Erhöhung der thermischen Masse biobasierter Leichtbauelemente
Projektleiter: Martin Geißenhöner
Projektnummer: 49MF220178
Laufzeit: 01.05.2023 – 31.10.2025
Aufgabenstellung
Ziel des Projektes war die Entwicklung eines biobasierten Verbundwerkstoffes für Leichtbauanwendungen. Die thermische Masse dieses Materials soll dabei durch den Einbau von Phase Change Material (PCM) deutlich gesteigert werden. Auf diese Weise soll das Material für den Einsatz als thermische Isolierung optimiert werden.
Das Basismaterial für den Schaumprozess wurden Polymilchsäure (PLA) und Polybutylensuccinat (PBS) ausgewählt. Es handelt sich bei beiden Stoffen um Biopolymere, welche bereits großtechnisch hergestellt werden und zu den preiswertesten Biopolymeren gehören. Der im geplanten Forschungsvorhaben zu entwickelnde Schaum soll den klassischen petrochemisch basierten XPS-Schaumstoff substituieren können. Als Material zur Erhöhung der thermischen Masse steht mit einem biobasierten Paraffin ein Rohstoff zur Verfügung, der durch die Ausnutzung des Phasenwechsels (fest – flüssig) große thermische Energie in einem kleinen Temperaturbereich speichern kann (latente Wärmespeicherung).
Ergebnisse
Die Versuchsdurchführungen wurden in chemisches und physikalisches Schäumen untergliedert, wobei zum einen die reinen Materialien PLA sowie PBS und zum anderen die Blends aus beiden Polymeren und zusätzlichem PCM-Compound verwendet wurden. Grundsätzlich wurden mit Stickstoff und Kohlenstoffdioxid schlechtere Dichten von 0,75 bis 0,9g/cm³ erzielt. Mittels chemischen Treibmittels konnten mit PLA Dichten von 0,4 bis 0,5g/cm³ und mit PBS 0,5 bis 0,6g/cm³ realisiert werden. Die Blends PLA/PBS weisen eine Dichte von 0,5 bis 0,6g/cm³ auf. Bei der Integration von PCM konnten nur max. 10Gew.% eingesetzt werden. Bei höheren Anteilen fand kein stabiles Schäumen statt. Mit den gefertigten Prototypenboxen wurde das Aufwärm- und Abkühlverhalten im Klimaschrank simuliert, wobei gleiches Dämmverhalten gegenüber einer handelsüblichen Styroporbox festgestellt wurde. Zusätzliche Versuche haben gezeigt, dass auch reines PCM-Compound mit chemischen Treibmitteln geschäumt werden kann. Hier sind Dichten von 0,4g/cm³ erzielbar.
Anwendung
Die erzielten Ergebnisse stellen eine sehr gute Grundlage zu weiteren Entwicklungsarbeiten dar, in denen die Materialkombinationen an spezifische Anwendungen angepasst werden können. In Kombination mit einer Flächenheizung in der Gebäudetechnik kann so Überschussenergie zur energieeffizienteren Nutzung von Wärmepumpen gespeichert werden (Deckenelemente/Fassadendämmelemente/Trittschalldämmung, Verlege-Elemente für Fußbodenheizung, Rohrummantelungen). In der Logistik können Transportboxen ausgestattet werden, sodass temperatursensible Güter wie Medizinprodukte, Elektronikartikel und Lebensmittel verschickt werden können. Körpernahe Produkte, in denen Schäume eingesetzt werden sind bspw. Kindersitze oder Fahrradhelme, sodass man die entstehende Stauwärme zwischen Körper und Isolator (Schaum) minimiert.
