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Seite 1 von 78 Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst Fakultät Naturwissenschaften und Technik [n], Göttingen Sachbericht „Mobile Plasmaquelle“ vom 30.05.2010 Seite 1 von 78 Abschlussbericht zum Vorhaben Entwicklung einer mobilen Plasmaquelle zur InSitu- Oberflächenvorbehandlung im Bauwesen zur Adhäsionsoptimierung Zuwendungsempfänger: HAWK HHG, Fak N, Prof. M. Leck Förderkennzeichen: 1704X 06 Vorhabensbezeichnung: Entwicklung einer mobilen Plasmaquelle zur InSitu-Oberflächenvorbehandlung im Bauwesen zur Adhäsionsoptimierung Laufzeit des Vorhabens: 01.09.2006 – 30.11.2009 Projektpartner: Construction Research & Technology GmbH (CORTE) (83308 Trostberg), PCI Augsburg GmbH (86159 Augsburg), TU Clausthal, Institut für Physik und Physikalische Technologien (38678 Clausthal-Zellerfeld)

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Abschlussbericht zum Vorhaben Entwicklung einer mobilen Plasmaquelle zur InSitu-Oberflächenvorbehandlung im Bauwesen zur Adhäsionsoptimierung Zuwendungsempfänger: HAWK HHG, Fak N, Prof. M. Leck

Förderkennzeichen: 1704X 06

Vorhabensbezeichnung: Entwicklung einer mobilen Plasmaquelle zur InSitu-Oberflächenvorbehandlung im Bauwesen zur Adhäsionsoptimierung

Laufzeit des Vorhabens: 01.09.2006 – 30.11.2009

Projektpartner: Construction Research & Technology GmbH (CORTE) (83308 Trostberg),

PCI Augsburg GmbH (86159 Augsburg),

TU Clausthal, Institut für Physik und Physikalische Technologien (38678 Clausthal-Zellerfeld)

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Inhaltsverzeichnis

1 AUFGABENSTELLUNG .................................. ................................................... 4

2 RAHMENBEDINGUNGEN ................................. ................................................. 5

3 PLANUNG UND ABLAUF DES VORHABENS .................. ................................. 6

4 ZUSAMMENARBEIT MIT ANDEREN STELLEN ................ ................................ 7

5 STAND DER WISSENSCHAFT UND TECHNIK, GRUNDLAGEN .... ................. 8

5.1 Dielektrisch behinderte Entladungen ..................................................................................................... 8

5.2 Plasmajet auf Grundlage einer DBE ...................................................................................................... 9

5.3 Beton ....................................................................................................................................................... 11

5.4 Silikon-Dichtstoffe.................................................................................................................................. 12

5.5 Haftungsmechanismus von Bau- und Dichtstoffen ............................................................................. 14

5.6 Vorbehandlung von Baufugen .............................................................................................................. 16 5.6.1 Allgemeine Anforderungen an Baufugen ............................................................................................ 16 5.6.2 Primerung ............................................................................................................................................ 16 5.6.3 Plasmabehandlung ............................................................................................................................... 17

6 DURCHFÜHRUNG ............................................................................................ 18

6.1 Übersicht ................................................................................................................................................. 18

6.2 Verwendete Substrate und Materialien ............................................................................................... 19 6.2.1 Baustoffe ............................................................................................................................................. 19 6.2.2 Dichtstoffe ........................................................................................................................................... 21 6.2.3 Primer .................................................................................................................................................. 21

6.3 Herstellung der Probekörper ................................................................................................................ 23 6.3.1 Verbundproben für die Labor-Zugprüfung .......................................................................................... 23 6.3.2 Haftzugproben zum Vergleich von Labor- mit Baustellen-Tests ........................................................ 23 6.3.3 Probenherstellung für die Raupentests ................................................................................................ 24 6.3.4 Probenherstellung für die Simulation des Sanierungsfalls .................................................................. 24

6.4 Eingesetzte Plasmaquellen .................................................................................................................... 26 6.4.1 DBE-Handgerät ................................................................................................................................... 26 6.4.2 Stationärer Plasmajet ........................................................................................................................... 26 6.4.3 Entwicklung eines mobilen Plasmajets................................................................................................ 28

6.4.3.1 Hochspannungsgenerator ............................................................................................................ 29 6.4.3.2 Plasmastrahlquelle ...................................................................................................................... 31 6.4.3.3 Nachweis der Wirksamkeit des Plasmastrahls ............................................................................ 34

6.5 Beanspruchung ....................................................................................................................................... 36 6.5.1 Beanspruchung nach Normalklimalagerung (Verfahren A) ................................................................ 36 6.5.2 Beanspruchung nach Temperaturwechselbelastung (Verfahren B) ..................................................... 36 6.5.3 Nasslagerung ....................................................................................................................................... 36

6.6 Festigkeitsuntersuchungen .................................................................................................................... 37 6.6.1 Zugversuche ........................................................................................................................................ 37

6.6.1.1 Statische Zugversuche ................................................................................................................ 37 6.6.1.2 Abreißversuche ........................................................................................................................... 38 6.6.1.3 Dynamische Zugversuche ........................................................................................................... 39

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6.6.2 Raupentests .......................................................................................................................................... 40

6.7 Analytik................................................................................................................................................... 41 6.7.1 Randwinkelmessungen ........................................................................................................................ 41

6.7.1.1 Statische Kontaktwinkelmessung ............................................................................................... 42 6.7.1.2 Dynamische Kontaktwinkelmessung .......................................................................................... 43

6.7.2 IR-Spektroskopie ................................................................................................................................. 43 6.7.2.1 Reflexionsverfahren .................................................................................................................... 44

6.7.3 Raman-Spektroskopie .......................................................................................................................... 44 6.7.3.1 Ramanmikroskopie ..................................................................................................................... 45

6.7.4 XPS - Photoelektronenspektroskopie .................................................................................................. 46

7 ERGEBNISSE ................................................................................................... 47

7.1 Mechanische Untersuchungen .............................................................................................................. 47 7.1.1 Übersicht über die durchgeführten mechanischen Untersuchungen .................................................... 47 7.1.2 DBE-Handgerät ................................................................................................................................... 48

7.1.2.1 Statische Zugprüfung, Beton gebürstet, Normalklima ................................................................ 48 7.1.2.2 Statische Zugprüfung, Beton geschnitten, Normalklima ............................................................ 50 7.1.2.3 Statische Zugprüfung, Beton geschnitten, Temperaturwechsel .................................................. 51 7.1.2.4 Statische Zugprüfung, Polystyrol, Normalklima ........................................................................ 51 7.1.2.5 Raupentest, Beton sandgestrahlt, Normalklima .......................................................................... 52 7.1.2.6 Raupentest, Beton mit Zementhaut, Normalklima ...................................................................... 53

7.1.3 Stationärer Plasmajet ........................................................................................................................... 54 7.1.3.1 Statische Zugprüfung, Beton gebürstet, Normalklima ................................................................ 54 7.1.3.2 Dynamischer Zugprüfung, Beton geschnitten, Normalklima ..................................................... 55 7.1.3.3 Statische Zugprüfung - Sanierfall, Beton gebürstet, Normalklima ............................................. 56 7.1.3.4 Dynamische Zugprüfung Sanierfall, Beton geschnitten, Normalklima ...................................... 57 7.1.3.5 Raupentest, Beton sandgestrahlt, Normalklima ....................................................................... 57 7.1.3.6 Raupentest, Beton mit Zementhaut, Normalklima ................................................................... 58 7.1.3.7 Raupentest, Polystyrol, Normalklima ......................................................................................... 58

7.1.4 Mobiler Plasmajet / Baupraktische Prüfungen .................................................................................... 59 7.1.4.1 Statische Zugprüfung, Beton geschnitten, Normalklima ............................................................ 59 7.1.4.2 Statische Zugprüfung, Beton geschnitten, Nasslagerung ............................................................ 60 7.1.4.3 Statische Zugprüfung, Sanitäracryl, Normalklima ...................................................................... 61 7.1.4.4 Statische Zugprüfung, Polypropylen, Normalklima ................................................................... 62 7.1.4.5 Haftzugprüfung, Beton schalungsglatt, Normalklima................................................................. 63 7.1.4.6 Untersuchung des Temperatureinflusses .................................................................................... 64

7.2 Analytische Untersuchungen ................................................................................................................ 66 7.2.1 Übersicht über die durchgeführten analytischen Untersuchungen....................................................... 66 7.2.2 DBE-Handgerät ................................................................................................................................... 67

7.2.2.1 Dynamische Randwinkelmessungen, Beton nass geschnitten .................................................... 67 7.2.2.2 Dynamische Randwinkelmessungen, Beton mit Zementhaut ..................................................... 68 7.2.2.3 Statische Randwinkelmessungen, Polystyrol .............................................................................. 68

7.2.3 Stationärer Jet ...................................................................................................................................... 69 7.2.3.1 Dynamische Randwinkelmessungen, Beton nass geschnitten .................................................... 69 7.2.3.2 Dynamische Randwinkelmessungen, Beton mit Zementhaut ..................................................... 70

7.2.4 Mobiler Jet ........................................................................................................................................... 71 7.2.4.1 IR-Spektroskopie, Beton nass geschnitten .................................................................................. 71 7.2.4.2 Raman-Spektroskopie, Beton nass geschnitten ........................................................................... 72 7.2.4.3 XPS - Photoelektronenspektroskopie, Beton nass geschnitten ................................................... 72

8 ZUSAMMENFASSUNG ................................... .................................................. 75

9 LITERATUR ......................................... .............................................................. 76

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1 Aufgabenstellung

Sowohl im Wohnungs- als auch im Industriebau müssen Fugen zwischen Bauelementen mit elastischen Fugendichtstoffen abgedichtet werden. Betroffen von dieser Maßnahme sind sowohl Fugen zwischen Betonsegmenten als auch Anschlussfugen zu den unterschied-lichsten Konstruktionselementen wie z.B. Fensterprofilen oder Rohren. Die Sicherstellung einer langfristigen Dichtigkeit der Fugen ist dabei ein ganz wesentliches Qualitätsziel. Beim Versagen des Dichtstoffes kann Feuchtigkeit in das Gebäude eindringen, wodurch es in der Regel zu Schäden in der Konstruktion kommt. Eine entsprechende Sanierung ist aufwändig und kostenintensiv. Mögliche Schädigungsursachen sollten daher bereits im Vorfeld erkannt und gegebenenfalls im Ansatz vermieden werden. Eine technische Herausforderung stellt insbesondere die Tatsache dar, dass die Haftung des Dichtstoffs an den Fugenflanken sowohl bei extremen Temperaturschwankungen als auch bei Bewegungen zwischen den angrenzenden Bauteilen gewährleistet sein muss. Typische Schadensverläufe beginnen in der Regel mit einer Ablösung der elastischen Systeme von den Baustoffoberflächen. Ursache für dieses Versagen sind häufig technisch bedingte Oberflächenverunreinigungen. Zum Beispiel machen Reste von Schalölen die Dichtstoff-haftung auf Beton schwierig bis unmöglich. Hinzu kommen verschiedene Material- und Umwelteinflüsse, die dazu führen können, dass sich der Dichtstoff schon nach kurzer Zeit vom Untergrund ablösen kann. Zudem sind einige Materialpaarungen wie Beton/Kunststoffverbindungen auf Grund der schlechten Haftung von Dichtstoffen auf vielen Kunststoffen prinzipiell problematisch. Um auch in Problemfällen eine angemessene Haftung zu erreichen, wird in vielen Fällen vor der Applikation ein chemischer Voranstrich, ein so genannter Primer, auf die Fugenflanken aufgetragen. Dieser kann zwar die Haftung zwischen Dichtstoff und Problemflächen verbessern, bedeutet aber in jedem Fall einen erhöhten Arbeitsaufwand. Hinzu kommt, dass derartige Primer in der Regel wenig umweltfreundlich sind. Ziel dieses Vorhabens war es daher, eine alternative und kostengünstige Methode zur Haftungsverbesserung zwischen Bau- und Dichtstoffen zu entwickeln und ihre Eignung in typischen Labor- und Praxisversuchen zu bestätigen. Aus eigenen Forschungsprojekten und zahlreichen Voruntersuchungen war bekannt, dass durch eine Plasmabehandlung die Adhäsionsfähigkeit von unterschiedlichen Substraten erheblich gesteigert werden kann. Aufbauend auf diese Erkenntnisse wurden in diesem Projekt typische mineralische und polymere Baustoffsubstrate einer Plasmabehandlung ausgesetzt und anschließend mit verschiedenen Dichtstoffen kombiniert. Zum einen wurde untersucht, welchen Einfluss eine Plasmabehandlung auf die Adhäsionseigenschaften der Werkstoffkombinationen hat. Dabei wurden unbehandelte Oberflächen, plasmabehandelte Oberflächen sowie mit klassischen chemischen Primern imprägnierte Flächen gegenübergestellt. Zum anderen stellte die analytische Charakterisierung der der Adhäsionsverbesserung zugrunde liegenden chemischen und physikalischen Mechanismen einen Schwerpunkt des Projektes dar. Da für die Oberflächenmodifikation bisher nur stationäre Plasmaapparaturen zur Behandlung flächiger Gebilde zur Verfügung standen, war eine weitere Zielsetzung die Entwicklung eines mobilen Plasmahandgerätes auf Grundlage einer dielektrisch behinderten Entladung. Dieses Gerät sollte im Projektverlauf als funktionsfähiges Labormuster aufgebaut werden und in ein Jetprinzip weiterentwickelt werden. Der Plasmajet sollte neben dem mobilen Einsatz auf Baustellen auch die Behandlung komplexer Geometrien erlauben, d.h. er muss klein und handlich sein, möglichst netzunabhängig betrieben werden können und sollte außer Luft keine zusätzlichen Arbeitsgase benötigen.

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2 Rahmenbedingungen

Das Projekt wurde an der Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK) durchgeführt. Hier beschäftigt man sich seit vielen Jahren in unterschiedlichen Zielrichtungen mit der Plasmabehandlung von Oberflächen. Im Labor für Laser- und Plasmatechnologie der HAWK wird hauptsächlich die Umsetzung und Entwicklung innovativer Anwendungen der Plasmatechnologie, aber auch die Entwicklung von Lasern und Lasermesstechnik betrieben. Durch die langjährige Arbeit und Erfahrung im Bereich der Plasmaquellenentwicklung standen hierdurch bereits zu Beginn des Projekts unterschiedliche Plasmaquellen zur Verfügung, mit denen vor allem im Rahmen von Vorversuchen gearbeitet werden konnte. Als Grundstock für die Entwicklung von speziellen Plasmaquellen in diesem Projekt diente eine Grundausstattung von dielektrisch behinderten Entladungskonfigurationen bzw. Plasmaanlagen. Ebenso waren unterschiedlich aufgebaute, stationäre Plasmastrahlquellen verfügbar, so dass mit dem vorhandenen Equipment Anfangsuntersuchungen durchgeführt werden konnten. Zur Erzeugung der Entladungen standen mehrere Netzgeräte zur Verfügung, die sich in ihrer Anregungsart, - z.B. durch gepulste oder kontinuierliche Anregung -, und Anregungsfrequenzen unterscheiden. Einen weiteren Schwerpunkt der HAWK bildet die Mechanismen- und Strukturaufklärung im Bereich plasmabehandelter Oberflächen sowie die mechanischen Werkstoffprüfung. Die Arbeitsgruppe Analytische Messtechnik verfügt über entsprechende Labore zur Durchführung der Untersuchungen im Bereich der Strukturmechanik und Probenpräparation sowie für spektroskopische Untersuchungen. Speziell für dieses Projekt standen unter anderen die folgenden Geräte zur Verfügung: Klima- und Konditionierungsschränke, statische und dynamische Zugprüfmaschinen, Haftzugeinrichtungen, Randwinkelmessgeräte, FT-Infrarotspektrometer mit Zubehör zur ortsaufgelösten Reflexionsspektroskopie, Ramanspektrometer mit Mikroskop sowie diverse Einrichtungen zur Beurteilung der Probenmorphologie wie Licht- und Elektronenmikroskope.

Die Kooperationspartner CORTE/Degussa und PCI verfügen über eigene Labore und Versuchseinrichtungen zur Herstellung und Prüfung von Baustoffen. Die Einrichtungen ergänzten die apparativen und versuchstechnischen Möglichkeiten der Hochschullabore in idealer Weise. So stellte die CORTE einen Teil ihres Entwicklungspotenzials zur Formulierung und Anpassung der im Projekt eingesetzten Dichtungssysteme zur Verfügung.

