Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Dämmstoffen

Ein herausragendes Ziel der heutigen Zeit ist der Umweltschutz, insbesondere der schonende Umgang mit den begrenzten Energievorkommen der Erde. Das erfordert anspruchsvolle und effiziente Dämmmaßnahmen in Gebäuden, in denen die meiste Heizenergie eingesetzt wird.

THB-Messeinrichtung mit leerer Messzelle und Brückensensor.
© Fraunhofer WKI

THB-Messeinrichtung mit leerer Messzelle und Brückensensor.

THB-Messeinrichtung mit Polystyrol-Hartschaumplatte in der Messzelle.
© Fraunhofer WKI

THB-Messeinrichtung mit Polystyrol-Hartschaumplatte in der Messzelle.

Dämmstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen schneiden bei einer ökologischen Bewertung zweifelsfrei günstiger ab. Trotz dieses Vorteils müssen sie ähnliche thermische Eigenschaften wie herkömmliche Materialien aufweisen, um am Markt bestehen zu können. Optimierte Verfahren und eine sorgfältige Überwachung des Herstellungsprozesses müssen hier helfen, die Qualität des Produkts sicher zu stellen.

Dafür ist ein Messverfahren notwendig, das die Bestimmung der thermischen Transporteigenschaften von Dämmstoffen auch unter dem Einfluss hoher Materialfeuchten mit hoher Messgenauigkeit ermöglicht.

Zurzeit wird die Wärmeleitfähigkeit mit dem sogenannten Ein- oder Zwei- Plattenverfahren nach DIN 52612 ermittelt, wobei Probengrößen von mehr als 500 mm Kantenlänge, Probendicken von mehr als 5 mm und Messzeiten von einigen Stunden erforderlich sind. Insbesondere die langen Messzeiten schließen dieses Verfahren für eine schnelle industrielle Prüfung aus. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Materialfeuchte liefert zudem unzuverlässige Werte, da sich unter dem Einfluss des Temperaturgradienten und der Zeit auch die Feuchteverteilung im Material ändert.

Am Fraunhofer WKI wurde, zusammen mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ein neues Verfahren gestestet, bei dem die Wärme- und Temperaturleitfähigkeit für Dämmstoffe in Abhängigkeit von Dichte und Materialfeuchte bestimmt werden können.

Diese sehr schnell arbeitenden Techniken (Transient Hot Strip [THS] oder, als Weiterentwicklung, Transient Hot Bridge [THB]) beruhen auf einem instationären Prinzip. Aufgrund dieser kurzen Messzeiten ist die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit auch in Abhängigkeit von der Feuchte möglich, ohne dass der Messprozess die Materialfeuchte signifikant verändert.

Bei THS wird ein sehr dünner (0,005 mm) Metallstreifen zwischen zwei quaderförmige Proben geklemmt, in temperierter Umgebung zunächst auf eine konstante Messtemperatur gebracht und für die Dauer von einigen Minuten mit einem elektrischen Heizstrom erwärmt. Während dieser Zeit wird sein temperaturabhängiger Spannungsabfall als Maß für die gesuchten Transportgrößen simultan registriert. Damit dient der Streifen gleichzeitig als Wärmequelle und Widerstandsthermometer. Abschließend können die Wärme- und Temperaturleitfähigkeit berechnet werden.

Die Weiterentwicklung dieses Sensors nutzt statt des Heizdrahts eine Wheatstonsche Brückenschaltung (siehe Abbildung 1), sodass eine Beeinflussung der Messergebnisse durch den wesentlich geringeren Brückenstrom zu vernachlässigen ist.

Die Messzelle selbst ist auf Basis eines Zentrierschraubstocks aufgebaut, der beim Schließen mit einem Drehmomentschlüssel beidseitig den gleichen Druck auf das Untersuchungsmaterial ausübt (Abbildung 2). So wird der in der Mitte flexibel aufgehängte Sensor von allen Seiten mit dem gleichen Anpressdruck beaufschlagt.

Um auch Schüttgüter vermessen zu können, ist um den Sensor ein Plexiglasbehälter angebracht. Durch das Zusammenfahren der beiden Spannbacken kann somit die Wärmeleitfähigkeit auch in Abhängigkeit von der Schüttdichte bestimmt werden.

Zurzeit werden sowohl Dämmstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen wie Cellulose, Nadelholz-Spänen, Flachs, Hanf und Baumwolle als auch konventionelle Dämmstoffe wie Mineralwolle, Glaswolle und Polystyrol bei 30 %, 50 %, 70 % und 85 % relative Luftfeuchte gemessen.

Die Unsicherheitsanalyse und der erste experimentelle Vergleich mit anderen Messmethoden ergaben, dass eine Messunsicherheit unter 3 % erreicht wird, was als äußerst zufriedenstellend für die Untersuchung von Dämmstoffen anzusehen ist.