Projekt

Förderschwerpunkt: HighTechMatBau

EcoSphere

Projekttitel

Mikro-Hohlglaskugeln als Basis energieeffizienter Dämmung von Gebäuden

Laufzeit

von 01.08.2014 bis 30.11.2017

Verbundkoordinator

Franken Maxit Mauermörtel GmbH & Co.

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Ziel des Gesamtprojektes ist die Entwicklung einer Produktfamilie von Dämmstoffen auf Basis von Mikro-Hohlglaskugeln (MHGK), die neben sehr guten Dämmeigenschaften eine bisher nicht ereichte Kombination von Materialeigenschaften ausweisen:

  • Deutlich reduzierte Wärmeleitfähigkeit gegenüber vergleichbaren Produkten auf Basis von Schaumgläsern.
  • Langzeitstabilität
  • Passives Feuchtemanagement zur Vermeidung von Veralgung/Schimmelbildung sowie zur Reduzierung des Wärmetransport durch den Baustoff
  • Vorwiegend mineralische Bestandteile, die ein vollständiges Recycling ermöglichen
  • Kostengünstige energiearme Herstellung der Baustoffe
  • Verbesserung der rheologischen Eigenschaften bei der Verarbeitung der Baustoffe
  • Vermeidung von Emissionen (VOC, POC) während der Lebensdauer und beim Recycling

Durch Reduzierung der Material- und Verarbeitungskosten sollen die im Projekt entwickelten Baustoffe eine Amortisierung der Sanierungskosten in weniger als 10 Jahren ermöglichen.

Kontakt

F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde (FIB)

Professur Werkstoffe des Bauens

Coudraystr. 11, 99421 Weimar

Förderkennzeichen

13N13185

Kurzfassung Teilprojekt

Für das FIB stehen die wissenschaftlichen Belange im Bezug auf die Gips-Zement-Puzzolan-Bindemittel sowie die Grundlagenuntersuchungen zu den Wechselbeziehungen zwischen Bindemittelmatrix und Mikrohohlglaskugeln im Vordergrund. Es soll eine raumbeständige und dauerhafte Zusammensetzung der Bindemittelkomponenten gefunden werden, welche sich nicht negativ auf die MHGK (z.B. durch korrodierenden Angriff) auswirkt. Aufgrund der positiven Eigenschaften – sowohl der der MHGK als auch der GZP-Matrix – wird durch optimale Abstimmung der Rezepturen ein Synergieeffekt erwartet, welcher die konventionelle Dämmsysteme entscheidend verbessert.

Die Arbeitsziele lassen sich wie folgt charakterisieren:

