Vakuumisolationspaneele verbessern die Dämmwirkung nicht durch dickere Materialstärken, sondern durch eine weiter reduzierte Wärmeleitfähigkeit. Wird nämlich der Gasdruck innerhalb des Paneels entsprechend abgesenkt, ist der Wärmetransport und die damit verbundene Wärmeleitung über das Gas fast vollständig eliminiert. Damit reicht schon ein sehr dünner Aufbau für eine exzellente Leistung. Die Technik stellt allerdings hohe Anforderungen an Material und Verarbeitung.

„Vakuum heißt der Zustand eines Gases, wenn in einem Behälter der Druck des Gases und damit die Teilchenzahldichte niedriger ist als außerhalb oder wenn der Druck des Gases niedriger ist als 300 mbar, d. h. kleiner als der niedrigste auf der Erdoberfläche vorkommende Atmosphärendruck“, so die DIN 28400 Teil 1. Das Prinzip, dass ein „luftleeres“ Volumen gut dämmt, nutzt bereits die Ende des 18. Jahrhunderts erfundene Thermoskanne. Denn die Absenkung des Gasdrucks innerhalb eines Volumens (Evakuieren) unterdrückt die Gaswärmeleitung. Eine ausreichend dichte Hülle – bei der Thermoskanne sind hierfür Edelstahl, Aluminium oder Glas erforderlich – verhindert, dass der Gasdruck einen kritischen Bereich überschreitet.
Zylindrische Gehäuse, wie bei Thermoskannen, sind von sich aus druckstabil. Um aber die hocheffiziente Dämmtechnik auf flache Paneele zu übertragen, wie sie zur Dämmung im Bauwesen benötigtwerden, sind besondere Füllmaterialien oder Strukturen für den Zwischenraum nötig. Diese müssen in der Lage sein, dem äußeren atmosphärischen Belastungsdruck von 1 bar standzuhalten, was einer Gewichtslast von 10 t/m² entspricht. Ein VIP besteht deshalb im Wesentlichen aus einem plattenförmigen, druckfesten Kernmaterial und einer ausreichend dichten Umhüllung.

Kriterien für Füllmaterialien

Damit ein Werkstoff als Kern für eine Vakuumdämmung in Frage kommt, muss dieser evakuierbar sein und eine möglichst geringe Gesamtwärmeleitfähigkeit aufweisen. Es ist eine komplett offene Struktur erforderlich. Da das Füllmaterial die mechanischen Druckkräfte tragen muss, ist bei gleicher Materialartmeist eine höhere Dichte erforderlich als bei herkömmlichen, nicht evakuierten Dämmstoffen. Neben einer niedrigen Festkörperwärmeleitfähigkeit wird außerdem angestrebt, die Infrarot-Wärmestrahlung möglichst weit abzuschwächen. Bei den geringen Gesamtwärmeleitfähigkeiten der evakuierten Systeme fällt diese Komponente relativ gesehen stärker ins Gewicht. Hier hilft der Zusatz von Infrarot-Trübungsmitteln wie Ruß, Eisenoxid oder Siliziumcarbid. Die Gaswärmeleitfähigkeit verliert durch das Evakuieren an Bedeutung.
Wie weit dafür der Gasdruck in den VIP-Elementen abgesenkt werden muss, hängt wesentlich von der Größe der Poren ab. Je feiner diese sind, um so geringer sind die Anforderungen an die Qualität des Vakuums. Je nach Kernmaterial liegt er zwischen 0,1 und etwa 20 mbar (Grobvakuum). Dieser Vakuumdruckmuss nicht nur während der Herstellung der Elemente erreicht, sondern auch während der gesamten Nutzungsdauer aufrechterhalten werden. Damit ergeben sich je nach Füllmaterial unterschiedliche Anforderungen an die Dichtigkeit der Hülle.

Materialwahl für die Füllung

Als Kernmaterialien kommen offenporige Polymerschäume (z. B. spezielle Polyurethan- oder Polystyrolschäume), Glasfasern, Pulver als Schüttungen oder Presslinge (z. B. aus Kieselsäuren) oder Aerogele in Frage. Schäume und Glasfasern benötigen ein qualitativ hochwertigeres Vakuum mit einem Gasdruck von weniger als 1 mbar. Bei den besonders feinteiligen pyrogenen Kieselsäuren oder Aerogelen reicht bereits ein Gasdruck von etwa 10 bis 50 mbar, um die Gaswärmeleitung weitgehend zu unterdrücken. Die Gesamtwärmeleitung verdoppelt sich erst bei einem Restgasdruck von typischerweise 100 mbar (Abb. 8). Da kein Füllmaterial alle Vorteile in sich vereint, hängt die Wahl der VIP-Füllung vor allem von den physikalischen Eigenschaften der Umhüllung und dem Anwendungszweck ab.Bei nanostrukturierten pyrogenen Kieselsäuren ist die Wärmeleitfähigkeit auch im belüfteten Zustand mit 0,018 W/(mK) nur etwa halb so groß wie bei konventionellen Dämmstoffen. Neben den vergleichsweise geringen Anforderungen an die Dichtigkeit der Hülle, prädestiniert auch der Aspekt, dass im Falle des Komplettversagens der Vakuumhülle noch ein Mindestwärmeschutz zur Vermeidung von Schimmelpilzbildung gegeben ist, dieses Material zur Herstellung dauerhafter Vakuumdämmelemente für das Bauwesen.

