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Energie-Campus 2019
„Energie und Umwelt – Meine Idee für Morgen“
Entwicklung neuartiger geopolymer-
gebundener Dämmstoffe aus
nachwachsenden Rohstoffen
von
Katharina Walbrück
Dissertation an der Technischen Universität Berlin im Institut für
Bauingenieurwesen: Baustoffe und Bauchemie
M.Sc. Katharina Walbrück
Hochschule Bonn-Rhein-Sieg
Von-Liebig-Str. 20
53359 Rheinbach
Tel.: 02241 865 9815
Mail: [email protected]
Entwicklung neuartiger geopolymer-gebundener Dämmstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen
M.Sc. Katharina Walbrück
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Die Nachfrage nach ökologischen und nachhaltigen Bau- und
Dämmstoffen wächst, besonders im Hinblick auf den fortschreitenden
Klimawandel und die knapper werdenden fossilen Ressourcen. Eine
mögliche Alternative zu traditionellen Dämmstoffen stellen dabei
nachwachsende Rohstoffe dar, denn diese sind im Vergleich zu fossilen
Ressourcen CO2-neutral.1,2 Zur Reduzierung der CO2-Emissionen müssen
auch im Bereich der Bindemittel Alternativen gefunden werden, da vor
allem in der Zementindustrie große Mengen CO2 freigesetzt werden.3 Als
mögliche Alternativen bieten sich anorganische alumosilikatische
Polymere, sogenannte Geopolymere an.4,5
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Die Entwicklung alternativer, nachhaltiger Bau- und Dämmstoffen
auf Basis pflanzlicher Materialien ist ein wichtiger Schritt zur
Reduzierung von CO2-Emissionen. Durch Kombination von
Geopolymeren und nachwachsenden Rohstoffen wie
Miscanthus x giganteus1,2,6,7 sollen im ersten Schritt
Dämmstoffe entwickelt werden. Die umfangreiche
Charakterisierung der hergestellten Dämmstoffe hinsichtlich
Abbindereaktionen, Phasenzusammensetzungen, mechanischen
Festigkeiten und Wärmeleitfähigkeiten stellt einen weiteren
Schwerpunkt des Promotionsvorhabens dar.
Herkunft
Ostasiatischer Raum
Familie: Süßgräser
Gattung: Miscanthus
Arten (in Europa)
Miscanthus x giganteus
Miscanthus sinensis
Miscanthus sacchariflorus
Merkmale
Low-input Pflanze
Wuchshöhe: 3 – 4 Meter
C4-Photosynthese
Bindung von 10 – 36 t CO2
pro Hektar und Jahr
Anbau und Ernte
Vermehrung über Rhizome
Mehrjährig
Erntezeit: Februar bis April
Erträge: 15 – 29 t/ha
(bezogen auf die Trockenmasse)
Das Projekt „Biobasierte Produkte“ wird aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionaleEntwicklung (EFRE) gefördert (EFRE0500035). Das FE-SEM und die µ-CT wurden vom
Bundesministerium für Bildung und Forschung (13FH158IN6) gefördert.
Des Weiteren danken wir dem Institut für Nutzpflanzenwissenschaften (INRES) der Universität
Bonn für die Bereitstellung der Biomasse, sowie Lüders Moll (INRES) für das zur Verfügungstellen der Fotos.
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kt Katharina Walbrück, M.Sc.
Hochschule Bonn-Rhein-Sieg
+49 2241 865 9815
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Energie-Campus 2019
„Energie und Umwelt –
Meine Idee für morgen“
Miscanthus x giganteus
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Abb. 2: µ-CT einer Dämmstoffplatte mit 10 Gew.-% Miscanthus (links) und 40 Gew.-%
Miscanthus (rechts)
Wärmeleitfähigkeit (HFM 446 Lambda Small, Netzsch)
Durch Zugabe von Miscanthus lässt sich die
Wärmeleitfähigkeit der Dämmstoffe verändern. Wird der
Faseranteil von 10 Gew.-% auf 40 Gew.-% erhöht, sinkt
die Wärmeleitfähigkeit um 60 % auf 0,0896 W (mK)-1.
Rasterelektronenmikroskopie (JSM-7200F, JEOL)
(Abb. 1) Die vergleichbare Porenstruktur von Parenchym
und expandiertem Polystyrol (EPS), sowie die
Wärmeleitfähigkeiten (λMiscanthus = 0,0599 W(mK)-1,
λEPS = 0,032 - 0,040 W(mK)-1) zeigen das vorhandene
Potenzial von Miscanthus zum Einsatz in
Wärmedämmstoffen. Um den Einfluss des Fasergehalts zu
untersuchen, wurden Dämmstoffplatten mit Fasergehalten
im Bereich von 10 Gew.-% bis 40 Gew.-% hergestellt
Ausgangsmaterialien
Miscanthus x giganteus (Campus Klein-Altendorf)
Flugasche (BauMineral GmbH)
Natriumsilikat (Carl Roth)
Natriumdodecylsulfat (Carl Roth)
Abb. 1: rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen von Miscanthus-Parenchym
(links) und expandiertem Polystyrol (rechts)
µ-Computertomographie (SkyScan 1275, Bruker)
(Abb. 2) Mittels µ-CT konnten Dichteunterschiede innerhalb
der Proben festgestellt werden. Dunklere Bereiche
entsprechen dabei Material geringerer Dichte, wie Luft oder
Parenchym. Durch Erhöhung des Faseranteils steigt der
Anteil am schaumartigen Parenchym im Dämmstoff, dies
hat wiederum eine Erhöhung der Porosität von 16,2 Vol.-%
auf 23,9 Vol.-%. zur Folge.
Re
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nz
en[1] Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), „Nachwachsende Rohstoffe - Natürliche Alternative“, 2018. [2] R. Pude, C. H. Treseler, R. Trettin, und G. Noga,
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Organosolv - Verfahren. 2019 [7] Hahnen S. C3- und C4-Photosynthese in Mais (Zea mays): Das Hüllblatt der weiblichen Infloreszenz als Modellsystem zur Analyse
photosynthetischer Genexpression. 2004;(August). [8] Zhang Z, Provis JL, Reid A, Wang H. Geopolymer foam concrete: An emerging material for sustainable
construction. Construction and Building Materials. 2014;56:113-127. doi:10.1016/j.conbuildmat.2014.01.081
Wärmeleitfähigkeit von Miscanthus beträgt 0,0599 W (mK)-1
Zunehmender Gehalt an Miscanthusfasern
im Dämmstoffsystem bewirkt:
Abnahme der Wärmeleitfähigkeit
Erhöhung der PorositätKe
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Ge
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me
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Geopolymere sind Zweikomponentensysteme, die aus
einem aluminiumsilikatischen, reaktiven Feststoff und einem
alkalischen Aktivator bestehen. Dabei kommen
Verbindungen wie Metakaolin, Hüttensand oder Flugasche
als aluminiumsilikatische Komponente sowie hochalkalische
Lösungen aus Alkalisilikat, -hydroxid oder -carbonat als
Aktivatoren zum Einsatz. Bei der Reaktion des
Aluminiumsilikats mit dem alkalischen Aktivator, der
sogenannten Geopolymerisation kommt es zur Bildung
eines wasserbeständigen Alumosilikatnetzwerks. Dieses
besteht aus vernetzten [AlO4]5-- und [SiO4]
4--Tetraedern,
deren negative Ladung durch den Einbau von Alkalimetall-
Kationen (z.B. Na+ und K+) ausgeglichen wird.4,5,8
Key Facts
Zweikomponentensystem
Reaktiver Feststoff (reich an SiO2 & Al2O3)
Alkalischer Aktivator
Geopolymerisation Bildung eines
Alumosilikatnetzwerks ([AlO4]5-- & [SiO4]
4--Tetraeder)
- 1 -
Entwicklung neuartiger geopolymer-gebundener Dämmstoffe
aus nachwachsenden Rohstoffen
1. Einleitung
Die Nachfrage nach ökologischen und nachhaltigen Bau- und Dämmstoffen wächst zunehmend,
besonders aufgrund des fortschreitenden Klimawandels und knapper werdender fossiler
Ressourcen. Eine mögliche Alternative zu erdölbasierten Dämmstoffen stellen dabei Dämmstoffe
auf Basis nachwachsender Rohstoffe wie schnellwachsenden Großgräsern dar, denn diese sind
im Vergleich zu fossilen Ressourcen annähernd CO2-neutral. 1–3
Laut Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. wird ein Großteil der in Deutschland
angebauten, nachwachsenden Rohstoffe der energetischen Nutzung als Brennstoff zugeführt
(Abbildung 1). Jedoch bietet auch die stoffliche Nutzung dieser Rohstoffe ein großes Potential.
