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Die Erfindung betrifft lichtdurchlässige Betonelemente mit lichtdurchlässigen Fasern, die derart in dem Betonelement angeordnet sind, dass Licht über die Fasern von einer Seite des Betonelements auf mindestens eine andere Seite des Betonelements dringen kann, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Lichtdurchlässige Betonelemente der gattungsgemäßen Art sind beispielsweise aus der
WO 03/097954 A1 bekannt. In dieser Druckschrift sind Blöcke aus Beton beschrieben, in die bei der Herstellung lichtleitende Fasern eingebettet werden, welche sich von einer Stirnseite des Blocks zur gegenüberliegenden Stirnseite erstrecken. Als Material für die Fasern sind Glasfasern, optische Fasern oder durchsichtiges Kunststoffmaterial genannt. Nach der
WO 03/097954 A1 werden lange Blöcke aus Beton gegossen, in welchen die Lichtleiter in Längsrichtung angeordnet sind. Nach dem Aushärten des Betons werden die Blöcke in mehrere kürzere Blöcke bzw. Mauersteine zersägt, wobei die Stirnflächen der lichtleitenden Fasern an den Schnittflächen zu Tage treten. Das auf eine Schnittfläche des gesägten Betonblocks einfallende Licht wird von den Lichtleitfasern auf die gegenüberliegende Schnittfläche geleitet und tritt dort an den Stirnflächen der Lichtleitfasern aus. Der Flächenanteil der Lichtleitfasern liegt üblicherweise im Bereich von 5–15% der sie enthaltenden Fläche des Betonblocks.
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Gemäß dem Gebrauchsmuter
DE 93 10 500 U1 werden Lichtleiterkabel verwendet, um lichtdurchlässige Bauelemente aus Beton zu erzeugen. Als Bauelemente werden Wand- und Deckenelemente genannt. In der
DE 20 2007 000 753 U1 sind lichtdurchlässige Bauteile beschrieben, bei welchen in einem Gewebe angeordnete Lichtleiter in einer Vergussmasse eingebetet werden. Als Material für die Lichtleiter wird ein polymerer Lichtwellenleiter (POF – Polymer Optical Fiber) genannt.
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Bei den lichtdurchlässigen Betonelementen nach dem Stand der Technik besteht ein Nachteil darin, dass sie sehr teuer sind. Dies liegt vor allem darin, dass für die Lichtleitung durch den Beton hochwertige lichtleitende Fasern, wie optische Fasern (Lichtleitfasern, Lichtleiter, Lichtwellenleiter, POF) verwendet werden, welche das Licht aktiv weiterleiten. Diese lichtleitenden Fasern bestehen aus einer Kern-Mantelstruktur. An einem Ende der Faser eingespeistes Licht wird durch Totalreflektion an der Schichtgrenze zwischen Kern und Mantel der Faser aktiv durch die Faser geleitet, bis es am anderen Ende der Faser annähernd verlustfrei austritt. Die verlustfreie Länge der lichtleitenden Fasern liegt je nach Fasertyp zwischen mehreren zehn Metern und kann für bestimmte Wellenlängen viele Kilometer betragen. Der Werkstoff der lichtleitenden Fasern kann Glas oder ein Polymer (Kunststoff) sein. Kennzeichen der lichtleitenden Fasern ist jedoch immer die Kern-Mantelstruktur.
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Ein weiteres Merkmal für lichtleitende Fasern ist die hohe Transmissivität für Licht über große Leitungslängen. Das Material des Kerns der Lichtleitfasern weist demgemäß eine äußerst geringe Absorption und Streuung auf, d. h. dass das Licht im Kernmaterial nicht gebrochen werden darf. Daher kommen für das Kernmaterial polymerer optischer Fasern (POF) nur rein amorphe Polymere in Frage, wie z. B. PMMA (Polymethylmethacrylat).
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Die Fasern werden zudem mit einer speziellen äußeren Beschichtung versehen, welche den Mantel bildet. Brechungsindizes von Kern und Mantel sind genau aufeinander abgestimmt, so dass es zu der für die aktive Lichtweiterleitung notwendigen Totalreflektion an der Grenzschicht zwischen Kern und Mantel kommt.
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Die Lichtleitfasern oder -kabel sind aufwändig in der Herstellung und deshalb teuer. Ihr Preis macht einen hohen Anteil an den Herstellungskosten für lichtdurchlässige Betonelemente aus. Dies ist mit ein Grund, warum derartige Bauteile trotz der durch sie eröffneten vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten noch keine weite Verbreitung im Bauwesen gefunden haben.
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Bei Verwendung von lichtleitenden Fasern sind lichtdurchlässige Betonelemente mit großen Dicken, wie z. B. Mauersteine oder Treppenstufen, herstellbar. Die Eigenschaft der lichtleitenden Fasern, das Licht auch über große Strecken verlustfrei weiterleiten zu können, ist jedoch für plattenartige Betonbauteile mit geringen Materialstärken, also kurzen Lichtleitlängen, nicht notwendig.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein besonders kostengünstiges lichtdurchlässiges Betonelement zur Verfügung zu stellen, welches bei geringen Materialkosten eine hinreichende Lichtdurchlässigkeit aufweist. Aufgabe der Erfindung ist es auch, kostengünstige polymere Faserstoffe und geeignete Faserdurchmesser zu nennen, die eine für kurze Lichtleitungslängen bis zu 100 mm ausreichende Transparenz aufweisen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 darin, dass die Fasern aus einem durchsichtigen oder durchscheinenden (transparenten, lichtdurchlässigen) Kunststoffmaterial bestehen. Eine Eigenschaft dieser günstigen lichtdurchlässigen Fasern ist, dass sie monolithisch aufgebaut sind und zumindest an ihrer Außenfläche keinerlei Beschichtung, Bedampfung oder sonstige optisch wirksame Schicht tragen. Die Fasern sollen als Monofilamente vorliegen und keine Kern-Mantelstruktur aufweisen. Es handelt sich also nicht um lichtleitende Fasern im Sinne von optischen Fasern.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass für die Herstellung von transparent wirkenden Betonbauteilen geringer Dicke, etwa von Betonplatten mit einer Dicke bis zu 100 mm, eine optimale aktive Weiterleitung von Licht nicht erforderlich ist. Es ist ausreichend, wenn das Material der Fasern lichtdurchlässig oder durchscheinend ist, damit auf der der Lichtquelle abgewandten Seite der Betonplatte noch ein merkliches Aufleuchten der Faserenden erkennbar ist.
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Von Vorteil ist, dass die Kosten für unbeschichtete, lichtdurchlässige Fasern aus Kunststoff wesentlich niedriger sind als diejenigen für hochwertige lichtleitende Fasern. Bei gleichem Nutzen lichtdurchlässiger Fasern ist daher die Verwendung von lichtleitenden Fasern für die Herstellung von lichtdurchlässigen Betonbauteilen mit geringer Stärke wirtschaftlich nicht sinnvoll.
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Vorteilhaft für das Ziel der Kostenreduktion von lichtdurchlässigen Betonelementen ist auch die Verwendung von lichtdurchlässigen Fasern aus günstigen Commodity-Polymeren. Hierunter fallen Polymere wie Polyester oder Polypropylen, nicht aber die für ihre Transparenz bekannten Materialien Polymethylmetacrylat oder Polycarbonat.
