Weltweit werden zahlreiche Dämmstoffe in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt. Zu den verwendeten Dämmstoffen zählen Schäume (Polystyrol, Polyurethan, Polyisocyanurat und Polyethylen), Fasern (Glas, Mineralwolle, Zellulose, Kieselsäure) und Pulver.
Zusammenfassung
Diese Materialien werden in vielen verschiedenen Konfigurationen eingesetzt. Dazu gehören halbstarre bis starre Platten, Blöcke, Einblasmaterialien und Vakuumpaneele. Die beste Dämmung hängt vom jeweiligen Anwendungsbereich ab.
Isolierung wird in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, um den Energiefluss zu reduzieren. Zu den wichtigsten Anwendungsgebieten zählen Bauwesen, Haushaltsgeräte und Gütertransport. Die Leistung einer Isolierung wird üblicherweise anhand von zwei Faktoren gemessen: R-Wert und Wärmeleitfähigkeit. Der R-Wert wird häufig bei der Diskussion über Isolierung im Bauwesen verwendet. Beim R-Wert gilt: Je höher der Wert, desto besser die Isolierung. Der Wärmeleitfähigkeitswert wird häufiger beim Gütertransport und bei wissenschaftlichen Anwendungen, insbesondere bei Pharma- und Life-Science-Produkten, verwendet. Die Wärmeleitfähigkeit gibt die Geschwindigkeit an, mit der Wärme durch ein Material geleitet wird. Je niedriger der Wärmeleitfähigkeitswert, desto besser die Isolierung. In diesem Whitepaper befassen wir uns mit dem Einsatz von Vakuumisolationspaneelen beim Transport von Pharma- und Life-Science-Produkten.
Wenn eine langfristige Temperaturkontrolle erforderlich ist, ist VIP eine hervorragende Isolierung. Vier Hauptfaktoren bestimmen die Leistung von VIP hinsichtlich seiner Wirksamkeit als Isolator: die Barrierefolie, das Kernmaterial, Trockenmittel/Getter und das Vakuumniveau.
Bild mit freundlicher Genehmigung von Avery Dennison-Hanita.
Das Vakuumniveau
Der Vakuumgrad ist der erste Buchstabe des Begriffs VIP (Vacuum Insulated Panel). Vakuum ist definiert als ein Raum ohne Partikel. Wie effektiv Vakuum bei der Aufrechterhaltung einer Temperatur ist, lässt sich an einer herkömmlichen Thermoskanne veranschaulichen, die Ihr Lieblingsgetränk den ganzen Tag lang warm oder kalt hält, oder an einer Thermoskanne, die Ihre Suppe warm oder Ihr Lieblingsdessert kalt hält, bis es Zeit zum Essen ist. Dieselbe Theorie minimiert den Energietransfer von einer Seite eines vakuumisolierten Panels zur anderen. Dadurch bleibt die eine Seite kalt und die andere warm. Während des Herstellungsprozesses von VIP wird der Raum zwischen den beiden Schichten der Barrierefolie evakuiert, um möglichst viele Luft- und Wasserdampfpartikel zu entfernen. Das Vakuum wird im Verhältnis zum atmosphärischen Druck gemessen. Je größer die Differenz zwischen dem inneren Druck des VIP und dem atmosphärischen Druck ist, desto besser ist die Leistung des VIP.
Der Barrierefilm
Das Material, das das Innere des VIP von der Außenatmosphäre trennt und das Vakuum aufrechterhält, ist die Barrierefolie. Sie dient dazu, den Partikeltransport (Luft und Wasserdampf) zwischen dem Inneren und der Außenluft des VIP zu minimieren und so das Vakuum aufrechtzuerhalten. In der Regel werden zwei Stücke Barrierefolie verwendet und zu einer Hülle verschweißt. Die Folienstrukturschicht(en) dient/erfüllen die beschriebene Barriere und dient als Versiegelungsschicht, um Leckagen zwischen der inneren und äußeren Schicht des Panels zu vermeiden. Die Barrierefolie enthält außerdem das Kernmaterial im Inneren der Hülle und trägt zur Formgebung des Panels bei. Die Barrierefolie besteht üblicherweise aus einer mehrschichtigen Laminatstruktur, die aus verschiedenen Materialien bestehen kann.
Beispiele für häufig verwendete Materialien sind Polypropylen, Polyethylen, Nylon, Aluminium, PET (Polyethylenterephthalat) und Kombinationen davon. Diese Schichten werden kombiniert, um eine möglichst wirksame Barriere gegen den Partikeltransport von außen nach innen zu bilden. Je nach den spezifischen Anforderungen und Wünschen des Herstellers kommen viele verschiedene Kombinationen zum Einsatz, von einer bis hin zu sieben oder neun Schichten.
Ein weiteres Problem für Designer ist der durch die Art der verwendeten Barrierefolie verursachte „Randeffekt“. Viele der effektiveren Barrierefolienstrukturen verwenden metallische Materialschichten, die eine sehr gute Barriere gegen Partikelübertragung darstellen. Der Nachteil dieser metallischen Schichten ist jedoch, dass sie auch sehr gute Energieleiter sind. Diese Schichten können Energie von einer Seite, um den Rand der VIP herum, auf die andere übertragen (Randeffekt) und so den Zweck der VIP weitgehend zunichtemachen. Es gibt viele verschiedene Methoden, diesen „Randeffekt“ zu minimieren oder zu verhindern, indem die Schichten der Barrierefolie modifiziert und sogar unterschiedliche Folientypen auf jeder Seite der VIP verwendet werden. Die besten Barrierefolien bieten eine effektive Vakuumbarriere und minimieren gleichzeitig den Randeffekt.
Das Kernmaterial
Die dritte Hauptkomponente von Vakuumisolierpaneelen ist das Kernmaterial. Die Dichte des Kernmaterials muss ausreichend sein, um im Vakuum seine Form zu behalten, darf aber nicht so hoch sein, dass Energie durch die gesamte Paneeldicke übertragen wird. Im Laufe der Jahre wurden viele verschiedene Materialien für die Kernkomponente von Vakuumpaneelen verwendet. Dazu gehören Glasfasern, Silicafasern, Schäume, Mineral- und Glaswolle sowie Pulver, sowohl pyrogene als auch pyrogene Kieselsäure und Silica-Aerogele. Die besten Kernmaterialien sind mikroporöse Strukturen, die keinen kontinuierlichen Weg für die Energieübertragung von einer Oberfläche zur anderen bieten und den Energiefluss sogar unterbrechen. Eine mikroporöse Struktur ermöglicht die Entfernung aller Partikel, die Energie übertragen würden, während des Evakuierungsprozesses. Ein gutes Kernmaterial bietet zudem eine gleichmäßige und hohe Dimensionsstabilität und hält dem Druck des Vakuums im Paneel stand. Dimensionsstabilität ermöglicht gleichmäßige Abmessungen und einen guten Sitz beim Bau von Kisten und Transportbehältern mit VIP.
Das Trockenmittel und/oder Getter
Die vierte wesentliche Komponente von Vakuumisolierpaneelen ist ein Trockenmittel und/oder Getter. Diese Komponenten absorbieren Wasserdampf (Trockenmittel) oder gasförmige Partikel (Getter), die sich noch im Vakuumpaneel befinden, sowie Partikel, die durch die Naht oder aufgrund der Durchlässigkeit des Sperrfolienmaterials in das versiegelte Paneel gelangen. Für Trockenmittel und Getter kommen viele verschiedene Materialien zum Einsatz, darunter Calciumoxid, Zeolith und Kieselgel. Getter können für die spezifischen Gase, die sie absorbieren sollen, ausgelegt werden.
Fazit
Die Auswahl der VIP-Materialien kann individuell auf jede Anwendung abgestimmt werden. Es wurde nachgewiesen, dass Wärmeleitfähigkeiten von bis zu 1.15 mW/mK (R >95) mit der richtigen Kombination aus Mikroglasfaser-Kernmaterial, Vakuumniveau, Trockenmitteln/Gettern und der Barrierefolienstruktur möglich sind. Berücksichtigung von Langlebigkeit, Haltbarkeit, Isolationsgrad und Kosten hilft bei der Entscheidung, welcher VIP-Typ für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist.
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