Zum einen durch ihre Vielfältigkeit und zum anderen durch die Einsparung von CO2-Emissionen
finden nachwachsende Rohstoffe in unterschiedlichen Bereichen Anwendung. Bereits heute
werden sie unter anderem in den Bereichen der Verpackungs-, Kunststoff-, und Pharmaindustrie
eingesetzt. 1,2,4
Abbildung 1: Flächennutzung in Deutschland 2017: Die Gesamtfläche in Deutschland teilt sich in die drei
Hauptflächen: Wald-, Siedlungs- und landwirtschaftliche Nutzfläche auf. Die landwirtschaftliche
Nutzfläche lässt in weitere Bereich Bereiche unterteilen, dazu zählen unteranderen die nachwachsenden
Rohstoffe die energetisch oder stofflich verwertet werden.2
Des Weiteren bietet auch das Bauwesen eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten für
nachwachsende Rohstoffe. Insbesondere im Hinblick auf die in der Zementindustrie freigesetzten
CO2-Emissionen müssen nachhaltige und CO2-senkende Alternativen gefunden werden. Bei der
Herstellung von Portlandzement wurden im Jahr 2017 0,6 Tonnen CO2 pro Tonne Zement
emittiert. Seit einigen Jahren wird daher an der Entwicklung neuartiger Bindemittel geforscht.
Eine sinnvolle Alternative stellen die in den 1970er Jahren von J. Davidovits entwickelten
Geopolymere dar. 1,5,6
- 2 -
2. Theoretischer Hintergrund
a. Geopolymere
Geopolymere sind im Allgemeinen Zweikomponentensysteme, die aus einem
aluminiumsilikatischen, reaktiven Feststoff und einem alkalischen Aktivator bestehen. Dabei
kommen typischerweise SiO2- und Al2O3- reiche Verbindungen wie Metakaolin, Hüttensand oder
Flugasche als aluminiumsilikatische Komponente sowie hochalkalische Lösungen aus
Alkalisilikat, -hydroxid oder -carbonat als Aktivatoren zum Einsatz. Bei der Reaktion des
Aluminiumsilikats mit dem alkalischen Aktivator, der sogenannten Geopolymerisation
(Abbildung 2) kommt es zur Bildung eines wasserbeständigen Alumosilikatnetzwerks. Dieses
besteht aus vernetzten [AlO4]5-- und [SiO4]4--Tetraedern, deren negative Ladung durch den
Einbau von Alkalimetall-Kationen (z.B. Na+ und K+) ausgeglichen wird. 7–10
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Geopolymerisation nach 7
b. Nachwachsende Rohstoffe
Zu nachwachsenden Rohstoffen zählen definitionsgemäß alle land- und forstwirtschaftlich
angebauten Produkte, die nicht als Futter- oder Nahrungsmittel eingesetzt werden. Im Bereich der
stofflichen Verwertung finden unter anderem die Kulturen Raps, Flachs, Getreide und Mais
Anwendung. Zur Energieerzeugung werden darüber hinaus auch mehrjährige Feldkulturen wie
Miscanthus oder Silphie eingesetzt. 2
