Wie ein nanozellulärer Partikelschaum isoliert

In einem Forschungsprojekt von Sumteq und der Neue Materialien Bayreuth ist es erstmalig gelungen, einen nanozellulären Partikelschaum mit einem neuen Verfahren zu hochisolierenden Formteilen zusammenzuschweißen. „Das ist ein wichtiger Schritt in Richtung Klimaschutz!“, sagt Sophia Pews, die sich in ihrer Masterarbeit mit der Verschweißung des nanozellulären Partikelschaumes befasst hat. Die Absolventin des Wirtschaftsingenieurwesens wurde für ihre Arbeit mit dem Innovationspreis Neue Materialien 2022 ausgezeichnet.

Ein kurzer Blick zurück: Grundlage für die Forschung bildete der nanoporöse PMMA-Polymerschaum namens Sumfoam von Sumteq. Die Materialklasse wurde an der Uni Köln von Dr. Alexander Müller und Dr. Roland Oberhoffer im Jahr 2014 mit der Gründung des jungen Chemieunternehmens ins Leben gerufen. Ziel der beiden war es, einen nachhaltigen Hochleistungsdämmstoff für die Baubranche zu entwickeln. In loser Form von Granulaten, Flakes oder Pulver konnte der Schaum schon flexibel für Dämmlösungen eingesetzt werden. Aber auch der Ruf nach Plattenware aus dem nanoporösen Material wurde vom Markt immer lauter. Aufgrund einer Porengröße, die unter 50 nm liegt und damit 1.000-fach kleiner ist als die der herkömmlichen Polymerschäume, haben etablierte Verfahren zum Herstellen von Formteilen versagt. Es galt, eine Lösung zu erarbeiten, und so wurde das Projekt „Sumfoam“ der Neue Materialien Bayreuth ins Leben gerufen.

Um das zu verstehen, ein Blick auf die Eigenschaften des Schaums. Die Materialklasse besitzt eine homogene Nanostruktur, sodass die Dämmleistung wesentlich höher ist als bei gewöhnlichen Schäumen. Als Partikelschaum besteht der Werkstoff zu mehr als 90 % aus Luft, wodurch er sehr leicht ist und sehr gute Isolationseigenschaften besitzt. Gleichzeitig ist er sehr stabil. Das liegt darin begründet, dass selbst im kleinsten Pulverkörnchen Millionen von Stegen die einzelnen Poren voneinander trennen. Und dies wiederum erklärt, warum dieser Partikelschaum eine solch hohe Dämmleistung aufweist und somit als Hochleistungsdämmstoff bezeichnet werden kann. Zu verdanken ist das Phänomen dem Knudsen-Effekt. Dieser beschreibt Diffusionsprozesse, bei denen Luftmoleküle häufiger mit Zellwänden als untereinander zusammenstoßen. Der Effekt tritt dann auf, wenn die Zellgröße kleiner ist als die mittlere freie Weglänge von Gasmolekülen. Dabei wird den eingeschlossenen Molekülen eine Kollision erschwert, wodurch die Energieübertragung über die Luft gestört wird. Die Wärmeleitfähigkeit wird enorm heruntergesetzt. Die Sumfoam-Platten besitzen einen Lambda-Wert von unter 20 mW/mK und isolieren auf diese Weise doppelt so gut wie herkömmliche Dämmplatten wie zum Beispiel aus EPS.

Der Schaum ist offenzellig, sodass die daraus hergestellten Produkte diffusionsoffen sind. Laut Unternehmensangaben wurde noch nie zuvor ein Partikelschaum mit dieser Eigenschaftskombination zu Formteilen verarbeitet. Der Standardprozess beim Verschweißen konventioneller Partikelschäume läuft so ab, dass die einzelnen Perlen mittels Wasserdampfs zu einer Dämmplatte zusammengefügt werden. Ausschlaggebend bei diesem Prozess ist die Verschlaufung der Polymerketten einzelner Schaumperlen durch das Erhöhen des Partikelinnendrucks. Dieses Verfahren sollte ursprünglich auch für die Flakes und Granulate des Herstellers eingesetzt werden. Allerdings führten erste Experimente mit dem standardisierten Wasserdampfverfahren nicht zum Erfolg, wie Sophia Pews nach mehreren Versuchen feststellen musste: „Unser Alleinstellungsmerkmal der Offenzelligkeit war hier Fluch und Segen zugleich. Verglichen mit geschlossenzelligem EPS haben wir den notwendigen Partikelinnendruck einfach nicht erreicht. Also haben wir weiter geforscht.“ Weitere Versuche führten schließlich zum Erfolg. Mittels Radiofrequenz-Technologie ließ sich der Schaum zu Platten zusammenfügen. Bei diesem Verfahren wird Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung in das Material eingebracht. So bleibt die homogene und nanoporöse Struktur selbst nach der Verarbeitung vollständig erhalten. Hiermit war der Grundstein gelegt und die Technologie zur Formteilerstellung gefunden, sodass das Unternehmen mittlerweile in der Lage ist, selbst Plattenware herzustellen. Die Dämmplatten eröffnen sowohl in der Gebäudedämmung als auch in der technischen Isolation neue Möglichkeiten. Überall dort, wo hohe Stabilität, Druckfestigkeit oder Platz- und Gewichtseinsparung benötigt werden, stellen die Formteile eine sehr gute Lösung dar. „Wir sind sehr stolz darauf, nach drei Jahren Entwicklungsarbeit nun auch unsere eigenen Platten produzieren zu können“, freut sich Pews, die seit ihrem Abschluss an der Uni Duisburg-Essen als Projektmanagerin in der Anwendungstechnik des Unternehmens arbeitet. Und weiter: „Gleich zwei Innovationen kommen hier zusammen: ein skalierbarer, nanoporöser Schaum und dann die Möglichkeit, diesen erstmals zu einer Dämmplatte zu verarbeiten.“

Die Eigenschaften des Werkstoffs bieten ein breites Einsatzspektrum – angefangen beim extrem robusten Estrich über Einschüttdämmung bis hin zum Dämmputz oder beim Einsatz in der Kühlkettenlogistik. Durch seine Eigenschaftskombinationen kommt Sumfoam aber auch noch in anderen Formen zum Tragen – und das im wahrsten Sinne des Wortes. Neben der Isolation dient der Schaum aufgrund seiner Offenporigkeit auch als Trägermaterial für unpolare Flüssigkeiten wie Öle oder Wachse. Der Schaum wird auch als Trägerwerkstoff zum Kunststoffrecycling eingesetzt. In einem Projekt konnten im letzten Jahr beispielsweise PVC-Reste eines Schlauchherstellers vor Ort recycelt werden, indem der Weichmacher fest in den Nanoporen gebunden wurde. Der Schaum kann bis zum Siebenfachen seines Eigengewichts mit Weichmacher beladen und auf diese Weise einfach und flexibel dem Extrusionsprozess hinzugefügt werden. Dadurch ist es möglich, den gewünschten Härtegrad des Schlauches exakt zu definieren, ohne dass ein externes Recycling notwendig ist. In der Funktion als Mikrokapsel kann Sumfoam außerdem gezielt Düfte binden, diese über einen langen Zeitraum wieder freisetzen und anschließend erneut aufgeladen werden.

Die CO2-Bilanz verbessern und den Wert von Kunststoff mit besonderem Blick auf Nachhaltigkeit neu definieren – das hat sich das Unternehmen zum Ziel gesetzt. Und zwar von der Produktion bis zum Recycling. Schon für die Herstellung der Schaumperlen, deren Produktion in diesem Jahr im industriellen Maßstab begonnen wurde, wird ein klimafreundliches Treibmittel verwendet. Und nach Vollendung seiner Lebenszeit kann das Polymer nahezu vollständig wiederverwertet und in den in Kreislauf zurückgeführt werden. Einen Großteil zur Förderung von Sumteq hat unter anderem die Deutsche Bundesstiftung Umwelt beigetragen, die schon früh das Potenzial des ehemaligen Start-ups erkannt hatte.

Quelle: Sumteq