Long-time behaviour of ceramic-like silicate composites
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden Verbundwerkstoffe auf Basis von Geopolymeren hergestellt. Das Ziel lag dabei in der Verstärkung des alumosilicatischen Matrixmatehals mit keramischen Fasern. Bedingt durch die hohe Alkalität der Geopolymere sollten Basalt- oder AR-Glasfasern (beide in der Literatur als alkaliresistent bezeichnet [1, 2]) zum Einsatz kommen. Von teuren C- Fasern hat man auf Grund der potentiellen Anwendungen der Verbundwerkstoffe zu Architekturzwecken und als Leichtbauwerkstoffe verzichtet. In der ersten Projektphase wurde die Herstellungstechnologie der Komposite weitergehend optimiert. Es konnte eine effektive Verstärkungswirkung durch den Einbau von Basaltfasergewebestücken erzielt werden. Allerdings ließ diese nach etwa sechs Monaten signifikant nach, wofür der Angriff der Alkali-Ionen aus der Matrix auf die Fasern verantwortlich war. Dieses Verhalten wurde mittels TEM/EDS- Analysen an der Grenzfläche Faser/Matrix festgestellt, indem man höhere Konzentration der K-lonen am Rand der aus der Matrix entfernten Faser als im Volumeninneren dieser Faser feststellen konnte. Als Schutz für die Fasern wurden die im Erstantrag geplanten Beschichtungsversuche mit Zirkonoxid mittels Dip-Coating-Technik durchgeführt. Allerdings konnten die Fasern, die im Volumeninneren des Basaltfasergewebes lagen, nicht vollständig beschichtet werden. Die Paraffinschlichte, die auf die Faseroberfläche während des Spinnvorgangs aufgebracht wurde, hat die Penetration des Precursores in die Faserzwischenräume verhindert. Das Entfernen der Schlichte mittels Bunsenbrenner hatte dabei eine negative Auswirkung auf die Fasereigenschaften, indem ein signifikanter Abfall der Zugfestigkeitwerte nach dem Entschlichten zu beobachten war. Aus diesen Gründen wurde in der Verlängerungsphase zum Beschichten der Fasern ein nicht keramisches Material vorgesehen, das sich durch ähnliche Eigenschaften wie die Schlichte charakterisiert und das sich einfach auf die Faseroberfläche aufbringen lässt. Nach ausführlicher Literaturrecherche sind wir auf die Arbeiten der Arbeitsgruppe von Frau Dr. Mäder (IPF Dresden) gestoßen, die zum Beschichten von Fasern einen organischen Precursor - Styren-Butadien-Copolymer - verwendet hat und damit sehr gute Ergebnisse erzielen konnte [3]. Leider ist der Precursor kommerziell nichterhältlich; deshalb wurden unsere Basaltfasern mit einem ähnlichen Precursor - Polystyrol über Dip- Coating-Technik beschichtet. Die Polystyrol-Schichten waren gleichmäßiger als die Zirkonoxidschichten, die Biegefestigkeit der durch die beschichteten Fasern verstärkten Komposite war aber niedriger als im Fall der unbeschichteten Fasern. Interessant war dabei der rapide Anstieg der Festigkeitswerte nach längerer Auslagerungszeit (ca. 5 Monate nach der Herstellung), der im Fall der Verbundwerkstoffe mit den dreimal mit Polystyrol beschichteten Fasern zu beobachten war. Dies beweist eine Faserschutzwirkung der Polystyrol-Schichten und deutet auf zusätzliche Effekte bzw. Reaktionen hin, die in der Matrix passieren müssen. Es kam offensichtlich zu einer Verdichtung des Materials nach längerer Auslagerungszeit, was mit der Zugabe von Steinkohlenflugasche (SFA) zur Geopolymermatrix verbunden war. Diese Zugabe wurde als zweite Variante zur Verbesserung der Langzeitstabilität der Verbundwerkstoffe vorgesehen. SFA gehört zur Gruppe der Puzzolane, die vorwiegend aus reaktionsfähiger Kieselsäure und Tonerde bestehen und mit Wasser und Kalk wasserlösliche Verbindungen mit zementartigen Eigenschaften bilden. Es entsteht eine dichte Zementsteinmatrix, wodurch SFA einen Beitrag zur Festigkeit und Dauerhaftigkeit der Proben leisten kann. Darüber hinaus kann eine mögliche Korrosion von Glasfasern durch Zugabe von Puzzolanen zur Zementmatrix entscheidend vermindert werden (Abpufferung der Alkalien und der Hydroxil-lonenkonzentration über die Zeit) [4]. Wir sind davon ausgegangen, dass auch im Falle der hier angewendeten Geopolymeren, auf Grund ihrer chemischen Ähnlichkeit zum Zement, diese Wirkung erreicht werden kann. Auf Grund der nicht ausreichenden Projektbearbeitungszeit konnte das Langzeitverhalten der Komposite mit der Zugabe von SFA nicht vollständig getestet werden. Die Verdichtung der vier bis fünf Monate ausgelagerten Proben deutet auf die Aktivierung der puzzolanischen Reaktion und zusätzlich auf ein Füllereffekt hin - die kleinen runden Partikel füllen die Zwischenräume zwischen kantenförmigen Körner der Geopolymermatrix, was zur Verdichtung des Stoffes führt. Darüber hinaus wurde die Beschichtung mit Zirkonoxid fortgesetzt (auf Grund der Anmerkungen des Gutachters). Ein optimiertes Schichtmaterial - durch Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid (8YSZ) - lässt sich mit viel Mühe auf die Faseroberfläche aufbringen, wobei die Schicht relativ unhomogen und an manchen Stellen gebrochen ist. 2.2 Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen. Zum Ausblick: In diesem Forschungsprojekt wurden Materialien entwickelt, deren Herstellung, Aushärtung und vor allem Auslagerung über mehrere Monate erfolgt. Es handelte sich hier um Langzeitverhalten dieser Stoffe, deshalb wurde die gewünschte Dauer des Vorhabens auf vier Jahre gelegt. Da die DFG-Finanzierung um ein Jahr gekürzt wurde, wurden die Forschungsarbeiten nicht vollständig abgeschlossen. Dies betrifft vor allem die Entwicklung der Herstellungstechnologie der Verbundwerkstoffe nach der Zugabe von Steinkohlenflugasche und die Charakterisierung der Proben nach mehreren Monaten Auslagerung (Langzeitverhalten). Zu den möglichen Anwendungen: Die potentiellen Anwendungen der Komposite Basaltfaser/Geopolymermatrix liegen vor allem in der Baubranche. Beispielsweise können sie als witterungs- und feuerresistente Leichtbauwerkstoffe angewendet werden. Darüber hinaus wurden die Anwendungen überall dort vorgesehen, wo die Verbundwerkstoffe mit einer polymeren Matrix auf Grund ihrer Brennbarkeit nicht eingesetzt werden können. Dabei ist der Einsatz von Basaltfasern allerdings etwas fraglich, weil sie bis etwa 600 °C feuerresistent sind. Im Falle eines Brandes wird das Gesamtmaterial zwar nicht brennen, weil die Matrix nicht brennbar ist. Die Verstärkungswirkung der Fasern bleibt aber nicht erhalten. Der Einsatz von Steinkohlenflugasche (SFA) führt zu einer Verdichtung der Geopolymer- Matrix und dadurch zur Erhöhung der Festigkeit der Verbundwerkstoffe. Die Asche beeinflusst nicht die gesamten Produktionskosten der Komposite, weil sie ein Verbrennungsrückstand von Kohlenstaub in den Kraftwerken ist (als Abfall aus den Kraftwerken ist sie also kostengünstig zu erwerben). Da es sich in diesem Projekt um niedrige Produktionskosten gemäß der Anwendung der Komposite in der Baubranche handelt, ist es sinnvoll, den Herstellungsprozess mit der Zugabe von SFA weiter zu entwickeln.
Publications
- Hilbig A., Oestreich C., Müller E., Skupien P., Brendler E., Faserverstärkte Geopolymere. In: M. Schlimmer, editor. Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. Frankfurt: Werkstoff- Informationsgesellschaft mbH, 2005. p.185-190
- Skupieh P., Hilbig A., Müller E.: "Wytwarzanie i wtesciwosci kompozytöw na osnowie geopolimerowej zbrojonych wioknem bazaltowym", Inzynieria Materialowa, 2005, s. 139-142.
