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Mit fortschreitenden Anforderungen an Energieeffizienz und Nachhaltigkeit rückt die präzise Charakterisierung thermischer Kennwerte von Dämmstoffen in den Vordergrund. Die thermische Leitfähigkeit (λ) ist hierbei die zentrale Größe für die Bewertung der Dämmleistung – sowohl im Neuzustand als auch über den gesamten Lebenszyklus eines Baustoffs. Doch wie verlässlich können diese Werte gerade bei modernen Werkstoffen wie Polyurethan-Schäumen, Aerogelen oder faserbasierten Dämmstoffen gemessen und bewertet werden? Die Laser Flash Methode (LFA) hat sich als hochpräzise und dynamische Lösung auf diesem Feld etabliert.
Prinzip und Vorteile der Laser Flash Analyzer Methode
Materialien im Fokus: Polyurethan, Aerogele, Faserstoffe
Polyurethan
Polyurethan (PU)-Schaumstoffe zeigen exzellente Dämmleistungen mit typischen λ-Werten unter 0,026 W/(m·K). Ihr Vorteil liegt in der feinen Porenstruktur, die Gasphasenleitung unterdrückt. Wissenschaftliche Untersuchungen von Wagner (Universität Stuttgart) belegen jedoch, dass sich die Wärmeleitfähigkeit über die Nutzungsdauer langsam erhöht, da das Treibmittel-Gas in den Zellen allmählich durch Luft ersetzt wird. Labormessungen liefern belastbare Temperatur-Abhängigkeiten, insbesondere bei Feuchteaufnahme oder Alterung, was für die Langzeitbewertung essentiell ist (Wagner, 2010).
Aerogele
Aerogele, insbesondere Silica- und Carbon-Aerogele, setzen neue Maßstäbe bei der Dämmung mit Werten bis unter 0,015 W/(m·K), sind aber zugleich messtechnisch herausfordernd. Porosität, anisotrope Strukturen und hohe Streuung der Partikelgrößen verlangen nach Verfahren mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung.
Bei Aerogel-basierten Werkstoffen konnte gezeigt werden, dass die Kombination aus Versuchen bei getrockneter und mit Feuchte beaufschlagter Probe eine belastbare Aussage über den Einfluss von Alterung und Feuchteeintrag auf die Wärmeleitfähigkeit ermöglicht. Studien von Lakatos et al. (2025) zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit von Aerogel nach kurzzeitiger Temperaturbelastung zunächst steigen kann, unter realen Gebäudebedingungen aber bemerkenswert stabil bleibt (Lakatos et al., 2025).
Faserstoffe
Faserbasierte Dämmstoffe (z.B. Glas-, Steinwollebasiert oder natürliche Fasern) profitieren von der LFA-typischen Flexibilität. Durch die Möglichkeit, sowohl In-Plane- als auch Out-of-Plane-Temperaturleitfähigkeiten zu erfassen, kann auch die Anisotropie (bevorzugter Wärmefluss entlang der Faserausrichtung) quantifizierbar gemacht werden – entscheidend für realistische Bauteilbewertungen.
LFA im Methodenvergleich: Wann ist welche Messmethode optimal?
Die Wahl der geeigneten Messmethode für thermische Eigenschaften hängt stark vom Material, der gewünschten Genauigkeit und den Randbedingungen ab. Während stationäre Verfahren wie die Guarded Hot Plate (GHP) oder Heat Flow Meter (HFM) nach DIN EN 12664 und DIN EN 12667 ihre etablierte Rolle in der Normprüfung haben, zeigt die LFA-Methode deutliche Vorteile in spezifischen Anwendungsbereichen.
Stationäre Verfahren (GHP/HFM) eignen sich besonders für:
- Große, homogene Proben bei Raumtemperatur
- Direkte Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit ohne zusätzliche Materialparameter
- Normgerechte Qualitätsprüfung für Zertifizierungen
- Materialien mit sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit (<0,1 W/(m·K))
Die Laser Flash Analyse bietet demgegenüber entscheidende Vorteile bei:
- Temperaturabhängigen Messungen: LFA deckt Bereiche von -100°C bis über 1000°C ab, während GHP/HFM meist auf 10-70°C begrenzt sind
- Kleinen Probenmengen: LFA benötigt nur wenige cm² Material, ideal für teure Entwicklungsmaterialien wie Aerogele
- Schnellen Messzyklen: Eine LFA-Messung dauert Minuten statt Stunden bei stationären Methoden
- Inhomogenen oder anisotropen Materialien: Durch die Möglichkeit kleine Proben zu vermessen können lokale Unterschiede erfasst, sowie die richtungsabhängigen Unterschiede geprüft werden
- Alterungsstudien: Die hohe Reproduzierbarkeit ermöglicht präzise Verfolgung von Materialveränderungen
Besonders bei der Charakterisierung moderner Dämmstoffe zeigt sich die Überlegenheit der LFA: Während eine GHP-Messung an einem Aerogel-Paneel mehrere Stunden dauert und große Probenflächen erfordert, liefert die LFA in wenigen Minuten hochpräzise Daten auch von kleinen Materialproben.
