Auswahl von Barrierematerialien

Einleitung

Lebensdauer und Leistung einer Vakuum Isolations Paneele (VIP) hängen davon ab, inwieweit ihre äußere Sperrschicht oder Umhüllung das Eindringen von Gasen in die Paneele während der Dauer ihrer Verwendung verhindern kann. Für eine Verbesserung des Isolationsvermögens sind niedrige Innendrücke notwendig, weil die Wärmeleitung durch Konvektion in der Gasphase stark zurückgeht, wenn sich die mittlere freie Weglänge eines Gasmoleküls – also die mittlere Entfernung, die ein Molekül zurücklegt, bis es mit einem anderen Molekül kollidiert – der Porengröße des Füllmaterials annähert. Deshalb sollen die Poren dieses Materials sehr klein und einheitlich sein, damit das VIP auch bei einem mäßig starken Vakuum eingesetzt werden kann.

Die Wirkung der Porengröße des Kernmaterials auf das zur Aufhebung der Gasphasenwärmeleitung erforderliche Vakuum ist in Abb. 1 für verschiedene Füllstoffe dargestellt. Bei Füllungen wie offenzelligen Schäumen mit Poren in der Größenordnung von 10 – 100 µ ist zur Erzielung eines guten Isoliervermögens ein Vakuum von < 0,1 mbar erforderlich. Demgegenüber bewegt sich die Porengröße von Vacupor® zwischen 10 und 100 nm (1.000 mal kleiner als bei Schäumen). Das bedeutet, dass nur ein mäßig starkes Vakuum benötigt wird. Wegen der kleinen Poren von Vacupor® wird sogar das Isoliervermögen bei Umgebungsdruck erhöht.

Damit besitzt Vacupor® einen signifikant besseren Wirkungsgrad als andere Füllstoffe, auch wenn die Umhüllung ihre Schutzwirkung vollständig verliert. Obwohl die oben genannten Kernmaterialien für Vakuumpaneele mit unterschiedlich starken Vakua eingesetzt werden müssen, brauchen sie alle eine Barriereschicht, um während der erwarteten Lebensdauer das Eindringen von Gasen in das VIP auf ein Mindestmaß einzuschränken. Solche Gase können aus der Atmosphäre stammen wie z. B. Stickstoff, Sauerstoff und Wasserdampf oder für die jeweilige Anwendung spezifisch sein wie z. B. Cyclopentane, Kohlendioxid und/oder FCKW (wenn die Vakuumpaneele mit eingeschäumt werden).

Das Hauptproblem bei der Auswahl eines für eine bestimmte Anwendung geeigneten Barrierematerials ist der Kompromiss zwischen der Durchlässigkeit des betreffenden Materials und seinen Kosten sowie seiner Eigenleitfähigkeit. Der auch als thermischer Kurzschluß bezeichnete „Randeffekt“ kommt dadurch zustande, dass das Isolationsvermögen des hochporösen Füllmaterials wesentlich höher ist als dasjenige des dichteren Barrierematerials. Aus diesem Grunde ist der effektive Wärmedurchgangswert eines VIP’s immer etwas höher als der in der Mitte des Paneels gemessene Wert.

In welcher Größenordnung dieser Unterschied liegt, hängt vom Eigendämmwert des Füllmaterials, von der Dicke und Zusammensetzung der Barrierefolie, den Grenzflächenbedingungen um das VIP und vor allem von der Paneelgröße ab. Im Allgemeinen ist der Randeffekt bei Umhüllungen aus Kunststoff oder metallbeschichteten Kunststoffen zu vernachlässigen. Werden hingegen Metallfolien als Barrierematerial verwendet, ist dieser Effekt durchaus signifikant. Die Wirkungen von Barrierematerialien und der VIP-Geometrie werden in einem eigenen technischen Bulletin (siehe Randeffekte) näher erläutert.

Eigenschaften von Barrierematerialien

In der Regel kommen Kunststoffe, metallbeschichtete Kunststoffe (z. B. mit Metallen wie Aluminium bedampfte Kunststoffe), durch Laminieren hergestellte Verbundstoffe aus Metallfolien und Kunststoffen oder verschweißte Metallfolien als Barrierematerial für Vakuumpaneele in Betracht. In den meisten Fällen handelt es sich um eine durch Laminieren hergestellte, mehrschichtige Struktur, die dem Film eine ganze Reihe von Eigenschaften verleihen soll (Durchlässigkeit gegenüber Wasser und Gas, Heißsiegelfähigkeit, mechanische Eigenschaften usw.).

Kommt bei solchen Barrierematerialien Metallfolie zur Anwendung, so ist Aluminium wegen seiner Dehnbarkeit, Verfügbarkeit und niedrigen Kosten das Metall der Wahl. Allerdings besitzt Aluminium eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und ist daher auch das Material der Wahl für Kühlrippen auf elektronischen Geräten usw. Tatsächlich ist die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ca. 1.000 mal höher als diejenige der üblichen, für Sperrschichten verwendeten Kunststoffe und 20.000 mal bis 100.000 mal so hoch wie die Wärmeleitfähigkeit typischer Füllmaterialien für Vakuumpaneele. Im Hinblick auf die Randeffekte sind Kunststoff- oder metallbeschichtete Kunststofffolien, Metallfolien unbedingt vorzuziehen.

Wasserdampfdurchlässigkeitsrate - WVTR/Sauerstoffdurchlässigkeitsrate OTR

Zur Angabe der Geschwindigkeit, mit der Gase und Dämpfe die Sperrschicht durchdringen, werden von den Herstellern in der Regel zwei Größen herangezogen: Dabei handelt es sich erstens um die Wasserdampfdurchlässigkeitsrate (water vapor transport rate = WVTR), die in g/m2/d (in den USA g/100 Quadratzoll/d) ausgedrückt wird. Aus Oberfläche und Innenvolumen, die beide bekannt sind, kann unter Berücksichtigung einer eventuellen Adsorption von Wasser an das VIP-Kernmaterial der Wasserdampfpartialdruck und die im VIP vorliegende Wassermenge als Funktion der Lebensdauer des VIP für eine Sperrschicht mit gegebener Wasserdampfdurchlässigkeitsrate ermittelt werden.

Wie bei allen Barriereeigenschaften stellen die Angaben der Herstellerfirma zur Wasserdampfdurchlässigkeitsrate den günstigsten Wert dar, der in einer VIP nur annähernd erreicht werden kann. Die zweite, von den Herstellern des Barrierematerials häufig angeführte Eigenschaft ist die in cm3/m2/d/bar (in den USA als cm3/100 Quadratzoll/d/bar) ausgedrückte Durchlässigkeit gegenüber Sauerstoff oder die Sauerstoffdurchlässigkeitsrate (oxygen transport rate = OTR). Obgleich der Sauerstoff nur etwa 21% der Atmosphäre ausmacht, wird die Sauerstoffdurchlässigkeit wegen des Einflusses auf die Zersetzung von Nahrungsmitteln und wegen der hohen Sauerstoffdurchlässigkeit vieler Kunststoffe angegeben.

Bei Vakuumpaneelen ist die Durchlässigkeit gegenüber Stickstoff auch ein erhebliches Problem, weil Stickstoff unter den in der Atmosphäre vorkommenden Gasen den größten Anteil hat. Viele Kunststoffe sind gegen Stickstoff 4 – 5 mal weniger durchlässig als gegen Sauerstoff. Dies wird aber durch den Umstand ausgeglichen, dass die für die Druck- erhöhung verantwortliche Kraft wegen der höheren Konzentration bei Stickstoff viermal höher ist als bei Sauerstoff. Kommen Vakuumpaneele in einem Umfeld aus Gasen und Dämpfen zum Einsatz, die nicht atmosphärischen Ursprungs sind, so ist für die genaue Vorhersage der Lebensdauer des Panels eine Messung der Durchlässigkeit der Barriereschicht gegenüber diesen Gasen erforderlich.

Bei einfachen Einkomponenten-Kunststoffen von Polyethylen über Nylon bis PVDC liegt die Wasserdampfdurchlässigkeitsrate normalerweise im Bereich von 1 bis 300 g/m2 und  der Sauerstoffdurchlässigkeitsgrad zwischen 0,3 und 4.000 cm3/m2 d bar. Ein und derselbe Kunststoff besitzt in der Regel keine hohe Barrierewirkung gegenüber Wasser und Sauerstoff. Aus diesem Grund kommen normalerweise Verbundfolien zur Anwendung. Zu den Sperrschichten für Wasserdampf und Sauerstoff kommen oft noch Schichten für das Verschweißen und als Haftmittel zwischen den Schichten. Je nach Dicke und Zusammensetzung der laminierten Struktur können für die Wasserdampfdurchlässigkeit Werte zwischen 0,01 und 0,2 g/m2 d und für die Sauerstoffdurchlässigkeit Werte von 0,005 bis 0,5 cm3/m2 d bar erreicht werden. Dies kann allerdings mit erheblichen Kosten verbunden sein. Für niedrigere Werte kommen entweder metallbeschichtete Folien mit einer oder mehreren mit Metallen wie Aluminium bedampften Schichten oder Laminate mit dünnen Alufolien in Betracht. Die Vorteile metallbeschichteter Folien sind minimale Randeffekte, günstigere Verarbeitungsbedingungen und geringere Herstellungskosten.

Ihre Durchlässigkeit ist jedoch normalerweise höher als bei Verbundfolien. Metallbeschichtete Folien besitzen eine Wasserdampfdurchlässigkeit zwischen 0,01 und 0,2 g/m2 und eine Sauerstoffdurchlässigkeit von 0,005 bis 0,5 cm3/m2 d bar. Demgegenüber sind Laminate, die Alufolien enthalten, undurchlässiger, aber mit einem erheblichen Randeffekt behaftet und in der Herstellung teurer.


Modell für Gasdurchlässigkeit

Die nachstehend angegebenen Werte beziehen sich auf den Druckanstieg im Verlaufe einer Lebensdauer von 30 Jahren in einem 25 mm (1 Zoll) dicken Vacupor®-VIP, bei dem Barrierematerialien mit unterschiedlicher Sauerstoffdurchlässigkeit Verwendung fanden. Berechnet wurde die Durchlässigkeit gegenüber Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf.

Bei diesen Berechnungen gingen wir davon aus, dass der anfängliche Druck gleich Null ist. In dem Paneel vorliegende Restdrücke sind den berechneten Werten zuzuschlagen. Bei dünneren Paneelen geht der Druckanstieg rascher vonstatten. In einem 12,5 mm dicken Paneel wird der gleiche Druck doppelt so schnell aufgebaut. Eine ordnungsgemäße Verschweißung der Schutzfolie wurde bei diesen Berechnungen unterstellt.

Die durch ansteigenden Druck entstehenden Veränderungen des Isolationsvermögens fallen bei den verschiedenen Füllstoffen unterschiedlich aus (siehe Abb. 1).

Druckveränderungen im Verlaufe der Lebensdauer des Paneels haben also unterschiedliche Auswirkungen. Ausgehend von dem für die Barrierefolie mit K = 0,1 in Abb. 2 dargestellten Zusammenhang zwischen Druck und Lebensdauer, läßt sich die Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Lebensdauer des Paneels berechnen. Diese Zusammenhänge sind in Abb. 3 am Beispiel von Vacupor® und eines offenzelligen Polystyrols veranschaulicht.

Bei keinem dieser Kernmaterialien kamen Trockenmittel oder Getterstoffe zur Anwendung. Im Allgemeinen benötigt man bei Schäumen Barrierematerialien mit einer etwa um das Hundertfache geringeren Durchlässigkeit (gegenüber Sauerstoff und Wasserdampf) als Vacupor®. Dies ist darauf zurückzuführen, dass wegen der größeren Porenweite der Schäume höhere Anforderungen an das Vakuum gestellt werden müssen. Ohne Verwendung von Laminaten auf Folienbasis mit ihrem Randeffekt und ihren hohen Herstellungskosten läßt sich dies aber kaum verwirklichen.

