Auf Schaum gebaut: Energiesparen mit Kunstschäumen – chemische Stabilisatoren machen es möglich
- Dass sich Polyurethan zu einem stabilen, feinporigen Schaum aufbläht, ist auch ein Verdienst chemischer Stabilisatoren. (Quelle: Evonik)
Träume sind Schäume heißt es – für Energiesparträume trifft das auf ganz besondere Weise zu: Spezialschäume aus Polyurethan helfen, den Energieverbrauch von Häusern und Kühlschränken erheblich zu senken. Dabei kommt es entscheidend auf die Zutaten an: Erst chemische Stabilisatoren machen stabile Kunstschäume möglich.
Es brodelt im Pappbecher – eine braunrote Schaumkrone, die sich langsam über den Rand des Gefäßes schiebt. Bei einem Bier wären spätestens jetzt nasse Finger zu befürchten – doch die Stabilität dieser Blume dürfte Pilsfreunden Tränen in die Augen treiben. Erst mehrere Zentimeter über dem Rand erstarrt der Schaumpilz. „Der härtet schon langsam aus,“ sagt Torsten Metz, Chef des Kontrolllabors der Firma Evonik. Denn was hier im Becher schäumt, ist kein Bier sondern Plastik: Polyurethanschaum, ein Liebling der Dämmstoffindustrie. In Platten gegossen findet er im Hausbau Verwendung oder bei der Isolierung von Kühlschränken. Und obwohl im Inneren des Schaumbergs nach der Reaktion Temperaturen von über hundert Grad herrschen, kann Metz den Becher problemlos in die Hand nehmen – auch dass ein Verdienst der guten Dämmleistung.
Wärmedämmung ist ein heißes Thema – nicht nur für Neubauten, sondern auch bei bestehender Bausubstanz kann eine durchdachte Isolierung helfen, Heizkosten zu sparen. Zusätzlich setzen Vorschriften und Gesetze Hausherren unter Druck. Experten erwarten, dass sich die Situation mit der Novellierung der Energieeinsparverordnung im kommenden Jahr noch einmal verschärfen wird. Platten aus PU-(Polyurethan)-Schaum können dabei den Wärmeverlust durch Dach und Wände erheblich reduzieren. Immerhin übertrifft ihre Dämmleistung die von Steinwolle oder Styropor, den in Deutschland üblichem Dämmstoffen, deutlich: Im Schnitt 0,025 Watt pro Meter und Kelvin beträgt die Wärmeleitfähigkeit von PU-Dämmplatten (Steinwolle etwa 0,040 W/mK, gepresstes Polystyrol (Styropor) etwa 0,033 W/mK).
Im Rohzustand ist Polyurethan ein fester, starrer Kunststoff, der sich für eine Vielzahl an Anwendungen eignet: Gummistiefel, Kunstfasern, aber auch die Rollen von Inline-Skates werden daraus hergestellt. Von alleine schäumt da jedoch nichts: Dass sich kleine Mengen Chemikalien zu großen Schaumbergen aufblähen ist der Verdienst zweier Zusatzstoffe: eines Schaumbildners, ein flüchtiges Gas, dass den aushärtenden Kunststoff wie Backpulver aufbläht, und des Stabilisators. Diese spezielle Chemikalie hält die Blasen so lange aufrecht, dass ein stabiler Schaum entstehen kann.
