Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

FlexEnergyCon – Entwicklung eines 3-dimensionalen Polymernetzwerkes auf Basis von Vliesstoffen mit senkrechter Faserausbildung zur Anwendung als flexible Ener-gieumwandlungsgeräte (TEG und Peltier Elemente)

Vorläuferarbeiten haben sich mit der Entwicklung von Vliesstoffen im Zusammenwirken mit thermoelektrischen Druckpasten befasst, um die Funktionsfähigkeit als thermoelektrisch wirksame und gleichzeitig biegsame Verbundstruktur nachzuweisen. Erste Versuche zur elektrochemischen Abscheidung der Polymere auf Airlaid- und Nadelvliesstoffen führten zu einem Materialverbund mit besseren Eigenschaften gegenüber gedruckten Polymerpasten. Allerdings wurde das Polymermaterial aufgrund der Porenstrukturen im gesamten Vliesstoff abgelagert. Darauf aufbauend besteht das Ziel des Forschungsvorhabens nun darin, ein Netzwerk von Polymerfilmen im 3D-Format auf Basis spezieller Vliesstoffstrukturen (Multiknit, Abstandsnadelvliesstoff) mit senkrechter Faserausbildung zu entwickeln. Die Fasern sollen so im Raum platziert werden, dass sich der leitfähige Polymerfilm auf dem kürzesten Weg zwischen dem heißesten und kältesten Punkt als Steg ausbilden kann. Während der elektrochemischen Abscheidung dient die Faser als Substrat für das abgeschiedene Polymer und koordiniert das Wachstum des Films in die gewünschte Richtung. Die Bildung eines Polymerfilms als Faserumhüllung ergibt theoretisch ein rohrförmiges Material mit Wänden aus einem leitenden Polymer. Durch die Bildung vieler einzelner 2D-Filme, die zu Röhren gewalzt und miteinander verflochten sind, soll eine 3D-Struktur ermöglicht werden. Im Ergebnis soll die thermische Leitfähigkeit auf < 0,2 W/mK gesenkt werden und die elektrische Leitfähigkeit von derzeit 30 S/cm um mindestens weitere 15 % ansteigen.

Eine große potentielle Marktnische für KMU`s für flexible TEG-Anwendungen besteht im Bereich persönlicher, tragbarer Generatoren z.B. zum Aufladen von USB-Geräten, im Bereich von taktilen medizinischen Sensoren (Live-Zyklen Online-Aufzeichnung, Alarmgeräte, ca. 1 Mrd. Stück), LED-Beleuchtungssysteme für mehr als 1,2 Mrd. Menschen, die in stromnetzfernen Gebieten leben sowie Wearable Electronics z.B. sensorische Armbänder.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden vielschichtige wissenschaftlich-technische und verfahrenstechnische Erkenntnisse gewonnen. Das betrifft die Entwicklung von Abstandsnadelvliesstoffen (Typ Napco) und Polfaser-Vlieswirkstoffen (Typ Kunit und Multiknit) sowie Polymerentwicklung und Abscheideverfahren von elektrisch leitfähigen Polymeren. Die erzielten Ergebnisse betreffen dabei hauptsächlich Erkenntnisgewinne für die Verarbeitung von Fasern zu Vliesstoffen mit hoher Materialdicke, ausreichender Festigkeit und einem großen Anteil in z-Richtung orientierter Fasern. Außerdem spielte die Flexibilität also eine möglichst geringe Biegesteifigkeit eine große Rolle, die ebenfalls erreicht werden konnte. Damit können die Textilien als flexibles Trägermaterialien in der Energietechnik, z.B. an freigeformten Rohrquerschnitten, eingesetzt werden.

Darüber hinaus hat das Forschungsvorhaben einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von Grundstrukturen für TEG oder ähnliche Anwendungen gesorgt. Zahlreiche Synergien sind sowohl aus der Vliesstoffentwicklung (z. B. Filtration, Akustik) sowie der Polymerentwicklung abzuleiten. Der Wissenszuwachs hinsichtlich der senkrechten Faserorientierung in technischen Textilien und der Entwicklung und Abscheidung elektrisch leitfähiger Polymere ist ebenfalls sehr wertvoll für die entsprechenden Forschungsfelder.

Da die Polymere nicht gemäß Projektziel auf die Vliesstoffoberfläche abgeschieden werden konnten, wurde jedoch das Ziel eines endkonfektionierten TEG-Demonstrators nicht erreicht.