Wasserdampftransport

Der Transport von Wasserdampf durch Barrierematerialien und in die Vakuumpaneelen ist nicht Gegenstand der obigen Ausführungen über Gasdurchlässigkeit, sondern wird in einem eigenen Abschnitt besprochen. Dies hat hauptsächlich die folgenden drei Gründe: Erstens verhält sich Wasser bei Isolationsanwendungen im Bereich der Raumtemperatur oder bei noch tieferen Temperaturen anders als die übrigen atmosphärischen Gase, weil der erreichbare Gesamtdruck über die Lebensdauer eines Paneels durch den Gleichgewichtsdampfdruck limitiert wird. Zweitens bieten Barrierematerialien, die sich gegen Gase wie Sauerstoff und Stickstoff als besonders undurchlässig erweisen, wegen des niedrigen Molekulargewichts und der einzigartigen chemischen Struktur von Wasser nicht unbedingt einen wirksamen Schutz gegen das Eindringen von Wasserdampf (und umgekehrt).

Drittens können manche Kernmaterialien wie hochdisperses Silikapulver und Fällungskieselsäure große Mengen von Wasser adsorbieren. Dadurch wird der durch das Eindringen einer bestimmten Menge Wasserdampf in die VIP hervorgerufene Druckanstieg abgeschwächt.

Diese Wirkung wird in Abb. 4 veranschaulicht, die den Innendruck der VIP nach dem Eindringen verschiedener Mengen von Wasserdampf darstellt. Die Ergebnisse beziehen sich auf die bei Raumtemperatur herrschenden Verhältnisse, unter denen der Wasserdampfdruck nie über ca. 28 mbar ansteigt. Der Druck im offenzelligen Schaum erreicht rasch den Gleichgewichtswasserdampfdruck. Da es bei Drücken über 1 mbar zu einer starken Beeinträchtigung des Isolationsvermögens kommt, stellt die Empfindlichkeit gegenüber Wasser ein erhebliches Problem dar. In solchen Fällen sind natürlich Barriereschichten mit einer sehr geringen Wasserdampfdurchlässigkeit zu verwenden. Darüber hinaus werden Vakuumpaneele auf Schaumbasis oft mit teuren Trocknungsmitteln und Getterstoffen versehen, um den Wasserdampfpartialdruck auf einem niedrigen Niveau zu halten.

Da die Wasserdampfdurchlässigkeit des Barrierematerials von der relativen Feuchte innerhalb und außerhalb des Paneels abhängt, ist sie bei einem niedrigen Wasserdampfdruck in dem 
Paneel höher als bei einem ungefähren Gleichgewicht zwischen Innendruck und Außendruck.

Aus diesem Grund wird die Wasserdampfdurchlässigkeit in Paneelen auf Schaumbasis durch Getter und Trocknungsmittel, die den Wasserdampfpartialdruck in solchen Paneelen niedrig halten müssen, sogar noch erhöht.

Je nach der Art der verwendeten Getterstoffe und Trockungsmittel kann es darüber hinaus zu erheblichen Recycling- und Sicherheitsproblemen kommen. Bei Vakuumpaneelen mit Vacupor® Kernmaterial auf Basis von hochdispersem Silikapulver gibt es, im Gegensatz zu Paneelen auf Schaumbasis, keine solchen Wasserprobleme, weil sie unter höheren Drücken eingesetzt werden können (die in vielen Anwendungen in der Größenordnung des Sättigungsdrucks für Vacupor® liegen) und weil sie in der Lage sind, erhebliche Wassermengen zu adsorbieren.

Im Allgemeinen ist der durch Aufnahme von Feuchtigkeit bedingte Rückgang ihres Isolationsvermögens im Bereich der Umgebungstemperatur ungefähr proportional zum Feuchtigkeitsgehalt (0,1 g Wasser pro g Vacupor® entspricht also einem Verlust an Isoliervermögen um 10%).

Abb. 5 zeigt die Wassermenge, die bei 100% Luftfeuchte voraussichtlich in ein 25 mm dickes VIP eindringt. In einer nur halb so dicken Paneele wird der angegebene Wassergehalt doppelt so schnell aufgebaut. Das bedeutet aber, dass die Wasserdampfdurchlässigkeit einer Schutzfolie für Vakuumpaneele auf Vacupor®-Basis bei einer Lebensdauer von mehreren Jahren nur in der Größenordnung von 0,1 g/m2 d liegen muss und dass für eine weit über 10-jährige Lebensdauer eine Wasserdampfdurchlässigkeit von 0,01 g/m2 d ausreicht. Diese Werte lassen sich mit manchen handelsüblichen, relativ kostengünstigen, metallbeschichteten Barrierefolien ohne weiteres erreichen.