Category Bauchemie

Thermochrome und thermotrope Schichten

Thermochrome Schichten wechseln die Farbe, wenn ihre Temperatur einen bestimmten Wert iibersteigt. Fur Verglasungen wird zurzeit dem Vanadiumpentoxid V2O5 das groBte Potential zugemessen. In diinnen Schichten auf das Glas aufgetragen, andert das У205 bei 68°C seine optischen Eigenschaften (von gelb nach grim; je nach Herstellungsverfahren sind auch andere Farbwechsel bekannt!). Erwiinscht ist allerdings weniger eine temperatur – abhangige Verfarbung im sichtbaren Bereich. Vielmehr wiinscht man sich die Veranderung der optischen Eigenschaften im IR-Bereich, so dass Warmestrahlung je nach Schaltzustand der Scheibe durchgelassen wird – oder eben nicht. Entwicklungsstand: LabormaBstab. Thermotrope Glaser gehen mit steigender Temperatur (selbstandig) von einem klaren, lichtdurchlassigen in einen opaken, lichtstreuenden, weiB eingetriibten Zustand liber. Bei den eingesetzten Substanzen handelt es sich um Zweikomponentensysteme wie Kunststoff – KunststofF (Polymerblend)- oder Kunstoff-Wasser (Hydrogel)-Kombinationen. Bei niedri – ger Temperatur liegt das System homogen und klar vor. Steigt die Temperatur an, kommt es zur Zusammenballung der Polymere. Durch diese,,Entmischung“ stellt sich eine erhohte Lichtstreuung und eine diffuse Reflektion ein. Der Vorgang ist reversibel. Nachteile: nicht steuerbar, ungleichmaBige Eintrubung, langsame Reaktion.

Bis heute ist ein Durchbruch fiir eine breite kommerzielle Anwendung schaltbarer Glaser ("Smart Windows") sowohl aus Kostengriinden als auch aus technischen Griinden noch nicht absehbar.

Marktreif ist inzwischen die Entwicklung von Antireflexschichten fur Flachglas, deren Aufgabe es ist, den Licht-Transmissionsgrad zu erhohen. Die Antireflexeigenschaften be – ruhen auf einer nanoporosen Interferenzschicht aus Si02 oder Siliciumnitrid (SiNx), die auf beiden Seiten des Glases aufgebracht wird. Die Reflektionsverluste, die ublicherweise bei 8% liegen, konnen bis auf etwa 2% verringert werden. Anwendungsfelder sind Photovol – taik-Module, groBflachige Glasfassaden und Gewachshauser.

Obwohl noch einige weitere Beispiele fur die Anwendung nanotechnologischer Innovatio – nen in Architektur und Bauwesen zu nennen waren, z. B. mit Nanopartikeln modifizierte Fliesenkleber, Nanocoating von Keramik und Holz sowie neue Flammschutzmittel mit opti – miertem Eigenschaftsprofil, erscheinen mir die vorstehend beschriebenen Anwendungsfel­der als besonders reprasentativ und zukunftsweisend.

l. (6-64) anzuwenden.

[1] Aus Griinden der Elektroneutralitat soil im Gleichgewicht gelten: c(H30+) = c(A~). Da – bei werden die aus der Autoprotolyse des Wassers herruhrenden 10"7 mol/1 H30+ ver – nachlassigt.

• Die Gleichgewichtskonzentration c(HA) wird der Ausgangskonzentration cG(S) gleichgesetzt. Dabei vemachlassigt man den geringen Anteil an protolysierter Saure.

[2] Eine gesattigte Calciumhydroxidlosung (Kalkwasser) enthalt l,26g Ca(OH)2 pro Liter Wasser gelost. Berechnen Sie den pH-Wert der Losung!

Nach Gl. (1-11) ist die Stoffmengenkonzentration der Losung

n m 1,26g, ,,

V M V 74,1 g /mol 11

c(OH~) = 2 • c = 3,4 • 10“2 mol/l, pOH = – lg (3,4 • 10“2) /mol Г1 = 1,47 ; pH = 12,53 .

[3] Durch die Alithydratation bildet sich eine dichte Hulle aus nadelformigen C-S-H-Pha­sen um das Klinkerkom. In der Regel wachsen die C-S-H-Phasen nur in Richtung des Porenraumes. Dies bewirkt nach einigen Stunden ein Verwachsen der einzelnen ,,Hydratationssaume“ (Abb. 9.17b), wobei eine stabile Matrix entsteht. Die Faserspitzen verzahnen sich allmahlich ineinander,,reifiverschlussartig“. Das erklart den hohen Bei – trag der silicatischen Hydratphasen zur Festigkeitsentwicklung des Zementsteins.

[4] Aus dem Sulfattrager und Kaliumionen bildet sich voriibergehend die Mineralphase Syngenit (K2S04 • CaS04 • H20). Ursache fur eine hohe Konzentration an K+ in der Po­renlosung sind die wahrend der Klinkerkiihlung auf der Oberflache auskristallisierenden

[5] Polycarboxylate (PC). 1986 brachte die japanische Fa. Nippon Shokubei Methacrylsau- reester-basierte Polycarboxylate auf den Markt. Dabei handelte es sich um Copolymere aus der ungesattigten Methacrylsaure und Methacrylsaureestem (Polyethylenglycolester der Methacrylsaure, Abb. 9.28). Die zahlreichen Carboxylgruppen (-COOH) der Hauptkette

hohe Ladungsdichte

• SCV-Gruppen als Ladungstrager

• kurzkettig, teilweise oligomer

[7] relative Molmasse: 500 – 20.000

Abbildung 9.29 Vergleich zwischen polykondensat – und polycarboxylat-basierten FlieBmitteln (nach: [BC 14]).

Mischungen mit PCE mit langen Seitenketten zeigen dagegen ein friihes Ansteifen. Die langen Seitenketten bewirken eine in den Raum hinein wirkende Abschirmung. Damit ist die Belegung der Zementoberflachen durch die FlieBmittelmolekule weniger dicht. Die Hydratation kann weitgehend ungestort ablaufen, was sich in einer sehr geringen verzo – gernden Wirkung dieser FlieBmittel und einer hohen Friihfestigkeit des Betons manifes – tiert. Da die PCE-Molekule dieses Typs weniger freie (postive) Positionen am Zementkom belegen, beginnt die Bildung der nadeligen Hydratationsprodukte unmittelbar. Deshalb weisen diese PCE nur eine geringe Konsistenzhaltung auf. Durch das allmahliche Ver – wachsen der kristallinen Hydratationsprodukte kommt es zu einem raschen Festigkeitsan – stieg. All dies sind gute Voraussetzungen fur den Einsatz im Betonfertigteilbereich.

[8] physikalische Einflusse Warme, Temperaturwechsel, Strahlung (insbes. UV-Strah-

lung), Frost bzw. Frost-Tau-Wechsel, flieBendes Wasser, Wind – und Staubbelastung

[9] Chemolithotrophe Bakterien, die reduzierte anorganische Verbindungen (NFL|+ und N02~, H2S/Sulfid, elementarer Schwefel und Thiosulfat, sowie Eisen(II)-Ionen) als Ener – giequelle und Elektronendonatoren benutzen. Sie vermogen aus deren Oxidation Energie zu gewinnen. Dabei kommt es zur Bildung von salpetriger Saure (Nitrosomonas) bzw. Salpetersaure (Nitrobacter), zu schwefliger oder Schwefelsaure (Thiobacillus) und von Eisen(III)-Ionen. Der Kohlenstoff zum Zellaufbau wird von dieser Gruppe von Mikroor­ganismen aus der C02-Fixierung gewonnen (autotroph).

• Photolithotrophe Mikroorganismen wie Algen und Cyanobakterien nutzen das Sonnenlicht als Energiequelle fur ihr Waehstum. Bei diesem Prozess wird Sauerstoff freigesetzt. Ihren C-Bedarf decken sie durch Fixierung von C02 aus der Atmosphare.

• Chemoorganotrophe Bakterien und Pilze gewinnen ihre Energie aus der Oxidation organischer Verbindungen (Wasserstoffdonatoren). Die organischen Stoffe werden auch in der Regel zum Aufbau der Zellsubstanz verwendet (heterotroph).

[10] Carbonate. Ablagerungen von Calciumcarbonat CaC03 (Kalkablagerungen, „Kalksin – ter“) entstehen, wenn das Ca(OH)2 des erhartenden Kalkmortels oder Betons durch eindrin-

[11] Kieselsaureester Si(OR)4, mit R = Alkyl – oder Arylrest, gehoren zu den Steinkonservie- rungsmitteln. Sie hydrolysieren unter dem Einfluss der Luftfeuchtigkeit zu Kieselsaure bzw. Si02. Damit wird neues witterungsbestandiges Bindemittel (Quarz) abgeschieden (Gl. 9-49). Der entstehende Alkohol und das Wasser verdampfen.

[12] Verbesserung der Verarbeitbarkeit des Frischmortels

• Reduzierung des w/z-Wertes, Erhohung der Dichtigkeit durch Auffullen des Porenge – fuges

[13] Sonderpraparate ausschlieftlich fur Holzwerkstoffe zum vorbeugenden Holz­schutz gegen holzzerstorende Pilze

Hauptbestandteile sind anorganische Borverbindungen, KF oder K-HDO. Prufpradikat: P; Anwendung: AusschlieBlich im Herstellwerk fur Holzwerkstoffe.

[14] die technische Eignung (getrennte stoffliche, technische und technologische Eigenschaften des jeweils gultigen Regelwerkes)

[15] Photochrome/photoelektrochrome Schichten

Photochrome Glaser (oder Kunststoffscheiben) sind bekannt von selbsttonenden Sonnen – brillen. Bei Sonneneinstrahlung dunkeln diese Glaser in den Farben grau und braun ein, bleiben aber durchsichtig. Der Effekt der Abdunklung wird durch UV-Licht bzw. kurzwel – liges sichtbares Licht hervorgerufen. In Abwesenheit von Sonnenlicht erfolgt die Aufhel – lung von selbst. Hintergrund der Ein – bzw. Entfarbung sind reversible Ubergange zwischen

Gaschrome (hydrochrome) Schichten

Die Schaltung bei gaschromen Schichten erfolgt durch Kontakt mit einem Gas. Fur die einzufarbende Schicht wird meist ebenfalls Wolframoxid verwendet, d. h. die gaschromen Schichten zeigen im abgedunkelten Zustand ebenfalls eine tiefblaue Farbung. Die Durch – sicht bleibt wiederum erhalten.

Die transparente Wolframoxidschicht befindet sich auf der Innenseite der Doppelvergla – sung. Die Einfarbung erfolgt aber nicht wie gerade beschrieben durch elektrischen Strom, sondem durch die Einlagerung von atomarem Wasserstoff. Durch den Kontakt mit dem Wasserstoff andert die vorher „unsichtbare44 W03-Schicht ihre chemische Zusammenset – zung, farbt sich dunkelblau und streut zusatzlich das Licht. Der Wasserstoff entsteht wie folgt: Wasserdampf wird in einer Elektrolyse-Einheit durch Strom in Wasserstoff und Sau – erstoff zerlegt. Der Wasserstoff wird katalytisch (Pt) in atomaren Wasserstoff aufgespalten. Durch Wechselwirkung des atomaren Wasserstoffs bzw. der gebildeten Protonen mit den O-Atomen der Wolframoxidschicht werden O-Fehlstellen im Gitter erzeugt. Sie sind die Ursache fur die auftretende Farbanderung. Der sich bildende Wasserdampf entweicht. Die Lichtdurchlassigkeit der gaschromen Verglasung wird iiber die Wasserstoffkonzentration im Gasspalt der Verbundscheibe gesteuert. Entfarbt wird die aktivierte Schicht durch Uber- stromen mit atomarem Sauerstoff, der ebenfalls katalytisch erzeugt wird. Das Gasversor – gungsgerat, das den Wasserstoff und den Sauerstoff liefert sowie das gebildete Wasser re – cycelt, wird idealerweise in die Fassade integriert. Fiir den Aufbau einer Warmeschutzver – glasung kann der gaschrome Zweischeiben-Verbund mit einer niedrig emittierend be – schichteten Glasscheibe kombiniert werden. Je nach Gasversorgungssystem konnen Ver – glasungsflachen von bis zu 10 m2 geschaltet werden. Die Einfarbung der Glaseinheit beno – tigt etwa funf Minuten. Auch bei gaschromen Verglasungen ist ein vollstandiger Blend­schutz nicht gegeben. [15]

im Glas eingelagerten, mit Cu dotierten Silberhalogeniden (AgCl, AgBr). Durch Einstrah – lung von Licht entstehen z. B. aus Silberchlorid (AgCl) Silber – bzw. Chloratome:

AgCl Ag° + Cl-

Fur die Eindunkelung sind die Silberatome verantwortlich. Diese Photoreaktion ahnelt dem Primarvorgang des photografischen Prozesses. Anders als im photografischen Material konnen aber in den photochromen Glasem die Chloratome nicht wegdiffundieren und die Silberkeime nicht nennenswert wachsen. Dies verhindert die starre Borosilicatmatrix. Da – mit sind gunstige Voraussetzungen fiir die Ruckreaktion gegeben, die sowohl durch Licht als auch durch Warme ausgelost werden kann.

Vorteile: Sehr einfacher Aufbau (keine TCO-Schichten), keine exteme Spannungsversor – gung notwendig, kein Problem mit Kurzschlussen, in modemeren Systemen wird zum Ein – farben kein UV-Licht mehr gebraucht. Photochrome Glaser besitzen aber auch eine Reihe von Nachteilen: Die Ein – bzw. Entfarbung sind stark temperaturabhangig, die Glaser besit­zen eine mangelnde Langzeitstabilitat, einen hohen Absorptionsgrad im abgedunkeltem Zustand, sind nicht wie die oben besprochenen schaltbaren Glaser steuerbar und besitzen hohe Preise. Es gibt auch hier Neuentwicklungen (Kombination mit Farbstoffzellen), auf

image224

elektrochromen Schicht und einer elektrochemischen Solarzelle kombiniert. Eine Glas – scheibe wird mit einer transparenten leitfahigen Schicht (TCO) und einer elektrochromen W03-Schicht belegt. Darauf bringt man nanoporose TiCVPartikeln, die mit einer Monolage eines Sensibilisierungsfarbstoffes bedeckt sind (FarbstoffzelleX). Die Poren und der Raum zwischen Ti02 und Gegenelektrode sind mit einem festen Elektrolyten geffillt, indem Lithiumiodid (Lil) gelost ist. Als Gegenelektrode fungiert eine zweite, mit einer TCO – Schicht bedeckte Glasscheibe. Die TCO-Schichten werden mit katalytisch aktivem Platin uberzogen. Beide Elektroden sind uber einen extemen Schalter miteinander verbunden. Bei Absorption von Licht durch die Farbstoffmolekiile erfolgt ein Elektronentransfer auf die Ti02-Partikeln, die die Elektronen zum W03 weiterleiten. Dort wird das Wolfram reduziert und die photoelektrochrome Schicht farbt sich blau. Die oxidierten Farbstoffmolekiile wer­den durch die anwesenden Iodidionen gemaB З Г —> I3“ + 2 e" wieder reduziert, wobei Tri – iodidionen (I3~) entstehen. Uberschiissige Li+-Ionen diffundieren durch die porose ТІО2- Schicht in die W03-Schicht und sorgen fiir den Ladungsausgleich.