Anwendungen in der Dämmstoffindustrie
Die LFA-Methode findet vielfältige Anwendung in der Praxis der Dämmstoffindustrie:
Qualitätskontrolle in der Produktion: In der industriellen Fertigung von Dämmstoffen ermöglicht die LFA-Methode durch kurze Messzeiten eine deutlich höhere Prüffrequenz als konventionelle Verfahren. Die schnelle Rückmeldung zu thermischen Eigenschaften erlaubt es, Prozessschwankungen frühzeitig zu erkennen und gegenzusteuern, beispielsweise bei Variationen im Treibmittelgehalt von Schaumstoffen.
Materialentwicklung für Extrembedingungen: Bei der Entwicklung von Hochtemperaturdämmstoffen für industrielle Anwendungen zeigt sich der Vorteil des breiten Temperaturbereichs der LFA. Kontinuierliche Temperaturrampen können kritische Phasenübergänge und Strukturveränderungen aufdecken, die bei punktuellen Messungen nicht sichtbar würden. Diese Informationen sind essentiell für die Optimierung von Materialformulierungen.
Zuverlässigkeit der Wärmeleitwerte über den Lebenszyklus
Die realitätsnahe Bewertung der Dämmleistung über Jahrzehnte bleibt eine zentrale Herausforderung. Besonders Feuchte und Alterung können λ teils erheblich beeinflussen. Die LFA-Methode ist sensibel genug, um auch kleine Effekte durch Gasdiffusion, Versprödung oder Langzeitalterung zu detektieren und schafft so die Basis für belastbare Alterungsprognosen:
Feuchtebelastung
Wasser erhöht die Wärmeleitfähigkeit deutlich, da die Porenstruktur nun mit einem besser leitenden Medium gefüllt wird. LFA-Messungen an Materialmustern unter definierten Klimabedingungen ermöglichen die Quantifizierung dieser Effekte und somit eine modellgestützte Prognose der Langzeit-Dämmwirkung.
Strukturelle Veränderungen
Bei Aerogelen kann Schrumpfung nach Trocknung, Porenvergrößerung oder unterschiedliche Anteile verschiedener Porengrößen zu veränderten Wärmeleiteigenschaften führen. Die Kombination aus ortsaufgelöster Messung und paralleler Strukturanalyse (z.B. SAXS, SEM) hebt LFA von klassischen Methoden ab.
Alterungseffekte
Polyurethan kann im Laufe der Zeit an Diffusionsdichtigkeit verlieren, was sich durch ansteigende Wärmeleitwerte äußert. LFA-Analysen über Chargen und Belastungsreihen liefern hier robuste Daten auch zur Qualitätssicherung.
Messpräzision und Einflussfaktoren
Die Genauigkeit der Laser-Flash-Messung wird durch verschiedene Faktoren bestimmt:
- Probendicke und Geometrie: Die exakte Bestimmung der Probenstärke ist kritisch, da Fehler hier quadratisch ins Ergebnis eingehen
- Oberflächenbehandlung: Unterschiedliche Absorptionseigenschaften beeinflussen die Temperaturerhöhung und damit die Messgenauigkeit
- Temperaturstabilität: Schwankungen in der Probenumgebungstemperung können zu Messunsicherheiten führen
- Materialveränderungen: Alterungseffekte beeinflussen sowohl die tatsächlichen Materialwerte als auch die Reproduzierbarkeit der Messungen
Durch die Kontrolle und Dokumentation dieser Faktoren kann die Laser-Flash-Methode höchste Genauigkeit und Verlässlichkeit auch für Lebenszyklusanalysen von Dämmstoffen gewährleisten.
Fazit: LFA als Schlüssel zur Lebenszyklusbewertung moderner Dämmstoffe
Die Laser Flash Analyzer Methode liefert schnell, hochaufgelöst und exakt experimentelle Daten über die Wärmeleitfähigkeit unterschiedlichster Dämmstoffe und ist damit das ideale Werkzeug nicht nur für die Werkstoffentwicklung, sondern auch für die Lebensdauervorhersage im Bauwesen. Im Zusammenspiel mit strukturanalytischen Methoden und zyklischen Alterungsprüfungen eröffnet LFA-gestützte Messtechnik der Labor- und Forschungspraxis neue Möglichkeiten zur Qualitätssicherung und Optimierung energieeffizienter Bauprodukte.
Die wissenschaftliche Evidenz belegt dabei eine unterschiedliche Langzeitstabilität der verschiedenen Materialklassen: Während Polyurethan über Jahrzehnte einen leichten, aber prognostizierbaren Anstieg der Wärmeleitfähigkeit zeigt, weisen hochwertige Aerogele unter normalen Nutzungsbedingungen eine extreme Langzeitstabilität auf. Die LFA-Methode ermöglicht es, diese Alterungsprozesse präzise zu quantifizieren und somit verlässliche Grundlagen für nachhaltige Bauplanungen zu schaffen.
Referenzen
- ASTM E1461: Standard Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method. ASTM International.
- Wagner, K. (2010): Simulation und Optimierung des Wärmedämmvermögens geschlossenzelliger PUR-Hartschaumstoffe. Dissertation, Universität Stuttgart. Online: https://elib.uni-stuttgart.de
- Heinemann, U. et al. (2020): Long-Term Performance of Super-Insulating Materials in Building Applications. IEA-EBC Annex 65, Subtask I State-of-the-Art Report.
- Lakatos, Á. et al. (2025): Identifying the alteration in the thermal properties of aerogel materials. ScienceDirect. Online: https://www.sciencedirect.com
