Nanomaterialien

Im Bereich Nanomaterialien liegt der Fokus auf dem vertieften Verständnis von Effekten, die auf der Nanostrukturierung von Partikeln oder der Nanoporosität von Materialien beruhen. Die Erkenntnisse werden in anwendungsorientierten Arbeiten mit anderen Gruppen des ZAE Bayern oder externen Partnern gezielt eingesetzt um Funktionsmaterialien für den Bereich der Energietechnik, wie z.B. Energiespeicher oder Wärmedämmkomponenten, zu entwickeln.

Der Schwerpunkt im Bereich Synthese liegt auf Nanomaterialien, die über ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden. Diese bilden die Basis für Komposite, die die Integration mehrerer Funktionalitäten in einem Material erlauben und gleichzeitig helfen Prozessschritte zu vereinfachen und das Handling in der Anwendung verbessern.

Begleitend werden Charakterisierungsverfahren entwickelt, die auf die neuen Materialtypen zugeschnitten sind und damit artefaktfreie Kenngrößen liefern. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf Methoden, die gleichzeitig mehrere physikalische Eigenschaften erfassen können oder sich einsetzen lassen um Prozessschritte zu verfolgen (in-situ Messmethoden). Zu nennen sind hier beispielsweise in-situ optische oder in-situ dilatometrische Messmethoden während der Gasadsorption-Analyse, die Ermittlung der Produktzusammensetzung bei thermisch induzierten Reaktionen mit schneller Gaschromatographie und Massenspektrometrie oder das Monitoring des Sol-Gel Übergangs mit Hilfe einer Temperaturmessung.

Forschungsgebiete

Foto Nanomaterialien

Die Nanostrukturierung von Materialien erlaubt die Erschließung neuer Kombinationen von physikalischen Eigenschaften. In diesem Themenbereich stehen zur Zeit vor allem nanoporöse Materialien auf Sol-Gel Basis im Vordergrund, die sowohl eine dreidimensional vernetzte Festkörperphase, als auch eine dreidimensional verknüpfte Porenphase besitzen. Einstellbare Größen in Hinblick auf unterschiedliche Anwendungen sind die Gesamtporosität, die mittlere Porengröße bzw. die Porengrößenverteilung, die spezifische Oberfläche und die Eigenschaften der sogenannten Mikroporen (< 2nm).

Die Arbeitsgruppe Nano-Materialien beschäftigt sich mit:

  • der Synthese monolithischer und pulverförmiger nanoporöser anorganischer und organischer Materialien (auch als Vorstufen synthetischer Kohlenstoffe) und abgeleiteter Komposite, mit
  • deren Charakterisierung und der Entwicklung von neuen oder adaptierten Methoden, die zur Charakterisierung nanoporöser Materialen geeignet sind, und
  • ausgewählten Anwendungen nanoporöser Werkstoffe.

Ansprechpartner

Dr. Gudrun Reichenauer
+49 931 70564-328
Gudrun.Reichenauer@zae-bayern.de

Projekte

Entwicklung von Wärmedämmsystemkomponenten

Zur Verminderung des Tauwasserausfalls an gedämmten Fassaden werden low-e Farben entwickelt, die einen weißen Farbeindruck im Sichtbaren mit einer geringen Wärmeabstrahlung im Infraroten vereinen.

Da vor allem bei sehr gut gedämmten Fassaden die Oberflächentemperatur aufgrund der Wärmeabstrahlung an die Umgebung und speziell an den kalten Nachthimmel unter die Lufttemperatur sinken kann, fällt häufig Tauwasser an der Fassadenoberfläche aus. Dies bewirkt langfristig, hauptsächlich bei Wärmedämmverbundsystemen, eine Veralgung bzw. Vergrünung der Fassade, was zum einen den optischen Eindruck verschlechtert und zum anderen die Bausubstanz langfristig schädigt. Bisher werden vor allem Biozide (im Wesentlichen Algizide und Fungizide, aber auch Herbizide) eingesetzt, um das Algen- und Pilzwachstum im Fassadenbereich zu verhindern. Da Biozide aber auch eine gewisse toxische Wirkung auf den Menschen und andere Organismen haben, sollte die Ausrüstung von Fassaden mit Bioziden nach Möglichkeit vermindert bzw. möglichst unterbunden werden.

Im Rahmen des vorliegenden Projektes werden daher innovative, spektral-selektive Farben mit einem einstellbaren Farbeindruck im Sichtbaren und einem geringen Emissionsgrad im Infraroten (low-e Farben) entwickelt. Diese vermindern die Wärmeabstrahlung des Gebäudes an die Umgebung und reduzieren dadurch den Tauwasserausfall und somit die Veralgung bzw. Vergrünung.

Um die gewünschten Eigenschaften einer low-e Oberfläche zu realisieren, werden den Anstrichstoffen neben Farbpigmenten auch maßgeschneiderte, IR-aktive Metall-Pigmente zugegeben. Im Rahmen des Projektes werden dabei grundlegende physikalische Modelle zur Beschreibung des Streu- und Absorptionsverhalten von Partikeln und Schichtsystemen weiterentwickelt. Die makroskopischen Größen Emissions- und Reflexionsgrad sind über die Strahlungstransportgleichung mit den mikroskopischen Größen Absorptions- und Streukoeffizient korreliert. Darüber hinaus können Absorptions- und Streukoeffizient über streutheoretische Ansätze aus den Brechungsindizes und den eingesetzten Teilchengrößen berechnet werden.

BMBF-Projekt: FKZ 03X0071A

Ansprechpartner

Dr. Jochen Manara
+49 931 70564-346
Jochen.Manara@zae-bayern.de

Dipl. -Ing. MariaClara Arduini
+49 931 70564-317
MariaClara.Arduini@zae-bayern.de

Hochwärmedämmender Polymerschaum

Foto Polymerschaum

Entwicklung eines innovativen, hochwärmedämmenden Polyschaums zur Steigerung der Energieeffizienz in Gebäuden.

Die Gesamtwärmeleitfähigkeit eines Dämmstoffs hängt hauptsächlich von der Festkörperwärmeleitfähigkeit, der Strahlungswärmeleitfähigkeit und der Gaswärmeleitfähigkeit der enthaltenden Gase ab. Kopplungseffekte zwischen diesen Wärmetransport-Mechanismen sowie Konvektion können in Schäumen (Abb.) in der Regel vernachlässigt werden.

Eine Möglichkeit zur Reduktion der Wärmeleitfähigkeit besteht in einer Verminderung der Gaswärmeleitung. Die Wärmeleitfähigkeit der enthaltenen Gase hängt von den Eigenschaften der Gase und deren Zusammensetzung sowie der Zellgrößen im Schaum ab. In den meisten Fällen enthalten die Schäume lediglich Luft. Für Schäume, die mit Treibmitteln aufgeschäumt werden, ändert sich die Zusammensetzung der Gasphase über die Zeit hinweg durch Einströmen von Luft oder Ausströmen bzw. Kondensieren des Treibmittels. Daher werden im vorliegenden Projekt in erster Linie Schäume ohne Schwergasfüllung betrachtet.

Eine Verringerung der Gaswärmeleitung kann zum einen durch das Vergrößern der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle erreicht werden, indem man das Dämmmaterial evakuiert.. Zum anderen kann die Gaswärmeleitung durch eine Verkleinerung der Zellen reduziert werden. Die entscheidende Größe ist dabei der Quotient aus mittlerer freier Weglänge der Gasmoleküle und der Zellgrößen im Schaum. Dieser Quotient wird in den beiden genannten Fällen erhöht, was zur beschriebenen Verminderung der Gaswärmeleitung führt (Knudsen-Effekt).

Eine Reduktion der Zellgrößen im Schaum, beeinflusst neben der Gaswärmeleitfähigkeit auch die anderen Wärmetransportmechanismen (Festkörper- und Strahlungswärmeleitung). Daher werden im Rahmen des Projektes Modellierungen und Simulationen durchgeführt, um die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge zwischen der Morphologie des Schaums und den Wärmetransportmechanismen im Detail zu beschreiben und um den Schaum entsprechend zu optimieren.

EU-Projekt: 260123

Ansprechpartner

Dr. Jochen Manara
+49 931 70564-346
Jochen.Manara@zae-bayern.de

Dipl. -Ing. MariaClara Arduini
+49 931 70564-317
MariaClara.Arduini@zae-bayern.de

Aerogel-basierte Superisolation für Gebäude

Foto Aerocoins

Das ZAE Bayern war Forschungspartner im EU-Projekt AEROCOINs. Das Konsortium des im 7. Rahmenprogramm der EU geförderten Projekts setzte sich zum Ziel, ein wirtschaftlich herstellbares Dämmmaterial für Anwendungen im Gebäudebereich zu entwickeln, dessen Wärmeleitfähigkeit Faktor 3 besser ist als die konventioneller EPS Schäume.

AEROCOINs steht für AEROgel-based composite/hybrid nanomaterials for COst-effective building super-INSulation systems. Der Titel weist bereits auf die Strategie des Projekts hin, Sol-Gel basierte, poröse Werkstoffe zu entwickeln, die den Anforderungen im Gebäude-Bereich in Hinblick auf Preis, Handling, Lebensdauer und Brandschutz genügen und gleichzeitig Wärmeleitfähigkeiten unter 12 mW/(m K) bereitstellen. Wesentlich dabei ist, dass die Sol-Gel Komponenten Teil von Komposit- oder Hydridmaterialien sind. Damit sollen zusätzliche Funktionalitäten integriert und die beiden wesentlichen Hindernisse, die bisher eine breite Anwendung von Silica Aerogel basierten Superisolationskomponenten im Gebäudebereich verhindert haben, nämlich Kosten und schlechte mechanische Eigenschaften, überwunden werden.

Das Konsortium verfolgte parallel verschiedene Syntheseansätze. Aufgabe des ZAE Bayern war eine zuverlässige, schnelle thermische Bewertung der ersten Laborproben. Dabei spielte auch die Trennung der unterschiedlichen Beiträge zum Wärmetransport eine wesentliche Rolle, da hiermit ein wichtiges Feedback für die Synthese gegeben werden konnte um die Materialentwicklung mit ihrem großen Parameterfeld gezielt voranzutreiben. Im späteren Projektverlauf wurden am ZAE Bayern auch größere Komponenten bzgl. ihrer thermischen Performance bewertet.

Start des Projekts war Mitte 2011. Für die Laufzeit von 4 Jahren hattte sich das Konsortium im Rahmen des Projekts drei Teilziele definiert:

  • Entwicklung eines superisolierenden Silica Aerogel-Komposit /Hybrid-Materials
  • Design und Entwicklung einer wärmedämmenden Fassadenelement -Konstruktion
  • Validierung der energetischen Effizienz der Fassadendämmkomponente und der Integration in Gebäude

Beteiligt waren neben dem ZAE Bayern die Forschungspartner Tecnalia (Spanien), Armines (Frankreich), EMPA, (Schweiz),Technical University of Lodz (Polen) und VTT (Finnland). Die Arbeiten werden von den Industriepartnern PACS (Frankreich), Separex (Frankreich), und Acciona (Spanien) begleitet, aktiv unterstützt und am Ende des Projekts gemeinsam mit den Forschungspartnern in Demo-Objekte umgesetzt.

Für weitere Informationen: www.aerocoins.eu

Förderkennzeichen: EU-260141

Ansprechpartner

Dr. Gudrun Reichenauer
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Gudrun.Reichenauer@zae-bayern.de

ZAE Bayern

Wir arbeiten an der Schnittstelle zwischen erkenntnisbasierter Grundlagenforschung und angewandter Industrieforschung. Unter dem Leitbild „Exzellente Energieforschung – Exzellente Umsetzung“ realisieren wir komplette Innovationspakete, die auf Synergien zwischen Erzeugung, Speicherung und Effizienzmaßnahmen bauen.

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Tag der Offnen Tür am 3 Oktober

Am 03. Oktober 2018
11:00 bis 15:00 Uhr
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