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Programmierbare Dämmstoffe

Gemeinsam entwickeln und testen einige Fraunhofer-Insitute neuartige Dämmstoffe aus Formgedächtnispolymeren. Diese High-Tech-Schäume sollen sich auf ein Signal hin – beispielsweise Temperaturänderungen – energetisch vorteilhaft an die veränderten Bedingungen anpassen.

Programmierbare_Dämmstoffe
Die synthetisierten Formgedächtnispolymere werden auf speziellen Reaktivschäumanlagen verarbeitet. (Abb.: Fraunhofer IAP)

Beteiligt sind die Fraunhofer-Institute für Angewandte Polymerforschung IAP, für Chemische Technologie ICT und für Bauphysik IBP. Das eigentliche Ziel des Projekts im Rahmen des Fraunhofer Clusters of Excellence Programmable Materials ist eine zusätzliche Verbesserung der Energiebilanz durch die neuartigen, programmierbaren Dämmstoffe.
Programmierbare Materialien sind form- und funktionsdynamische Materialien, Materialverbünde oder Oberflächen, deren innere Struktur so beschaffen ist, dass sich die Materialeigenschaften und das Verhalten reversibel verändern können – und zwar einem Programm folgend. Dies wird erreicht, indem die Antwort eines Materials auf ein Signal wie beispielsweise eine Temperaturänderung fest in die Materialstruktur einprogrammiert ist. Das Antwortverhalten des Materials kann dann von außen getriggert werden, so dass sich programmierbare Materialien automatisch in vorbestimmter Weise an sich verändernde Bedingungen anpassen.

Auch Schaumstoffe aus Formgedächtnispolymer, zum Beispiel Polyester-Urethan-Harnstoff, können diese Eigenschaft aufweisen. An die Schaumstoffe angrenzende oder darin befindliche Strömungskanäle können in ihrer Dimension aufgrund der Schaltfähigkeit verändert werden. Entsprechend gut oder schlecht strömt warme oder kalte Luft durch den Schaum oder die Strömungskanäle hindurch.

Schäume aus Formgedächtnispolymer ändern die Form je nach Temperatur
Forscherinnen und Forscher der drei Fraunhofer-Institute IAP, ICT und IBP entwickeln auf Basis solcher Formgedächtnispolymer-Schäume Dämmstoffe mit programmierbarem Materialverhalten. „Wir entwickeln autarke Dämmstoffsysteme mit einer schaltbaren Luftdurchlässigkeit“, erklärt Dr. Thorsten Pretsch, der die Arbeitsgruppe Formgedächtnispolymere am Fraunhofer IAP leitet. „Je nach Temperatur verändert das Dämmmaterial dabei die Form, zum Beispiel den Durchmesser der Strömungskanäle und damit auch den Wärmedurchgang. Bei niedrigen Temperaturen sind die Strömungskanäle beispielsweise geschlossen und weisen einen Isolationseffekt auf. Beim Erwärmen öffnen sich die Kanäle und werden besser mit Luft durchströmt. Das ist vor allem für Anwendungen interessant, bei denen Außentemperaturen stark wechseln. In unserem Projekt haben wir Demonstratoren für Aktorelemente zur Hinterlüftung der Außenfassade eines Einfamilienhauses entwickelt. Dabei handelt es sich um einen thermisch schaltbaren Spalt zwischen der Außenschicht und der tragenden Konstruktion des Gebäudes.“ Bei welcher Temperatur die reversible Formänderung ausgelöst wird und in welche Richtung sie geschieht, kann durch die Systemauslegung und durch eine thermomechanische Behandlung im Vorfeld bestimmt werden.

Am Fraunhofer IAP werden die programmierbaren Hightech-Schäume synthetisiert und die Technologien für die Programmierung der Eigenschaftsprofile entwickelt. Bereits in der Synthese werden die Temperaturen festgelegt, bei denen später die Formänderungen erfolgen. Für die optimale Formulierung der Schäume werden einerseits die Monomere ausgewählt und die Reaktionsbedingungen angepasst und andererseits geeignete Additive oder Füllstoffe hinzugegeben, etwa um die Schaumstruktur zu beeinflussen. Auch der Einsatz biobasierter Rohstoffe wird betrachtet. Um auch große Mengen an Dämmmaterial für industrielle Anwendungen herstellen zu können, werden am Fraunhofer ICT Verfahren für die Skalierung der Polymersynthese gezielt weiterentwickelt. Zudem werden die Proben einer zerstörungsfreien Prüfung mittels Mikro-Computertomographie unterzogen. Am Fraunhofer IBP wird der Wärmedurchgang praxisnah bewertet. Die mechanischen Eigenschaften werden charakterisiert und Simulationen für konkrete Anwendungen durchgeführt. „Unsere Simulationen einer hinterlüfteten Fassade eines Mehrfamilienhauses in Madrid zeigen, dass mit den schaltbaren Dämmstoffen in den Sommermonaten die operative Raumtemperatur um 2,5 °C reduziert beziehungsweise bis zu 46 Prozent an Energie für die Kühlung eingespart werden könnte“, erklärt Prof. Dr. Martin Krus vom Fraunhofer IBP. Weitere Informationen finden Sie auf der Website des Fraunhofer IAP.