Energie-Campus 2019

„Energie und Umwelt – Meine Idee für Morgen“

Entwicklung neuartiger geopolymer-

gebundener Dämmstoffe aus

nachwachsenden Rohstoffen

von

Katharina Walbrück

Dissertation an der Technischen Universität Berlin im Institut für

Bauingenieurwesen: Baustoffe und Bauchemie

M.Sc. Katharina Walbrück

Hochschule Bonn-Rhein-Sieg

Von-Liebig-Str. 20

53359 Rheinbach

Tel.: 02241 865 9815

Mail: katharina.walbrueck@h-brs.de

Entwicklung neuartiger geopolymer-gebundener Dämmstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen

M.Sc. Katharina Walbrück

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Die Nachfrage nach ökologischen und nachhaltigen Bau- und

Dämmstoffen wächst, besonders im Hinblick auf den fortschreitenden

Klimawandel und die knapper werdenden fossilen Ressourcen. Eine

mögliche Alternative zu traditionellen Dämmstoffen stellen dabei

nachwachsende Rohstoffe dar, denn diese sind im Vergleich zu fossilen

Ressourcen CO2-neutral.1,2 Zur Reduzierung der CO2-Emissionen müssen

auch im Bereich der Bindemittel Alternativen gefunden werden, da vor

allem in der Zementindustrie große Mengen CO2 freigesetzt werden.3 Als

mögliche Alternativen bieten sich anorganische alumosilikatische

Polymere, sogenannte Geopolymere an.4,5

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Die Entwicklung alternativer, nachhaltiger Bau- und Dämmstoffen

auf Basis pflanzlicher Materialien ist ein wichtiger Schritt zur

Reduzierung von CO2-Emissionen. Durch Kombination von

Geopolymeren und nachwachsenden Rohstoffen wie

Miscanthus x giganteus1,2,6,7 sollen im ersten Schritt

Dämmstoffe entwickelt werden. Die umfangreiche

Charakterisierung der hergestellten Dämmstoffe hinsichtlich

Abbindereaktionen, Phasenzusammensetzungen, mechanischen

Festigkeiten und Wärmeleitfähigkeiten stellt einen weiteren

Schwerpunkt des Promotionsvorhabens dar.

Herkunft

Ostasiatischer Raum

Familie: Süßgräser

Gattung: Miscanthus

Arten (in Europa)

Miscanthus x giganteus

Miscanthus sinensis

Miscanthus sacchariflorus

Merkmale

Low-input Pflanze

Wuchshöhe: 3 – 4 Meter

C4-Photosynthese

Bindung von 10 – 36 t CO2

pro Hektar und Jahr

Anbau und Ernte

Vermehrung über Rhizome

Mehrjährig

Erntezeit: Februar bis April

Erträge: 15 – 29 t/ha

(bezogen auf die Trockenmasse)

Das Projekt „Biobasierte Produkte“ wird aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionaleEntwicklung (EFRE) gefördert (EFRE0500035). Das FE-SEM und die µ-CT wurden vom

Bundesministerium für Bildung und Forschung (13FH158IN6) gefördert.

Des Weiteren danken wir dem Institut für Nutzpflanzenwissenschaften (INRES) der Universität

Bonn für die Bereitstellung der Biomasse, sowie Lüders Moll (INRES) für das zur Verfügungstellen der Fotos.

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kt Katharina Walbrück, M.Sc.

Hochschule Bonn-Rhein-Sieg

+49 2241 865 9815

katharina.walbrueck@h-brs.de

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Energie-Campus 2019

„Energie und Umwelt –

Meine Idee für morgen“

Miscanthus x giganteus

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Abb. 2: µ-CT einer Dämmstoffplatte mit 10 Gew.-% Miscanthus (links) und 40 Gew.-%

Miscanthus (rechts)

Wärmeleitfähigkeit (HFM 446 Lambda Small, Netzsch)

Durch Zugabe von Miscanthus lässt sich die

Wärmeleitfähigkeit der Dämmstoffe verändern. Wird der

Faseranteil von 10 Gew.-% auf 40 Gew.-% erhöht, sinkt

die Wärmeleitfähigkeit um 60 % auf 0,0896 W (mK)-1.

Rasterelektronenmikroskopie (JSM-7200F, JEOL)

(Abb. 1) Die vergleichbare Porenstruktur von Parenchym

und expandiertem Polystyrol (EPS), sowie die

Wärmeleitfähigkeiten (λMiscanthus = 0,0599 W(mK)-1,

λEPS = 0,032 - 0,040 W(mK)-1) zeigen das vorhandene

Potenzial von Miscanthus zum Einsatz in

Wärmedämmstoffen. Um den Einfluss des Fasergehalts zu

untersuchen, wurden Dämmstoffplatten mit Fasergehalten

im Bereich von 10 Gew.-% bis 40 Gew.-% hergestellt

Ausgangsmaterialien

Miscanthus x giganteus (Campus Klein-Altendorf)

Flugasche (BauMineral GmbH)

Natriumsilikat (Carl Roth)

Natriumdodecylsulfat (Carl Roth)

Abb. 1: rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen von Miscanthus-Parenchym

(links) und expandiertem Polystyrol (rechts)

µ-Computertomographie (SkyScan 1275, Bruker)

(Abb. 2) Mittels µ-CT konnten Dichteunterschiede innerhalb

der Proben festgestellt werden. Dunklere Bereiche

entsprechen dabei Material geringerer Dichte, wie Luft oder

Parenchym. Durch Erhöhung des Faseranteils steigt der

Anteil am schaumartigen Parenchym im Dämmstoff, dies

hat wiederum eine Erhöhung der Porosität von 16,2 Vol.-%

auf 23,9 Vol.-%. zur Folge.

Re

fere

nz

en[1] Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), „Nachwachsende Rohstoffe - Natürliche Alternative“, 2018. [2] R. Pude, C. H. Treseler, R. Trettin, und G. Noga,

„Suitability of Miscanthus genotypes for lightweight concrete“, Bodenkultur, Bd. 56, Nr. 1–4, S. 61–69, 2005. [3] Verein Deutscher Zementwerke e.V., „Umweltdaten

der deutschen Zementindustrie 2017“, Düsseldorf, 2018. [4] O. Vogt, N. Ukrainczyk, und E. Koenders, „Geopolymere als Spezialbaustoff“, Nachrichten aus der Chemie,

Bd. 65, Nr. 12, S. 1198–1202, 2017. [5] K.-J. Hünger und M. Brigzinsky, „Zur Entwicklung eines alumosilicatischen Binders auf der Basis industrieller Reststoffe für den

Bereich hochaggressiver Beanspruchungen“, in ibausil, 2018, S. 12 [6] Bergs M. Einfluss von Miscanthus - Genotyp und Erntezeit auf Gehalt und Struktur von Lignin aus

Organosolv - Verfahren. 2019 [7] Hahnen S. C3- und C4-Photosynthese in Mais (Zea mays): Das Hüllblatt der weiblichen Infloreszenz als Modellsystem zur Analyse

photosynthetischer Genexpression. 2004;(August). [8] Zhang Z, Provis JL, Reid A, Wang H. Geopolymer foam concrete: An emerging material for sustainable

construction. Construction and Building Materials. 2014;56:113-127. doi:10.1016/j.conbuildmat.2014.01.081

Wärmeleitfähigkeit von Miscanthus beträgt 0,0599 W (mK)-1

Zunehmender Gehalt an Miscanthusfasern

im Dämmstoffsystem bewirkt:

Abnahme der Wärmeleitfähigkeit

Erhöhung der PorositätKe

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Geopolymere sind Zweikomponentensysteme, die aus

einem aluminiumsilikatischen, reaktiven Feststoff und einem

alkalischen Aktivator bestehen. Dabei kommen

Verbindungen wie Metakaolin, Hüttensand oder Flugasche

als aluminiumsilikatische Komponente sowie hochalkalische

Lösungen aus Alkalisilikat, -hydroxid oder -carbonat als

Aktivatoren zum Einsatz. Bei der Reaktion des

Aluminiumsilikats mit dem alkalischen Aktivator, der

sogenannten Geopolymerisation kommt es zur Bildung

eines wasserbeständigen Alumosilikatnetzwerks. Dieses

besteht aus vernetzten [AlO4]5-- und [SiO4]

4--Tetraedern,

deren negative Ladung durch den Einbau von Alkalimetall-

Kationen (z.B. Na+ und K+) ausgeglichen wird.4,5,8

Key Facts

Zweikomponentensystem

Reaktiver Feststoff (reich an SiO2 & Al2O3)

Alkalischer Aktivator

Geopolymerisation Bildung eines

Alumosilikatnetzwerks ([AlO4]5-- & [SiO4]

4--Tetraeder)

- 1 -

Entwicklung neuartiger geopolymer-gebundener Dämmstoffe

aus nachwachsenden Rohstoffen

1. Einleitung

Die Nachfrage nach ökologischen und nachhaltigen Bau- und Dämmstoffen wächst zunehmend,

besonders aufgrund des fortschreitenden Klimawandels und knapper werdender fossiler

Ressourcen. Eine mögliche Alternative zu erdölbasierten Dämmstoffen stellen dabei Dämmstoffe

auf Basis nachwachsender Rohstoffe wie schnellwachsenden Großgräsern dar, denn diese sind

im Vergleich zu fossilen Ressourcen annähernd CO2-neutral. 1–3

Laut Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. wird ein Großteil der in Deutschland

angebauten, nachwachsenden Rohstoffe der energetischen Nutzung als Brennstoff zugeführt

(Abbildung 1). Jedoch bietet auch die stoffliche Nutzung dieser Rohstoffe ein großes Potential.

Zum einen durch ihre Vielfältigkeit und zum anderen durch die Einsparung von CO2-Emissionen

finden nachwachsende Rohstoffe in unterschiedlichen Bereichen Anwendung. Bereits heute

werden sie unter anderem in den Bereichen der Verpackungs-, Kunststoff-, und Pharmaindustrie

eingesetzt. 1,2,4

Abbildung 1: Flächennutzung in Deutschland 2017: Die Gesamtfläche in Deutschland teilt sich in die drei

Hauptflächen: Wald-, Siedlungs- und landwirtschaftliche Nutzfläche auf. Die landwirtschaftliche

Nutzfläche lässt in weitere Bereich Bereiche unterteilen, dazu zählen unteranderen die nachwachsenden

Rohstoffe die energetisch oder stofflich verwertet werden.2

Des Weiteren bietet auch das Bauwesen eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten für

nachwachsende Rohstoffe. Insbesondere im Hinblick auf die in der Zementindustrie freigesetzten

CO2-Emissionen müssen nachhaltige und CO2-senkende Alternativen gefunden werden. Bei der

Herstellung von Portlandzement wurden im Jahr 2017 0,6 Tonnen CO2 pro Tonne Zement

emittiert. Seit einigen Jahren wird daher an der Entwicklung neuartiger Bindemittel geforscht.

Eine sinnvolle Alternative stellen die in den 1970er Jahren von J. Davidovits entwickelten

Geopolymere dar. 1,5,6

- 2 -

2. Theoretischer Hintergrund

a. Geopolymere

Geopolymere sind im Allgemeinen Zweikomponentensysteme, die aus einem

aluminiumsilikatischen, reaktiven Feststoff und einem alkalischen Aktivator bestehen. Dabei

kommen typischerweise SiO2- und Al2O3- reiche Verbindungen wie Metakaolin, Hüttensand oder

Flugasche als aluminiumsilikatische Komponente sowie hochalkalische Lösungen aus

Alkalisilikat, -hydroxid oder -carbonat als Aktivatoren zum Einsatz. Bei der Reaktion des

Aluminiumsilikats mit dem alkalischen Aktivator, der sogenannten Geopolymerisation

(Abbildung 2) kommt es zur Bildung eines wasserbeständigen Alumosilikatnetzwerks. Dieses

besteht aus vernetzten [AlO4]5-- und [SiO4]4--Tetraedern, deren negative Ladung durch den

Einbau von Alkalimetall-Kationen (z.B. Na+ und K+) ausgeglichen wird. 7–10

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Geopolymerisation nach 7

b. Nachwachsende Rohstoffe

Zu nachwachsenden Rohstoffen zählen definitionsgemäß alle land- und forstwirtschaftlich

angebauten Produkte, die nicht als Futter- oder Nahrungsmittel eingesetzt werden. Im Bereich der

stofflichen Verwertung finden unter anderem die Kulturen Raps, Flachs, Getreide und Mais

Anwendung. Zur Energieerzeugung werden darüber hinaus auch mehrjährige Feldkulturen wie

Miscanthus oder Silphie eingesetzt. 2

Um die Nutzung nachwachsender Rohstoffe wie Miscanthus oder Silphie so effektiv wie möglich

zu gestalten, wird seit einiger Zeit an der Entwicklung stofflicher Verwertungsmöglichkeiten

geforscht. Insbesondere das mehrjährige Gras Miscanthus ist aufgrund seines hohen

Parenchymanteils (schaumartiges und poröses Grundgewebe von Pflanzen) und der damit

verbunden, guten Wärmedämmeigenschaft für den Einsatz in Dämmstoffen von Interesse. Das

ursprünglich aus dem ostasiatischen Raum stammende, rhizombildende C4-Gras liefert zudem

hohe Rohstofferträge bei geringen Nährstoffeinträgen und zählt somit zu den sogenannten Low-

input Pflanzen. Aufgrund seines C4-Stoffwechselwegs besitzt Miscanthus eine gesteigerte

Photosynthese-Aktivität und ist in der Lage, CO2 während des Wachstums dauerhaft zu binden

(10 – 36 t CO2 pro Hektar und Jahr). Da die CO2-Fixierung räumlich getrennt vom Calvin-Zyklus

- 3 -

in den sogenannten Mesophyllzellen erfolgt sind C4-Pflanzen in der Lage, CO2 effektiver zu

binden als C3-Pflanzen, wie beispielsweise Weizen oder Roggen. 3,11–14

Insgesamt existieren ca. 20 verschiedene Miscanthus-Arten, in Europa folgende Arten am

weitesten verbreitet sind:

• Miscanthus sinensis

• Miscanthus sacchariflorus

• Miscanthus x giganteus

Bei Miscanthus x giganteus, (Abbildung 3), auch Riesenchinaschilf genannt, handelt es sich um

den triploiden Hybrid-Genotyp aus der Kreuzung von Miscanthus sacchariflorus und Miscanthus

sinensis. 11,14

Abbildung 3: Anbau von Miscanthus in Deutschland am Campus Klein-Altendorf (Universität Bonn)

3. Zielsetzung

Zu den derzeit am häufigsten eingesetzten Wärmedämmstoffen gehören Mineralwolle,

Porenbeton und Polystyrol. Nachteilig an diesen Produkten ist jedoch das, im Vergleich zu

nachwachsenden Rohstoffen, hohe Treibhauspotential (engl. Global Warming Potential, kurz

GWP). Somit ist die Entwicklung alternativer, nachhaltiger Dämmstoffe auf Basis pflanzlicher

Materialen ein wichtiger Schritt zur Reduzierung von CO2-Emissionen. 15

Ziel dieses Dissertationsvorhabens besteht in der Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen zur

Nutzung des nachwachsenden Rohstoffs Miscanthus x giganteus in Wärmedämmstoffen. Durch

Kombination von Geopolymeren und Miscanthusfasern sollen Dämmstoffe entwickelt werden,

die mit konventionellen Dämmstoffen konkurrieren können. Ein weiterer Schwerpunkt ist die

umfangreiche Charakterisierung solcher Dämmstoffsysteme hinsichtlich Abbindereaktionen,

Phasenzusammensetzungen, Wärmeleitfähigkeiten und mechanischer Eigenschaften.

4. Bisherige Ergebnisse

Um vorab die Eignung von Miscanthus für den Einsatz in Dämmstoffen zu untersuchen, wurden

zunächst rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen (JSM-7200F, JEOL) des Miscanthus-

Parenchyms im Vergleich zu expandiertem Polystyrol, sowie Wärmeleitfähigkeitsmessungen

(HFM 446 Lambda Small, Netzsch) durchgeführt. Die vergleichbare Porenstruktur (Abbildung

4) beider Proben zeigt bereits das vorhandene Potential von Miscanthus x giganteus zum Einsatz

in Wärmedämmstoffen. Dieses Potential lässt sich ebenfalls anhand der ermittelten

Wärmeleitfähigkeit von 0,0599 ± 0,0013 W (mK)-1 einer Schüttung von Miscanthusfasern (Ernte

- 4 -

2018, < 1,1 mm, Universität Bonn) bestätigen. Im Vergleich dazu liegt die Wärmeleitfähigkeit

von expandiertem Polystyrol im Bereich von 0,032-0,040 W (mK)-1. 16

Abbildung 4: rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen von Miscanthus-Parenchym (links) und

expandiertem Polystyrol (rechts)

Die Entwicklung geopolymer-gebundener Dämmstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe

erfolgt ausgehend von den Materialien Flugasche (EFA-Füller HP, BauMineral GmbH),

Natronwasserglas (Carl Roth, SiO2:Na2O = 3,4, Aktivsubstanzgehalt = 36 Gew.-%), Miscanthus

x giganteus (Ernte 2018, gemahlen < 1,1 mm, Universität Bonn), sowie dem anionischen Tensid

Natriumdodecylsulfat (Carl Roth) zur Aufschäumung der Dämmstoffsysteme. Um den Einfluss

des Fasergehalts zu untersuchen, wurden Dämmstoffplatten (140x140x40 mm³) mit

Fasergehalten im Bereich von 10 Gew.-% bis 40 Gew.-% hergestellt und anschließend die

Wärmeleitfähigkeit bei einer Probenmitteltemperatur von 10 °C und Temperaturdifferenz von 10

K bestimmt. Wird der Faseranteil von 10 Gew.-% auf 40 Gew.-% erhöht, sinkt die

Wärmeleitfähigkeit um 60%. Mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,0896 ± 0,0001 W (mK)-1

besitzen die bisher entwickelten Dämmstoffe ähnliche Wärmedämmeigenschaften wie

Porenbeton. Im Vergleich zu Mineralwolle und Polystyrol liegen sie jedoch um den Faktor 2-3

höher. 16

Des Weiteren wurden die hergestellten Dämmstoffe mittels µ-Computertomografie (SkyScan

1275, Bruker) untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Erhöhung des Fasergehaltes von

10 Gew.-% auf 40 Gew.-% einen Anstieg der Porosität von 16,2 Vol.-% auf 23,9 Vol.-% zur

Folge. Dieser Porositätsanstieg lässt sich ebenfalls in Abbildung 5 durch den Dichteunterschied

in Form verschiedener Graustufen innerhalb der Proben erkennen. Dunklere Bereiche

entsprechen dabei Material geringerer Dichte, wie Luft oder Parenchym.

Abbildung 5: µ-Computertomografische Untersuchung einer Dämmstoffplatte mit 10 Gew.-%

Miscanthus (links) und 40 Gew.-% Miscanthus (rechts)

- 5 -

5. Zusammenfassung und Ausblick

Die Reduzierung von CO2-Emissionen und des Energieverbrauchs von Gebäuden, sowie die

Schonung natürlicher Ressourcen sind wichtige Forderungen an ein zukunftsorientiertes Bauen.

Die Kombination nachwachsender Rohstoffe und innovativer Bindemittel könnte es ermöglichen,

alternative Dämmstoffe mit geringen Wärmeleitfähigkeiten und gleichzeitig geringem

Treibhauspotenzial herzustellen.

In ersten Experimenten konnte gezeigt werden, dass sich Miscanthus aufgrund seiner

Porenstruktur und Wärmeleitfähigkeit prinzipiell für den Einsatz in Dämmstoffen eignet. Darauf

aufbauend wurden erste Dämmstoffplatten mit unterschiedlichen Anteilen an Miscanthusfasern

entwickelt und hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit und Porosität untersucht. Dabei wurde

deutlich, dass durch eine Erhöhung des Fasergehaltes die Wärmedämmeigenschaften der

Geopolymersysteme verbessert werden kann und durch das im Miscanthus enthaltene Parenchym

die Porosität steigt.

Die nächsten Schritte dieses Promotionsvorhabens bestehen in der Optimierung der

Wärmedämmeigenschaften der hergestellten Dämmstoffe, sowie einer umfangreichen

Charakterisierung.

6. Literaturverzeichnis

1. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR). Nachwachsende Rohstoffe - Natürliche

Alternative.; 2018.

2. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR). Anbau Und Verwendung Nachwachsender

Rohstoffe in Deutschland.; 2019.

3. Pude R, Treseler CH, Trettin R, Noga G. Suitability of Miscanthus genotypes for lightweight

concrete. Bodenkultur. 2005;56(1-4):61-69.

4. Türk O. Stoffliche Nutzung Nachwachsender Rohstoffe.; 2014. doi:10.1007/978-3-8348-2199-7

5. Verein Deutscher Zementwerke e.V. Umweltdaten Der Deutschen Zementindustrie 2017.

Düsseldorf; 2018.

6. Davidovits J. Geopolymer Chemistry and Applications.; 2008.

7. Singh N. B. Fly Ash-Based Geopolymer Binder: A Future Construction Material. Minerals.

2018;8(7):299. doi:org/10.3390/min8070299

8. Hünger K-J, Brigzinsky M. Zur Entwicklung eines alumosilicatischen Binders auf der Basis

industrieller Reststoffe für den Bereich hochaggressiver Beanspruchungen. In: Weimar; 2018:12.

9. Davidovits J. Properties of Geopolymer Cements. Alkaline Cements and Concretes. 1994:1-19.

10. Zhang Z, Provis JL, Reid A, Wang H. Geopolymer foam concrete: An emerging material for

sustainable construction. Construction and Building Materials. 2014;56:113-127.

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11. Fritz M, Formowitz B, Jodl S, Eppel-Hotz A, Kuhn W. Miscanthus als Nachwachsender Rohstoff

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12. Hahnen S. C3- und C4-Photosynthese in Mais (Zea mays): Das Hüllblatt der weiblichen

Infloreszenz als Modellsystem zur Analyse photosynthetischer Genexpression. 2004;(August).

13. Esser A. Technische Optimierung einer Versuchsanlage zur Herstellung von Miscanthuspellets.

2009.

14. Bergs M. Einfluss von Miscanthus - Genotyp und Erntezeit auf Gehalt und Struktur von Lignin

aus Organosolv - Verfahren. 2019.

15. Kuhnhenne M, Kocker R, Feldmann M. Die Ökobilanz Als Baustein Der Nachhaltigkeits-

Bewertung Im Industrie- Und Gewerbebau. Vol 79.; 2010. doi:10.1002/stab.201001336

16. Pfundstein M, Rodolphi A, Spitzner M, Gellert R. Dämmstoffe: Grundlagen, Materialien,

Anwendungen.; 2012.