Die photoelektrochrome Schicht wird liber einen extemen Stromkreis geschaltet: 1st der Stromkreis geoffnet, farbt sich die Schicht unter Bestrahlung blau. Wird der Stromkreis geschlossen, konnen die Elektronen aus dem W03 liber den Schalter zur Gegenelektrode zuruckflieBen, wo das Platin die Rlickreaktion des I3~ zum Г katalysiert. Gleichzeitig wan – dem die Lithiumionen in den Elektrolyten zuriick. Die Schicht entfarbt sich – auch unter Bestrahlung, d. h die Lichtdurchlassigkeit kann sowohl bei Beleuchtung als auch im Dunk – len durch Schalten wieder erhoht werden.

Vorteile des photoelektrochromen Systems: Keine exteme Stromversorgung notwendig, Ein – und Entfarbung konnen unabhangig voneinander optimiert werden, durch Schalten kann die Entfarbung auch bei starker Beleuchtung verringert werden. Die Schaltzeit betragt etwa 15 Minuten.

Elektrochrome Schichten

Bei elektrochromen Verglasungen erfolgt die Schaltung durch elektrischen Strom. Dabei lasst sich die Transmission (Durchlassigkeit) der Verglasung entweder in mehreren Stufen (haufig 5) oder stufenlos verandem. Die Durchsicht bleibt immer erhalten. Unter Elektro – chromie versteht man die Anderung der optischen Eigenschaften von Molekulen und Kris – tallen, insbesondere der Lichtabsorption, durch ein auBeres elektrisches Feld. Der Aufbau des elektrochromen Glases ist vergleichbar mit dem einer Verbundglasscheibe, die aus zwei TCO-beschichteten Glasem (TCO = tranparent conductive oxide, z. B. fluordotiertes Sn02) besteht (Abb. 14.7). An den Glasem sind die elektrischen Anschlusse montiert. Zwischen den beiden Glasscheiben des Glasverbunds befindet sich die aktive Schicht, bestehend aus Wolframoxid (W03, Elektrode) bzw. einem Li+-Ionen enthaltenden Mischoxid (Gegen – elektrode). Eine leitfahige, transparente Polymerfolie trennt die beiden Elektroden. Wird nun zwischen Elektrode und Gegenelektrode eine Spannung in der GroBenordnung von З V angelegt, wandem die Lithiumionen durch das leitfahige Polymer zum Wolframoxid. Dort lagem sie sich in das Kristallgitter ein, das selbst wahrend des gesamten Prozesses unverandert bleibt. Durch die Einlagerung der Ionen verandert sich die Oxidationsstufe des Wolframs und damit die Bandstruktur des Ubergangsmetalloxids, was wiederum zu einer Anderung der elektrischen Leitfahigkeit und der optischen Eigenschaften fuhrt. Die gebildeten,,Li-WOx-Farbzentren“ absorbieren das einfallende Licht. Wird danach die um – gekehrte Spannung angelegt, werden die Farbzentren wieder „zerstort46. Die Lithiumionen wandem durch das Polymer zur Gegenelektrode zuruck. Der Verbund entfarbt sich wieder.

image223"Abbildung 14.7

Schichtaufbau einer elektrochromen Verglasung;

TCO = transparent conductive oxide, z. B. fluordotiertes Sn02.

Quelle: FLABEG

Die geschilderten Vorgange sind mit dem Lade – und Entladevorgang eines Akkumulators vergleichbar. Bei falscher Steuerung konnen hier ebenso Memory-Effekte auftreten und bei Uberladung konnen die Elektroden geschadigt werden. Deshalb wird kommerziell fur jede elektrochrome Scheibe ein Controller mitgeliefert, der eine ordnungsgemaBe Steuerung von Ladung und Entladung garantiert. Je nach GroBe der Scheibe kann ein vollstandiger Um – farbevorgang bis zu 15 Minuten dauem. Bei Einsatz von W03 erreicht man eine intensive Blaufarbung der Verglasung. Durch Variation der elektrochromen Substanzen kann die Farbe des aktivierten Fensters verandert werden: Mo-dotiertes Nioboxid (Nb205-Mo) -> grau; Li-dotiertes Nioboxid (Nb205-Li) oder Nickeloxid/Titandioxid (NiO-Ti02) -> braun.

Lebensdauer und Eigenschaften der elektrochromen Verglasung hangen wesentlich von der Zuverlassigkeit der Steuerungselektronik ab. Es wird eine Lebensdauer von 20 Jahren an – gestrebt. Mit elektrochromen Verglasungen kann die Energieeinstrahlung variabel gestaltet und Energie eingespart werden. Bei direktem Sonnenlicht gibt es allerdings keinen sicheren Blendschutz, eine mogliche Blendung wird nur stark reduziert.

Weitere Anwendungsfelder

Wenn man so will kann man den Zement als altestes Nanotech-Produkt bezeichnen, denn bei der Hydratation dieses Bindemittels etwa im Beton entstehen nadelformige, mikro – bis nanometerfeine Kristalle, die zusammenwachsen und die Festigkeit des Materials bewirken. Die Betontechnologie hat gerade in den Jahren nach 1990 deutliche Fortschritte gemacht, die vor allem auf die Entwicklung neuartiger, leistungsfahiger Betonzusatzmittel wie die modemen FlieBmittel, aber auch auf Betonzusatzstoffe wie Mikrosilica zuruckzuftlhren sind.

Wie in Кар. 9.3.3.5 ausgefuhrt, beruhen Festigkeit und Dauerhaftigkeit zementgebundener Baustoffe auf einer moglichst dichten Mikro – und Nanostruktur der durch die Hydratation gebildeten C-S-H-Phasen. Je dichter die nadelige Struktur, umso dichter ist das Gefuge des erharteten Betons. Durch Verwendung von Mikrosilica erreicht man eine wesentliche Verringerung des Porenvolumens sowie Veranderungen in der Kontaktzone Zementstein – Gesteinskomung (Кар. 9.3.3.3.1). Aufgrund der sehr hohen spezifischen Oberflache kann Uberschusswasser gebunden werden. Der Verbund wird verbessert, die Festigkeit erhoht.

Die Verwendung von Nanomaterialien (Nanopulver, Polymerdispersionen) fuhrt zu einer weiteren Verbesserung der Baustoffeigenschaften. Durch Anwendung von Nanosilica (z. B. Aerosil®) mit einer PartikelgroBe zwischen 5…50 nm wird eine noch optimalere Verdich – tung der Mikrostruktur des Zementsteins erreicht. Die Nanopartikeln fallen die Poren weit – gehend aus, die Packungsdichte wird erhoht und der Verbund in der Kontaktzone Zement – stein/Gesteinskomung wird weiter verbessert.

Zusatzlich zu den physikalischen Packungseffekten (Fullerfunktion) wird durch die bei kleiner werdender PartikelgroBe exponentiell ansteigende Oberflache die puzzolanische Reaktivitat wesentlich gesteigert. Als Beispiel soli die Umsetzung von Si02 mit Ca(OH)2 angefiihrt werden [BC 19]: Ist das Quarzmehl grob gemahlen, so lauft beim Mischen mit Ca(OH)2 ohne Warmebehandlung keine chemische Reaktion ab. Mikrosilica dagegen, mit einer mittleren TeilchengroBe zwischen 0,1.. .0,15 pm, reagiert innerhalb weniger Tage (bis Wochen) in Gegenwart von Wasser mit Ca(OH)2 zu den entsprechenden C-S-H-Phasen. Ein homogenes Gemisch aus Nanosilica und Ca(OH)2 hat dagegen bereits nach 24 Stunden einen hohen Anteil an C-S-H-Phasen gebildet, so dass dieses Gemisch bereits als ein eigen – standiges Bindemittel betrachtet werden kann.

Die genannten Vorteile machen Nanosilica zu einem idealen Zusatzmittel fur modeme ze – mentbasierte Bindemittel (hochfester und ultrahochfester Beton). Seine Anwendung spie – gelt sich in verbesserten mechanischen Eigenschaften, insbesondere einer hohen Druckfes – tigkeit, in einer geringen Porositat und einer erhohten Dauerhaftigkeit wider.

Wie eingangs ausgefuhrt, nimmt die Bedeutung der Oberflache mit abnehmender Partikel – groBe zu. Die extrem groBe Oberflache bei Nanopartikeln ist, wie gerade beschrieben, fur eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften wie die hohe Reaktivitat und die sehr gute Wasser- bindung verantwortlich. Um diese Eigenschaften zu entfalten, miissen die Nanopartikeln moglichst homogen in die jeweilige Formulierung eingebracht werden. Und genau hier liegt das Problem. Hinsichtlich der Auswahl und der Wirkung geeigneter Dispergiermittel besteht zur Zeit noch ein erheblicher Klarungsbedarf. Neben Nanosilica sind auch andere nanoskalige Oxide wie Fe203, A1203 oder Ti02 als Betonzusatzstoffe denkbar.

image222Abbildung 14.6

Raumliche Struktur einer Kohlenstoff- Nanorohre (CNT)

(www.3dchem. com/molecules).

Eine interessante Forschungsrichtung beschaftigt sich mit der Verwendung von Nanorohren bzw. – fasem anstelle von Nanopartikeln. Fur die Herstellung von Nanorohren eignen sich vor allem schichtformig aufgebaute Stoffe oder Polymere, von besonderem Interesse sind in diesem Zusammenhang Kohlenstoff-Nanorohren (Carbon Nano Tubes, CNT; Abb. 14.6). Kohlenstoff-Nanorohren weisen eine Reihe extremer Eigenschaften auf: Ihre Zug – festigkeit kann bis 50 GPa betragen, damit ist sie mehr als 20-mal so hoch wie die von Stahl. Ihr E-Modul liegt bei ca. 1000 GPa. Daruber hinaus besitzen sie eine etwa 1000-mal hohere elektrische Leitfahigkeit als Cu und eine hohe thermische Leitfahigkeit (bis zu 5.800 W/m K). Ihre Dichte betragt rund 1,4 g/cm3. Die Rohren aus Kohlenstoff haben einen Durchmesser von wenigen Nanometem. Sie sind damit etwa 50.000-mal diinner als ein menschliches Haar. Aufgrund ihrer extrem kleinen Abmessungen lassen sie sich wesentlich besser im Beton verteilen als ubliche Stahl – oder Kunststoffbewehrungen. Da sich gezeigt hat, dass sie zusatzlich als Kristallisationskeime wirken, hartet der Beton schneller aus und erhalt eine hohere Dichtigkeit. Die Druckfestigkeit von UHPC kann durch Zugabe von Kohlenstoff-Nanorohren nochmals deutlich erhoht werden. Ein gegenwartig noch zu losen – des Problem beim Verarbeitungsprozess betrifft die Dispergierbarkeit der CNT. Sie neigen aufgrund ihres hydrophoben Verhaltens in wassriger Losung zur Clusterbildung.

Interessante Anwendungsfelder ergeben sich flir die Nanotechnologie auch im Bereich Fenster und Verglasungen. Durch Anwendung nanoskaliger Schichten bzw. Beschichtun – gen konnen der Warme – und Sonnenschutz sowie das Reflektions – und Verschmut – zungsverhalten der Glasscheiben (s. o. Ti02-Photokatalyse) gesteuert werden.

Fenster (Glasflachen) sind wichtige Komponenten des (solaren) Bauens: Indem sie Sonnen – strahlung und Warme in den Raum lassen, senken sie den Heizbedarf der Gebaude in der kalten Jahreszeit und ermoglichen im Winter passiv-solare Energiegewinne. Daruber hinaus
garantieren sie ganzjahrig eine natiirliche Beleuchtung und reduzieren so den Energieauf – wand fur elektrische Beleuchtung. Die hohe Licht – und Energiedurchlassigkeit groGer Fensterflachen bringt jedoch auch Nachteile mit sich: Im Sommer kommt es zu Uberhit – zungen. Damit wird entweder eine aktive Klimatisierung erforderlich oder die Glasflachen miissen aufwendig abgeschattet werden, z. B. durch Jalousien, Stores oder Markisen. Ktinf – tig sollen schalt – oder regelbare Verglasungen dieses Problem losen und die teilweise gegensatzlichen Anforderungen besser in Ubereinstimmung bringen. Schalt – oder regelbare Verglasungen andem ihre optischen Eigenschaften quasi per Knopfdruck (<aktive Systeme) oder selbsttatig (reaktive Systeme).

Je nach Aktivierung und Aufbau unterscheidet man folgende schaltbare Schichten:

Oberflachenfunktionalisierung

Einen Schwerpunkt der Anwendung der Nanotechnologie im Bauwesen stellt die Oberfla­chenfunktionalisierung von Fassadenflachen (AuBen – und Dachfassaden) dar. Durch die Anwendung von Nanomaterialien lasst sich beispielsweise das Verhalten von Oberflachen gegentiber Flussigkeiten gezielt einstellen, z. B. hydrophob, hydrophil oder oleophob (olab – weisend). Die wohl bekannteste Herangehensweise ist die Hydrophobierung der Fassa – denoberflache. Sie beruht in der Regel auf Beschichtungen mit Si-organischen (Кар. 9.2.4) oder fluororganischen Verbindungen. Auf wasserabweisenden Schichten (groBe Randwin – kel а; Кар. 6.2.2.2) perlt das Wasser ab und auf der Oberflache anhaftende Schmutzparti – kel werden abgespult. Durch eine chemische Modifizierung der Oberflache konnen Rand- winkel bis max. 110… 120° realisiert werden. Sollen hohere a-Werte – und damit eine noch

starkere WasserabstoBung – erreicht werden, muss die Oberflache (mikro)strukturiert wer – den. Dabei gilt: Bei hydrophoben Oberflachen wird die Benetzbarkeit durch die (Mikro)- Rauigkeit der Oberflache reduziert, bei hydrophilen wird sie dagegen verbessert.

Den Zusammenhang: Starke WasserabstoBung durch Mikrostrukturierung der Oberflache realisiert die Natur bei den Blattoberflachen einiger Pflanzen, z. B. auch der Lotuspflanze (Lotus-Effect ®). Der Tropfen liegt nur auf den auBeren Spitzen der Mikrostruktur auf, wobei Randwinkel um 160° auftreten. Man spricht von ultra – oder superhydrophoben Oberflachen. Der Selbstreinigungsmechanismus stutzt sich auf die minimalen Kontaktfla – chen zwischen Tropfen und Oberflache (2 – 3%!). Die wie auf einer Biirste aufliegenden Schmutzpartikel werden vom abrollenden Fliissigkeitstropfen mitgenommen (Abb. 14.3b). Die Besonderheit der Blattstruktur besteht darin, dass auf der Noppenstruktur (die Noppen sind 5… 10 jum hoch und 10… 15 pm voneinander entfemt; Abb. 14.3a) noch eine zweite, sehr feine Nanostruktur realisiert ist. Dabei handelt es sich um kleine Wachskristalle (0 ca. 100 nm), die sowohl die Noppen als auch die Taler dazwischen uberziehen.

image218

Abbildung 14.3 a) Noppenstruktur des Lotusblattes (www. lotus. effect. com): b) Selbst­reinigungsmechanismus an einer mikrorauen Oberflache.

Die Ubertragung einer solch komplexen Oberflachenstruktur auf technische Produkte zur Erlangung eines Selbstreinigungseffektes ist hoch kompliziert und auBerst anspruchsvoll. So wurden Anstrichstoffe entwickelt, bei denen durch Zugabe von Si02-Mikropartikeln zu geeigneten Bindemitteln nach der Verarbeitung eine kunstlich mikrostrukturierte Oberfla­che erzeugt wird. Die 1999 auf den Markt gebrachte Fassadenfarbe Lotusan® wirbt bei – spielsweise mit dem oben dargestellten Selbstreinigungsmechanismus. Es hat sich in den letzten Jahren jedoch gezeigt, dass die gewtinschte Selbstreinigung der Oberflache nicht in dem MaBe eintritt, wie erhofft. Die Tauwassertropfen sind so leicht und vor allem so klein, dass sie nicht abrollen konnen. Sie verbleiben im Mikrorelief und trocknen dort ab. Wenn sie losliche Verschmutzungen aufgenommen haben, lagert sich der Schmutz in der Mikro­struktur ab und die Fahigkeit zur Selbstreinigung geht allmahlich verloren. Hier ist die Lo­tuspflanze klar im Vorteil! Sie besitzt die Fahigkeit, ihre Oberflache zu regenerieren. Wird die Grenzschicht beschadigt, emeuert sie die defekte Oberflachenstruktur innerhalb weni – ger Stunden bis die Selbstreinigung wieder funktioniert.

