Wärmereflektierende Beschichtungen auf innenliegenden Sonnenschutzgeweben

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1 Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Wärmereflektierende Beschichtungen auf innenliegenden Sonnenschutzgeweben Volkmar v. Arnim, Helmar Abele, Benjamin Ewert, Thomas Stegmaier Forum Funktionalisierung, Hohenstein, 20. Januar 2016 Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Götz T. Gresser ITV Denkendorf 1

2 Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) Institut für Textilchemie und Chemiefasern Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Zentrum für Management Research ITV Denkendorf Produktservice GmbH DITF Denkendorf 2

3 Kenndaten 2014 Anwendungsorientierte Forschung vom Molekül bis zum Produkt Gegründet 1921, Stiftung des öffentlichen Rechts 307 Beschäftigte Erlöse 31,0 Mio. KMU-Anteil 60% Industrie: 30% aus BW, 45% national, 25% international m² Forschungs- und Produktionsfläche Forschung mit industriellen Pilotanlagen Fokus technische Textilien und Life Science Anbindung an Uni Stuttgart/HS Reutlingen über 3 Lehrstühle und 2 Professuren DITF Denkendorf 3

4 Forschungsprojekte und Erlöse 2014 Erlösarten DITF (%) Forschungsprojekte an den DITF (%) Gesundheit und Medizin 21 Mobilität und Verkehr 19 Umwelt und Energie 23 Kommunikation und Information 10 Bau und Funktionalität 12 Textiltechnologische Prozesse 15 Polymer DITF Denkendorf Faser und Garn Fläche Funktionalisierung Produkt 4

5 Klimatisierung im Büro USA: ca. 100% klimatisiert Deutschland: ca. 50% (Tendenz steigend) Energie Büroraumkühlung (D): 20 kwh/m² a / gwh/a Büroempfehlung ITV Denkendorf 5

6 Energieflüsse einer vollklimatisierten Büroetage (Altbau, Sommerwoche) Solareintrag > 50%! Quelle: Klimaschutz durch Reduzierung des Energiebedarfs für Gebäudekühlung, Umweltbundesamt, UBA-FB , 2011 ITV Denkendorf 6

7 Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche Solarer Energieeintrag bis zu 1 kw/m² ca. 50% der Sonneneinstrahlung im sichtbaren Licht ca. 45% im unsichtbaren nahen Infrarot (NIR) ca. 6% im unsichtbaren Ultraviolett (UV-A & UV-B)

8 Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche Solarer Energieeintrag bis zu 1 kw/m² ca. 50% der Sonneneinstrahlung im sichtbaren Licht ca. 45% im unsichtbaren nahen Infrarot (NIR) ca. 6% im unsichtbaren Ultraviolett (UV-A & UV-B) Wärmestrahlung warmer Körper (bis 200 C) überwiegend im mittleren IR (MIR)

9 Lichttechnisches Verhalten Wunsch: Partielle diffuse Reflexion des VIS (keine Spiegelung*) VIS Partielle Transmission des VIS (Helligkeit*) NIR Vollständige Reflexion des NIR nm Keine Absorption (VIS + NIR) (Erwärmung) *Für Büros u.a. geregelt durch Bildschirmarbeitsverordnung DIN EN ISO und 1,3 ff Arbeitsschutzgesetz (ArbschG). ITV Denkendorf 9

10 Zentrale F&E-Arbeiten Entwicklung von Beschichtungssystemen. Beschichtung von Textilien Lichttechnische Charakterisierung Infrarotreflektierende Pigmente (Pulver oder als Dispersion) & NIR-transparente Binder Rakelauftrag Standard-Sonnenschutzgewebe ( ggfs. Siebdruck- und Laminiertechniken) Transmissions-/Reflexionsmessung (IR nm & VIS nm)

11 Recherche NIR-reflektierende Pigmente In der Regel Metalle und Metalloxide (Beispiele) Al Au Ag Metalle: stark reflektierend (gerichtet) glänzend farbig (grau/ dunkel) TiO 2 Cd 2 SnO 4 BaSO 4 ZnO Metalloxide: Variabel reflektierend (diffus) weiße Varianten farbige Varianten z.t. schwermetallhaltig Fe 2 O 3 Cr 2 O 3 PTFE ungesin tert A review of near infrared reflectance properties of metal oxide nanostructures, V. Fang J.et al., GNS Science Report 2013/39, July 2013 Near Infrared 45 /0 Reflectance Factor of Pressed Polytetrafluoroethylene (PTFE) Powder [J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 104, 185 (1999)] ITV Denkendorf 11

12 Recherche NIR-reflektierende Pigmente TiO 2 -Varianten + Weiß (Farbneutral) + Umweltverträglich + Günstig + Etabliert TiO 2 ITV Denkendorf 12

13 Spektrale Transmission Polyurethanfilm Polyurethanfilm ist im VIS und NIR transparent VIS NIR MIR ITV Denkendorf 13

14 Zentrale F&E-Arbeiten Entwicklung von Beschichtungssystemen. Beschichtung von Textilien Infrarotreflektierende Pigmente (Pulver & Dispersion) & NIR-transparente Binder Rakelauftrag Standard-Sonnenschutzgewebe Wässrige Polyurethandispersion TiO 2 -basierte reflektierende Pigmente (ca. 10 Gew %) Rakelfähige Pasten Auftragsgewicht: ca g/m²

15 Zentrale F&E-Arbeiten Entwicklung von Beschichtungssystemen. Beschichtung von Textilien Lichttechnische Charakterisierung Infrarotreflektierende Pigmente (Pulver oder als Dispersion) & NIR-transparente Binder Rakelauftrag Standard-Sonnenschutzgewebe ( ggfs. Siebdruck- und Laminiertechniken) Transmissions-/Reflexionsmessung (VIS nm & NIR/MIR nm)

16 Messtechnik UV / VIS / IR - Spektrometer am ITV messbarer Spektralbereich: 220 nm 25 µm Bruker, Vertex 80 ITV Denkendorf 16

17 Messung der Transmission und Reflexion Bruker, Vertex 80 ITV Denkendorf 17

18 Messung mit Integrationskugel Bruker, Vertex 80 ITV Denkendorf 18

19 Transmission Transmittance ITV Denkendorf 19

20 Gerichtete Reflexion Reflectance ITV Denkendorf 20

21 Spektrale Analyse weißes Gewebe (unbeschichtet) VIS NIR MIR ITV Denkendorf 21

22 Spektrale Analyse weißes Gewebe (beschichtet mit Weißpigment) (beschichtet) VIS NIR MIR ITV Denkendorf 22

23 Spektrale Analyse weißes Gewebe (Vergleich unbeschichtet & beschichtet) (unbeschichtet) (beschichtet) Reflexion Transmission VIS NIR MIR ITV Denkendorf 23

24 Reflexionsgrad bzw. Transmissionsgrad Messungen an Sonnenschutztextil 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Weißes Gewebe G1 O Reflexion sichtbares Licht Reflexion naher Infrarotbereich Reflexion Wärmestrahlung (MIR) Transmission sichtbares Licht Transmission naher Infrarotbereich Transmission Wärmestrahlung (MIR) 0 unbeschichtet Weißpigment Pigmentmischung weiß/braun ITV Denkendorf 24

25 Reflexionsgrad bzw. Transmissionsgrad Messungen an Sonnenschutztextil 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Weißes Gewebe G1 O Reflexion sichtbares Licht Reflexion naher Infrarotbereich Reflexion Wärmestrahlung (MIR) Transmission sichtbares Licht Transmission naher Infrarotbereich Transmission Wärmestrahlung (MIR) 0 unbeschichtet Weißpigment Pigmentmischung weiß/braun ITV Denkendorf 25

26 Reflexionsgrad bzw. Transmissionsgrad Messungen an Sonnenschutztextil 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Weißes Gewebe G1 O Reflexion sichtbares Licht Reflexion naher Infrarotbereich Reflexion Wärmestrahlung (MIR) Transmission sichtbares Licht Transmission naher Infrarotbereich Transmission Wärmestrahlung (MIR) 0 unbeschichtet Weißpigment Pigmentmischung weiß/braun ITV Denkendorf 26

27 Reflexionsgrad bzw. Transmissionsgrad Messungen an Sonnenschutztextil 1 0,9 0,8 0,7 Reflexion Transmission Weißes Gewebe G1 O Reflexion sichtbares Licht Reflexion naher Infrarotbereich Reflexion Wärmestrahlung (MIR) Transmission sichtbares Licht Transmission naher Infrarotbereich 0,6 0,5 VIS NIR 0,4 VIS NIR 0,3 0,2 0,1 0 MIR MIR unbeschichtet Weißpigment Pigmentmischung weiß/braun ITV Denkendorf 27

28 Solare Energieeinträge Stärkster Effekt IR-reflektierender Pigmente bei gefärbten Geweben: Energieeinträge NIR << VIS ITV Denkendorf 28

29 Zusammenfassung Solarer Anteil ca. 50% des Wärmeeintrags in Büro Fast 50% des solaren Energieeintrags ist Wärmestrahlung (NIR) Weiße Gewebe haben im VIS und NIR ähnliche spektrale Eigenschaften TiO 2 -Pigmente haben hohe VIS- und NIR-Reflektivität PUR sind im VIS und NIR transparent Durch PUR/TiO 2 -Beschichtungen wurden 70% der Wärmestrahlung (NIR) reflektiert Bei gefärbten PUR/TiO 2 -Beschichtungen war der NIR-Reflexionsgrad 50% höher als die VIS-Reflexion ITV Denkendorf 29

30 Danksagung Zweigart & Sawitzki GmbH & Co. KG Fronäckerstraße Sindelfingen Andreas Georgii ITV Denkendorf 30

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Vom Material zum Produkt Dr. Volkmar v. Arnim Tel.: Körschtalstrasse 26 D Denkendorf ITV Denkendorf 31