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Die verwendeten lichtdurchlässigen Fasern müssen jedoch gewisse Eigenschaften und Merkmale aufweisen, damit eine ausreichend hohe Transparenz des lichtdurchlässigen Betonelements erreicht wird. Das Material für die Fasern muss für Licht im sichtbaren Spektralbereich eine hinreichende Durchlässigkeit haben, so dass bei einer Faserlänge von bis zu 100 mm noch ein merklicher Teil des eingespeisten Lichts austritt. Dabei sollte möglichst keine Verfärbung durch selektive Absorption bestimmter Wellenlängenbereiche des Lichts auftreten. Es ist jedoch denkbar, dass eine solche Absorption für gestalterische Zwecke erwünscht sein kann. Vor allem für die Anwendung der Betonelemente im Außenbereich sollte der Kunststoff der Fasern zudem beständig gegen UV-Strahlung sein. Diese Eigenschaft kann durch Zugabe von UV-stabilisierenden Substanzen erzeugt oder gefördert werden, sofern sie dem Material nicht ohnehin zu Eigen ist. Die in Frage kommenden Kunststoffe für die Fasern müssen auch laugenbeständig gegen die hohen pH-Werte des Betons sein, der bekanntlich besonders in der Aushärtephase stark basische Eigenschaften besitzt. Für verschiedene Anwendungen von lichtdurchlässigen Betonelementen kann es darüber hinaus von Vorteil sein, wenn die Materialien der Fasern weitere positive Eigenschaften aufweisen, wie eine hohe Beständigkeit gegen Säuren, Öle, Fette oder Temperatur. Für den Kontakt mit Lebensmitteln, Menschen oder Tieren kann es auch wichtig sein, dass die Fasermaterialien physiologisch unbedenklich sind.
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Bei aus der Schmelze erstarrenden Polymeren hängt der Kristallinitätsgrad ab von Monomer, Taktizität, Molekulargewicht, Verzweigungsgrad, Abkühlgeschwindigkeit und Nukleierungsmitteln (heterogene Keimbildung). In Abhängigkeit von diesen Bedingungen erhärten Polymere auch rein amorph.
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Andere Bedingungen für die Aushärtung ergeben sich bei schmelzgesponnen Fasern (z. B. Monofilamenten). Das Polymer wird durch eine Düse gepresst und die Molekülketten dabei leicht vororientiert. Durch eine Nachverstreckung (Anlegen einer Zugspannung) kann die Orientierung der Molekülketten deutlich erhöht werden. Fasern werden z. B. auf ein Vielfaches ihrer ursprünglichen Länge gezogen. Dabei werden die Ketten gereckt und orientiert angeordnet. Dieser Zustand entspricht einer Teilkristallisation, wobei die kristallinen Bereiche zusätzlich noch gleichgerichtet sind. Folge ist, dass zum einen die Festigkeit der Fasern zunimmt, die Transparenz des Materials jedoch abnimmt, da die nanoskaligen Kristallstrukturen das Licht diffus streuen. Schmelzgesponnene, teilkristalline Fasern werden daher bisher noch nicht als lichtdurchlässige Fasern eingesetzt.
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Polymethylmetacrylat (PMMA) und Polycarbonat (PC) weisen auch in Faserform, z. B. als Monofilament mit Durchmessern von 0,125 mm bis 1 mm, eine hohe Transparenz auf. Bei diesen Fasern liegt das Polymer in rein amorpher Form vor. Die Transmission des Lichts durch die Faser wird dabei durch Störstellen in der Polymerstruktur mit unterschiedlichem Brechungsindex gedämpft. Um z. B. in POF (Polymer Optical Fiber) eine möglichst verlustfreie Leitung des Lichts zu erreichen, ist daher eine hohe Reinheit der amorphen Struktur des Polymers erforderlich. Entsprechend aufwändig ist der Herstellprozess und infolge dessen sind die Fertigungskosten hoch für solche rein amorphe Faserstrukturen. Dies wirkt sich auf den Faserpreis für polymere optische Fasern (0,5 mm Durchmesser) aus PMMA aus. Eine günstige lichtdurchlässige Faser aus einem Commodity-Polymer hat jedoch einen erheblich niedrigeren Zielpreis (bis zu Faktor 100 niedriger bei gleichem Durchmesser).