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3 Planung und Ablauf des Vorhabens

Die Durchführung des Projektes orientierte sich an dem nachstehend dargestellten Arbeitsplan:

Tabelle 1: Arbeitsplan Stichpunktartig sind nachfolgend noch einmal die wesentlichen Schritte nicht in zeitlicher Abfolge sondern thematisch zusammengefasst:

• Literaturrecherche, Feststellung des Stands der Wissenschaft und Technik

• Entwicklung und Bau des mobilen Plasmahandgerätes/-jets o Vorversuche mit stationären Plasma-Anordnungen o Festlegung der Elektrodenkonfiguration o Optimierung der Gasversorgung o Spannungsquellendesign o Parameteroptimierung o Bau eines funktionsfähigen Labormusters

• Erfolgskontrolle der Plasmabehandlung durch mechanische Beanspruchungsversuche

o Auswahl und Beschaffung der Probekörper und Dichtstoffe o Probenkörperherstellung mit unterschiedlicher Vorbehandlung der

Kontaktflächen (Plasmabehandlung, Primerung, keine Vorbehandlung) o Durchführung mechanischer Beanspruchungsversuche im Labor

(Dynamische und statische Zugversuche, Raupentests) o Durchführung praxisrelevanter Baustellenversuche

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• Mechanismenaufklärung durch Analytik der plasmabehandelten Oberfläche o IR o Randwinkelmessungen o XPS

• Erst Schritte zu Vermarktung

o Durchführung einer Wirtschaftlichkeitsanalyse o Entwicklung einer Vermarktungsstrategie

4 Zusammenarbeit mit anderen Stellen

Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit zwei mittelständischen Unternehmen durchgeführt: Partner war zum einen die Construction Research & Technology GmbH (CORTE) in Trostberg. Die Corte hat unter anderem Erfahrung in der Grundformulierung von Dichtstoffen. Sie stellt der produzierenden Industrie Vorprodukte und technisches Knowhow zur Verfügung. Zusammen mit der CORTE wurden vor allem die verwendeten Betonsubstrate, die Dichtstofftypen und Primer sowie die Beanspruchung und Lagerung der Probekörper festgelegt. Die für die Beanspruchung und Prüfung zu verwendenden Normen wurden abgestimmt. Zum anderen hat sich die PCI Augsburg GmbH in Augsburg an dem Projekt beteiligt. Die PCI ist Entwickler und Hersteller bauchemischer Produkte und beliefert sowohl das Profi- als auch das Heimwerkersegment mit Bauprodukten. Sie war zuständig für die Wirtschaftlichkeitsanalyse und die Vorbereitung der Vermarktung des geplanten Plasmajets. Die Versuche für den baupraktischen Einsatz wurden zusammen mit der PCI geplant und im dortigen Anwendungslabor durchgeführt. An der TU Clausthal wurde ein Teil der Oberflächenanalytik (Photoelektronenspek-troskopie) durchgeführt.

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5 Stand der Wissenschaft und Technik, Grundlagen

5.1 Dielektrisch behinderte Entladungen

Eine Gasentladung entsteht, wenn zwischen zwei Elektroden eine ausreichend große Spannung angelegt wird. Dadurch wird das Gas zwischen den entsteht ein Plasma. Ein Plasma enthält zahlreiche aktive Spezies wie Ionen und Elekaber auch Moleküle bzw. Atome in unterschiedlichen Anregungszuständen und Radikale. Generell ist die Erzeugung vonVorkehrungen problematisch, entstehenden thermischen Plasmen Vermeidung dieser Durchschläge und zur Senkung der GastempVerfahren zur technischen Realisation Elektroden bei Corona-Entladungen und das Einfügen einer elektrisch isolierenden Barriere (Dielektrikum) bei dielektrisch behinderten Entladung Eine dielektrisch behinderte Entladung (DBE), Barrierendung“ führt zu einem Atmosphärendruck. Bei einem thermischen Plasma (Gleichgewichtsplasma) besitzen alle Teilchen die gleiche Temperatur um 10.000 K, ein solches Plasma ist heiß. Ein Nichtgleichgewichts- oder auch NiedertemperaturElektronen eine Temperatur von ca. 10.000 K haben. Die Temperatur der Ionen und Neutralteilchen liegt nur wenig oberhalb der Raumgleichgewichtsplasma ist nach außen hin kalt für die Behandlung temperaturund Hölzer, eingesetzt werden. Das Dielektrikum zwischen den Elektroden führt dazu, dass die Ionen und Elektronen des Plasmas ihre Ladungen nicht direkt an den äußeren Stromnach Anwendungszweck lässt sich eine geometrien realisieren. Die gebräuchlichElektroden mit einem oder zwei Dielektrika (dazwischen liegendem Gasspalt gezündet. Aufgrund des eingeschränkten Abzwischen den Elektroden eignetexturierter Materialien wie Folien und Textilien. Eine alternative Bauform eines Plasmajets (Abbildung Gasstrom überlagert, so dass das ionisierte Gas aus den Elektroden heraus getragen wird. Das Gas kann dabei zum Beispielförmigen Elektroden hindurchbehandelnde Substrat wird einige Millimeter hinter den Elektroden, im so genannten Afterglow oder Plasmastrahl, platziert. Diese Konfiguration erlaubbehandlung [4] auch in die Tiefe des Objektes hinein

Abbildung 1: Bauformen dielekt

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Stand der Wissenschaft und Technik, Grundlagen

Dielektrisch behinderte Entladungen

Eine Gasentladung entsteht, wenn zwischen zwei Elektroden eine ausreichend große Spannung angelegt wird. Dadurch wird das Gas zwischen den Elektroden ionisiert und es entsteht ein Plasma. Ein Plasma enthält zahlreiche aktive Spezies wie Ionen und Elekaber auch Moleküle bzw. Atome in unterschiedlichen Anregungszuständen und Radikale.

Generell ist die Erzeugung von Plasmen unter Atmosphärendruck Vorkehrungen problematisch, da Durchschläge entstehen. Die Temperatur der hierbei entstehenden thermischen Plasmen ist für eine Oberflächenbehandlung viel zu hoch. Zur Vermeidung dieser Durchschläge und zur Senkung der Gastemperatur haben sich

zur technischen Realisation bewährt: Hierzu gehören die Benutzung spitzer Entladungen und das Einfügen einer elektrisch isolierenden Barriere

(Dielektrikum) bei dielektrisch behinderten Entladungen [37].

Eine dielektrisch behinderte Entladung (DBE), Barrierenentladung oder auch „Stille Ent kalten, so genannten Nichtgleichgewichtsplasma unter

Atmosphärendruck. Bei einem thermischen Plasma (Gleichgewichtsplasma) besitzen alle Teilchen die gleiche Temperatur um 10.000 K, ein solches Plasma ist heiß. Ein Nicht

oder auch Niedertemperaturplasma zeichnet sich dadurch aus, dass nur die Elektronen eine Temperatur von ca. 10.000 K haben. Die Temperatur der Ionen und Neutralteilchen liegt nur wenig oberhalb der Raumtemperatur, d.h. ein Nichtgleichgewichtsplasma ist nach außen hin kalt [20]. Dadurch können DBE-Plasmaquellen auch für die Behandlung temperaturempfindlicher Materialien, wie z.B. verschiedeneund Hölzer, eingesetzt werden.

Das Dielektrikum zwischen den Elektroden führt dazu, dass die Ionen und Elektronen des Plasmas ihre Ladungen nicht direkt an den äußeren Stromkreislauf abgeben können

zweck lässt sich eine DBE in unterschiedlichen Bauformen und Elekgeometrien realisieren. Die gebräuchlichste Bauform besteht aus zwei planElektroden mit einem oder zwei Dielektrika (Abbildung 1, links). Das Plasma wird in dem dazwischen liegendem Gasspalt gezündet. Aufgrund des eingeschränkten Abzwischen den Elektroden eignet sich diese Bauform nur zur Behandlung planarer

Materialien wie Folien und Textilien. Eine alternative Bauform Abbildung 1, rechts) realisieren. Hier wird dem stationären Plasma ein

strom überlagert, so dass das ionisierte Gas aus den Elektroden heraus getragen wird. kann dabei zum Beispiel zwischen zwei koaxial ineinander liegenden, zylinder

förmigen Elektroden hindurch strömen; auch planare Anordnungen sind möglich. behandelnde Substrat wird einige Millimeter hinter den Elektroden, im so genannten After

strahl, platziert. Diese Konfiguration erlaubt eine dreidimensionale Plasmaauch in die Tiefe des Objektes hinein.

Bauformen dielektrisch behinderter Entladungen [22]

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Eine Gasentladung entsteht, wenn zwischen zwei Elektroden eine ausreichend große Elektroden ionisiert und es

entsteht ein Plasma. Ein Plasma enthält zahlreiche aktive Spezies wie Ionen und Elektronen, aber auch Moleküle bzw. Atome in unterschiedlichen Anregungszuständen und Radikale.

sphärendruck ohne besondere Temperatur der hierbei

für eine Oberflächenbehandlung viel zu hoch. Zur haben sich daher zwei

: Hierzu gehören die Benutzung spitzer Entladungen und das Einfügen einer elektrisch isolierenden Barriere

entladung oder auch „Stille Entla-gleichgewichtsplasma unter

Atmosphärendruck. Bei einem thermischen Plasma (Gleichgewichtsplasma) besitzen alle Teilchen die gleiche Temperatur um 10.000 K, ein solches Plasma ist heiß. Ein Nicht-

hnet sich dadurch aus, dass nur die Elektronen eine Temperatur von ca. 10.000 K haben. Die Temperatur der Ionen und

temperatur, d.h. ein Nicht-Plasmaquellen auch

empfindlicher Materialien, wie z.B. verschiedener Kunststoffe

Das Dielektrikum zwischen den Elektroden führt dazu, dass die Ionen und Elektronen des kreislauf abgeben können [29]. Je

in unterschiedlichen Bauformen und Elektroden-e Bauform besteht aus zwei planparallelen

, links). Das Plasma wird in dem dazwischen liegendem Gasspalt gezündet. Aufgrund des eingeschränkten Abstandes

planarer und wenig Materialien wie Folien und Textilien. Eine alternative Bauform lässt sich in Form

Hier wird dem stationären Plasma ein strom überlagert, so dass das ionisierte Gas aus den Elektroden heraus getragen wird.

liegenden, zylinder-uch planare Anordnungen sind möglich. Das zu

behandelnde Substrat wird einige Millimeter hinter den Elektroden, im so genannten After-t eine dreidimensionale Plasma-

[22]

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Dielektrisch behinderte Entladungen werden in der Regel mit einer Hochspannung (Wechselspannung oder gepulst) im kV-Bereich und mit Frequenzen im kHz-Bereich betrieben.

5.2 Plasmajet auf Grundlage einer DBE

Bei einem Plasmajet ist das Plasma räumlich nicht an die Elektroden gebunden bzw. durch diese begrenzt, sondern wird mit einem Gasstrom aus dem Elektrodenraum heraus getragen. Diese Möglichkeit ist z.B. für dreidimensionale oder auch lokalisierte Anwendungen vorteilhaft. Der im Rahmen dieses Projekts entwickelte Plasmajet soll zur Behandlung auch temperatur-empfindlicher Oberflächen verwendet werden. Das hierzu notwendige kalte, nichtthermische Plasma wird mit Hilfe einer DBE (siehe Kapitel 5.1) erzeugt. In den letzten Jahren hat es zahlreiche Ansätze gegeben, Plasmajets im Bereich der kalten, nichtthermischen Plasmen zu entwickeln. Als Arbeitsgase werden typischerweise leicht ionisierbare Gase wie Argon, Helium, Stickstoff oder deren Mischungen mit Sauerstoff mit einem Gasstrom von einigen Litern pro Minute verwendet. Wegen der Relevanz für die eigene Entwicklung soll nachfolgend ein kurzer Überblick über aktuelle Systeme gegeben werden, ausführliche Darstellungen sind in [26] und [37] zu finden. Der erste kalte Plasmajet wurde 1992 von Koinuma et al. [23] beschrieben. Ein Schema des Plasmajets zeigt die folgende Abbildung. Die Hochspannungselektrode besteht aus einer Metallnadel (Wolfram oder Edelstahl) mit einer Dicke von 1mm. Die Nadel ist isoliert in einen geerdeten Metallzylinder eingesetzt. Zwischen diesen beiden Elektroden befindet sich ein Quarzglasrohr als Dielektrikum, wie es für eine DBE typisch ist. Der Hochspannungsgenerator arbeitet mit einer Frequenz im RF-Bereich bei 13,56 MHz. Der Jet wird mit He und Ar mit Strömungsgeschwindigkeiten um 5m/s betrieben. Die Gastemperatur beträgt je nach Arbeitsgas 200 – 400 °C.

Abbildung 2: Schema des ersten kalten Plasmajets von Koinuma et al. [23]

Ein Plasmajet zum Betrieb mit einer gepulsten, niederfrequenten Spannungsquelle im kHz-Bereich wurde 2005 an der HAWK von Förster et al. [13] entwickelt. Eine weiterentwickelte

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Variante dieses Jets wurde auch im Rahmen dieses Vorhabens verwendet und wird in Kapitel 6.4.2 auf Seite 26 näher beschrieben. Walsh et al. [43] führten einen Vergleich zwischen der Anregung mit sinusförmiger Spannung und gepulster Spannung durch. Der beschriebene Plasmajet (Abbildung 3) besteht aus einem röhrenförmigen Dielektrikum, das von einem Metallring als Elektrode umschlossen ist. Die geerdete Gegenelektrode ist eine Metallplatte, die in einem Abstand von 3-5 cm vom Ende des Dielektrikums platziert wird. Der Jet wird mit einem Heliumstrom von 5 l/min betrieben. Bei der sinusförmigen Anregung betrug die Spannung ca. 7 kVss bei einer Frequenz von 7 kHz. Bei der gepulsten Anregung wurden Pulse mit einer Breite von 71 µs und einer Spannung von 4 kV benutzt. Die gepulste Anregung war wesentlich effizienter, da bei gleicher Leistung deutlich mehr atomarer Sauerstoff produziert wurde. Sauerstoffatome spielen bei Oxidationsprozessen eine wesentliche Rolle.

Abbildung 3: Schema des Plasmajets von Walsh et al. [43]

Plasmajets auf Grundlage einer DBE mit sinusförmigen Spannungsquellen wurden 2006 von Teschke et al. [38], Cheng et al. [6], Chen et al [5]. und Kim et al. [21] vorgestellt. Der von Cheng et al. entwickelte Plasmajet (Abbildung 4) besteht aus zwei konzentrischen Metall-rohren. Das äußere Rohr ist mit der Hochspannung verbunden und mit einer dielektrischen Schicht bedeckt. Es wurde eine Spannung von 30-80 kVss bei einer Frequenz von 6-20 kHz angelegt. Argon wird mit 8-30 l/min durch die innere Elektrode geblasen. Das Plasma hat an der Düse eine Temperatur von 25-30 °C.

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Abbildung Alle hier vorgestellten Plasmajets besitzen einen konzentrischen Aufbau und werden mit Edelgasen betrieben. Zusätzlich existieren auch Jets mit Stickstoff oder Mischungen dieser Gase mit einem zusätzlichen Reaktivgas. Ein Plasmajet, der wie Vorhabens entwickelte Jet eine planare Elektrodenkonfiguration besitzt und ausschließlich mit Umgebungsluft ein stabiles Plasma ausbilden kann, beschrieben.

5.3 Beton

Beton ist mengen- und wertmäßig der wzu anderen Werkstoffen wirtschaftlich, bei sachgerechter Verarbeitung dauerhaft und bietet vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten Zement und Zuschlag. Durch Zugabe von Wasser verbinden sich Zement und Zuschlag und bilden ein festes Gestein, den Beton. Der Zement dient dabei als Bindemittel, welcherKörner des Zuschlags einbindet und somit ein festes Gefüge bildet Zement Zemente gehören zur Klasse der hydraulischen Bindemittel, welche durch Kontakt mit Wasser reagieren und aushärten. Es gibt eine Vielzahl von Zementarten, die sich durch ihre prozentuale Zusammensetzung der Hauptkomponenten, nämlich Kalk, Kieselsäure, Tonerde und Eisenoxid, sowie der beigefügten Nebenbestandteile unterscheiden. Durch verschieBrennverfahren bilden diese Komponenten den so genannten Klinker, welche aus den Klinkerphasen (siehe Tabelle Tetrakalziumaluminat bestehen setzung der einzelnen Zemente, variieren die Mengenanteile der Klinkerphasen. Die Hauptträger sind jedoch TrikalziumMengenanteil von 60 bis 80 % haben, und für die Festigkeit verantwortlich sind Tabelle 2: Klinkerphasen des Zements

Klinkerphase Trikalziumsilikat Dikalziumsilikat TrikalziumaluminatKalziumaluminatferrat

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Abbildung 4: Schema des Plasmajets von Cheng et al. [6]

Alle hier vorgestellten Plasmajets besitzen einen konzentrischen Aufbau und werden mit Edelgasen betrieben. Zusätzlich existieren auch Jets mit Stickstoff oder Mischungen dieser Gase mit einem zusätzlichen Reaktivgas. Ein Plasmajet, der wie der im Rahmen des Vorhabens entwickelte Jet eine planare Elektrodenkonfiguration besitzt und ausschließlich

luft ein stabiles Plasma ausbilden kann, wurde bisher in der Literatur nicht

und wertmäßig der wichtigste Baustoff im Baugewerbe. Er ist im Vergleich zu anderen Werkstoffen wirtschaftlich, bei sachgerechter Verarbeitung dauerhaft und bietet vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten [16]. Beton ist ein heterogenes System bestehend aus Zement und Zuschlag. Durch Zugabe von Wasser verbinden sich Zement und Zuschlag und bilden ein festes Gestein, den Beton. Der Zement dient dabei als Bindemittel, welcherKörner des Zuschlags einbindet und somit ein festes Gefüge bildet [1].

Zemente gehören zur Klasse der hydraulischen Bindemittel, welche durch Kontakt mit Wasser reagieren und aushärten. Es gibt eine Vielzahl von Zementarten, die sich durch ihre

ale Zusammensetzung der Hauptkomponenten, nämlich Kalk, Kieselsäure, Tonerde und Eisenoxid, sowie der beigefügten Nebenbestandteile unterscheiden. Durch verschieBrennverfahren bilden diese Komponenten den so genannten Klinker, welche aus den

Tabelle 2) Trikalziumsilikat, Dikalziumsilikat, Trikalziumaluminat und Tetrakalziumaluminat bestehen [7]. Aufgrund der unterschiedlichen Rohmehlsetzung der einzelnen Zemente, variieren die Mengenanteile der Klinkerphasen. Die Hauptträger sind jedoch Trikalziumsilikat und Dikalziumsilikat, die in jedem Klinker einen Mengenanteil von 60 bis 80 % haben, und für die Festigkeit verantwortlich sind

Klinkerphasen des Zements

Kurzbezeichnung Chemische FormelC3S 3 CaO · SiOC2S 2 CaO · SiO

Trikalziumaluminat C3A 3 CaO · Al2OKalziumaluminatferrat C4AF 4 CaO · Al2O3 · Fe

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Alle hier vorgestellten Plasmajets besitzen einen konzentrischen Aufbau und werden mit Edelgasen betrieben. Zusätzlich existieren auch Jets mit Stickstoff oder Mischungen dieser

der im Rahmen des Vorhabens entwickelte Jet eine planare Elektrodenkonfiguration besitzt und ausschließlich

bisher in der Literatur nicht

ichtigste Baustoff im Baugewerbe. Er ist im Vergleich zu anderen Werkstoffen wirtschaftlich, bei sachgerechter Verarbeitung dauerhaft und bietet

. Beton ist ein heterogenes System bestehend aus Zement und Zuschlag. Durch Zugabe von Wasser verbinden sich Zement und Zuschlag und bilden ein festes Gestein, den Beton. Der Zement dient dabei als Bindemittel, welcher die

Zemente gehören zur Klasse der hydraulischen Bindemittel, welche durch Kontakt mit Wasser reagieren und aushärten. Es gibt eine Vielzahl von Zementarten, die sich durch ihre

ale Zusammensetzung der Hauptkomponenten, nämlich Kalk, Kieselsäure, Tonerde und Eisenoxid, sowie der beigefügten Nebenbestandteile unterscheiden. Durch verschiedene Brennverfahren bilden diese Komponenten den so genannten Klinker, welche aus den

) Trikalziumsilikat, Dikalziumsilikat, Trikalziumaluminat und . Aufgrund der unterschiedlichen Rohmehlzusammen-

setzung der einzelnen Zemente, variieren die Mengenanteile der Klinkerphasen. Die die in jedem Klinker einen

Mengenanteil von 60 bis 80 % haben, und für die Festigkeit verantwortlich sind [35].

Chemische Formel 3 CaO · SiO2 2 CaO · SiO2 3 CaO · Al2O3

· Fe2O3

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Zuschlag Zuschlag besteht aus mineralischen Körnern mit dichtem Gefüge wie Sand oder Kies. Diese mineralischen Körner besitzen eine große Härte und Dichte. Durch Zugabe wird die Festigkeit des Gesteins erhöht, da diese Körner sehr stabile Verbindungen mit den Klinkerphasen des Zements eingehen. Außerdem vermindert der Zuschlag auch das Schwinden und Kriechen des Betons [23]. Zementhydratation Durch die Zugabe von Wasser hydratisieren die Klinkerphasen und bilden Kalziumsilikat-hydrat (CSH), Kalziumhydroxid sowie in geringeren Mengen Kalziumaluminathydrate und -ferrithydrate [52]:

2 (3 CaO·SiO2) + 6 H2O → 3 CaO· 2SiO2 · 3H2O + 3 Ca(OH)2

2 (2CaO·SiO2) + 4 H2O → 3CaO·2SiO2·3H2O + Ca(OH)2

3CaO.Al2O3 + 12 H2O + Ca(OH)2 → 4CaO·Al2O3·13H2O

4CaO·Al2O3·Fe2O3 + 13 H2O → 4CaO·Al2O3·Fe2O3·13H2O Hierbei härtet der Zement aus. Die Anwesenheit von Gips führt zusätzlich zur Bildung von Ettringit und Monosulfat. Aus dem Kalziumhydroxid bildet sich an der Zementoberfläche allmählich Kalziumkarbonat:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Durch die Karbonatisierung wird die Anzahl der auf der Oberfläche zur Verfügung stehenden OH-Gruppen vermindert. Eine ausreichende Zahl an OH-Gruppen ist aber – wie im nächsten Kapitel gezeigt wird – für die Adhäsion zum Dichtstoff wesentlich.

5.4 Silikon-Dichtstoffe

Aufgrund des weit verbreiteten Einsatzes von einkomponentigen Silikon-Dichtstoffen im Baugewerbe wurden diese auch im Rahmen des Projekts verwendet. Da die Adhäsion des Dichtstoffs zu seinen potentiellen Reaktionspartnern wesentlich von seiner chemischer Zusammensetzung abhängt, soll diese näher erläutert werden um das Verständnis der Bindungsmechanismen vorzubereiten. Einkomponentige Silikon-Dichtstoffe bestehen aus Grundpolymeren, den Vernetzern und zahlreichen Hilfsstoffen [48]: Polymer Als Polymere werden im Allgemeinen lineare Diorganopolysiloxane mit Silanolendgruppen eingesetzt. Die Strukturformel ist in Abbildung 5 wiedergegeben:

OH Si

R

O

R

Si O Si

R

R R

OH

R

n

Abbildung 5: Diorganopolysiloxan

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Der Rest R besteht aus anorganischen oder organischen Seitengruppen. In der Praxis werden häufig Methylgruppen eingesetzt. Unter normalen Bedingungen findet die Reaktion des Polymers mit der Umgebung an den beiden endständigen OH-Gruppen statt. Vernetzer Zur Ausbildung eines räumlichen Elastomersystems muss zusätzlich ein Reaktionspartner – ein sogenannter Vernetzer - zu dem Grundpolymer zugegeben werden. Für einkomponentige Silikon-Dichtstoffe eignen sich zum Beispiel polyfunktionelle silizium-organische Verbindungen, die bei Raumtemperatur mit den OH-Gruppen der Polymere oder mit Wasser reagieren und entsprechende Kondensationsprodukte X-H abspalten. Am häufigsten werden monomere Vernetzer mit der Formel

Si − X4 bzw. R − Si − X3 eingesetzt.

1. Der Vernetzer reagiert mit den Silanolendgruppen des Polymers unter Bildung eines tetrafunktionellen Silikonpolymers. Dieses Zwischenprodukt ist unter Feuchtigkeitsausschluss lagerstabil. Durch Kontakt mit Feuchtigkeit wird der Vernetzer aktiviert, indem die Endgruppen X durch Hydrolyse abgespalten werden. Die entstandenen endständigen Silanolgruppen führen dann durch Kondensationsreaktionen untereinander zu einer Vernetzung des Polymers:

R3−Si−OH + HO−Si−R3 → R3−Si−O−Si−R3 + H2O

Zusätzlich können die Silanolgruppen auch mit OH-Gruppen auf der Substratoberfläche reagieren oder mit diesen Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Nach der chemischen Struktur des Abspaltproduktes kann man die Vernetzungssysteme in saure, alkalische und neutrale Systeme einteilen.

• Saure Systeme (Essigsaurer Typ bzw. als E-Typ bezeichnet) Der Rest X im Vernetzer wird durch eine Acetoxygruppe dargestellt, als Abspalt-produkt wird Essigsäure gebildet. Essigsauer vernetzende Systeme besitzen eine hohe Stabilität gegenüber Hitze, UV-Strahlung und Bewitterung und haften gut auf Glas und glasierten Flächen, wie z.B. Emaille oder Fliesen. Für alkalisch reagierende Untergründe, wie z.B. Beton, Putz oder Mauerwerk sind sie nicht geeignet, da das saure Spaltprodukt die Bewehrung im Beton angreift und schädigt. Wegen der Aggressivität der Essigsäure können nur Metalle mit säurefester Oberfläche, sowie Kunststoffe verfugt werden. Die Haftung ist auf diesen Materialien jedoch meist so schlecht, dass zusätzlich ein Primer zur Haftungsverbesserung notwendig ist [14].

• Basische Systeme (Amin Typ bzw. als A-Typ bezeichnet) Der Rest X besteht aus einer Aminogruppe. Basisch vernetzende Systeme eignen sich für die Verfugung von Kunststoffen, sowie alkalisch reagierenden Systemen (wie z.B. allen zementgebundenen Haftflächen) [48].

• Neutrale Systeme (Neutraler Typ bzw. als N-Typ bezeichnet)

Hier fungieren meistens Alkoxygruppen als Reste X, wobei es sich meist um Methoxy-, Ethoxy- bzw. Methylglykoxy-Gruppen handelt. Die neutral vernetzenden Systeme besitzen ein gutes bis sehr gutes Haftungsverhalten auf vielen nicht saugenden Untergründen, so dass sie nur in bestimmten Fällen einen zusätzlichen Primer benötigen. Im Vergleich zu den anderen Systemen härten sie langsamer aus. Sie sind

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weicher und elastischer, aber auch empfindlicher gegenüber drückenden und reibenden oder scheuernden mechanischen Belastungen in der Fuge [14].

Die außerdem in Dichtstoffen enthaltenen weiteren Hilfsstoffe wie Füllstoffe, Weichmacher, Katalysatoren und Additive, spielen aufgrund ihrer geringen Konzentration für die Haftung keine Rolle.

5.5 Haftungsmechanismus von Bau- und Dichtstoffen

Beschreibbar ist die Haftfestigkeit prinzipiell über Kohäsions- und Adhäsionskräfte. Bei diesen Kräften handelt es sich um die Summe verschiedener Bindungskräfte und Wechsel-wirkungen, die zwischen den jeweiligen Atomen bzw. Molekülen des Bau- und Dichtstoffs wirksam sind. Kohäsionskräfte wirken zwischen Atomen bzw. Molekülen desselben Stoffes, also im Inneren eines Stoffes. Soll z.B. ein Werkstoff geteilt werden, müssen dafür die Kohäsionskräfte des Werkstoffes überwunden werden. Die Adhäsionskräfte wirken zwischen Atomen bzw. Molekülen verschiedener Stoffe, also in den Grenzschichtphasen. Sie ermöglichen dass sich verschiedene Stoffe, wie z.B. Bau- und Dichtstoffe, miteinander verbinden lassen. [12] Die wirkenden Kräfte zwischen zwei Systemen (siehe Abbildung 6) können dabei folgendermaßen unterteilt werden:

• Mechanische Bindungen • Chemische Bindungen • Physikalische Bindungen

Abbildung 6: Unterschiedliche Bindungsarten bei der Haftung zwischen Bau- und Dichtstoff

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Bei der mechanischen Bindung spielt die Oberflächenbeschaffenheit der Baustoffe eine wichtige Rolle. Fugendichtstoffe wie Silikon können sich an rauen, porösen Oberflächen gut verankern. Dieser Mechanismus wird als mechanische Adhäsion bezeichnet. Haftung tritt auch bei glatten Flächen auf, nimmt in der Regel aber unter sonst gleichen Bedingungen mit zunehmender Oberflächenrauheit zu [19]. Eine durch hohe Rauheit vergrößerte Oberfläche stellt zusätzliche Haftstellen zur Verfügung. Kontamination der Flächen durch lose aufliegende Partikel verschlechtert dagegen die Haftung [2]. Bei der chemischen und physikalischen Bindung hat die chemische und physikalische Oberflächenbeschaffenheit einen wesentlichen Anteil. Die physikalischen Anziehungskräfte basieren auf intermolekularen Wechselwirkungskräften. Hierzu gehören disperse Wechsel-wirkungen wie van-der-Waals Kräfte und polare Wechselwirkungen wie Dipol-Dipolwechsel-wirkungen oder Wasserstoffbrückenbindungen. Zur Ausbildung polarer Wechselwirkungen ist eine ausreichende Anzahl funktioneller Gruppen (Hydroxyl-, Carboxyl-, Carbonyl- oder Aminogruppen) Vorraussetzung [17]. Zusätzlich können sich chemische Bindungen zwischen dem Dichtstoff und dem Substrat bilden. Möglich sind hier Reaktionen zwischen den Silanolgruppen des Dichtstoffs und den Hydroxylgruppen bzw. Hydroxydionen des Substrats (z.B. vom Quarz oder Ca(OH)2, siehe Kapitel 5.3 auf Seite 11) oder auch den reaktiven Substanzen des Primers (z.B. Isocyanat-Gruppen). Eine genauere Bestimmung der Haftung ist bis heute im Wesentlichen nur experimentell mit mechanischen Festigkeitsuntersuchungen möglich. Die so ermittelte Haftungsfestigkeit stellt einen summarischen Ausdruck im Sinne einer Verbundfestigkeit dar. Diese schließt nicht nur die Adhäsion ein, sondern erfasst auch die Wirkung von Einflüssen, die über die erwähnten zwischenmolekularen Wechselwirkungen hinausgehen. Dies sind z.B. zusätzliche Einfluss-größen aus dem Versuch, wie der Geometrie der Prüfkörper, Umgebungs- bzw. Medien-einflüsse und die Art der Durchführung der Versuche. Im Zusammenhang mit der Erläuterung der Verbundfestigkeit muss auch die Art des Bruchs charakterisiert werden. Eine Fuge kann

• in den Grenzschichtphasen (Adhäsionsbruch) • im Dichtstoff (Kohäsionsbruch) • in Form eines Mischbruchs

versagen.

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5.6 Vorbehandlung von Baufugen

5.6.1 Allgemeine Anforderungen an Baufugen

Zur funktionsfähigen Abdichtung von Fugen mit einem Dichtstoff müssen zunächst grund-legende, konstruktive und verarbeitungstechnische Voraussetzungen beachtet werden, die im Zusammenhang mit den Materialeigenschaften des einzusetzenden Dichtstoffes stehen. Insbesondere Dehnfugen müssen bei großen, aneinander grenzenden Bauteilen ent-sprechend den späteren Anforderungen sorgfältig berechnet und ausgelegt werden, um den elastisch aushärtenden Dichtstoff in seiner Dauerdehnfähigkeit nicht zu überlasten [32]. Grundlage sind die Vorgaben aus der DIN 18540 [9]. Ausschlaggebend ist aber, dass der jeweilige Dichtstoff an den Haftflächen der Fuge eine ausreichende Haftung besitzt, um die auftretenden Dehn-, Stauch- und Scherbewegungen aufnehmen zu können. Eine hohe Adhäsion zwischen Substrat und Dichtstoff ist von entscheidender Bedeutung. Vor Einsatz eines Dichtstoffes ist daher eine ausreichende Oberflächenbehandlung notwendig. Dazu gehört, dass die Haftflächen staubfrei, fettfrei und ausreichend trocken sind. Außerdem müssen bei stark saugfähigen oder porösen Untergründen (wie z.B. Beton) die Haftungseigenschaften erhöht werden, da es ansonsten zur Abschälung des Dichtstoffes vom Substrat kommt [14]. Dies geschieht durch die Verwendung eines Voranstriches, einem so genannten Primer. Darüber hinaus wird auch auf die Alterungsbeständigkeit des Dichtstoffes unter üblichen klimatischen Bedingungen und Umwelteinflüssen Wert gelegt. Der Dichtstoff muss über Jahre hinaus funktionsfähig bleiben [36].

