WO2020228920A1 - Vorrichtung zum temporären speichern und ausgeben von wasser - Google Patents

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shape memory
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storage material
way shape
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Thorsten Pretsch
Fabian FRIEß
Mario Walter
Erik Wischerhoff
Martin Krus
Sandra Pappert
Christian TEICHT
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use

Definitions

  • the invention relates to a device for temporary
  • CONFIRMATION COPY Long-term maintenance of relatively high amounts of energy of more than 3 kWh per m 3 of desalinated water, which limits their use to a few, more highly developed industrialized countries.
  • mist catchers are known in practice for collecting air humidity, which enable water to be obtained directly from the atmosphere by condensation of the air humidity on textile surfaces.
  • the amount of water that can be obtained as a result is very limited, where humidity of almost 100% is required for the extraction of water.
  • a device for extracting water from an aerosol, such as fog in particular, by means of a textile separating element for separating the liquid contained in the aerosol is known, for example, from DE 10 2008 042 069 A1, the separating element being formed from a three-dimensional textile structure .
  • JP 06-322798 A describes a closed device for extracting water by absorbing air humidity on a sorbent in the form of a polymeric hyd rogel, the hydrogel having the property of absorbing moisture up to a certain switching temperature and water in from this switching temperature to be released in condensed form.
  • DE 10 2010 047 788 B4 discloses a device for obtaining drinking water by absorbing air humidity from ambient air, which device contains a sorbent immobilized on or in a carrier substrate. While the carrier substrate is a tex tiles fabric or a fleece, a polymeric hydrogel is provided as Sorptionsmit tel. The release of water from the hydrogel can be switched by changing the ambient temperature, the release of water from the hydrogel after reaching or exceeding a switching temperature of the hydrogel taking place in condensed form and the carrier substrate having a darkened, in particular black, surface around the hydrogel To warm sunlight.
  • the known device has a simple construction and enables, in particular, due to the switching properties of the hydrogel, an extraction of water in relative large quantities without external energy having to be supplied.
  • the invention has the object zugrun ⁇ de, an apparatus for temporarily storing and outputting of water of the type mentioned in a simple and kos ⁇ -effective way to further develop such a way that it without the need for a power supply, a comparison with the prior art elevated storage - and in particular has output capacity of water.
  • this object is achieved in a device of the type mentioned in that the support structure contains at least one two-way shape memory polymer or is formed entirely from it, the least one two-way shape memory polymer between the support structure
  • the at least one two-way shape memory polymer at least
  • first form is converted into the second form
  • Shape memory polymers are polymers that usually consist of at least two polymer components or, in particular, consist of a polymer component with different segments. On the one hand, these are “hard” segments that also function as network points. On the other hand, there are “soft” segments that connect the network points with each other and are also known as switching segments and are amorphous or elastic at elevated temperatures, while they are rigid at lower temperatures (in this case they are partially crystalline or glazed Form before). Such polymers can be programmed with regard to their shape by heating them to a temperature which at least corresponds to the so-called switching temperature at which the phase transition (glass transition or melting transition) of the soft or switching segments takes place.
  • the polymer can then be mechanically deformed under the action of a deformation force, after which it can be cooled to its so-called shape-fixing temperature while maintaining the deformation, which corresponds to the crystallization temperature or glass transition temperature of the soft or switching segments and in the area of the Switching temperature can lie, but is usually at least somewhat lower in comparison.
  • the soft or switching segments are then again in partially crystalline or glazed form so that the shape is retained.
  • this shaping is only temporary in that when a mechanically deformed shape memory polymer "programmed” in this way is heated to a certain temperature, namely to its switching temperature, the soft segments (switching segments) are converted back into their amorphous shape so that they the restoring force induced by the hard component (network points) can no longer counteract and the shape memory polymer returns to its original shape, the mechanical deformation mung is thus "reversed” without the need for a renewed application of force.
  • thermoresponsive polymers In addition to such a shape memory, thermoresponsive polymers generally also have a temperature memory. This is understood to mean that when the shape memory effect is triggered, the shape recovery begins approximately at the temperature at which the mechanical deformation was previously introduced into the material.
  • a material behavior for example, show polymers with semi-crystalline network structures, such as thermoplastic polyurethane elastomers (N. Fritzsche, T. Pretsch in Macromolecules 47_, 2014, 5952-5959; N. Mirtschin, T.
  • polymers with shape memory properties which have two-way shape memory properties and can consequently be switched in a thermo-reversible manner
  • the switching segments of such two-way shape memory polymers primarily at the transition between their crystalline state and its mainly amorphous state experience a change in shape in such a way that on the one hand by means of cooling the polymer below the crystallization temperature, which is referred to in the context of the present disclosure as the "second switching temperature”, on the other hand by heating the polymer in the switching temperature range, which in the context of the present disclosure is referred to as "first switching temperature", reversible between their permanent shape and their temporary shape can be switched back and forth, ie the appropriately programmed polymer automatically deforms back and forth with appropriate temperature control.
  • Such polymers are known, for example, from T. Pretsch, M. Bothe: “Bidirectional actua- tion of a thermoplastic polyurethane elastomer", Journal of Materials Chemistry A, 2_0 (2013), 14.491-14.497.
  • two-way shape memory polymers which develop their two-way shape memory properties in particular under the action of a permanent mechanical preload, such as as a result of permanent pressure, so that they are under permanent tension, in order to promote the crystallization of the soft segments during the cooling, as it is for example from the article by M.
  • a permanent mechanical preload such as as a result of permanent pressure
  • the support structure contains at least one such two-way shape memory polymer or is formed essentially entirely therefrom, the two-way shape memory polymer of the support structure being programmed in such a way that it is at least between
  • the at least one shape memory polymer of the support structure has at least one
  • first form in which the support structure receives the storage material essentially without pressure, is transferred to the second form
  • Switching temperature at which the two-way shape memory polymer is in its first form, offers sufficient space to absorb water, such as rainwater or, in particular, humidity, while at higher temperatures (e.g. during the day) above the first switching temperature at which this is Two ways- Shape memory polymer is in its second form, the water absorbed in the storage material is squeezed out in an effective manner and consequently the water yield is increased.
  • the water squeezed out of the support structure with the at least one two-way shape memory polymer located in its second form can then be diverted from the support structure and collected in a manner known as such, for example by means of outlets or the like provided in or on the support structure and e.g. be transferred to a suitable (drinking) water reservoir.
  • a suitable (drinking) water reservoir As soon as the at least one two-way shape memory polymer of the support structure has been converted back into its first form as a result of falling below the second switching temperature, in which the support structure absorbs the storage material essentially without pressure, it can again absorb large amounts of rainwater and / or air humidity, etc.
  • the volume ratio of the at least one two-way shape memory polymer of the support structure and the storage material embedded therein can expediently, for example between up to about 100: 1 and about 1: 100 amount, depending on which - first or second - shape the two-way shape memory polymer of the support structure is currently in.
  • the device according to the invention for temporarily storing and dispensing water can - as already mentioned - in particular for energy self-sufficient (drinking) water production, but also for other areas of application, such as for energy self-sufficient drying of buildings or other facilities, such as industrial systems, technical devices, Land, water, air and space vehicles, etc., used
  • the storage material can be adapted to the respective intended use. It can in any case be designed in the form of a mobile, preferably portable, system or also in the form of a stationary system.
  • the at least one two-way shape memory polymer of the supporting structure can essentially not be mechanically preloaded, with a purely temperature-dependent, reversible change in shape between its first shape and taking place in the at least one two-way shape memory polymer of the supporting structure, which takes place without the action of external forces its second form is programmed in.
  • Such a configuration is particularly suitable for portable devices with the lowest possible weight.
  • the at least one two-way shape memory polymer of the supporting structure is mechanically under permanent tension, with at least one gravity in particular generating such a permanent tension the surface load acting on the supporting structure can serve, so that the permanent mechanical pre-load to promote the two-way shape memory effect likewise does not require any external energy supply.
  • the support structure made of the at least one two-way shape memory polymer has at least one chamber in which the storage material is embedded, the Void volume of the chamber in the first form of the at least one two-way shape memory polymer of the supporting structure, in which the supporting structure receives the storage material essentially without pressure, is greater than in the second form of the at least one two-way shape memory polymer of the supporting structure in which the latter compresses the storage material in order to squeeze absorbed water out of the storage material.
  • the support structure made of the at least one two-way shape memory polymer can in particular have a plurality of chambers, each of which accommodates the storage material, the chambers in particular communicating with one another, so that the moisture surrounding the device as a result of diffusion is easily and quickly absorbed the storage material of each chamber is able to penetrate or to be pressed out therefrom and removed.
