UV-Strahlungsquellen werden für eine Reihe von Anwendungen eingesetzt, eine wichtige ist die Desinfektion von Wasser. Weltweit sind Anstrengungen im Gange die heute meist verwendeten Quecksilberdampflampen durch alternative UV-Strahlungsquellen zu ersetzten. So unterliegt die Entwicklung von UV emittierenden Leuchtdioden einem stetigen Fortschritt, bezüglich der realisierbaren Wellenlänge und Ausgangsleistung. Sie sind aber insbesondere im UV-C Bereich noch keine, für alle Anwendungen passende Alternative. Die meisten anderen alternativen UV-Strahlungsquellen benötigen für ihren Einsatz eine Konversionsschicht aus einem UV-emittierenden Leuchtstoff. Beispielsweise emittiert die Xe-Excimerlampe Primärstrahlung mit einem Maximum bei einer Wellenlänge von 172 nm, die mittels einer Konversionsschicht, in den für die Anwendung erforderlichen Spektralbereichen konvertiert werden kann. Ebenso ist die neu entwickelte Technologie auf Basis einer Elektronenstrahllampe zur UV Erzeugung auf eine stabile Konversionsschicht angewiesen. Allgemeine Voraussetzungen für einen UV Leuchtstoff sind eine möglichst hohe Bandlücke, eine starke Absorption der Primärstrahlung, effiziente Umwandlung für die benötigte UVStrahlung sowie eine gute Langzeitstabilität des Wirtsgitters. Klassische und gut bekannte Wirtsmaterialien, die vor allem in Xe-Lampen häufig zur Konversion eingesetzt werden, basieren auf ortho-Phosphat-haltigen Strukturen. Neuere Untersuchungen weisen jedoch darauf hin, dass während des Betriebs das Anion PO4 3- reduziert wird. Daher beschäftigt sich die hier vorliegende Arbeit mit der sehr vielfältigen Chemie silikatischer Wirtsgitter. Insbesondere konzentriert sich diese Arbeit auf Verbindungen, die das Strukturfragment des Pyrosilikates (Si2O7) sowie die Seltenerdelemente La, Y und Lu als Kationen enthalten. Zusätzlich wurden Verbindungen untersucht, die das Übergangsmetall Zirkonium enthalten. Die Seltenerd-Pyrosilikate sind bekannt für ihren Phasenreichtum zwischen Lanthan und Lutetium. Für die Untersuchung des strukturellen Einflusses auf die Lumineszenz sind den Wirtsgittern Ce3+ oder Pr3+ als Aktivator zugesetzt worden. Die Ergebnisse zeigen, dass besonders die Emission von Pr3+ stark durch das Kristallfeld beeinflusst wird. Dadurch ist nicht nur eine Verschiebung der 5d Emissionsbande in den Spektren zu beobachten, sondern es kann durch einen Strukturwechsel auch eine starke Verlagerung der 5d-Emission zugunsten der 4f - 4f Intrakonfigurationsübergänge herbeigeführt werden. Die Zr4+ enthaltenden Pyrosilikat-Wirtsgitter benötigen für die Beobachtung effizienter Lumineszenz keine weiteren Aktivatoren. Allein durch die Anwesenheit des Übergangsmetalls und der Interaktion mit der silikatischen Baueinheit entsteht, bei den getesteten Verbindungen, eine Emission im UV-Bereich. Deren spektrale Lage lässt sich ebenfalls durch Strukturänderungen variieren. Beiden Verbindungsklassen, d.h. den Seltenerd- und den Zirkonium-Pyrosilikaten sind gemein, dass sie sehr empfindlich auf äußere Synthesefaktoren reagieren. Dies zeigt sich vorrangig in einer Beeinträchtigung der Phasenbildung.

In this work mesoporous organisilica materials are synthesized through the silica sol-gel process. For this a new class of precursors which are also surfactant are synthesized and self-assembled. This leads to a high surface area functionality which is analysized with copper (II) and water adsorption. / Im Rahmen dieser Arbeit werden mesoporöse Amin-funktionalisierte Organo-Silikate durch den Silika Sol-Gel Prozess hergestellt. Dabei werden neue Alkoxysilyl-Precursoren synthetisiert und condensiert die die gewünschte Funktion auf die Oberfläche dirigieren. Herstellt werden primäre, secundäre und chirale Amine. Die Oberflächenfunktionalität wird mit Kupfer (II) und Wasser Adsorption analysiert.

