Anwendungsorientierte Glasentwicklung am Beispiel des Systems CaO-Al$_2$O$_3$-SiO$_2$.

Hellmann, Kirsten; Yue, Yuanzheng; Conradt, Reinhard

doi:35562

Anwendungsorientierte Glasentwicklung am Beispiel des Systems CaO-Al$_2$O$_3$-SiO$_2$. = Application-oriented glass development on the example of the system CaO-Al$_2$O$_3$-SiO$_2$.

Hellmann, Kirsten

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Kirsten Hellmann

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (viii, 106 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Conradt, Reinhard (Thesis advisor) ; Yue, Yuanzheng (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-10-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-098663
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/675154/files/675154.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/675154/files/675154.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
glass development ; glass fibers (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Glasfasern sind ein Produkt mit einem hohen Entwicklungspotential. Hinsichtlich Verarbeitungstemperaturen, mechanischen Eigenschaften oder Korrosions-beständigkeit ergeben sich zahlreiche Optimierungsansätze, die sich oftmals durch eine veränderte Glaszusammensetzung positiv umsetzen lassen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Anwendung der Fasern als Verstärkung. Das Matrixmaterial kann dabei entweder aus Kunststoff oder Beton bestehen. Unter Berücksichtigung einiger Parameter, wie bspw. einer niedrigen Liquidus-temperatur, einem hohen E-Modul oder der Alkalibeständigkeit lassen sich mit Hilfe von thermodynamischen Berechnungen Glaszusammensetzung basierend auf dem System CaO-SiO2-Al2O3 identifizieren, die den genannten Ansprüchen gerecht werden und sich auch praktisch umsetzen lassen.Dazu werden in einem ersten Schritt thermodynamische Berechnungen mit der kommerziellen Software FactSageTM durchgeführt. Es wird dafür Bezug auf die Theorie der kristallinen Referenzphasen für anorganische Gläser genommen. Diese Theorie macht sich die Tatsache zunutze, dass sich in der Nahordnung eines Glases ähnliche strukturelle Einheiten wie im Kristall finden lassen. Damit lassen sich komplexe mehrkomponentige Gläser beschreiben und Eigenschaften vorhersagen. In der vorliegenden Arbeit werden die Gleichgewichtszustände von ternären und quaternären Oxidzusammensetzung ermittelt und so ihre Liquidus-temperatur ermittelt. Diese spielt in der Faserherstellung in Zusammenhang mit der Viskosität eine große Rolle, da der Spinnprozess nur erfolgreich sein kann, wenn die Tropfen- oberhalb der Liquidustemperatur liegt. Nach der phasen-theoretischen Vorentwicklung der Gläser ist ihre Umsetzung überprüft und anschließend sind relevante Eigenschaften ermittelt worden.Die untersuchten ternären Gläser (Probenbezeichnung CAS) ließen sich zu Fasern mit guten mechanischen Eigenschaften verarbeiten. Dies ist für die Anwendung in glasfaserverstärkten Kunststoffen von hoher Bedeutung, da so Bauteile realisiert werden können, die größeren Belastungen standhalten. Die Zugfestigkeit ist vergleichbar mit kommerziellen Fasergläsern, ebenso der E-Modul mit 86 bis 88 GPa. Die Prozesstemperaturen liegen im Bereich von 1120 bis 1230 °C. Damit können mit diesen Gläsern teure Rohstoffe eingespart werden und durch die vergleichsweise niedrigen Ziehtemperaturen die Energiekosten gesenkt werden. Die Standzeit des Pt-Bushings kann dadurch ebenfalls erheblich verlängert werden.Durch die Anwendung von Glasfasern in einer Betonmatrix können kleinere, filigranere Bauteile realisiert werden. Die Herausforderung besteht bei der Auswahl der Gläser darin, dass sie in der stark alkalischen Umgebung stabil bleiben müssen. Bislang werden aus diesem Grund sogenannte alkaliresistente Gläser (AR-Glas) verwendet, die bis zu 20 % ZrO2 enthalten. Da es sich dabei um einen vergleichsweise teuren Rohstoff handelt, sind Gläser basierend auf dem System CaO-SiO2-Al2O3-B2O3 (Probenbezeichnung ZEM) entwickelt worden. Ihre Alkalibeständigkeit ist in Korrosionsversuchen mit synthetischer Porenlösung überprüft worden, wobei zwei der Gläser eine vergleichbare Beständigkeit wie AR-Glas aufweisen und sich somit für die Anwendung in Beton eignen. Die erfolgreiche Weiterverarbeitung zu Fasern ist aufgrund einer nicht optimalen Oberflächenspannung nicht möglich gewesen, da die Pt/Rh-Ziehdüse während des Spinnversuches vollständig mit Schmelze benetzt wurde.

Glass fibers are a product with a high potential for development. Regarding process temperatures, mechanical properties or corrosion resistance there are several approaches for optimization, which can be realized successfully by changes in the glass composition. The focus of this work is on the application of fibers as reinforcement; the matrix material may be either plastics or concrete. Considering some parameters, such as a low liquidus temperature, a high modulus of elasticity or alkaline resistance, suitable and processable glass compositions based on the system CaO-SiO2-Al2O3 can be identified via thermodynamic calculations. Therefore, in a first step, the commercial software FactSageTM is used and the theory of crystalline reference phases of inorganic glasses is taken into account. This theory makes use of the fact that it is possible to find similar structural units in the short-range order of a glass like in a crystal. Thus, complex multi-component glasses can be described and some of their properties can be predicted. In this work, the equilibrium of ternary and quaternary oxide compositions is investigated, which is related to the determination of the corresponding liquidus temperature. In the context of fiber production this temperature and the viscosity become important, since fiberization of a glass melt can be successful only if the drawing temperature is higher than the liquidus temperature. After the phasetheoretical predevelopment the glasses were screened practically and relevant properties were determined.The investigated ternary glasses (sample code CAS) could be processed into fibers having promising mechanical properties. This is of great importance for the use in fiber reinforced plastics, because in this case structural elements can be realized, which can withstand greater loads. The tensile strength of the fibers is comparable with commercial fiber glasses, as well as the modulus of elasticity with values in the range of 86 to 88 GPa. The process temperatures vary between 1120 and 1230 °C. This can save energy costs due to the comparatively low drawing temperatures as well as the inexpensive raw materials. The service life of Pt-bushings can be also extended considerably.By the use of glass fibers in a concrete matrix, smaller, and more filigree structural elements can be realized. The challenge consists in the requirement that the glasses remain stable in the strong alkaline environment. So far, so-called alkali-resistant glasses (AR-glass) containing up to 20 % ZrO2 are used for this purpose. Since ZrO2 is a comparatively expensive raw material, glasses have been developed in the present study based on the system CaO-SiO2-Al2O3-B2O3 (sample code ZEM). Their alkaline resistance was verified in corrosion tests with synthetic pore solution. Two of the glasses show an alkali resistance like AR-glass and therefore they are suitable for the use in concrete matrices. A fiberization test was not successful due to a not ideal surface tension of the melt which leads to a wetting of the used Pt/Rh tip.

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