  • the chamber (s) can basically have virtually any shape, which expediently allows the chambers to be arranged close to one another and / or one above the other, the at least one chamber being essentially cylindrical, square or honeycomb-shaped, for example can.
  • the support structure - as already mentioned - can be designed with appropriate outlets and, in the case of a structure comprising several chambers, in particular also have passages arranged between adjacent chambers (the at least one two-way shape memory polymer in this case can be compact and essentially comprise plate-shaped support elements which form the walls of a respective chamber), it can alternatively or additionally preferably be provided that the Will support structure is at least partially porous, wherein the may be present at least one two-way shape memory polymer of the support structure, in particular in the form of a front ⁇ namely open-cell foam, wel ⁇ cher, for example through the use of blowing agents in the two-way shape memory polymer produced during the Formge bung can.
  • the support structure made of the at least one two-way shape memory polymer can furthermore preferably have a substantially sandwich-like structure, each layer of such a sandwich-like structure being able to comprise, for example, a plurality of chambers of the type described above, or each layer has one in Substantially plate-shaped extension, the storage material being accommodated between such approximately plate-shaped support elements of the support structure.
  • the essentially plate-shaped support elements can in turn e.g. formed from the at least one two-way shape memory polymer in compact form and formed with a plurality of the nenden passages for mass transfer, or the at least one two-way shape memory polymer can be in the form of a primarily open-pored foam, for example.
  • the support structure consists of the at least one two-way shape memory polymer comprises essentially lattice and / or net-shaped support elements, which ensure a very high mass transfer through the openings of the lattice or net through ge ⁇ , such as lattice and / or net-shaped support elements of the support structure in turn sandwiched over and / or can be arranged next to one another in order to accommodate the storage material between them, or the approximately grid-like and / or net-shaped support elements of the support structure can in turn form, for example, a plurality of chambers which accommodate the storage material.
  • the at least one two-way shape memory polymer of the support structure can in this case likewise be compact or also foamed.
  • the first and second switching temperature of the at least one two-way shape memory polymer of the support structure can be adapted to the respective intended use, in particular by appropriate selection and chain length of its switching segments, in particular when the device according to the invention is used for temporarily storing and dispensing water for (drinking) water production in arid or semi-arid dry areas, for example, it can be provided that
  • a two-way shape memory polymer of the support structure from its first form, in which the support structure absorbs the storage material essentially without pressure, into the second form, in which the support structure compresses the storage material in order to press absorbed water out of the storage material, is transferred between approximately 10 ° C and about 70 ° C, in particular between about 15 ° C and about 60 ° C, preferably between about
  • the second switching temperature at which the at least one two-way shape memory polymer of the support structure is converted from its second shape into the first shape, between about -20 ° C and about 35 ° C, in particular between about -10 ° C and about 30 ° C , preferably between about 0 ° C and about 25 ° C, e.g. is between about 10 ° C and about 20 ° C.
  • first switching temperature melting temperature
  • second switching temperature crystallization temperature
  • the first and second switching temperatures are very close, for example by about 1 ° C. or a few ° C., or the first and second switching temperatures can also be several ° C., for example up to about 30 ° C or up to about 35 ° C.
  • any known two-way shape memory polymers can be used for the support structure, the switching temperatures of which can be used in a range suitable for the respective purpose of the device according to the invention for the temporary storage and dispensing of water, this can be the case at least one two-way shape memory polymer of the support structure, for example preferably a, in particular thermoplastic, polyurethane elastomer act.
  • thermoplastic polyurethane elastomer Journal of Materials Chemistry A, 2_0 (2013), 14,491-14,497 known, with a thermoplastic polyurethane elastomer with hard segments or network points based on methylenediphenyl isocyanate (MDI) and 1,4-butanediol (crystalline / amorphous) and with switching or
  • MDI methylenediphenyl isocyanate
  • 1,4-butanediol crystalline / amorphous
  • Soft segments based on polybutylene-1,4-adipate which can be obtained by reacting 1,4-butanediol with adipic acid, should be mentioned. If this polymer is heated for the first time to a deformation temperature of about 60 ° C, it can be programmed, preferably with a slow deformation rate of for example about 1% / s, for example with a total elongation of up to about 1000% whereupon it is cooled to about 0 ° C. to a length dimension of the material to he ⁇ aim.
  • first switching temperature the switching temperature range
  • second switching temperature the crystallization temperature
  • Examples of two-way shape memory polymers whose two-way shape memory properties can be enhanced in particular by the action of a permanent pressure load so that the two-way shape memory polymer is under permanent mechanical tension are, for example, from the article by M. Bothe, T. Pretsch : “Two-Way Shape Changes of a Shape Memory Poly (ester urethane)" in Macromol. Chem. Phys.
  • Such a two-way shape memory polymer can be subjected to a mechanical stress, for example in the range of about 1.5 MPa.
  • a mechanical stress for example in the range of about 1.5 MPa.
  • second switching temperature crystallization temperature
  • first switching temperature melting temperature
  • the at least one two-way shape memory polymer of the support structure can, for example, only be subject to permanent mechanical tension in some areas, such as due to the gravitation of a surface load that only acts on the support structure in some areas.
  • the at least one two-way shape memory polymer of the support structure with an electromagnetic Radiation in the infrared and / or ultraviolet spectrum absorbing medium is offset and / or coated so that it is particularly with increasing outside temperature
  • the support structure for this purpose can in the simplest case, for example, be provided with a coating or paint with a dark, preferably black, color applied to at least the outside.
  • At least one, in particular powder or particulate, additive with properties that absorb infrared and / or ultraviolet radiation is added to the at least one two-way shape memory polymer of the support structure, such as filling and / or or reinforcing materials based on carbon, for example in the form of graphite or expanded graphite, soot, carbon nanotubes (CNT), graphene flakes or the like, metals and metal compounds including their alloys and oxides etc., of course also Combinations of several different filler materials can be used.
  • the at least one polymer with two-way shape memory properties for example, in particular dark, dyes or pigments or in principle also other additives largely known as such from the prior art, in particular biocompatible and physiologically harmless additives, such as lubricants,
  • Plasticizers plasticizers, antioxidants, UV stabilizers, reinforcements agents, flame retardants, antistatic agents, hydrolysis stabilizers, impact modifiers, biostatic agents (see also below), etc.
  • the compressible storage material of OF INVENTION ⁇ to the invention device type for temporary storage and off of water in principle any known, to re versiblen absorption of water and in particular hygroskopi specific storage materials are concerned, it may preferably be a Superabsor over at the memory material, in particular in the form of a hydrogel or airgel.
  • the latter are highly porous solids with a pore volume fraction of up to 99.99%, based on the total volume of the airgel, which can be used for example on a silicate basis, but also on a plastic, carbon or similar basis .
  • the storage material can be e.g. a polymeric hydrogel, in particular based on polyacrylic acid including its amides, starch including its copolymers, cellulose including its copolymers and / or cotton, han.
  • the storage material can in particular have a volume phase transition temperature at which it experiences a change in volume, the volume phase transition temperature in particular between about 5 ° C and about 50 ° C, preferably between about 10 ° C and about 45 ° C, for example between about 15 ° C and about 40 ° C or between about 15 ° C and about 35 ° C.
  • Such superabsorbent hydrogels have swellable, crosslinked structures which in the presence of water experience a volume phase transition of the so-called LCST type ("lower critical solution temperature”), where they form gels with water below the critical temperature (“volume phase transition temperature”) while they are above the critical temperature (“Volume phase transition temperature”) displace the water from the then more hydrophobic structure, so that in connection with the support structure according to the invention based on two-way shape memory polymers, the greatest possible water absorption and release capacity of the device can be ensured.
  • LCST type low critical solution temperature
  • volume phase transition temperature critical temperature
  • Volume phase transition temperature critical temperature
  • suitable polymeric hydro gels can be found in DE 10 2010 047 788 B4 cited above, which is hereby explicitly made the subject of the present disclosure.
  • the support structure and / or the storage material can be provided with an antimicrobial treatment in particular - albeit not exclusively - in the event that the device according to the invention is provided for temporarily storing and dispensing drinking water to avoid undesirable germ or fungus formation.
  • the antimicrobial finish should be harmless to health, it being possible for example to include fillers, fibers or threads based on silver and its sparingly or insoluble salts.
  • corresponding de filters for example in the form of activated charcoal filters, can of course be provided, which are inserted into the outlets of the support structure in order to filter the water obtained and squeezed out of the storage material.
  • a device for the temporary storage and dispensing of water with a compressible storage material suitable for reversible absorption of water and a support structure in which the storage material is embedded, the two-way shape memory polymer of the support structure being in its first form, in which the support structure receives the storage material essentially without pressure;
  • FIG. 2 is one of FIG. 1 corresponding, highly schemati
  • the two-way shape memory nispolymer of the supporting structure is in its second form, in which the supporting structure compresses the storage material in order to press absorbed water out of the storage material .
