Neue anorganische Beschichtungen für zementgebundene Werkstoffoberflächen mit Seltenen Erden als Träger der Hydrophobie

• Antragsteller: Professor Dr. Michael U. Kumke; Dr. Peter Thissen
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555171095

Das übergeordnete Ziel des Projekts ist die Herstellung von neuartigen anorganischen Beschichtungen für zementgebundene Werkstoffe. Zementgebundene Werkstoffe sind aufgrund ihrer Vorteile in Bezug auf Rohstoffverfügbarkeit, Verarbeitung, Verwendbarkeit, Materialeigenschaften, Beständigkeit und Preis am bedeutendsten. Demgegenüber steht vor allem die große Menge an CO2 bei der Herstellung von Zement. Die Beschichtungen sollen die Nutzungsdauer der Materialien deutlich erhöhen. Im Gegenzug würde dies zu Einsparung der Zementverwendung führen und damit helfen, die globalen CO2-Emissionen zu reduzieren. Siliconharze werden als Standardbeschichtungen in der Bauchemie verwendet. Diese enthalten Siloxan/Polysiloxan-Bindungen (Si-O-Si) zur Vernetzung mit der mineralischen Materialoberflächen und organische Gruppen (-CH3) als Träger der Hydrophobie. Langzeitstudien haben jedoch gezeigt, dass die Siloxanbindungen trotz ihrer hohen Bindungsenergie, dem chemischen Angriff von Wasser nicht standhalten. Der Hauptgrund dafür ist ihre hohe Polarität. Auch die organischen Gruppen können langandauernden chemischen Angriffen nicht widerstehen und werden langsam in Form von CO2 abgebaut. Ein weiterer Nachteil der organischen Gruppen ist, dass sie eine potenzielle Nahrungsquelle für die Mikroorganismen des Biofoulings darstellen. Zudem leiden organische Anstriche häufig unter einer geringen Eindringtiefe in den zu schützenden Baustoff. Unsere Idee ist es, eine vollständig anorganische Beschichtung (ohne Kohlenstoff) zu formulieren. Die Gelegenheit ergab sich, weil wir den Träger der Hydrophobie in ein Seltenerdoxid verlagern konnten. Seltenerdoxide (wie z.B. Eu2O3) haben eine elektronische Struktur, bei der die 4f-Orbitale durch das vollständige Oktett der Elektronen in der 5s2p6-Außenschale von Wechselwirkungen mit der Umgebung abgeschirmt sind. Folglich würden diese Atome weniger dazu neigen, Elektronen auszutauschen und eine Wasserstoffbrückenbindung mit den Wassermolekülen an der Grenzfläche nicht bilden. Bei dem Projekt wird es darauf ankommen, den Hydrophobieträger mit Liganden im Werkstoff zu verankern, damit er nicht wieder ausgewaschen wird. Alle verwendeten Komponenten müssen langfristig biologisch unbedenklich sein. Zunächst werden dafür Muster hergestellt. Durch die Verwendung von Modelloberflächen kann der Materialeinsatz stark reduziert werden. Außerdem sind auf Silizium-Einkristallen gewachsene Calcium-Silikat-Hydrat-Phasen ideal reproduzierbar und in den Methoden der Oberflächenwissenschaften einsetzbar. Dann werden Versuche bezüglich der Übertragbarkeit des Verfahrens auf echte zementgebundene Werkstoffoberflächen unternommen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen