DE4321564A1 - Folie für Bauzwecke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige transluzente Folie als flexible Werkstoffbahn für Bauzwecke nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 2.

Zum Überspannen von Nutzflächen - Pflanzbeeten, Spielfeldern, Schwimmbecken od. dgl. - werden seit Jahren an Gestellen aufgespannte transluzente oder transparente Folien verwendet. Bei Gewächshäusern sind üblicherweise einfache Folienbahnen im Einsatz, bei Sportstättenüberdachungen vermehrt Kissenkonstruktionen, wie sie etwa die EP-OS 306 717 offenbart. Dort werden Dachbinder mit hinterschnittenen Nuten beschrieben, in welche Kederprofile doppellagiger - oder gar dreier Lagen von - Folien eingeschoben werden, die ein Kissen oder Doppelkissen bilden.

Für derartige Konstruktionen wurden Spezialfolien entwickelt; sie mußten mechanisch hochbelastbar, also reiß- und hagelschlagfest sein, gemäß den Anforderungen im Bauwesen schwer entflammbar und außerdem für Außenanwendungen witterungsbeständig, hochtransparent und - wenn möglich - UV-strahlendurchlässig.

Diese Folien ermöglichen beispielsweise ein großflächiges Überspannen von Schwimmbädern, Sportanlagen, zoologischen Gärten, Gewächshäusern, Fischzuchtanlagen, Freizeitzentren u.v.a. mehr. Sie eignen sich auch für andere technische Problemlösungen wie beispielsweise für die Herstellung von leichten Solargeräten, Parabolspiegeln oder großflächigen Parabolantennen.

Um nun solchermaßen überdachte Flächen zu beschatten sowie Bewuchs oder Benutzer im Sommer vor übermäßiger Sonneneinstrahlung zu schützen, müssen lichthemmende Abdeckplanen vorgesehen und im Bedarfsfall mit aufwendigen Mitteln über die Folie gelegt oder unter ihr gespannt werden. Denkbar sind für diese Zwecke auch Jalousien, die technisch ohne weiteres möglich wären, kaufmännisch jedoch nur schwer durchsetzbar sind.

Zudem ist der DE-OS 40 38 498 eine Kunststoffolie mit steuerbarer Durchlässigkeit zu entnehmen, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung durchsichtig bzw. undurchsichtig gemacht zu werden vermag; es sind zwei in kaltem Zustand gestreckte PVC-Folien vorgesehen, die durch die Streckung ein Polarisationsfilter darstellen. Diese Folien sind auf den einander zugekehrten Seiten mit je einer leitfähigen aufgedampften Metall- oder Metalloxidschicht bedeckt, an die eine Wechselspannung von etwa 60V anlegbar ist. Zwischen diesen Schichten verläuft eine dünne Flüssigkristallschicht, deren Moleküle sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung in Richtung der Schichtebene ausrichten. Bei fehlender Spannung erstrecken sich diese Moleküle in unterschiedlichen Richtungen; ohne Spannung ist die Gesamtfolie für Licht durchlässig, unter Spannung aber sperren die Flüssigkeitskristalle den Lichtdurchtritt. Soll also dieser bekannte Aufbau lichtundurchlässig sein, so muß dauernd eine Spannung angelegt sein.

In Kenntnis diese Standes der Technik hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, die erkannten Mängel zu beseitigen und eine Folie, bevorzugt aus organischen Ausgangsprodukten zu schaffen, welche ein problemloses Beschatten von Flächen und Räumen bei geringem Energieverbrauch erlaubt.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre nach den unabhängigen Patentansprüchen; die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen an.

Der Folienaufbau enthält zumindest eine Schicht mit elektrochromen Stoffen, die von elektromagnetischer Strahlung unter Änderung des Absorptions- und/oder Reflexionsvermögens beeinflußbar ausgebildet ist. Der Erfinder macht sich dazu den sogenannten Elektrochromismus nutzbar, die Eigenschaft eines Materials, sein spektrales optisches Verhalten - und damit seinen Farbeindruck - durch Anlegen eines externen Potentials mit damit verbundener Ladungsträgerwanderung re­ versibel zu ändern. Elektrochromie konnte bereits bei einer großen Anzahl organischer und anorganischer Stoffe nachgewiesen werden. Elektrochrome Substanzen werden je nach Vorzeichen des Potentials, welches zu einer Einfärbung der Substanz führt, in anodische und kathodische eingeteilt. Anodische Elektrochromie liegt vor, wenn das Material sich durch Anlegen einer positiven Spanung färbt. Im Bereich der anorganischen Substanzen zeigen beispielsweise die Oxide und Hydroxide der Übergangsmetalle der 8. Gruppe (Platin-Gruppe) dieses Verhalten. Kathodisch färbendes Verhalten hingegen wurde beispielsweise für die höchsten Oxidationszustände der Übergangsmetalle W, Mo, V, Nb und Ti gefunden.

Um einen Ladungsträgeraustausch des elektrochromen Materials möglich zu machen, muß es elektrisch leitend mit einem Stoff verbunden werden, der ebenfalls Ladungen aufzunehmen und abzugeben vermag (Ionenspeicher).

Das externe Potential kann beispielsweise durch zwei Elektroden erzeugt werden, die das elektrochrome Material und den Ionenspeicher, die eventuell durch einen Festkörperelektrolyten getrennt sind, einschließen. Des weiteren kann das Potential beispielsweise durch ein äußeres Magnetfeld hergestellt werden.

Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung sind der tragenden Folie, folgend auch Tragfolie genannt, zwei elektrisch leitende und jeweils an einen Pol einer Stromquelle anschließbare transluzente Beschichtungen zugeordnet; zwischen diesen sind die elektrochrome Schicht - bevorzugt aus Wolframtrioxid - sowie eine transluzente Speicherschicht aus einer Ionen freisetzenden und aufnehmenden Substanz vorgesehen.

Der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems läßt sich als elektrochemische Folienzelle interpretieren. Sie besteht - wie gesagt - im wesentlichen aus der elektrochromaktiven Schicht als Arbeitselektrode, deren Färbezustand sich durch Einbringen oder Abziehen von Ladungen ändert sowie aus der Gegenelektrode in Form eines Ionenreservoirs für die am Färbeprozeß beteiligten Ionen. Beide Schichten können gegebenenfalls durch einen Ionenleiter (Elektrolyten) voneinander getrennt werden. Der elektrische Anschluß des Systems erfolgt an zwei Elektroden, welche die vorgenannten Schichten beidseits abdecken.

Aus Gründen besserer Verarbeitung und Stabilität hat es sich als günstig erwiesen, die Tragfolie zwischen eine leitende Beschichtung und die anderen beschriebenen Schichten zu legen. Deckt man die - sich am Querschnittsäußeren befindlichen - leitenden Beschichtungen erfindungsgemäß durch elektrochrom inaktive Schutzfolien ab, erreicht man einen robusten Aufbau.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es möglich, die Speicherschicht durch eine zweite elektrochrome Schicht, die auf ein elektrisches Potential mit umgekehrtem Vorzeichen wie die erste elektrochrome Schicht reagiert, zu ersetzen, wodurch der elektrochrome Effekt des Gesamtsystems verstärkt wird.

Wird etwa nach der Erfindung an die eine Beschichtung der positive Pol einer Spannungsquelle angelegt, so sieht ein Betrachter die Zwischen- oder Tragfolie dunkelblau verdunkelt, und zwar infolge der Reaktion der in ihrer Transparenz veränderlichen, elektrochrom aktiven Schicht. Schaltet man die Spannung ab, bleibt die dunkle Farbe wegen des "Erinnerungsvermögens" erhalten.

Wird die Polarität gewechselt, so kehrt die Zwischen- oder Tragfolie in den transluzenten Zustand zurück und verbleibt auch nach dem Ausschalten der Spannung in diesem.

Zum Aufbringen der Schichten können beispielsweise Techniken herangezogen werden, die auch in der Verpackungsindustrie zur Aromaversiegelung von Kunststoffolien benutzt und in Fachkreisen folgendermaßen genannt werden:

reaktives Aufdampfen;
Sputtern;
Ion plating;
Tauchen;
Ion assisted deposition;
Plasma impulsed chemical vapour deposition.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Behandlung von langen Folienbahnen aus mehreren miteinander verbundenen - beispielsweise zusammengeschweißten - Bahnen, so daß neben wirtschaftlichen Vorteilen der flächenmäßigen Ausbreitung einer elektrochrom aktiven Folie keine Grenzen gesetzt werden.

Dadurch können nicht nur großflächige Überdachungen - beispielsweise Tennisplätze - realisiert werden, sondern man vermag auch elektrochrom aktive Panoramafenster beliebiger Größe durch das Verbinden der Folie mit Glasplatten herzustellen.

Im Rahmen der Erfindung liegen weitere Einsatzmöglichkeiten dieser "intelligenten Folie", von denen die Verwendung als Abdeckfolie für Fahrzeugfenster oder für das transparente Visier von Sturzhelmen nur ausgewählte Beispiele sein sollen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in,

Fig. 1 einen schematisierten Querschnitt durch einen Teil einer Überdachung mit Kissen aus zwischen Tragbindern verlaufenden Folien;

Fig. 2 einen überhöhten Teilquerschnitt durch eine Folie mit mehreren Schichten;

Fig. 3 den Teilquerschnitt nach Fig. 2 in einem anderen Betriebszustand der Schichten;

Fig. 4 bis Fig. 6 weitere Beispiele beschichteter Folie/n in überhöhten Teilquerschnitten.

Ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Schwimmbecken, eine Pflanzenlandschaft od. dgl. wird von einem Flächentragwerk 10 überdacht, das zwischen Tragbindern 12 aufgespannte Kissen 14 enthält.

Die in Fig. 1 skizzierten Tragbinder 12 bestehen jeweils aus einem Rohrträger 16 und einem auf diesem mittels Bolzen 18 befestigten Kammprofil 20. Jedes der Kammprofile 20 etwa rechteckigen Querschnitts ist mit - in gezeigter Einbaulage - seit­ lichen Längsnuten 22 ausgestattet, deren Nutentiefstes von einem hinterschnittenen Abschnitt 24 runden Querschnittes gebildet wird.

Die Längsnuten 22, 24 benachbarter Tragbinder 12 nehmen rundstabförmige Kederprofile 26 auf, zwischen denen drei Folienbahnen 28, 30, 32 so aufgespannt sind, daß zwei in Einbaulage konvexe Außenwände bildende Außenfolien 28, 32 mit einer i.w. eben gespannten Zwischenfolie 30 Luftkammern 34, 36 des Kissens 14 begrenzen. Die Luftkammern 34, 36 sind mit stehender oder strömender Blasluft gefüllt, deren Druck die mechanische Spannung in den Außenfolien 28, 32 und damit deren konvexe Form bestimmt.

Die beiden Außenfolien 28, 32 sind bei der gewählten Ausführung jeweils von etwa 190 µm Dicke, während die Mittel- oder Zwischenfolie 30 eine Dicke k von etwa 100 µm aufweist.

Die Zwischenfolie 30 - beispielsweise eine hochtransparente aus einem Copolymeren des Ethylens und Tetrafluorethylens (ETFE) - trägt in Fig. 2 nach oben hin eine sehr dünne transparente obere Beschichtung 40, die elektrisch leitend sowie bevorzugt von einem anorganischen Halbleiter wie einem Oxid von Wolfram, Molybdän, Vanadium, Iridium od. dgl. gebildet ist, vor allem einem mit Zinn dotierten Indiumoxid (ITO).

An ihren Unterseiten ist die Zwischen- oder Tragfolie 30 mit einer Speicherschicht 42 aus einer Ionen freisetzenden und aufnehmenden Substanz wie Magnesiumfluorid (MgF2) od. dgl. beschichtet, die nach unten hin eine in ihrer Transluzenz oder Transparenz veränderliche, elektrochrom aktive Schicht 44 - etwa aus elektrochromem Metalloxid, hier amorphem Wolframtrioxid (WO3) - überlagert. Die in Fig. 2 mit 46 bezeichnete untere Beschichtung entspricht in ihrer Zusammen­ setzung der oberen Beschichtung 40. Der besseren Übersicht wegen ist das Foliengebilde der Fig. 2, 3 insgesamt mit 31 bezeichnet. Die Dicken der einzelnen Schichten bzw. Filme liegt zwischen 100 und 500 Nanometern, bevorzugt bei etwa 250 Nanometer.

Beide Beschichtungen 40, 46 sind Teil eines elektrischen Systems; setzt man die obere Beschichtung 40 gemäß Fig. 2 als positiven Pol einer über Leitung 48 angelegten Spannung einer Spannungsquelle 50 ein, wandern freie H+-Ionen des Magnesiumfluorids aus dem Ionenreservoir der Speicherschicht 42 in die darunter liegende elektrochrome Schicht 44 aus Wolframtrioxid. Gleichzeitig dringen Elektronen (e-) von der unteren - über Leitung 52 an den Minuspol der Spannungsquelle 50 angeschlossenen - negativen Indium- Zinnoxid-Elektrode 46 in das amorphe Wolframtrioxid der Schicht 44 ein.

Die hydrogenen Ionen und die Elektronen reagieren chemisch mit dem Wolframtrioxid, indem sie die Wertigkeit ausgewählter Plätze von +6 auf +5 ändern. Ist die Wertigkeit +6 eingestellt, kann Licht passieren, ändert sie sich auf +5, dann absorbiert Wolframtrioxid Licht - besonders die Wellenlängen im infraroten Bereich des Spektrums - so daß ein Betrachter die Zwischenfolie 30 dunkelblau verdunkelt sieht.

Schaltet man dann die Spannung ab, bleibt die dunkle Farbe wegen des "Erinnerungsvermögens" der Materialien erhalten.

Wird die Polarität der oberen und unteren Elektrode bzw. Beschichtung 40, 46 entsprechend Fig. 3 gewechselt, wandern die freien hydrogenen Ionen und die aufgenommenen Elektronen aus der aktiven Schicht 44 aus Wolframtrioxid hinaus, so daß die Zwischenfolie 30 in den transluzenten Modus zurückkehrt und in diesem Zustand auch nach dem Ausschalten der Spannung verbleibt.

Mit Hilfe einer nicht dargestellten Meß- und Regeleinrichtung ist es - von einem Computer gesteuert - möglich, je nach Intensität der einfallenden Sonnenstrahlung den Verdunklungsgrad der Folie zu beeinflussen.

Selbstverständlich kann das Absorptions- und/oder Refle­ xionsvermögen auch manuell geregelt werden.

Ein elektrischer Durchschlag des "Kondensators" ist bei den geringen Spannungen und der hohen Durchschlagfestigkeit von 140 kV/mm - gemessen an einer 100-Micrometer-Folie - nicht zu befürchten.

Bei dem Foliengebilde 31a der Fig. 4 sind auf den Beschichtungen 40, 46 bei 54 noch zusätzliche transparente Folienbahnen angedeutet, die bei Verwendung außerhalb eines Kissens 14 als zusätzlicher Schutz aufgebracht sein können.

Bei der Ausführung 31b nach Fig. 5 ist zwischen der hier elektrochrom aktiven Speicherschicht 42 als Ionenreservoir und der elektrochrom aktiven Schicht 44 eine Ionen leitende Führungsschicht 56 mit einem Elektrolyten aus Tantaloxid eingefügt. Fig. 6 gibt einen Schichtaufbau 31c wieder, bei dem die transluzente Tragfolie 30 die anderen Schichten 40, 42, 44, 56 trägt. Nicht dargestellt ist der Fall, daß sich letztere an der Unterseite der Tragfolie 30 befinden bzw. eine der elektrisch leitenden Beschichtungen durch eine spiegelnde Elektrode - bevorzugt aus Metall - ersetzt ist.

Die Schichten 40, 42, 44, 46, 56 können mittels dessen Komponenten - wie gesagt - bevorzugt nach folgenden Verfahren aufgebracht werden: reaktives Aufdampfen; Plasma gepulstes chemisches Aufdampfen; Sputtern; Ionenplattieren; Tauchen.

Claims (19)

1. Mehrschichtige transluzente Folie als flexible Werk­ stoffbahn für Bauzwecke, insbesondere für die Herstel­ lung von Überdachungen, bei welcher der Folienaufbau in seinem Absorptions- und/oder Reflexionsvermögen gegen­ über der Intensität einfallender elektromagnetischer Strahlung, bevorzugt der Sonneneinstrahlung, änderbar ist, gekennzeichnet durch eine Zwischenfolie (30), der auf ihrer einen Seite eine in ihrer Transluzenz oder Transparenz veränderliche elektrochrom aktive Schicht (44) mit einer benachbarten Ionen speichernden Führungsschicht (56) zugeordnet ist, wobei beidseits der elektrochrom aktiven Schicht samt Führungsschicht jeweils eine transparente Beschichtung (40, 46) angeordnet ist und diese beiden Beschichtungen elektrisch leitend sind.