  • the device 1 comprises on the one hand a compressible storage which is suitable for the reversible absorption of water chermaterial 2, for example in the form of a polymeric hydrogel, on the other hand a support structure 3 in which the storage material 2 is embedded.
  • the support structure 2 is made of at least one two-way shape memory polymer, such as one of the type described above, ge and comprises in the present case an approximately sandwich-like structure with a plurality of chambers 4 arranged next to one another and one above the other, in which the Spei chermaterial ⁇ 2 is embedded in each case.
  • the chambers 4 are designed, for example, essentially cuboid and are fluidically connected to one another, with adjacent chambers 4 communicating with one another, for example via passages not shown in the drawing (the two-way shape memory polymer of the support structure 2 can be compact in this case, for example ), and / or the support structure 3 is open-pored, the two-way shape memory polymer of the support structure 3 being in the form of a primarily open-cell foam.
  • the supporting elements of the supporting structure 3 delimiting the chambers 4 can have, for example, an approximately grid-like or reticulated structure, so that a good exchange of substances - or more precisely: moisture or water exchange - can take place between adjacent chambers 4.
  • the two-way shape memory polymer of the support structure 3 can also be mixed and / or coated with an electromagnetic radiation in the infrared and / or ultraviolet spectrum absorbing medium, it being for example, especially dark, dyes, pigments or filler particles, for example based on Carbon or metals.
  • the two-way shape memory polymer of the support structure 3 and / or the storage material 2 can be provided with an antimicrobial finish in order to prevent the formation of germs or fungi. As seen in FIG.
  • the apparatus 1 further comprises a below the supporting structure 3 arranged Sammelein ⁇ device 5, which serves for collecting the water 6 output, which in turn 3 provided outlets (not shown) on the underside of the support structure by means of at least and / or through the open-pored foam structure of the two-way shape memory polymer of the support structure 3 can be passed ben.
  • Sammelein ⁇ device 5 which serves for collecting the water 6 output, which in turn 3 provided outlets (not shown) on the underside of the support structure by means of at least and / or through the open-pored foam structure of the two-way shape memory polymer of the support structure 3 can be passed ben.
  • the two-way shape memory polymer of the support structure 3 is programmed in such a way that it is between
  • FIG. 1 A first form according to FIG. 1, in which the supporting structure 3 receives the storage material 2 essentially without pressure (the cavity volume of the chambers 4 is sufficiently large to practically not compress the storage material 2), and
  • FIG. 2 A second form according to FIG. 2, in which the supporting structure 3 compresses the storage material 2 in order to press absorbed water 6 out of the storage material 5 (the cavity volume of the chambers 4 is significantly smaller due to the deformation of the chambers 4)
  • the first form according to FIG. 1 is converted into the second form according to FIG. 2, and
  • the first and second switching temperatures which - as described above - can be relatively close to one another, can be, for example, between about 15 ° C. and about 50 ° C. or between about 0 ° C. and depending on the purpose or location of the device be around 20 ° C.
  • the device 1 which requires only very little technical equipment and is of simple construction, can be used in a simple manner and without any external energy requirements, in particular for drinking water extraction from air humidity in arid or semi-arid regions of the world by using the Humidity is absorbed by the storage material 2 in the cold hours of the night when the support structure 3 is in its first form (see FIG. 1). If the support structure 3 heats up with increasing daytime temperatures and / or under solar radiation, the support structure 3 is switched to its second form (see FIG. 2), in which the storage medium 2 is compressed and the water 6 absorbed therein is very much high proportion and is squeezed out in a short time. As soon as the ambient temperatures drop again in the evening or night, the support structure 3 is switched back to its first form (Fig. 1) and the aforementioned from the sorption process of humidity begins again.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum temporären Speichern und Ausgeben von Wasser, wie Luftfeuchtigkeit oder Niederschlagswasser, vorgeschlagen. Sie umfasst einerseits ein zur reversiblen Absorption von Wasser geeignetes, komprimierbares Speichermaterial, andererseits eine Tragstruktur, in welche das Speichermaterial eingebettet ist. Die Erfindung sieht vor, dass die Tragstruktur aus einem Zweiwege-Formgedächtnispolymer gebildet ist, welches zwischen - einer ersten Form, in welcher die Tragstruktur das Speichermaterial im Wesentlichen drucklos aufnimmt, und - einer zweiten Form, in welcher die Tragstruktur das Speichermaterial komprimiert, um hieran absorbiertes Wasser aus dem Speichermaterial (2) auszupressen, reversibel hin und her schaltbar ist. Das Zweiwege-Formgedächtnispolymer besitzt zu diesem Zweck - eine erste Schalttemperatur, in welcher es aus seiner ersten Form in die zweite Form überführt wird, und - eine gegenüber der ersten Schalttemperatur geringere, zweite Schalttemperatur, in welcher es aus seiner zweiten Form in die erste Form überführt wird.

Description

Vorrichtung zum temporären Speichern und Ausgeben von Wasser
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum temporären
Speichern und Ausgeben von Wasser, insbesondere in Form von Luftfeuchtigkeit und/oder Niederschlagswasser, umfassend
- wenigstens ein zur reversiblen Absorption von Wasser
geeignetes, komprimierbares Speichermaterial und
- wenigstens eine Tragstruktur, in welche das Speicher
material eingebettet ist.
Die ausreichende Versorgung mit Wasser, insbesondere in Form von Trinkwasser, stellt nicht zuletzt vor dem Hinter grund einer wachsenden Weltbevölkerung und des Klimawandels ein zunehmendes Problem in zahlreichen Regionen der Welt dar. So ist beispielsweise zu befürchten, dass mit global steigenden Temperaturen in vielen ariden oder halbariden Regionen die Niederschlagsmenge weiter abnimmt. Darüber hinaus kommt es zunehmend auch in Gebieten, welche gegen wärtig über im Grunde noch ausreichende Wasservorräte ver fügen, aufgrund steigender Bevölkerungs zahlen, fortschrei tender Industrialisierung oder auch dem Ausbau der land wirtschaftlich genutzten Flächen zu einer ernsthaften Was serknappheit. Erwärmt sich die Erde dabei bis zum Ende des Jahrhunderts um etwa 2°C, so könnte dies dazu führen, dass ein großer Anteil der Weltbevölkerung nicht mehr ausrei chend mit (Trink) wasser versorgt werden kann.
Die Gewinnung von Trink- und Nutzwasser in Regionen mit nicht ausreichenden Grund- und Oberflächenwasserreserven erfolgt gegenwärtig vornehmlich durch Meerwasserentsalzung mittels Umkehrosmose. Die hierfür erforderlichen Anlagen bedürfen allerdings neben hohen Investitionskosten und ei-
BESTATIGUNGSKOPIE ner dauerhaften Wartung relativ hohen Energiemengen von mehr als 3 kWh pro m3 entsalztem Wasser, was ihren Einsatz auf wenige, eher höherentwickelte Industrieländer ein schränkt .
In vielen Regionen der Erde, wie beispielsweise in Küsten regionen, auf Inseln mit wenigen Regentagen, in Wüsten, Steppen und (Trocken) Savannen besteht ein deutlicher Tempe ratur- und Luftfeuchteunterschied zwischen Tag- und Nacht zeiten, wobei tagsüber sehr hohe Temperaturen bei sehr ge ringer Luftfeuchtigkeit auftreten, während in Nachtzeiten eine deutliche Abkühlung um typischerweise zwischen etwa 15°C bis 30°C stattfindet, was mit einem deutlichen Anstieg der relativen Luftfeuchte einhergeht.
Zum Auffangen von Luftfeuchtigkeit sind in der Praxis soge nannte Nebelfänger bekannt, welche durch Kondensation der Luftfeuchte an Textiloberflächen eine direkte Gewinnung von Wasser aus der Atmosphäre ermöglichen. Die hierdurch er hältlichen Wassermengen sind allerdings sehr begrenzt, wo bei für die Gewinnung von Wasser Luftfeuchtigkeiten von na hezu 100% erforderlich sind. Zudem gestaltet sich die Samm lung des Kondensates aufgrund des schlechten AbtropfVerhal tens der eingesetzten Textilien als aufwändig und wenig er giebig. Eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus einem Aerosol, wie insbesondere Nebel, mittels eines textilen Ab scheideelementes zum Abscheiden der in dem Aerosol enthal tenen Flüssigkeit ist beispielsweise aus der DE 10 2008 042 069 Al bekannt, wobei das Abscheideelement aus einer drei dimensionalen Textilstruktur gebildet ist.