Titandioxid (TiC>2)-Photokatalyse. Wie die Nutzung des gerade beschriebenen Lotus – Effects®, so kann auch die Anwendung der Titandioxid-Photokatalyse im Baubereich in – zwischen schon als Klassiker bezeichnet werden. Gibt es doch inzwischen eine ganze Reihe
kommerziell erhaltlicher Produkte, die Titandioxid als Photokatalysator zur Zersetzung von Luftschadstoffen praktisch nutzen.

Titandioxid gehort neben Verbindungen wie ZnO, ZnS, CdS und Fe203 zu den Photohalb – leitem (Кар. 3.3.3). Es kommt in drei unterschiedliehen kristallinen Modifikationen vor, dem Rutil, dem Anatas und dem Brookit. Die thermodynamisch stabile Rutil-Modifikation findet als WeiUpigment fur Farben, Lacke, Kunststoffe und Keramiken sowie in der Le- bensmittelindustrie breite Anwendung. Anatas ist thermodynamisch instabil, kinetisch je – doch stabil. Die Anatas-Modifikation wird aufgrund der im Vergleich zum Rutil deutlich erhohten Photoaktivitat nur begrenzt technisch verwendet. Fur einen Einsatz als Photoka­talysator ist Anatas geradezu pradestiniert.

Abb. 14.4 zeigt das Energieniveauschema eines Halbleiterteilchens in der Darstellungs – weise des Energiebandermodells. Bestrahlt man Ti02-Partikel mit UV-Strahlung der Wel – lenlange X < 390 nm (dieser Wert entspricht der Energie der Bandliicke zwischen Valenz (VB)- und Leitungsband (LB) des Ti02(Anatas), Eg = 3,2 eV), so reicht die Energie hv der Photonen aus, um die Bandliicke zu iiberwinden. Es erfolgt der Ubergang eines Elektrons in das Leitungsband (e“LB)5 wobei im Valenzband ein Defektelektron (auch „Loch44, Ь+ув) zuriickbleibt (Gl. 14-1).

(ТЮ2) + hv -> (ТІ02) + Ь+ув + e LB (14-1)

Liegen die Redoxpotentiale potentieller Akzeptormolekule (A) und Donormolekule (D) innerhalb der Bandliicke des Halbleiters, kann eine Redoxzersetzung erfolgen.

Die an die Partikeloberflache migrierten Elektron-Loch-Paare konnen, falls sie nicht vorher rekombinieren, auf direktem Wege adsorbierte SchadstoffmolekUle zersetzen. Eine zweite Moglichkeit des Schadstoffabbaus kann iiber intermediar gebildete Radikale erfolgen. Durch die hohe Oxidationskraft der Locher im Valenzband kann Wasser in einem Einelek – tronenschritt zum Hydroxylradikal *OH oxidiert werden. OH-Radikale gehoren zu den ef – fektivsten Oxidationsmitteln der Atmosphare, ihre Oxidationskraft iibertrifft die des Chlors und Ozons. Die photolytisch erzeugten Elektronen sind dagegen in der Lage, adsorbierten Sauerstoff zu Superoxidionen 02~* zu reduzieren. Aus den Superoxidionen konnen im Re – sultat unterschiedlicher Sekundarprozesse Wasserstoffperoxid (H202), Peroxyradikale (H02*) und wiederum Hydroxylradikale entstehen (Details s. [BC 16,17]).

image219Abbildung 14.4

Energieniveauschema eines Halblei­terteilchens (Energiebandermodell)

Uber ein zweites faszinierendes Phanomen, das vollig unabhangig vom gerade beschriebe – nen photoinduzierten Schadstoffabbau existiert, wurde 1997 von Watanabe und Mitarbei – tem berichtet [BC 16]: Eine Titandioxid-Oberflache wird bei UV-Einstrahlung ultra – hydrophil (Kontaktwinkel a < 1°). Das Wasser flieBt auseinander und bildet einen flussi – gen Film. Unterbricht man die UV-Bestrahlung, bleibt der niedrige Kontaktwinkel fur ei­nen, maximal zwei Tage erhalten, steigt dann jedoch langsam wieder an. Die Oberflache wird wieder hydrophober. Die Ultrahydrophilie kann durch emeute UV-Bestrahlung wie – dererlangt werden. Im Jahre 1994 kamen die ersten, gemeinsam vom japanischen Konzem TOTO Ltd. und der Universitat Токіо entwickelten photokatalytisch aktiven Fliesen auf den japanischen Markt. Aufgrund ihrer nachgewiesenermaBen bakteriziden Wirkung wur – den sie in Krankenhausem (OP-Bereich), Kliniken und im hauslichen Sanitarbereich einge – setzt. Mit der Entdeckung der hohen Hydrophilie der Ti02-Beschichtung bei solarer Ein – strahlung wurden die Fliesen sofort fur AuBenanwendungen interessant und 2002 in ersten Bauwerken in Japan eingesetzt. Von beschichteten Keramiken zu beschichteten Glasem ist es nur ein kleiner Schritt. Der international agierende Flachglashersteller Pilkington stellte 2002 das erste Bauglas Pilkington Aktiv™ mit dualaktiver (selbstreinigend und ultra – hydrophil) Wirkungsweise vor. Photokatalytisch aktives, selbstreinigendes Glas kann fur nahezu alle AuBenanwendungen eingesetzt werden.

Heute gibt es in Deutschland fast keinen Hersteller von Beschichtungs – bzw. Anstrichstof – fen, der nicht in mindestens einem Produkt die Schadstoffzersetzung der photoaktiven Ti02-Pigmente nutzt. Daneben werden Ti02-modifizierte Dachziegel, Ti02-modifizierte Zemente fur Fassaden und StraBenbeton zur Reduktion der hohen Konzentrationen an NOx und leicht fluchtigen organischen Verbindungen in Ballungsgebieten, Putze sowie Gegen – stande fur die Innenausstattung kommerziell vertrieben [18].

Thermische Isolierung. Als weiteres Anwendungsgebiet der Nanotechnologie muss die thermische Isolierung von AuBenfassaden angefuhrt werden. Die Warmedammung von Au – Benfassaden ist ein wesentlicher Faktor in der Bauwirtschaft – und zwar sowohl im Hin – blick auf Investitionskosten bei Neubauten und Gebaudesanierungen als auch hinsichtlich anfallender Betriebskosten. In Westeuropa wird der Markt fur die thermische Isolierung in der Gebaudetechnik auf ca. 6 Mrd. Euro geschatzt [BC 19, 20]. Hier bietet sich ein Zu – kunftsmarkt fur nanoporose Materialien. Seit 1999 werden so genannte Vakuumisolati- onspaneele (VIP, Vacuum Insulated Panel) entwickelt. Diese Dammplatten nutzen das Prinzip der Vakuumdammung. Die Vakuumdammung benotigt bei gleicher Dammwirkung wesentlich geringere Dammstarken als konventionelle Dammstoffe. Als Dammmaterial wird Aerosil® (Кар. 6.2.2.2), ein hochporoses, nanostrukturiertes Kieselsaurepulver ver – wendet. Platten aus feinteiliger, poroser Kieselsaure besitzen schon unter Normaldruck gute Warmeschutzeigenschaften. Bereits ein moderates Vakuum von etwa 50 Millibar reicht aus, um das Warmeleitvermogen des feinporigen Dammmaterials weiter deutlich herab – zusetzen. Die VIP bestehen aus Kieselsaureplatten, die in ein schutzendes Vlies gepackt, anschlieBend evakuiert und in metallisierte gasdichte Kunststofffolien eingeschweiBt wer­den. Ihre Warmeleitfahigkeit betragt nur ca. 0,004 W/m K. Ihre Warmeschutzwirkung ist fast 10-mal besser als die herkommlicher, am Bau eingesetzter Dammmaterialien wie Po – lystyrol, Polyurethan, Glas – oder Mineralwolle. Das bedeutet: Statt z. B. 40 cm eines libli – chen Dammstoffs wie Polystyrol erzielen 4 cm Vakuumisolationspaneele den gleichen Warmeschutz. Fazit: Schlankere Konstruktionen werden moglich. Die ersten Produkte erhielten im Juli 2007 ihre allgemeine bauaufsichtliche Zulassung.

Ein weiteres in den letzten Jahren entwickeltes Isolationsmaterial sind die so genannten Silica-Aerogele (z. B. Nanogel®). Silica-Aerogele, auch als "gefrorener Rauch” bezeichnet, bestehen aus einem nanostrukturierten, dreidimensionalen Netzwerk von Si02-Partikeln. Die Partikelgrolie betragt etwa 10 nm. Die Porositat dieser Gele kann Werte iiber 95% (!) erreichen. Fassadenelemente auf Basis von Silica-Aerogelen sind transparent im Gegenteil zu den in der Regel lichtundurchlassigen Vakuum-Dammplatten. Aufgrund der Licht – durchlassigkeit eignen sich diese Materialen sowohl fur durchscheinende Gebaudefassaden als auch fur Dachfenster. Die Aerogel-Fenster basieren auf Doppelverglasungen zwischen denen mit Aerogelgranulat gefullte Polycarboxylat-Stegplatten eingebracht wurden. Die Dammelemente weisen aufgrund der extrem hohen Porositat des Gels sehr gute Warme – und Schalldammwerte auf und bewirken gleichzeitig eine ausgezeichnete Grundhelligkeit mit angenehmem Streulicht.

Im Hinblick auf modeme Fassadenfunktionalitaten muss auch die Anwendung von La – tentwarmespeichern angefiihrt werden, wenngleich sich diese Entwicklungsrichtung noch auf dem Weg zur Nanostrukturierung befindet. Durch die Verwendung spezieller warme – speichemder Materialien kann der temperaturausgleichende Effekt dicker Wande auf nur wenige Millimeter dicke Putzschichten ubertragen werden. Das Prinzip ist leicht erklart: Bei der Speicherung von Warme tritt gewohnlich im Speichermaterial eine Temperaturer – hohung auf. Diese Temperaturerhohung verhalt sich zur gespeicherten Warmemenge pro­portional (Abb. 14.5).

Da die gespeicherte Warme zu ftihlen ist, wird diese Form der Warmespeicherung als fiihl – bare oder sensible Warmespeicherung bezeichnet. Bei der latenten Warmespeicherung wird die Warme dagegen von einem Material gespeichert, bei dem ein Phaseniibergang, z. B. vom festen in den fliissigen Zustand, erfolgt. Man spricht von Phasenwechselmateri- alien (engl. Phase Change Materials, PCM). Nach dem Erreichen der Phaseniibergangs – temperatur bleibt die Temperatur trotz weiterer Warmezufuhr solange konstant, bis das Speichermaterial vollstandig geschmolzen ist (Abb. 14.5). Erst dann steigt die Temperatur weiter an. Die wahrend des Phasentibergangs eingespeicherte Warme bezeichnet man als,,versteckte“ oder latente Warme.

image220Abbildung 14.5

Temperaturverhalten eines sensiblen (gestrichelte Kurve) und eines latenten (durchgezogene Kurve) Warmespeichers.

Fur den Phasenubergang fest-flussig entspricht die latente Warme der Schmelz – oder Kris – tallisationswarme (Кар. 4.2.1). Latentwarmespeicherung ist ein aus dem Alltag gut be – kanntes Phanomen, z. B. von so genannten Warmekissen. Sie enthalten meist ubersattigte

Losungen von Natriumacetat-Trihydrat (CH3COONa • 3 H20). Diese iibersattigten Losun- gen stellen den „geladenen Zustand“ des Warmekissens dar. Chemisch handelt es sich bei der Salzlosung um ein metastabiles System. Erst durch,,AnstoBen“ wird der metastabile Zustand gestort. Das Natriumacetat kristallisiert schlagartig aus und das System gibt (la – tente) Warme an die Umgebung ab. Dabei handelt es sich sowohl um Kristallisations – als auch um Salzhydratbildungswarme. Durch das AnstoBen, z. B. durch Bewegung eines Stahlklickers oder durch Biegen eines Metallstreifens bzw. – plattchens, werden aktive Stellen erzeugt. Wahrscheinlich handelt es sich um Mikrorisse im Metall, die als Kristalli – sationskeime wirken konnen. Das neuerliche,,Aufladen“ erfolgt im heiBen Wasser, wobei das feste Salzhydrat wieder in eine ubersattigte Losung iibergeht. Ein zweites Beispiel fur Latentwarmespeicherung stellt die Speicherung von Kalte im Eis dar.

Latentwarmespeicher konnen in einem groBen Temperaturbereich verwendet werden. Je nach Phasenumwandlungstemperatur und Anwendungsbereich werden Stoffe unterschied – lichster Substanzklassen als PCM verwendet, z. B. Salzhydrate und Salzhydratmischungen, wassrige Salzlosungen und Paraffine. Bei den auf dem Bausektor eingesetzten PCM-Mate – rialien handelt es sich gegenwartig vor allem um Paraffine (Paraffinwachse) mit Schmelz – temperaturen zwischen -3… 100 °С. Die Entwicklung geht jedoch in Richtung Salzhydrate, da bei ahnlichen Umwandlungsbereichen die gespeicherte Warmemenge dieser Verbindun – gen die der Paraffine deutlich ubersteigt.

Fur Anwendungszwecke werden die Paraffine in Kunststoff-Mikrokapseln eingebracht (0 der Kapseln 5…20 pm). Durch diese Mikroverkapselung ergeben sich eine Reihe von Vor – teilen:

• Die Paraffine konnen nicht in den Baustoff gelangen und eventuell dessen Eigenschaften negativ beeinflussen.

• Die Gesamt-Paraffinoberflache ist aufgrund der geringen GroBe der Kapseln sehr groB, damit wird ein optimaler Warmeaustausch zwischen PCM und Baustoff er – moglicht.

• Mikroverkapseltes Paraffin (Abb. 14.6) ist wie ein Pulver leicht und vielseitig einsetzbar, z. B. in Innenputzen und Spachtelmassen.

Подпись: Abbildung 14.6image221REM-Aufnahme eines PCM-haltigen Gipsputzes: Die Mikrokapseln sind deutlich zu erkennen.

Quelle: Fraunhofer ISE.

Steigt die Umgebungstemperatur an, wird das Paraffinwachs flussig und Warme wird ge – speichert. Fallt die Temperatur wieder ab, wird das Wachs emeut fest und Warme wird an die Umgebung abgegeben.