| Siloxane: Flexible Spezialisten
Grundsätzlich sind Siloxane gleich aufgebaut: Entsprechend der Summenformel R3Si−[O−SiR2]n−O−SiR3 sind die Siliziumatome durch ein Sauerstoffatom mit dem benacbarten Siliziumatom verknüpft. Dieser Aufbau lässt einen gewissen Spielraum für Variationen, wodurch eine optimale Anpassung an den jeweiligen Einsatzzweck möglich ist. Dabei spielt besonders das Molekulargewicht eine wichtige Rolle: Stabilisatoren mit einem hohen Molekulargewicht sind verhältnismäßig träge und wenig mobil –das macht sie besonders geignet für langsam reagierende und physikalisch stabile Schaumbildner. Kleinere, leichte Siloxanmoleküle eignen sich als Stabilisatoren für katalysierte, schnelle Reaktionen, die erst durch die entsteheden Reaktionprodukte stabil werden. Auch das Summenverhältnis von Ethylen und Propylenoxid im Polyether sowie die verwendete Endgruppe beeinflussen die Oberflächenaktivität und Lösbarkeit der Siloxane. |
Der Stabilisator ist das Fachgebiet von Dr. Carsten Schiller, Technical Manager der Essener Spezialchemiefirma Evonik. Deren Geschäftsgebiet Comfort and Isolations beschäftigt sich praktisch ausschließlich mit Schaumstabilisatoren für PU-Schäume. Abnehmer sind die Dämmmittelhersteller, aber auch große Namen der Kunststoffchemie. „Ohne den Stabilisator würde der Schaum in sich zusammenfallen. Die Blasen wären auch größer und ungleichmäßiger,“ berichtet Schiller. Dabei sind es genau diese Blasen, die für die Dämmeigenschaften des Schaums verantwortlich sind.
Luftundurchlässig und steif geben sie dem fertigen Schaum seine Festigkeit: im Gegensatz zu anderen Schaumstoffen ist Polyurethanschaum hart und brüchig. Außerdem streuen die nur millimetergroßen Poren die Wärmestrahlung sehr gut. Bauschaum, Dämmplatten oder Kühlschrankisolierungen – Erst die Entdeckung der Stabilisatoren in den 60er Jahren machte stabile Schäume aus Polyurethan möglich.
Eine im Labor zum Vergleich angesetzte Probe ohne Stabilisator schäumt deutlich weniger und ungleichmäßiger. „Als Dämmstoff können sie den nicht verwenden,“
sagt Metz lachend. „Ohne geht es eben nicht.“ Äußerlich kommt der Wunderstoff eher unscheinbar daher: Der Stabilisator ist eine farblose Flüssigkeit, klar wie Wasser. Polydimethylsiloxab-Polyether-Copolymere, organisch modifizierte Silikontenside. Ähnlich wie Seife setzen sie die Oberflächenspannung der flüssigen Ausgangstoffe herab. Dadurch erfüllen sie gleich eine Reihe von Aufgaben: Die verringerte Grenzflächenspannung erleichtert das Mischen der Rohmaterialien Isocyanate und Polyole. Die feine und gleichmäßige Dispersion der Ausgangsstoffe ermöglicht eine homogene und einheitliche Reaktion. Darüber hinaus ist der Stabilisator entscheidend an der Schaumbildung beteiligt: Wie schäumendes Spülmittel trägt er zu einem stabilen, homogenen Schaum bei. Dass dieser nicht wie Seifenblasen zerplatzt, liegt an der außergewöhnlichen Oberflächenaktivität der verwendeten Silikonöle – diese begünstigen stabile Bindungen.
Ganz ähnlich wie bei Seife und Wasser reichen auch hier schon kleinste Mengen für eine stabile Blasenbildung aus: auf etwa 0,7% bis 0,8% Anteil am fertigen Produkt schätzt Metzt die benötigte Menge Stabilisator. Kleine Ursache, große Wirkung.
Trotz des geringen Anteils am fertigen Produkt wird Evonik auch in Zukunft mit PU-Schaum gut zu tun haben: das wachsende Umweltbewusstsein und ständig steigende Energiepreise lassen den Bedarf an Dämmstoffen kräftig wachsen. Torsten Metz und seinen „Schaumschlägern“ wird die Arbeit so schnell nicht ausgehen. Dass noch 1941 Chemiker der Reichsprüfstelle das erst kurz zuvor entdeckte Polyurethan abschätzig mit „allenfalls brauchbar zur Herstellung von Emmentaler-Käse-Imitationen“ beurteilten, ist längst Schnee von gestern: Rund Neun Millionen Tonnen PU-Schäume werden weltweit mittlerweile jedes Jahr verbraucht.
Tags:chemische Stabilisatoren, Energieeffizienz, Kunstschaum, Polyurethan, Wärmedämmung