Analytisches Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop
Final Report Abstract
Das im Jahr 2013 neu beschaffte Rasterelektronenmikroskop wird im Rahmen der Fachgebietsforschung des Unterzeichners vorrangig in seinen aktuellen Arbeitsrichtungen “Polymermodifizierte Mörtel und Betone (PCC)“, “Rückgewinnung und Anwendung hydraulischer Bindemittel aus calciumsilikathydratgebundenen Baustoffen“ (Abbruchbeton; Faserzemente) sowie “Optimierung von hydrothermal gehärteten Baustoffen“ (Porenbeton, Kalksandstein) genutzt. Auf dem Gebiet des PCC kommt der Rasterelektronenmikroskopie insbesondere die Aufgabe zu, die Beschaffenheit der Polymerphase zu dokumentieren und somit Korrelationen zwischen Gefügemerkmalen und den makroskopischen Baustoffeigenschaften zu ermöglichen. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf thermoplastischen Polymeren, die angesichts oberhalb der Anwendungstemperatur liegender Glasübergangs- bzw. Mindestfilmbildetemperatur die mikroskopische Prüfung erfordern, inwieweit Verfilmung der eingebrachten Dispersionspartikel im Zuge der PCC-Herstellung durch die Hydratationswärme oder eine nachträgliche Wärmebehandlung erfolgt ist. Andernfalls verbleiben die Polymerteilchen in ihrer typischen, nur mittels REM abbildbaren globularen Form. Die hiermit verbundene mangelnde Ankopplung an das mineralische System und die fehlende Ausbildung einer kohärenten Phase steht im Einklang mit den Ergebnissen mechanischer Prüfungen, speziell der (Biege-)Zugfestigkeit entsprechender Prüfkörper, in denen sich die mangelnde Wirksamkeit der Polymermodifizierung dokumentiert. Bilden sich dagegen mikroskopisch beobachtbare membran- oder strangförmige Polymerstrukturen innerhalb des mineralischen Gefüges aus, zeigt sich deren Wirkung vor allem in einer signifikanten Erhöhung der Biegezugfestigkeit, die sich fallweise mehr als verdoppelt. Gleichermaßen lässt sich die Verbesserung dauerhaftigkeitsrelevanter Eigenschaften (Frost-Tau(salz)-Widerstand, Abriebfestigkeit, Säurewiderstand, Salzkristallisationswiderstand, kapillare Wasseraufnahme) von Hochleistungsbetonen, wie sie zur Herstellung von Betonwaren und Fertigteilen genutzt werden, auf mikroskopisch darstellbare Gefügemerkmale zurückführen. Bei Verwendung vernetzbarer thermoplastischer Dispersionen lässt sich zeigen, dass unter Verzicht auf eine Wärmebehandlung sowohl starke adhäsive als auch kohäsive Effekte der Polymerphase zur Erhöhung der Festigkeit genutzt werden können. Resümierend lässt sich gestützt auf die REM-Befunde aufzeigen, dass PCC der beschriebenen Art die Möglichkeit bieten, Betone zur Anwendung unter besonders rauen Beanspruchungen, wie sie etwa im Bereich von offshore-Windkraftanlagen gegeben sind, zu formulieren, die hinsichtlich der dauerhaftigkeitsrelevanten Kennwerte sowohl Normalbetonen als auch Hochleistungsbetonen überlegen sind. Ziel der Aktivitäten im Bereich Recycling von Asbestzementabfällen mittels eines Niedertemperatur-/ Niederenergieverfahren ist die Rückgewinnung hydraulischer Bindemittel unter gleichzeitiger Fasereliminierung. Mittels analytischer Rasterelektronenmikroskopie (REM/EDX) als Methode der Wahl konnte zum einen die Brauchbarkeit des in umfangreichen Versuchen entwickelten kombiniert mechanischthermischen Verfahrens hinsichtlich des Kriteriums „Asbestfreiheit“ entsprechend den Anforderungen der Gefahrstoffverordnung erbracht werden. Als Nachweismethode kam das REM-Verfahren gemäß BIA- Richtlinie 7487 zur Anwendung. Zum anderen dient REM/EDX neben der Röntgendiffraktometrie (XRD) der auf quantitative Mikroanalysen gestützten Identifizierung der im Zuge von Festkörperreaktionen bei der thermischen Behandlung neu gebildeten Phasen. Entscheidend für die Anwendbarkeit der aus Faserzementerzeugnissen oder Betonbrechsanden sowie weiteren calciumsilikathydratgebundenen Baustoffen gewonnenen Rezyklate ist die Erzeugung von Phasen hinreichender Reaktivität. Dies gelingt durch die Festkörpersynthese von Dicalciumsilikatphasen höherer hydraulischer Aktivität, als sie die bekannte β-Phase („Belit“) des Zementklinkers aufweist. Analysenmethode der Wahl ist hier XRD, mittels der auch die Neubildung von CR4RAF (Brownmillerit) nachzuweisen ist. Mit REM/EDX lassen sich daneben röntgenografisch nicht identifizierbare Phasen aufzeigen sowie der Einbau von Fremdatomen in die neu gebildeten Calciumsilikate. Mit Blick auf den hydrothermal gehärteten Baustoff Porenbeton ist anzumerken, dass die Anwendungseigenschaften des Letztgenannten – Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Schwindverhalten und Dauerhaftigkeit – in besonderem Maße von dessen Mikrostruktur bestimmt werden. Über die unverzichtbare Identifizierung und Quantifizierung der maßgeblichen kristallinen Phasen und den etwaigen Nachweis amorpher Phasen durch XRD hinaus liefert die Rasterelektronenmikroskopie ergänzend anschauliche Informationen zum Habitus der Gefügebestandteile und zur Porosität. So lassen sich rezeptur- und/oder verfahrensbedingte Qualitätsunterschiede mittels REM bereits unmittelbar nach der Herstellung anhand von Gefügemerkmalen aufzeigen. Im Unterschied zu anderen elektrochemischen Oberflächenbehandlungsverfahren lassen sich durch plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) Beschichtungen biokompatibler Metalle erzeugen, die angesichts ihrer porösen Oberflächenbeschaffenheit in besonderem Maße geeignet erscheinen, in der chirurgischen Prothetik Anwendung zu finden. Dies konnte im Rahmen der Zusammenarbeit des Fachgebiets des Unterzeichners mit Kollegen der TU Koszalin, Faculty of Mechanical Engineering, Division of Surface Electrochemistry, unter anderem mit Hilfe von REM/EDX-Untersuchungen zur Charakterisierung der Oberflächenbeschaffenheit und zum Nachweis des Einbaus von Cu-Ionen als antibakteriellen Inhaltsstoffen der mittels PEO abgeschiedenen Schichten aufgezeigt werden.
Publications
- SEM and EDS analysis of Nitinol surfaces treated by Plasma Electrolytic Oxidation. Advances in Material Science, De Gruyter
K. Rokosz, T. Hryniewicz, P P Ł. Dudek, W. Malorny
(See online at https://doi.org/10.1515/adms‐2015‐0014) - Characterization of coatings created on selected titanium alloys by Plasma Electrolytic Oxidation. Advances in Material Science, Vol. 16, No. 1 (47), March 2016, p. 5-16
K. Rokosz, T. Hryniewicz, W. Malorny
(See online at https://doi.org/10.1515/adms-2016-0001) - Characterization of porous coatings obtained on materials by Plasma Electrolytic Oxidation. Novel Trends in Production devices and Systems III, 2016, p. 86-95. ISBN: 978-3-03835-728-5
K. Rokosz, T. Hryniewicz, W. Malorny
(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.862.86)
