Ziel der Entwicklung

Hochwärmedämmende Mineralschäumen weisen eine Reihe von Vorteilen gegenüber Konkurrenzprodukten wie Mineralwolle oder Perlite auf. Dazu zählen Beispielweise die Recyclingfähigkeit und der geringe CO2-Fußabdruck. Zudem können die Mineralschäume individuell aus werkseigenen Ausgangsstoffen hergestellt werden. Letzteres hat jedoch Auswirkungen auf die Herstellung: Die Produktion ist ökonomisch und ökologisch vorteilhaft, jedoch muss der Hersteller selbst qualitätssichernde Maßnahmen ergreifen. Diese umfassen im wesentlichen zielführende Laboranalysen der Ausgangstoffe im Vorfeld der Anwendungen als auch produktionsbegleitende Messmethoden (inline/offline). Zu Beginn des Projekts gab es keine chemisch-mineralogischen Analysemethoden um die Reaktivität der freiwählbaren Ausgangsstoffe, die für das 2K-Schaumherstellungsverfahren eingesetzt werden sollten, zu bestimmen. Es zeigte sich, dass die Reaktionskinetik äußerst komplex ist, da die verwendeten Rezepturen aus sich gegenseitig beeinflussenden Produkten bestehen, die selbst produktspezifischen Schwankungen unterliegen. Ein Ziel der Entwicklung war es daher, Labormethoden zu entwickeln, die einerseits einfach und zeitsparend sind und andererseits den Einfluss der Ausgangsstoffe aussagekräftig abbilden. Diese konkreten Anforderungen entstanden aus der Notwendigkeit seitens des kommerziellen Anwenders ein stabiles Herstellungsverfahren zu etablieren. Darüber hinaus Bestand das Interesse, die Reaktionskinetik zu verstehen, um im Falle von verfahrenstechnischen oder stofflichen Problemen entsprechend reagieren zu können. Neben den Voruntersuchungen der Ausgangstoffe sollte das Herstellungsverfahren Inline-Messmethoden enthalten, die unmittelbare Reaktionen auf Produktionsschwankungen zulassen. Die dafür vorgesehenen Methoden waren neben bekannter Messtechnik wie Druck und Temperatur innovative Durchflussmesssystem wie OLAS (Optical Light Absorption System) und die Coriolis-Durchflussmessung, mit welcher in Echtzeit Dichte und Volumenstrom der Mineralschaumsuspensionen bestimmt wird. Die Einsatzziele dieser Messmethoden war die kontinuierliche Überwachung des gesamten Herstellungsprozesses von der Suspension bis zum Mineralschaum. Der Untersuchungsschwerpunkt wurde hierbei auf die Gleichmäßigkeit der erfassten Daten gelegt. Ein entsprechendes Datenbankmodell wurde hierfür entwickelt, um den Umfang der zukünftig erfassbaren Daten gerecht zu werden und die Qualität zu sichern.

Vorteile und Lösungen

Das Ziel war die Entwicklung von Qualitätsmessverfahren zur Herstellung von Mineralschaum. Das Herstellungsverfahren wurde ganzheitlich vom Ausgangsstoff bis zum erhärteten Mineralschaum betrachtet. Während die Messverfahren wie Wärmeleitfähigkeit, Wasseraufnahme und -dampfdiffusion für den erhärteten Mineralschaum bereits feststehen und von Normen und Richtlinien vorgegeben sind, wurde sich innerhalb des Projektes auf die Charakterisierung der Ausgangsstoffe und des frischen Mineralschaums im Prozess beschränkt.
Das Forschungsvorhaben erreichte seine wesentlichen Ziele zur Entwicklung von Verfahren für die Qualitätsüberwachung und Bewertung von Mineralschäumen. Besonders erfolgreich war der Einsatz von Coriolis-Durchflussmessern, die eine zuverlässige Echtzeitüberwachung von Massenstrom, Dichte und Temperatur der Suspensionen ermöglichten. Dadurch konnten Veränderungen der Volumenströme, Sedimentationseffekte sowie Temperatureinflüsse erkannt werden, die das Erstarrungsverhalten maßgeblich beeinflussen.
Ein weiterer wichtiger Erfolg war die Erprobung des OLAS-Messverfahrens. Dieses erlaubt erstmals die Inline-Analyse der Porenstruktur von frischem Mineralschaum während der Produktion. Aufgrund seiner robusten, kostengünstigen Bauweise und seines Potenzials für die Qualitätssicherung wird eine Integration in zukünftige Anlagen empfohlen. Ergänzend wurden umfangreiche Inline- und Stichprobenmessungen durchgeführt und in einer zentralen Datenbank dokumentiert. Diese Daten bilden die Grundlage zur Verknüpfung von Rohstoffeigenschaften und Produktqualität.
Zur Bewertung der Ausgangsstoffe wurden neue praxisnahe Prüfmethoden entwickelt. Die Untersuchungen zeigten, dass die Hydratationskinetik und die Stabilität des Mineralschaums stark von der tatsächlichen Zusammensetzung der Suspension abhängen. Standardisierte Zementklassifizierungen nach Norm reichen daher für die Beurteilung der Eignung in der Schaumherstellung nicht aus. Zwar konnten erste Korrelationen zwischen Materialeigenschaften und Produktverhalten ermittelt werden, die Ergebnisse waren jedoch noch nicht ausreichend präzise. Für zukünftige Arbeiten werden komplexere Auswertungsmodelle, beispielsweise auf Basis künstlicher Intelligenz, empfohlen.
Auch das LIBS-Verfahren wurde hinsichtlich seiner Eignung zur Identifikation von Fehlchargen untersucht. Die Methode liefert sehr schnell Messergebnisse und kann Unterschiede zwischen verschiedenen Zementtypen sowie Produktchargen nachweisen. Aufgrund der komplexen Reaktionskinetik konnten jedoch noch keine belastbaren Aussagen über den Einfluss der gemessenen Elementzusammensetzung auf Aufschäumbarkeit und Erstarrungsverhalten getroffen werden. Zudem ist die automatisierte Auswertung der Spektren weiterzuentwickeln.
Die entwickelten Laborverfahren zur Prognose der Aufschäumbarkeit und des Erstarrungsverhaltens erwiesen sich als geeignet. Positiv bewertete 2K-Schäume konnten erfolgreich verarbeitet werden, während negativ bewertete Systeme instabil waren. Die stabilen Schäume erreichten überwiegend Wärmeleitfähigkeiten von unter 35 mW/(m·K).
Insgesamt zeigte sich, dass praxisnahe Prüfungen kompletter Rezepturen die größte Relevanz für die Qualitätssicherung besitzen. Empfohlen wird daher ein Prüfkonzept aus Aufschäumbarkeitstest, Schertest zur Bestimmung von Erstarrungsverhalten und Offenzeit sowie einer abschließenden Verifizierung im Laborschaumgenerator. Zusätzlich sollte zur Sicherstellung einer konstanten Produktion ein Lagerbestand geeigneter Rohstoffe für mindestens einen Monat aufgebaut und parallel die Qualität neuer Lieferungen überprüft werden.

Zielgruppe und Zielmarkt

1. Zielgruppen und Zielmärkte
Das entwickelte Qualitätssicherungskonzept für Anlagenbetreiber ist nach Kenntnis der Autoren einmalig. Derzeit gibt es Anlagenbetreiber, die auf Fertigmischungen (Compounds) zurückgreifen. Die stoffliche Qualitätssicherung übernimmt damit der Hersteller dieser Produkte. In welchem Umfang eine zusätzliche verfahrenstechnische Qualitätssicherung neben den aus den jeweiligen Zulassungen geforderten Prüfungen erfolgt, ist unbekannt.
Die entwickelten stofflichen Untersuchungsmethoden richten sich im Wesentlichen an Anlagenbetreiber, die die Auswahl der Rezeptur und Ausgangstoffe selbst übernehmen wollen. Denkbar ist hier jedoch auch, dass die Nutzer der Fertigmischungen die entwickelten Untersuchungsmethoden übernehmen können, um eine bessere Zuverlässigkeit ihres Verfahrens zu erreichen und ggf. Probleme den jeweiligen Lieferanten nachvollziehbarer rückmelden zu können.
Die entwickelten verfahrenstechnischen Untersuchungsmethoden, insbesondere das OLAS, stellt eine Technologie dar, die unabhängig vom jeweiligen Anlagenkonzept anwenden finden kann. Voraussetzung ist hierbei, dass der Mineralschaum an zumindest einer Stelle im Verfahren durch einen Schlauch oder ein Rohr fließt.