Die weltweite Nutzung der Kernenergie hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einem festen Bestandteil der Primärenergieerzeugung gewandelt. Neben dem Vorteil der CO2-armen Energieerzeugung besitzt die Kernenergie jedoch den großen Nachteil der Entsorgung des anfallenden hochradioaktiven Abfalls. Angestrebt wird eine tiefengeologische Endlagerung der wärmeentwickelnden hochradioaktiven Abfälle mit einem sicheren Einschluss über einen Zeitraum von 1 Million Jahre. Für die Sicherheitsanalyse eines solchen Endlagers ist ein grundlegendes Verständnis der geochemischen Prozesse im Nah- und Fernfeld, z.B. zu den Wechselwirkungen der Abfälle mit den einzelnen Barrieren und deren Charakteristika, notwendig. In Abhängigkeit des eingelagerten Abfalls und des gewählten Wirtsgesteines kann es im Nahfeld zu einem Temperaturanstieg auf bis zu 200 °C kommen, mit einem entsprechenden Einfluss auf die geochemischen Prozesse. Für eine sichere Endlagerung des wärmeentwickelnden hochradioaktiven Abfalls ist daher die Charakterisierung der stattfindenden Prozesse, wie Komplexierung sowie Sorption und Einbaureaktionen, als auch die Bestimmung derer thermodynamischen Größen, inklusive ihrer Temperaturabhängigkeit, essenziell. Die Arbeit kann im Folgenden in drei Themengebiete eingeteilt werden. Das erste Themengebiet dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Temperaturabhängigkeit der Uran(VI)-Lumineszenz. Die Lumineszenz-Spektroskopie kann dabei für die Bestimmung von thermodynamischen Daten herangezogen werden. Für die Auswertung der Lumineszenz-Spektren ist es wichtig zu wissen, ob es zu Veränderungen der Emissionsspektren bei der Variation der Temperatur kommt. In dieser Arbeit durchgeführte UV-Vis Untersuchungen zeigen eine Verschiebung der Absorptionsbanden im Temperaturbereich zwischen 3 - 70 °C. Anhand der Spektren lässt sich eine bathochrome Verschiebung feststellen, welche auch auf die Lumineszenz-Spektren übertragen werden kann. Um Folgefehler bei der Bestimmung weiterer Größen zu vermeiden, ist es wichtig solche Verschiebungen zu berücksichtigen. Das zweite Themengebiet dieser Arbeit beschäftigt sich mit der temperaturabhängigen Uran(VI)-Hydrolyse sowie der Komplexierung von Uran(VI) mit wässrigen Silikaten. Uran(VI) zeigt eine sehr ausgeprägte Hydrolyse, unter Bildung verschiedener mono- und polynuklearer Hydroxo-Komplexe. Die Hydrolyse ist eine grundlegende Reaktion und muss bei Untersuchungen von Komplexreaktionen als kompetitive Reaktion stets berücksichtigt werden. Mittels Lumineszenz-Spektroskopie konnte die Bildung des 1:1 Hydroxo-Komplexes (UO2OH+) ab etwa pH 3 bestätigt werden. Neben diesem Komplex konnte die Bildung des polynuklearen 3:5 ((UO2)3(OH)5+) Hydroxo-Komplexes nachgewiesen werden. Um den Einfluss der lumineszenz-starken polynuklearen Hydroxo-Spezies in der folgenden Uran(VI)-Silikat-Komplexierung zu reduzieren, erfolgte die Untersuchungen unterhalb von pH 4,3 bzw. die Uran(VI)-Konzentration lag unterhalb der Grenze zur Bildung dieser Spezies. Silizium gilt als ein ubiquitäres Element und ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element in der Erdkruste. Die Silikate besitzen ebenfalls eine vielgestaltige wässrige Chemie unter Bildung von mononuklearen bis kolloidalen Spezies. Gleichzeitig ist Silizium ein Hauptbestandteil in den möglichen Wirtsgesteinen Ton und Kristallin in einem tiefengeologischen Endlager. In vielen Fällen ist zudem aus konstruktionsbedingten Gründen die Verwendung von Zement notwendig. Die im Zement enthaltenen Porenwässer besitzen dabei oft sehr hohe pH-Werte im Bereich 11 - 13. An der Grenzfläche zwischen Zement und Wirtsgestein