5.6.2 Primerung

Haftvermittler oder Primer werden verwendet, um nicht tragfähige Untergründe zu ver-festigen oder sie dienen als Mittler zwischen einem wenig haftungsfreundlichen Untergrund und dem Dichtstoff selbst. Dabei handelt es sich um chemisch reaktive Substanzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sind. Dies sind meist luftfeuchtigkeitsreaktive Bestandteile wie Isocyanate oder Silane. Sie zeigen nach der Auftragung nur innerhalb eines Aktivierungsfensters ihre optimale Wirkung. Wird der Dichtstoff zu früh appliziert, ist die chemische Reaktion mit dem Untergrund noch nicht abgeschlossen oder das Lösungsmittel noch nicht verdunstet. Bei zu spätem Auftrag sind die Haftvermittlermoleküle bereits vollständig abreagiert und weisen keine Aktivität mehr mit dem Dichtstoff auf. Die Ablüftzeit hängt dabei zusätzlich von den klimatischen Bedingungen ab. Bei trockenem, kühlem Wetter muss mit dem Dichtstoffauftrag länger gewartet werden als bei feuchtheißem Klima [31]. An diesen prinzipbedingten problematischen Anwendungseinschränkungen liegt die unter baupraktischen Bedingungen besondere Fehlerträchtigkeit dieser Systeme. Abbildung 7 zeigt die Wirkungsweise eines chemisch reaktiven Haftvermittlers. Das Haftvermittlermolekül besitzt zwei reaktive Stellen, deren eine mit dem Substrat und die andere mit dem Dichtstoff eine Bindung eingeht.

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Abbildung Bei der Anwendung des Primers müssen eingehalten werden, da es sich bei Primern um sehr reaktive, unbedenkliche Chemikalien handelt. Auvon wenigen Monaten.

5.6.3 Plasmabehandlung

In der Industrie werden KunststoffPlasmas gereinigt oder aktiviert. Besonders weit verbreitet ist die Oberflächenmodidurch Plasma im Bereich der Kunststofftechnik, da dieses Verfahren gegenüber den herkömmlichen Verfahren wie dem Beizen, Beflammen oder der Verwendung eines Haftvermittlers Vorteile besitzt. Das Verfahren ist sehr wirksam und schnell, läuft als Einstufenprozess ab und schädigt die Kunstthermisch noch mechanisch Einwirkung des Plasmas zum einen zumkommen. Zum anderen ist damit eVeränderung der physikalischen Erzeugung von funktionellen Gruppen und Radikalen wird die Oberfläche zu chemischen Reaktionen befähigt. Die Aktivierung einer OberOberflächenenergie, wodurch die Haftungseigenschaften verbessert werden Von der Plasmabehandlung mineralischer Dichtstoffen wird in der Literatur bisher nicht berichtet.

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Abbildung 7: Wirkung eines Haftvermittlers, aus Ref. [31]

Bei der Anwendung des Primers müssen zudem ausreichende Schutzmaßnahmen eingehalten werden, da es sich bei Primern um sehr reaktive, in der Regel unbedenkliche Chemikalien handelt. Außerdem haben Primer nur eine begrenzte Lagerzeit

Plasmabehandlung

In der Industrie werden Kunststoff- oder Metalloberflächen durch die Verwendung eines Plasmas gereinigt oder aktiviert. Besonders weit verbreitet ist die Oberflächenmodidurch Plasma im Bereich der Kunststofftechnik, da dieses Verfahren gegenüber den herkömmlichen Verfahren wie dem Beizen, Beflammen oder der Verwendung eines Haftvermittlers Vorteile besitzt. Das Verfahren ist sehr wirksam und schnell, läuft als

nstufenprozess ab und schädigt die Kunststoffe bei sachgerechter Anwendung weder thermisch noch mechanisch [15]. Bei der Reinigung einer Oberfläche

m einen zum Entfernen von Fremdstoffen auf der Oberfläche Zum anderen ist damit eine spezielle Oberflächenaktivierung mit einer

Veränderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften verbunden Erzeugung von funktionellen Gruppen und Radikalen wird die Oberfläche zu chemischen Reaktionen befähigt. Die Aktivierung einer Oberfläche bedeutet eine Erhöhung der Oberflächenenergie, wodurch die Haftungseigenschaften verbessert werden

Von der Plasmabehandlung mineralischer Baustoffe zur Haftungsverbesserung von Dichtstoffen wird in der Literatur bisher nicht berichtet.

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ausreichende Schutzmaßnahmen in der Regel nicht

ßerdem haben Primer nur eine begrenzte Lagerzeit

oder Metalloberflächen durch die Verwendung eines Plasmas gereinigt oder aktiviert. Besonders weit verbreitet ist die Oberflächenmodifikation durch Plasma im Bereich der Kunststofftechnik, da dieses Verfahren gegenüber den herkömmlichen Verfahren wie dem Beizen, Beflammen oder der Verwendung eines Haftvermittlers Vorteile besitzt. Das Verfahren ist sehr wirksam und schnell, läuft als

stoffe bei sachgerechter Anwendung weder kann es durch die

Entfernen von Fremdstoffen auf der Oberfläche ktivierung mit einer

verbunden [42]. Durch die Erzeugung von funktionellen Gruppen und Radikalen wird die Oberfläche zu chemischen

bedeutet eine Erhöhung der Oberflächenenergie, wodurch die Haftungseigenschaften verbessert werden [10].

Baustoffe zur Haftungsverbesserung von

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6 Durchführung

6.1 Übersicht

Zentrales Anliegen dieses Projektes war die Entwicklung und der Aufbau eines Plasmahandgerätes zur Vorbehandlung von Baufugen, um – ähnlich wie bei einer Primerung – eine verbesserte Haftung der Betonoberfläche zum applizierten Dichtstoff realisieren zu können. Die Verifikation des Behandlungserfolgs sollte über unterschiedliche, baupraktische Tests erfolgen. Zur Übertragung der Vorgehensweise in unterschiedliche, baupraktische Anwendungsgebiete wurden sowohl die Applikationen als auch die Substrate gezielt variiert. In der Praxis treten Betonoberflächen mit den unterschiedlichsten mechanischen Vorbehandlungen - z.B. schalungsglatt, sandgestrahlt, usw. - auf, so dass dies bei der Auswahl der Substrate zu berücksichtigen war. Zum Einsatz kamen daher DIN ISO-Prüfkörper mit den entsprechenden, definierten Oberflächen. Da im Bauwesen neben Beton auch oft angrenzende Kunststoffbauteile verfugt werden müssen, wurden zusätzlich verschiedene Kunststoffe mit in das Untersuchungsspektrum aufgenommen. Vor dem Aufbringen des Dichtstoffs wurde die Substratoberfläche entweder plasmabe-handelt, geprimert oder aber nicht vorbehandelt. Die Adhäsion des Dichtstoffs auf dem Substrat wurde anschließend über Zugprüfungen gemessen. Durch Vergleich der so ermittelten Zugspannungen lässt sich eine Aussage über den Erfolg der jeweiligen Vorbehandlung treffen. Ein weiteres Verfahren ist der sog. Raupentest. Bei diesem Test werden Dichtstoffraupen vom Prüfkörper per Hand abgezogen. Anhand der verbleibenden Dichtstoffreste auf dem Prüfkörper sowie der aufgewendeten Kraft beim Abziehen des Dichtstoffes vom Probekörper erfolgt eine subjektive Bewertung der Haftung. Der Raupentest liefert dementsprechend nur qualitative Ergebnisse, wird aber aufgrund seiner Einfachheit in der Baupraxis oft angewandt. Die unterschiedlichen mechanischen Tests erfordern jeweils entsprechende Probengeometrien, so dass verschiedene Probekörper vorgehalten werden mussten. Der meisten mechanischen Versuche wurde im Labor der HAWK durchgeführt. Ein Teil der Versuche wurde zusätzlich im Anwendungslabor der PCI durchgeführt. Hierdurch sollte eine Anwendung des Jets unter praxisrelevanten Bedingungen erprobt werden. Zur Aufklärung der Wechselwirkungsmechanismen des Plasmas mit der Substratoberfläche wurden außerdem verschiedene analytischen Methoden eingesetzt. Diese werden am Ende des Kapitels erläutert.

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6.2 Verwendete Substrate und Materialien

6.2.1 Baustoffe

Die im Rahmen des Vorhabens verwendeten unterschiedlichen Substrate werden im Folgenden vorgestellt. Die Auswahl der Substratoberflächen spiegelt dabei die in der Praxis typischen unterschiedlichen Oberflächentexturen wieder. Substrate für die Labor-Zugprüfungen und analytischen Untersuchungen

• Beton nass geschnitten Die Proben mit der Prüfoberfläche Beton nass geschnitten (siehe Abbildung 8, links) sind nach der Norm ISO 13640 Methode 1 hergestellt. Im Baubereich kommt es öfter vor, dass vorgefertigte Betonsegmente aufgrund von Längenänderungen nachbear-beitet werden müssen. Dazu werden die Betonteile durch einen Nassschnitt verkürzt. Die Substrate Beton nass geschnitten sollen diesen Praxisfall simulieren. Die Substrate besitzen die Abmaße 75x25x12 mm. Durch das Herstellungsverfahren besitzen sie eine sehr glatte Oberfläche, in der Oberflächenschicht befinden sich keine vollständigen Körner mehr.

• Beton gebürstet

Das Substrate mit der Prüfoberfläche Beton gebürstet (siehe Abbildung 8, rechts) sind nach Norm ISO 13640 Methode 2 gefertigt. Sie besitzen die gleichen Abmaße wie die Substrate mit der Prüfoberfläche nass geschnitten. Die Oberfläche des Substrats Beton gebürstet ist rau.

Abbildung 8: Beton-Substrate mit Prüffläche nass geschnitten (links) und gebürstet (rechts)

Substrate für die Raupentests, Baustellen-Zugprüfungen und analytischen Untersuchungen

• Beton sandgestrahlt Im Baugewerbe werden ganze Segmente gegossen und anschließend zusammen-gesetzt. Um Haftungsproblemen von Dichtstoffen auf den Oberflächen der Beton-segmente zu vermeiden, werden die Oberflächen sandgestrahlt. Bei diesem Verfahren wird die Oberfläche von der so genannten Schlempe bzw. Zementhaut befreit und der Zuschlag freigelegt. Das Substrat Beton sandgestrahlt (Abbildung 9, links) soll diesen Praxisfall simulieren. Die Probekörper wurden nach ISO 13640 hergestellt. Die Abmaße der Probekörper betragen150x75x15 mm. Die Oberfläche dieser Proben ist rau und entspricht morphologisch der Oberfläche gebürstet.

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• Beton schalungsglatt / Beton mit Zementhaut Die Substrate mit der Prüfoberfläche Beton schalungsglatt besitzen ebenfalls die Abmaße 150x75x15 mm und sind nach DIN 18540 hergestellt worden. Die Proben sollen Beton simulieren, der in eine Verschalung gegossen wurde. Problematisch können hier vor allem Reste von anhaftendem Schalöl sein. Die Oberfläche dieser Proben ist glatt. Die Oberfläche der Rückseiten der Probekörper ist noch von der Zementhaut bedeckt (Abbildung 9, rechts). Da die Zementhaut oft nur lose aufliegt, wird diese vor einer Weiterverarbeitung in den meisten Fällen mechanisch entfernt. Diese Seite wurde ebenfalls untersucht.

Abbildung 9: Beton-Substrate mit Prüffläche sandgestrahlt (links) und mit Zementhaut (rechts)

Der Einsatz von Polymerwerkstoffen im Baugewerbe ist heutzutage weit verbreitet, so dass die Kunststoffe Polystyrol, Polypropylen und Sanitäracryl mit in das Untersuchungsportfolio aufgenommen wurden.

• Kunststoffe Es wurden zwei verschiedene Prüfgeometrien gewählt, damit die Kunststoffe sowohl mit der Zugprüfung als auch mit dem Raupentest und der Kontaktwinkelmethode untersucht werden konnte. Die Probekörper für die Zugprüfung sind mit Aluminium bzw. Mörtelprismen auf der Rückseite verstärkt, um eine Durchbiegung während der Prüfung zu verhindern (siehe Abbildung 10, rechts). Die Abmessungen entsprechen denen der Betonsubstrate.

Abbildung 10: Polystyrol-Substrate für Raupentests und Kontaktwinkelmessungen (links) und

Zugprüfungen (rechts)

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Zur Sicherstellung weitestgehend identischer Probensubstrate wurden alle Probekörper in einem Bestellvorgang aus einem Herstellprozess geordert, so dass während aller Untersuchungen nur eine Charge zum Einsatz kam. Der Hersteller der Betonsubstrate ist die Rocholl GmbH.

6.2.2 Dichtstoffe

Zur Abbildung baupraktischer Bedingungen wurden zwei charakteristische Dichtstoffsysteme aus den am häufigsten eingesetzten Stoffklassen ausgewählt. Die verwendeten Dichtstoffe sind 1-komponentige Silikondichtstoffe der Firma PCI:

• PCI Silcoferm S (Dichtstoff A) neutral vernetzend (Alkoxysystem)

• PCI Silcofug E (Dichtstoff B) sauer vernetzend (Acetoxysystem)

PCI Silcoferm S ist ein neutral vernetzender Dichtstoff, d.h. bei Aushärtung wird Alkohol frei. Daher wird dieser Dichtstoff A für Beton- und Kunststofffugen eingesetzt, da das Abspaltprodukt keines dieser Baumaterialien schädigt. Durch seine hohe Elastizität wird dieser Dichtstoff in der Praxis häufig für Dehnfugen eingesetzt. PCI Silcofug E ist ein wesentlich steiferer Dichtstoff als Silcoferm S. Da bei der Aushärtung Essigsäure entsteht und dieser mineralische Oberflächen angreift, wird dieser Dichtstoff nur bei den Kunststoffproben verwendet.

6.2.3 Primer

Zur Vorbehandlung der Betonoberflächen wurde überwiegend ein Primer auf Polyurethan-Basis eingesetzt:

• PCI Elastoprimer 135 wirksame Komponente: Isocyanatprepolymere geeignet für PCI Silcoferm S und PCI Silcofug E auf Beton [53] Ablüftzeit: 1-2 h

Dieser Primer ist nur für Betonoberflächen geeignet. Bei Anwendung dringt dieser in die Oberflächenschichten ein und bildet dort einen Film. Hierdurch werden lose anhaftende Partikel gebunden. Die OH-Gruppen des Dichtstoffs und des Substrates können mit den Isocyanatgruppen reagieren und so eine chemische Bindung mit dem Primerfilm eingehen (Urethanbildung). Da der Elastoprimer 135 während der Projektlaufzeit vom Markt genommen worden ist, musste dieser gegen Ende für einige Untersuchungen durch folgenden Primer, ebenfalls auf Polyurethan-Basis, ersetzt werden:

• PCI Elastoprimer 110 wirksame Komponente: m-Tolylidendiisocyanat geeignet für PCI Silcoferm S auf Holz [53] geeignet für PCI Silcoferm S auf Beton [54] Ablüftzeit: 1-2 h

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Hierbei ist zu beachten, dass der Elastoprimer 110 zwar in neueren Datenblättern [54] für die Kombination Beton/Silcoferm S als geeignet ausgewiesen wird, nicht aber in älteren Datenblättern [53]! Zur Vorbehandlung der Kunststoff-Oberflächen waren die oben genannten Primer ungeeignet, daher wurde hierfür eine Haft-Grundierung eingesetzt:

• PCI Elastoprimer 150 wirksame Komponente: Silankomponenten geeignet für PCI Silcofug E auf Metall, Keramik, Klinker [53], [54] geeignet für PCI Silcoferm S auf Polystyrol [53], [54] Ablüftzeit: 10-20 min

PCI Elastoprimer 150 ist nur für einige Kunststoffoberflächen (darunter Polystyrol) geeignet. Die Applikation des Primers führt zu einem Aufbrechen von Verbindungen im Kunststoff, welche sich mit den OH-Gruppen im Primer verbinden. An die entstehenden Silanbrücken lagern sich die Dichtstoffmoleküle an. Durch Einsatz dieses Primers wird die Anzahl der Kontaktstellen für Silikon-Dichtstoffe erhöht.

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6.3 Herstellung der Probe

Zur Durchführung der mechanischen Prüfungen wurden zunächst jeweiligen Substrate und Dichtstoffe Prüfkörper gefertigt.der Aufbringung des Dichtstoffs auf entweder eine Plasmabehandlung mit einer der in Kapitel eine Primerung oder aber gar keine Vorbehandlung.

