Offenzellige und geschlossenzellige Dämmstoffe: Was ist der Unterschied?

Das Wichtigste auf einen Blick

Der grundlegende Unterschied zwischen offenzelligen und geschlossenzelligen Dämmstoffen liegt darin, ob ihre Zellen miteinander verbunden sind.

Bei geschlossenzelligen Materialien sind die Zellen weitgehend voneinander isoliert und von durchgehenden Zellwänden umschlossen. Sie schließen Gas mit geringer Wärmeleitfähigkeit ein, begrenzen Luftbewegungen und verringern im Allgemeinen das Eindringen von Feuchtigkeit. Geschlossenzellige Materialien weisen deshalb typischerweise eine geringere Wärmeleitfähigkeit, eine höhere Druckfestigkeit und eine bessere Feuchtigkeitsbeständigkeit auf.

Bei offenzelligen Materialien sind die Poren miteinander verbunden. Luft und Wasserdampf können sich dadurch freier durch die Struktur bewegen. Diese Materialien sind im Allgemeinen weicher, flexibler und wasserdampfdurchlässiger sowie besser für die Schallabsorption geeignet. Häufig sind sie auch kostengünstiger.

Allerdings reagieren offenzellige Materialien meist empfindlicher auf Feuchtigkeit. Dringt Wasser in das zusammenhängende Porennetzwerk ein, kann ihre Wärmedämmleistung deutlich abnehmen.

Vereinfacht gilt:

• Geschlossenzellig: geringere Durchlässigkeit, höhere Festigkeit      und bessere Feuchtigkeitsbeständigkeit.

• Offenzellig: weicher, wasserdampfdurchlässiger und besser zur      Schallabsorption geeignet.

Keine der beiden Strukturen ist grundsätzlich überlegen. Entscheidend ist die jeweilige Anwendung.

1. Was beim Vergleich offenzelliger und geschlossenzelliger Dämmstoffe zu beachten ist

Die Unterscheidung erscheint zunächst einfach. Für einen technisch aussagekräftigen Vergleich müssen jedoch mehrere Bedingungen berücksichtigt werden.

1.1 Zwischen vollständig offenen und vollständig geschlossenen Zellen gibt es Übergänge

Reale Materialien besitzen nicht immer ausschließlich offene oder ausschließlich geschlossene Poren. Schaumstoffe werden deshalb häufig anhand ihres Anteils geschlossener Zellen charakterisiert. Dieser lässt sich beispielsweise nach folgenden Normen bestimmen:

• ASTM D6226

• ISO 4590

Materialien mit einem sehr hohen Anteil geschlossener Zellen werden in der Regel als geschlossenzellige Schaumstoffe eingeordnet. Überwiegen miteinander verbundene Poren, spricht man von offenzelligen Schaumstoffen.

Bei einem konkreten Produkt ist der tatsächlich gemessene Anteil geschlossener Zellen aussagekräftiger als eine reine Vermarktungsbezeichnung wie „offenzellig“ oder „geschlossenzellig“.

1.2 Unter trockenen Laborbedingungen kann der Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit geringer ausfallen

Bei offenzelligen und geschlossenzelligen Schaumstoffen mit ähnlicher Polymermatrix muss der Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit unter trockenen Laborbedingungen nicht besonders groß sein.

Im praktischen Einsatz kann er deutlicher hervortreten, wenn folgende Faktoren hinzukommen:

• Feuchtigkeitsaufnahme,

• Kondensation,

• Luftbewegung,

• Druckunterschiede und

• langfristige Umwelteinwirkungen.

Das ist besonders relevant, weil zusammenhängende offene Poren den Transport von Feuchtigkeit und Luft durch das Material erleichtern.

1.3 Faserdämmstoffe sind keine offenzelligen Schaumstoffe

Steinwolle und Glaswolle besitzen keine zellige Schaumstruktur. Zwischen ihren Fasern befinden sich vielmehr miteinander verbundene Lufträume.

Dadurch können sie bestimmte Transporteigenschaften aufweisen, die denen offenporiger Strukturen ähneln, etwa Luftdurchlässigkeit und Feuchtigkeitstransport. Sie sollten jedoch nicht als offenzellige Schaumstoffe eingeordnet werden.

Als Vergleichsmaterialien sind sie geeignet; ihre strukturelle Einordnung ist jedoch eine andere.

1.4 Temperaturbeständigkeit und Brandverhalten hängen vor allem von der Materialchemie ab

Bei organischen Schaumstoffen wie PU, EPS, XPS und NBR werden Temperaturbeständigkeit und Entflammbarkeit vor allem durch die chemische Zusammensetzung und die thermische Stabilität des Basispolymers bestimmt.

Die offen- oder geschlossenzellige Struktur allein bestimmt weder die Feuerbeständigkeit noch die maximale Einsatztemperatur. Wärmedämmleistung und Brandverhalten müssen deshalb getrennt beurteilt werden.

2. Wie die Porenstruktur das Materialverhalten beeinflusst

Die meisten praktischen Unterschiede lassen sich auf eine grundlegende Frage zurückführen: Sind die Zellen durch geschlossene Wände voneinander getrennt oder sind die Poren miteinander verbunden?

Diese Struktur beeinflusst die Gasbewegung, die Wärmeübertragung, den Feuchtigkeitstransport und das mechanische Verhalten.

2.1 Gaseinschluss: Wärmeleitfähigkeit und Konvektion

Geschlossenzelliger Schaumstoff schließt Gas in voneinander isolierten Zellen im Mikrometerbereich ein. Da das Gas nicht frei zwischen den Zellen zirkulieren kann, werden großräumige Gasbewegungen stark eingeschränkt und die natürliche Konvektion unterdrückt.

Einige geschlossenzellige Schaumsysteme enthalten außerdem Treibmittel mit geringer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise HFOs oder Pentan. Diese Gase können Wärme schlechter leiten als Luft und damit die effektive Wärmeleitfähigkeit des Schaumstoffs zusätzlich verringern.

Bei offenzelligen Strukturen steht die Gasphase über die verbundenen Poren leichter mit der Umgebung in Verbindung. Temperatur- und Druckunterschiede sowie äußere Luftströmungen können deshalb die Gasbewegung innerhalb der Struktur beeinflussen.

Unter praktischen Einsatzbedingungen kann dies zu einer stärkeren Wärmeübertragung führen als unter idealisierten, trockenen Laborbedingungen.

2.2 Feuchtigkeitstransport: Dauerhaftigkeit und langfristige Wärmedämmleistung

Der Umgang mit Feuchtigkeit gehört zu den wichtigsten praktischen Unterschieden zwischen offen- und geschlossenzelligen Dämmstoffen.

Geschlossene Zellen begrenzen das Eindringen von flüssigem Wasser und verringern den Wasserdampftransport. Dadurch bleibt die gasgefüllte Struktur, auf der die Wärmedämmung beruht, besser erhalten.

Flüssiges Wasser hat eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,6 W/(m·K). Das ist mehr als das Zwanzigfache des Werts ruhender Luft von etwa 0,026 W/(m·K).

Dringt Wasser in einen porösen Dämmstoff ein und ersetzt dort das schlecht wärmeleitende Gas, kann die Wärmeübertragung erheblich zunehmen. In offenzelligen Materialien kann Feuchtigkeit aufgrund des zusammenhängenden Porennetzwerks leichter eindringen und sich ausbreiten.

Bei Durchfeuchtung können je nach Material und Umgebungsbedingungen folgende Folgen auftreten:

• höhere Wärmeleitfähigkeit,

• geringerer Wärmewiderstand,

• Frost-Tau-Schäden,

• Schimmelrisiko und

• Schädigung der Materialmatrix.

Deshalb kann der praktische Unterschied zwischen offen- und geschlossenzelligen Dämmstoffen in feuchten oder nassen Umgebungen deutlich größer ausfallen.

2.3 Lastübertragung: Festigkeit, Kompression und Haptik

Auch das mechanische Verhalten hängt stark von der Porenstruktur ab. Geschlossenzellige Strukturen lassen sich als eine Vielzahl mikroskopisch kleiner, gasgefüllter Kammern verstehen.

Bei Druckbelastung wirken sowohl die Zellwände als auch das eingeschlossene Gas der Verformung entgegen. Geschlossenzellige Schaumstoffe bieten deshalb im Allgemeinen:

• eine höhere Druckfestigkeit,

• eine höhere strukturelle Steifigkeit und

• einen höheren Widerstand gegen Verformung unter Last.

Bei offenzelligen Materialien kann Gas beim Zusammendrücken durch das verbundene Porennetzwerk ausweichen. Das Material lässt sich dadurch leichter verformen und ist im Allgemeinen:

• weicher,

• leichter komprimierbar,

• flexibler und

• rückstellfähiger.

