Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Rehydroxilierung des Phasenbestnades großformatiger Steingutfliesen als Ursache zeitabhängiger Wölbungen

Die Schnellbrandtechnologie ermöglichte in den 1980er Jahren für die Fliesenindustrie einen enormen Entwicklungssprung. Die Brennzeiten wie auch die Energieaufwendungen konnten auf einen Bruchteil reduziert werden. Seitdem sich jedoch der Trend hin zu immer größeren Formaten entwickelt, offenbaren sich gewisse Nachteile, die durch diese Technologie vermutlich forciert werden. Die Reaktionszeit der Mineralbestandteile zur Ausbildung von stabilem Scherbenmaterial ist im Schnellbrand sehr kurz, wodurch einerseits Tonminerale nicht vollständig in Glasphase und neue Kristallphasen übergehen und andererseits bei der Herstellung eingebrachte Eigenspannungen der Produkte nicht vollständig abgebaut werden können. Während der Lagerung großformatiger Fliesen entstehen schließlich zeitverzögert Wölbungen. Teilweise wurden Deformationen selbst nach dem Einbau festgestellt. Diesen Krümmungen liegen Dehnungserscheinungen im Scherben zugrunde, die auf eine Rehydroxilierung zurückgeführt werden. Der genaue Sorptionsmechanismus hierbei ist unklar. Vermutlich lagert sich das Wasser nicht nur physikalisch in das Porensystem ein, sondern auch chemisch in Resttonmineralbestände und Zwischenphasen.

Im Forschungsvorhaben soll einerseits der Einfluss der Phasenzusammensetzung der Produkte auf die Krümmungsneigung untersucht und andererseits Möglichkeiten der verfahrensseitige Einflussnahme ermittelt werden. Ziel des Projektes ist neben dem wissenschafltichen Mehrwert über die Rehydroxilieung von Keramiken, eine Erhöhung von Produktgüte und -portfolio bei gleichzeitiger Verringerung der Fliesenstärke. Diese Merkmale würden die internationale Wettbewerbsfähigkeit der hiesigen Fliesenindustrie deutlich verbessern. Das hohe Risiko zur Untersuchung der Problemstellung, insbesondere für KMU, ist durch einerseits limitierte F&E-Kapazitäten sowie andererseits dem hohen analytischen Aufwand begründet. Eine Bearbeitung im Interessensverbund mit einer gut ausgestatteten FST wird angestrebt.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des geförderten Forschungsvorhabens wurden die qualitätsmindernden, konkaven Nachwölbungen beim Schnellbrand von porösen, großformatigen Steingut- und Feinsteinzeugfliesen untersucht. Der Ablauf der Nachwölbungen kann in zwei bestimmende Mechanismen aufgeteilt werden. Die unmittelbare Nachwölbung innerhalb der ersten vier Tage nach Produktion entsteht durch Kapillardruck von physikalisch in das Porensystem einlagerte Feuchte und kann durch eine Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten der Glasur und der Masse beeinflusst werden. Die zeitverzögerte Nachwölbung tritt auch nach der Installation der Produkte auf und ist ein kontinuierlicher Prozess. Durch eine geeignete Rohstoffauswahl und durch Anpassung der thermischen Prozesstechnik kann die Bildung von Übergangsphasen im thermischen Zerfall der Tonminerale und demnach auch die Rehydroxilationsreaktionen beeinflusst werden. Die primäre Zielstellung um die Einflussnahme und Steuerung der Nachwölbung zu ermitteln, wurde durch die prozessseitig als auch rohstoffseitig möglichen Maßnahmen erreicht. Die Erkenntnis, dass die mineralogische Zusammensetzung von Tonen einen signifikanten Einfluss auf das langfristige Sorptionsverhalten ausübt, ist vor dem Hintergrund reaktionskinetischer Prozesse im Schnellbrennverfahren und dem verschleppten thermischen Zerfall/ der Umwandlung der Tonminerale ein wichtiger Ansatz für weiter Entwicklungen. Der Nachweis, dass mithilfe der IR-Spektroskopie Hinweise hinsichtlich der Phasenumwandlungen in Erfahrung gebracht werden können, ist essentiell für zukünftige materialtechnische und verfahrenstechnische Entwicklungen. Die Erkenntnisse hinsichtlich des thermischen Zerfalls der Rohstoffe heben hervor, dass der Flüssigphasensinterprozess des Schnellbrandverfahrens nicht ausreichend bekannt ist und untersucht wurde. Die reaktionskinetischen Prozesse sollen im Rahmen eines Folgeprojektes differenzierter erforscht werden.