Im Februar 2005 kam in Deutschland der PCM-haltige Gipsputz maxit clima® (Fa. maxit) auf den Markt. Die eingesetzten mikroverkapselten Paraffine sind auf eine Phasenwechsel – temperatur von 24…26 °С eingestellt. Laut Hersteller nimmt der Spezialputz funfmal mehr Warme auf als ein herkommlicher Innenputz. Eine 1,5 cm dicke Putzschicht mit maxit
clima® weist demnach etwa die gleiche Warmespeicherkapazitat auf wie eine 7 cm dicke Gipsdielenwand. Wichtig ist, dass die durch sommerliche Uberhitzungseffekte „aufgela – dene“ PCM-Putzschicht durch Nachtluftung wieder ,,entladen“ wird. Da Paraffine brennbar sind, wurde der PCM-Gipsputz wie auch die Knauf-Latentwarmespeicherplatte in die Brandschutzklasse B2 eingestuft. Durch Aufbringen einer feuerhemmenden Beschichtung (Dammschicht) erftillen beide Baustoffe die Anforderungen der Brandschutzklasse Bl. Entwicklungsbedarf besteht gegenwartig noch hinsichtlich der Erhohung der Lebensdauer der Mikrokapseln in zementgebundenen Baustoffen. Die Mikrokapseln dtirfen weder beim Einmischen noch bei der Verarbeitung zerstort werden. Des Weiteren muss der erhartete Baustoff eine nahezu beliebige Anzahl von Schmelz-/Erstarrungszyklen uberstehen, ohne dass er in seiner Stabilitat beeintrachtigt wird. Es ware ein technologischer Durchbruch, gelange es Nano-PCM herzustellen – z. B. als Nano-Komposite, die dauerhaft in die Ze- mentmatrix eingebettet werden, ohne die Betoneigenschaflen zu beeinflussen [BC 19].

Innovationsfelder fiir Nanotechnologien auf dem Bau – sektor

Die Moglichkeiten zur Anwendung nanotechnologischer Innovationen erstrecken sich auf nahezu alle Bereiche des Bausektors, vom Rohbau, der Fassadengestaltung, der Haustech – nik bis hin zur Innenausstattung. Selbst der Infrastrukturbereich (StraBen, Briicken, Kanale) kann wesentlich von nanotechnologischen Prinziplosungen profitieren.

In Abb. 14.2 sind einige Beispiele zur Anwendung nanotechnologischer Innovationen im Hausbau dargestellt.

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Abbildung 14.2 Anwendungsbeispiele der Nanotechnologie im Hausbau 14.2.1

Was sind Nanoteilchen?

Die Nanowelt gleicht in vielem noch einem unbekannten Kosmos mit kaum vorstellbaren Dimensionen – und zwar unvorstellbar kleinen Dimensionen. 250 Mrd. Nanopartikel aus RuB passen beispielsweise problemlos in den Punkt, der am Ende dieses Satzes steht. In der Nanowelt bewegen wir uns auf der Ebene einzelner Molekule und Atome. Die Vorsilbe Nano entstammt dem griechischen Wort ,,nanos“ (Zwerg), ein Nanometer entspricht dem millionsten Teil eines Millimeters. Schon 5… 10 Atome nebeneinander ergeben einen Na­nometer. Eine Veranschaulichung dieser GroBenverhaltnisse zeigt Abb. 14.1.

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Abbildung 14.1 Die Nanowelt im GroBenvergleich. Links: Typische Nanopartikel (Silica-

(Si02)-Nanopartikel, www. furukawa. co. jp) verhalten sich zu einem Fu&ball wie etwa ein FuBball zur Erdkugel.

Die Nanotechnologie befasst sich mit Strukturen, die per Definition kleiner als 100 Nano­meter sind. Das bedeutet, sie befasst sich sowohl mit dunnen, wenige Nanometer dicken Schichten als auch mit kleinsten Objekten oder Strukturen, deren Dimensionen im Bereich weniger bis einzelner Molekule liegen. Die Besonderheit bei der Beschaftigung mit Nano- partikeln besteht darin, dass die Gesetze der klassischen Physik im Nanokosmos ihre Giil – tigkeit verlieren. Hier gilt die Quantenmechanik, nach der sich Eigenschaften von Stoffen nicht mehr kontinuierlich, sondem in Sprungen (gequantelt) andem.

Die Nanomaterialien besitzen im Vergleich zu ihren grober strukturierten Formen deutlich veranderte Eigenschaften, die physikalische und chemische, aber auch biologische Stoff- charakteristika betreffen. So andem sich z. B. wichtige Materialeigenschaften eines Fest – korpers wie elektrische Leitfahigkeit, Magnetismus, Fluoreszenzverhalten, Harte und Fes – tigkeit signifikant mit der Anzahl und der Anordnung der wechselwirkenden Atome, Ionen oder Molekule. Nichtleiter werden zu Leitem, Stoffe wechseln ihre Farbe wenn sie zu Na – nopartikeln verarbeitet werden. Zum Beispiel variiert das Fluoreszenzverhalten des Cadmi – umtellurids (CdTe) stark mit der PartikelgroBe: Ein 2 nm groBes CdTe-Partikel sendet grn- nes Licht aus, ein 5 nm groBes Partikel dagegen rotes.

Auch chemische Eigenschaften hangen stark von der Strukturierung der Materialoberflache ab. Je kleiner die Teilchen, umso grofier ist das Verhaltnis zwischen Oberflache und Volu – men, umso hoher ist der Anteil an Oberflachenatomen. Nanoskalige Strukturen weisen demnach ein deutlich groBeres Verhaltnis von reaktiven Oberflachenatomen zu reaktions – tragen Teilchen im Inneren des Feststoffs auf. Zum Beispiel enthalt ein Partikel des Durchmessers 20 nm etwa 250.000 Atome, wobei sich 10% der Atome an der Oberflache befinden. Verkleinert man das Partikel auf einen Durchmesser von 1 nm enthalt es ca. 30 Atome, wobei der Anteil der Oberflachenatome nun 99% betragt.

Durch die Nanostrukturierung ergeben sich somit vollig neue Moglichkeiten fur die Ent – wicklung funktionaler Oberflachen, bei denen gewunschte Materialeigenschaften wie der Selbstreinigungseffekt bei Werk – und Baustoffoberflachen, eine verbesserte Kratzfestigkeit von Lacken, spezielle Effekte bei Farben und Lacken durch Einsatz von Nanopartikeln, Antireflexeigenschaften bei Gebrauchsglas und Displays, ein verbesserter UV – und Warme – schutz sowie antibakterielle Eigenschaften von Werk – und Baustoffen gezielt auf den je – weiligen technischen Anwendungszweck zugeschnitten werden konnen.

Hightech im Bauwesen: Anwendung der Nano – technologie in Architektur und Bauwesen

Die Nanotechnologie gilt weltweit als die Schlusseltechnologie des 21. Jahrhunderts. FUr zahlreiche Industriebranchen wie etwa den Automobilbau, die chemische und pharmazeuti – sche Industrie, die Informationstechnik sowie die optische Industrie hangt die kiinftige Wettbewerbsfahigkeit ihrer Produkte sehr wesentlich von der ErschlieBung modemer Technologien zur kontrollierten Erzeugung und Nutzung nanoskaliger Strukturen ab. Doch die Nanotechnologien bieten nicht nur den Hightech-Branchen, sondem auch den konventi – onellen Industriezweigen wie dem Bausektor erhebliche Entwicklungs – und Geschaftspo – tentiale. Der gezielte Einsatz nanotechnologischer Innovationen, die das Bauen schneller, flexibler, nachhaltiger und kostengunstiger machen, starkt die Wettbewerbsfahigkeit der Bauwirtschaft – und schafft Arbeitsplatze.

