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Unterabschnitte

Synthese einer supramolekularen Mullitvorstufe

Wie in der Einleitung gezeigt, kann durch Reduktion der Partikelgröße, im idealen Fall bis in molekulare Dimensionen, die Bildungstemperatur der Mullites erheblich auf technisch nutzbare Werte herabgesetzt werden.

Prinzipielle Möglichkeiten

Die in diesem Projekt entwickelten Synthesen lassen sich in drei Kategorien einteilen (Abbildung 2.1). Der molekulardisperse Weg zeichnet sich durch eine molekulare Durchmischung mit anschließender gemeinsamer Hydrolyse der Aluminium- und Siliziumkomponente aus. Die nanokolloidale Route wird durch eine getrennte Hydrolyse, und damit einem getrennten Partikelwachstum der Silizium- und Aluminiumteile charakterisiert. Im kollodialdispersen Weg schließlich werden geeignete kolloidale $ SiO_2 \cdot n\ H_2O$ und $ Al_2O_3\cdot n\ H_2O$ Partikel durchmischt.

Abbildung 2.1: Verfahrenswege zur Herstellung supramolekularer Systeme, ausgehend von einem molekulardispersen (links), einem nanokolloidalen (Mitte) und einem kolloiddispersen Ansatz.
\begin{figure}
\centering\epsfig {file=abbildungen/synthese_plan.eps,width=0.95\textwidth,clip=}\end{figure}

Zur Synthese von Supramolekülen auf einem dieser Wege werden geeignete Ausgangsverbindungen wie Aluminiumalkoholate, -salze oder -hydroxide benötigt. Als besonders geeignet haben sich Aluminiumsekundärbutylat, Tetramethoxysilan oder -ethoxysilan, sowie Aluminiumnitrat erwiesen. Sie sind bekannt, kommerziell verfügbar und eingehend untersucht worden [13]. Die Reaktionsfreudigkeit des Aluminiumsekundärbutylates läßt sich sehr gut zu dessen Modifikation einsetzen.

Die genannten Verbindungen lassen sich unter moderaten thermischen Bedingungen in ihre oxidische Form überführen. Das leicht in Alkohol und Wasser lösliche Aluminiumnitrat kann als Oxidationsmittel unerwünschte thermische Reduktionen verhindern.

Zur chemischen Modifikation von Aluminiumsekundärbutylat können etwa ein- und mehrwertige Alkohole, Ketoalkohole, Carbonsäuren oder Glycolether verwendet werden.

Mit Hilfe der hochauflösenden NMR-Spektroskopie läßt sich nur die molekulardisperse Route untersuchen. Bei den beiden anderen Wegen enstehen Partikel, deren Resonanzen durch eine geringe Beweglichkeit der Teilchen zu stark verbreitert sind.

Molekulardisperses Verfahren

Im Rahmen der Untersuchungen hat sich die molekulardisperse Route als die erfolgreichste herausgestellt [6]. Der über sie erhaltene Mullit zeichnet sich durch eine hohe Homogenität und Dichte aus. Ausgehend von diesem Ansatz konnten erste Muster einer faserverstärkten Mullit-Keramik hergestellt werden [1,6].

Für eine optimale Gefügestabilität ist es wichtig, daß das Benetzen der Faseroberfläche durch die Vorstufe möglichst vollständig ist. Im anschließenden Trocknungs- und Brennvorgang muß sich dann eine möglichst starke Bindung zwischen Matrix und Faser ausbilden können. Aus diesen Gründen wurde für erste Versuche eine Aluminiumoxidfaser verwendet.


Tabelle 2.1: Syntheseansatz einer supramolekularen Mullitvorstufe
Chemikalie Einwaage Molverhältnis Molmasse
$ Al(^sButO)_3$ 24,63 g 1,0 246,30 g/mol
$ iPrOEtOH$ 10,42 g 1,0 104,15 g/mol
$ EtCOOH$ 37,04 g 5,0 74,08 g/mol
$ TEOS$ 6,25 g 0,3 208,33 g/mol
$ H_2O$ 1,91 g 1,06 18,0 g/mol
$ Al(NO_3)_3\, \cdot\, 9H_2O$ 3,36 g 0,09 375,13 g/mol


Zur Synthese über die molekulardisperse Route gemäß Tabelle 2.1 wird iso-Propoxyethanol mit Aluminiumsekundärbutylat vorsichtig unter Rühren in einer stark exothermen Reaktion komplexiert. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wird die Propionsäure hinzugetropft, wodurch sich der Reaktionsansatz stark erwärmt. Nach dem Kaltrühren wird Tetraethoxysilan hinzugegeben. Schließlich wird das Aluminiumnitrat in Wasser gelöst und hinzugetropft.

Die Synthese nach diesem Verfahren zeichnet sich durch ihre Einfachheit und Schnelligkeit sowie eine geringe Umwandlungstemperatur von 1200°C aus. In kürzester Zeit kann man das gewünschte Produkt im Labor erhalten.


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2001-03-17