The search result changed since you submitted your search request. Documents might be displayed in a different sort order.
  • search hit 2 of 1319
Back to Result List

Einfluss der Struktur von Aluminium-Metaphosphaten auf die chemische Härtung von Kalium-Wasserglas-Bindern

Influence of the structure of aluminium metaphosphates on the chemical hardening of potassium waterglass binders

  • In dieser Arbeit wurden erstmals die strukturelle Wechselwirkung zwischen Kalium- Wasserglas-Systemen mit Aluminium-Tetrametaphosphat sowie generell über Wasserglas-Systeme mit Aluminium-Hexametaphosphat als chemischer Härter untersucht. Dabei wurde der kristalline Phasengehalt mittels Pulverdiffraktometrie und anschließender Rietveld-Analyse qualitativ und quantitativ beschrieben. Die Untersuchung des amorphen Phasengehalts erfolgte über verschiedene spektroskopische Methoden (NMR-, ATR-IR- und Raman-Spektroskopie). Das Löslichkeitsverhalten der chemischen Härter in alkalischer Umgebung wurde mit der optischen Emissions- und Elektronenabsorptionsspektroskopie gemessen. Für die Untersuchung der mechanischen Parameter kamen die Drei-Punkt- Biegefestigkeitsprüfung, die Resonanz-Frequenz-Dämpfungsanalyse und die Säureprüfung zum Einsatz. Die Gefüge-Struktur der chemisch gehärteten Wassergläser wurde rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Reaktionsmechanismus der Härtungsreaktion von Kalium-Wassergläsern und Aluminium-Metaphosphaten in Abhängigkeit von der Metaphosphat-Struktur auf unterschiedlichen Wegen abläuft. Bei Aluminium- Tetrametaphosphat bildet sich beim Herauslösen der Aluminium-Ionen aus dem Metaphosphat in einer Ionen-Austauschreaktion das Kalium-Tetrametaphosphat- Dihydrat. Bei Proben mit Aluminium Hexametaphosphat konnte keine vergleichbare Struktur nachgewiesen werden. Parallel dazu findet eine Depolymerisationsreaktion der cyclischen Phosphat-Struktur statt, die stufenweise über mehrere Schritte zum kristallinen Kaliumdihydrogenphosphat abgebaut wird. Das Einbringen des jeweiligen Aluminium-Metaphosphats verursacht einen Abfall des pH-Wertes, wodurch die Polykondensation der Wasserglas-Struktur in Gang gesetzt wird. Diese Polykondensation wird weiter verstärk, indem bei der Depolymerisation des Metaphosphats die Kalium-Ionen in Form von unterschiedlich stark kondensierten Kaliumphosphaten bzw. Kaliumhydrogenphosphaten dem Wasserglas entzogen werden, was zu einer weiteren Herabsetzung des pH-Wertes und somit zu einer Senkung der elektrostatischen Stabilisierung des Wasserglases führt. Die aus der Aluminium-Metaphosphat-Struktur herausgelösten Aluminium-Ionen dringen in die abbindende, silikatische Netzwerkstruktur ein und bilden eine alumosilikatische Bindermatrix. Dieser Effekt ist bei Aluminium-Hexametaphosphat deutlich stärker ausgeprägt als bei Aluminium-Tetrametaphosphat. Weiterhin entstehen röntgenamorphe, hydratisierte Aluminiumphosphat-Strukturen, die in eigenen Bereichen innerhalb der amorphen Bindermatrix vorliegen. Daraus folgt, dass es sich bei den chemisch gebundenen Kalium-Wasserglas-Bindern um kein homogenes System handelt. Dies liegt hauptsächlich an der hohen Oberflächenladung und der Viskosität des Wasserglases, da mit dem Eintrag des feinen Härterpulvers dieses sofort verklumpt. Trotz optimierter Homogenisierungstechniken bleiben Teile des Härters in begrenzten Bereichen bestehen, die dazu führen, dass dieser nicht vollständig umgesetzt wird. Innerhalb der amorphen Bindermatrix liegen teilweise verschieden stark kondensierte Phosphat-Einheiten, silikatische und alumosilikatische Phasen angrenzend nebeneinander vor. Dazu kommen neugebildete kristalline Phasenbestandteile sowie Anteile an nicht vollständig umgesetztem Aluminium-Metaphosphat-Härter. In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften lässt sich zusammenfassen, dass mit zunehmender MVZ des Kalium-Wasserglases die Säurebeständigkeit der Probe sowie der Grad der Porosität zunehmen. Die mechanische Festigkeit und der Elastizitätsmodul hingegen nehmen mit steigender MVZ ab. Mit einer Änderung der Metaphosphat-Struktur vom Aluminium-Tetrametaphosphat zum Aluminium- Hexametaphosphat nimmt die chemische Beständigkeit gegenüber dem Säureangriff ab, auch sinkt der Grad der Porosität. Die Biegefestigkeit und der Elastizitätsmodul liegen bei den Proben mit Aluminium-Hexametaphosphat als chemischen Härter niedriger. Somit lassen sich Aussagen über künftige Wirkungsweisen hinsichtlich der Rezeptoptimierung treffen, um gezielt die chemische Beständigkeit oder die mechanischen Eigenschaften wie Porosität, Festigkeit oder Steifigkeit nach dengewünschten Anforderungen anzupassen.