  • Adäquate Hydratation und Erhärtung der GZP-Matrix
    Das Bindemittelsystem sollte während der Hydratation, der Trocknung sowie bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen eine möglichst geringe Längenänderung aufweisen. Hierbei ist das Schwinden (=Verkürzung) derart zu begrenzen, dass keine Risse entstehen. Eine (leichte) Dehnung ist hingegen erwünscht. Darüber hinaus darf die Ettringitbildung zu keinen schädigenden Treiberscheinungen führen.
  • Umweltfreundliche Zusammensetzung
    Die Entwicklung von Werkstoffen für die energetische Sanierung des Gebäudebestandes ist ein primäres Ziel des Projektes. Um die Nachhaltigkeit der Produkte für diesen Zweck zu verbessern, soll ist die GZP-Zusammensetzung nicht nur bezüglich einer guten Raumbeständigkeit konzipiert werden. Als zusätzliches Kriterium ist die Minimierung energieintensiver Rohstoffe in die Rezepturierung (sowohl beim Bindemittel als auch bei den Zusatzmitteln) einzubeziehen.
  • Wechselwirkung Bindemittelmatrix – MHGK – Zusatzmittel
    Bei vorherigen Untersuchungen der GZP-Bindemittel (vgl. 2.2) wurde deutlich, dass das System durchaus sensibel auf einige Zusatzmittel reagiert. Für die Herstellung vermarktungsfähiger Produkte ist der sichere Einsatz von Zusatzmitteln, welche zur Erzielung bestimmter Eigenschaften unumgänglich sind, zwingend erforderlich. Aus diesem Grund soll systematisch der Einfluss notwendiger Zusatzmittel auf die GZP-Bindemittel sowie die enthaltenen MGHK untersucht werden. Nur durch detaillierte Kenntnisse über ablaufende Prozesse und Wichtung der Einflussfaktoren lassen sich im Sinne der Dauerhaftigkeit sichere Erzeugnisse formulieren.
    Darüber hinaus besteht ein gewisses Schadenspotential durch die Wechselwirkungen zwischen Bindemittelmatrix und MHGK. Da sich während der Hydratation der Bindemittel (GZP oder Zement) der Dämmputze mitunter pH-Werte von über 13 einstellen können, ist es möglich, dass diese stark alkalischen Lösungen die Oberfläche der MHGK angreifen und auf diese Weise der Dauerhaftigkeit beeinträchtigen. Aus diesem Grund ist zu klären, ob die MHGK im alkalischen Milieu eine ausreichende Stabilität aufweisen.
  • Optimierung Festigkeit vs. Wärmeleitfähigkeit
    Für einen Dämmputz ist augenscheinlich eine möglichst niedrige Wärmeleitfähigkeit von besonderer Bedeutung. Eine möglichst hohe Dämmwirkung soll mit Hilfe eines idealen Verhältnisses von Mikrohohlglaskugeln, Gesteinskörnung und Bindemittel erzielt werden. Darüber hinaus muss der Dämmputz eine ausreichende Festigkeit sowie Haftverbund zum Untergrund aufweisen.
    Dabei gilt es, ein Optimum für die 2 gegenläufigen Ziele – eine niedrige Wärmeleifähigkeit und eine gute Festigkeit – zu finden. Beide Eigenschaften sind wesentlich von der Rohdichte abhängig. Eine gute Dämmwirkung (= niedrige Wärmeleitfähigkeit) bedingt eine niedrige Rohdichte, während mit steigender Rohdichte auch die Festigkeit zunimmt.
  • Feuchtebeständigkeit
    Obgleich die GZP-Bindemittel hier zur Verwendung in Dämmputzsystemen für den Innenbereich vorgesehen sind, soll dieses System beständig gegenüber Feuchtigkeit sein. Insbesondere bei Innendämmungen kann es durch die Verlagerung des Taupunktes zu einer erhöhten Feuchtebelastung kommen. Diese darf die geforderten Eigenschaften wie Haftfestigkeit (≥ 0,08 MPa) oder auch die Wärmeleitfähigkeit (40 % niedriger als die Ausgangsmischungen) nicht negativ beeinflussen.

 

Verwertungsabsicht des Teilprojekts

Das FIB ist an der wirtschaftlichen Verwertung der Projektergebnisse nicht direkt beteiligt. Allerdings ermöglicht ein erfolgreicher Projektabschluss die Beantragung von Folgeprojekten, wodurch die Drittmittelquote für den Ausbau die Finanzierung des Instituts gesichert wird.

Für das FIB steht die wissenschaftliche Verwertung im Vordergrund. Es bestehen durch vorherige Projekte im Bereich der GZP-Bindemittel bereits fundierte Kenntnisse, so dass die Übertragung der positiven Eigenschaften auf den Einsatz in Dämmputzen mit hoher Wahrscheinlichkeit verwirklicht werden kann. Mittels des umfangreichen Versuchsprogramms wird die Dauerhaftigkeit verifiziert und trägt so zum erfolgreichen Projektabschluss bei. Durch die grundlegende Erforschung des Systems GZP-MHGK ergibt sich ein hoher Wissenszuwachs, welcher durch auch in weiterführenden Projekten spezifiziert werden kann.

Das FIB plant institutsintern kurz- und mittelfristig die Durchführung von mindestens 2 Masterarbeiten sowie 2 Arbeiten im Rahmen des Wissenschaftlichen Kollegs zum Projektthema. Darüber hinaus werden Teile der Ergebnisse in einer Promotionsschrift verwertet.

Die Erkenntnisse werden sowohl während als auch nach Projektabschluss in der Fachliteratur und auf Kongressen (z.B. zur Gipstagung und zur ibausil in Weimar) publiziert.

Während des letzten Projektjahres wird die Beantragung eines sich anschließenden Forschungsprojektes bei der Deutschen Forschungsgesellschaft angestrebt, um die Grundlagenforschung zur Wechselwirkung zwischen MHGK und unterschiedlichen Bindemittelsystemen weiter vertiefen zu können.

Veröffentlichungen

Weitere Partner

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Kontakt

Azendorf 63, 95359 Kasendorf


Dipl.-Ing. Friedbert Scharfe

T: +49-9220-18-135 | +49-9220-18-200

friedbert.scharfe(at)franken-maxit.de

Förderkennzeichen

13N13186

Kurzfassung Teilprojekt

Für die Firma Franken Maxit steht in erster Linie eine innovative Produktentwicklung im Vordergrund. Durch Innovationen können die Wettbewerbsfähigkeit gestärkt und entscheidende –vorteile geschaffen werden. Ziel ist es daher, durch die Funktionalisierung der zu entwickelnden Baustoffe mit Mikrohohlglaskugeln bzw. Gips-Zement-Puzzolan-Bindemitteln deren Eigenschaften gegenüber vergleichbaren Produkten entscheidend zu verbessern.

 

Die MHGK-haltigen Bausysteme sollen folgenden Anforderungen genügen:

