Beitragsbild: mit KI erstellt (Symbolbild)
Phasenwechselmaterialien (PCM) sind Stoffe, die beim Übergang zwischen fest und flüssig große Mengen Wärme aufnehmen oder abgeben, ohne dass sich dabei ihre Temperatur wesentlich ändert. In der Verpackung nutzt man diesen Effekt, um Sendungen über Stunden oder Tage in einem engen Temperaturfenster zu halten – etwa beim Versand von Medikamenten, Impfstoffen, Lebensmitteln oder anderen temperaturempfindlichen Gütern.
Wie Phasenwechselmaterialien funktionieren
Physikalisch handelt es sich bei PCM um Latentwärmespeicher: Beim Schmelzen nimmt das Material Wärme auf, beim Erstarren gibt es dieselbe Wärmemenge als Kristallisationsenthalpie wieder ab. Weil diese latente Wärme deutlich größer ist als die sensible Wärme, die beim bloßen Erwärmen oder Abkühlen ohne Phasenwechsel gespeichert wird, hält ein PCM-Element die Temperatur in seiner Umgebung über einen vergleichsweise langen Zeitraum nahe der Schmelztemperatur konstant – dem sogenannten Temperaturplateau. Zum Vergleich: Eis speichert beim Schmelzen rund 334 Kilojoule pro Kilogramm, Hartparaffin mit einem Schmelzpunkt von etwa 60 °C liegt bei 200 bis 240 Kilojoule pro Kilogramm, und das Salzhydrat Natriumacetat-Trihydrat (Schmelzpunkt 58 °C) speichert rund 226 Kilojoule pro Kilogramm.
Für die Auswahl gilt eine einfache Grundregel: Der nutzbare Temperaturbereich einer PCM-Anwendung orientiert sich an der Schmelztemperatur des eingesetzten Materials. Wer also eine Sendung bei +5 °C halten will, benötigt ein PCM mit Schmelzpunkt nahe +5 °C – nicht ein beliebiges Kühlelement, dessen Wirkung nur zufällig in diesen Bereich fällt.
Materialklassen: Paraffine und Salzhydrate
PCM werden grob in zwei Werkstoffgruppen unterteilt. Organische PCM basieren meist auf Paraffinen oder Fettsäuren, anorganische PCM auf Salzhydraten wie Natriumacetat-Trihydrat oder Glaubersalz. Der Hersteller Rubitherm etwa ordnet seine PCM-Produkte entsprechend in eine organische RT-Serie und eine anorganische SP-Serie ein. Salzhydrate liefern bei gleicher Masse häufig eine höhere Schmelzwärme als Paraffine, neigen aber stärker zur Unterkühlung – also zu verzögertem Erstarren unterhalb der eigentlichen Schmelztemperatur – und können korrosiv wirken, weshalb sie in Kühlelementen meist in einer geschlossenen Kunststoffhülle eingesetzt werden. Paraffine sind chemisch stabiler und unterkühlen kaum, speichern pro Kilogramm aber tendenziell weniger Wärme. Eine ausführliche Definition mit Anwendungsbeispielen auch außerhalb der Verpackung, etwa im Bauwesen, liefert der PCM-Glossareintrag von Baunetzwissen.
| Merkmal | Paraffine (organische PCM) | Salzhydrate (anorganische PCM) |
|---|---|---|
| Beispiel | Hartparaffin | Natriumacetat-Trihydrat, Glaubersalz |
| Schmelzpunkt (Beispielwert) | ca. 60 °C | 58 °C bzw. 32,5 °C (Glaubersalz) |
| Latente Wärme (Beispielwert) | 200–240 kJ/kg | rund 226 kJ/kg |
| Rubitherm-Produktserie | RT-Serie (organisch) | SP-Serie (anorganisch) |
Schmelztemperaturklassen für die Kühlverpackung
Für den Versand wählt man ein PCM mit einem Schmelzpunkt, der im gewünschten Zieltemperaturbereich der Sendung liegt. Anbieter von Kühlverpackungen führen dafür typischerweise mehrere Temperaturklassen im Sortiment, etwa Varianten mit Schmelzpunkten um +5 °C, +18 °C, +22 °C oder im Tiefkühlbereich um −21 °C. Der Systemanbieter va-Q-tec bietet PCM mit Schmelztemperaturen von −67 °C bis +37 °C sowie einer latenten Wärme von in der Regel über 200 Joule pro Gramm an, unter anderem als formstabile Akkuhüllen, Folienblister oder in Standardgebinden von 0,2 bis 6 Liter Inhalt.
Besonders verbreitet ist die Klasse um +5 °C: Sie liegt im Zentrum der pharmazeutischen Kühlkette von +2 bis +8 °C. Bei korrekter Auslegung der Verpackung lässt sich damit eine Ganzjahresbestückung realisieren – dieselbe PCM-Konfiguration funktioniert im Sommer wie im Winter, ohne dass das Packmuster saisonal angepasst werden muss. Für Sendungen bei kontrollierter Raumtemperatur kommen dagegen PCM-Varianten mit Schmelzpunkten um +18 °C oder +22 °C zum Einsatz.
Auch im Lebensmittelversand wird mit weiteren Temperaturklassen gearbeitet: Anbieter von Kühlverpackungen nennen unter anderem Schmelzpunkte um +4 °C, −18 °C und −30 °C, etwa für Fischkisten, Lachsversandboxen oder Tortenboxen. Ein handelsüblicher PCM-Kühlakku im Hartschalenformat wiegt dabei beispielsweise rund 1.160 Gramm bei den Maßen 266 × 266 × 26 Millimeter und ist stapelbar in der Box angeordnet, um Lücken zu vermeiden und die Kühlleistung zu optimieren.
Einsatz in Verpackung und temperaturgeführtem Versand
In der Praxis wird PCM in Hartschalen- oder Softshell-Kühlakkus, in Folienblistern oder direkt in die Isolierung von Versandboxen integriert. Solche PCM-Kühlelemente ergänzen die eigentliche Wärmedämmung – etwa Styropor- oder Vakuumisolierpaneele – und puffern Temperaturschwankungen während des Transports ab, statt sie nur zu verlangsamen. Welche Isolierformate dabei üblich sind und wie sie mit Kühlelementen zusammenspielen, beschreibt der Beitrag zum temperaturgeführten Versand.
Im Packmuster sitzt das PCM meist ringsum das eigentliche Produkt, damit dieses möglichst gleichmäßig im Temperaturplateau des Kühlelements verbleibt. Weil sich Außentemperatur, Sendungsdauer und Isolierstärke von Fall zu Fall unterscheiden, wird das Zusammenspiel aus Isolierbox, PCM-Menge und Schmelzpunkt für ein Verpackungssystem üblicherweise durch Sommer- und Winterprofile qualifiziert, bevor es im Regelbetrieb eingesetzt wird.
Abgrenzung zu klassischen Kühlakkus und Trockeneis
Ein gewöhnlicher Wasser- oder Eis-Kühlakku puffert die Temperatur nur exakt bei 0 °C; außerhalb dieses Punkts liefert er lediglich sensible Wärme, seine Temperatur steigt oder fällt also ohne Plateau. PCM-Kühlelemente lassen sich dagegen gezielt auf den tatsächlich benötigten Zieltemperaturbereich der Sendung auslegen, etwa auf +5 °C für die Pharma-Kühlkette statt pauschal auf 0 °C. Im Tiefkühlbereich tritt PCM zudem als Alternative zu Trockeneis an: Ein von va-Q-tec entwickeltes PCM für Transporte bis −70 °C gilt nach IATA-Vorschriften nicht als Gefahrgut und lässt sich nach Herstellerangaben viele hundert Male ohne Leistungsverlust wiederverwenden – Trockeneis dagegen ist als Gefahrgut eingestuft und nur einmal nutzbar.
Wiederverwendbarkeit und Nachhaltigkeit
Weil PCM-Elemente ihre Speicherwirkung über zahlreiche Lade- und Entladezyklen behalten, lassen sie sich im Gegensatz zu Einweg-Kühlmitteln wie Trockeneis mehrfach im Kreislauf führen, etwa über Rücknahmesysteme der Isolierverpackungshersteller. Das reduziert sowohl Abfall als auch den wiederkehrenden Materialbedarf je Sendung. Neben der reinen Kühlwirkung rückt bei temperaturgeführten Sendungen zunehmend auch die Klimabilanz der Isolierung selbst in den Fokus – dazu mehr im Beitrag zur Klimaverpackung.
Häufig gestellte Fragen
Was sind Phasenwechselmaterialien und wie funktionieren sie?
PCM sind Latentwärmespeicher: Sie nehmen beim Schmelzen Wärme auf und geben dieselbe Menge beim Erstarren wieder ab, wobei die Temperatur während des Phasenübergangs annähernd konstant bleibt.
In welchen Verpackungen werden PCM eingesetzt?
Vor allem in Hartschalen- und Softshell-Kühlakkus, in Folienblistern sowie in Standardgebinden für Isolierboxen; dort ergänzen sie die eigentliche Wärmedämmung der Verpackung.
Welche Schmelztemperaturen sind in der Kühlkette üblich?
Verbreitet sind Klassen um +5 °C für die Pharma-Kühlkette (+2 bis +8 °C), um +18 °C beziehungsweise +22 °C für Sendungen bei Raumtemperatur sowie um −21 °C für den Tiefkühlbereich; einzelne Systemanbieter decken ein Spektrum von −67 °C bis +37 °C ab.
Wie lange halten Phasenwechselmaterialien ihre Temperaturwirkung aufrecht?
Das hängt von PCM-Masse, Isolierung der Verpackung und Außentemperatur ab und wird für jedes Verpackungssystem individuell qualifiziert. Anbieter wie va-Q-tec geben für ihre PCM-Systeme im temperaturgeführten Transport eine konstante Temperaturhaltung über mehrere Tage an.
Sind Phasenwechselmaterialien wiederverwendbar und nachhaltig?
Ja: PCM-Kühlelemente lassen sich – anders als Trockeneis – nach Herstellerangaben viele hundert Male ohne nennenswerten Leistungsverlust wiederverwenden und senken so den Einweg-Kühlmittelbedarf im temperaturgeführten Versand.