6.3.1 Verbundproben für die Labor

Für die Zugprüfungen nach DIN EN ISO 8339 Dichtstoff verbunden (siehe Abbildung 11a). Danach erfolgte bei den jeweiligen Substraten eine PlasmaPrimerbehandlung der Kontaktflächen Anschließend wurden die behandelten Flächsich ein definierter Spalt mit einer Breite von 12 mm soll. In diesen Spalt wurde dann der Dichtstoff einHerstellung dieser Verbundprobendefiniertem Abstandshaltern fixiert. Wegen ihrer besonderen Form konnten diese Proben nicht mit den üblichen Spannzeugen der Zugprüfmaschine gespannt und geprüft werden.spezielle Spannzeuge entwickelt, welche eine vorkraftfreie und ortdieser Versuchskörper zugelassen haben (Abb. 1

a)

Abbildung 11: Verbundp

6.3.2 Haftzugproben zum Vergleich

Um eine Übertragung der im Labor ermittelten Resultate in die Praxis zu gewährleisten, ist die Durchführung mechanischer Tests unter realen BedingungIdealfall unmittelbar auf der Baustelle durchgeführt werden. Nur so lässt sich die Auswirkung typischer Baustellenbedingungen wie Schmutz oder Nässe auf die Mess Da für die Durchführung von Haftzugprüfunbaustellenübliches mobiles Verbundprobekörpern auch Proben mit der praxisrelevanten HaftzugprüfungenRundstempel mit dem Dichtstoff auf die zu prüfende Oberfläche geklebt (Haftzugversuche können dann sowohl mit

Substrat

Dichtstoff

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Herstellung der Probe körper

Zur Durchführung der mechanischen Prüfungen wurden zunächst unter Verwendung derjeweiligen Substrate und Dichtstoffe Prüfkörper gefertigt. Dazu wurden die der Aufbringung des Dichtstoffs auf unterschiedliche Art und Weise vorbehandeentweder eine Plasmabehandlung mit einer der in Kapitel 0 beschriebenen Plasmaquellen, eine Primerung oder aber gar keine Vorbehandlung.

für die Labor -Zugprüfung

nach DIN EN ISO 8339 wurden jeweils zwei Betonsubstrate mit einem

Danach erfolgte bei den jeweiligen Substraten eine Plasmader Kontaktflächen bzw. zu Referenzzwecken gar keine Behandlung.

die behandelten Flächen planparallel gegenüber angeordnet, so dass mit einer Breite von 12 mm ausbildete, welcher die Fuge simulieren

soll. In diesen Spalt wurde dann der Dichtstoff eingebracht. Zur erbundproben wurden diese in einer speziell angefertigten

fixiert.

Form konnten diese Proben nicht mit den üblichen Spannzeugen Zugprüfmaschine gespannt und geprüft werden. Es wurden daher im Proje

spezielle Spannzeuge entwickelt, welche eine vorkraftfreie und orthogonale Beanspruchung dieser Versuchskörper zugelassen haben (Abb. 11b).

b)

Verbundprobe (a) und Probenhalter (b) für die Labor-Zugprüfung

zum Vergleich von Labor- mit Baustellen

Um eine Übertragung der im Labor ermittelten Resultate in die Praxis zu gewährleisten, ist die Durchführung mechanischer Tests unter realen Bedingungen notwendig. Diese sollten im Idealfall unmittelbar auf der Baustelle durchgeführt werden. Nur so lässt sich die Auswirkung typischer Baustellenbedingungen wie Schmutz oder Nässe auf die Messresultate erfassen.

ür die Durchführung von Haftzugprüfungen direkt auf der Haftzuggerät eingesetzt wurde, wurden parallel zu den

auch Proben mit der besonderen Prüfkörpergeometrie praxisrelevanten Haftzugprüfungen angefertigt. Dazu wurden die typischen

mit dem Dichtstoff auf die zu prüfende Oberfläche geklebt (Haftzugversuche können dann sowohl mit dem mobilen Haftzuggerät auf der Baustelle als

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unter Verwendung der Dazu wurden die Prüfflächen vor

vorbehandelt. Es erfolgte beschriebenen Plasmaquellen,

wurden jeweils zwei Betonsubstrate mit einem

Danach erfolgte bei den jeweiligen Substraten eine Plasma- oder bzw. zu Referenzzwecken gar keine Behandlung.

en planparallel gegenüber angeordnet, so dass die Fuge simulieren

Zur reproduzierbaren angefertigten Schablone mit

Form konnten diese Proben nicht mit den üblichen Spannzeugen Es wurden daher im Projektverlauf

ogonale Beanspruchung

Zugprüfung

mit Baustellen -Tests

Um eine Übertragung der im Labor ermittelten Resultate in die Praxis zu gewährleisten, ist en notwendig. Diese sollten im

Idealfall unmittelbar auf der Baustelle durchgeführt werden. Nur so lässt sich die Auswirkung resultate erfassen.

der Baustelle ein wurden parallel zu den Prüfkörpergeometrie von

die typischen Haftzug-mit dem Dichtstoff auf die zu prüfende Oberfläche geklebt (Abbildung 12). Die

gerät auf der Baustelle als

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auch mit der Zugprüfmaschine im Labor durchgeführt werden. Probekörper mit nahezu identischen Oberflächeneigenschaften wie aber mit anderer Geometrie mit Hilfe von Schablonen sichergestellt,

Abbildung 12: Betonprüfkörper mit aufgeklebten Metallstempeln (l

Haftzugprüfung im Labor (rechtes Bild)

6.3.3 Probenherstellung für die Raupentests

Für die Raupentests wurden die Prüfflächen von lose anhaftenden Teilen plasmabehandelt oder geprimert bzw. baustellenüblichen Kartuschenpistole13).

Abbildung

6.3.4 Probenherstellung für die Simulation des

Im Sanierungsfall wird der alte, defekte Dichtstoff aus den Fugen herausgetrennt und die Fuge mit frischem Dichtstoff neu abgedichtet. Oft kann der Untergrund vorher nicht ausreichend gereinigt werden. Die sachgerechte Vorbehandlung der zu durch eine bestimmungsgemäße mechanische Reinigung ist aufwändig und kostenintensiv. Die Haftung des neuen Dichtstoffs auf den mit Dichtstoffresten verunreinigten Flächen stellt daher eine besondere Problematik dar. Derartige Sanierungefunktionsfähig. Aus diesem Grund sollte versucht werden, durch eine Oberflächenaktivierung der Sanierflächen mittels einer Plasmabehandlung einen dauerhaften Sanierungserfolg zu gewährleisten.

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auch mit der Zugprüfmaschine im Labor durchgeführt werden. Als Referenzsubstrate wurden identischen Oberflächeneigenschaften wie bei den Verbundproben

Geometrie eingesetzt. Auch bei der Anfertigung dieser Prüfkörper wurde mit Hilfe von Schablonen sichergestellt, dass sich reproduzierbare Anordnungen ergaben

Betonprüfkörper mit aufgeklebten Metallstempeln (linkes Bild) und Durchführung der

Haftzugprüfung im Labor (rechtes Bild)

Probenherstellung für die Raupentests

Für die Raupentests wurden die Prüfflächen von lose anhaftenden Teilen plasmabehandelt oder geprimert bzw. unbehandelt belassen. Anschließend wurden baustellenüblichen Kartuschenpistole Dichtstoffraupen auf die Proben appliziert (

Abbildung 13: Prüfkörper mit Dichtstoffraupen

Probenherstellung für die Simulation des Sanierungsfalls

Im Sanierungsfall wird der alte, defekte Dichtstoff aus den Fugen herausgetrennt und die Fuge mit frischem Dichtstoff neu abgedichtet. Oft kann der Untergrund vorher nicht ausreichend gereinigt werden. Die sachgerechte Vorbehandlung der zu sanierenden Flächen durch eine bestimmungsgemäße mechanische Reinigung ist aufwändig und kostenintensiv. Die Haftung des neuen Dichtstoffs auf den mit Dichtstoffresten verunreinigten Flächen stellt daher eine besondere Problematik dar. Derartige Sanierungen bleiben häufig nur kurzfristig funktionsfähig. Aus diesem Grund sollte versucht werden, durch eine Oberflächenaktivierung der Sanierflächen mittels einer Plasmabehandlung einen dauerhaften Sanierungserfolg zu

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Als Referenzsubstrate wurden bei den Verbundproben

tzt. Auch bei der Anfertigung dieser Prüfkörper wurde Anordnungen ergaben.

inkes Bild) und Durchführung der

Für die Raupentests wurden die Prüfflächen von lose anhaftenden Teilen befreit und schließend wurden mit einer

appliziert (Abbildung

Sanierungsfalls

Im Sanierungsfall wird der alte, defekte Dichtstoff aus den Fugen herausgetrennt und die Fuge mit frischem Dichtstoff neu abgedichtet. Oft kann der Untergrund vorher nicht

sanierenden Flächen durch eine bestimmungsgemäße mechanische Reinigung ist aufwändig und kostenintensiv. Die Haftung des neuen Dichtstoffs auf den mit Dichtstoffresten verunreinigten Flächen stellt

n bleiben häufig nur kurzfristig funktionsfähig. Aus diesem Grund sollte versucht werden, durch eine Oberflächenaktivierung der Sanierflächen mittels einer Plasmabehandlung einen dauerhaften Sanierungserfolg zu

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Zur Simulation des Sanierfalles wurde der folgende Ablauf realisiert: 1. Schritt 2. Schritt 3. Schritt

Abbildung 14: Herstellung der Proben für die Sanierung

Im 1. Schritt (Abbildung 14, links) wurde aus zwei Substratprobekörpern und dem Dichtstoff (Silcofug E, siehe Kapitel 6.2.2 auf Seite 21) ein Verbundprobekörper hergestellt und nach Verfahren A (siehe Kapitel 6.5) beansprucht. Danach wurde in einem 2. Schritt (Abbildung 14, Mitte) der Dichtstoff entsprechend einer typischen, baupraktischen Vorgehensweise mechanisch wieder entfernt und die nun mit Dichtstoffresten verunreinigte Substrat-oberfläche plasmabehandelt. Anschließend wurde im 3. Schritt (Abbildung 14, rechts) der neue Dichtstoff (Silcoferm S, siehe Kapitel 6.2.2 auf Seite 21) eingebracht. Die Beanspruchung der Probe erfolgte nach Verfahren A. Schließlich erfolgte die Prüfung der Probe. Die Auswahl der Dichtstoffkombination erfolgte in Absprache mit den Projektpartnern nach baupraktischen Erwägungen.

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6.4 Eingesetzte Plasmaquellen

Zur Plasmabehandlung der Substratoberflächen kamen im Laufe des Vorhabens drei verschiedene Plasmaquellen zum Einsatz. Zu Beginn des Vorhabens standen ein stationärer Jet sowie mehrere herkömmliche planare DBE-Plasmaquellen zur Verfügung. Bereits im ersten Projektjahr konnte eine mobile Quelle, das DBE-Handgerät eingesetzt werden, da dies innerhalb eines parallel laufenden Entwicklungsprojekt mit genutzt werden konnte. Auf Basis der Erkenntnisse aus diesem Gerät entstand dann im weiteren Projektverlauf der mobile Plasmajet. Dieser wurde im Rahmen des aktuellen Vorhabens speziell für den Einsatz an porösen Oberflächen wie Baustoffsubstraten neu entwickelt und als Labormuster aufgebaut.

6.4.1 DBE-Handgerät

Das DBE-Handgerät ist eine kompakte Plasmaquelle, welche auf Grundlage einer dielektrisch behinderten Entladung (siehe Kapitel 5.1 auf Seite 8) funktioniert. Die gesamte Elektronik und die Hochspannungselektrode mit dem Dielektrikum ist in einem Gehäuse untergebracht, welches einem Akkuschrauber ähnelt (Abbildung 15). Die Stromversorgung wird durch den Akku gewährleistet.

Abbildung 15: DBE-Handgerät

Technische Besonderheit dieses Gerätes ist, dass der Aufbau keine im Gerät vorhandene Gegenelektrode vorsieht. Vielmehr wird die Gegenelektrode von dem zu behandelnden Substrat gebildet. Daher hängt die Qualität des Plasmas stark von den Eigenschaften der zu behandelnden Oberfläche ab. Spalte oder Fugen, die schmaler als der Durchmesser der Elektrode sind, oder Eckverbindungen können nicht oder nur ungenügend behandelt werden. Das DBE-Handgerät ist mobil und kommt ohne zusätzliche Arbeitsgase aus. Es wird mit einer Frequenz von 400 Hz und einer Spannung von 10 kV betrieben. Die über das Netzteil zugeführte Leistung beträgt 14 W. Das Plasma lässt sich – je nach Substrat – in einem Arbeitsabstand von wenigen mm zünden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde, wenn nicht anders erwähnt, mit einem konstanten Abstand von 5 mm gearbeitet. Dieser wurde über einen Abstandhalter definiert eingestellt.

6.4.2 Stationärer Plasmajet

Der stationäre Plasmajet [13] erzeugt ebenfalls eine dielektrisch behinderte Entladung. Diese wird aber – anders als im DBE-Handgerät – mit einem Gasstrom durch den Spalt zwischen den Elektroden hinausgetrieben (Abbildung 16).

Elektrode mit Dielektrikum

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Abbildung 16 Den inneren Aufbau des Jets verdeutlicht Elektrode (2) und einer zentriert angeordneten Gegenelektrode (6), das Plasma durch Anlegen einer gepulsten Spannung gezündet. Das Dielektrikum (7) zwischen den Elektroden besteht aus Quarzglas und hat eine Dicke von 2 mm. Diebreite zwischen Dielektrikum und innerer Elektrode beträgt 0,75 mm. Das Arbeitsgas (Argon), welches vom hinteren Modul durch den Spalt strömt, drückt das Plasma durch das vordere Modul nach außen. Dadurch bildet sich ein Plasmastrahl aus, mit dem dOberflächen behandelt werden können.

Abbildung Der Jet wird mit Spannungspulsen mit einer Amplitude von 20 kV, einer Brund einer Folgefrequenz von 25 kHz betrieben. Die Leistung des Netzteils liegt bei ca. 500 W, d.h. die Leistung des Plasmas ist um ein Hinzu kommt, dass die Plasmaqualität hier unabhängig von dbehandelnden Substrats ist. Außerdem können auch schmalere oder hinterschnittene Geometrien behandelt werden. poröse Baustoffe speziell geeignet. Problem war, dass dieser Adass dieser Plasmajet noch nicht mit Luft sondern diesem Projekt wurde der Jet mit einem ArBehandlungsabstand von 2 mm betrieben. Arbeitsabstandes zum Substrat an einem Stativ montiert. Unter dem Kopf stand zur Realisierung einer konstanten Behandlungszeit pro Flächenelement zudem ein motorisch betriebener Probentisch zur Verfügung.

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16: Schema des Plasmajets von Förster et al. [13]

Aufbau des Jets verdeutlicht Abbildung 17. Zwischen einer zylindrElektrode (2) und einer zentriert angeordneten Gegenelektrode (6), beide aus Metalldas Plasma durch Anlegen einer gepulsten Spannung gezündet. Das Dielektrikum (7) zwischen den Elektroden besteht aus Quarzglas und hat eine Dicke von 2 mm. Diebreite zwischen Dielektrikum und innerer Elektrode beträgt 0,75 mm. Das Arbeitsgas (Argon), welches vom hinteren Modul durch den Spalt strömt, drückt das Plasma durch das vordere Modul nach außen. Dadurch bildet sich ein Plasmastrahl aus, mit dem dOberflächen behandelt werden können.

Abbildung 17: Aufbau des Plasmajets

wird mit Spannungspulsen mit einer Amplitude von 20 kV, einer Brund einer Folgefrequenz von 25 kHz betrieben. Die Leistung des Netzteils liegt bei ca. 500 W, d.h. die Leistung des Plasmas ist um ein Vielfaches höher als die des DBE

Plasmaqualität hier unabhängig von den Eigenschaften des zu ist. Außerdem können auch schmalere oder hinterschnittene

Geometrien behandelt werden. Daher ist dieses Jetprinzip für texturierte Oberflächen wie poröse Baustoffe speziell geeignet. Problem war, dass dieser Aufbau nicht mobil war und

nicht mit Luft sondern mit Argon als Arbeitsgas arbeitetediesem Projekt wurde der Jet mit einem Ar-Strom von 5 l/min und einem Behandlungsabstand von 2 mm betrieben. Der Jetkopf war zur EinstellungArbeitsabstandes zum Substrat an einem Stativ montiert. Unter dem Kopf stand zur Realisierung einer konstanten Behandlungszeit pro Flächenelement zudem ein motorisch betriebener Probentisch zur Verfügung.

1 - Kunststoffgehäuse (hinteres Modul mit Gasanschluss)2 - Mittelelektrode 3 - Kunststoffgehäuse (mittleres Modul 2)4 - Justierhalterung für die Mittelelektrode5 - Kunststoffgehäuse (vorderes 6 - Ringelektrode mit HV Anschluss7 - Dielektrikum (Quarzglas)8 - Hochspannungsüberschlagschutz9 - Silikon

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[13]

. Zwischen einer zylindrischen beide aus Metall, wird

das Plasma durch Anlegen einer gepulsten Spannung gezündet. Das Dielektrikum (7) zwischen den Elektroden besteht aus Quarzglas und hat eine Dicke von 2 mm. Die Spalt-breite zwischen Dielektrikum und innerer Elektrode beträgt 0,75 mm. Das Arbeitsgas (Argon), welches vom hinteren Modul durch den Spalt strömt, drückt das Plasma durch das vordere Modul nach außen. Dadurch bildet sich ein Plasmastrahl aus, mit dem die jeweiligen

wird mit Spannungspulsen mit einer Amplitude von 20 kV, einer Breite von 600 nm und einer Folgefrequenz von 25 kHz betrieben. Die Leistung des Netzteils liegt bei ca. 500

ielfaches höher als die des DBE-Handgerätes.

en Eigenschaften des zu ist. Außerdem können auch schmalere oder hinterschnittene

Daher ist dieses Jetprinzip für texturierte Oberflächen wie ufbau nicht mobil war und

als Arbeitsgas arbeitete. In Strom von 5 l/min und einem

Der Jetkopf war zur Einstellung eines definierten Arbeitsabstandes zum Substrat an einem Stativ montiert. Unter dem Kopf stand zur Realisierung einer konstanten Behandlungszeit pro Flächenelement zudem ein motorisch

Kunststoffgehäuse (hinteres Modul mit Gasanschluss)

Kunststoffgehäuse (mittleres Modul 2) Justierhalterung für die Mittelelektrode Kunststoffgehäuse (vorderes Modul) Ringelektrode mit HV Anschluss Dielektrikum (Quarzglas) Hochspannungsüberschlagschutz

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6.4.3 Entwicklung eines mobilen Plasmajets

Ein Hauptziel des Projekts war es, eine Plasmastrahlquelle zu entwickeln, die sowohl Substrat- als auch netzunabhängig stabile Plasmen generiert und zudem ohne eine zusätzliche Gasversorgung auskommt. Diese Forderungen konnten durch die Bündelung mehrerer Maßnahmen umgesetzt werden. Dazu gehörten im Wesentlichen die strömungstechnische Umgestaltung der Elektroden, die Verwendung spezieller Dielektrika und die Entwicklung eines neuen Hochspannungsgenerators. Das Prinzip und die wesentlichen Komponenten sind in Abbildung 18 dargestellt. Zentrale Baugruppen stellen der HV-Schaltgenerator und die eigentliche Strahlquelle dar. Diese ist als Planaranordnung einer doppelt behinderten Barrierenentladung ausgeführt. Die Quelle wird zur Erzeugung eines Plasmastrahls von einem starken Luftstrom durchsetzt, welcher mittels einer Pumpe erzeugt wird.

Abbildung 18: Prinzipaufbau eines Plasmastrahlsystems

Zu den weiteren Konstruktionsmerkmalen gehört, dass die Luft durch einen Verdichter direkt der Umgebung entnommen und dem Jetkopf zugeführt wird. Weiter Gase als Zündhilfen sind durch das neue Generator- und Elektrodendesign nicht mehr erforderlich, damit entfällt die Notwendigkeit der Mitführung von Druckgasflaschen. Alle Funktionselemente wie die gesamte Elektronik inklusive der Stromversorgung sowie der Jetkopf konnten wie bereits bei dem DBE-Handgerät in einem akkuschrauber-ähnlichen Gehäuse untergebracht werden (siehe Abbildung 19), so dass am Ende der Projektlaufzeit ein mobiler, leicht handhabbarer Plasmajet zur Verfügung stand.

Abbildung 19: Mobiler Plasmajet

Die Konstruktion wurde in zwei technisch von einander abgegrenzte Teilgebiete aufgeteilt. Zum einen die Entwicklung eines für den mobilen Einsatz geeigneten Hochspannungsgenerators und zum anderen die Konstruktion des Jetkopfes zur Erzeugung des Plasmastrahls.

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6.4.3.1 Hochspannungsgenerator

Typische Anregungsspannungen zur Erzeugung von Barrierenentladungen liegen im Bereich von 5 – 20 kV. Sie werden in der Regel von Mittelfrequenzgeneratoren mit Schaltfrequenzen bis zu mehreren 100 kHz generiert. Die üblicherweise verwendeten Grundschaltungen sind aus dem Bereich des Schaltnetzteilbaues als sogenannte Aufwärtswandler bekannt. Prinzipblockschaltbilder (siehe Abbildung 20) findet man in den Standardwerken der Elektronik [40].

Abbildung 20: Blockschaltbild eines primärgetakteten Schaltreglers [40]

Abweichend von den Schaltnetzteilen kann der Aufbau vereinfacht werden, da die Gleichrichtung und die Filterung entfallen kann. Zudem kann auf die Regelung zum Ausgleich von wechselnden Lasten verzichtet werden, da die Plasmaquellen eine konstante Belastung darstellen, an die gegebenenfalls eine manuelle Anpassung der Ausgangsleistung erfolgen kann. Ein generelles Problem welches insbesondere bei der Konstruktion von Hochspannungsgeneratoren auftritt, ist hängt mit der Auslegung des Hochfrequenz-Transformators zusammen. Dieser muss neben einer möglichst verlustarmen Umsetzung der schnellen Schaltvorgänge eine hohe Durchschlagsfestigkeit gegenüber den großen Ausgangsspannungen aufweisen. Bei einer Eingangsspannung von 12V und einer gewünschten Ausgangsspannung von 10 kV muss er zudem ein sehr großes Übersetzungsverhältnis aufweisen. Technisch lässt sich diese Forderung mit einem Einzelwandler nur sehr unbefriedigend erfüllen. Daher wurde nach einigen Vorversuchen auf das Prinzip der Kaskadierung von Spannungen durch die Hintereinanderschaltung von zwei Wandlern ausgewichen. Die erste Wandlerstufe dient der Erzeugung der „Betriebsspannung“ der zweiten Stufe. Der erste Wandler ist als klassischer Eintakt-Sperrwandler ausgeführt, während der zweite Wandler als Durchflusswandler geschaltet ist. Dieser hat den Vorteil, dass die Höhe der Ausgangspannung über das Tastverhältnis der Ansteuerschaltung eingestellt werden kann. Die Ansteuerung der FET-Leistungsschalter erfolgt bei beiden Stufen über eine Pulsweitenmodulation (PWM). Diese wird jeweils von einem handelsüblichen, hochintegrierten PWM-Controller realisiert (siehe Abbildung 21).

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Abbildung 21: Prinzipschaltbild des Plasmahochspannungsgenerators [18]

Die Ausgangspannung des Sperrwandlers von bis zu 300V steht über C2 zur Verfügung. Sie wird über die Rückführung der Widerstandkombination R2/R1 auf einen konstanten Wert eingeregelt. Da während der periodischen Stromentnahme durch den Durchflusswandler PWM2 der Sperrwandler ausgangsseitig kurzfristig kurzgeschlossen wird, wird dieser jeweils synchron nach Erreichen der Ladeschlussspannung an C2 über PWM2 abgeschaltet. Damit kann der Sperrwandler PWM1 vor der Zerstörung geschützt werden. Die Optimierung des Wirkungsgrades und damit die Reduktion der Verlustleistung spielen bei tragbaren Anwendungen in kompakten Aufbauten eine besondere Rolle. Denn beide haben unmittelbare Auswirkungen auf die Batterielebensdauer beziehungsweise auf zusätzlich erforderliche Kühlmaßnahmen. In diesem Zusammenhang kommt dem Timing der FET-Ansteuerung besondere Bedeutung zu. Angepasst werden muss die jeweilige Einschaltdauer der FET-Schaltstufen und zwar getrennt für den Sperr- und den Durchflusswandler. Einen weiteren Einfluss auf den Wirkungsgrad hat die Wahl der Schaltfrequenzen. Hier gilt, je größer die Frequenz, umso höher die übertragbare Leistung. Allerdings steigen in gleichem Maße auch die Schalt- und Ummagnetisierungsverluste in den Übertrager an, so dass sich als guter Kompromiss eine Schaltfrequenz von 100kHz für den Sperrwandler ergeben hat. Die Frequenz des Durchflusswandlers muss deutlich tiefer liegen, da ansonsten der Kondensator C2 vom Sperrwandler nicht vollständig aufgeladen würde. Die Ladung ist nur während der Sperrphase des Leistungs-FETs Q2 möglich. Bei einem maximalen Tastverhältnis von 1:2 des Durchflusswandlers darf dieser bei maximal der halben Frequenz des Sperrwandlers betrieben werden. Tatsächlich wurde für einen besseren Füllgrad des Ladekondensators eine Frequenz von ca. 15 kHz gewählt. Für den Praxiseinsatz spielt die Zuverlässigkeit einer Wandlerschaltung eine wichtige Rolle, daher wurde besonderes Augenmerk auch auf die Dimensionierung der Schutzschaltungen gelegt. Schnelle Schaltvorgänge an induktiven Lasten lassen an den Drain-Anschlüssen der Mosfets hohe Spannungsspitzen entstehen. Diese müssen über RCD-Dämpfungsglieder verringert werden, da ansonsten die zulässigen Drain-Source-Spannungen überschritten werden könnten. Die Optimierung dieser Glieder wurde mittels der Simulationssoftware PSpiece mittels Transientenanalyse vorgenommen. Zusätzlich wird die Drain-Spannung über den FETs über eine Funkenstrecke FS auf ca. 80V begrenzt. Als Hochfrequenzübertrager kamen kommerziell erhältliche Hochspannungstransformatoren mit Ferritkernen mit geringen Ummagnetisierungsverlusten zum Einsatz. Die Trafos wurden

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nicht mit in das Platinenlayout einbezogen sondern im Kopf des Handgerätes angeordnet. Ansonsten fanden alle Elektronikkomponenten auf einer Epoxidplatine Platz, welche mit den Kühlkörpern im hinteren Teil des Akkuschrauber-Gehäuses direkt über dem Versorgungsakku eingebaut wurde (siehe Abbildung 22).

Abbildung 22: Innerer Aufbau des mobilen Plasmajet [18]

Die Leistungsdaten des kompakten Hochspannungsnetzteils sind nachfolgend aufgeführt: Pulsfolgefrequenz ca. 15 kHz Eingangsleistung 12 W Ausgangsleistung 9,3W Wirkungsgrad η ≈ 0,8 Eingangsspannung 8 – 30V Ausgangsspannung ca. 5 kVss Max. Pulsenergie 0,7 mJ

6.4.3.2 Plasmastrahlquelle

Ein wesentlicher Unterschied des neu konstruierten mobilen Jets zum bereits vorhandenen stationären Jet besteht neben der anderen Hochspannungsversorgung vor allem in der Um-wandlung der koaxialen Elektroden-Geometrie in eine planparallele Anordnung. Diese ist für einen mobilen Aufbau kompakter realisierbar und lässt eine breitere Applikationsfläche zu. Die Entladungsstrecke ist in Form einer doppelt behinderten Barrierenentladung aufgebaut. Das heißt, die beiden Metallelektroden werden jeweils von einem Dielektrikum zum Entladungsraum hin abgeschirmt. Durch einen Abstandhalter ebenfalls aus Keramik lassen sich der Abstand der Dielektrika und damit die Geometrie des Strömungskanals fest einstellen. Die gesamte Anordnung aus Elektroden, Isolatoren und Abstandhalter wird durch eine äußere Isolationsumhüllung mittels Klemmstiften zu einem stabilen Packet zusammengedrückt; die Hochspannungszuleitungen werden jeweils gegenüberliegend aus dem Stapel herausgeführt und im Innern der Quellenummantelung zum Generator geführt (siehe Abbildung 23).

1 Hochspannungsgenerator 2 HV-Spulengehäuse 3 Einschalter 4 Akkufach 5 Gebläsepumpe

I 5

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Abbildung 23: Elemente der Plasmastrahlquelle [18] Eine besondere Rolle bei der Konstruktion einer Entladungstrecke spielen bei gegebener Hochspannung der Elektrodenabstand und die Auswahl des Dielektrikums. Hier waren im Verlauf der Entwicklung zahlreiche Änderungen und Optimierung notwendig. In der Regel werden als Dielektrika wegen ihrer guten Isolationseigenschaften und der hohen thermischen Stabilität Aluminiumoxid-Keramiken Al2O3 verwendet. Typische Durchschlagsfestigkeiten von im Spritzverfahren hergestellten Keramiken liegen in der Größenordnung von ca. 5 kV/mm [30]. Die Verwendung dieser Materialien erfordert bereits bei geringen Hochspannungen von unter 10 kV relativ dicken Barrieren in der Größenordnung von > 2 mm. Erste Versuchsreaktoren wurden mit derartigen Keramiken und einer Spaltweite von 0,6 mm realisiert. Wegen der kapazitiven Teilung der transienten Hochspannung fiel die Hauptleistung an den Dielektrika ab, was zu einer starken Überhitzung führte. Der Vorteil der dielektrisch behinderten Entladung – die Erzeugung von „kalten“ und damit materialschonenden Gasströmen – wurde durch die starke Aufheizung des Plasmajets aufgrund der thermischen Leistungseinkopplung zunichte gemacht. Wegen des schlechten Wirkungsgrades stand auch eine zu geringe Energie im Entladungspalt zur Verfügung. Die Verfügbarkeit neuer Keramiken von einem anderen Hersteller mit einer Durchschlagsfestigkeit von > 40 kV/mm brachte hier den Durchbruch. Mit diesem Material ließen sich sehr viel dünnere Barrieren von < 1mm realisieren. Da auch der dielektrische Verlustwinkel δ dieses Materials verhältnismäßig niedrig ist (δ ≈ 4.10-4 bei 1 GHz und RT), sind die dielektrischen Verluste ebenfalls relativ gering. Vorteilhaft ist auch die hohe Dielektrizitätskonstante εr = 9,6. Da bei gegebener Gasart und Vorionisation die notwendige, spezifische Zündfeldstärke EB festliegt, wird die erforderliche äußeren Spannung Uext zum Zünden einer Entladung bei der Spaltbreite z nur noch vom Dielektrikum und dessen Eigenschaften wie Dielektrizitätskonstante εr und Dicke d determiniert. Es gilt die Beziehung (mit �� = ��

� ):

�� ≥ �� � ��∙�

+ 1� = �� ∙ ü (1)

Das Teilerverhältnis ü sollte so klein wie möglich sein, da es ein Maß für die über dem Spalt zur Verfügung stehende Hochspannung Uz ist (siehe Abbildung 24). Aus dem Diagramm wird deutlich, dass sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine geringe Dicke der Barriere das Teilerverhältnis minimieren und es bei geeignetem Dielektrikum nahezu gegen 1 geht. Allein die verbesserte Durchschlagsfestigkeit und die damit verbundene Reduktion der Barrierendicke ergibt eine Erhöhung der wirksamen Spannung über dem Spalt von ca. 20%, wie exemplarisch in Abbildung 24 gezeigt wird:

��∙��,����,���

��∙�,��∙ 100% = 19,4% (2)

1 2 3 4

1 Abstandshalter 2 Dielektrikum 3 Elektrode 4 Isolationshalter

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Abbildung 24: Abhängigkeit des Teilerverhältnisses von den Eigenschaften des Dielektrikums [18]

Die Verwendung dünnerer Dielektrika führte zudem zu einer visuell bereits in Form einer helleren Entladung wahrnehmbaren deutlich besseren Leistungseinkopplung. Der messtechnische Nachweis dieses Effektes mit Hilfe einer zeitaufgelösten indirekten Strom- und Spannungsmessung im Plasmazellenkreis ergab eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades von bisher 0,14 auf 0,39. Dies führt, bei einer zugeführten Eingangsleistung von ca. 14 Watt, auf eine mittlere Wirkleistung im Plasma von ca. 5,5 Watt. Hierbei handelt es sich um die direkt im Reaktor umgesetzte Leistung. Das hier gezündete Plasma muss nun durch einen externen Gasstrom nach außen transportiert werden, um einen Plasmastrahl zu generieren. Dies wird in dem Handgerät durch eine Membranpumpe realisiert, welche auf der Saugseite direkt mit der Umgebungsluft verbunden ist. Es wurde ein Pumpentyp gewählt, welcher frei ausblasend einen Volumenstrom von ca. 9 l/min erzeugen kann. Wegen des relativ großen Querschnitts der Plasmakammer wird von dieser nur ein geringer Gegendruck aufgebaut, so dass der Volumenstrom nahezu unvermindert realisierbar ist. Die Pumpe wird direkt vom Akku des Handgerätes mit Energie versorgt. Ein wesentliches technisches Detail stellt dabei die Einschaltverzögerung der Pumpe dar: Ein grundsätzliches Problem aller offen betriebenen Plasmaquellen ist deren häufig unerwünscht hohe Ozonproduktion. Da die Bildungsrate von Ozon stark von der Quellentemperatur abhängt – je heißer die Quelle, umso weniger Ozon wird generiert – kann durch geringe technische Änderungen am Quellendesign beziehungsweise an deren Betriebsbedingungen die Ozonproduktion reduziert werden. In diesem Fall wird erst einige Zeit nach dem Zünden der Quelle mit Erreichen der Betriebstemperatur der Gasstrom über die Pumpe zugeschaltet. Durch diese Maßnahme konnte die Ozonproduktion des Jets deutlich verringert werden. Die Funktionsfähigkeit des Gerätes wurde vor dem baupraktischen Einsatz anhand mehrerer Tests verifiziert. Dazu gehören diverse Parameterstudien, in welchen die Veränderungen des Randwinkels von Testflüssigkeiten in Abhängigkeit vom Behandlungsabstand und der Behandlungszeit untersucht wurde [18]. Ein sehr anwendungsnaher Test wurde in diesen

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Abschlussbericht übernommen, da er die wirksame Fläche des Plasmastrahls sehr anschaulich dokumentiert.

