Gesucht: Nachfolger von Gips - Calciumsilikathydrate als alternatives Formenmaterial?

von Wiebke Walther (17, Sächs. Landesgymnasium St. Afra zu Meißen)

Kategorie: Chemie 2013
Betreuer: Dr. Jens Viehweg (Sächs. Landesgymnasium St. Afra zu Meißen), Dipl.-Ing. Gero Stolle
Wettbewerbsart: Jugend forscht

Gewonnene Preise:
  • Sonderpreis des Sächsischen Staatsministeriums für Wissenschaft und Kunst im Landeswettbewerb
  • Regionalsieger

Zur Herstellung verschiedener Guss- und Presskeramik werden in der Industrie Gipsformen verwendet. Chemischer und physikalischer Verschleiß bedingen eine kurze Nutzbarkeit bevor die Formen ausgetauscht werden. Deswegen soll ein neues Material für die Formen gefunden werden. Es muss ähnliche Eigenschaften wie Gips haben, damit das Wasser aus Rohlingen in die Form „abgesogen“ werden kann. Als Material bieten sich Calciumsilikathydrate an. Sie sind beständiger als Gips.

Im Rahmen dieser Arbeit sollten folgende Fragen beantwortet werden:

1. Welchen Einfluss haben Zementfeinheit, Quarzmehlfeinheit, das Abbindeverhalten des Kalks und Wassergehalt auf die Eigenschaften des CSH-Materials?

2. Können die Eigenschaften des CSH-Materials durch Zugabe von Glas-und Zellulosefasern in die gewünschte Richtung modifiziert werden?

3. Ist CSH-Material ein geeigneter Ersatz für Gips?

Zu den hierfür untersuchten Eigenschaften zählen Biegefestigkeit, Wasserabsorption, Dichte und offene Porosität. Dabei wurden die Zementfeinheit, die Quarzmehlfeinheit, die Reaktivität des Kalks und der Wassergehalt der Mischung variiert.

Die Proben wurden angerührt, im Trockenschrank und im Autoklaven gehärtet, anschließend zersägt und auf ihre Eigenschaften untersucht. Da für Pressformen eine erhöhte Biegefestigkeit von Nöten ist, bot ein Patent über mechanisch besonders stabile Calciumsilikathydrate eine gute Grundlage für eigene Versuche. Die Synthesen nach dem Patent EP 1362 836 B1 (Matsuyama 2007) erfolgen mittels einer Primär- und einer Sekundärbeschickung. Diese Vorgehensweise und die Rezeptur wurden für die Versuche übernommen.

An den Ergebnissen waren Schwankungen der Eigenschaften der Proben erkennbar. Diese bewegten sich aber in einem für Kleinversuche typischen Rahmen.

Die vorliegende Arbeit führte zu folgenden Antworten auf die gestellten Fragen:

1. Die Veränderung der untersuchten Materialeigenschaften führte noch nicht zum gewünschten Ergebnis. Sie beeinflussten die Wasseraufnahmefähigkeit der autoklavierten Proben in viel zu geringem Maße.

2. Die Zugabe von Glasfasern hatte einen im Vergleich großen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften der autoklavierten Proben.

Die Zugabe von Zellulosefasern sorgte im trockenen Material für zusätzliche Hohlräume rund um die Fasern. Da diese aber im nassen Zustand ein größeres Volumen einnehmen als im trocknen, sind die Hohlräume wahrscheinlich nicht als „Wasserkanäle“ nutzbar.

3. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit war es nicht möglich, mit CSH-Material das Wasseraufnahmevermögen von Gips nachzustellen. Wie die Untersuchungen gezeigt haben, kann man durch geeignete Zusatzstoffe aber Einfluss auf die Porengrößenverteilung nehmen.

Um CSH-Material perspektivisch nutzen zu können, muss an der Rezeptur weiter gearbeitet werden.

Grundsätzlich stellen Calciumsilikathydrate eine gute Versuchsgrundlage dar, da Tobermorit fest ist und durch den ständigen Kontakt mit Wasser nicht zu sehr angegriffen wird.

Gesucht: Nachfolger von Gips - Calciumsilikathydrate als alternatives Formenmaterial?