Struktur-Eigenschaftsbeziehungen hierarchisch strukturierter Silica-Monolithe als Modellsystem für innovative anorganische Dämmstoffe

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Dehn; Professor Dr. Dirk Enke; Dr. Gudrun Reichenauer
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461861936

Ein großes Einsparpotential beim Energieverbrauch bietet die wirksame thermische Dämmung von Gebäuden. In diesem Zusammenhang stehen nichtfaserige, amorphe SiO2-basierte Dämmstoffe im Zentrum des Interesses der aktuellen Forschung. Deren Mikrostruktur und damit auch deren Materialeigenschaften können durch die Wahl geeigneter Syntheseparameter angepasst werden. Dabei besteht ein Zielkonflikt, da mit zunehmender Porosität normalerweise zwar die Wärmeleitfähigkeit eines Materials abnimmt, sich gleichzeitig aber auch die mechanischen Widerstände verringern. Durch hierarchisch strukturierte Silica-Monolithe mit bimodaler Porenstruktur können beide Ziele getrennt voneinander erreicht werden. Eine Optimierung der Kombination beider prinzipiell gegenläufigen Parameter wurde bisher jedoch noch nicht untersucht. Dafür fehlten bislang geeignete Modellsysteme und systematische Studien zum Einfluss von Porosität, Porengröße und Porenanordnung auf die Wärmeleitfähigkeit und die mechanischen Widerstände dieser Materialien.Hauptziel dieses Projekts ist es, erstmalig systematisch für selbsttragende SiO2-basierte Monolithe mit offenzelliger Porenstruktur, die komplexen Zusammenhänge zwischen Porengröße, Porosität, Porenanordnung (monomodal bzw. bimodal) und der Gesamt-wärmeleitfähigkeit sowie den mechanischen Widerständen zu untersuchen, diese zu modellieren und abschließend eine geeignete Syntheseroute für die Umsetzung der erhaltenen Erkenntnisse zu entwickeln. Dazu werden mit verschiedenen Synthesemethoden zunächst drei Modellsysteme hergestellt: (i) Monolithe aus porösem Glas mit monomodaler Porenstruktur, (ii) Aerogele mit systematisch abgestufter Porengröße und (iii) Sol-Gel-Monolithe mit bimodaler Porosität. Die geplanten experimentellen Charakterisierungs-methoden umfassen zur strukturellen Analyse Quecksilberintrusion, Mikro-Tomographie (µXCT), Kleinwinkelstreuung (SAXS) und Elektronenmikroskopie (SEM, FIB-SEM, STEM). Die Wärmetransporteigenschaften werden über die Hitzdraht-Methode erfasst. Zur Bestimmung mechanischer Kenngrößen auf unterschiedlichen Strukturebenen werden Nanoindentation, Stickstoff-Adsorption mit in-situ Dilatometrie sowie verschiedene mechanische Prüfungen eingesetzt. Die experimentellen Aktivitäten sind so konzipiert, dass die Ergebnisse als Eingangsparameter für die Simulation mittels der Finite-Volumen-Methode verwendet werden können. Schließlich werden Materialien mit optimierter Struktur synthetisiert und die Simulationsergebnisse validiert.In diesem Projekt werden zum ersten Mal Experten für die Charakterisierung der Porenstruktur, der Wärmeleitfähigkeit, der mechanischen Widerstände sowie für Syntheseverfahren die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Struktur und Eigenschaften von Silika-Monolithen untersuchen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse können zur Entwicklung innovativer, anorganischer Dämmstoffe und darüber hinaus als Ausgangspunkt zur Beschreibung komplexerer poröser Baustoffe, wie Betone und Mauersteine, dienen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen