten physikalischen Eigenschaften für andere industrielle Anwendungen.
Entsprechend den breit gefächerten Einsatzmöglichkeiten von Photovoltaikmodulen als einer der bedeutendsten erneuerbaren Energiequellen finden Bemühungen zu ihrer Verbesserung statt, die im Prinzip analog zum vorgeschlagenen Patent erfolgen könnte.
Natürlich stellen einige Patente wie US6632387 und WO2010071879A2 bereits verschiedenartige Materialmischungen vor, mit denen als gemeinsame Aufgabe bessere physikalische Eigenschaften gefunden werden sollen. Andererseits zeigt US7626062 mit wiederverwertetem Kunststoff als Grundmatrix und Holz als Verstärkung ein ähnliches Vorgehen wie die vorgeschlagene Erfindung.
Natürlich sind weitere Patente wie CN103236454A , CN103580598A und US8381466 vorhanden, die Bemühungen um neues Material für Rahmen von Photovoltaikmodulen aus Verbundwerkstoff bzw. eine Art Polymer als leichterem, korrosions-, feuchtigkeits- und salzbeständigem Material in rauer Umgebung, mit geringerer Dehnung in warmen Bereichen sowie zur elektrischen Isolation unter technischen Gesichtspunkten und auch um einen wirtschaftlich besser realisierbaren Werkstoff darstellen.
Erforscht wurde nicht nur der Photovoltaikrahmen, sondern auch das diesbezügliche Montagematerial, wie aus US20160134231A1 und US8567132 zu entnehmen ist, die einen schnellen und einfachen Einbau der Module ermöglichen und hinsichtlich der Realisierbarkeit des Einbaus eventuell bedeutsam sind. Nach diesem Stand der Technik lassen sich durch Verbundwerkstoffe mit Polymer als Grundmatrix neben anderen Werkstoffen als Verstärkung bessere physikalische Eigenschaften erzielen. Realisierbarkeit und einfache Produktion bieten eventuell weitere Vorteile. Somit sind Rahmen und Montagesysteme für Photovoltaikmodule als geeignete Anwendung für Verbundwerkstoffe bekannt, beziehen sich dabei jedoch jeweils auf die Anwendung. Der Verbundwerkstoff soll aber nicht nur die richtige Zusammensetzung für geeignete physikalische Eigenschaften aufweisen, sondern auch in einem adäquaten Produktionsprozess herstellbar sein.
Wichtig für die Erfindung ist beispielsweise die Nanostruktur des Verbundwerkstoffs, während die Innovation sich z.B. aus der Methodik ergibt. Aus einer kritischen Analyse der Materialzersetzung unter Sonneneinstrahlung bzw. in rauen Bereichen ergibt sich der Grund dafür und somit auch die Alternative.
Wie erwähnt dient Polymer (z.B. wiederverwerteter Kunststoff) im Verbundwerkstoff als Grundmatrix. Andererseits besteht ein Polymer aus einer langen Kette von Monomeren, so dass bei einem Bruch in einem beliebigen Teil der Kette bereits deren Zersetzung einsetzt. Die Verstärkung (Festpartikel) in der Matrix verteilt dann die in einem bestimmten Abschnitt konzentrierte Energie/Kraft auf die gesamte Kette, schützt so die Monomerbindungen und macht damit das Polymer langfristig beständig. Das Ziel ist erfüllt, wenn eine für die Verstärkung ideale Verteilung der Partikel innerhalb der Matrix erreicht wird; entscheidend ist dabei z.B. ein sorgfältiges Mischverfahren.
Grundsätzlich ist die Vermeidung mechanischer Brüche von der Kontrolle der Spannungstensoren abhängig, was bei Partikeln im Nanomaßstab aufgrund des signifikanten Verhältnisses der Oberflächengröße zum Volumen der Teilchen und dann der besten Korrelation von Grundmatrix und Verstärkung ein geringeres Risiko bildet. Anders dargestellt bewirkt der Nanomaßstab eine optimale Kontrolle der Spannungstensoren im Verbundwerkstoff durch ideale Streuung der verstärkenden Partikel innerhalb der Matrix, so dass deren Entmischung verhindert und somit die Kraftverteilung im Verbundmaterial das Risiko der Spannungskonzentration verringert wird. So wird eine lange Lebensdauer des Verbundwerkstoffs erzielt.
Der nicht-Newtonsche Charakter von geschmolzenem Polymer erschwert die optimale Streuung der verstärkenden Partikel und führt so zu einem hohen Entmischungsrisiko. Daher stellen die Mischung der verstärkenden Nanopartikel mit der Grundmatrix sowie anschließendes Schmelzen eine Alternative dar, wobei die elektrostatische Aufladung des Polymers eventuell als weitere Herausforderung kontrolliert werden muss.
Zur Lösung werden dabei vorzugsweise zunächst beide Verbund-Nanoanteile in Wasser getaucht und dann mit Ultraschall homogenisiert (1). Die Ultraschall-Homogenisierung bewirkt eine optimale Emulsionsbildung im Wasser und nachfolgend eine hochqualitative Streuung der verstärkenden Partikel innerhalb der Matrix.
Schließlich wird das Gemisch erhitzt, beispielsweise zwischen 80°C und 100°C, um den finalen Verbundwerkstoff zu erhalten. Natürlich ist der Umweltschutz hier als weiteres Schlüsselelement zu sehen. Daher sind jegliche Schadstoffe in der Zusammensetzung zu vermeiden. Die beste Qualität ließe sich eventuell durch Vakuumbehandlung in einer Vakuumkammer erzielen (2).
Zudem basiert der bedeutendste Energiebetrag im Prozess auf der Wärmekapazität des Polymers; da diese nicht viel höher ist als der Siedepunkt von Wasser und da die Vakuumbehandlung weniger Energie zum Verdampfen von Wasser bzw. zum Schmelzen des Polymers erfordert, ist der Prozess so effizienter umzusetzen.
Gemäß der Anwendung besteht eine Herausforderung darin, dass die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes den Anforderungen entsprechen. Obwohl dies scheinbar mit Routineverfahren erreichbar ist, sind aufgrund der angestrebten Realisierbarkeit sowie aus Umwelterwägungen Beständigkeit und Langlebigkeit des Werkstoffs als wichtige Faktoren zu berücksichtigen.
All diese Ziele können mit dem neuartigen Verfahren erreicht werden. Folglich werden durch die Realisierbarkeit des Werkstoffs nicht nur für die Anwendung geeignete physikalische Eigenschaften, sondern durch die Wiederverwertung von Abfall auch die Anforderungen an den Umweltschutz erfüllt.
Beispielsweise betrifft die Erfindung die Herstellung eines neuartigen Verbundwerkstoffs für Rahmen von Photovoltaikmodulen und deren Unterkonstruktion aus wiederverwerteten Abfallstoffen durch folgendes Verfahren: Die Ultraschall-Homogenisierung von Nanopulvern (verstärkende Partikel plus Grundmatrix) in Wassermedien ermöglicht eine optimale Vermischung der Verunreinigungen im Verbundwerkstoff sowie eine hohe Streuung der verstärkenden Partikel innerhalb der Matrix und resultiert somit in bestmöglichen physikalischen Eigenschaften.
Die Emulsion der verstärkenden Nanopartikel und der Matrixpartikel verliert nach einem ersten Verfahrensschritt durch Erhitzung Wasser, worauf das Polymer (Kunststoff-Matrix) schmilzt und sich im zweiten Schritt in einem Vakuumbehälter mit den verstärkenden Partikeln verbindet.
Der Verbundwerkstoff ist vollständig wiederverwertbar und kann erneut für dieselbe oder eine andere Anwendung eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

