Blitzschutzanlage und Verfahren zur Herstellung dazu Die Erfindung betrifft eine Blitzschutzanlage für beispiels ^¬ weise eine nicht-statische Industrieanlage wie ein Windkraft ^¬ rad sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Blitzschutzanlage . Eine Blitzschutzanlage vermeidet in erster Linie, dass ein

Blitz in das geschützte Obj ekt einschlägt . Der Einschlag fin ^¬ det stattdessen in der Blitzschutzanlage statt . Im Falle ei ^¬ nes Einschlags bietet die Blitzschutzanlage dem Blitzstrom einen definierten, niederohmigen Strompfad, womit Beschädi- gungen am geschützten Obj ekt vermieden werden .

Bei einer nichtstatischen Industrieanlage, wie z.B. einem Windrad ist Blitzschlag ein großes Problem, da Windkraftanla ^¬ gen meist an exponierten Lagen errichtet werden, welche häu- fig den höchsten Punkt in einem größeren Umfeld darstellen .

Nachdem der höchste Punkt eines vertikalen Windrades zu j eder Zeit die Spitze eines Rotorblattes ist, wird der Eintrittsbe ^¬ reich des Blitzes auf einem der Rotorblätter liegen . Die sehr hohe Stromdichte in einem Blitz muss über den Rotorflügel durch den Rotor nach unten abgeleitet werden .

Somit kommt es bei einem Blitzeinschlag im Rotorblatt, be ^¬ dingt durch den inneren Widerstand der verwendeten Materia- lien, zu typischen Blitzschäden wie Brände und Überhitzung der einzelnen Komponenten sowie zu temperaturbedingten mechanischen Verformungen .

In bestehenden Windkraftanlagen sind deshalb als Blitzschutz- anläge konventionelle metallische Leiterbahnen zur Ableitung der hohen Stromdichte vorgesehen . Diese verlaufen entweder komplett an der Außenhaut des Rotorblattes oder sind im Inne ^¬ ren des Rotorblattes verlegt, sodass nur das Ende der Leiter- bahnen an der Spitze des Rotorblattes aus diesem Austritt. Eine weitere Form des Blitzschutzes ist die Einbringung eines metallischen Netzes in eine deckende Lackschicht auf der Oberfläche des Rotorblattes . Hierdurch entsteht lokal eine metallische Struktur, welche entstehende Ströme und Spannun ^¬ gen durch eine Verbindung zum Stativ der Windkraftanlage erdet .

Nachteilig an den herkömmlich angewendeten Blitzschutzanlagen von nicht-statischen Industrieanlagen wie Windkrafträdern ist, dass sie nur kostenintensiv herstellbar und/oder

applizierbar sind, korrosionsanfällig und nicht für die Nach ^¬ rüstung bestehender Anlagen tauglich sind . Aus der WO 2014/206676 ist eine fundamentale Neuerung zur Blitzableitung bei nichtstatischen Anlagen in Form einer OberflächenbeSchichtung zur Potentialabführung bekannt . Dabei wird ein Lack mit einem Füllstoff aus plättchenförmigen keramischen, leitfähig beschichteten Partikeln eingesetzt . Nach- teilig an dieser OberflächenbeSchichtung ist j edoch die vergleichsweise niedrige Leitfähigkeit der keramischen Partikel zusammen mit den hohen Füllgraden, die erforderlich sind für eine effektive Blitzableitung . Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , eine leicht applizierbare, wartungsfreundliche, gegebenenfalls nachrüst- bare massenfertigungstaugliche, witterungsbeständige und vor allem hocheffektive Blitzschutzanlage zur Verfügung zu stel ^¬ len, die insbesondere an nicht-statischen Industrieanlagen, wie beispielsweise an Windkrafträdern, einsetzbar ist .

Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung, wie sie in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart wird, gelöst .

Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ei ^¬ ne Blitzschutzanlage in Form einer hochleitfähigen Verbund ^¬ werkstoffSchicht , die auf der Oberfläche einer nicht- st ci11sch.Θι ^~ ι Ii ^~ id.U.st Ieanlage aufgebracht wird, wobei die Ver ^¬ bundwerkstoffSchicht eine polymere Matrix, die mit hochleit- fähigen Metallpartikeln gefüllt ist, umfasst . Durch eine VerbundwerkstoffSchicht oder Verbundwerkstoffbe- schichtung nicht-statischer - beispielsweise - rotierender Flächen aus temperaturbeständigem Verbundwerkstoff, gefüllt mit hochleitfähigen Metallpartikeln, kann die Potentialdiffe- renz , die durch den Blitzeinschlag im Körper aufgebaut wird, über die große Oberfläche der Anlage abgebaut werden, ohne dass es durch lokale, sehr große Stromdichte zu Überhitzungs- schäden an der nicht-statischen IndustrlGäFlläge kommt .

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die eine polymere Matrix, gefüllt mit beschichteten Metallparti ^¬ keln, als Blitzschutz auf die Oberfläche von beispielsweise Wind-Rotorblättern aufgebracht .

Bevorzugt werden leitfähige Metallpartikel aus elementarem Meta11 und/oder Metalllegierung eingesetzt, bevorzugt aus ei ^¬ nem hochleitfähigen edlen Metall wie beispielsweise Kupfer . Der Füllstoff in Form von „Metallpartikeln" im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine Mischung verschiedener metallischer Partikelfraktionen umfassen oder in einer einzigen Partikelfraktion vorliegen . Die Unterschiede zwischen den einzelnen Partikelfraktionen können dabei sowohl im Metall- partikelmaterial , im Aufbau des einzelnen Metallpartikels, also beispielsweise beschichtet oder unbeschichtet, in der Form, also beispielsweise plättchen- , kugel- , faser- oder stabförmig, sowie in der mittleren Größe der Metallpartikel liegen .

Bevorzugt wird ein Füllstoff, der mehrere Fraktionen umfasst , eingesetzt .

Bevorzugt liegt die mittlere Größe der Partikel im Bereich von 5ym bis 500ym, insbesondere im Bereich von 20 ym bis lOOym und ganz bevorzugt im Bereich von 35 bis 80 ym. Bevor- zugte Ausführungsformen der Erfindung umfassen Mischungen verschiedener Partikelformen, wobei Plättchen und Kugeln besonders bevorzugt sind . Durch Variation der mittleren Partikelgroße in einer bi- oder multimodalen Füllstoffmischung lassen sich insbesondere Kosten sparen, die Verarbeitbarkeit verbessern und außerdem besonders leichte Verbundwerkstoffschichten im Sinne von

Leichtbau herstellen, weil Leitfähigkeitspfade mit geringem Gehalt an Füllstoff realisierbar sind .

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Metallpartikel beschichtet, insbesondere mit einem Metall und/oder einem Metalloxid . Beispielsweise werden mit Meta11 beschichtete Metallpartikel , wie silberbeschichtete Kupfer ^¬ partikel , eingesetzt, bei denen im Betrieb durch Korrosion die zunächst rein metallische Beschichtung langsam durch Oxidation zum Metalloxid korrodiert, bis letztendlich, nach komplett erfolgter Korrosion oder Oxidation anstelle der metal- Irschen Beschichtung des MetalIpartikels nur noch eine me- talloxidische Beschichtung des MetalIpartikels nachweisbar ist . Dazwischen sind alle Stufen der teilweise oxidierten Beschichtung des MetalIpartikels nachweisbar . Dabei haben sich für die Beschichtung der Metallpartikel ins ^¬ besondere die Metalle und/oder Legierungen als günstig erwie ^¬ sen, bei denen die metallische Beschichtung des Metallparti ^¬ kels korrosionsbeständig ist, insofern als die korrodierte Beschichtung, also das Metalloxid selbst leitfähig bleibt, sodass die Korrosion der Metallpartikel-Beschichtung keinen oder nur einen geringen negativen Einfluss auf die Leitfähigkeit des Partikels hat .

Beispielsweise besteht die Beschichtung der Metallpartikel aus einem reinen Metall , dessen oberflächliche Oxidschicht ebenfalls elektrisch leitfähig ist, vorzugsweise aus Silber . Für eine Beschichtung der Rotorblätter ist eine flexible Applikation des Verbundwerkstoffes vorteilhaft . Die hier vorge ^¬ schlagene Herstellung der Verbundwerkstoffbeschichtung um- fasst die Schritte

- Herstellung einer verarbeitbaren Mischung aus Lösungsmittel , unvernetztem Polymer und Füllstoff

- Versprühen, Rakeln, Tauchen und/oder Pinseln der verarbeitbaren Mischung auf die nicht-statische Industriean- läge

- Aushärten und Vernetzung des Polymers und Entfernen des Lösungsmittels .

Es wurden in Versuchen bereits mehrere polymere Matrizen in Applikationstestreihen durch Sprühen, Rakeln, Tauchen

und/oder Pinseln als Verbundwerkstoffschichten appliziert, sodass gezeigt werden konnte, dass die erfindungsgemäßen Blitzschutzanlagen durch eine funktionelle Beschichtung auch auf einer gekrümmten Oberfläche anwendbar sind . Beispielswei- se können auf diese Weise komplette Rotorflügel z.B. über Sprüh- und/oder Pinselapplikation beschichtet werden .

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Beschichtung ein Verbundwerkstoff, dessen metallischer Füllstoff ein plättchenförmiges , hochleitfähiges Metallsubstrat, wie bei ^¬ spielsweise Kupfer, das eine elektrisch leitfähige meta11i sehe Beschichtung, wie beispielsweise Silber, umfasst . Die oberflächliche MetallbeSchichtung wird durch die Wechselwirkung mit dem Luftsauerstoff sowie der Luftfeuchtigkeit oxi- diert , wobei ^™ zumindest bei einer Beschichtung aus Silber - ein ebenfalls elektrisch leitfähiges Metalloxid gebildet wird, was den darunterliegenden Metallkern passiviert und die Partikelkontaktwiderstände großteils eliminiert . In Bezug auf die geeigneten polymeren Matrizen wird hiermit vollinhaltlich auf die WO 2014/206676 verwiesen, deren Inhalt hiermit zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird . Insbesondere eignen sich als polymere Matrix beispielsweise Duroplasten wie z.B. Epoxide oder Polyurethane, Thermoplasten wie z.B. PEEK, PAI oder PEI und schließlich Polysiloxane wie z.B. Silikonelastomere oder Silikonharze, sowie beliebige Mi- schungen, Blends oder Copolymere der vorgenannten Verbindungen in Betracht . Bevorzugt werden polymere Matrixmaterialien, die bei Raumtemperatur härten, damit die Applikation vereinfacht ist. Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und dabei den Pfad der elektrischen Leitfähigkeit in der polymeren Matrix, der sich durch die Füllstoffpartikel bildet . Figur 1 zeigt die hochleitfähige Beschichtung der hochleitfä- higen Partikel , beispielsweise cllθ Sil k er (oxid) -Schicht 1 an der Oberfläche der Kupfer-Partikel 2 , die den hochleitfähigen Kupferkern 3 passiviert und damit die Kontaktwiderstände 4 zwischen den Partikeln Silber, Silberoxid und/oder Kupfer eliminiert .

Gezeigt wird in Figur 1 eine hochleitfähige Beschichtung, die innerhalb der Perkolation, also bei 25 Gewi und darüber Füll- stoffanteil an plättchenförmigem und/oder kugelförmigen Füll- Stoff, einen sehr niedrigen Widerstand aufweist .

In Tests wurde beispielsweise eine Beschichtung mit einem Quadratwiderstand von 0 , 2 Ohm bei 60 ym Schichtdicke herge ^¬ stellt, was in der Größenordnung des Widerstands von Metall- gittern oder Kohlefasergittern liegt, die unter anderem auch für Blitzschutzanwendungen zum Einsatz kommen .