  • In the present dissertation, the structural interaction between potassium waterglass and aluminium metaphosphates (aluminium tetrametaphosphate and aluminium hexametaphosphate) were investigated in terms of the resettlement behaviour of the metaphosphates as hardening agents. The crystalline phase composition was described qualitatively and quantitatively in terms of powder diffraction patterns combined with Rietveld refinement. The amorphous phase content was determined by different spectroscopic methods (e.g. solid-state NMR, ATR-IR, and Raman spectroscopy). The solubility behaviour of the chemical hardening agents was investigated by optical emission spectroscopy and electron absorption spectroscopy. The mechanical properties of the samples were measured by three-point bending tests, resonance damping frequency analysis, and acid test. The structural framework of the chemically hardened waterglasses was explored by scanning electron microscopy method. It could be proven, that the reaction mechanism of the resettlement is strongly dependent on the structure of the aluminium metaphosphate. After the dissolution of the aluminium ions of aluminium tetrametaphosphate through the alkalic environment of the potassium waterglass, a potassium tetrametaphosphate is developed through an ion-exchange reaction with the waterglass` potassium ions. In the hexametaphosphate system, no analogous structure could be proven. Parallel to the ion-exchange reaction an incremental depolymerization of the cyclic metaphosphate structure to the final crystalline product potassium dihydrogen phosphate occurs. The drop in pH value due to the addition of the respective aluminium metaphosphate initiates a polycondensation of the potassium waterglass due to the decreasing stabilization of the waterglass. This process is increased by the depolymerization products of the metaphosphate, that remove further quantities of the alkali ions, which accelerates the polycondensation reaction due to a further decrease in pH value. The dissolved aluminium ions from the aluminium metaphosphate penetrate into the amorphous, hardening silica network and develops an alumosilicate binder matrix. Furthermore, amorphous hydrated aluminium phosphate phases develop in separate domains beside silicate, alumosilicate phases, and the crystalline phase contents e.g. potassium dihydrogenphosphate and the incomplete reacted aluminium metaphosphate. Consequently, the chemically hardened potassium waterglass binder is not necessarily homogenous. Regarding the mechanical and chemical properties, in summary with increasing alkali modulus the mechanical flexural strength, and the young modulus drop, while the chemical resistance towards acid attack, and the porosity of the samples increase. The change in the cyclic structure from aluminium tetrametaphosphate to aluminium hexametaphosphate leads to a drop in the acid resistance, the porosity of the samples, the flexural strength, and the young modulus.

Download full text files

Export metadata

Metadaten
Author:Ali Masoudi Alavi
URN:urn:nbn:de:kola-18776
Referee:Peter Quirmbach, Joachim Scholz, Gerd Buntkowsky
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2019/05/20
Date of publication:2019/05/22
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2019/04/26
Release Date:2019/05/22
Number of pages:VIII, 138
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Chemie
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG