Pentane als Treibmittel sind in der Industrie weit verbreitet. Da die Eigenschaften der Polyurethan- oder Polyisocyanurat-Schaumstoffe bei unterschiedlichen Isomerenverhältnissen erheblich variieren können hat Haltermann Carless nun in einer Studie das Verhalten von Pentan-Blends bestehend aus allen drei Isomeren n-Pentan, iso-Pentan und Cyclopentane näher betrachtet. Die Ergebnisse der ternären Pentan-Blends sehen vielversprechend aus und könnten der PU- und PIR-Industrie zusätzliche Vorteile bieten.
Während vor nicht allzu langer Zeit chlorierte und fluorierte Treibmittel Standard waren, werden Pentane heutzutage, besonders im Hinblick auf Umweltverträglichkeit und globale Erwärmung, mit mittlerweile einem Anteil von mehr als 50 % an allen in der Polyisocyanurat (PIR)- und Polyurethan (PU)-Industrie eingesetzten Treibmitteln verwendet. Die reinen Pentane und deren binären Mischungen werden häufig verwendet. Mischungen aller drei Isomere werden selten genutzt und sind in der Literatur nicht beschrieben. Ternäre Mischungen können jedoch Vorteile für die Dämmplattenherstellung haben, die bisher nicht erkannt wurden. Als einziges europäischer Hersteller in Europa, der in der Lage ist, alle drei Pentan-Isomere - n-Pentan, iso-Pentan und Cyclopentane – herzustellen, hat Haltermann Carless ein großes Interesse daran, die Vorteile von ternären Pentanmischungen näher zu bewerten.
Leistungstarke Dämmung dank Pentan
Dämmstoffe benötigen ein Treibmittel, um das gewünschte Aufschäumen für eine Isolierleistung zu erhalten. Je nach verwendetem Isomer können die Leistung und die Eigenschaften der Schaumstoffe jedoch erheblich variieren. Für Hersteller von PU- und PIR-Schäumen sind daher leistungsstarke Pentane und Pentan-Mischungen von großem Interesse. Welche Vorteile könnten demnach ternäre Blends aus allen drei Isomeren - n-Pentan, iso-Pentan und Cyclopentan bieten? Haltermann Carless hat genau das erforscht.
Versuchsaufbau zur Studie „ternäre Pentanmischungen“
Um mehr über das Verhalten von ternären Pentan-Blends zu erfahren, wurde ein einfacher Versuchsaufbau erstellt. Für die Versuche wurde eine Standard-PIR-Rezeptur verwendet, um die Leistung der Pentanmischungen zu vergleichen. Die Versuche wurden mit Hilfe einer Versuchsplanungssoftware vorbereitet und ausgewertet. Insgesamt wurden 13 Mischungen und reine Komponenten von der Software vorgeschlagen (Abb. 1).
Um unseren Kunden neue Produktqualitäten und damit einen Mehrwert anbieten zu können und gleichzeitig unser eigenes Wissen zu erweitern, wurde ein experimenteller Ansatz entworfen, indem eine Standard-PIR-Formulierung mit verschiedenen Pentanen und Mischungen geschäumt wurde.
Die Experimente wurden mit einer Design-of-Experiment (DOE) Software geplant und ausgewertet. Dazu wurde ein externes Labor beauftragt, das auf solche Experimente spezialisiert ist. Die Eigenschaften des PIR und der Pentane während des Schäumvorgangs wurden aufgezeichnet. Danach wurde der frische Schaum auf seine Isolationseigenschaften hin untersucht. Nach einer künstlichen Alterung wurden die Messungen wiederholt.
Quelle: Haltermann Carless
Auf folgendes wurde dabei geachtet:
- Die verwendeten Polyole, Isocyanate, Katalysatoren und Additive entsprechen dem üblichen Industriestandard.
- Der PIR-Schaum ist mit einem Index von 2,5 mit den für Sandwichpaneele verwendeten Schäumen vergleichbar.
- Die Schaumstoffe haben die Feuerbeständigkeitsprüfung nach DIN 4102 bestanden.
- Die Schaumstoffbewertung wurde im Rahmen der Versuche überwacht.
- Anschließend wurden die Formstabilität, die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit nach Alterung gemessen.
- Für die Wärmeleitfähigkeit wurden zwei Datensätze bei 15 °C und 25 °C gemessen.
Ergebnisse
Nach der Erstellung der Mischungen wurden alle Proben auf Dampfdruck, Anfangs und Endsiedepunkt analysiert. Die Ergebnisse der einzelnen Experimente wurden in das DOEProgramm eingebracht und die Analyse der Daten als Heatmap dargestellt (Abb. 2). Der Anfangs und Endsiedepunkt zeigte ein sehr lineares Verhalten. Die Mischungen folgen sehr stark dem Trend der reinen Pentane (Abb. 3 und 4).
Quelle: Haltermann Carless
Die Wärmeleitfähigkeit wurde parallel zur Steigrichtung gemessen, bei 15 °C und 25 °C. Die diskutierten λ-Werte sind der Mittelwert der beiden gemessenen Werten (Abb. 5). Die Dichte ist in allen Fällen sehr ähnlich und es kann davon ausgegangen werden, dass die Differenz wenig Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit hat. Das beste Ergebnis wurde mit reinem Cyclopentan erzielt. Nach 48 Stunden Auslagerung des Schaums bei 70 °C war das Ergebnis anders (Abb. 6). Die Passgenauigkeit der Daten war bei der Dimensionsstabilität recht gut (Abb. 7).
Überraschenderweise hat die Mischung aller drei Pentane eine akzeptable Stabilität, obwohl sie bei den anderen Experimenten weniger gut abschneidet. iso-/n-Blends haben die beste Stabilität über die Zeit.
Quelle: Haltermann Carless
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Fazit
Die drei reinen Pentane – n-Pentan, iso-Pentan und Cyclopentan - zeigten die erwartete Leistung. Literatur, Versuchsergebnisse und Modell stimmen demnach mit den Ergebnissen überein. Die Pentanmischungen zeigten größtenteils das erwartete Verhalten, wiesen aber auch einige interessante Details auf:
- Schaum, der mit Cyclopentan hergestellt wurde, hat ein ausgezeichnetes Isolationsverhalten, verliert aber seine positiven Eigenschaften mit der Zeit.
- Schäume aus Mischungen von iso-Pentan sind relativ stabil und haben eine Dämmleistung, die gealtert an Schaumstoffe aus Cyclopentan heranreichen kann.
- Ternären Mischungen zeigen eine gute Gesamtleistung. Formstabilität und Wärmeleitfähigkeit sind immer gut oder sehr gut, auch nach der Alterung des Schaums.
Das DOE-Modell beinhaltete vergleichsweise wenige Experimente, aber die Ergebnisse und die Interpretation legen nahe, dass ternäre Mischungen als Treibmittel für weitere Anwendungen untersucht werden sollten. Ternäre Mischungen weisen das Potenzial für eine exzellente Langzeitperformance auf, ein wichtiger Faktor in der Bauindustrie.