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Als günstige geeignete Commodity-Faserstoffe seien hier ohne Anspruch auf Vollständigkeit Polyester (PES), Polyethylenterephthalat (PET) oder Polypropylen (PP) genannt. Eine Steigerung des Anteils amorpher Strukturen in der Faser und damit der Lichtdurchlässigkeit kann bei diesen Stoffen durch spezielle Vorgaben beim Verstrecken der Fasern und durch eine intensive Kühlung des Extrudates, z. B. durch das Ausspinnen in ein Flüssigkeitsbad, erreicht werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die lichtdurchlässigen Fasern aus Polypropylen bestehen. Polypropylen (PP) ist ein teilkristalliner Kunststoff und gehört zur Gruppe der Polyolefine. Polypropylen ist im naturbelassenen Zustand nicht klar durchsichtig, sondern milchig trüb (dünne PP-Folien sind nur infolge der geringen Materialdicke völlig durchsichtig). Polypropylen ist beständig gegenüber fast allen organischen Lösungsmitteln und Fetten sowie den meisten Säuren und Laugen. Gegen Bestrahlung im sichtbaren Bereich ist PP ausreichend beständig. Die Zugabe von geeigneten UV-Stabilisatoren kann die Außenanwendbarkeit von Polypropylen auf Jahrzehnte ausreichend sichern. Weiterhin ist Polypropylen geruchlos, hautverträglich physiologisch unbedenklich und auch für Anwendungen im Lebensmittelbereich geeignet.
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Die Dauergebrauchstemperatur von unverstärktem PP ohne mechanische Beanspruchung liegt bei ca. –40 bis 110°C. Kurzzeitig hält unverstärktes PP auch Temperaturen bis 140°C stand. Eine Entzündung erfolgt ab ca. 330°C. Die Wasseraufnahme von PP liegt bei weniger als 0,01% bei 23°C/50% r·F.
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Polypropylen lässt sich problemlos in Form von Fasern mit Durchmessern von 0,1 mm bis 1 mm ausspinnen. Jedoch weisen nur die auf die Transparenz der Faser gezielt abgestimmten Fasern aus Polypropylen eine ausreichende Lichtdurchlässigkeit im Sinne der zu lösenden Aufgabe auf. Diese erreichen Sie dann jedoch in hervorragender Weise. Fasern aus Polypropylen sind sehr kostengünstig in der Herstellung. Damit erfüllt Polypropylen die Anforderungen an ein Material für die geforderte Anwendung in besonderer Weise.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die lichtdurchlässigen Fasern aus syndiotaktischem Polypropylen bestehen. Syndiotaktisches Polypropylen weist bei vergleichbarer Kristallinität gegenüber isotaktischem Polypropylen eine deutliche bessere Transparenz auf.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die lichtdurchlässigen Fasern aus ataktischem Polypropylen bestehen. Ataktisches Polypropylen weist eine überwiegend amorphe Struktur auf und zeigt somit ebenfalls eine gute Transparenz.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die lichtdurchlässigen Fasern aus amorphen Polymeren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, z. B. für eine textile Verarbeitung, durch eine nachträgliche Verstreckung zu teilkristallinen Materialien umgeformt werden. Durch das Verstrecken bilden sich lamellare Kristallstrukturen aus, bei denen keine sphärolitischen Überstrukturen gebildet werden. Das Polymer bleibt damit optisch vollständig transparent.
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Die lichtdurchlässigen Fasern können sowohl als Einzelfasern, als Vielzahl von Fasern oder in einem losen Verbund oder auch in einem festen Verbund nach Art eines Gewebes oder Geleges in den frischen, nicht ausgehärteten Beton eingebracht werden. Verschiedene Verfahren und Methoden zum Einbringen der Fasern sind beispielsweise bekannt aus
WO 03/097954 A1 ,
DE 10 2007 040 083 ,
WO 2007/096083 A1 oder
JP 2006224349 A .
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 03/097954 A1 [0002, 0002, 0025]
- DE 9310500 U1 [0003]
- DE 202007000753 U1 [0003]
- DE 102007040083 [0025]
- WO 2007/096083 A1 [0025]
- JP 2006224349 A [0025]