Um die Nutzung nachwachsender Rohstoffe wie Miscanthus oder Silphie so effektiv wie möglich
zu gestalten, wird seit einiger Zeit an der Entwicklung stofflicher Verwertungsmöglichkeiten
geforscht. Insbesondere das mehrjährige Gras Miscanthus ist aufgrund seines hohen
Parenchymanteils (schaumartiges und poröses Grundgewebe von Pflanzen) und der damit
verbunden, guten Wärmedämmeigenschaft für den Einsatz in Dämmstoffen von Interesse. Das
ursprünglich aus dem ostasiatischen Raum stammende, rhizombildende C4-Gras liefert zudem
hohe Rohstofferträge bei geringen Nährstoffeinträgen und zählt somit zu den sogenannten Low-
input Pflanzen. Aufgrund seines C4-Stoffwechselwegs besitzt Miscanthus eine gesteigerte
Photosynthese-Aktivität und ist in der Lage, CO2 während des Wachstums dauerhaft zu binden
(10 – 36 t CO2 pro Hektar und Jahr). Da die CO2-Fixierung räumlich getrennt vom Calvin-Zyklus
- 3 -
in den sogenannten Mesophyllzellen erfolgt sind C4-Pflanzen in der Lage, CO2 effektiver zu
binden als C3-Pflanzen, wie beispielsweise Weizen oder Roggen. 3,11–14
Insgesamt existieren ca. 20 verschiedene Miscanthus-Arten, in Europa folgende Arten am
weitesten verbreitet sind:
• Miscanthus sinensis
• Miscanthus sacchariflorus
• Miscanthus x giganteus
Bei Miscanthus x giganteus, (Abbildung 3), auch Riesenchinaschilf genannt, handelt es sich um
den triploiden Hybrid-Genotyp aus der Kreuzung von Miscanthus sacchariflorus und Miscanthus
sinensis. 11,14
Abbildung 3: Anbau von Miscanthus in Deutschland am Campus Klein-Altendorf (Universität Bonn)
3. Zielsetzung
Zu den derzeit am häufigsten eingesetzten Wärmedämmstoffen gehören Mineralwolle,
Porenbeton und Polystyrol. Nachteilig an diesen Produkten ist jedoch das, im Vergleich zu
nachwachsenden Rohstoffen, hohe Treibhauspotential (engl. Global Warming Potential, kurz
GWP). Somit ist die Entwicklung alternativer, nachhaltiger Dämmstoffe auf Basis pflanzlicher
Materialen ein wichtiger Schritt zur Reduzierung von CO2-Emissionen. 15
Ziel dieses Dissertationsvorhabens besteht in der Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen zur
Nutzung des nachwachsenden Rohstoffs Miscanthus x giganteus in Wärmedämmstoffen. Durch
Kombination von Geopolymeren und Miscanthusfasern sollen Dämmstoffe entwickelt werden,
die mit konventionellen Dämmstoffen konkurrieren können. Ein weiterer Schwerpunkt ist die
umfangreiche Charakterisierung solcher Dämmstoffsysteme hinsichtlich Abbindereaktionen,
Phasenzusammensetzungen, Wärmeleitfähigkeiten und mechanischer Eigenschaften.
4. Bisherige Ergebnisse
Um vorab die Eignung von Miscanthus für den Einsatz in Dämmstoffen zu untersuchen, wurden
zunächst rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen (JSM-7200F, JEOL) des Miscanthus-
Parenchyms im Vergleich zu expandiertem Polystyrol, sowie Wärmeleitfähigkeitsmessungen
(HFM 446 Lambda Small, Netzsch) durchgeführt. Die vergleichbare Porenstruktur (Abbildung
4) beider Proben zeigt bereits das vorhandene Potential von Miscanthus x giganteus zum Einsatz
in Wärmedämmstoffen. Dieses Potential lässt sich ebenfalls anhand der ermittelten
Wärmeleitfähigkeit von 0,0599 ± 0,0013 W (mK)-1 einer Schüttung von Miscanthusfasern (Ernte
- 4 -
2018, < 1,1 mm, Universität Bonn) bestätigen. Im Vergleich dazu liegt die Wärmeleitfähigkeit
von expandiertem Polystyrol im Bereich von 0,032-0,040 W (mK)-1. 16
Abbildung 4: rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen von Miscanthus-Parenchym (links) und
expandiertem Polystyrol (rechts)
Die Entwicklung geopolymer-gebundener Dämmstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe
erfolgt ausgehend von den Materialien Flugasche (EFA-Füller HP, BauMineral GmbH),
Natronwasserglas (Carl Roth, SiO2:Na2O = 3,4, Aktivsubstanzgehalt = 36 Gew.-%), Miscanthus
x giganteus (Ernte 2018, gemahlen < 1,1 mm, Universität Bonn), sowie dem anionischen Tensid
Natriumdodecylsulfat (Carl Roth) zur Aufschäumung der Dämmstoffsysteme. Um den Einfluss
des Fasergehalts zu untersuchen, wurden Dämmstoffplatten (140x140x40 mm³) mit
Fasergehalten im Bereich von 10 Gew.-% bis 40 Gew.-% hergestellt und anschließend die
Wärmeleitfähigkeit bei einer Probenmitteltemperatur von 10 °C und Temperaturdifferenz von 10
K bestimmt. Wird der Faseranteil von 10 Gew.-% auf 40 Gew.-% erhöht, sinkt die
Wärmeleitfähigkeit um 60%. Mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,0896 ± 0,0001 W (mK)-1
besitzen die bisher entwickelten Dämmstoffe ähnliche Wärmedämmeigenschaften wie
Porenbeton. Im Vergleich zu Mineralwolle und Polystyrol liegen sie jedoch um den Faktor 2-3
höher. 16
Des Weiteren wurden die hergestellten Dämmstoffe mittels µ-Computertomografie (SkyScan
1275, Bruker) untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Erhöhung des Fasergehaltes von
10 Gew.-% auf 40 Gew.-% einen Anstieg der Porosität von 16,2 Vol.-% auf 23,9 Vol.-% zur
Folge. Dieser Porositätsanstieg lässt sich ebenfalls in Abbildung 5 durch den Dichteunterschied
in Form verschiedener Graustufen innerhalb der Proben erkennen. Dunklere Bereiche
entsprechen dabei Material geringerer Dichte, wie Luft oder Parenchym.
Abbildung 5: µ-Computertomografische Untersuchung einer Dämmstoffplatte mit 10 Gew.-%
Miscanthus (links) und 40 Gew.-% Miscanthus (rechts)
- 5 -
5. Zusammenfassung und Ausblick
Die Reduzierung von CO2-Emissionen und des Energieverbrauchs von Gebäuden, sowie die
Schonung natürlicher Ressourcen sind wichtige Forderungen an ein zukunftsorientiertes Bauen.
Die Kombination nachwachsender Rohstoffe und innovativer Bindemittel könnte es ermöglichen,
alternative Dämmstoffe mit geringen Wärmeleitfähigkeiten und gleichzeitig geringem
Treibhauspotenzial herzustellen.
In ersten Experimenten konnte gezeigt werden, dass sich Miscanthus aufgrund seiner
Porenstruktur und Wärmeleitfähigkeit prinzipiell für den Einsatz in Dämmstoffen eignet. Darauf
aufbauend wurden erste Dämmstoffplatten mit unterschiedlichen Anteilen an Miscanthusfasern
entwickelt und hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit und Porosität untersucht. Dabei wurde
deutlich, dass durch eine Erhöhung des Fasergehaltes die Wärmedämmeigenschaften der
Geopolymersysteme verbessert werden kann und durch das im Miscanthus enthaltene Parenchym
die Porosität steigt.
Die nächsten Schritte dieses Promotionsvorhabens bestehen in der Optimierung der
Wärmedämmeigenschaften der hergestellten Dämmstoffe, sowie einer umfangreichen
Charakterisierung.
6. Literaturverzeichnis
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Alternative.; 2018.
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