Darüber hinaus sind Vorrichtungen zur Gewinnung von Wasser aus Luftfeuchtigkeit bekannt, welche ein Austreiben des mittels eines Sorptionsmittels gespeicherten, abgeschiede nen Wassers über den Zwischenschritt der Gasphase aus dem Sorptionsmittel vorsehen (DE 10 2004 026 334 Al, DE 44 30 901 CI, DE 101 07 981 Al) . Indes erweist sich dies sowohl in konstruktiver Hinsicht als aufwändig und teuer und er fordert zudem einen erheblichen verfahrenstechnischen Auf wand, weshalb sich derartige Vorrichtungen in der Praxis bislang nicht durchsetzen konnten.
Die JP 06-322798 A beschreibt eine geschlossene Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser durch Aufnahme von Luftfeuchtig keit an einem Sorptionsmittel in Form eines polymeren Hyd rogels, wobei das Hydrogel die Eigenschaft besitzt, bis zu einer bestimmten Schalttemperatur Feuchtigkeit aufzunehmen und ab Erreichen dieser Schalttemperatur Wasser in konden sierter Form abzugeben.
Schließlich ist der DE 10 2010 047 788 B4 eine Vorrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser durch Aufnahme von Luftfeuch tigkeit aus Umgebungsluft zu entnehmen, welche ein auf bzw. in einem Trägersubstrat immobilisiertes Sorptionsmittel enthält. Während es sich bei dem Trägersubstrat um ein tex tiles Gewebe oder ein Vlies handelt, ist als Sorptionsmit tel ein polymeres Hydrogel vorgesehen. Die Wasserabgabe des Hydrogels ist durch eine Änderung der Umgebungstemperatur schaltbar, wobei die Wasserabgabe aus dem Hydrogel nach Er reichen bzw. Überschreiten einer Schalttemperatur des Hyd rogels in kondensierter Form erfolgt und das Trägersubstrat eine abgedunkelte, insbesondere schwarze, Oberfläche auf weist, um das Hydrogel unter Sonneneinstrahlung zu erwär men. Die bekannte Vorrichtung besitzt einen einfachen Auf bau und ermöglicht insbesondere aufgrund der Schalteigen schaften des Hydrogels eine Gewinnung von Wasser in relativ großen Mengen, ohne dass hierzu externe Energie zugeführt werden muss.
Hiervon ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun¬ de, eine Vorrichtung zum temporären Speichern und Ausgeben von Wasser der eingangs genannten Art auf einfache und kos¬ tengünstige Weise dahingehend weiterzubilden, dass sie ohne die Notwendigkeit einer Energiezufuhr ein gegenüber dem Stand der Technik erhöhtes Speicher- und insbesondere Aus gabevermögen an Wasser aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Trag struktur wenigstens ein Zweiwege-Formgedächtnispolymer ent hält oder gänzlich hieraus gebildet ist, wobei das wenigs tens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruktur zumindest zwischen
- einer ersten Form, in welcher die Tragstruktur das
Speichermaterial im Wesentlichen drucklos aufnimmt, und
- einer zweiten Form, in welcher die Tragstruktur das
Speichermaterial komprimiert, um hieran absorbiertes Wasser aus dem Speichermaterial auszupressen,
reversibel hin und her schaltbar ist, wobei das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer zumindest
- eine erste Schalttemperatur, in welcher es aus seiner
ersten Form in die zweite Form überführt wird, und
- eine gegenüber der ersten Schalttemperatur geringere,
zweite Schalttemperatur, in welcher es aus seiner
zweiten Form in die erste Form überführt wird,
aufweist .
Bei Formgedächtnispolymeren handelt es sich um Polymere, welche üblicherweise aus wenigstens zwei Polymerkomponenten oder insbesondere aus einer Polymerkomponente mit verschie denen Segmenten bestehen. Dabei handelt es sich einerseits um "harte" Segmente, welche auch als Netzpunkte fungieren. Andererseits handelt es sich um "weiche" Segmente, welche die Netzpunkte miteinander verbinden und auch als Schalt segmente bezeichnet werden und bei erhöhten Temperaturen amorph bzw. elastisch sind, während sie bei niedrigeren Temperaturen starr sind (sie liegen in diesem Fall in teil kristalliner oder verglaster Form vor) . Derartige Polymere lassen sich hinsichtlich ihrer Formgebung programmieren, indem sie auf eine Temperatur erwärmt werden, welche we nigstens der sogenannten Schalttemperatur entspricht, bei welcher der Phasenübergang (Glasübergang bzw. Schmelzüber gang) der Weich- bzw. SchaltSegmente stattfindet. Bei einer solchen Temperatur kann das Polymer dann unter Einwirkung einer Verformungskraft mechanisch verformt werden, wonach es unter Aufrechterhaltung der Verformung auf seine soge nannte Formfixierungstemperatur abgekühlt werden kann, wel che der Kristallisationstemperatur bzw. Glasübergangstempe ratur der Weich- oder SchaltSegmente entspricht und im Be reich der Schalttemperatur liegen kann, aber demgegenüber üblicherweise zumindest etwas geringer ist. Die Weich- bzw. Schaltsegmente liegen dann wieder in teilkristalliner bzw. verglaster Form vor, so dass die Formgebung erhalten bleibt. Diese Formgebung ist indes insoweit nur temporär, als wenn ein solchermaßen "programmiert" mechanisch ver formtes Formgedächtnispolymer auf eine bestimmte Tempera tur, nämlich auf seine Schalttemperatur, erwärmt wird, die weichen Segmente ( Schaltsegmente ) wieder in ihre amorphe Form überführt werden, so dass sie dem durch die harte Kom ponente (Netzpunkte) induzierte Rückstellkraft nicht mehr entgegenwirken können und das Formgedächtnispolymer wieder seine ursprüngliche Form einnimmt, die mechanische Verfor- mung also "rückgängig" gemacht wird, ohne dass hierzu eine neuerliche Krafteinwirkung erforderlich wäre. Ferner be steht oft auch die Möglichkeit einer Programmierung durch Kaltverformung, indem die Polymere bei einer Temperatur un¬ terhalb ihrer Schalttemperatur, z.B. bei Umgebungstempera tur, verformt werden können und gegebenenfalls, sofern die Formfixierungstemperatur demgegenüber geringer ist, auf ih re Formfixierungstemperatur abgekühlt werden. Auch in die sem Fall findet insoweit eine nur temporäre Verformung statt, als bei einer abermaligen Erwärmung zumindest auf die Schalttemperatur, um die weichen Segmente (Schaltseg mente) in die amorphe Phase zu überführen und dabei die an lässlich der Kaltverformung induzierten mechanischen Span nungen zu relaxieren, eine Rückverformung stattfindet, ohne erneut eine Verformungskraft aufbringen zu müssen.
Neben einem solchen Formgedächtnis weisen thermoresponsive Polymere in der Regel auch ein Temperaturgedächtnis auf. Hierunter wird verstanden, dass bei einem Auslösen des Formgedächtniseffektes die Formrückstellung etwa bei derje nigen Temperatur einsetzt, bei welcher zuvor die mechani sche Verformung in das Material eingebracht worden ist. Ein derartiges Materialverhalten weisen beispielsweise Polymere mit semikristallinen Netzwerkstrukturen auf, wie thermo plastische Polyurethan-Elastomere (N. Fritzsche, T. Pretsch in Macromolecules 47_, 2014, 5952-5959; N. Mirtschin, T.
Pretsch in RSC Advances 5, 2015, 46307-46315) .
Darüber hinaus sind Polymere mit Formgedächtniseigenschaf ten bekannt, welche Zweiwege-Formgedächtniseigenschaften aufweisen und folglich thermoreversibel geschaltet werden können, wobei die SchaltSegmente solcher Zweiwege-Form- gedächtnispolymere beim Übergang zwischen ihrem vornehmlich kristallinen Zustand und ihrem vornehmlich amorphem Zustand eine Formänderung derart erfahren, dass sie einerseits mit tels Abkühlen des Polymers unter die Kristallisationstempe ratur, welche im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als "zweite Schalttemperatur" bezeichnet wird, andererseits mittels Erwärmen des Polymers in den Schalttemperaturbe reich, welcher im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als "erste Schalttemperatur" bezeichnet wird, reversibel zwi schen ihrer permanenten Form und ihrer temporären Form hin und her geschaltet werden können, d.h. das entsprechend programmierte Polymer verformt sich bei entsprechender Tem peraturführung selbsttätig hin und her. Derartige Polymere sind z.B. aus T. Pretsch, M. Bothe: "Bidirectional actua- tion of a thermoplastic polyurethane elastomer", Journal of Materials Chemistry A, 2_0 (2013), 14.491-14.497 bekannt.