Diese Eigenschaften gehen allerdings meist mit einer geringeren Druckfestigkeit einher.

Was die Porenstruktur bewirkt

Die Porenstruktur schafft kein neues physikalisches Gesetz. Sie bestimmt vielmehr, in welchem Maß ein Material wichtige Transport- und Übertragungswege zulässt oder begrenzt: Wärmeleitung durch das Gas, Konvektion und Luftströmung, Feuchtigkeitswanderung sowie mechanische Lastübertragung.

3. Offenzellige und geschlossenzellige Dämmstoffe im Vergleich

Die folgenden Angaben sind typische, in der Industrie veröffentlichte Wertebereiche bei Raumtemperatur und unter relativ trockenen Bedingungen.

Die tatsächlichen Eigenschaften hängen von Rezeptur, Dichte, Feuchtigkeit, Temperatur, Alterung, Einbau und Prüfverfahren ab.

Diese Angaben sind repräsentative Bereiche und keine universellen Materialkonstanten.

Dämmstoffe sollten nicht allein nach ihrer Wärmeleitfähigkeit ausgewählt werden. Feuchtigkeitseinwirkung, mechanische Belastung, verfügbare Schichtdicke, Wasserdampftransport, akustische Anforderungen, Dauerhaftigkeit und Einbaubedingungen beeinflussen, welche Porenstruktur am besten geeignet ist.

4. Wichtige Kennwerte und Prüfverfahren

Mehrere standardisiert ermittelbare Kennwerte helfen dabei, offen- und geschlossenzellige Dämmsysteme zu unterscheiden.

4.1 Anteil geschlossener Zellen

Der Anteil geschlossener Zellen lässt sich beispielsweise nach ASTM D6226 oder ISO 4590 bestimmen. Damit kann quantitativ beschrieben werden, welcher Anteil einer Schaumstruktur aus voneinander isolierten Zellen besteht.

4.2 Wasseraufnahme

Zur Bestimmung der Wasseraufnahme können beispielsweise Prüfverfahren nach ASTM D2842 oder EN 12087 herangezogen werden.

Dieser Kennwert ist besonders bei erdberührten Bauteilen, Dächern, kältetechnischen Anwendungen und anderen feuchtigkeitsbelasteten Einsatzbereichen wichtig.

4.3 Wasserdampfdurchlässigkeit

Der Wasserdampfdurchgang kann beispielsweise nach ASTM E96 untersucht werden.

Diese Unterscheidung ist wichtig: Ein Material kann wenig flüssiges Wasser aufnehmen und dennoch in gewissem Maß Wasserdampf durchlassen.

4.4 Wärmeleitfähigkeit von Wasser und Luft

In der Nähe der Raumtemperatur gelten näherungsweise:

• Flüssiges Wasser: etwa 0,6 W/(m·K)

• Ruhende Luft: etwa 0,026 W/(m·K)

Der große Unterschied erklärt, warum Feuchtigkeitsaufnahme die Wärmedämmleistung poröser Materialien erheblich verringern kann.

5. Welche Porenstruktur eignet sich für welche Anwendung?

Die Auswahl hängt wesentlich von den Umgebungsbedingungen und den mechanischen Anforderungen ab. Als einfache Orientierung gilt:

• Trocken, weich, wasserdampfdurchlässig und schallabsorbierend: Offenzellige Strukturen können vorteilhaft sein.

• Nass, druckbelastet, empfindlich gegenüber Tauwasser oder      tragend: Geschlossenzellige Strukturen sind      häufig besser geeignet.

• Extrem dünn, flexibel und feuchtigkeitsdurchlässig: Moderne flexible, poröse Dämmstoffe können infrage kommen.

5.1 Geschlossenzellige Materialien: feuchte, kalte oder druckbelastete Einsatzbereiche

Geschlossenzellige Materialien sind besonders dann geeignet, wenn die Dämmung Feuchtigkeit oder Druck standhalten muss oder dauerhaft an kalten Oberflächen eingesetzt wird.

Kellerböden und erdberührte Dämmung

XPS wird häufig im erdberührten Bereich eingesetzt, weil es Wärmedämmung, geringe Wasseraufnahme und hohe Druckfestigkeit verbindet.

Umkehrdächer

Bei einem Umkehrdach liegt die Dämmschicht oberhalb der Dachabdichtung. Da die Dämmung wiederholt mit Wasser in Kontakt kommen kann, ist eine geringe Wasseraufnahme besonders wichtig. Geschlossenzellige Materialien eignen sich deshalb besonders für diese Bauweise.

Kälteleitungen und Kühlhäuser

Geschlossenzellige NBR- und EPDM-Dämmstoffe werden häufig an Kälte- und Kaltwasserleitungen eingesetzt. Hier muss die Dämmung sowohl Wärmedämmung als auch Tauwasserschutz leisten.

Eine geringe Wasserdampfdurchlässigkeit hilft, den Feuchtigkeitstransport zu kalten Oberflächen zu begrenzen.

Kühlkettenbehälter und maritime Anwendungen

Geschlossenzellige Materialien können mehrere Funktionen zugleich übernehmen: Wärmedämmung, mechanische Unterstützung, Feuchtigkeitsbeständigkeit und Auftrieb. Das macht sie für Kühlkettenbehälter, maritime Systeme und weitere anspruchsvolle Einsatzbereiche geeignet.

5.2 Offenzellige Materialien: trockene Anwendungen mit hohen Anforderungen an Weichheit, Akustik oder Dampfdurchlässigkeit

Offenzellige Strukturen sind häufig vorteilhaft, wenn Weichheit, Schallabsorption oder Wasserdampftransport wichtiger sind als Feuchtigkeitsbeständigkeit und Druckfestigkeit.

Dachböden und Hohlräume in Innenwänden

Offenzelliger Sprühschaum und Faserdämmstoffe können in relativ trockenen Innenbereichen eingesetzt werden, in denen Weichheit und die Ausfüllung von Hohlräumen wichtig sind. Je nach gesamtem Gebäudeaufbau kann der Wasserdampftransport auch die Austrocknung unterstützen.

Schallabsorbierende Anwendungen

Offenzellige Strukturen können Schallenergie sehr wirksam abbauen. Wenn Schallwellen in das verbundene Porennetzwerk eindringen, wird ein Teil ihrer Energie durch viskose Reibung und Luftbewegungen im Inneren in Wärme umgewandelt.

Typische Anwendungen sind Tonstudios, Bürodecken, Technikräume und Akustikpaneele.

Flexible Füllungen und Polsterungen

Ihre Weichheit und Komprimierbarkeit machen offenzellige Materialien für Möbelpolster, Schutzpolsterungen, weiche Auflagen und flexible Dichtungsanwendungen geeignet.

5.3 Bekleidung und Outdoor-Ausrüstung

Bei Bekleidung stellt sich eine andere technische Aufgabe als bei der Gebäudedämmung. Im Bauwesen kann eine geringe Wasserdampfdurchlässigkeit erwünscht sein, um das Eindringen von Feuchtigkeit in die Dämmschicht zu begrenzen. Der menschliche Körper gibt dagegen fortlaufend Wärme und Wasserdampf ab.

Wärmedämmende Materialien für Bekleidung müssen deshalb häufig Wärmedämmung, Flexibilität, geringe Dicke, Feuchtigkeitstransport und Tragekomfort miteinander verbinden.

Herkömmliche Isoliermaterialien für Bekleidung wie Daunen, synthetische Wattierungen und Faserfüllungen halten Luft in dreidimensionalen Strukturen fest. Sie können wirksam dämmen, benötigen dafür aber meist ein gewisses Bauschvolumen und können bei Nässe an Dämmleistung verlieren.

Moderne flexible, poröse Dämmstoffe bieten einen weiteren möglichen Ansatz. Materialien wie Y-Warm sind darauf ausgelegt, innerhalb einer dünnen, flexiblen Struktur Wärme zu dämmen und zugleich Wasserdampf passieren zu lassen.

Die Materialauswahl für Bekleidung geht damit über die reine Entscheidung zwischen „offenzellig“ und „geschlossenzellig“ hinaus. Sie ist eine umfassendere Aufgabe der Materialentwicklung.

Ziel ist ein ausgewogenes Verhältnis zwischen geringer Wärmeleitfähigkeit, Feuchtigkeitsdurchlässigkeit, Flexibilität, Dicke und Dauerhaftigkeit.

5.4 Gemischte Strukturen und Verbundsysteme

In technischen Systemen werden offen- und geschlossenzellige Materialien häufig kombiniert. Die Hülle eines Kühlhauses kann beispielsweise bestehen aus:

• geschlossenzelligen Platten für Wärmedämmung und      Feuchtigkeitsbeständigkeit,

• geschlossenzelligem Schaumstoff an Fugen und Wärmebrücken sowie

• einer innenliegenden Akustik- oder Deckschicht mit offenerer      Struktur.

Daran zeigt sich ein wichtiger Grundsatz: Offen- und geschlossenzellige Materialien können innerhalb desselben Systems einander ergänzende Funktionen übernehmen.

Fazit: Entscheidend ist die gezielte Steuerung von Wärme, Feuchtigkeit und Belastung

Der grundlegende Unterschied ist strukturell: Geschlossenzellige Materialien enthalten weitgehend voneinander isolierte Zellen; offenzellige Materialien besitzen miteinander verbundene Poren.

Das beeinflusst weit mehr als nur die Wärmeleitfähigkeit. Auch Gasbewegung, Konvektion, Feuchtigkeitstransport, Druckfestigkeit, Flexibilität und akustisches Verhalten hängen davon ab.

Geschlossenzellige Materialien sind im Allgemeinen besser geeignet, wenn zusätzlich Feuchtigkeitsbeständigkeit, Tauwasserschutz, Druckfestigkeit oder die Einbindung in tragende Strukturen gefragt sind. Offenzellige Materialien bieten häufig Vorteile, wenn Weichheit, Flexibilität, Wasserdampfdurchlässigkeit oder Schallabsorption im Vordergrund stehen.

Die moderne Dämmstoffentwicklung geht jedoch zunehmend über diese Zweiteilung hinaus. Bei Bekleidung, Schuhen und anderen flexiblen Systemen müssen Wärmedämmung und Feuchtigkeitstransport mitunter in einer extrem dünnen Struktur vereint werden.

Die beste Dämmstruktur ist daher diejenige, die Wärme, Feuchtigkeit, Luft und mechanische Kräfte für die vorgesehene Anwendung am wirksamsten steuert.

Häufig gestellte Fragen

1. Was dämmt besser: offenzelliger oder geschlossenzelliger      Schaumstoff?

Unter vergleichbaren trockenen Bedingungen und bei gleicher Dicke weist geschlossenzelliger Schaumstoff häufig eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf. In feuchter Umgebung kann der praktische Unterschied noch größer werden, weil offenzellige Materialien mehr Feuchtigkeit aufnehmen können.

Die tatsächliche Dämmleistung hängt jedoch von Dichte, Polymerchemie, Treibmittel, Temperatur, Feuchtigkeit und Prüfbedingungen ab.

2. Kann offenzellige Dämmung im Außenbereich oder im Erdreich      eingesetzt werden?

Das ist nur möglich, wenn der gesamte Aufbau einen ausreichenden Schutz vor Wasser und unkontrollierter Feuchtigkeitseinwirkung bietet.

Bei dauerhaft nassen, erdberührten oder besonders tauwasserempfindlichen Anwendungen sind geschlossenzellige Materialien im Allgemeinen besser geeignet, weil sie weniger Wasser aufnehmen und eine geringere Wasserdampfdurchlässigkeit aufweisen.

3. Warum ist geschlossenzelliger Schaumstoff häufig teurer?

Seine Herstellung kann eine genauere Kontrolle der Schäumungsbedingungen, der Zellkeimbildung, der Temperatur, des Drucks, der Treibmittelchemie und der Prozessstabilität erfordern. Diese Anforderungen können die Produktion aufwendiger und teurer machen.

Offenzellige Schaumstoffe können mit weniger Material auskommen und lassen sich häufig mit geringerer Dichte herstellen. Das kann die Kosten senken.

4. Welche Struktur eignet sich besser zur Schallabsorption?

Offenzellige Materialien sind im Allgemeinen besser zur Schallabsorption geeignet. Ihre verbundenen Poren lassen Schallwellen eindringen; durch viskose Reibung und Luftbewegungen im Inneren wird Schallenergie abgebaut.

Geschlossenzellige Materialien absorbieren meist weniger Schall. Dichte geschlossenzellige Schichten können innerhalb eines mehrschichtigen Aufbaus dennoch zur Luftschalldämmung beitragen.

5. Ist EPS offenzellig oder geschlossenzellig?

EPS gilt im Allgemeinen als überwiegend geschlossenzellig. Die meisten Zellen innerhalb der einzelnen expandierten Polystyrolperlen sind geschlossen.

An den Grenzen zwischen den miteinander verschweißten Perlen können jedoch zusätzliche Transportwege für Feuchtigkeit entstehen. Deshalb nimmt EPS langfristig in der Regel mehr Wasser auf als XPS, obwohl beide Materialien überwiegend geschlossenzellig sind.