Forschungsergebnisse von Chemikern der Universität Koblenz von starkem weltweitem Interesse

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19.04.2023 - Deutschland

Der Artikel im Journal of the American Ceramic Society, in dem Grundlagenuntersuchungen der Forschergruppe um Prof. Dr. Peter Quirmbach von der Universität Koblenz dargestellt werden, ist das most downloaded paper 2021. Die dort dargestellten Forschungsergebnisse waren bisher nicht in der Literatur verfügbar.

Im Artikel wird ein Teil der Ergebnisse der Forschungs- und Entwicklungs-Arbeiten auf dem Gebiet chemischer Bindemittel für die Keramikindustrie wiedergegeben. Bei den Keramiken handelt es sich um feuerfestkeramische Produkte, die in sämtlichen technischen Anlagen der Hochtemperaturtechnologie – der Grundstoffindustrie, der Stahl- und Metallproduktion, der Chemieindustrie und der Umwelttechnologie - eingesetzt und verbaut werden. Dabei müssen diese höchsten Temperaturen von bis zu 1.800°C standhalten. Zur Herstellung der feuerfesten Keramiken werden üblicherweise refraktäre Mineralgemische und Bindemittel verwendet. Als Rohstoffe für die oft eingesetzten chemischen Bindemittel werden hauptsächlich Phosphate eingesetzt.

Die Forschung der Koblenzer Wissenschaftler hat im Fokus, mittels der analytischen Ausstattung exakt die Wirkung der Bindemittel in den Keramiken nachzuweisen und auch Erklärungen dafür zu liefern, warum Bindung überhaupt eintritt und welche Prozesse hierbei ablaufen. Hierfür kann allerdings nicht nur ein analytisches Verfahren verwendet werden, sondern die Forscher müssen Verfahren aussageseitig so miteinander koppeln, dass alle experimentell bestimmten Ergebnisse aufeinander aufbauend die Frage nach dem strukturellen Aufbau und der Wirkungsweise beantworten. Die hierfür notwendigen Messungen mittels Röntgenbeugungsanalyse (XRD) und Kernspinresonanz (NMR) sind relativ aufwendig.

Nun wurde im Artikel vorgestellt, wie die Vernetzungsreaktionen der Phosphate in unterschiedlichen Raumgruppen in Abhängigkeit der angewendeten Temperatur verlaufen. Diese Reaktionsabfolgen in der keramischen Mikrostruktur wurden erstmalig durch NMR-Untersuchungen sichtbar gemacht und quantifiziert. Durch chemische Abläufe wie zum Beispiel Säure- oder Kondensationsreaktionen werden bei den Reaktionen sogenannte Orthophosphate gebildet, die im keramischen Gefüge in Abhängigkeit der Temperatur vernetzen. Oberhalb von Temperaturen ab 600°C bilden sich kristalline Aluminium-Phosphate, die in ihrer Endstufe über Tetraederstrukturen die Festigkeit der Feuerfestkeramiken bestimmen. Der Umfang der Ausbildung von kristallinen vernetzenden Phasen wurde mittels XRD-Messungen im Einzelnen nachgewiesen.

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