Charakterisierung des Abbaus von Oberflächenschutzsystemen auf Basis von siliciumorganischen Verbindungen mit massenspektroskopischen Methoden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Zielsetzung des zu bearbeitenden Projekts war die Charakterisierung von Abbauprodukten von siliziumorganischen Verbindungen, die zum präventiven Schutz von Bauwerken, vorzugsweise aus zementgebundenen Baustoffen, eingesetzt werden, mit massenspektrometrischen Methoden. Hierzu wurde zunächst die hochauflösende Flugzeitmassenspektrometrie (time-of-flight, TOF-MS) mit ESI- (electrospray-) und MALDI (matrix assisted laser desorption ionisation) Technik an die Analyse von, in der Praxis eingesetzten Alkyltrialkoxysilanen und deren Reaktions- und Abbauprodukte adaptiert. Als geeignetes Lösungsmittel stellte sich neben den Alkoxygruppen entsprechenden Alkoholen insbesondere Tetrahydrofuran heraus. Zur Analyt-Addukt-Bildung im positiven Ionenmodus eigneten sich Natriumsalze insbesondere Natriumiodid, wobei bei Messungen mit Tandemmassenspektrometrie Lithiumsalze als Ionisierungszusatz eingesetzt wurden. Mit der ESI-TOF/MS konnten neben monomeren Alkyltrialkoxysilanen und Silanolen oligomere Hydrolyse- und Reaktionsprodukte identifiziert werden. Mit MALDI-TOF/MS konnten komplementär dazu höhermolekulare Hydrolyse- und Kondensationsprodukte detektiert werden, wobei sich als geeignete Matrixverbindung 2,5-Dihydroxybenzoesäure herausstellte. Die Identifizierung der Peaks in den Spektren erfolgte durch Abgleich mit einer hierfür erstellten Datenbank, in der die Zielmassen möglicher Verbindungen errechnet wurden. An Modellsystemen, bestehend aus Alkyltrialkoxysilanen, Lauge und organischen Lösungsmitteln, wurde unter pH-Wert-Bedingungen, wie sie in zementgebundenen Baustoffen vorliegen, die Bildung von Reaktionsprodukten mit den MS-Methoden untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, daß sich aus den Alkyltrialkoxysilanen vorwiegend polycyclische Verbindungen, die als Silsesquioxane bezeichnet werden, mit unterschiedlichem Hydrolysegrad bilden. Für höhermolekulare, schwerlösliche Kondensationsprodukte konnte die Methode der lösungsmittelfreien MALDI-Präparations-Technik angewendet werden. Zur Charakterisierung von Reaktionsprodukten in zementgebundenen Baustoffen wurden mit Alkyltrialkoxysilanen beschichtete Zementsteinprobekörper mit organischen Lösungsmitteln extrahiert. Die Charakterisierung der Extrakte durch MALDI-TOF/MS ergab Silsesquioxanverbindungen mit variierendem Hydrolyse-, Kondensations- und Vernetzungsgrad, wobei diese Parameter durch Faktoren wie Hydratationsalter des Zementsteins und Aushärtezeit der Beschichtung beeinflusst werden. Zum Nachweis von Abbauprodukten wurden neben den Modellsystemen die mit Alkyltrialkoxysilanen beschichteten Zementsteinprobekörper mit Schadreagenzien wie Säuren, Alkalien und gefügeschädigenden Reagenzien behandelt. Die Analyse dieser Lösungen und Extrakte zeigte bei sauren oder hochalkalischen Schadreagenzien eine Veränderung der Produktverteilung der Silsesquioxane, insbesondere des Hydrolyse-, Kondensations- und Vernetzungsgrads. Bei Schadlösungen mit neutralem pH-Wert (z.B. Natriumsulfat) konnte keine Veränderung der Silsesquioxane festgestellt werden. Schadreagenzien beeinflussen somit durch Veränderung des pH-Werts die gebildeten Reaktionsprodukte der Alkyltrialkoxysilane im Zementstein. Es konnte gezeigt werden, daß die ausgearbeiteten Methoden der ESI- und MALDI-TOF-Massenspektrometrie zur Charakterisierung von Hydrolyse-, Kondensationsund Abbauprodukten von Alkyltrialkoxysilanen leistungsfähige Analysenmethoden darstellen. Für weitere Forschungsarbeiten von Oberflächenschutzsystemen basierend auf siliziumorganischen Verbindungen weisen sie ein hohes Potential auf.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Charakterisierung von siliziumorganischen Hydrophobierungsmitteln mit Flugzeitmassenspektrometrie. GDCh-Monographie Bd. 36 (2006), 249-254
H. Herb, G. Brenner-Weiss, A. Gerdes
- MALDI-TOF/MS zur Charakterisierung von siliziumorganischen Hydrophobierungsmitteln. GDCh-Monographie Bd. 37 (2007), 359-364
H. Herb, G. Brenner-Weiss, A. Gerdes
- TOF/MS for Characterization of Silicone Based Water Repellents. Hydrophobe V, 5th International Conference on Water Repellent Treatment of Building Materials, Aedificatio Publishers (2008),197-204
H. Herb, A. Gerdes
- TOF/MS for Characterization of Silicone Based Water Repellents. Restoration of Buildings and Monuments, Vol. 14, No. 6 (2008), 395-401
H. Herb, G. Brenner-Weiss, A. Gerdes
- Charakterisierung von siliziumorganischen Beschichtungen mit MALDI-TOF/MS nach Extraktion von Zementstein. GDCh-Monographie Bd. 41 (2009), 253-256
H. Herb, G. Brenner-Weiss, A. Gerdes
