MIKOPUK – Unterkühlung in mikro-kompartierten organischen PCM

Der Einsatz von Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials, PCM) ist ein vielversprechender Ansatz um Wärme natürlicher Quellen und Senken (Tag und Nacht) zwischen zu speichern und sie zum nötigen Zeitpunkt zur Verfügung zu stellen. Beim Phasenwechsel (z.B. fest zu flüssig) können PCMs in einem schmalen Temperaturbereich relativ viel Wärmeenergie speichern oder abgeben. Zur besseren Handhabung werden die PCMs oft mikroverkapselt oder emulgiert. Durch die Mikrokompartimentierung liegt die Erstarrungstemperatur jedoch häufig deutlich unterhalb der Schmelztemperatur. Diese sogenannte Unterkühlung ist für viele Anwendungen hinderlich. Mit systematischen Untersuchungen soll ein grundlegendes Verständnis der physikalischen Gesetzmäßigkeiten erlangt und auf Basis der experimentellen Ergebnisse Modelle entwickelt werden, die eine Vorhersage der Kristallisationseigenschaften erlauben.

Mit dem Projekt »MIKOPUK« wird gezielt die Unterkühlung von mikrokompartimentierten PCMs, insbesondere von mikroverkapselten und emulgierten Paraffinen untersucht. Im Vordergrund steht die Frage nach den Mechanismen, die zur Unterkühlung führen. Das Ziel ist, ein Modell für die Unterkühlungsmechanismen zu entwickeln, um in Zukunft z. B. Aussagen über geeignete Materialkombinationen treffen zu können.

Hierfür werden durch das Fraunhofer ISE die mikrokompartimentierten PCMs hergestellt. Dabei kommen verschiedene Materialkombinationen aus Kapselhüllmaterial bzw. Tensiden und PCMs zum Einsatz. Nach der Herstellung der Mikrokompartimente wird ihr Schmelz- und Kristallisationsverhalten mittels dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) untersucht und die Partikelgröße über ein Laserbeugungsverfahren bestimmt. Neben der DSC-Analyse wird das Kristallisationsverhalten mittels temperaturgesteuerte Polarisationsmikroskopie untersucht. Damit kann die Kristallisation einzelner Kompartimente beobachtet und einer Größe zugeordnet werden. Durch einen Vergleich mit den Ergebnissen der DSC-Charakterisierung können so gezielt Wechselwirkungen zwischen dem Verlauf einer Kristallisation, den verwendeten Materialkombinationen und der Größe eines Kompartiments ermittelt werden. Aus den hierdurch gewonnen Ergebnissen soll ein Modell entwickelt werden, das eingebettet in ein Simulationswerkzeug, die Möglichkeit schaffen soll, gezielt nach Materialien oder Stoffen zu suchen, die die Kristallisation bei mikroverkapselten und/oder emulgierten Paraffinen fördern.