können diese Porenwässer zur Auflösung des Wirtsgesteins und damit verbunden zur Erhöhung der Silikat- sowie Aluminatkonzentration führen. Daher sollte Silizium als möglicher Komplexpartner mit in die Langzeitsicherheitsanalyse aufgenommen werden. Aus der Literatur ist bisher nur ein An(VI)-Si-Komplex im aziden pH-Bereich, basierend auf folgender Reaktion: AnO22+ + H4SiO4 '⇌ ' AnO2OSi(OH)3+ + H+, bekannt (An = U, Np, Pu). In diesen Arbeiten wurde die Löslichkeitsgrenze für wässrige Silikate oft überschritten und eine Komplexbildung mit oligomeren Spezies kann daher nicht ausgeschlossen werden. Ziel der U(VI)-Komplexbildungsstudien war es daher, die Rolle der U(VI)-Hydrolyse und Silikatpolymerisation in Gegenwart wässriger Silikate im sauren pH-Bereich aufzuklären und den Einfluss der Temperatur auf die U(VI)-Silikat-Komplexierung zu untersuchen. Darüber hinaus wurden die Komplexbildungsstudien auf den alkalischen pH-Bereich ausgedehnt, in dem bisher keine U(VI)-Silikat-Spezies bekannt sind. Neben der Lumineszenz-Spektroskopie diente die Elektrosprayionisation-Massenspektrometrie (ESI-MS), die Schubert-Methode sowie die Dichte-Funktional-Theorie (DFT) der Bestimmung thermodynamischer Größen dieses Systems. Zur Abschätzung der experimentellen Bedingungen erfolgten ESI-MS Untersuchungen bei verschiedenen pH-Werten sowie Si-Konzentrationen. Die Ergebnisse zeigen, dass es bei pH 3,5 sowie 5,0 zur Bildung oligomerer U-Si sowie Si-Spezies, bei bereits geringer Überschreitung der Löslichkeitsgrenze, kommt. Die experimentellen Bedingungen wurden daher auf pH 3,5 bei einer maximalen Si-Konzentration von 1∙10‒3 M festgelegt. In der Lumineszenz-Spektroskopie zeigt sich eine Zunahme der Molfraktion für den Uran(VI)-Silikat Komplex mit steigender Temperatur. Mit Hilfe der Spektrenentfaltung konnte ein Einzelkomponentenspektrum für den Komplex UO2OSi(OH)3+ bestimmt werden. Die dazugehörige Stabilitätskonstante beträgt log K0 = ‒(0,06 ± 0,24). Die temperaturabhängige Untersuchung ermöglicht die Bestimmung der molaren Standardreaktionsenthalpie ΔrHm0 sowie -entropie ΔrSm0. Für beide Größen ergibt sich ein positiver Wert. Dies weist daraufhin, dass die Entropie als Triebkraft für die Komplexbildung mit steigender Temperatur verantwortlich ist. Zur Untersuchung der Komplexbildungsreaktion im alkalischen pH-Bereich wurde die Schubert-Methode verwendet. Die Methode beruht dabei auf der Bestimmung von Verteilungskoeffizienten in An- und Abwesenheit eines Komplexbildners sowie einer Festphase. Durch die kompetitive Methode ist es möglich, weitere gleichzeitig stattfindende Komplexreaktionen in einem Nebenreaktionskoeffizienten zu vereinen. Die Ergebnisse sind die Anzahl an der Reaktion beteiligten Liganden sowie die Anzahl an ausgetauschten H+-Ionen. Auf Basis dieser beiden Informationen lässt sich auf die Bildung eines ternären Uran(VI)-Silikat-Komplexes im pH-Bereich zwischen 8 - 11 mit einer mono- oder bidentaten Anbindung der Silikat-Gruppe an das Uran(VI) Zentralion schließen. Es konnten zwei mögliche ternäre Komplexe UO2(OH)2OSi(OH)3‒ bzw. UO2(OH)O2Si(OH)2‒ mit einer Stabilitätskonstante logK0 = −(17,2 ± 1,1) identifiziert werden. DFT-Rechnungen zeigen dabei, dass der Komplex UO2(OH)2OSi(OH)3‒ die höhere relative Stabilität besitzt. Der in dieser Arbeit bestimmte An(VI)-Silikat-Komplex ist der erste, welcher unter alkalinen pH-Bedingungen identifiziert werden konnte. Speziationsrechnungen, basierend auf einem natürlichen Tongestein-Porenwasser, zeigen, dass der identifizierte Komplex neben dem dominanten Uran(VI)-Carbonat- und Uran(VI)-Hydroxid-Komplexen vorliegen kann. Dies sind wichtige Hinweise in Hinblick auf die Langzeitsicherheitsanalyse eines tiefengeologischen Endlagers. Eine weitere Quelle für wässrige Silikate stellen Glaskokillen aus der Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente dar. Hier kann es zur Auflösungen dieser Kokillen, unter Freisetzung wässriger Silikate und der darin enthaltenen hochradioaktiven trivalenten minoren Actinide Np3+, Am3 sowie Cm3+, kommen. Das dritte Themengebiet beschäftigt sich daher mit einer alternativen Host-Matrix zu den Glaskokillen in Form von LnPO4-Keramiken in der Xenotim-Struktur. Als nicht radioaktives chemisches Analogon zu den dreiwertigen Actiniden wird oft Eu3+ eingesetzt, welches sehr gute lumineszenz-spektroskopische Eigenschaften besitzt. Die Dotierung der LnPO4-Kermiken mit Eu3+ ermöglicht die Verwendung der site-selektiven Lumineszenz-Spektroskopie, neben der Röntgendiffraktometrie und der Raman-Spektroskopie. Die Untersuchung erfolgte jeweils nach der Synthese, sowie nach einem Jahr Lagerung. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, neben der Bildung der gewünschten Xenotim-Struktur, die Bildung von LnPO4-Keramiken in einer unüblichen Anhydrit-Struktur sowie von mehrphasigen Keramiken. Nach einem Jahr Lagerung wurde eine signifikante Veränderung innerhalb der Lumineszenz-Spektren festgestellt, was auf einen Ausschluss von Eu3+ aus der gebildeten Xenotim-Struktur schließen lässt. Anhand dieser Ergebnisse, ist von der Verwendung von LnPO4-Keramiken in der Xenotim-Struktur für die Endlagerung minorer Actinide abzuraten.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss der Zugabe bestimmter Metalloxide ins Glassystem Magnesiumalumosilikate auf den spezifischen E-Modul der Gläser und die daraus hergestellten Glasfasern (GF) sowie mit dem Einsatz dieser GF in Verbundbaustoffe (GFK). 36 Gläser wurden geschmolzen und hinsichtlich Dichte und E-Modul untersucht. Die besten vier Gläser wurden thermisch charakterisiert und zu GF gezogen. Die textil-physikalischen und die mechanischen Eigenschaften dieser GF zeigten, dass die T9-GF mit 14 Gew.-% Y2O3 die besten Ergebnisse mit etwa 31,2 % höherer Zugfestigkeit und 25 % höherem E-Modul sowie eine Steigerung um 17,6 % beim spezifischen E-Modul im Vergleich zu E-GF nachwiesen. Die V10-GF besaßen mit 1993 MPa die höchste charakteristische Zugfestigkeit und wurden für Direktrovings (DR) und unidirektionale Gelege (UD) eingesetzt. Die V10-GFK Stäbe nach DIN EN ISO 9163 wiesen fast die doppelte Zugfestigkeit von E- DR-GFK auf, mit einer 23,8 %igen E-Modulsteigerung. Nach DIN EN 2747 wurden V10-UD-GFK auf Zugfestigkeit geprüft und damit die Beobachtungen aus den DR-GFK Tests bestätigt. Bezüglich der Biegeprüfungen nach DIN EN ISO 14125 wiesen die V10-UD-GFK eine um 51,8 % höhere Festigkeit als die E-UD-GFK sowie einen um 48,4 % höheren Biegemodul auf.:1 Einleitung und Motivation 8 2 Grundlagen 12 2.1 Glas als Werkstoff 12 2.1.1 Definition 12 2.1.2 Struktur des Glases und Netzwerktheorie 13 2.1.3 Glas- und Glasfasereigenschaften: 15 2.2 Glasfasern 29 2.2.1 Glasfaserherstellung 29 2.2.2 Rohstoff für die Glasfaserherstellung 35 2.2.3 Glasfasereigenschaften und -typen 37 2.2.4 Schlichte 40 2.2.5 Literaturübersicht über Hoch-Modul Glasfasern (HM-GF) 41 3 Experimentelles 46 3.1 Glasauswahl 46 3.2 Berechnung der Glaseigenschaften 49 3.3 Glasherstellung und Glasfaserziehverfahren 50 3.3.1 Gemengevorbereitung und Glasschmelzen 50 3.3.2 Ziehprozess und Düsengeometrie 51 3.4 Herstellung der Verbundhalbzeuge 53 3.5 Charakterisierungsmethoden 60 3.5.1 Dichtebestimmung 60 3.5.2 E-Modulbestimmung am Massivglas 60 3.5.3 Bestimmung der thermischen Eigenschaften: Tg ,TL,ⴄ 62 3.5.4 Zugfestigkeit und E-Modulbestimmung von einzelnen Filamenten 66 3.5.5 Verbundeigenschaften Charakterisierung 68 4 Ergebnisse und Diskussion 70 4.1 Glasherstellung und Eigenschaften 70 4.1.1 Glasschmelzen 70 4.1.2 Dichte und E-Modul 73 4.1.3 Thermische Eigenschaften 82 4.2 Glasfaserherstellung und Charakterisierung 86 4.2.1 GF-Herstellung 86 4.2.2 GF-Charakterisierung 87 4.3 Einsatz der GF in Verbundstoffen 93 4.3.1 Die Pull-Out Versuche und deren Ergebnisse 93 4.3.2 GFK-Stäbe Herstellung und Charakterisierung 97 4.3.3 UD-Laminate Herstellung und Charakterisierung 104 4.4 Technische und wirtschaftliche Diskussion der Ergebnisse 108 5 Zusammenfassung und Ausblick 111 6 Danksagung 116 7 Abbildungsverzeichnis 118 8 Tabellenverzeichnis 121 9 Literaturverzeichnis 122 10 Anlagen 131 / This thesis investigates the influence of the addition of certain metal oxides to the magnesium aluminosilicate glass system on the specific E-Modulus of the glasses and the glass fibres (GF) made from them, as well as the use of these GF in composites (GFRP). 36 glasses were melted and analysed for density and E-Modulus. The best four glasses were then thermally characterized and drawn into GF. The textile physical and mechanical properties of these GF showed that the T9-GF with 14 wt.% Y2O3 offered, with about 31.2 % higher tensile strength and 25 % higher E-Modulus as well as an increase of 17.6 % in specific E-Modulus, the best results compared to E-GF. The V10-GF possessed the highest characteristic tensile strength of 1993 MPa and were used to produce non-crimp unidirectional fabrics (UD) and direct rovings (DR) for GFRP-production. The tensile strength of the V10-DR-GFRP according to DIN EN ISO 9163 was almost twice that of E-DR-GFRP with a 23.8 % increase in the E-Modulus. According to DIN EN 2747, V10-UD-GFRP was tested for tensile strength and the observations from the test on DR-GFRP were validated. Regarding the flexural tests according to DIN EN ISO 14125, the V10-UD-GFRP showed a 51.8 % higher strength than the E-UD-GFRP as well as a 48.4 % higher flexural modulus.:1 Einleitung und Motivation 8 2 Grundlagen 12 2.1 Glas als Werkstoff 12 2.1.1 Definition 12 2.1.2 Struktur des Glases und Netzwerktheorie 13 2.1.3 Glas- und Glasfasereigenschaften: 15 2.2 Glasfasern 29 2.2.1 Glasfaserherstellung 29 2.2.2 Rohstoff für die Glasfaserherstellung 35 2.2.3 Glasfasereigenschaften und -typen 37 2.2.4 Schlichte 40 2.2.5 Literaturübersicht über Hoch-Modul Glasfasern (HM-GF) 41 3 Experimentelles 46 3.1 Glasauswahl 46 3.2 Berechnung der Glaseigenschaften 49 3.3 Glasherstellung und Glasfaserziehverfahren 50 3.3.1 Gemengevorbereitung und Glasschmelzen 50 3.3.2 Ziehprozess und Düsengeometrie 51 3.4 Herstellung der Verbundhalbzeuge 53 3.5 Charakterisierungsmethoden 60 3.5.1 Dichtebestimmung 60 3.5.2 E-Modulbestimmung am Massivglas 60 3.5.3 Bestimmung der thermischen Eigenschaften: Tg ,TL,ⴄ 62 3.5.4 Zugfestigkeit und E-Modulbestimmung von einzelnen Filamenten 66 3.5.5 Verbundeigenschaften Charakterisierung 68 4 Ergebnisse und Diskussion 70 4.1 Glasherstellung und Eigenschaften 70 4.1.1 Glasschmelzen 70 4.1.2 Dichte und E-Modul 73 4.1.3 Thermische Eigenschaften 82 4.2 Glasfaserherstellung und Charakterisierung 86 4.2.1 GF-Herstellung 86 4.2.2 GF-Charakterisierung 87 4.3 Einsatz der GF in Verbundstoffen 93 4.3.1 Die Pull-Out Versuche und deren Ergebnisse 93 4.3.2 GFK-Stäbe Herstellung und Charakterisierung 97 4.3.3 UD-Laminate Herstellung und Charakterisierung 104 4.4 Technische und wirtschaftliche Diskussion der Ergebnisse 108 5 Zusammenfassung und Ausblick 111 6 Danksagung 116 7 Abbildungsverzeichnis 118 8 Tabellenverzeichnis 121 9 Literaturverzeichnis 122 10 Anlagen 131