Designing a New Generation of High-Performance Building Materials: Plasma Functionalisation of Silica Aerogel Particles

Die steigende Nachfrage nach energieeffizienten und nachhaltigen Baustoffen hat die Forschung an fortschrittlichen Wärmedämmlösungen vorangetrieben. Silica-Aerogele, bekannt für ihre extrem geringe Dichte und hervorragenden wärmedämmenden Eigenschaften, stellen einen vielversprechenden Ansatz für leichte zementbasierte Verbundwerkstoffe dar. Ihre praktische Anwendung wird jedoch durch eine geringe Kompatibilität mit Zementmatrizen eingeschränkt, die hauptsächlich auf ihre hydrophobe Oberflächenchemie zurückzuführen ist, was zu schwacher Grenzflächenhaftung und eingeschränkten mechanischen Eigenschaften führt. Zur Bewältigung dieser Herausforderung untersucht die vorliegende Arbeit die Funktionalisierung von Silica-Aerogelpartikeln mittels Atmosphärendruckplasma- und Flammenbehandlung, um die Oberflächeneigenschaften gezielt zu modifizieren und die Integration in zementbasierte Komposite zu verbessern. Im experimentellen Ansatz wurden kommerzielle Silica-Aerogelpartikel kontrollierten Plasma- und Flammenbehandlungen unterzogen, mit dem Ziel, die Oberflächenpolarität und Benetzbarkeit zu erhöhen, ohne die Kernstruktur des Aerogels zu beeinträchtigen. Die Wirksamkeit der Behandlungen wurde mithilfe der Wilhelmy-Plattenmethode zur Bestimmung der Benetzbarkeit bewertet. Behandelte und unbehandelte Aerogele wurden anschließend in zementäre Matrizen eingebracht, und die resultierenden Komposite wurden systematisch durch mechanische Prüfungen (Druck- und Biegezugfestigkeit), Messungen der Wärmeleitfähigkeit, Wasseraufnahmetests sowie Röntgen-Computertomographie (XCT) zur Analyse von Partikelgröße und -segregation charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere die Flammenbehandlung zu einer signifikanten Verbesserung der Benetzbarkeit der Aerogelpartikel führt, was eine verbesserte Grenzflächenhaftung mit der Zementmatrix zur Folge hat. Trotz der verbesserten Oberflächenbenetzung lagen die Druck- und Biegezugfestigkeiten der Komposite jedoch innerhalb der experimentellen Streuung für alle Proben. Die XCT-Analyse zeigte zudem Hinweise auf Partikelsegregation sowohl in behandelten als auch in unbehandelten Proben, was wahrscheinlich zur Variabilität und zum Ausbleiben statistisch signifikanter Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften beigetragen hat. Wasseraufnahmetests zeigten eine vergleichbare Feuchtebeständigkeit aller Proben und gewährleisten somit eine ausreichende Dauerhaftigkeit gegenüber Feuchtigkeitseintrag. Zusammenfassend zeigt die Studie, dass die Oberflächenfunktionalisierung eine vielversprechende Strategie darstellt, um die Grenzflächenprobleme von Silica-Aerogel-Zement-Kompositen zu überwinden und die Entwicklung leichter Baustoffe zu ermöglichen, die Wärmedämmung mit verbesserter mechanischer Integrität kombinieren.