Die Hin- und Herverformung solcher Zweiwege-Formgedächtnis- polymere kann einerseits mehr oder minder rein temperatur induziert vonstatten gehen, ohne dass hierzu Verformungs kräfte aufgebracht werden müssen. Wie weiter unten noch nä her erläutert, sind darüber hinaus Zweiwege-Formgedächtnis- polymere bekannt, welche ihre Zweiwege-Formgedächtniseigen- schaften insbesondere unter Einwirkung einer permanenten mechanischen Vorbelastung, wie infolge eines permanenten Druckes, entfalten, so dass sie unter einer permanenten Spannung stehen, um die Kristallisation der Weichsegmente während der Abkühlung zu begünstigen, wie es beispielsweise aus dem Aufsatz von M. Bothe, T. Pretsch: "Two-Way Shape Changes of a Shape Memory Poly(ester urethane) " in Macro- mol . Chem. Phys . 213 (2012), 213, 2378-2385 bekannt ist.
Die Erfindung sieht nun vor, dass die Tragstruktur wenigs tens ein solches Zweiwege-Formgedächtnispolymer enthält oder im Wesentlichen gänzlich hieraus gebildet ist, wobei das Zweiwege-Formgedächtnispoly er der Tragstruktur derart programmiert ist, dass es zumindest zwischen
- einer ersten Form, in welcher die Tragstruktur das
Speichermaterial im Wesentlichen drucklos aufnimmt, und
- einer zweiten Form, in welcher die Tragstruktur das
Speichermaterial komprimiert, um hierin absorbiertes Wasser aus dem Speichermaterial auszupressen,
reversibel und insbesondere ohne Aufbringen äußerer Kräfte hin und her schaltbar ist. Das wenigstens eine Formgedächt nispolymer der Tragstruktur besitzt hierbei zumindest
- eine erste Schalttemperatur, in welcher es aus seiner
ersten Form, in welcher die Tragstruktur das Speicher material im Wesentlichen drucklos aufnimmt, in die zweite Form überführt wird, und
- eine gegenüber der ersten Schalttemperatur geringere,
zweite Schalttemperatur, in welcher es aus seiner zweiten Form, in welcher die Tragstruktur das Speichermaterial komprimiert, um hieran absorbiertes Wasser aus dem Spei chermaterial auszupressen, in die erste Form überführt wird .
Auf diese Weise ist in das wenigstens eine Zweiwege-Form gedächtnispolymer der Tragstruktur eine rein temperaturab hängige, reversible Formänderung zwischen seiner ersten Form und seiner zweiten Form einprogrammiert, welche dem in der Tragstruktur aufgenommenen Speichermaterial bei niedri gen Temperaturen (z.B. nachts) unterhalb der zweiten
Schalttemperatur, bei welcher sich das Zweiwege-Formge dächtnispolymer in seiner ersten Form befindet, hinreichend Platz zur Aufnahme von Wasser, wie Niederschlagswasser oder insbesondere Luftfeuchtigkeit, bietet, während bei demge genüber höheren Temperaturen (z.B. tagsüber) oberhalb der ersten Schalttemperatur, bei welcher sich das Zweiwege- Formgedächtnispolymer in seiner zweiten Form befindet, das in dem Speichermaterial aufgenommene Wasser in wirksamer Weise ausgepresst und folglich die Wasserausbeute erhöht wird.
Das aus der Tragstruktur mit dem wenigstens einen, sich in seiner zweiten Form befindlichen Zweiwege-Formgedächtnis- polymer ausgepresste Wasser kann sodann in als solcher be kannter Weise, beispielsweise mittels in oder an der Trag struktur vorgesehenen Auslässen oder dergleichen, aus der Tragstruktur abgeleitet und aufgefangen und z.B. in ein ge eignetes ( Trink) Wasserreservoir überführt werden. Sobald das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruktur dann wieder infolge Unterschreitens der zwei ten Schalttemperatur in seine erste Form überführt worden ist, in welcher die Tragstruktur das Speichermaterial im Wesentlichen drucklos aufnimmt, vermag dieses wieder große Mengen an Niederschlagswasser und/oder Luftfeuchtigkeit aufzunehmen etc. Das Volumenverhältnis des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers der Tragstruktur und des hierin eingebetteten Speichermaterials kann zweckmäßiger weise z.B. zwischen bis zu etwa 100:1 und etwa 1:100 betra gen, je nachdem, in welcher - ersten oder zweiten - Form sich das Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruktur gerade befindet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum temporären Speichern und Ausgeben von Wasser kann - wie bereits erwähnt - insbe sondere zur energieautarken (Trink) wassergewinnung, aber auch für andere Anwendungsgebiete, wie beispielsweise zur energieautarken Trocknung von Gebäuden oder anderen Ein richtungen, wie industriellen Anlagen, technischen Geräten, Land-, Wasser-, Luft- und Raumfahrzeugen etc., eingesetzt werden, wobei das Speichermaterial (siehe hierzu auch wei¬ ter unten) an den jeweiligen Verwendungszweck angepasst werden kann. Sie kann in jedem Fall in Form eines mobilen, vorzugsweise tragbaren, Systems oder auch in Form einer stationären Anlage ausgestaltet sein.
Wie bereits angedeutet, kann das wenigstens eine Zweiwege- Formgedächtnispolymer der Tragstruktur im Wesentlichen nicht mechanisch vorbelastet sein, wobei in das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruktur eine rein temperaturabhängige und ohne Einwirkung von äußeren Kräften vonstatten gehende, reversible Formänderung zwi schen seiner ersten Form und seiner zweiten Form einpro grammiert ist. Eine solche Ausgestaltung bietet sich insbe sondere für portable Vorrichtungen mit möglichst geringem Gewicht an. Stattdessen kann je nach Art des für die Trag struktur eingesetzten Zweiwege-Formgedächtnispolymers auch vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Zweiwege-Form gedächtnispolymer der Tragstruktur mechanisch unter einer permanenten Spannung steht, wobei zur Erzeugung einer sol chen permanenten Spannung insbesondere die Gravitation we nigstens einer auf die Tragstruktur einwirkenden Flächen last dienen kann, so dass die permanente mechanische Vorbe lastung zur Begünstigung des Zweiwege-Formgedächtnis- effektes gleichfalls keinerlei äußere Energiezufuhr erfor dert .
Im Hinblick auf einen in konstruktiver Hinsicht einfachen, aber gleichwohl wirksamen Aufbau der erfindungsgemäßen Vor richtung kann in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Tragstruktur aus dem wenigstens einen Zwei wege-Formgedächtnispolymer wenigstens eine Kammer aufweist, in welche das Speichermaterial eingebettet ist, wobei das Hohlraumvolumen der Kammer in der ersten Form des wenigs tens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers der Tragstruk tur, in welcher die Tragstruktur das Speichermaterial im Wesentlichen drucklos aufnimmt, größer ist als in der zwei ten Form des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnis- polymers der Tragstruktur, in welcher letztere das Spei chermaterial komprimiert, um hieran absorbiertes Wasser aus dem Speichermaterial auszupressen.
In diesem Fall kann die Tragstruktur aus dem wenigstens ei nen Zweiwege-Formgedächtnispolymer insbesondere eine Mehr zahl an Kammern aufweisen, welche jeweils das Speichermate rial aufnehmen, wobei die Kammern insbesondere miteinander kommunizieren, so dass die die Vorrichtung umgebende Feuch tigkeit infolge Diffusion einfach und schnell in das Spei chermaterial jeder Kammer einzudringen bzw. hieraus ausge presst und abgeführt zu werden vermag. Die Kammer (n) kann bzw. können hierbei grundsätzlich praktisch beliebige For men besitzen, welche zweckmäßigerweise eine Anordnung der Kammern dicht an dicht neben und/oder übereinander erlau ben, wobei die wenigstens eine Kammer im Wesentlichen bei spielsweise zylindrisch, guader- oder wabenförmig sein kann .
Während die Tragstruktur - wie bereits erwähnt - mit ent sprechenden Auslässen ausgebildet sein und im Falle eines mehrere Kammern umfassenden Aufbaus insbesondere auch zwi schen benachbarten Kammern angeordnete Durchlässe aufweisen kann (das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer kann in diesem Fall beispielsweise kompakt sein und im We sentlichen plattenförmige Tragelemente umfassen, welche die Wandungen einer jeweiligen Kammer bilden), kann alternativ oder zusätzlich vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Tragstruktur zumindest teilweise offenporig ausgebildet ist, wobei das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnis- polymer der Tragstruktur insbesondere in Form eines vor¬ nehmlich offenzelligen Schaumstoffes vorliegen kann, wel¬ cher beispielsweise durch den Einsatz von Treibmitteln in dem Zweiwege-Formgedächtnispolymer während dessen Formge bung erzeugt werden kann. Auf diese Weise ist ein sehr großflächiger Stoff- bzw. Wasseraustauch zwischen der Umge bung und dem in der Tragstruktur aufgenommenen Speicherma terial sowie im Falle eines Aufbaus der Tragstruktur mit mehreren Kammern ferner sichergestellt, dass Luftfeuchtig keit einfach und schnell das Speichermaterial aller Kammern eindringen und hieraus ausgepresst werden kann.
Die Tragstruktur aus dem wenigstens einen Zweiwege-Form gedächtnispolymer kann ferner vorzugsweise einen im Wesent lichen sandwichartigen Aufbau besitzen, wobei eine jede La ge eines solchen sandwichartigen Aufbaus beispielsweise ei ne Mehrzahl an Kammern der oben beschriebenen Art umfassen kann, oder eine jede Lage weist eine im Wesentlichen plat tenförmige Erstreckung auf, wobei das Speichermaterial zwi schen solchen etwa plattenförmigen Trageiementen der Trag struktur aufgenommen ist. Die im Wesentlichen plattenförmi gen Tragelemente können wiederum z.B. aus dem wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymer in kompakter Form aus gebildet und mit einer Mehrzahl an zum Stoffaustausch die nenden Durchlässen ausgebildet sein, oder das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer kann beispielsweise in Form eines vornehmlich offenporigen Schaumstoffes vorlie gen .
Darüber hinaus ist es insbesondere denkbar, dass die Trag struktur aus dem wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnis- polymer im Wesentlichen gitter- und/oder netzförmige Trag elemente umfasst, welche einen sehr hohen Stoffaustausch durch die Öffnungen des Gitters oder Netzes hindurch ge¬ währleisten, wobei solche etwa gitter- und/oder netzförmi gen Tragelemente der Tragstruktur wiederum sandwichartig über- und/oder nebeneinander angeordnet sein können, um das Speichermaterial zwischen sich aufzunehmen, oder die etwa gitter- und/oder netzförmigen Tragelemente der Tragstruktur können wiederum beispielsweise eine Mehrzahl an Kammern bilden, welche das Speichermaterial aufnehmen. Das wenigs tens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruktur kann in diesem Fall gleichfalls kompakt oder auch geschäumt sein .
Die erste und zweite Schalttemperatur des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers der Tragstruktur lässt sich insbesondere durch entsprechende Auswahl und Kettenlänge seiner SchaltSegmente an den jeweiligen Verwendungszweck anpassen, wobei insbesondere im Falle eines Einsatzes der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum temporären Speichern und Ausgeben von Wasser zur (Trink) wassergewinnung in ariden oder halbariden Trockengebieten beispielsweise vorgesehen sein kann, dass
- die erste Schalttemperatur, in welcher das wenigstens
eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruktur aus seiner ersten Form, in welcher die Tragstruktur das Speichermaterial im Wesentlichen drucklos aufnimmt, in die zweite Form, in welcher die Tragstruktur das Spei chermaterial komprimiert, um hieran absorbiertes Wasser aus dem Speichermaterial auszupressen, überführt wird, zwischen etwa 10°C und etwa 70°C, insbesondere zwischen etwa 15°C und etwa 60°C, vorzugsweise zwischen etwa
20°C und etwa 50°C, z.B. zwischen etwa 20°C und etwa 40°C, und/oder
- die zweite Schalttemperatur, in welcher das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruktur aus seiner zweiten Form in die erste Form überführt wird, zwischen etwa -20°C und etwa 35°C, insbesondere zwischen etwa —10 °C und etwa 30°C, vorzugsweise zwischen etwa 0°C und etwa 25°C, z.B. zwischen etwa 10°C und etwa 20°C, beträgt. Je nach Schmelztemperatur ("erste Schalttempera tur") und Kristallisationstemperatur ("zweite Schalttempe ratur") der Schaltsegmente des wenigstens einen Zweiwege- Formgedächtnispolymers der Tragstruktur, bei welchen der Übergang zwischen einem vornehmlich amorphen und einem vor nehmlich kristallinen Zustand der SchaltSegmente stattfin det, können die erste und zweite Schalttemperatur sehr na he, beispielsweise um etwa 1°C oder wenige °C, auseinander liegen, oder die erste und zweite Schalttemperatur können auch um mehrere °C, z.B. bis zu etwa 30°C oder bis zu etwa 35°C, auseinanderliegen .
Während für die Tragstruktur grundsätzlich beliebige be kannte Zweiwege-Formgedächtnispolymere zum Einsatz gelangen können, deren Schalttemperaturen in einem für den jeweili gen Einsatzzweck der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum tem porären Speichern und Ausgeben von Wasser geeigneten Be reich liegen, Verwendung finden können, kann es sich bei dem wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruktur z.B. vorzugsweise um ein, insbesondere thermo plastisches, Polyurethanelastomer handeln.
Beispiele solcher Zweiwege-Formgedächtnispolymere sind bei spielsweise aus dem Aufsatz von T. Pretsch, M. Bothe :
"Bidirectional actuation of a thermoplastic polyurethane elastomer", Journal of Materials Chemistry A, 2_0 (2013), 14.491-14.497 bekannt, wobei exemplarisch ein thermoplasti sches Polyurethanelastomer mit HartSegmenten bzw. Netzpunk ten auf der Basis von Methylendiphenylisocyanat (MDI) und 1 , 4-Butandiol (kristallin/amorph) und mit Schalt- bzw.
Weichsegmenten auf der Basis von Polybutylen-1, 4-adipat , welches durch Reaktion von 1 , 4-Butandiol mit Adipinsäure erhalten werden kann, erwähnt sei. Wird dieses Polymer erstmalig auf eine Verformungstemperatur von etwa 60 °C er wärmt, so lässt es sich zwecks seiner Programmierung, vor zugsweise mit einer langsamen Verformungsrate von bei spielsweise etwa 1%/s, z.B. mit einer Dehnung von insgesamt bis zu etwa 1000% verformen, woraufhin es auf etwa 0°C ab gekühlt wird, um eine Längenausdehnung des Materials zu er¬ zielen. Wird das Polymer sodann bis in den Schalttempera turbereich ("erste Schalttemperatur") von etwa 30 °C bis 55 °C erwärmt, so werden die SchaltSegmente aufgeschmolzen und von ihrem vornehmlich kristallinen Zustand in ihren vornehmlich amorphen Zustand überführt, so dass das Polymer wieder zurück geschaltet wird bzw. sich zusammenzieht, ohne dass hierzu abermals eine Verformungskraft aufgebracht wer den muss. Wird es anschließend wieder auf seine Kristalli sationstemperatur ("zweite Schalttemperatur") im Bereich von unterhalb etwa 20°C abgekühlt, so kristallisieren die Schaltsegmente erneut und das Polymer wird abermals ge schaltet bzw. verformt, etc.
Beispiele für Zweiwege-Formgedächtnispolymere , deren Zwei- wege-Formgedächtniseigenschaften insbesondere durch Einwir kung einer permanenten Druckbelastung begünstigt werden können, so dass das Zweiwege-Formgedächtnispolymer unter einer permanenten mechanischen Spannung steht, sind bei spielsweise aus dem Aufsatz von M. Bothe, T. Pretsch: "Two- Way Shape Changes of a Shape Memory Poly (ester urethane) " in Macromol. Chem. Phys . 213 (2012), 213, 2378-2385 be kannt, wobei exemplarisch ein Polyesterurethan mit Weich segmenten aus kristallisierbarem Poly ( 1 , 4 -butylenadipat ) (PBA) erwähnt sei, welches im entsprechend programmierten Zustand Zweiwege-Formgedächtniseigenschaften aufweist, um sich bei Abkühlung unter die Kristallisationstemperatur ("zweite Schalttemperatur" ) auszudehnen und sich bei Erwär mung über den Schalttemperaturbereich ("erste Schalttempe ratur") zusammenzuziehen. Um insbesondere den Übergang zwi schen einem amorphen Zustand des PBA bei hohen Temperaturen in einen kristallinen Zustand des PBA bei tiefen Temperatu ren zu begünstigen und einen sehr hohen Anteil an Kristal- linität des PBA - einhergehend mit einer sehr starken Ver formung - zu erzielen, kann ein solches Zweiwege-Form- gedächtnispolymere mit einer mechanischen Spannung, z.B. im Bereich von etwa 1,5 MPa, beaufschlagt werden. Darüber hin aus sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass durch Va riation einer solchen mechanischen Spannung insbesondere auch die Kristallisationstemperatur ("zweite Schalttempera tur") der Weichsegmente des Zweiwege-Formgedächtnispolymers und hiermit einhergehend deren Schmelztemperatur ("erste Schalttemperatur") gezielt an den jeweiligen Verwendungs zweck der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. an die örtli chen Gegebenheiten ihres Einsatzortes angepasst werden kann. Ferner kann das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächt nispolymer der Tragstruktur beispielsweise auch nur be reichsweise unter einer permanenten mechanischen Spannung stehen, wie z.B. infolge der Gravitation einer nur be reichsweise auf die Tragstruktur einwirkenden Flächenlast.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnis polymer der Tragstruktur mit einem elektromagnetische Strahlung im infraroten und/oder ultravioletten Spektrum absorbierenden Medium versetzt und/oder beschichtet ist, so dass es insbesondere bei steigender Außentemperatur
und/oder unter Sonneneinstrahlung schnell erwärmt und in¬ folge Überschreitens der ersten Schalttemperatur des we nigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers zuverlässig aus seiner ersten Form in seine zweite Form überführt wer den kann, um das zuvor in dem Speichermaterial aufgenommene Wasser auszupressen. Weitgehend entsprechend der oben zi tierten DE 10 2010 047 788 B4 kann die Tragstruktur zu die sem Zweck im einfachsten Falle beispielsweise mit einer zu mindest außenseitig aufgebrachten Beschichtung oder Lackie rung mit dunkler, vorzugsweise schwarzer, Farbe versehen sein. Alternativ oder zusätzlich ist es vorzugsweise eben falls denkbar, dass dem wenigstens einen Zweiwege- Formgedächtnispolymer der Tragstruktur wenigstens ein, ins besondere pulver- oder partikelförmiges, Additiv mit Infra rot- und/oder UltraviolettStrahlung absorbierenden Eigen schaften zugesetzt ist, wie beispielsweise Füll- und/oder Verstärkungsstoffe auf der Basis von Kohlenstoff, z.B. in Form von Graphit oder expandiertem Graphit, Ruß, Kohlen stoffnanoröhrchen (carbon nano tubes, CNT) , Graphen-Flocken oder dergleichen, Metallen und Metallverbindungen ein schließlich deren Legierungen und Oxiden etc., wobei selbstverständlich auch Kombinationen mehrerer verschiede ner Füllstoffmaterialien verwendet werden können. Darüber hinaus können dem wenigstens einen Polymer mit Zweiwege- Formgedächtniseigenschaften beispielsweise, insbesondere dunkle, Farbstoffe oder Pigmente oder grundsätzlich auch weitere, als solche weitgehend aus dem Stand der Technik bekannte, insbesondere biokompatible und physiologisch un bedenkliche Additive zugesetzt sein, wie Gleitmittel,
Weichmacher, Antioxidantien, UV-Stabilisatoren, Verstär- kungsstoffe , Flammschutzmittel, Antistatika, Hydrolysesta bilisatoren, Schlagzähmodifikatoren, Biostatika (siehe hierzu auch weiter unten) etc.
Während für das kompressible Speichermaterial der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung zum temporären Speichern und Aus geben von Wasser grundsätzlich beliebige bekannte, zur re versiblen Aufnahme von Wasser und insbesondere hygroskopi sche Speichermaterialien in Betracht kommen, kann es sich bei dem Speichermaterial vorzugsweise um einen Superabsor ber, insbesondere in Form eines Hydrogels oder Aerogels, handeln. Bei letzteren handelt es sich um hochporöse Fest stoffe mit einem Porenvolumenanteil bis zu etwa 99,99%, be zogen auf das Gesamtvolumen des Aerogels, welches bei spielsweise auf Silicatbasis, aber z.B. auch auf Kunst stoff-, Kohlenstoffbasis oder dergleichen zum Einsatz ge langen kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann es sich bei dem Spei chermaterial z.B. um ein polymeres Hydrogel, insbesondere auf der Basis von Polyacrylsäure einschließlich deren Ami den, Stärke einschließlich deren Copolymeren, Cellulose einschließlich deren Copolymeren und/oder Baumwolle, han deln .
In diesem Fall kann das Speichermaterial insbesondere eine Volumenphasenübergangstemperatur aufweisen, bei welcher es eine Volumenänderung erfährt, wobei die Volumenphasenüber gangstemperatur insbesondere zwischen etwa 5°C und etwa 50°C, vorzugsweise zwischen etwa 10°C und etwa 45°C, bei spielsweise zwischen etwa 15°C und etwa 40°C oder zwischen etwa 15°C und etwa 35°C, beträgt. Derartige superabsorbie rende Hydrogele weisen quellfähige, vernetzte Strukturen auf, welche in Gegenwart von Wasser einen Volumenphasen übergang des sogenannten LCST-Typs ("lower critical Soluti on temperature") erfahren, wobei sie mit Wasser unterhalb der kritischen Temperatur ("Volumenphasenübergangstempera tur") Gele bilden, während sie oberhalb der kritischen Tem peratur ( "Volumenphasenübergangstemperatur" ) das Wasser aus der dann hydrophoberen Struktur verdrängen, so dass in Ver bindung mit der erfindungsgemäßen Tragstruktur auf der Ba sis von Zweiwege-Formgedächtnispolymeren ein größtmögliches Wasseraufnahme- und -abgabevermögen der Vorrichtung sicher gestellt werden kann. Beispiele geeigneter polymerer Hydro gele sind der weiter oben zitierten DE 10 2010 047 788 B4 zu entnehmen, welche hiermit explizit zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird.
Darüber hinaus kann bzw. können die Tragstruktur und/oder das Speichermaterial insbesondere - wenngleich nicht aus schließlich - für den Fall, dass die erfindungsgemäße Vor richtung zum temporären Speichern und Ausgeben von Trink wasser vorgesehen ist, mit einer antimikrobiellen Ausrüs tung versehen sein, um eine unerwünschte Keim- oder Pilz- bildung zu vermeiden. Die antimikrobielle Ausrüstung sollte dabei gesundheitlich unbedenklich sein, wobei sie bei spielsweise Füllstoffe, Fasern oder Fäden auf der Basis von Silber und dessen schwer bzw. unlöslichen Salzen umfassen kann. Darüber hinaus können selbstverständlich entsprechen de Filter, beispielsweise in Form von Aktivkohlefiltern, vorgesehen sein, welche in die Auslässe der Tragstruktur eingesetzt sind, um das gewonnene und aus dem Speichermate rial ausgepresste Wasser zu filtern. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine stark schematisierte Querschnittsansicht
einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum temporären Speichern und Ausgeben von Wasser mit einem zur reversiblen Absorption von Wasser geeigneten, komprimierbaren Speicher material und einer Tragstruktur, in welche das Speichermaterial eingebettet ist, wobei sich das Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruktur in seiner ersten Form befindet, in welcher die Tragstruktur das Speichermaterial im Wesentlichen drucklos aufnimmt; und
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende, stark schemati
sierte Querschnittsansicht der Vorrichtung zum temporären Speichern und Ausgeben von Wasser ge mäß Fig. 1, wobei sich das Zweiwege-Formgedächt nispolymer der Tragstruktur in seiner zweiten Form befindet, in welcher die Tragstruktur das Speichermaterial komprimiert, um hieran absor biertes Wasser aus dem Speichermaterial auszu pressen .
In den Fig. 1 und 2 ist jeweils eine schematische Quer schnittsansicht einer Ausführungsform einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehenen Vorrichtung zum temporären Speichern und Ausgeben von Wasser, insbesondere in Form von Luftfeuchtigkeit und/oder Niederschlagswasser, wiedergege ben. Die Vorrichtung 1 umfasst einerseits ein zur reversib len Absorption von Wasser geeignetes, komprimierbares Spei- chermaterial 2, z.B. in Form eines polymeren Hydrogels, an dererseits eine Tragstruktur 3, in welche das Speichermate rial 2 eingebettet ist. Die Tragstruktur 2 ist aus wenigs tens einem Zweiwege-Formgedächtnispolymer, wie beispiels weise einem solchen der weiter oben beschriebenen Art, ge bildet und umfasst im vorliegenden Fall einen etwa sand wichartigen Aufbau mit einer Mehrzahl an nebeneinander und übereinander angeordneten Kammern 4, in welchen das Spei chermaterial· 2 jeweils eingebettet ist. Die Kammern 4 sind im vorliegenden Fall z.B. im Wesentlichen quaderförmig aus gestaltet und stehen fluidisch miteinander in Verbindung, wobei jeweils benachbarte Kammern 4 beispielsweise über nicht zeichnerisch dargestellte Durchlässe miteinander kom munizieren (das Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Trags truktur 2 kann in diesem Fall z.B. kompakt sein), und/oder die Tragstruktur 3 ist offenporig ausgebildet, wobei das Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruktur 3 in Form eines vornehmlich offenzelligen Schaumstoffes vorliegt.
Darüber hinaus können die die Kammern 4 begrenzenden Trag elemente der Tragstruktur 3 z.B. einen etwa gitter- oder netzförmigen Aufbau besitzen, so dass zwischen benachbarten Kammern 4 gleichfalls ein guter Stoffaustausch - oder ge nauer: Feuchtigkeits- bzw. Wasseraustausch - stattfinden kann. Das Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruktur 3 kann ferner mit einem elektromagnetische Strahlung im inf raroten und/oder ultravioletten Spektrum absorbierenden Me dium versetzt und/oder beschichtet sein, wobei es bei spielsweise, insbesondere dunkle, Farbstoffe, Pigmente oder Füllstoffpartikel , z.B. auf der Basis von Kohlenstoff oder Metallen, enthalten kann. Darüber hinaus kann das Zweiwege- Formgedächtnispolymer der Tragstruktur 3 und/oder das Spei chermaterial 2 mit einer antimikrobiellen Ausrüstung verse hen sein, um eine Keim- oder Pilzbildung zu verhindern. Wie in der Fig. 2 erkennbar, umfasst die Vorrichtung 1 ferner eine unterhalb der Tragstruktur 3 angeordnete Sammelein¬ richtung 5, welche zum Auffangen des ausgegebenen Wassers 6 dient, welches wiederum mittels zumindest an der Unterseite der Tragstruktur 3 vorgesehener Auslässe (nicht gezeigt) und/oder durch die offenporige Schaumstruktur des Zweiwege- Formgedächtnispolymers der Tragstruktur 3 hindurch abgege ben werden kann.
Wie weiterhin den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, ist das Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruktur 3 derart programmiert, dass es zwischen
- einer ersten Form gemäß der Fig. 1, in welcher die Trag struktur 3 das Speichermaterial 2 im Wesentlichen druck los aufnimmt (das Hohlraumvolumen der Kammern 4 ist hin reichend groß, um das Speichermaterial 2 praktisch nicht zu komprimieren) , und
- einer zweiten Form gemäß der Fig. 2, in welcher die Trag struktur 3 das Speichermaterial 2 komprimiert, um hieran absorbiertes Wasser 6 aus dem Speichermaterial 5 auszu pressen (das Hohlraumvolumen der Kammern 4 ist aufgrund Verformung der Kammern 4 deutlich kleiner)
reversibel und ohne Einwirkung von äußeren Kräften hin und her schaltbar ist, wobei die Hin- und Herschaltung des Zweiwege-Formgedächtnispolymers der Tragstruktur 3 zwischen seiner ersten und zweiten Form ausschließlich temperaturbe dingt ist, weil das Zweiwege-Formgedächtnispolymer
- eine erste Schalttemperatur, in welcher es aus seiner
ersten Form gemäß der Fig. 1 in die zweite Form gemäß der Fig. 2 überführt wird, und
- eine gegenüber der ersten Schalttemperatur geringere,
zweite Schalttemperatur, in welcher es aus seiner zweiten Form gemäß der Fig. 2 in die erste Form gemäß der Fig. 1 überführt wird,
besitzt. Die erste bzw. zweite Schalttemperatur, welche - wie weiter oben beschrieben - relativ nahe beieinander liegen können, können dabei je nach Anwendungszweck bzw. -ort der Vorrichtung beispielsweise zwischen etwa 15°C und etwa 50°C bzw. zwischen etwa 0°C und etwa 20°C betragen.
Auf diese Weise lässt sich die Vorrichtung 1, welche einen nur sehr geringen apparatetechnischen Aufwand erfordert und von einfachem Aufbau ist, in einfacher Weise und ohne jed weden äußeren Energiebedarf insbesondere zur Trinkwasserge winnung aus Luftfeuchtigkeit in ariden oder halbariden Re gionen der Erde nutzen, indem die Luftfeuchtigkeit in den kalten Nachtstunden von dem Speichermaterial 2 absorbiert wird, wenn sich die Tragstruktur 3 in ihre ersten Form be findet (vgl. die Fig. 1) . Erwärmt sich die Tragstruktur 3 bei zunehmenden Tagtemperaturen und/oder unter Sonnenein strahlung, so wird die Tragstruktur 3 in ihre zweite Form geschaltet (vgl. die Fig. 2), in welcher das Speichermedium 2 komprimiert und das hierin aufgenommene Wasser 6 in sei nem sehr hohen Anteil und in kurzer Zeit ausgepresst wird. Sobald die Umgebungstemperaturen in den Abend- oder Nacht stunden wieder sinken, wird die Tragstruktur 3 in ihre ers te Form (Fig. 1) zurückgeschaltet und der vorerwähnte Ab sorptionsvorgang von Luftfeuchte beginnt von neuem.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zum temporären Speichern und Ausgeben von Wasser, insbesondere in Form von Luftfeuchtigkeit und/oder Niederschlagswasser, umfassend
- wenigstens ein zur reversiblen Absorption von Wasser geeignetes, komprimierbares Speichermaterial (2) und
- wenigstens eine Tragstruktur (3) , in welche das Spei chermaterial (2) eingebettet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (1) we nigstens ein Zweiwege-Formgedächtnispolymer enthält oder gänzlich hieraus gebildet ist, wobei das wenigs tens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruk tur (3) zumindest zwischen
- einer ersten Form, in welcher die Tragstruktur (3) das Speichermaterial· (2) im Wesentlichen drucklos aufnimmt, und
- einer zweiten Form, in welcher die Tragstruktur (3) das Speichermaterial (2) komprimiert, um hieran ab sorbiertes Wasser (6) aus dem Speichermaterial (2) auszupressen,
reversibel hin und her schaltbar ist, wobei das wenigs tens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer zumindest
- eine erste Schalttemperatur, in welcher es aus seiner ersten Form in die zweite Form überführt wird, und
- eine gegenüber der ersten Schalttemperatur geringere, zweite Schalttemperatur, in welcher es aus seiner zweiten Form in die erste Form überführt wird, aufweist .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruktur (3)
- im Wesentlichen nicht mechanisch vorbelastet ist;
oder
- mechanisch unter einer permanenten Spannung steht, wobei zur Erzeugung der permanenten Spannung insbe sondere die Gravitation wenigstens einer auf die Tragstruktur (3) einwirkenden Flächenlast dient.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Tragstruktur (3) aus dem wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymer wenigstens eine Kammer (4) aufweist, in welche das Speichermaterial (2) eingebettet ist, wobei das Hohlraumvolumen der Kammer (2) in der ersten Form des wenigstens einen Zweiwege- Formgedächtnispolymers der Tragstruktur (3) größer ist als in der zweiten Form des wenigstens einen Zweiwege- Formgedächtnispolymers der Tragstruktur (3).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (3) aus dem wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymer eine Mehrzahl an Kammern (4) aufweist, welche insbesondere miteinander kommuni zieren .
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn
zeichnet, dass die wenigstens eine Kammer (4) im We sentlichen zylindrisch, quader- oder wabenförmig ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (3) offenporig ausgebildet ist, wobei das wenigstens eine Zweiwege- Formgedächtnispolymer der Tragstruktur (3) insbesondere in Form eines vornehmlich offenzelligen Schaumstoffes vorliegt .
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (3) einen im We sentlichen sandwichartigen Aufbau besitzt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur im Wesentlichen gitter- und/oder netzförmige Tragelemente umfasst.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dass
- die erste Schalttemperatur, in welcher das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruktur (3) aus seiner ersten Form in die zweite Form über führt wird, zwischen 10°C und 70°C, insbesondere zwi schen 15°C und 60°C, und/oder
- die zweite Schalttemperatur, in welcher das wenigs tens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Trag struktur (3) aus seiner zweiten Form in die erste Form überführt wird, zwischen -20°C und 35°C, insbe sondere zwischen -10°C und 30°C,
beträgt .
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Tragstruktur (3) um ein, insbesondere thermoplastisches, Polyurethanelasto mer handelt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zweiwege-Form gedächtnispolymer der Tragstruktur (3) mit einem elekt romagnetische Strahlung im infraroten und/oder ultravi- oletten Spektrum absorbierenden Medium versetzt und/oder beschichtet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Speichermaterial (2) um einen Superabsorber, insbesondere in Form eines Hydrogels oder eines Aerogels, handelt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Speichermaterial (2) um ein polymeres Hydrogel, insbesondere auf der Ba sis von Polyacrylsäure einschließlich deren Amiden, Stärke einschließlich deren Copolymeren, Cellulose ein schließlich deren Copolymeren und/oder Baumwolle, han delt .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermaterial (2) eine Vo lumenphasenübergangstemperatur aufweist, bei welcher es eine Volumenänderung erfährt, wobei die Volumenphasen übergangstemperatur insbesondere zwischen 5°C und 45°C, vorzugsweise zwischen 10°C und 45°C, beträgt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (3) und/oder das Speichermaterial (2) mit einer antimikrobiellen Ausrüs tung versehen ist bzw. sind.
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