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: