Dual-härtende mineralische Zemente: Synthese, neue Verstärkungsmechanismen und Anwendung in additiven Fertigungstechniken

• Antragsteller: Professor Dr. Uwe Gbureck; Professor Dr. Jürgen Groll
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 577498932

Das Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung von dual-härtenden mineralischen Zementen, bei denen durch den simultanen Aufbau einer interpenetrierenden Hydrogelphase aus natürlichen bzw. synthetischen Vorstufen ein pseudo-duktiles Bruchverhalten eingestellt wird. Der Stimulus zur Vergelung kann dabei extrinsischer, etwa durch Zusatz eines passenden Initiatorsystems, oder intrinsischer Natur sein, beispielsweise durch die Reaktionsbedingungen der Zementreaktion (pH-Wert, Ionenfreisetzung, Wasser). Für den weiteren Projektverlauf soll eine detaillierte Untersuchung der zugrunde liegenden Verstärkungsmechanismen (Selbstverdichtung und intrinsische Vorspannung) am Beispiel von Seidenfibroin-modifizierten Zementen stattfinden, und diese Mechanismen anschließend durch synthetische Polymere nachgestellt werden. Ein weiterer Ansatz beschäftigt sich mit dual-härtenden Zementen mit rein anorganischer (Silica)matrix, der auf technische Zementformulierungen übertragen und durch gezielte Precursor-Synthese weiter optimiert werden soll. Hier sollen vor allem zur Steigerung des Vernetzungsgrades verzweigte Silicaprecursoren gezielt synthetisiert werden, die mit Carboxylatfunktionen zur Anbindung zweiwertiger Kationen (z.B. Ca2+ oder Mg2+) funktionalisiert sind, um eine verbesserte chemische Wechselwirkung zur Zementmatrix zu erreichen. Des Weiteren sollen technische Zemente aus Calciumaluminat mit isocyanathaltigen Präpolymeren modifiziert werden. Vorteilig hier sind nach den bisherigen Erfahrungen die einfache Prozessierbarkeit, da das zugesetzte Zementwasser ohne weitere Zusätze die Gelbildung induziert, verbunden mit sehr guten bruchmechanischen Eigenschaften. Abschließend soll untersucht werden, wie die Materialsysteme durch Anpassung spezifischer Materialeigenschaften auf additive Fertigungsverfahren wie das extrusionsbasierte Dispensplotten, den 3D Pulverdruck oder photochemisch vernetzende Verfahren anwendbar sind. Der Erkenntnisgewinn der Materialentwicklung ist dabei nicht auf den Biomaterialbereich beschränkt, sondern adressiert auch explizit technische Anwendungen wie die additive Fertigung im Bauwesen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen