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Herstellung von Wärmedämmstoffen aus Polyvinylalkohol-Kompositen mittels Freeze-Casting

Voges, Kevin ORCID

Die Wärmedämmung von Gebäuden ist wichtig, um Wärmeverluste durch die Gebäudehülle zu verringern. Die dafür eingesetzten Dämmstoffe sind hochporös und die Isolationswirkung basiert auf der Ausnutzung der geringen Wärmeleitfähigkeit ruhender Luft oder anderer Gase in den Poren. Diese hohe Porosität sorgt aber auch für eine geringe Festigkeit solcher Materialien. Eine Möglichkeit der Festigkeitserhöhung besteht darin, die Form und Ausrichtung der Poren zu beeinflussen. In dieser Arbeit wird die Freeze-Casting-Methode zur Herstellung von porösen, anisotropen Polymerkompositen genutzt, um das Potential solcher Werkstoffe für die Nutzung als Wärmedämmstoff zu untersuchen. Bei diesem Verfahren werden Polymerlösungen oder Partikeldispersionen unter hohen Temperaturgradienten ausgehend von einer gekühlten Oberfläche gefroren. Durch das gerichtete Gefrieren und anschließende Sublimieren des Lösemittels (meist Wasser) wird ein Werkstoff mit anisotroper Porenstruktur erzeugt, dessen Eigenschaften sich parallel und senkrecht zum Temperaturgradienten signifikant unterscheiden. Für diese Arbeit wurde der wasserlösliche Polyvinylalkohol (PVA) als Polymermatrix in verschiedenen Konzentrationen in Wasser gelöst und mit unterschiedlichen Zuschlägen zu Dispersionen gemischt. Als Zuschläge kamen sowohl oxidische Partikel (SiO2-Nanopartikel und nanoskopische Tonminerale) als auch Cellulosefasern zum Einsatz. Das Lösemittel der so hergestellten Dispersionen wurde auf stickstoffgekühlten Substraten zur Kristallisation gebracht, wodurch sich Polymer und Zuschläge in den Zwischenräumen der Kristalle ablagerten und nach dem Entfernen des Eises im Vakuum einen anisotropen, porösen Werkstoff bildeten. Diese Werkstoffe wurden auf ihre Porenstruktur sowie thermische Leitfähigkeit und Druckfestigkeit hin untersucht, wobei beide Eigenschaften sowohl parallel (axial) als auch senkrecht (transversal) zur Gefrierrichtung gemessen wurden. Es hat sich gezeigt, dass die Poren ein gerichtetes Gefüge aufweisen mit Kanälen bzw. Lamellen, die in Richtung des Temperaturgradienten verlaufen. Sie besitzen eine eng begrenzte Größenverteilung mit Durchmessern von ca. 15 - 40 µm. Die Wärmeleitfähigkeit liegt mit 0,030 - 0,085 W m-1 K-1 im Bereich gängiger Dämmstoffe, wobei die Werte axial um ca. 10 - 30% höher sind als transversal. Deutlich stärker ausgeprägt ist die Anisotropie der Druckfestigkeit, die je nach Zusammensetzung in axialer Richtung um mehr als das 10-fache größer sein kann. Sie liegt mit Werten von bis zu 1,9 N/mm2 höher als bei den meisten handelsüblichen Dämmstoffen. Es konnte auch gezeigt werden, dass sich die Anfälligkeit dieser Werkstoffe gegenüber Feuchtigkeit negativ auf die Festigkeit auswirkt, was sich durch chemische Quervernetzung des Polymers nur geringfügig verbessern ließ. Dies stellt daher den größten Nachteil dieses Materials für den Einsatz als Dämmstoff dar.

Thermal insulation of buildings is important to reduce the loss of heat through the building envelope. Highly porous materials are widely used. They have good insulation properties due to the low thermal conductivity of stagnant air or other gases in the pores. High porosity however, results in reduced strength of such materials. A possibility to increase the strength of pore based materials is by controlling and manipulating the pore morphology and orientation. In this work, the freeze-casting technique is utilized to produce anisotropic porous polymer composites. The potential of these materials as thermal insulators is investigated. Freeze-casting is a method where polymer solutions or particle dispersions are cast on a cold substrate well below the melting point of the solvent. The solvent (often water) crystallizes along the temperature gradient forcing the polymer or particles to accumulate between the ice crystals. Subsequent sublimation of the solvent yields an anisotropic, porous material with different properties parallel and perpendicular to the freezing direction. In this work, water-soluble polyvinyl alcohol (PVA) is used as polymer matrix dissolved in water at different concentrations. Oxide particles (SiO2 nanoparticles or nanoscopic clay minerals) or cellulose fibers were dispersed in these solutions and the dispersions were cast on a metallic substrate that was cooled by liquid nitrogen. After complete solidification, the ice was sublimed in vacuum. The obtained materials were examined regarding their pore structure, thermal conductivity and compressive strength, both parallel (axial) and perpendicular (transverse) to the freezing direction. The freeze-cast materials show directional pore morphologies with channels and lamellae running parallel to the temperature gradient. They exhibit a narrow pore size distribution with diameters between 15 and 40 µm. Thermal conductivities of 0,030 - 0,085 W m-1 K-1 are in the range of conventional building insulation materials and show differences of 10 - 30% between the axial and transverse directions. The anisotropy is even more prominent for the compressive strength. Depending on the composition, it can be more than 10 times higher in axial direction with values up to 1.9 N/mm2 which is above most of the common insulants. But it turned out that the freeze-cast materials are susceptible to moisture and the strength is significantly reduced. Chemical cross-linking of the polymer only led to slight improvements of moisture resistance. Therefore, the moisture susceptibility of these materials is the biggest drawback for the application as building insulation material.

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Voges, Kevin: Herstellung von Wärmedämmstoffen aus Polyvinylalkohol-Kompositen mittels Freeze-Casting. 2019.

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