  • Verbesserte Ökobilanz
    Die Entwicklung von Werkstoffen für die energetische Sanierung des Gebäudebestandes ist ein primäres Ziel des Projektes. Um die Nachhaltigkeit der Produkte für diesen Zweck zu verbessern, soll das zementäre Bindemittelsystem durch Gips-Zement-Puzzolan-Bindemittel substituiert werden, welche sich durch eine verbesserte CO2-Bilanz auszeichnen.
    Darüber hinaus wird angestrebt, Emissionen während der Lebensdauer sowie des Recyclings möglichst zu vermeiden.
  • Strukturstabilität
    Eine gute Strukturstabilität ist insbesondere bei den Dämmputzen aufgrund der höheren Schichtdicken (gegenüber konventionellen Putzen) von Bedeutung. Die einzelnen Komponenten der Rezepturen dürfen sich nicht entmischen, um eine gleichbleibende Qualität gewährleisten zu können. Zudem müssen die Produkte rissfrei erhärten.
  • Gute Verarbeitbarkeit Eine gute Verarbeitbarkeit ist eines der wichtigsten Kaufkriterien für den Kunden. Hierdurch ist ein schneller Baufortschritt zu erzielen, so dass Arbeitszeit eingespart werden kann.
  • Niedrige Wärmeleitfähigkeit  sowie Optimierung Festigkeit – Wärmeleitfähigkeit
    Die zu entwickelnden Produkte sollten den momentanen Standard der Wärmeleitfähigkeit von 0,07 W/mK um bis zu 40 % auf 0,04 W/mK (bei vergleichbaren Festigkeiten) verringern.
  • Mindestfestigkeiten
    Hauptsächlich bei den Dämmputzen ist eine Mindestdruckfestigkeit zur Vermeidung von Schäden (z.B. während des Baustellenbetriebes) notwendig. Diese Systeme sollen eine Druckfestigkeit von mindestens 0,50 N/mm2. Zudem ist ein guter Haftverbund bei allen Produkten für einen erfolgreichen Einsatz entscheidend, so dass eine minimale Haftzugfestigkeit von 0,08 N/mm2 nicht unterschritten werden darf.
  • Dauerhaftigkeit der Eigenschaften
    Neben den Festigkeiten ist auch die Dauerhaftigkeit und Langzeitstabilität der Eigenschaften im besonderen Maße wichtig, um Reklamationen zu vermeiden und die Kundenzufriedenheit auf einem hohen Niveau zu halten.
  • Kostenreduzierung
    Die im Projekt entwickelten Baustoffe sollen nach Einführung in den industriellen Maßstab in weniger als 10 Jahren eine Amortisation der Sanierungskosten durch Einsparungen beim Energieverbrauch ermöglichen. Die hohe Verfügbarkeit kostengünstiger Rohstoffe und die einfache und schnelle Applizierbarkeit der Materialien und dadurch reduzierte Lohnkosten sind die Voraussetzungen um die Gesamtkosten bei Sanierungsmaßnahmen deutlich zu senken.
    Sofern die hervorragenden Verarbeitungseigenschaften MHGK-haltiger Produkte wie Wandfarben oder Spachtelmassen auf die EcoSphere-Baustoffe übertragen werden können, entsteht eine zusätzliche Hebelwirkung auf die Sanierungskosten durch eine Reduktion der Arbeitszeit und damit der Lohnkosten.
    Beispielsweise beträgt das Verhältnis Arbeitskosten zu Materialkosten bei der Fussbodendämmung gemäß Stand der Technik 65 : 35. Sofern durch eine schnellere Verarbeitung die Arbeitskosten um 15 % gesenkt werden können, würden die gesamten Baukosten bereits um 10 % sinken.
  • In Deutschland werden zurzeit ca. 40 Millionen Quadratmeter pro Jahr gedämmt davon 75 % mit Polystyrol. Die Brennbarkeit des Materials und die Dichtheit werfen Fragen auf, die nur durch eine neue Produktqualität in diesem Sektor gelöst werden kann. Der Erhalt der Fassaden und des Stadtbildes erfordert funktionierende Innendämmsysteme, wenn man bedenkt das 75 % aller Häuser vor der 1.Wärmeschutzverpordnung 1978 gebaut wurden.

    Die Franken Maxit Gruppe bewerkstelligt momentan ein Dämmvolumen von mehr als 1 Million Quadratmeter pro Jahr, zumeist ausgeführt mit Polystyrolplatten. Dieses Material gilt es mit den EcoSphere – Baustoffen zu ersetzen. Das Herstellen einer Dämmung mit Putztechnologie ist ca. 20 % zeitlich effizienter als das Anbringen in Plattenbauweise. Gerade der geschlossene Haftverbund zur Wand ist besonders bei der Innendämmung von Vorteil.

    Durch den Innovationsstepp wird die Dauerhaftigkeit, Energieeffizienz sowie Bau- und Wohnqualität gesteigert. Hierzu sind spezielle Marketingaktionen in Presse, Funk und Fachpublikationen direkt im Anschluss an die Markteinführung geplant.

    Bei erfolgreichem Projektabschluss ist geplant, dass Maxit die MHGK beim Partner 3M bezieht, die mineralischen MHGK-Dämmstoffe in den eigenen Werken formuliert und den Vertrieb übernimmt. Dies soll kurzfristig unmittelbar nach Projektabschluss realisiert werden. Ausnahme bilden die MHGK-Polymerapplikationen. Diese sollen vom Partner 3M selbst produziert, bzw. in Lizenz gefertigt werden.

    Inwieweit die aktuellen Fertigungsprozesse beim Partner Maxit an die besonderen Verarbeitungsbedingungen der MHGK angepasst werden müssen und welche Investitionen dafür erforderlich sind, kann erst bei Vorlage der Projektergebnisse beurteilt werden.

    Neben den verbesserten Eigenschaften und reduzierten Kosten ist eine Akzeptanz der Bauherren und Architekten von entscheidender Bedeutung. Hierzu müssen die Eigenschaften der MHGK-Baustoffe möglichst direkt nach Abschluss von unabhängiger Stelle geprüft und verbindliche Berechnung für die zu erwartenden Energieeinsparungen erstellt werden. Es wäre wünschenswert, wenn die vom BMBF geplanten Begleitmaßnahmen zur Projektevaluierung projektübergreifend entsprechende Standardisierungen vorbereitet und koordiniert werden könnten.

    Derzeit erwirtschaftet die Firma Franken Maxit Bereich der Wärmedämmverbundsysteme (Außendämmung) einen jährlichen Umsatz von 12 Mio. Euro in Deutschland. Dies entspricht einem Marktanteil von 1,5 %. Durch das in diesem Projekt entwickelte MHGK-Außendämmsystem soll mittelfristig eine Steigerung auf 10 % des Marktanteils in Deutschland realisiert werden.

    Im Bereich der Innendämmung ist die Firma Franken Maxit zurzeit nicht mit Produktlösungen vertreten. Durch den hier zu entwickelnden EcoSphere-Innendämmputz könnte Franken Maxit in ein neues Produktfeld einsteigen. In diesem Bereich wird mit einer Umsatzsteigerung von 1 Mio. Euro jährlich am Standort Deutschland gerechnet.

    Es wird angestrebt langfristig mit dieser neuen Technologie marktführend zu werden und die alten nachteiligen Technologien abzulösen.

    Veröffentlichungen

    Weitere Partner

    -

Kontakt

Dyneon GmbH

3M Advanced Materials Division

Industrieparkstr. 1, 84508 Burgkirchen


Dr. Klaus Hintzer, Dr. Bernd Gangnus, Dr. Tilmann Zipplies, Dr. Friedrich Wolff, Stefan Friedriech

T: +49-8679-75676

fwolff(at)mmm.com

Förderkennzeichen

13N13187

Kurzfassung Teilprojekt

MHGK-haltige Polymerapplikationen im Baubereich

Die MHGK-haltigen Polymere nehmen bei den Baustoffen eine Sonderstellung ein. Solche Polymerverbundwerkstoffe werden bereits für den Leichtbau (z.B. in der Luftfahrt und dem Automobilbau) erfolgreich eingesetzt. Die Verarbeitung von MHGK kann auf Standardanlagen erfolgen, allerdings ist dafür ein gewisses Know-how erforderlich, um die MHGK nicht zu zerstören. Dyneon/3M verfügt über die Erfahrung zur Compoundierung der Materialien und zum Spritzguss entsprechender Bauteile. Aufgrund des günstigen Festigkeits- zu Gewichtsverhältnis sollen Bauteile mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit für Bauapplikationen wie beispielsweise Anker für konventionelle Dämmplatten gefertigt werden und mit den Eigenschaften kommerzieller Bauteile verglichen werden.

Mit abnehmender Wärmeleitfähigkeit der MHGK nimmt auch deren Festigkeit ab. So besteht bei der Verwendung von MHGK Typen mit besonders geringer Wärmeleitfähigkeit die Gefahr, dass diese bei der Verarbeitung zerstört werden. Um dies zu verhindern, sollen unterschiedliche Compoundiermethoden untersucht und ggf. optimiert werden (z.B: Schneckenkonfiguration, Position der MHGK-Dosierung). Hierzu stehen verschiedene Verfahren wie ein Doppelschneckenextruder mit Seitendosierung sowie ein BUSS-Kneter zur Verfügung. Darüber hinaus verfügt Dyneon/3M die notwendige Erfahrung im Spritzguss, um auch hier Bauteile herzustellen ohne die MHGK zu zerstören. Die Analysen sollen zeigen, ob durch Optimierung der Verarbeitungsprozesse auch MHGK mit Festigkeiten, geringer als üblicherweise für Thermoplaste verwendet, eingesetzt werden können.

