New manufacturing and integration methods of CNT-based ionic EAP actuators and their application potential in adaptive building envelopes

Abstract

Im Bauwesen kommt leichten und adaptiven Gebäudehüllen eine Schlüsselrolle bei der Reduzierung des globalen Ressourcenverbrauchs und der damit einhergehenden Emissionen zu. Adaptive Gebäudehüllen benötigen smarte Materialien und intelligente Steuerungssysteme, um ihre bauphysikalischen Eigenschaften wie z.B. ihre Atmungsaktivität als Reaktion auf veränderte Umweltbedingungen anzupassen. Ionische elektroaktive Polymere (IEAP) besitzen die Fähigkeit zur kontrollierbaren materialintrinsischen Verformung und stellen eine potenzielle Aktortechnologie für solche Anwendungen dar. IEAPs werden oft auch als „künstliche Muskeln“ bezeichnet und sind seit über zwei Jahrzehnten Gegenstand der Erforschung flexibler und nachgiebiger Stellantriebe. Sie reagieren mit teils großen Auslenkungen auf kleine elektrische Spannungen und wurden bereits für Soft-Robotik-Anwendungen und mikrofluidische Systeme vorgeschlagen. Bis heute sind sie jedoch vorwiegend Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen und wurden trotz ihrer interessanten Eigenschaften noch nie für den Einsatz in Gebäuden angepasst. Ihr komplexer Herstellungsprozess, ihre hochentwickelten Materialzusammensetzungen, ihre bislang unzureichenden Leistungsmerkmale und ihre Empfindlichkeit gegenüber Umweltfaktoren standen einer kommerziellen Verbreitung in neuen Anwendungsbereichen bisher entgegen. Als jüngster Vertreter unter den IEAP weisen Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) basierte Polymeraktoren einige vorteilhafte Eigenschaften auf, wie z.B. eine gute Kraftübertragung, Funktionsfähigkeit in Luft, integrierte Sensorfunktionalität, absolute Geräuschlosigkeit und eine vergleichsweise einfache Herstellung. In dieser Arbeit werden kosteneffiziente Materialzusammensetzungen, schnelle und skalierbare Herstellungstechniken und neue Integrationsmethoden für CNT-Aktoren untersucht. Zunächst wurde die Methode der statistischen Versuchsplanung angewendet, um optimierte Materialzusammensetzungen und Dispersionsparameter zu finden, die zur Erzeugung stabiler Nanomaterialdispersionen benötigt werden. Dabei wurden verschiedene Ersatzwerkstoffe eingesetzt, die entweder weniger toxisch oder kostengünstiger als die bisher verwendeten Materialien sind. Insgesamt wurde eine Verkürzung der Dispersionszeiten um bis zu 90% sowie eine Reduzierung der Materialkosten um bis zu 85% ohne größere Einbußen bei der Funktionalität erreicht. In einem zweiten Schritt wurden automatisierbare Druckverfahren wie das mehrlagige Schlitzdüsenbeschichten erfolgreich getestet, wodurch großflächige Elektrodenschichten in deutlich kürzerer Zeit und mit verbesserter Schichtdickenhomogenität hergestellt werden konnten. Des Weiteren wurden neuartige Verfahren für eingebettete elektrische Anschlüsse (Heißpressen), für den Zusammenbau der Aktoren (Kalandrieren) und für eine automatisierbare Aktorverkapselung (Tauchbeschichten) untersucht und teilweise bis zum Technikumsmaßstab weiterentwickelt, so dass sich nun stabile Aktoren mit reproduzierbaren, wenn auch moderaten Leistungseigenschaften herstellen lassen. Zwei experimentelle Demonstratoren wurden entworfen und gebaut, um das Aktor- und Sensorverhalten von CNT-basierten IEAP zu untersuchen, die in eine Stoffmembran integriert sind. Simulationsgestützte Entwurfsansätze umfassten die Evaluierung der Aktuierungskinematik von IEAP-getriebenen Membranöffnungen und Blenden sowie ein Konzept für die Positionierung und Verteilung von Aktoren auf der Membran. Umfangreiche Demonstratortests haben gezeigt, dass eine praktikable und zuverlässige Integration solch komplexer elektrochemischer Aktoren eine Herausforderung bleibt, insbesondere, weil ihre Leistungseigenschaften noch stark von nicht anwendungsbezogenen Faktoren abhängen. Zum Beispiel kann die Diffusion ionischer Flüssigkeiten aus den Aktor-Elektroden in die Leiterbahnen zu unterschiedlichen elektrischen Übergangswiderständen führen, die nur schwer zu kontrollieren sind und somit Unterschiede im Zeitverhalten und in der Lebensdauer der einzelnen Aktoren verursachen können. Die Hauptmotivation für diese Arbeit war es, die allgemeine Praxistauglichkeit von IEAP-Aktoren und -Sensoren voranzutreiben und ihr Potenzial als intelligentes Material für adaptive Gebäudehüllen zu untersuchen und zu veranschaulichen. Somit stellt diese Arbeit den ersten experimentellen Ansatz dar, die IEAP-Technologie in einer gebäudebezogenen Anwendung einzusetzen.