Baustoffrecycling heute: Eine kritische Bestandsauf – nahme

Als das Kreislaufwirtschafts – und Abfallgesetz 1996 in Kraft trat, wurde der Grundsatz „Vermeiden vor Verwerten vor Beseitigen“ als ubergeordnetes Ziel fur Wirtschaft und Po – litik verbindlich festgeschrieben. Die verstarkte Forderung der Kreislaufwirtschaft zur Schonung unserer naturlichen Ressourcen wurde als Hauptanliegen des neuen Gesetzes formuliert. Betrachtet man die aktuelle Situation auf dem Gebiet des Baustoffrecycling heute kritisch, so zeigt sich, dass das KrW-/AbfG nur wenig bewirkt hat. Sein untergeord – netes Regelwerk wird in den verschiedenen Bundeslandem unterschiedlich ausgelegt und wissenschaftlich fragwlirdige,,Besorgnisgrundsatze“ in Verbindung mit nicht einzuhalten – den Grenzwerten hebeln den Verwertungsanspruch aus [AB 26]. Zu den Leidtragenden dieses okologischen (und biirokratischen) Konflikts gehort in erster Linie die Bauwirt – schaft. Laut Arbeitsgemeinschaft Kreislaufwirtschaftstrager Bau (ARGE KWTB), eine

1995 gegrundete freiwillige Brancheninitiative, die die (Kreislaufwirtschafts)-Interessen aller am Bau Beteiligten vertritt, fallen die Auswirkungen drastisch aus:

• Verwertbare Abfalle werden auf kommunal gefuhrten,,Billig“-Deponien (die es nach den ursprunglichen Zeithorizonten der ТА Siedlungsabfall heute gar nicht mehr geben sollte!) entsorgt.

• Technisch gut ausgestattete und nach hochsten Umweltstandards arbeitende Recyc – lingfachbetriebe werden in die Insolvenz getrieben. Damit verliert die deutsche Bauwirtschaft wertvolles, iiber zwei Jahrzehnte entwickeltes Know-how im Recyc – lingbereich – und dariiber hinaus Arbeitsplatze.

• GroBe Mengen giiteuberwachter Recyclingbaustoffe lagem auf Halde, da ihre Verwendung durch Bewertungsmodelle blockiert wird, die sich auf z. T. nicht nachvollziehbare Grenzwerte stutzen.

• Bauausfuhrende Firmen werden nach willkurlichem Ermessen zu Abfallerzeugem erklart. Indem man diesen Untemehmen ungerechtfertigt Verantwortung, Pflichten, Risiken und zusatzliche Kosten iibertragt, treibt man auch sie ins Aus.

In ihrem 2003 publizierten Positionspapier fordert die Arbeitsgemeinschaft Kreislaufwirt – schaftstrager Bau, das uberdimensionierte und z. T. widerspriichliche Ordnungsrecht auf ein anwendungsorientiertes MaB zu reduzieren und fur die Behandlung von Baureststoffen ein bundesweit einheitliches und praktikables System zu etablieren [AB 26]. Im Sinne einer akzeptierten Kreislaufwirtschaft muss nach einem qualitatsgepriiften Recyclingprozess den Baustoffen der Produktstatus zugesprochen werden. Recycelte Baustoffe sind keine Abfalle mehr. Die Beibehaltung des Abfallstatus fur Recyclingbaustoffe bis zu ihrem Einbau ist in der Praxis schwer vermittelbar und wirkt sich prinzipiell negativ auf ihren Absatz aus. Kreislaufwirtschaft im Bauwesen bedeutet Bauen, Ruckbauen und verwertungsorientiertes Recycling. Kreislaufwirtschaft ist praktizierter Umweltschutz, da durch das Recycling und die Wiederverwendung von Baureststoffen naturliche Ressourcen geschont werden. Wer eine Wiederverwertung giiteuberwachter Recyclingbaustoffe – durch welche MaBnahmen auch immer – verhindert, versundigt sich an unserer Umwelt und damit an nachfolgenden Generationen.

Bitumen – und pechhaltige Recyclingbaustoffe

Bei StraBenbelagen geht man von einer durchschnittlichen Lebensdauer von 20…30 Jahren aus. Damit fallen durch standige Emeuerung und Reparatur von StraBen groBe Mengen an Altasphalt und Frasgut an. Eine Wiederverwendung ist dringend anzustreben.

Den bei BaumaBnahmen von StraBen und Verkehrsflachen zuriick gewonnenen Asphalt bezeichnet man als Ausbauasphalt. Er kann als Frasasphalt (durch Frasen kleinstuckig gewonnen) oder als Aufbruchasphalt (durch Aufbrechen und Aufnehmen in Schollen ge – wonnen) anfallen. Die Wiederverwertung von Asphalten ist in den technischen Vorschrif – ten ZTV Asphalt-StB und ZTVT-StB geregelt.

Ausbauasphalte konnen a) entweder Bitumen oder b) Pech/Teer als Bindemittel enthalten. Dass Bitumen und Peche (Teerpeche) sich nicht nur chemisch, sondem auch in ihrer Wir – kung auf die Umwelt signifikant unterscheiden, wurde bereits in Кар. 10.3 besprochen.

Jahrlich fallen in der Bundesrepublik Deutschland etwa 15 bis 16 Mio. t Ausbauasphalt an, etwa 12 Mio. t werden wieder verwendet. Bei (Bitumen)Asphalten geht die Entwicklung in Richtung einer fast 100%igen Wiederverwendung in Asphalt-HeiBmischanlagen. Die As – phaltbefestigung wird durch Frasen und/oder Aufbrechen abgetragen und in HeiBmischan – lagen gezielt mit zusatzlichem Mischgut verarbeitet {In Plant). Dabei konnen Asphalte hoher Qualitat produziert werden.

Im „Merkblatt fur die Erhaltung von AsphaltstraBen, Teil B: Bauliche MaBnahmen-Riick – formen der Fahrbahnoberflache“ ist die Wiederverwendung von Asphalt „Vor Ort“ {In Place) geregelt. Sie kann nach 3 Verfahren erfolgen:

• Ruckformen der Fahrbahnoberflache ohne Zugabe von zusatzlichem Material (Re­shape)

• Ruckformen der Fahrbahnoberflache mit Zugabe von Material fur eine zusatzliche Beschichtung – ohne Mischen (Repave)

• Ruckformen der Fahrbahnoberflache unter Zugabe von zusatzlichem Material, Vermischen von bereits vorhandenem mit neuem Asphaltmaterial (Remix).

Bei diesen drei Verfahren ist die Moglichkeit einer Qualitatsverbesserung ziemlich be – schrankt. Das in der Praxis bevorzugte Verfahren ist das Ruckformen mit Mischgutzugabe und Mischen (Remix).

Pechhaltige Asphalte. Bis 1987 wurden im StraBenbau und bei der Bauwerksabdichtung Steinkohlenteerpeche (Peche) verwendet. Damit fallen jahrlich groBe Mengen pechhaltiger Ausbauasphalte an, fur deren Wiederverwertung aus Grunden des Umweltschutzes beson – dere Bedingungen einzuhalten sind („Merkblatt fur die Wiederverwendung pechhaltiger Ausbaustoffe im StraBenbau unter Verwendung von Bitumenemulsionen“ (1993) sowie „Merkblatt fur die Verwendung von Asphaltgranulat und pechhaltigen StraBenbaustoffen in Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln“ (2002)). Teere und Peche enthalten einen relativ hohen Anted an krebserzeugenden polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstof- fen und an Phenolen. Diese Substanzen konnen als Dampfe emittiert oder durch Wasser eluiert werden. Da die Emission mit steigender Temperatur zunimmt, ist die fur Ausbauas­phalte iibliche Wiederverwendung im HeiBmischverfahren (s. o.) unter okologischen und arbeitsmedizinischen Gesichtspunkten abzulehnen. Die Aufarbeitung pechhaltigen StraBen – aufbruchs sollte auf kaltem Wege erfolgen. Dazu wurden Verfahren entwickelt, bei denen pechhaltige Ausbauasphalte mit Bitumenemulsionen oder hydraulischen Bindemitteln (oder Kombinationen beider) gebunden werden. Die auf diese Weise aufbereiteten Ausbaustoffe konnen als untere Tragschichten (oberhalb der Frostschutzgrenze), als kapillarbrechende Schicht und unterhalb von bitumenhaltigen Oberbauschichten, die eine wasserdichte Abde – ckung gewahrleisten sollen, eingebaut werden [AB 22]. Der Einsatz von teerhaltigem Stra – Benaufbruch verbietet sich in wasserwirtschaftlich sensiblen Bereichen wie Grundwasser – schutz – und Uberschwemmungsgebieten.