Als Kieselsäuren werden künstlich hergestellte Siliziumdioxide (SiO₂) bezeichnet, die in natürlicher Form wesentlicher Bestandteil von Sand sind. Nanostrukturierte pyrogene Kieselsäuren entstehen meist als Randprodukt bei der Wafer-Silizium-Produktion. Sie sind toxikologisch unbedenklich, gut zu recyceln, nicht brennbar und verursachen keine schädlichen Emissionen. Ein weiterer Vorteil ihrer feinen Struktur ist, neben der geringen Empfindlichkeit auf ansteigenden Gasdruck, die hohe Sorptionsfähigkeit für Wasserdampf, der durch die Hülle in geringen Mengen eindringen kann. Nanostrukturierte Pulver lassen sich, anders als gröbere Materialien, besonders gut zu Platten pressen und daher gut im VIP-Herstellungsprozess verarbeiten.

Kriterien für Hüllmaterialien

Ob sich ein Material als Umhüllung eignet, hängt in erster Linie von dessen Gasdichtigkeit ab. Für die Lebenserwartung eines VIP ist außerdem die Dichtigkeit gegen Wasserdampf von Bedeutung. Zudem ist eine niedrige Wärmeleitfähigkeit entscheidend, um den Wärmebrückeneffekt im Randbereich der Paneele möglichst gering zu halten. Wegen der mechanischen Beanspruchungen im Bauwesen sollte das Hüllmaterial auch eine ausreichende Durchstoßfestigkeit aufweisen.

Materialwahl für die Hülle

Grundsätzlich eignen sich die für Thermoskannen verwendeten Hüllmaterialien Edelstahl, Aluminium oder Glas auch für flache Vakuumisolationspaneele. In Kombination mit Füllmaterialien wie Schäumen oder Fasern erreichen sogar nur diese Materialien die für langlebige Produkte erforderliche hohe Gasdichtigkeit. In der Praxis verwenden die Hersteller für die Umhüllung von VIP am häufigsten mehrfach aluminiumbedampfte Kunststoffhochbarrierelaminate, Aluminiumverbundfolien und Metallfolien oder -bleche aus Edelstahl.

• Metallisierte Hochbarrierelaminate

Der sperrige Name beschreibt recht gut den vielschichtigen Aufbau dieser Folien. Sie bestehen aus mehreren Schichten von Polymeren, die sich durch ihre geringe Wärmeleitfähigkeit sowie hohe Belastbarkeit auszeichnen. Da die Barrierewirkung reiner Polymerfolien insbesondere gegen Wasserdampf für die Anwendung bei VIP jedoch bei Weitem nicht ausreicht, erhöhen zusätzliche metallische Schichten aus Aluminium, Aluminiumoxid oder Siliziumoxid die Dichtheit. Eine solche Sperrschicht kann im Bedampfungsprozess nicht perfekt und fehlerfrei hergestellt werden, deshalb sind mehrere davon erforderlich – im Bauwesen typischerweise drei.
Bei den Hochbarrierelaminaten sind ausschließlich die innenliegenden Schichten metallisiert. Die äußerste Schicht muss vor Umwelt- und Umgebungseinflüssen schützen, mdie innerste dient als Siegelmaterial. Je nach Randbedingung und Anforderung an das VIP werden für die einzelnen Lagen Polyester, Polyamid, Polypropylen oder auch Polyethylen verwendet. Als Siegelmaterial kommt meist Polyethylen zum Einsatz, seltener Polypropylen.

Der größte Vorteil dieser mehrfach beschichteten, mehrlagigen Kunststofflaminate liegt in der geringen Wärmeleitfähigkeit. Da die Schichtdicke des Aluminiums im gesamten Aufbau lediglich nur etwa 100 nm ausmacht, hat das Metall keinen signifikanten Einfluss auf die effektive Wärmeleitfähigkeit des VIP. Die bedampften Folien sind, sofern Aluminium als Sperrschicht eingesetzt wird, unter gewissen Bedingungen korrosionsanfällig.

• Aluminiumverbundfolien

Aluminiumverbundfolien für VIP bestehen aus einer Aluminiumfolie mit einer Schichtdicke zwischen 6 und 12 μm in der Mitte und zwei Kunststofffolien auf den Außenseiten. Der Vorteil einer solchen metallischen Umhüllung ist ihre hohe Gasdichtigkeit. Der Nachteil ist der starke Wärmefluss über den Paneelrand, der die effektive Dämmwirkung des VIP mindert. Dieser Randeffekt ist umso ausgeprägter, je dicker die Metallschicht und je kleiner das Paneel ist.

Die Herstellung von VIP

Die Herstellung der Vakuumdämmplatten entspricht im Wesentlichen der Vakuumverpackungstechnik aus der Lebensmittelindustrie. Die Hauptunterschiede liegen in den Abmessungen der VIP und den gesteigerten Anforderungen an den zulässigen Restgasdruck (Vakuum). Je nach Produktionsverfahren wird zunächst der Kern aus vorgepressten Platten auf ein gewünschtes, beliebiges Format zurechtgeschnitten oder es wird für jede Plattengröße eine spezielle Pressform benötigt, was die Flexibilität im Fertigungsprozess einschränkt. Der Kern wird dann in eine Hülle entsprechender Größe gesteckt. Die Evakuierung des VIP erfolgt grundsätzlich in einer Vakuumkammer. Ihre Größe bestimmt die maximal möglichen Abmessungen der Paneele (z. B. 2 x 1 m).