2. Anwendung der Entwicklung
Mittelständische Unternehmen können sich durch die Produktion und den Einsatz von Mineralschaum als nachhaltige und innovative Anbieter positionieren. Da die Nachfrage nach ökologischen Baustoffen wächst, können diese Unternehmen, die frühzeitig auf Mineralschaum setzen, von diesem Trend profitieren. Damit können diese Unternehmen auch durch Investitionen in FuE ihre Technologiekompetenz stärken und innovative Produkte entwickeln.
Der Einsatz von Mineralschaum als Dämmmaterial bietet erhebliche Innovationspotenziale und Anwendungsmöglichkeiten, die sowohl wissenschaftlich als auch wirtschaftlich bedeutsam sind. Insbesondere für die mittelständische Industrie eröffnen sich neue Chancen zur Differenzierung, technologischen Entwicklung und nachhaltigen Positionierung am Markt

3. Transfer der FuE-Ergebnisse
Die Überwindung der Markteintrittshürden soll durch die Präsentation der entwickelten Methoden und deren Ergebnisse vor Fachpublikum und potenziellen Anlagenbetreibern erfolgen. Des Weiteren sollen praxisnahe Vorführungen auf Laborniveau am IAB stattfinden und Werksversuche angeboten und beworben werden.
Der Know-how-Transfer erfolgt über ausführliche Untersuchungsberichte und Seminare (online oder in Präsenz)

4. Eigene wirtschaftliche Effekte
Bereits jetzt schon wurden Einnahmen durch Lizenzverträge erzielt, da das 2K-Schaum-Verfahren vom IAB patentiert ist. Die Einnahmen richten sich je nach Vertrag nach Anlagenanzahl und/oder hergestellten Schaumvolumen.
Es ist die Begleitung der Planung und der Errichtung von industriellen Schaumherstellungs und -verfüllanlagen inklusive der örtlichen Etablierung des Qualitätsmanagements geplant. Die Überwachung und Auswertung der Produktionsergebnisse auf Grundlage der bestehenden wissenschaftlichen Erkenntnisse soll durch das IAB erfolgen in Form Dienstleistungs- und Serviceaufträgen. Dies können auch die Erarbeitung von Optimierungsvorschlägen und weitere Dienstleistungen enthalten.
Nach der Umsetzungsphase der ersten Pilotanlagen sollen weitere Beratungsdienstleistungen wie Schulungen und Weiterbildungen für Anlagenbetreiber angeboten werden, bei denen das IAB den wissenschaftlichen Hintergrund zu liefert
Während jedes Schrittes können die auftretenden Frage- und Problemstellungen zu neuen Forschungsvorhaben führen, die unter der Leitung des IAB beantragt und durchgeführt werden.
Durch die erfolgreiche Realisierung des patentierten 2K-Schaumverfahrens und das Vermarkten der erzeugten Produkte ist davon auszugehen, dass im Zuge des daraus resultierenden Interesses mehr kostenpflichtige Lizenzen seitens des IAB vergeben werden.

5. Anwendungsbeispiele
Derzeit gibt es eine enge Zusammenarbeit mit einem namhaften Wandbaustoffhersteller. Dieser befindet sich in ersten Testläufen zur eigenständigen Verfüllung seiner Produkte. Ein entsprechender Know-how-Transfer erfolgte bereits, welcher in regelmäßigen Abständen aktualisiert wird. Eine industrielle, kommerzielle Anwendung der gewonnenen Ergebnisse erfolgt bisher noch nicht.