2. Mehrschichtige transluzente Folie als flexible Werk­ stoffbahn für Bauzwecke, insbesondere für die Herstel­ lung von Überdachungen, bei welcher der Folienaufbau in seinem Absorptions- und/oder Reflexionsvermögen gegen­ über der Intensität einfallender elektromagnetischer Strahlung, bevorzugt der Sonneneinstrahlung, änderbar ist, gekennzeichnet durch eine Zwischenfolie (30), der eine in ihrer Transluzenz oder Transparenz veränderli­ che elektrochrom aktive Schicht (44) sowie eine elektrochrom aktive Speicherschicht (42) zugeordnet sind, wobei beidseits dieser Schichten jeweils eine transparente Beschichtung (40, 46) angeordnet ist und diese beiden Beschichtungen elektrisch leitend sind.

3. Folie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schichten (42, 44) an einer Seite der Zwischenfo­ lie (30) vorgesehen sind.

4. Folie nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Schichten (42, 44) ein Festkör­ perelektrolyt (56) vorgesehen ist.

5. Folie nach Anspruch 1 oder 4, gekennzeichnet durch eine Führungsschicht (56) mit einem Elektrolyten aus Magnesiumdifluorid (MgF2).

6. Folie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrochrom aktive Schicht (44) und/oder die Speicherschicht (42) von einer transparen­ ten Schutzschicht (54) überdeckt sind/ist.

7. Folie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende/n Be­ schichtung/en (40, 46) von einer elektrochrom inaktiven transluzenten Folie (54) überspannt ist/sind.

8. Folie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie als Tragfolie (30) zwei elektrisch leitende und jeweils an einen Pol einer Stromquelle (50) anschließbare transluzente Beschichtungen (40, 46) aufnimmt sowie zwischen diesen die elektrochrome Schicht (44) sowie die transluzente Speicherschicht (42) aus einer Ionen freisetzenden und aufnehmenden Substanz vorgesehen sind.

9. Folie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrochrome Schicht (44) ein Metalloxid aufweist, insbesondere ein Wolframtrioxid.

10. Folie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die leitende Beschichtung (40, 46) aus einem transluzenten Halbleiter besteht, insbesondere aus einem Oxid oder Hydroxid der Übergangsmetalle der Platingruppe (8. Gruppe) oder den Nebengruppenelementen der Gruppen I, V; VI, VIIIb des periodischen Systems.

11. Folie nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch elektrisch leitende Beschichtungen (40, 46) aus einem Oxid des Wolfram, Molybdän, Vanadium, Iridium, insbesondere aber aus einem mit Zinn dotierten Indiumoxid.

12. Folie nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Speicherschicht (42) ein Fluorid eines Erdalkalimetalls enthält oder ist.

13. Folie nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Speicherschicht aus einem Leichtmetallfluo­ rid.

14. Folie nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Speicherschicht (42) ein Nickel­ hydroxid enthält oder ist.

15. Folie nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schichten (40, 42, 44, 46) jeweils geringer ist als die Dicke (k) der Zwischen- oder Tragfolie (30).

16. Folie nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß sie zwischen den beiden elek­ trisch leitenden Beschichtungen (40, 46) vorgesehen ist.

17. Folie nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß sie zu einer transluzenten Platte versteift ist.

18. Folie nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie an ein Meß- und Regel­ system angeschlossen sowie von einem Computer oder ma­ nuell steuerbar ist, wobei das Absorptions- und/oder Reflexions- und/oder Transmissionsvermögen in Abhän­ gigkeit von der Intensität der einfallenden elektroma­ gnetischen Strahlung, bevorzugt der Sonneneinstrahlung, änderbar ist.

19. Folie nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß einer elektrisch leitenden Beschichtung (40 oder 46) eine spiegelnde Elektrode, bevorzugt aus Metall, zugeordnet ist.