„Was bedeutet Wärmedämmung durch chemisch hergestellte Stoffe?“- Diese Frage werde ich versuchen in dieser Facharbeit so zu beantworten, dass am Ende eine der Frage gerechte Antwort darauf gegeben werden kann. Ich werde den besonderen Fokus auf die zwei Wärmedämmstoffe Polyurethan und Polystyrol in Form von Hartschaumplatten legen, da diese die gängigsten chemisch hergestellten Wärmedämmstoffe sind. Dabei werde ich sowohl auf deren Eigenschaften, Anwendung, chemischen Aufbau und Synthese eingehen. Auch die Relevanz der Wärmedämmstoffe aus der Chemie, also die Möglichkeiten der Einsparung von Energie und somit Geld durch den Einsatz der chemischen Dämmstoffe werde ich behandeln. Am Ende dieser Facharbeit sollte die Frage: „Was bedeutet Wärmedämmung durch chemisch hergestellte Stoffe?“ Im Hinblick auf eben diese Aspekte beantwortet sein.
Inhalt
1 MOTIVATION UND IDEE
2 VORWORT
3 BEGINN DER WÄRMEDÄMMUNG
4 POLYURETHAN
4.1 POLYURETHAN (PUR) IN DER WÄRMEDÄMMUNG
4.2 CHEMISCHE SYNTHESE VON POLYURETHAN
4.2.1 AUFBAU EINES POLYURETHAN
4.2.2 BENÖTIGTE EDUKTE UND DEREN SYNTHESE
4.2.3 REAKTIONSMECHANISMUS DER SYNTHESE VON POLYURETHAN
4.2.4 AUFSCHÄUMEN
5 POLYSTYROL
5.1 POLYSTYROL IN DER WÄRMEDÄMMUNG
5.2 CHEMISCHE SYNTHESE VON POLYSTYROL
5.2.1 AUFBAU EINES POLYSTYROL
5.2.2 BENÖTIGTE EDUKTE UND DEREN SYNTHESE
5.2.3 REAKTIONSMECHANISMUS
5.2.4 DAS AUFSCHÄUMEN
6 FAZIT UND BLICK IN DIE ZUKUNFT
7 LITERATURVERZEICHNIS:
7.1 BÜCHER:
7.2 INTERNETQUELLEN
7.3 ABBILDUNGSVERZEICHNIS
1 Motivation und Idee
Diese Facharbeit wird sich vor allem mit dem Thema Wärmedämmung durch chemisch hergestellte Stoffe befassen. Auf das Thema Wärmedämmung bin ich gekommen, weil ein Bekannter von mir vor gut 2 Monaten, im Januar 2011, seinen Hausbau abgeschlossen hat und ich ihm dabei das ein oder andere Mal an die Hand gegangen bin. Wir kamen während der Arbeiten auch auf das Thema Dämmung zu sprechen, da ich mich wunderte, ob und wie diese dünnen Kunststoffplatten alleine das ganze Haus entsprechend isolieren können. Als dann mein Chemielehrer auch noch das Thema Wärmedämmung durch chemisch hergestellte Stoffe vorschlug, war die Idee zu dieser Facharbeit geboren.
2 Vorwort
„ Was bedeutet W ä rmed ä mmung durch chemisch hergestellte Stoffe? “ - Diese Frage werde ich versuchen in dieser Facharbeit so zu beantworten, dass am Ende eine der Frage gerechte Antwort darauf gegeben werden kann. Ich werde den besonderen Fokus auf die zwei Wärmedämmstoffe Polyurethan und Polystyrol in Form von Hartschaumplatten legen, da diese die gängigsten chemisch hergestellten Wärmedämmstoffe sind. Dabei werde ich sowohl auf deren Eigenschaften, Anwendung, chemischen Aufbau und Synthese eingehen. Auch die Relevanz der Wärmedämmstoffe aus der Chemie, also die Möglichkeiten der Einsparung von Energie und somit Geld durch den Einsatz der chemischen Dämmstoffe werde ich behandeln. Am Ende dieser Facharbeit sollte die Frage: „ Was bedeutet W ä rmed ä mmung durch chemisch hergestellte Stoffe? “ Im Hinblick auf eben diese Aspekte beantwortet sein.
3 Beginn der Wärmedämmung
Die Idee durch Wärmedämmung Energie und Kosten sparen zu können entstand erst im Laufe des letzten Jahrhunderts. Bis zum Anfang des 20.Jahrhunderts hat Wärmedämmung beim Häuserbau nur eine sehr geringe Rolle eingenommen. Das Prinzip der Wärmedämmung an sich wird vom Mensch schon seit etlichen Jahrhunderten verwendet. Bereits urzeitliche Menschen haben durch Strohbedeckungen versucht ihre Hütten vor der Kälte draußen zu schützen. Das Prinzip ist heute wie damals dasselbe: Durch bestimmte Materialien oder Bauweisen wird versucht, die hohe Dämmfähigkeit ruhender Luft oder Gase zum Wärme- bzw.
Kälteschutz zu nutzen. Wärmedämmung, so wie wir sie heute kennen, entstand erst Anfang des 20.Jahrhunderts mit dem Bau von maschinellen Anlagen und neuen Maschinen. Als erster innovativer Dämmstoff wurde bereits 1880 von der Firma Grünzweig und Hartmann eine Dämmplatte aus Kork hergestellt und patentiert. 1907 kamen dann Isoliermaterialien aus expandiertem Kork hinzu. Diese sind heutzutage, vor allem aufgrund der Entwicklung von Wärmedämmstoffen in der Chemie, nur noch wenig effektiv, lieferten damals aber eine durchaus akzeptable Dämmleistung. Auch die Erfindung des Polystyrol, eher unter dem Namen „Styropor“ bekannt, 1949 durch den Chemiker Fritz Stastny sollte die Wärmedämmung nachhaltig verändern. Die 1952 eingeführte „DIN 4108 Wärmeschutz im Hochbau“, stellt unter anderem „Mindestanforderungen an den Wärmeschutz“ (DIN 4108-2) und „Anwendungsbezogene Anforderungen an Wärmedämmstoffe - Werkmäßig hergestellte Wärmedämmstoffe“ (DIN 4108-10)1. Dadurch wurden erste Standards für wärmeisolierende Materialien festgelegt. Nach der Öl- und Energiekrise der 70er Jahre wurde die „1. Wärmeschutzverordnung 1977“ erlassen und veröffentlicht. Diese Verordnung begrenzte unter anderem die Wärmedurchlässigkeit von wärmeisolierenden Materialien2. Es folgten die 2. Wärmeschutzverordnung 1982 sowie die 3. Wärmeschutzverordnung 1995, die diese Begrenzungen ausweiteten und verschärften.
4 POLYURETHAN
4.1 Polyurethan (PUR) in der Wärmedämmung
Polyurethan, im Folgenden PUR oder PUR-Schaum, ist ein Polymerwerkstoff. Das heißt, er besteht aus verketteten Monomeren, die durch Polymerisation zu einer langen Monomer-Kette, dem Polymer, zusammengefügt worden sind(siehe Synthese von PUR).
Polyurethan wird oftmals als der Polymerwerkstoff mit den meisten Einsatzmöglichkeiten bezeichnet und kann - in Abhängigkeit von den benutzen Edukten - sowohl flexibel und weich, als auch hart und starr sein, was zu eben diesen vielfältigen Möglichkeiten der Nutzung führt. Auch die möglichen Dichten von 1000 bis 15 kg/m³ durch die Nutzung von Treibmitteln bei der Synthese von PUR unterstützen diesen Effekt. Polyurethan ist ein sehr gutes Beispiel für die Flexibilität von Kunststoffen. Durch Veränderung der Edukte können die gewünschten Produkte genau den Anforderungen angepasst werden, für die sie geschaffen werden. Der PUR-Weichschaum wird vor allem als Polsterung in der Möbel-, Auto- und Textilindustrie verwendet. Da sich diese Facharbeit mit dem Thema Wärmedämmung befasst, werde Ich im Folgenden auf PUR als Hartschaum und Wärmeisolator eingehen.
Als Isolationsmaterialien im Bauwesen findet PUR vor allem als Hartschaum Verwendung. Dieser Hartschaum besitzt eine geringe Dichte und hohe Wärmedämmwerte. In der unten stehenden Tabelle3 kann man die Eigenschaften von PUR-Hartschaum gegenüber anderen Isolationsmaterialien betrachten:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Tabelle zeigt den großen4 Vorteil von PUR-Schaum: Um den λ-Wert - also den
Wert, der die Wärmeleitfähigkeit von Materialien angibt - einer 20mm dicken PURHartschaumplatte zu erreichen benötigt man knapp die Doppelte Dicke an Polystyrol-Schaum und Steinwolle. Verwendet man Kork bzw. Tannenholz so benötigt man sogar das 3-fache bzw. 7-fache der Dicke einer PUR-Schaum Hartplatte. Hierbei stechen sowohl der PUR- als auch der Polystyrol-Schaum mit ihren geringen Dichten von 32 bzw. 16 kg/m³ hervor. Im Gegensatz dazu sind Steinwolle, Kork und Tannenholz mit ihren Dichten kein Vergleich, da diese ungleich schwerer sind bei höherer Wärmeleitfähigkeit.
Zu beachten ist jedoch, dass der hier angegebene Wert von 0,017, der in der Literatur meistens als 0,20 zu finden ist, nur unter dem Einsatz von Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) als Treibmittel bei der Synthese erreicht werden kann. Diese wurden jedoch in der Industrie, aufgrund ihrer Ozonschichtabbauenden Wirkung, Anfang der 1990er Jahre durch einen von der EU eingeleiteten Erlass schrittweise verboten. In Deutschland trat dieser Erlass am 1.1.1991 in Kraft und wurde bis Ende 1994 umgesetzt. Heutzutage wird als Treibmittel bei der Synthese Pentan benutzt.
Aber wie schafft es das Polyurethan als Hartschaum die oben genannten Isoliereffekte zu erreichen und das bei einer vergleichbar sehr geringen Dichte? Wie ich später beim Aufbau und der Synthese eines Polyurethans noch ausführlich beschreiben werde, wird bei der Synthese des Polyurethan Hartschaums ein Treibmittel (Pentan) benutzt. Dieses Treibmittel bleibt in den Schaumzellen erhalten und verstärkt so die Isolierung. Der Dämmeffekt einer PUR-Hartschaumplatte resultiert aus dem ruhenden Gas, dass in den Schaumzellen des Polyurethans eingeschlossen wird. Durch die Geschlossenheit der Schaumzelle kann das Pentan im Inneren der Zelle nur bedingt seine Temperatur ändern und diese auch nicht weitergeben. So wird der Wärmeaustausch zwischen dem Inneren eines Hauses und der Luft draußen weitgehend verhindert.
Wie oben bereits erwähnt ist PUR ein Polymer, also ein aus vielen Monomeren bestehendes Molekül, das durch eine Polyaddition synthetisiert wird(siehe: „Synthese des wärmeisolierenden Polyurethan“). Als Edukte dienen ein Isocyanat sowie ein Polyol. Die Wahl des jeweiligen Isocyanats bzw. Polyols ist entscheidend für die Eigenschaften des Polyurethan. Hierbei wird, aufgrund der einfacher anpassbaren Eigenschaften, das Polyol chemisch so angepasst, dass bei der Synthese die gewünschten Polyurethan Eigenschaften erreicht werden. Als Isocyanat wird für den Hartschaum das Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) verwendet.
Das Polyol für die Herstellung von PUR-Hartschaum ist ein Polyetherpolyol. Polyole werden durch ihre Anzahl an Hydroxylgruppen (kurz: OH-Zahl oder OH-Z) charakterisiert. Die Eigenschaften des Polyols sind ausschlaggebend für die Eigenschaften des PUR-Produktes: Verwendet man das falsche Polyol so entsteht statt dem gewünschten Hartschaum zum Beispiel ein Weichschaum, der nicht zur Wärmedämmung geeignet ist. Ausgangsstoffe für einen PUR-Hartschaum sind Polyole mit OH-Zahlen zwischen 210 und 4505. Durch diese hohe Anzahl an OH- Gruppen ist eine gute Quervernetzung bei der Polyaddition möglich, wodurch sich eine räumliche, feste Gitterstruktur ergibt. Verwendet man Polyole mit niedrigeren OH-Zahlen so bilden diese den in diesem Fall nicht erwünschten Weichblockschaum.
Vorteile des Polyurethans sind neben der oben bereits beschriebenen sehr hohen Dämmfähigkeit auch die Resistenz gegen Fäulnis und Schimmel, die lange Lebensdauer sowie die Druckfestigkeit des Materials und die Beständigkeit gegen Lösungsmittel. Da Polyurethan jedoch erst seit kurzem im Bereich der Gebäudedämmung angewendet wird können über die Lebensdauer bisher nur verlässliche Aussagen aus den Erkenntnissen der letzten Jahre getroffen werden, wonach die Lebensdauer der Hartschaumplatten bis zu 30 Jahre beträgt. Es ist aber anzunehmen, dass die Hartschaumplatten weitaus länger benutzbar sind und sich somit eine Anwendungsdauer von bis zu 70 Jahren ergeben kann. Der Einsatz von PUR-Hartschaum in der Wärmedämmung hat jedoch auch Nachteile, die vor allem aus ökologischer Sicht nicht außer Acht zu lassen sind. So sind zum Beispiel der Energieaufwand und die Emissionen, die pro kg PUR benötigt werden recht hoch:
Der Kumulierte Energieaufwand (KEA), also die Energie, die für die Herstellung, Nutzung und Entsorgung eines Materials benötigt wird, beträgt bei Polyurethan- Hartschaum 94 MJ/kg. Bei der Produktion werden ausserdem 2,5g Kohlenwasserstoffe und 4854g CO2 pro Kilogramm freigesetzt und in die Luft abgegeben6. Zum Vergleich: Bei Polystyrol (EPS) beträgt der KEA nur 71 MJ/kg, bei Luftemissionen von 12g Kohlenwasserstoffe und 3836g CO2 pro Kilogramm7.
Gerade die CO2 Emissionen bei der Herstellung von Polyurethan sind also bedenklich. Für jedes Kilogramm Polyurethan das man herstellt werden knapp 5 Kilogramm CO2 in die Luft abgegeben.
Neben dem hohen Energieaufwand und den hohen Luftemissionen ist auch das Verhalten der Platten bei einem Brand zu beachten: Obwohl es als „schwerentflammbar“ eingestuft wird und es bei einem Brand nicht schmilzt und so einen Ausbau des Brandes nicht fördert, wird bei einem Brand starker Rauch entwickelt, der stark gesundheitsschädlich sein kann.
Aber wie effektiv ist Wärmedämmung durch Polyurethan? Lässt sich durch den Einsatz von Polyurethan-Hartschaum wirklich Energie und somit auch bares Geld sparen?
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb.218
Wie in der Abbildung zu sehen ist gerade auf lange Sicht gesehen die Einsparung enorm: Bereits nach 10 Jahren spart man mehr als die Hälfte des Energieverbrauchs durch Dämmung mit PUR-Hartschaum ein und nach 50 Jahren beträgt die Einsparung ca. 78%. Zu beachten ist hierbei, dass es sich bei den Werten um Daten handelt, die bei der Dämmung von Dächern erzielt werden. Die Einsparung beträgt also nach 50 Jahren knapp 7000kWh pro gedämmtem m² Dach. Aber auch kurzfristig lassen sich bereits deutliche Einsparungen erkennen: Laut dem „Industrieverband Polyurethan-Hartschaum e.V.“ (IVPU) werden in einem Jahr durch ungenügende Dämmung 179 kWh/m² verbraucht. Dämmt man jedoch mit Polyurethan-Hartschaum so kommt man nur auf 119kWh/m² wobei der Energieaufwand, der zur Produktion eines m² Polyurethan-Hartschaum nötig ist mit 80kWh/m² bereits in diesen Wert mit eingeflossen sind. Heißt also, dass man bereits nach einem Jahr Dämmung mit Polyurethan-Hartschaum inklusive der für die Produktion nötigen Energie weniger Energie verbraucht, als durch eine ungenügende Dämmung.
[...]
1 Vgl.: http://www.baunetzwissen.de/standardartikel/Daemmstoffe_DIN-4108-Waermeschutz-im- Hochbau_152334.html
2 Siehe Anhang: 1. Wärmeschutzverordnung
3 Quelle: PUR-Technik - heute und morgen: Grundlagen und Anwendungen, Hrsg.: VDI, 1993, S.8
4 Der λ-Wert ergibt sich aus der Wärmeleitfähigkeit des Materials, der Fläche und der Dicke nach der Formel: λ=W/(m*K). Je niedriger der λ-Wert desto besser dämmt das Material.
5 Vgl: Bayer MaterialScience: http://www.pur.bayer.com/bms/pur- internet.nsf/id/03_RAW_DE_Polyole
6 Vgl: http://www.wecobis.de/jahia/Jahia/Home/Grundstoffe/Kunststoffe_GS/Polyurethan_GS
7 Vgl.: http://www.wecobis.de/jahia/Jahia/Home/Grundstoffe/Kunststoffe_GS/Polystyrol_GS
8 Vgl.: Abbildungsverzeichnis
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