Untersuchung polierter technischer Glasproben und Feststellung des Einflusses der angewendeten Polierprozessparameter auf die Oberflächeneigenschaften. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss ausgewählter Polierprozessparameter eines konventionellen Synchronspeedprozesses auf die Oberflächeneigenschaften optischer Gläser analysiert. Betrachtet wurden die Glaswerkstoffe N-BK7, N-KF9 und 7980 SF (Kieselglas). Für die Politur kam eine Radienschleifmaschine mit Spindelantrieb zum Einsatz. Diese kann eine maximal Spindelgeschwindigkeit von 2500 RPM und einen maximalen Arbeitsdruck von 300 N abbilden. Als Methoden zur Analyse der Oberfläche wurde die Nanoindentation, die Weißlichtinterferometrie und die Rasterkraftmikroskopie verwendet. Den Beginn der Untersuchungen stellten die Variation des Polierdrucks und der Poliergeschwindigkeit dar. Mit Hilfe der polierten Proben wurden die Messparameter für die Nanoindentation festgelegt. Anschließend erfolgte die Ermittlung der Vickershärte und Martenshärte in verschiedenen Bereichen der Probenoberfläche. Des Weiteren wurde der Einfluss von Kaliumhydroxid auf die Nanohärte untersucht. Die Variation der Polierzeit stellte den letzten Untersuchungsschritt dar. An diesen Proben wurde der Einfluss der Polierdauer auf die Oberflächenstruktur, die Vickers- und Martenshärte festgestellt. Die Nanoindentation ermöglichte die Aufzeichnung der Härte der obersten Glasschicht. Dabei handelt es sich um die Glasschicht, welche dauerhaft mit der Umgebung und während der Politur mit der Poliersuspension und -scheibe in Wechselwirkung steht. Mit Hilfe der Analyseergebnisse wurden Aussagen über die chemisch-mechanischen Vorgänge während der Politur und ihr Einfluss auf die Entstehung und Veränderung der Oberflächenschicht (Gelschicht) von Glas getroffen. Diese weist, anders als angenommen, eine höhere Vickershärte als das Grundmaterial auf. Außerdem kann die Gelschicht aktiv durch die Veränderung der Polierparameter beeinflusst werden. Abschließend wurden mögliche weitere Forschungspotentiale in diesem Bereich beleuchtet.
Charakterisierung und Bewertung des bei der Herstellung von Quarzglas anfallenden Ausschusses hinsichtlich eines effizienten Nutzungskonzeptes. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Im Rahmen einer aktuellen Forschungsfrage der Raesch Quarz (Germany) GmbH, einem Hersteller von Quarzglas- und Quarzgutprodukten, befasst sich diese Arbeit mit Nutzungskonzepten für den bei der Produktion anfallenden Ausschuss. Es handelt sich um ein Hochleistungsmaterial, welches in einem kostenintensiven Prozess aus höchstreinen, intensiv aufbereiteten Quarzsanden unter komplexen Bedingungen und bei hohen Temperaturen erschmolzen wird. Der bisherige Umgang mit dem Produktionsausschuss führt dadurch zu hohen finanziellen Verlusten für das Unternehmen. Zu Beginn der Bemühungen hin zu einer verlustärmeren Verfahrensweise konzentriert sich diese Arbeit insbesondere auf eine Aufbereitung des Materials für eine potentielle Rückführung in den eigenen Schmelzprozess, wie es in anderen Bereichen der Glasindustrie üblich ist. Dazu wurde ein eigener Mahlbehälter für Laborversuche zur kontaminationsarmen Zerkleinerung des Ausschussmaterials gebaut und getestet. Anschließend erfolgte eine Charakterisierung des entstandenen Mahlgutes hinsichtlich der Partikelgrößenverteilung sowie unter anderem durch Lichtmikroskopie und Differential Scanning Calorimetry-Messungen. Im Ergebnis entsteht ein Quarzglaspulver, welches gegenüber einem anderen, konventionellen Zerkleinerungsverfahren vergleichsweise wenig metallische Verunreinigungen enthält und sich für Schmelzversuche zu neuen Quarzglasprodukten anbietet. Darüber hinaus werden weitere Ansätze zur Beeinflussung der Wiedereinschmelzbarkeit und für alternative Verwertungsmöglichkeiten kurz vorgestellt. Schließlich konnten, neben der Raesch Quarz (Germany) GmbH selber, auch externe Interessenten für das Pulver als SiO2-Rohstoff gefunden werden.
Ortsaufgelöste Charakterisierung von Verkapselungsfolien für Solarzellen. - Ilmenau. - 115 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die Photovoltaik (PV) liefert einen großen Beitrag zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und bildet eine Grundlage für Klimaneutralität in Deutschland. Umso entscheidender ist es, dass die gewährleistete Lebensdauer der PV-Module von über 25 Jahren erreicht wird und Ausfälle vermieden werden. PV-Module bestehen typischerweise aus Frontglas, Frontverkapselung, Silizium-zellen, Rückseitenverkapselung und Rückseitenfolie. Ein großer Teil der Modulausfälle ist auf das Verkapselungsmaterial zurückzuführen. Als Verkapselungsmaterial werden meist Ethylenvinylacetat-Copolymere (EVA) verwendet, welche mit Additiven versehen sind. Diese schützen das Basispolymer u. a. vor schädlicher UV-Strahlung. Sie haben daher einen maßgeblichen Einfluss auf das Degradations-Verhalten der Verkapselungsfolien und folglich auch auf die Lebensdauer des PV-Moduls. Trotz des großen Potentials für Grenzflächeneffekte und chemische Reaktionen im PV-Modul, werden das Verkapselungsmaterial und die Zusammensetzung der enthaltenen Additive seit fast 40 Jahren unverändert genutzt. Bisher sind jedoch sowohl die Wechselwirkungen im Modul als auch das Degradationsverhalten nur ungenügend erforscht. Um das Degradationsverhalten der Verkapselungsfolien in Abhängigkeit dieser Additive zu untersuchen, wurden Prüfkörperlaminate mit definierten Additiv-zusammensetzungen hergestellt. In diesem Zusammenhang war die Variation der Konzentrationen des UV-Absorbers und des UV-Stabilisators von besonderem Interesse. Um sowohl den Einfluss von Inhomogenitäten in der Additivverteilung als auch das Verhalten der Additive bei Vorhandensein eines Konzentrationsgradienten zu untersuchen, wurden die hergestellten Prüfkörper für 2000 h bei 65 ˚C, 20 % relativer Luftfeuchte und einer integrierten UV-Intensität von 81 W/m2 künstlich gealtert. Nachfolgend wurden an definierten Stellen der Prüfkörper Proben entnommen und vollständig charakterisiert. Mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie, Thermogravimetrischer Analyse und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie wurden die Polymereigenschaften des EVAs bestimmt. Nachfolgende Messungen mittels Pyrolyse-Gaschromatographie-Massenspektrometrie dienten zur Ermittlung der absolute Additivverteilung. Abschließend wurden ortsaufgelöste 2D-Karten erstellt, welche die ermittelten Polymereigenschaften in Abhängigkeit von der Bewitterungszeit darstellen. Außerdem wurden die Additivwechselwirkungen innerhalb des Ver-kapselungsmaterials analysiert und ein Diffusionsschema angefertigt.
Untersuchung zur Maximierung des Hydrolyseprozesses in Sol-Gel-Reaktionen. - Ilmenau. - 104 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Hydrolysereaktion in Sol-Gel-Prozessen. Das Ziel der Arbeit ist es, verschiedene Einflussfaktoren auf die Reaktion zu untersuchen und den Hydrolysegrad zu maximieren. Als Bewertungskriterium dient der im Endprodukt nachweisbare Kohlenstoffgehalt. Untersucht werden die entstehenden Abweichungen bei Verwendung verschiedener Katalysatoren, bei Anwendung eines Vakuumprozesses sowie der Einfluss verschiedener Temperaturen zwischen 20˚ C und 100˚ C. Die Ergebnisse zeigen, dass eine vollständige Entfernung des Kohlenstoffs aus den Endprodukten nicht möglich war. Trotzdem wurden Methoden gefunden, welche eine signifikante Reduzierung des Kohlenstoffgehalts ermöglichen. Weiterhin wurde das Verständnis des Gesamtprozesses verbessert.
Aufbearbeitung und Wiederverwertung spezieller schwermetallhaltiger Glasabfälle. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Blei und seine Oxide stellen in vielen Produkten einen kaum bis nicht ersetzbaren Bestandteil dar. Eines es dieser Produkte wird von der Firma „Capillary Solutions“ hergestellt. Aufgrund der Toxizität von bestimmten Bleiverbindungen für den menschlichen Körper müssen Produktionsabfälle unter besonderen Auflagen deponiert werden. Deshalb stellt sich die Frage, wie der Bleianteil in den zu deponierenden Abfällen reduziert werden kann. Dies ist Ziel und Inhalt der vorliegenden Arbeit. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden die Glasabfälle aus der Produktion mit Borsäure und Siliciumdioxid gemischt, um ein spezifisches Verhältnis zwischen Siliciumdioxid, Bortrioxid und den im Glas enthaltenen Metallionen zu erzielen. Es wurden zwei Gemische hergestellt und anschließend zu einem homogenen Glas verschmolzen. Dabei wies eines der Gläser einen Siliciumoxidanteil von 50 mol% und das andere einen Siliciumoxidanteil von 55 mol% auf. Anschließend wurden Teile dieser Gläser bei 550 ˚C, 600 ˚C und 650 ˚C getempert, um eine Phasentrennung in eine Siliciumoxid-reiche und eine Borat-reiche Phase zu induzieren. Metallionen tendieren zur Anlagerung in der Borat-reichen Phase. Diese wurde nach dem Tempern mittels Salzsäure entfernt. Die so extrahierten Gläser und die Lösung der Extraktion wurden anschließend Verfahren untersucht. Diese umfassen Massemessungen, Röntgenfluoreszenzanalysen, Dichtemessungen und die chemische Analyse durch ein externes Labor. Die Ergebnisse geben Einblicke in die Struktur der durch die Phasentrennung erzeugten Gefüge, sowie Optimierungen des hier verwendeten Prozesses. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der Anteil von Blei im extrahierten Silicatglas um mehr als 95% reduziert werden konnte. Blei wird in Form von Bleiiodid gewonnen. Das extrahierte Silicatglas könnte als Rohstoff für neue Schmelzen zur Verfügung gestellt werden.
Herstellung und Charakterisierung ökologischer Dämmstoffsysteme für den Einsatz in Polymerbetonsteinen. - Ilmenau. - 45 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Ziel dieser Bachelorarbeit ist die Herstellung und Charakterisierung von Dämmstoffsystemen aus ökologischen Quellen. Auf Basis einer Metakaolin-basierten Geopolymerrezeptur wurden mehrere aufgeschäumte Proben hergestellt und der Einfluss verschiedener metallischer Treibmittel und eines nicht-ionischen Tensids als Schaumstabilisator, sowie einer Zugabe von CaO-reicher Flugasche analysiert. Mittels eines im Rahmen dieser Arbeit hergestellten Messeinrichtung (Guarded Hot Plate) wurde die Wärmeleitfähigkeit der Proben untersucht. Die hergestellten Schaumstoffe erreichten Dichten zwischen 0,385 und 0,670 g/cm³ und Wärmeleitfähigkeiten von 0,123 - 0,291 W/(m K). Ferner wurde eine mit Hanffasern gefüllte Geopolymerprobe hergestellt. Bei dieser wurde eine Dichte von 0,600 g/cm³ und eine Wärmeleitfähigkeit von 0,131 W/(m K) bestimmt. Aus Thermometerglasabfällen wurden durch alkalische Aktivierung und mechanisches Schäumen mit anschließender Temperaturbehandlung bei 350 - 550 ˚C Schaumgläser hergestellt, die Dichten von 0,558 - 0,732 g/cm³ erreichten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Die Fertigung optischer Bauteile führt zu einer Veränderung der Oberfläche dieser Bauteile. In dieser Arbeit wird der Einfluss einer alkalischen Lösung auf die Oberfläche von optischen Substraten aus B270 Glas untersucht. Die Proben wurden von verschiedenen Zulieferern bezogen. Einige Proben wurden einem besonders aggressiven Reinigungsprozess ausgesetzt. Die Expositionszeit der Proben in der Lösung wurde systematisch variiert. Einige ausgewählte Proben wurden in einem Klimaschrank bewittert. Anschließend wurden die Proben mit Hilfe verschiedener Methoden auf Kratzer und Partikel analysiert (Lichtmikroskopie, Weißlichtinterferometrie, Rasterkraftmikroskopie). Zusätzlich wird die Rauigkeit der Oberflächen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit zunehmender Expositionszeit in der Lösung mehr Kratzer sichtbar wurden und die Rauigkeit anstieg. Der aggressive Reinigungsprozess unterliegt einer großen Variation und führt zu einer Verschlechterung der Oberflächenqualität.
Herstellung, Charakterisierung und chemisches Vorspannen von Gläsern des Lithium-Aluminosilikat-Borat-Typs (LABS-Gläser). - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Ziel der Arbeit ist die Weiterentwicklung des Glassystems um das SCHOTT Xensation® α. Hauptaugenmerk wird hierbei auf eine Verbesserung der Vorspannbarkeit durch Zusammensetzungsvariation gelegt. Dazu wurden im Labor verschiedene Gläser hergestellt. Ausgangspunkt ist eine Nachschmelze des Materials SCHOTT Xensation® α als Referenz, da Untersuchungen an Versuchsschmelzen im Vergleich zu großtechnisch gefertigten Gläsern häufig abweichende Eigenschaften zeigen. Die anderen borhaltigen Lithium-Aluminosilikat (LABS)-Gläser lehnen sich in ihrer Zusammensetzung an die des SCHOTT Xensation® α an. Variationen werden durch Änderungen des Bor-, Natrium- und Erdalkali-Gehaltes durchgeführt, sodass die restlichen Komponenten in konstanten molaren Anteilen vorliegen. Von den erstellten Gläsern wurden Dichte, Brechungsindex, Glasübergangstemperatur und Ausdehnungskoeffizient bestimmt. Außerdem wurde ihre Vorspannbarkeit spannungsoptisch charakterisiert. Im Vergleich mit der Zusammensetzung konnten verschiedene Abhängigkeiten erkannt werden. So sind mit steigendem Erdalkali- und sinkendem Bor-Gehalt eine Steigerung der Druckspannung und ein Abfallen der Spannungstiefe festzustellen. Dabei kann jedoch nicht zwischen Bor und Erdalkalien differenziert werden. Des Weiteren kann mit einem sinkenden Natrium-Gehalt eine tendenzielle Erhöhung der Spannungswerte in 30 [my]m Tiefe beobachtet werden. Gleichzeitig werden größere Druckspannungstiefen beim Lithium-Natrium-Austausch erreicht, jedoch erfolgt eine Verringerung dieser beim Natrium-Kalium-Austausch. Schlüsselworte: LABS-Glas, chemisches Vorspannen, Ionen-Austausch, spannungsoptische Messung
Efficiency of cleaning solutions to remove difficult contamination on weathered float glass exposed in an urban environment. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In dieser Studie wird die Reinigung von künstlich und natürlich bewittertem Kalk-Natron-Floatglas untersucht. Es wurden organische, anorganische nicht-metallische, metallische und salzhaltige Verunreinigungen ausgewählt, um mögliche Schäden an Floatglas bei Kontakt mit diesen zu untersuchen. Vogelkot, Zementstaub, Aluminiumpartikel und Natriumchlorid wurden auf der Glasoberfläche aufgebracht. Die vier Verunreinigungen veränderten die Glasoberfläche in unterschiedlichem Maße. Die Glasproben wurden in einer Klimakammer einen und sieben Tage lang bewittert. Eine andere Gruppe von Glasproben wurde in Ilmenau, Deutschland, 50 Tage lang im Freien gelagert (20 Tage ungeschützt und 30 Tage geschützt). Vor und nach der Bewitterung wurden die Glasproben mit drei Reinigungsmitteln gereinigt (DI-Wasser, Zitronensäure und ein handelsübliches Glas reinigungsmittel). Die gewählten Reinigungslösungen lieferten unterschiedliche Reinigungsergebnisse für die Glasoberflächen. Je nach Bewitterungseinwirkung (künstlich oder natürlich) scheinen sich die Verunreinigungen unterschiedlich auf die Glasoberflächen auszuwirken. Bei der Bewitterung im Freien haften Ablagerungen unterschiedlich auf der mit verschiedenen Reinigungslösungen behandelten Glasoberfläche. Darüber hinaus wird die Wirksamkeit eines handelsüblichen Schutzmittels mit den gewählten Reinigungsmitteln verglichen. Die optische Mikroskopie wurde genutzt, um Bewitterungsprodukte zu lokalisieren und die Veränderung der Glasoberfläche zu bewerten. Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) und Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES) wurden zur chemischen Identifizierung der nicht entfernten Verwitterungsprodukte eingesetzt. Die Oberflächenanalyse wies auf das Vorhandensein von Chloriden und Karbonaten aus den Verwitterungsprodukten hin und auf größere Delaminierungseffekte bei Glas, das geschützt vor direktem Beregnen dem Wetter ausgesetzt war. Es wurde festgestellt, dass die Reinigungsmittel die Entfernung von Verunreinigungen und die Haltbarkeit des Glases unterschiedlich beeinflusst haben.