Beschichtung der MHGK

Die Anbindung der Kugeln an die polymere Matrix ist entscheidend, um trotz geringerem Anteil der Bindematrix die mechanischen Eigenschaften dieser Bauteile zu erhalten. Um die Anbindung zu verbessern, sollen die Kugeln im Projekt mit unterschiedlichen Beschichtungen modifiziert und dafür skalierbare Verfahren erarbeitet werden.

Einfluss der Glaszusammensetzung auf die Kosten und den Einsatz der MHGK-Baustoffe

Die bisher am Markt befindlichen Mikrohohlglaskugeln von 3M basieren auf Borosilikatglas. In diesem Arbeitspaket wird überprüft, wie Kosten reduziert werden können, wenn Kalk-Natron-Glas zur Herstellung der MHGK verwendet wird. Es ist zu erwarten, dass insbesondere in stark basischen Baustoffen die Verwendung von Kalk-Natron-Glas im Vergleich zu Borosilikatglas zu einer erhöhten Korrosion führt. Es wird daher überprüft, für welche Produkte eine Umstellung der Glassorte sinnvoll ist.

LCA für MHGK

Die Herstellung von glasbasierten Produkten ist aufgrund der hohen Schmelztemperaturen energieintensiv. Dennoch können glasbasierte Baustoffe kostengünstig hergestellt werden, wie das Beispiel der Glasfasern zeigt. Im Rahmen dieses Arbeitspaketes wird der kumulierte Energieaufwand (KEA), die Materialintensität des Herstellungsprozesses (MIPS) und eine ökologische Bewertung für MHGK auf Basis von Borosilikatglas und Natron-Kalk-Glas durchgeführt.

Veröffentlichungen

Weitere Partner

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Kontakt

Dr. Thorsten Gerdes, Dipl.-Ing. Benedikt Scharfe, Johanna Zimmermann M.Sc., Laura Schwinger M.Sc.

T: +49-921-557202 | F: +49-921-557205

Förderkennzeichen

13N13188

Kurzfassung Teilprojekt

Beschichtung der MHGK:

Für die Baustoffe ist die Anbindung der Kugeln an die polymere oder mineralische Matrix entscheidend, um trotz geringerem Anteil der Bindematrix die mechanischen Eigenschaften dieser Baustoffe zu erhalten. Um die Anbindung. Um die Anbindung zu verbessern, sollen die Kugeln im Projekt mit unterschiedlichen Beschichtungen modifiziert und dafür skalierbare Verfahren erarbeitet werden:

  • Silanisierung: Im Projekt wird die Silanisierung in flüssiger Phase mit der Silanisierung aus der Gasphase verglichen
  • Oxidische und Metallische Beschichtung: Zur Veränderung der Strahlungsabsorptionseigenschaften im Innen- und Außenbereich

Veränderung von Absorption/Reflexion der Fassade durch MHGK an der Oberfläche:

Durch eine Beschichtung der MHGK kann auf Grund einer Veränderung der Strahlungsabsorptionseigenschaften der nötige Heiz- und Kühlaufwand von Gebäuden reduziert werden. Dabei erfordert die Änderung der Matrix von Farben zu Putzen einen Entwicklungsaufwand im Bereich Dauerhaftigkeit der Kugeln, Eigenschaften als Zuschlagstoff und Kosten/Nutzen Evaluation. Auch neue Anwendungskonzepte gilt es zu erarbeiten.

Verfahrensentwicklung zur kontinuierlichen Beschichtung von MHGK im technischen Maßstab:

Bisher werden die Kugeln meist in Batch-Prozessen beschichtet bzw. funktionalisiert. Um eine Markteinführung hierdurch nicht zu gefährden, soll in der letzten Projektphase auf Basis der Ergebnisse eine Engineering-Studie einschließlich einer Kostenschätzung für die kontinuierliche Beschichtung der Kugeln folgen.

Veröffentlichungen

Weitere Partner

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