10: Ultraschall-Emulgiermaschine
12: Anschluss zur Vakuumpumpe
14: Schmelzform
16: Heizvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6632387 [0008]
WO 2010071879 A2 [0008]
US 7626062 [0008]
CN 103236454 A [0009]
CN 103580598 A [0009]
US 8381466 [0009]
US 20160134231 A1 [0010]
US 8567132 [0010]

Claims

Verbundwerkstoff, hergestellt durch ein Verfahren, bei dem ein erstes Nanopulver und ein zweites Nanopulver in einer Flüssigkeit mit Ultraschall homogenisiert werden und eine Emulsion bilden, und die Emulsion erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Emulsion in Unterdruck versetzt wird.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des ersten Nanopulvers zum zweiten Nanopulver 50:50 % beträgt.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Nanopulver verstärkende Partikel umfasst oder daraus besteht.
Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Nanopulver plastikfrei ist.
Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Nanopulver eine Grundmatrix, vorzugsweise Polymere, umfasst oder daraus besteht.
Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Nanopulver und/oder das zweite Nanopulver Abfallstoffe umfasst oder daraus besteht.
Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Wasser umfasst oder daraus besteht.
Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff als Rahmen und/oder Unterkonstruktion eines Photovoltaikmoduls geformt wird.
Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff als Montagestruktur für Photovoltaik-Arrays geformt wird.