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Diametrale Reaktionen Elektroaktive Kunststoffe können kühlen oder heizen

Quelle: Fraunhofer-IAP 3 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut für angewandte Polymerforschung
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Elektroaktive Polymere (EAP) geben bei Verformung und bei Temperaturänderungen elektrische Signalen ab. Legt man elektrische Spannung an, ändern sie ihre Temperatur, so das Fraunhofer-IAP aus Potsdam.

Sieht erstmal verhältnismäßig unspektakulär aus, oder? Aber diese Dünnschichtkonstruktion aus besonderer Kunststofffolie hat es in sich! Denn es handelt sich um elektroaktives Polymer, das bei äußeren Einflüssen entweder Spannung erzeugt, oder unter Spannung seine Temperatur ändert.(Bild: Fraunhofer-IAP)
Sieht erstmal verhältnismäßig unspektakulär aus, oder? Aber diese Dünnschichtkonstruktion aus besonderer Kunststofffolie hat es in sich! Denn es handelt sich um elektroaktives Polymer, das bei äußeren Einflüssen entweder Spannung erzeugt, oder unter Spannung seine Temperatur ändert.
(Bild: Fraunhofer-IAP)

Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) haben elektrokalorische Polymerfolien mit einer sehr geringen Dicke von nur vier Mikrometern entwickelt und zu mehrlagigen Komponenten verarbeitet. Das Anwendungsziel für diese Konstrukte ist, sie in unterschiedlichen Systemen zum Heizen und Kühlen einzusetzen, wie es heißt. Die Forscher denken etwa an Wärmepumpen, an die Temperierung von Fahrzeuginnenräumen, an Batteriemodule, elektronische Komponenten, Schaltschränke oder Lasersysteme. Sie machen dabei klar, dass die geringe Schichtdicke entscheidend dafür ist, damit die elektrokalorischen Kunststoffsysteme schon mit Spannungen weit unterhalb von einem Kilovolt betrieben werden können. Zum Beispiel dienen EAP aber auch als elektromechanische Sensoren und Aktoren für Anwendungen in der Softrobotik, in der Automatisierung, als Schall- und Schwingungsdetektoren, als Ultraschallwandler, als pyroelektrische Schichten für Infrarotsensoren oder eben auch als elektrokalorische Materialien zur Temperierung von Systemen.

Äußere Einflüsse lassen Kunststoff sprunghaft werden

So führt das plötzliche Anlegen eines elektrischen Felds an ein EAP zu einer bestimmten, sprunghaften Erhöhung dessen Temperatur. Diese mach ich umso stärker bemerkbar, je größer die Änderung des elektrischen Felds sei. Der Grund sind sogenannte polare Strukturen im Material, die über die Feldrichtung gezwungen werden, sich entsprechend auszurichten und dabei Energie abgeben, wie die Forscher erklären. Umgekehrt aber nehmen sie Energie wieder auf, sobald das elektrische Feld abgeschaltet wird. Das Material kühlt dabei im gleichen Maß sprunghaft ab. Für den technischen Einsatz elektrokalorischer Materialien in Heiz- und Kühlsystemen müssen diese Prozesse aber hochfrequent wiederholt und so gesteuert werden, dass das Erwärmen und Abkühlen in verschiedenen Umgebungen stattfindet. Erst dadurch entstehe eine Wärmepumpe mit nutzbaren, dauerhaft warmen und kalten Bereichen. Für eine hohe elektrokalorische Leistung sind mehrere Eigenschaften des Materials entscheidend – unter anderem eine große Änderung der elektrischen Polarisation, eine hohe dielektrische Festigkeit, geringe thermische Verluste und nicht zuletzt eine gute mechanische Stabilität, führen die IAP-Forscher weiter aus. Im Fokus stehen dabei chemische und physikalische Modifikationen an PVDF-Terpolymeren (Polyvinylidenfluorid).

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