In Figur 2 ist die Perkolationskurve plättchenförmiger und kugelförmiger Metallpartikel in einem Lack, das ungehärtete Polymer und ein Lösungsmittel umfassend, eines - beispiels ^¬ weise bei Raumtemperatur härtenden - Polymers dargestellt . Zu erkennen ist, dass bei einem Anteil in Gew% von über 30 Gewi , insbesondere aber bei ungefähr 60Gew% ein mit metallischen Leitern vergleichbarer Widerstand resultiert .

Figur 3 zeigt den Vorteil der Versilberung . In der Graphik werden Edelstahlpigmente, Kupferpigmente und versilberte Kup ^¬ ferpigmente hinsichtlich ihres Widerstandes bei 45 PMK in PEI verglichen . Auf der x-Achse sind dazu in dieser Reihenfolge j eweils Messungen von Säulen la, 1b Stahlpigment 100, la, 2b, Stahlpigment 200, 3a, 3b, versilbertes Kupfer 100, 4a, 4b, versilbertes Kupfer 200, 5 dendritisches Kupfer 100 und 6 plättchenförmiges Kupfer 100 aufgetragen . Die Zahlenwerte be ^¬ zeichnen die Rakelspaltdicke . Zu den ersten 4 Füllstoffpig ^¬ menten gibt es j eweils zwei Messungen la, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, einmal bei Raumtemperatur und einmal bei 110 °C. Bei 110 °C ist der Widerstand in allen Fällen geringer als bei Raumtemperatur .

Die reinen Kupferpigmente sind per se hochohmiger als die versilberten Kupferpigmente, was auf die hochohmige Kupfer- oxidschicht zurückzuführen ist . Die Edelstahlpigmente sind ebenfalls hochohmiger, allerdings aufgrund der höheren in ^¬ trinsischen Widerstände . Nach einer Temperaturauslagerung bei 110 °C sind die reinen Kupferpigmente nach erfolgter Oxidati- on, also nachempfundener Korrosion, nicht mehr messbar, die Edelstahl und versilberten Kupferpigmente sind stabil , da das durch Korrosion aus der SilberbeSchichtung entstandene Silberoxid den innenliegenden metallischen Kern passiviert und selbst sehr leitfähig ist . Plättchenförmige Metallpartikel mit oberflächiger Oxidschicht haben an dieser Stelle mehrere Vorteile gegenüber rein kugel ^¬ förmigen Partikeln : Sie zeigen eine frühe Perkolationsschwel ^¬ le, beispielsweise zum Teil bei unter 50 Gew.-I. Dabei spielt der Formfaktor eine Rolle. Das wäre bei der Dichte von Kupfer ein Volumenfüllgrad von unter 10 Vol% Füllgrad in der polyme- ren Matrix. Durch die geringe Einwaage kommt es zu einer geringen Ver ^¬ bundwerkstoffdichte , was dem Leichtbauprinzip entspricht, al ^¬ so einem deutlichen Vorteil des hier erstmals vorgestellten hochleitfähigen Verbundwerkstoffes , insbesondere gegenüber der rein metallischen Variante einer Blitzschutzanlage, die herkömmlich bei - beispielsweise - Windkrafträdern eingesetzt wird .

Die mit Silber beschichteten Metallpartikel sind korrosions- beständig, da sie an der Oberfläche durch Ausbildung des Me ^¬ talloxids passiviert werden .

Die Metallpartikel führen im Vergleich zur herkömmlichen Blitzschutzanordnung über metallische Netze bevorzugt zu ei- ner hohen Verarbeitungsstabilität der Applikationsrezeptur , weil es sich um einen Lack handelt und Lösemittel im Lack bei Applikation verwendet wird .

Die vorliegenden Metallpartikel mit leitfähiger, passivieren- der Oxidschicht sind hinsichtlich ihres elektrischen Wider- Standes den alternativen Füllstoffen und FüllstoffSystemen, wie beispielsweise mit keramischen Füllstoffen für die Eignung in einer Blitzschutzanlage weit überlegen . Beispielswei ^¬ se wird der Quadratwiderstand in Ohm des Kupfer- Silber-

—Ί 2

Hybrids im Bereich von 10 " Ohm bis 10 Ohm angegeben, wohingegen der Quadratwiderstand von Glimmer bei über 10 ^Z liegt .

Durch Nutzung eines leicht applizierbaren Lackes , der mit elektrisch hochleitfähigen Metallpartikeln gefüllt und gut sprühbar ist, können vorgefertigte Bauteile , wie z.B. Rotor- blä11er von Windkraftanlagen leicht beschichtet und kontaktiert werden . Zudem können mit dieser Technolog Polymere Bauteile im Luftfahrtbereich beschichtet werden, die so ^¬ mit als potentialabführend wirksam werden können, beispiels- weise als Ersatz für Metallgitter oder Kohlefasergitter .

Gemäß der Erfindung wird durch die sehr hohe Leitfähigkeit der Metallpartikel sowie der ebenfalls leitfähigen Metall- oxidschicht an deren Oberfläche ein sehr gut leitfähiger und Langzeit temperaturstabiler Lack erzeugt , der eine gute elektrische Ableitung gewährleistet, da er einen in etwa gleichen Widerstand wie Metall- und/oder Kohlefasernet- ze/gitter hat . Durch die Möglichkeit einer flächendeckenden Beschichtung des gesamten Bauteils wird eine sehr große

Querschnittsfläche für die Ableitung hoher elektrischer Ströme und Spannungen zu Verfügung gestellt . Somit entstehen im Falle eines Blitzeinschlages in der Beschichtung keine ge - fährlichen Temperaturerhöhungen durch lokale Ströme und es kommt zu keiner Degeneration der darunterliegenden Polymerschichten und/oder zu Überhitzung der elektrischen Komponenten . Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden verschiedene

Partikelformen eingesetzt . Insbesondere bewährt hat sich da ^¬ bei die Mischung plättchenförmig / rund . Durch die Nutzung und Mischung verschiedener Partikelformen und/oder Partikelgrößen kann die Leitfähigkeit der Blitzschutzanlage weiter verbessert werden .

In Messungen konnte nachgewiesen werden, dass Mischungen aus Kugeln und Plättchen desselben Füllstoff-Materials um 1 Deka ^¬ de besser leitfähig sind, als die reinen Füllstoffe mit Par- tikel aus plättchenförmigen oder globularen Partikelformen .

Deshalb wird hier beispielsweise ein stöchiometrisches Ver ^¬ hältnis von kugel- zu plättchenförmigen Partikeln bis hin zu Mischungen von ein Drittel zu zwei Drittel plättchenförmig zu kugelig, vorgeschlagen .

Es können verschiedenste Matrizen für die Blitzschutzbe- schichtung verwendet werden . Hierfür wären denkbar :

- Duroplasten wie z.B. Epoxide oder Polyurethane,

- Thermoplasten wie z.B. PEEK, PAI oder PEI ,

- Polysiloxane wie z.B. Silikonelastomere oder Silikonharze . Es können verschiedenste Applikationsmethoden verwendet werden . Zur Herstellung einer Blitzschutzanlage gemäß der vorliegenden Erfindung eignen sich folgende Methoden :

- PinselbeSchichtung,

- SprühbeSchichtung,

- TauchbeSchichtung und/oder PulverbeSchichtung .

Durch die Erfindung wird erstmals ein hocheffektiver, leicht applizierbarer Verbundwerkstoff, der in dünnsten Schichten wie ein Lack aufbringbar ist, vorgestellt, der als effektive Blitzschutzanlage bei nicht-statischen Anlagen einsetzbar ist . Der Lack ist beliebig ausbesserbar und nachrüstbar und somit beliebig f1ΘΧ1bei anwendbar .