Durability of porous glasses. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In dieser Arbeit sollten hoch alkalibeständige poröse Gläser hergestellt werden, wobei die Wirkung der Zugabe von ZrO2 zu einem Natriumborsilikatglas vom Vycor-Typ untersucht wurde. Der ZrO2 Zusatz wurden mit dem Ziel vorgenommen, die Fähigkeit der porösen Siliciumdioxidstruktur zu verbessern, alkalischen Lösungen zu widerstehen. Basisgläser mit 0 mol% ZrO2 (Zr0), 3 mol% ZrO2 (Zr3) und 6 mol% ZrO2 (Zr6) wurden durch das herkömmliche Schmelzverfahren hergestellt. Die amorphe Struktur der Basisgläser wurde durch XRD bestätigt. Weitere Charakterisierungen wie Dichte, ATR und DSC wurden ebenfalls durchgeführt. Um eine spinodale Phasentrennung zu induzieren und eine zweiphasige Matrix (eine unlösliche silikatreiche Phase und eine lösliche Natriumborat-Phase) zu erzeugen, wurden die Basisgläser 12 Stunden lang bei unterschiedlichen Temperaturen von 560 ˚C bis 700 ˚C wärmebehandelt. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (REM) bestätigten die erwartete Durchdringungsstruktur. Porengrößen wurden nach der Norm DIN EN ISO 13383 berechnet. Bei Gläsern mit 0 mol% ZrO2 und 3 mol% ZrO2 besteht eine wohldefinierte Tendenz zum Porengrößenwachstum mit zunehmender Wärmebehandlungstemperatur und -zeit. REM-Bilder zeigen eine Abnahme der Porengröße, wenn ZrO2 zum Glas hinzugefügt wird. Das 6 mol% ZrO2-Glas zeigte keine spinodale Phasentrennung. Basierend auf den Ergebnissen der Porengrößenmessung wurde für die folgenden Tests eine Wärmebehandlungstemperatur von 680 ˚C gewählt. Um eine poröse Probe zu erhalten, muss die lösliche Natriumborat-Phase mit HCl-Lösung ausgelaugt werden. Dazu wurden Temperatur und HCl-Lösung sowie der anschließende Trocknungsprozess variiert. Die besten Auslaugungsergebnisse wurden mit einer Lösung aus 1 M HCl + 70 % Ethanol (Verhältnis 9:1) bei Raumtemperatur für zwei Tage (Zr0) und 2 M HCl + 70 % Ethanol (Verhältnis 9:1) 70 ˚C für sieben Tage (Zr3) erzielt. Um die Alkalistabilität der porösen Gläser zu untersuchen, wurden Löslichkeitstests gegen 0,1 M NaOH durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Alkalistabilität von Zr0 sehr gering ist (Massenverlust von ca. 20 % in 22 Stunden). Wenn dem Glas jedoch 3 mol% ZrO2 hinzugefügt werden, wird der Gewichtsverlust signifikant verringert (Massenverlust von etwa 4 % in 22 Stunden). Es wurde festgestellt, dass die Anwesenheit von Zirkoniumdioxid in der silikatreichen porösen Glasmatrix die Stabilität gegenüber Alkalilösungen maßgeblich verbessert. Ein großes Problem stellt jedoch das Auslaugen der phasenseparierten Gläser dar. Dies führt sehr oft zum Zerbrechen der Glassamples.