Zwanzig20 – Carbon Concrete Composite C3
Basisvorhaben B4 – Multifunktionale Bauteile aus Carbonbeton
Teilvorhaben: Textilkomponenten, Leuchtmittel
(BMBF 03ZZ0305N)

Abstract

Das Basisvorhaben B4 beschäftigte sich mit der Integration zusätzlicher Funktionen in carbon­verstärkte Betonteile. Dabei spielten vor allem die Integration von Photovoltaikelementen, Energiespeichern, lichtemittierenden Dioden (LED) und Lichtleitern eine große Rolle. Das Ziel des Basisvorhaben B4 war die grundsätzliche Machbarkeit solcher Ansätze aufzuzeigen und in kleinen Handmustern (Mock-ups) darzustellen.
Der Fokus der Arbeiten des TITV Greiz richtete sich dabei auf das Arbeitspaket LED-Integration. Weiterhin wurde das Arbeitspaket Energiespeicherung mit einem alternativen Lösungsansatz mittels textiler Kondensatoren unterstützt.

Aufgabenstellung

AP 2.2      C3SuperCon
C3SuperCon forcierte die grundlegende Forschungsarbeit im Bereich der Entwicklung von effektiven Energiespeicherelementen in der Gebäudehülle. Die Wahl der Energiespeichertechnologie fiel auf Kondensatoren, da sie elektrische Energie gegenüber elektrochemischen Speichern direkt ohne weitere Umwandlung in andere Energieformen speichern.
Ziel im Vorhaben war die Entwicklung von Super-Kondensatoren mit hoher Speicherdichte auf der Basis von Nanokompositmaterialien als Dielektrika für die Integration in eine Carbonbeton-Gebäudehülle.

AP 2.3b      C3LED
C3LED hatte die Integration von Leuchtdioden (LED) in den Carbonbeton zum Ziel, um Sichtbetonelemente realisieren zu können, welche LEDs in flächiger oder punktueller Anordnung bereits „an Bord“ haben. Diese können in Wandlösungen, Beplankungen oder Möbeln im Innen‑ und Außenbereich für dynamische Datenausgaben (Zeit‑, Temperatur‑ und Datumsanzeigen, veränderliche Bildinformationen), Wand‑ bzw. bodenintegrierte Anzeigebereiche, Wände und Decken, Gebäudeinszenierung und ‑navigation sowie für den Einsatz in der Signalethik angesteuert werden.

Lösungsweg

AP 2.2      C3SuperCon
Für die Integration von elektrischen Speichermedien wurden im TITV Greiz textile Basisstrukturen auf ihre Eignung untersucht. Dabei wurden metallisierte Polyamide als leitfähige Monofilamente zusammen mit isolierenden Polyestermonofilamenten in einem Gewebe verarbeitet. Die lediglich 50 µm dicken Monofilamente wurden dabei webtechnisch zu einer sehr dünnen und flexiblen Interdigitalstruktur verarbeitet, indem ein abwechselnder Schusseintrag aus leitfähigen und isolierenden Monofilamenten erfolgte, welcher bindungsseitig mit leitfähigen Kettfäden im Randbereich kontaktiert wurde. Es wurde zudem eine Technologie getestet, welche potentiell störende Kurzschlüsse zwischen beiden Seiten der Interdigitalstruktur entfernt. Die entstandenen Kondensator-Textilien konnten anschließend elektrisch vermessen werden, und die Verstärkung bzw. Verbesserung der Energiespeicherung durch anschließende Beschichtung der textilen Fläche mit verschiedenen Dielektrika konnte nachgewiesen werden. Parallel wurden Konzepte zum Schutz der leitfähigen Textilien entwickelt, welche vor allem auf Basis einer Barrierefolie umgesetzt wurden.

AP 2.3b      C3LED
Um LED funktionsgerecht mittels textiler Trägermaterialien in den Beton zu integrieren, wurden verschiedene textile Strukturen einbetoniert, um herauszufinden, welche grundsätzlich für die LED-Integration in Beton geeignet sind. Dazu gehören isolierte und unisolierte elektrisch leitfähige Faden‑ und Drahtmaterialien, sowie Bänder, Gewebe, sticktechnisch verarbeitbare LEDs (FSD™-Technologie) und Gewirke, in welche diese Spezialfäden und Drähte zur Kontaktierung von LED eingearbeitet sind. Die Proben wurden bezüglich Handling im Betonierprozess, Stabilität der textilen Struktur im Beton und chemischer Einflüsse des Betons auf die elektrisch leitfähigen Materialien, insbesondere bezüglich Änderungen des elektrischen Widerstands, ausgewertet. Positiv bewertete textile Strukturen wurden schließlich mit LED bestückt, nach Möglichkeit mit den Bewehrungen verknüpft und erneut betoniert. Je nach vorher festgelegter Designvariante lagen die Leuchttextilien dabei direkt auf Höhe der Bewehrung, bündig mit oder sogar leicht außerhalb der Betonoberfläche. Parallel wurden verschiedene Konzepte zum Schutz, zu unterschiedlichen Kontaktierungs‑ und damit verbunden auch Revisio­nierungs­möglich­keiten der Bauteile entwickelt.

Ergebnis/Anwendungen

AP 2.2      C3SuperCon
Das Vorhaben ermöglichte die Entwicklung eines gewebten Textils, welches mittels 50 µm durchmessenden leitfähigen Fäden einen Kondensatoraufbau erzeugt (Abbildung 1). Dabei ist das Textil selbst schon als Kondensator verwendbar. Das Leistungsvermögen wird jedoch durch die Beschichtung mit den dielektrischen Materialien des Projektpartners Martin-Luther-Universität Halle noch weiter gesteigert. Zukünftige Verbesserungen des Textils und des Dielektrikums sollen die derzeitigen Kapazitäten von 100 nF pro m² weiter verbessern.

Textiles Gewebe als Kondensator
Abb. 1: Textiles Gewebe als Kondensator

AP 2.3b      C3LED
Das Vorhaben konnte mehrere Lösungen für die Beleuchtung des Betons darstellen. Dazu gehören die direkte LED-Integration durch textile Bänder (Abbildung 2), die Einbringung von LED Stripes des Projektpartners Vosla GmbH direkt in die Betonoberfläche mit Transmission durch den Beton (Abbildung 3), textile Streuflächen und lichtleitende Verkapselungen sowie die Verwendung des automatischen Fertigungsverfahrens mittels FSD™-Technologie. Abschließend wurde ein ansteuerbares Display (5 × 20 Pixel) mit Hilfe von FSDs als Demonstrator aufgebaut.
 

Textil ummantelte Schläuche mit LEDs
Abb. 2: Textil ummantelte Schläuche mit LEDs

Textiles Display im Carbonbeton
Abb. 3: Textiles Display im Carbonbeton

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. (FH) Kay Ullrich
Tel.: 03661 / 611-314
Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailk.ullrich(at)titv-greiz.de


 
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