A Circular Economy Approach to Multifunctional Sandwich Structures: Polymeric Foams for District Heating Pre-Insulated Pipes

Abstract

District heating pre-insulated pipes are a sandwich structure of material layers. Polyurethane foam bonds the medium pipe with the casing, providing an insulating function as well as a load bearing function. The high toxicity of the di-isocyanates required for its manufacturing triggers the need for a replacement. In this work, alternatives have been researched and developed considering the requirements of the circular economy. Two technology readiness levels (TRL) were covered. The higher TRL involved the evaluation of commercially available polymeric foam alternatives. Polyethene terephthalate foam was selected, and its ageing behaviour concerning degradation sources inherent to the application was studied in detail to confirm the fulfilment of the required service life. No degradation of the mechanical properties was found after exposure to thermal cycles or hygrothermal conditions at temperatures below its glass transition, which would correspond to the scenario of groundwater ingress. The previously determined highest service temperature of 80ºC was found conservative, as annealing at 100ºC increases its strength, allowing this service temperature. All results suggest it is a suitable candidate for the insulation of steel medium pipes. The fast embrittlement upon exposure to hot moisture, as would occur due to permeation of the heat carrier through a plastic pipe, prevents its recommendation for this case.The lower TRL research involved the re-evaluation of the complete sandwich assembly, from a cradle-to-cradle perspective. The foamability of polybutene-1 was explored, with the ultimate target of allowing the manufacturing of the sandwich element out of a single material, as to facilitate its recycling. Favourable grades for foaming were identified, confirming its foamability. The relationships between process parameters and the foam’s microstructure were evaluated. Foams in the required size for mechanical and insulating properties characterization were successfully produced. Mechanical properties of PU from state-of-the-art flexible plastic medium pipes fall in the prediction bands obtained from the produced PB-1 foams. This provides confidence on the suitability for the application.

Vorgedämmte Fernwärmerohre bestehen aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien. Im Standardfall verbindet ein Polyurethanschaum das Mediumrohr aus Stahl mit der Ummantelung aus Polyethylen. Der Schaum hat die Funktion der Wärmedämmung und ist für den kraftschlüssigen Verbund zwischen den Schichten zuständig. Durch die hohe Toxizität der für die Herstellung von Polyurethan erforderlichen Di-Isocyanate ist die Nachhaltigkeit des Polyurethanschaumes in Frage gestellt und es ist zukünftig wahrscheinlich ein Ersatz erforderlich. In dieser Arbeit wurde unter Berücksichtigung der Anforderungen der Kreislaufwirtschaft untersucht, welche Alternativen möglich sind. Es wurden dabei zwei unterschiedliche Stufen des technologischen Reifegrades (engl. TRL=Technology Readiness Level) abgedeckt. Auf dem höheren Reifegrad wurden kommerziell verfügbare polymere Schaumstoffalternativen bewertet. Ausgewählt wurde der Polyethylenterephthalat-Schaumstoff, dessen Alterungsverhalten im Hinblick auf anwendungsspezifische Degradationsquellen eingehend untersucht wurde. Dabei wurde keine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften festgestellt, nachdem der Schaum thermischen Zyklen oder hygrothermischen Lastkollektiven bei Temperaturen unterhalb des Glasübergangs ausgesetzt war. Die in der Literatur verbreitete maximale Betriebstemperatur von 80 ºC erwies sich als konservativ. Es wurde festgestellt, dass durch das Glühen des Materials im Betrieb die Festigkeit erhöht wird, wodurch eine Betriebstemperatur von 100°C ermöglicht wird. Alle Ergebnisse deuten darauf hin, dass Polyethylenterephthalat ein geeigneter Kandidat für die Dämmung von Stahlmediumrohren ist. Bei Kunststoffmediumrohren ist infolge von Dampfdiffusion in die Dämmung eine schnelle Versprödung bei Einwirkung von heißer Feuchtigkeit zu erwarten. Daher kann Polyethylenterephthalat für die Dämmung von Kunststoffrohren nicht empfohlen werden.Auf dem niedrigeren Reifegrad wurde der gesamte mehrschichtige Aufbau von Rohrleitungen für den Wärmetransport unter dem cradle-to-cradle Prinzip neu bewertet. Die Schaumherstellung von recyclebaren Polybuten-1 wurde mit dem Ziel untersucht, eine vorgedämmte Rohrleitung für den Wärmetransport aus einem einzigen Material zu ermöglichen, um Schwierigkeiten der Materialtrennung für einen geschlossenen Materialkreislauf zu umgehen. Insbesondere wurde der Druckabfall, welcher den größten Einfluss auf die Mikrostruktur des Schaums hatte, im Herstellungsprozess eingehend untersucht. Letztlich wurden Schäume hergestellt, die alle technischen Anforderungen für den Einsatz beim leitungsgebundenen Wärmetransport erfüllten. Insbesondere liegen die mechanischen Eigenschaften der Polybuten-1-Schäume in der Größenordnung des bisher üblichen Polyurethan-Schaumes für flexible Wärmerohre.