TY - THES

T1 - Funktionalisierung polymerer Phasenwechselmaterialien

AU - Strommer, Bettina

N1 - nicht gesperrt

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Entwicklung von polymeren Phasenwechselmaterialien (PCM) mit zwei Speichertemperaturen und deren Charakterisierung hinsichtlich anwendungsrelevanter thermo-physikalischer Eigenschaften. Hierzu wurden unterschiedliche Mischungen jeweils von Polypropylen (PP) bzw. von Polyethylen hoher Dichte (HDPE, zwei Typen) mit einem Paraffin (70:30 bzw. 50:50 gew.%), sowie von einem HDPE mit einem weiteren Polymer (Polyethylenglykol (PEG), lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE) und Polyamid 6 (PA6); 50:50 gew.%) erzeugt. Die verwendeten Mischungsarten waren Compounds (in einem Doppelschneckenextruder ineinander dispergiert), statistische Mischungen (händisches Vermischen von Granulaten) und Schichtenmischungen (Aufbau von Granulatschichten). Diese wurden in Mengen zwischen 100 und 200 g in einem Glasprüfgefäß bei Temperaturen von mind. 20 °C über der Schmelztemperatur der höherschmelzenden Komponente für bis zu 1440 h in Luftatmosphäre statisch ausgelagert. In bestimmten Zeitintervallen erfolgten Untersuchungen zur Durch- bzw. Entmischung, der thermo-oxidativen Stabilität sowie der Speicherkapazität der Materialmischungen mit dem Ziel ihre prinzipielle Eignung als PCM zu beurteilen. Die untersuchten PP-Paraffin Mischungen zeigten eine unzureichende thermo-oxidative Stabilität. Generell erwies sich PP als ungeeignet für die Anwendung als PCM. HDPE-Paraffin bzw. HDPE-Polymer Mischungen erwiesen sich hingegen als sehr gut geeignet für die Anwendung als PCM. Die Speicherkapazitäten dieser Materialien blieben im Untersuchungszeitraum weitgehend konstant. Im Zuge der Auslagerung bildete sich zunächst eine thermo-oxidativ degradierte Oberflächenschicht, die den Prüfkörper versiegelte und in der Folge einen – sofern aufgetretenen, weiteren – Materialabbau im Prüfkörperinneren bzw. ein Fortschreiten des Materialabbaus ins Probeninnere verhinderte. Bei HDPE-Paraffin Mischungen (Speicherkapazität 100-102 J/g für 50:50 gew.% bzw. 61 J/g für 70:30 gew.% bei 86°C sowie 110 J/g für 50:50 gew.% bzw. 153 J/g für 70:30 gew.% bei 136 °C – die Schmelzpeaks überlappen jedoch), bei denen es im Zuge der Auslagerung in keinem Fall zu einer Phasensegregation kam, war der Zeitpunkt der Bildung der Oberflächenschicht von der Mischungsart abhängig: während die schützende Oberflächenschicht bei den Compounds bereits nach 160h Auslagerungszeit deutlich ausgeprägt war, trat diese bei den statistischen Mischungen erst nach einer Auslagerungszeit von etwa 300h auf. Dieser Effekt korrelierte mit der Nullviskosität der Materialien. Bei HDPE-LLDPE Mischungen kam es während der Auslagerung zu einer teilweisen Phasensegregation, wobei dieses polymere PCM generell einen breiten Speichertemperaturbereich mit zwei Schmelzpeaks – dominanter Peak abhängig von der jeweiligen lokalen Mischungszusammensetzung – zeigte. Die Speicherkapazität lag zwischen 136-154 J/g bei 128 °C und zwischen 155-184 J/g bei 133 °C. Die HDPE-PEG Mischungen (Speicherkapazität 78 J/g bei 66 °C sowie 110 J/g bei 135 °C) und HDPE-PA6 Mischungen (Speicherkapazität 107 J/g bei 135°C sowie 33 J/g bei 220 °C) bildeten während der Auslagerung jeweils zwei klar getrennte Phasen, wobei das Polymer mit der geringeren Dichte die obere Schicht bildete. Durch die hohe Auslagerungstemperatur bei den HDPE-PA6 Mischungen hat sich die Speicherkapazität bei beiden Materialien im Probeninneren nach einer Auslagerungszeit von 240h um 9% (HDPE) und 6% (PA6) reduziert. Anschließend kam es zu keinen weiteren Änderungen der anwendungsrelevanten Eigenschaften.

AB - Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Entwicklung von polymeren Phasenwechselmaterialien (PCM) mit zwei Speichertemperaturen und deren Charakterisierung hinsichtlich anwendungsrelevanter thermo-physikalischer Eigenschaften. Hierzu wurden unterschiedliche Mischungen jeweils von Polypropylen (PP) bzw. von Polyethylen hoher Dichte (HDPE, zwei Typen) mit einem Paraffin (70:30 bzw. 50:50 gew.%), sowie von einem HDPE mit einem weiteren Polymer (Polyethylenglykol (PEG), lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE) und Polyamid 6 (PA6); 50:50 gew.%) erzeugt. Die verwendeten Mischungsarten waren Compounds (in einem Doppelschneckenextruder ineinander dispergiert), statistische Mischungen (händisches Vermischen von Granulaten) und Schichtenmischungen (Aufbau von Granulatschichten). Diese wurden in Mengen zwischen 100 und 200 g in einem Glasprüfgefäß bei Temperaturen von mind. 20 °C über der Schmelztemperatur der höherschmelzenden Komponente für bis zu 1440 h in Luftatmosphäre statisch ausgelagert. In bestimmten Zeitintervallen erfolgten Untersuchungen zur Durch- bzw. Entmischung, der thermo-oxidativen Stabilität sowie der Speicherkapazität der Materialmischungen mit dem Ziel ihre prinzipielle Eignung als PCM zu beurteilen. Die untersuchten PP-Paraffin Mischungen zeigten eine unzureichende thermo-oxidative Stabilität. Generell erwies sich PP als ungeeignet für die Anwendung als PCM. HDPE-Paraffin bzw. HDPE-Polymer Mischungen erwiesen sich hingegen als sehr gut geeignet für die Anwendung als PCM. Die Speicherkapazitäten dieser Materialien blieben im Untersuchungszeitraum weitgehend konstant. Im Zuge der Auslagerung bildete sich zunächst eine thermo-oxidativ degradierte Oberflächenschicht, die den Prüfkörper versiegelte und in der Folge einen – sofern aufgetretenen, weiteren – Materialabbau im Prüfkörperinneren bzw. ein Fortschreiten des Materialabbaus ins Probeninnere verhinderte. Bei HDPE-Paraffin Mischungen (Speicherkapazität 100-102 J/g für 50:50 gew.% bzw. 61 J/g für 70:30 gew.% bei 86°C sowie 110 J/g für 50:50 gew.% bzw. 153 J/g für 70:30 gew.% bei 136 °C – die Schmelzpeaks überlappen jedoch), bei denen es im Zuge der Auslagerung in keinem Fall zu einer Phasensegregation kam, war der Zeitpunkt der Bildung der Oberflächenschicht von der Mischungsart abhängig: während die schützende Oberflächenschicht bei den Compounds bereits nach 160h Auslagerungszeit deutlich ausgeprägt war, trat diese bei den statistischen Mischungen erst nach einer Auslagerungszeit von etwa 300h auf. Dieser Effekt korrelierte mit der Nullviskosität der Materialien. Bei HDPE-LLDPE Mischungen kam es während der Auslagerung zu einer teilweisen Phasensegregation, wobei dieses polymere PCM generell einen breiten Speichertemperaturbereich mit zwei Schmelzpeaks – dominanter Peak abhängig von der jeweiligen lokalen Mischungszusammensetzung – zeigte. Die Speicherkapazität lag zwischen 136-154 J/g bei 128 °C und zwischen 155-184 J/g bei 133 °C. Die HDPE-PEG Mischungen (Speicherkapazität 78 J/g bei 66 °C sowie 110 J/g bei 135 °C) und HDPE-PA6 Mischungen (Speicherkapazität 107 J/g bei 135°C sowie 33 J/g bei 220 °C) bildeten während der Auslagerung jeweils zwei klar getrennte Phasen, wobei das Polymer mit der geringeren Dichte die obere Schicht bildete. Durch die hohe Auslagerungstemperatur bei den HDPE-PA6 Mischungen hat sich die Speicherkapazität bei beiden Materialien im Probeninneren nach einer Auslagerungszeit von 240h um 9% (HDPE) und 6% (PA6) reduziert. Anschließend kam es zu keinen weiteren Änderungen der anwendungsrelevanten Eigenschaften.

KW - Latentwärmespeicher

KW - Phasenwechselmaterial

KW - PCM

KW - Polymerblend

KW - Polyethylen

KW - HDPE

KW - LLDPE

KW - Polypropylen

KW - PP

KW - Paraffin

KW - Paraffinwachs

KW - Polyethylenglykol

KW - PEG

KW - Polyamid

KW - PA6

KW - Latent Heat Storage

KW - Phase Change Material

KW - PCM

KW - Polymerblend

KW - Polyethylene

KW - HDPE

KW - LLDPE

KW - Polypropylene

KW - PP

KW - Paraffin

KW - Paraffin Wax

KW - Polyethyleneglycol

KW - PEG

KW - Polyamide

KW - PA6

M3 - Masterarbeit

ER -