6.4.3.3 Nachweis der Wirksamkeit des Plasmastrahls

Für die Charakterisierung der Flächenwirkung des Plasmastrahls wurde die Änderung der Oberflächenenergie an einer Testfläche in Abhängigkeit vom Abstand und der Behandlungszeit untersucht. Zur Visualisierung des Effektes wurden PVC-Folien nach einer Plasmabehandlung mit einer Testtinte der Fa. Tigres benetzt. Die Abschätzung der Oberflächenenergie von PE-, PP- und PVC-Kunststofffolien unter Verwendung von Testtinten ist eine in der ISO 8296 (früher DIN 53 364) festgelegte Prüfmethode [39]. Die verwendete Testtinte weist eine Oberflächenenergie von 52 mN/m auf, während die unbehandelten PVC-Folien eine niedrigere Oberflächenenergie von 39 mN/m besitzen. Mit der Folge, dass sich die Testtinte auf den unbehandelten Folien zu kleinen Tröpfchen zusammenziehen. Nach einer Plasmabehandlung stellt sich dagegen eine flächenhafte Benetzung mit der Testtinte ein. Das heißt, dass sich die Oberflächenenergie der PVC-Folie in den Bereichen, die dem Plasmastrahl ausgesetzt waren, von 39 mN/m auf mindestens 52 mN/m erhöht hat. Das Bild der benetzten Fläche auf der Folie stellt somit den Querschnitt des Plasmastrahls dar während der Behandlung dar. In Abbildung 25 ist eine Serie behandelter Folien dargestellt, bei denen die Plasmabehandlung in einem unterschiedlichen Behandlungsabstand und einer unterschiedlichen Behandlungszeit durchgeführt wurde. Die 2 cm breite Schlitzdüse des Plasmastrahlsystems wurde bei den Behandlungen mittig, längs der Bildhorizontalen auf die 5 x 5 cm großen Folien gerichtet (siehe Abbildung 25 q).

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Abbildung 25: Benetzbarkeit plasmabehandelter PVC-Folien mit Testtinte in Abhängigkeit von

Behandlungszeit und –abstand [18]

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6.5 Beanspruchung

Nach der Herstellung und gegebenenfalls erfolgter Plasmabehandlung wurden alle Probekörper definierten Belastungsszenarien unterworfen, um so Umwelteinflüsse zu simulieren, denen Dichtstoffe und Baustoffe in der Praxis ausgesetzt sind. Auch während der Aushärtungsphase wurde für eine definierte Konditionierung der Proben durch Lagerung im Normalklima gesorgt, um diese miteinander vergleichbar zu halten. Die verwendeten Probekörper sind nach den Beanspruchungsverfahren aus DIN 9047 [8] belastet worden. Diese DIN ist in der Baustoffprüfung weit verbreitet. Hier werden folgende Beanspruchungsverfahren beschrieben:

6.5.1 Beanspruchung nach Normalklimalagerung (Verfa hren A)

Die Beanspruchung nach Verfahren A simuliert gleich bleibende Temperatur und Feuchtigkeitseinflüsse. Aufgrund des niedrigen Aufwands im Vergleich zu den anderen Verfahren, wird für erste Erkenntnisse dieses Verfahren häufig zuerst gewählt. Bei der Beanspruchung nach Verfahren A werden die Probekörper bei einer Temperatur von T = (23 +/-2)°C und einer Luftfeuchtigkeit von (50 +/-5)% 28 Tage gelagert. Anschließend erfolgt die Prüfung der Probekörper.

6.5.2 Beanspruchung nach Temperaturwechselbelastung (Verfahren B)

Das Verfahren B liefert im Vergleich zu Verfahren A praxisnähere Ergebnisse, da hier verschiedene Temperatur- und Feuchtigkeitseinflüsse simuliert werden, wie sie auch in der Freifeldbeanspruchung vorkommen. Die Proben werden beim Verfahren B zuerst nach Verfahren A beansprucht. Direkt im Anschluss an diese Beanspruchung erfolgt dann die eigentliche Beanspruchung nach Verfahren B. Hierbei werden die Proben folgenden Beanspruchungen unterzogen:

a) 3 Tage im Wärmeschrank bei konst. Temperatur T = (70 ± 2)°C b) 1 Tag in destilliertem Wasser bei konst. Temperatur T = (23 ± 2)°C c) 2 Tage im Wärmeschrank bei konst. Temperatur T = (70 ± 2)°C d) 1 Tag in destilliertem Wasser bei konst. Temperatur T = (23 ± 2)°C

Der Zyklus a) bis d) wurde bis zur Prüfung der Probekörper zweimal durchlaufen.

6.5.3 Nasslagerung

Ein weiteres Beanspruchungsverfahren, welches eine Feuchtebelastung der Probe nachstellen soll, ist die Nasslagerung in Anlehnung an DIN 52455. Dieses Verfahren wurde im Rahmen der baupraktischen Prüfungen im Anwendungslabor der PCI durchgeführt. Hierzu werden die Proben

14 Tage bei Raumtemperatur 14 Tage in dest. Wasser 1 Tag bei Raumtemperatur

gelagert. Anschließend werden die Probekörper mechanisch geprüft.

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6.6 Festigkeitsuntersuchungen

Die Adhäsionsfestigkeit der Dichtstoffe (Polymerwerkstoffe) auf den unterschiedlich vorbehandelten Beton- und Kunststoffoberflächen wurde durch unterschiedliche mechanische Festigkeitsuntersuchungen überprüft. Dabei wurden verschiedene Untergründe, Vorbehandlungen und klimatische Vorbelastungen berücksichtigt.

6.6.1 Zugversuche

6.6.1.1 Statische Zugversuche

Bei Zugversuchen wird die Probe (siehe Abbildung 11b) in die Spezialaufnahme eingehängt und mit konstanter Geschwindigkeit bis zum Versagen gedehnt [45]. Dabei dehnt sich die Probe anfangs elastisch. Hier gilt das Hookesche Gesetz, nach dem die relative Längenänderung (Dehnungε ) in Richtung einer von außen angelegten einachsigen Spannung σ direkt proportional zu dieser Spannung ist. εσ ⋅= E (3) Die Proportionalitätskonstante E ist der Elastizitätsmodul oder kurz E-Modul: Bei einer weiteren Steigerung der Verformung wird die Elastizitätsgrenze überschritten und es erfolgt eine irreversible, plastische Verformung. Wird die Probe weiterbelastet, kommt es schließlich zum Bruch. Aus der maximal aufgebrachten Kraft F kann die Zugspannung zσ

bezogen auf den Ausgangsquerschnitt A durch die Formel

A

Fz =σ (4)

bestimmt werden. Die Dehnungε wird aus der maximalen Probenverlängerung l∆ , bezogen auf die Ausgangslänge l0 berechnet:

0l

l∆=σ (5)

Die ermittelten Daten der Zugprüfung werden üblicherweise in Zugspannungs- Dehnungs-Diagrammen aufgetragen. Die Zugprüfung der Verbundproben (Kapitel 6.3.1) erfolgte in Anlehnung an DIN EN ISO 8339 mit Hilfe einer Laborzugprüfmaschine (Abbildung 26) mit einer Prüfgeschwindigkeit von 10 mm/min.

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Abbildung 26: Zugprüfung der Verbundproben, Laborzugprüfmaschine

6.6.1.2 Abreißversuche

Die Durchführung von praxisrelemobiler Haftzuggeräte. Hierzu ist abweichende, Prüf- und Probengeometrie notwendig Zum anderen ist ein weiterer, wedie Dynamik der jeweiligen Zugprüfungeine weggesteuerte Durchführunglastgesteuerten Prinzip. Zur Verifikation, ob Ergebnisse auf baustellenrelevante Prüfverfahren Versuche erforderlich. Im Labor wurde dazu die stationäre Zugauch weggesteuerte Abreißversuche spezielle Probenhalterung zur Adaption der konischen Stempelaufnahme der typischen Abreißprobenstempel angefertigt werden (siehe Die Prüfgeschwindigkeit betrug im weggesteuerten Fall 6 mm/minlastgesteuerten Fall 15 N/s (Abbildung dem mobilen Haftzuggerät in Anlehnung an DIN EN ISO 4624Laststeigerung von 15 N/s (Abbildung

Abbildung 27: Abreißprüfung an den

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Zugprüfung der Verbundproben, Laborzugprüfmaschine

praxisrelevanten Haftzugprüfungen auf Baustellen Hierzu ist zum einen eine spezielle, von den Verbundproben obengeometrie notwendig (vgl. Kapitel 6.3.1 und

in weiterer, wesentlicher Unterschied zu den Laborzugprüfungen Zugprüfungen. Während bei den Laborzugprüfungen

eine weggesteuerte Durchführung vorschreibt, arbeiten mobile HaftzugZur Verifikation, ob die Übertragbarkeit der im Labor ermittelten nrelevante Prüfverfahren gewährleistet ist, sind

stationäre Zugprüfmaschine so umgerüstet, dass sowohl Abreißversuche durchgeführt werden konnten. Dazu musste eine

spezielle Probenhalterung zur Adaption der konischen Stempelaufnahme der typischen tigt werden (siehe Abbildung 27 links).

Die Prüfgeschwindigkeit betrug im weggesteuerten Fall 6 mm/min, die Abbildung 27, links). Zum Vergleich erfolgten

dem mobilen Haftzuggerät in Anlehnung an DIN EN ISO 4624, ebenfalls mit einer Abbildung 27, rechts).

an den Haftzugproben mit der Laborzugprüfmaschine (links) und

mobilen Haftzuggerät (rechts)

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Zugprüfung der Verbundproben, Laborzugprüfmaschine

auf Baustellen erfolgt mit Hilfe eine spezielle, von den Verbundproben

und 6.3.2 auf S. 23). schied zu den Laborzugprüfungen jedoch

bei den Laborzugprüfungen die DIN obile Haftzuggeräte nach dem

Übertragbarkeit der im Labor ermittelten sind daher ergänzende

prüfmaschine so umgerüstet, dass sowohl last- als Dazu musste eine

spezielle Probenhalterung zur Adaption der konischen Stempelaufnahme der typischen

, die Laststeigerung im erfolgten Abreißversuche mit

ebenfalls mit einer

der Laborzugprüfmaschine (links) und dem

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Abbildung 28 zeigt im Vergleich die so ermittelten Werte für das Substrat Beton schalungsglatt (ohne Plasmabehandlung bzw. Primerung) und den Dichtstoff Silcoferm S. Es wird deutlich, dass die gemessenen Werte innerhalb der Fehlergrenzen in vergleichbarer Größenordnung liegen. Die Ergebnisse der jeweiligen Verfahren sind somit unmittelbar übertragbar.

Abbildung 28: Vergleich der Zugprüfungen mit der Laborzugprüfmaschine (weg- und lastgesteuert)

und dem mobilen Haftzuggerät (lastgesteuert) Die Versuche zur Übertragbarkeit der Resultate wurden im Wesentlichen durchgeführt, um zu zeigen, dass die plasmabedingten Verbesserungen des Adhäsionsverhaltens unabhängig vom jeweiligen Prüfverfahren Bestand haben. Dies war insbesondere erforderlich, um die Resultate späterer Baustellenprüfungen übertragen zu können. Daher konnte im weiteren Verlauf auf die Durchführung von Haftzugprüfungen mit dem mobilen Gerät zu Gunsten von ergänzenden Parameteruntersuchungen verzichtet werden. Alle weiteren Zugprüfungen – also auch die speziell vorgesehenen baupraktischen Untersuchungen - konnten daher auf ausdrücklichen Wunsch der Industriepartnern mit Hilfe der Laborzugprüfmaschine entweder mit Verbundproben oder aber mit Haftzugproben durchgeführt werden.

6.6.1.3 Dynamische Zugversuche

Die Proben werden bei der dynamischen Zugprüfung nicht wie bei den statischen Zugversuchen sofort bis zum Bruch gefahren, sondern dynamisch zwischen einer Kraft-Ober- und Untergrenze also lastgesteuert mit einer zuvor gewählten Anzahl Zyklen beansprucht. Erfolgt während der dynamischen Prüfung kein Versagen der Probe, so wird direkt im Anschluss eine statische Zugprüfung durchgeführt, bei der die Probe bis zum Bruch belastet wird. Bei der dynamischen Prüfung werden sowohl die erreichte Zyklenzahl als auch die maximale Zugspannung und Dehnung nach anschließender statischer Zugprüfung aufgenommen. Im Hinblick auf den Bezug zur Baupraxis ist die dynamische Zugprüfung gegenüber der statischen Zugprüfung zu bevorzugen, da sie andauernde Dehnungen und Stauchungen simuliert, was einer Fuge im realen Einsatz entspricht. Da die statische Prüfung sehr viel schneller durchführbar ist, stellt sie wegen der begrenzten zeitlichen Ressourcen die

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

S chalungs glatt (Unbehandelt)

Zu

gs

pa

nn

un

g

in

N

/mm

²

L aborzugprüfmas chine

(W eg)

L aborzugprüfmas chine(L as t)

Mobiles Haftzuggerät

(L as t)

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Standardprüfung dar. Die dynamische Zugprüfung wird vor allem bei Proben eingesetzt, die sich durch eine statische Zugprüfung nicht differenzieren lassen.

6.6.2 Raupentests

Der Raupentest ist ein subjektives Prüfverfahren und liefert dementsprechend nur qualitative Ergebnisse. Das Verfahren wurde auf ausdrücklichen Wunsch der beteiligten Industriepartner wegen seiner baupraktischen Relevanz in den Prüfkanon aufgenommen. Insbesondere auch, weil umfangreiche Vergleichsergebnisse aus früheren Anwendungsstudien vorlagen. Bei dieser Prüfmethode werden Dichtstoffraupen auf den Prüfkörper (siehe Abbildung 13 auf Seite 24) an einem Ende ca. ein bis zwei cm durch Einschneiden vom Prüfkörper gelöst und anschließend per Hand abgezogen. An Hand der Dichtstoffreste auf dem Prüfkörper sowie der aufgewendeten Kraft beim Abziehen des Dichtstoffes vom Probekörper wird eine Wertung nach einer festen, aber bezüglich der Anforderungen subjektiven Werteskala (siehe Abbildung 29) festgelegt.

Abbildung 29: Werteskala

Dabei entspricht eine gute Haftung einem Wert von 5. Bei einer schlechten Haftung ergibt sich ein Wert von Null. Beim Raupentest werden Scherkräfte simuliert, die in der Praxis den wesentlichen Einfluss auf den Verbund zwischen Bau- und Dichtstoff haben. Diese Prüfmethode hat den Vorteil, dass zur Durchführung keine Prüfmaschine (wie es bei den Zugprüfungen der Fall ist) benötigt wird. Wegen der relativen Bewertungsskala ist darauf zu achten, dass diese Prüfung möglichst von derselben Person durchführt wird. Die Untersuchungen wurden auf zwei unterschiedlichen, baupraktischen Substratoberflächen durchgeführt. Dabei entspricht der Oberfläche „sandgestrahlt“ bezüglich der Textur im wesentlichen der Oberfläche „gebürstet“, wie sie für die Adhäsionsversuche verwendet werden musste.

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6.7 Analytik

Ein typisches und gut untersuchtes Anwendungsfeld der Oberflächenmodifikation durch Plasmabehandlung liegt im Bereich der Kunststoffe. An diesen organischen Substraten lässt sich durch den Einfluss der Gasentladung der Eintrag sauerstoffhaltiger, funktioneller Gruppen wie Hydroxyl- oder Carbonylgruppen beobachtet; die Folge ist unter anderem eine Erhöhung der Oberflächenspannung. Dieser Effekt lässt sich zum Beispiel analytisch durch eine Randwinkelmessungen nachweisen. Die direkte Bestimmung der funktionellen Gruppen ist über spektroskopische Verfahren wie z.B. der IR-Spektroskopie verifizierbar. Prinzipiell lassen sich diese bewährten Methoden auch auf die hier vorwiegend betrachteten Betonsubstraten übertragen. Es ist aber zu berücksichtigen, dass es sich hierbei bereits um vollständig oxidierte Systeme handelt, daher ist hier mit keiner Erhöhung des Anteils an sauerstoffhaltigen Gruppen mehr zu rechnen. Der Mechanismus der Haftungsverbesserung, der bei den Kunststoffen zum großen Teil über eine Erhöhung des Anteils an reaktiven Gruppen erklärt wird, muss hier daher eine andere Ursache haben. Diese soll ebenfalls über oberflächenanalytische sowie spektroskopische Verfahren untersucht werden. Die zur Aufklärung der Wirkungsweise einer Plasmabehandlung durchgeführte Analytik wird in den folgenden Kapiteln vorgestellt.

6.7.1 Randwinkelmessungen

Bei vielen technischen Prozessen sind die Ober- und Grenzflächeneigenschaften von großer Bedeutung, z.B. beim Lackieren, Verkleben, Bedrucken usw. Die Benetzung und die damit verbundene adhäsive Haftung werden von den jeweiligen Oberflächenspannungen bestimmt [24]. Der Kontaktwinkelθ , den eine Flüssigkeit auf einer Oberfläche ausbildet, ergibt sich durch die Oberflächenspannungen der Flüssigkeit und des Festkörpers. Dieser Zusammenhang ist in Abbildung 30 dargestellt.

Abbildung 30: Definition des Kontaktwinkels

Der mathematische Zusammenhang zwischen Oberflächenspannung und Kontaktwinkel wird über die Young‘sche Gleichung beschrieben. θσσσ cos, ⋅+= lsls (6)

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Hierbei ist sσ die Oberflächenspannung des Festkörpers, lσ die Oberflächenspannung der

Flüssigkeit und sl,σ die Grenzflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Festkörper. Streng

genommen sind auch die Oberflächenspannungen des Festkörpers und der Flüssigkeit Grenzflächenspannungen, nämlich zwischen dem Festkörper bzw. der Flüssigkeit und der Gasphase. Aufgrund des geringen Einflusses der Gasphase wird diese jedoch in der Regel vernachlässigt. Über die Bestimmung des Randwinkels kann bei bekannter Oberflächen-spannung der Flüssigkeit die Oberflächenspannung des Festkörpers berechnet werden. Die Oberflächenspannung beruht auf Kräften zwischen den Atomen und Molekülen. Diese Kräfte setzen sich aus polaren und unpolaren Kräften zusammen. Zu den unpolaren Kräften gehören die Dispersionskräfte, zu den polaren Kräften gehören Wechselwirkungen zwischen Ionen, Dipolen sowie Wasserstoffbrückenbindungen. Die Oberflächenspannung σ lässt sich

in einen polaren Anteil pσ und einen dispersen Anteil dσ aufteilen:

dp σσσ += (7) Zur Bestimmung des polaren und dispersen Anteils muss der Kontaktwinkel mit zwei Flüssigkeiten ermittelt werden, die unterschiedliche polare und unpolare disperse Anteile besitzen [24]. Berechnet werden die Anteile nach dem empirischen Ansatz von Wu [47]. Die Gleichung bildet das harmonische Mittel aus den jeweiligen Oberflächenspannungsanteilen.

( ) ( ) ( ) ( )( )ps

pl

ps

pl

ds

dl

ds

dllaW σσσσσσσσθσ +++=+= //)cos( 41 (8)

Die resultierende Adhäsionsarbeit aW ist dabei die Arbeit, die zum Verbinden oder Trennen

der Flüssigkeit und des Festkörpers notwendig ist. Für die Ermittlung des Kontaktwinkels gibt es die statische- und dynamische Kontaktwinkel-methode. Beide Methoden werden im Folgenden erklärt.

6.7.1.1 Statische Kontaktwinkelmessung

Bei der Methode zur statischen Bestimmung des Kontaktwinkels wird mit einer Spritze ein Tropfen auf die zu untersuchende Oberfläche aufgebracht. Anschließend wird über ein optisches Verfahren der Winkel zwischen Festkörper und Flüssigkeit durch Anlegen einer Tangente an den Tropfenrand ermittelt (Abbildung 31).

Abbildung 31: Statische Kontaktwinkelmessung

Diese Methode ist gut geeignet, um eine relativ schnelle Ermittlung der Oberflächenenergie durchzuführen. Allerdings ist die statische Kontaktwinkelmethode für raue Oberflächen ungeeignet, da es durch die Oberflächenrauheit zu hohen Abweichungen vom wahren Wert kommt. Weiterhin ist anzumerken, dass durch die Porosität des Betons die Prüfflüssigkeit aufgesaugt und dadurch das Messergebnis erheblich verfälscht wird [27].

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6.7.1.2 Dynamische Kontaktwinkelmessung

Zur Bestimmung des Kontaktwinkels mit Hilfe der dynamischen Methode wird durch eine stetige Zugabe der Flüssigkeit der Tropfen „dynamisch“ vergrößert, so dass er beginnt, sich auf der Oberfläche auszubreiten. Durch eine kontinuierliche Bestimmung des Winkels kann damit eine „Integration“ über einen größeren Oberflächenbereich durchgeführt werden. Dabei wird ausgenutzt, dass die Form eines Tropfens hauptsächlich durch die Schwerkraft und die Oberflächenspannung bestimmt wird, wobei die jeweilige Tropfenform den Gleichgewichtszustand charakterisiert. Eine Vergrößerung des Tropfens und damit der untersuchten Fläche kann solange durchgeführt werden, wie ein Gleichgewicht zwischen Schwerkraft und Oberflächenspannung vorliegt. Überwiegt die Schwerkraft, wird die Geometrie des Tropfens verfälscht und es werden falsche Kontaktwinkel gemessen. Die jeweiligen Kontaktwinkel werden in Intervallen gemessen. Die aufgenommenen Winkel werden als Vorrückwinkel (Abbildung 32) bzw. Fortschreitwinkel bezeichnet [27].

Abbildung 32: Schematische Darstellung des Vorrückwinkel

Die dynamische Kontaktwinkelmethode hat den Vorteil, dass sie auch für poröse Oberflächen einsetzbar ist, da immer wieder neue Oberfläche benetzt wird. Der Nachteil dieser Methode ist, dass sie relativ zeitaufwendig ist.

6.7.2 IR-Spektroskopie

Die Infrarot-Spektroskopie (IR-Spektroskopie) ist ein physikalisches Analyseverfahren, das mit infrarotem Licht arbeitet. Infrarotstrahlung liegt energetisch im Bereich der Schwingungs-niveaus von Molekülbindungen, d.h. die Absorption führt zu einer Schwingungsanregung der Bindungen. Da die dazu notwendigen Energien bzw. Frequenzen charakteristisch für die jeweiligen Bindungen sind, können so unterschiedliche funktionelle Gruppen identifiziert und quantifiziert werden [49]. Die Funktionalisierung zum Beispiel von Kunststoffen durch Plasmen führt zum Anstieg von sauerstoffhaltigen Gruppen; vorwiegend entstehenden Hydroxyl- und Carbonylgruppen. Diese lassen sich durch die IR-Spektroskopie gut nachweisen, da sie aufgrund ihrer Polarität besonders infrarotaktiv sind. Da, wie bereits erwähnt, bei mineralischen Baustoffen nicht mit einer weiteren Zunahme sauerstoffhaltiger Gruppen gerechnet werden kann, da diese Stoffe bereits vollständig oxidiert sind, müssen in diesem Fall andere Mechanismen für eine Verbesserung der Adhäsionsfähigkeit verantwortlich sein. Ein erheblicher Nachteil der IR-Spektroskopie bei der Untersuchung von Oberflächeneffekten ist die relativ große Eindringtiefe der IR-Strahlung die näherungsweise in der Größenordnung der Wellenlänge, also im µm-Bereich liegt. Da die plasmainduzierten Veränderungen

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innerhalb der oberen Molekül-/Atomlagen erwartet werden, muss mit einer erheblichen „Verdünnung“ der Effekte durch das unveränderte Grundmaterial gerechnet werden. Abhilfe schaffen hier Verfahren wie die ebenfalls eingesetzte Photoelektronenspektroskopie.

6.7.2.1 Reflexionsverfahren

Das gängigste Verfahren zur Aufnahme von IR-Spektren ist die sog. KBr-Technik, bei der die Transmission der Probe, eingebettet in einer KBr-Matrix, gemessen wird. Da im Rahmen des Projekts jedoch vor allem Veränderungen der Oberfläche detektiert werden sollten, kam ein spezielles Oberflächenverfahren – die gerichtete Reflexion – zum Einsatz. Hierzu wird die Oberfläche der Probe mit IR-Strahlung in einem definierten Winkel bestrahlt und der von der Probe reflektierte Anteil gemessen; dabei gilt Einfallswinkel = Ausfallswinkel. Während das Transmissionsvermögen nur vom Absorptionsindex k der Probe abhängt, ist das Reflexions-vermögen R (Verhältnis zwischen reflektierter Strahlung und einfallender Strahlung) zusätzlich abhängig vom Brechungsindex n und dem Einfallswinkel der Strahlung. Für das Reflexionsvermögen gilt für senkrechten Einfall und Luft als Grenzmedium:

( )( ) 2

22

2

22

22

1

1

kn

knR

+++−=

(9)

Nachteil dieser Methode ist, dass sich Reflexionsspektren aufgrund der zusätzlichen Abhängigkeit vom Brechungsindex stark von Transmissionsspektren unterscheiden. Die Spektren zeigen aufgrund von anomaler Dispersion (starke Änderung von n in der Nähe von Adsorptionsbanden) derivationsähnliche Bandenformen. Mit Hilfe der Kramers-Kronig-Transformation kann aus dem Reflexionsspektrum das Absorptionsspektrum der Probe berechnet werden. Dies ist allerdings bei den hier vorliegenden porösen Betonproben nur eingeschränkt möglich, da das Spektrum zusätzlich zur reinen gerichteten Reflexion auch diffuse Reflexionsanteile enthält.

6.7.3 Raman-Spektroskopie

Bei der Raman-Spektroskopie wird die zu untersuchende Materie mit monochromatischem Licht, üblicherweise aus einem Laser, bestrahlt. Die Frequenzverschiebungen der Raman-Streuung zum eingestrahlten Licht entsprechen den für das Material charakteristischen Energien von Rotations- und Schwingungs-Prozessen. Aus dem erhaltenen Spektrum lassen sich ähnlich Rückschlüsse auf die untersuchte Substanz wie bei der IR-Spektroskopie ziehen [51]. Der Vorteil der Raman-Spektroskopie gegenüber der IR-Spektroskopie ist die Anregung mit einem Laser. Hierdurch ist eine ortsaufgelöste Messung möglich. Die Raman-Spektroskopie ermöglicht somit eine getrennte Untersuchung der Zuschlagkörner und der Zementmatrix. Ein weiterer Vorteil liegt in der geringeren Eindringtiefe des Lasers gegenüber infrarotem Licht aufgrund der kürzeren Wellenlänge. Das Plasma reagiert lediglich mit den obersten Moleküllagen der Substratoberfläche, daher werden Veränderungen bis in ca. 1 nm Tiefe erwartet. Elektromagnetische Strahlung tritt aber umso tiefer in Materie ein, je größer die Wellenlänge ist. Da die Wellenlänge von infrarotem Licht im µm-Bereich liegt, ist hier ein Verdünnungseffekt um mehrere Größenordnungen zu erwarten. Bei der Anregung mit einer kürzeren Laser-Wellenlänge im sichtbaren Bereich z.B. bei 512 nm ist daher der Verdünnungseffekt deutlich geringer.

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Ein Nachteil der Raman-Spektroskopie ist die geringe Empfindlichkeit des Verfahrens bei mineralischen Systemen. Aufgrund des ionischen Charakters und der damit verbundenen Polarität sind diese Substanzen überwiegend IR-aktiv und damit nicht Raman-aktiv.

6.7.3.1 Ramanmikroskopie

Die Raman-Spektren wurden mit Hilfe eines während der Projektlaufzeit aufgebauten Raman-Mikroskops aufgenommen. Aufgrund der geringen zu erwartenden Raman-Intensität der zu untersuchenden mineralischen Systeme erfolgte der Aufbau insbesondere im Hinblick auf eine Optimierung der Signalintensität. Der prinzipielle Aufbau ist in Abbildung 18 dargestellt. Der Laserstrahl wird über das Raumfilter auf die Probe fokussiert. Das von der Probe ausgehende Streulicht (Raman- und Rayleigh-Streuung) wird durch das Spiegel-objektiv gesammelt. Die Rayleigh-Streuung wird über einen Notch-Filter ausgeblendet, die Raman-Streuung in dem Spektrometer durch ein Beugungsgitter spektral zerlegt und von der CCD-Kamera detektiert.

Abbildung 33: Schematischer Aufbau des Raman-Mikroskops und Strahlengang;

NF: Notch-Filter, L: Linse, S: Spiegelobjektiv mit Einkoppelspiegel, A: Apertur, IF: Interferenzfilter Das Spiegelobjektiv - Schwarzschild - ersetzt in diesem Aufbau das sonst übliche Mikroskopobjektiv. Der Grund hierzu liegt vor allem in der hierdurch verbesserten Signalintensität. Dies lässt sich wie folgt erklären (Abbildung 34): Beim klassischen Aufbau muss mit einem Strahlteiler gearbeitet werden, um den Strahl auf die Probe und die Raman-Streuung anschließend auf den entsprechenden Detektor zu lenken. Da bei jedem Durchgang nur 50% transmittiert werden, bedeutet das, dass am Ende nur 25% der maximal möglichen Signalstärke zur Verfügung stehen. Bei der Verwendung des Schwarzschildobjektivs werden an dem Einkoppelspiegel S1 92% des Laserstrahls auf die Probe reflektiert, durch die untere Spiegelhalterung im Schwarzschildobjektiv werden nochmal 18 % der Raman-Streuung abgeschattet, der Transmissionsgrad des Schwarzschildobjektivs liegt aber bei etwa 85 %. Somit liegt die Ausbeute der Raman-Intensität bei ca. 65 % der maximal möglichen Signalstärke. Durch die Verwendung des Schwarzschildobjektivs lässt sich Signalintensität also mehr als verdoppeln. Hinzu kommt der Vorteil der Dispersionsfreiheit.

CCD

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Abbildung 34: Vergleich der Laser- und Signalintensitäten bei einem Aufbau mit Schwarzschild und

einem herkömmlichen Aufbau mit Objektiv und Strahlteiler Zusätzlich konnte der bisher verwendete Photomultiplier im Rahmen des Projekts durch eine moderne CCD-Kamera ersetzt werden. Wichtigster Vorteil einer CCD-Kamera gegenüber einem Photomultiplier ist der Multiplex-Vorteil. Während bei einem Photomultiplier das Spektrum schrittweise über den gesamten Wellenlängenbereich gescannt werden muss, können die einzelnen Pixel einer CCD-Kamera das gesamte Spektrum gleichzeitig registrieren. Dies bedeutet einen zusätzlichen erheblichen Zeit- und damit Intensitätsgewinn, da der Zeitvorteil in die „Entrauschung“ der Spektren investiert werden kann.

6.7.4 XPS - Photoelektronenspektroskopie

Die Photoelektronenspektroskopie beruht auf dem äußeren Photoeffekt, bei dem durch elektromagnetische Strahlung – in diesem Fall hochenergetische Al Kα - Röntgenstrahlung - Photoelektronen aus dem Festkörper ausgelöst werden. Die Bestimmung der kinetischen Energie dieser Elektronen erlaubt Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung des untersuchten Festkörpers [50]. Die Austrittstiefe der Photoelektronen liegt dabei lediglich im Bereich einiger nm, d.h. weniger Moleküllagen. Hierbei handelt es sich folglich um ein Verfahren mit einer extrem hohen Oberflächenempfindlichkeit. Durch die Photoelektronenspektroskopie lassen sich Veränderungen, z.B. im Sauerstoffgehalt, oder auch Änderungen des chemischen Bindungstypes der jeweiligen Elemente auf der (tatsächlichen!) Oberfläche nachweisen. Da vermutet wird, dass die plasmainduzierten Veränderungen auch nur im Bereich der oberen Moleküllagen auftreten, wird einem oberflächensensitiven Verfahren besondere Bedeutung beigemessen.

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7 Ergebnisse

7.1 Mechanische Untersuchungen

Der Einfluss einer Plasmabehandlung auf die Adhäsionsfestigkeit wurde durch mechanische Prüfungen verifiziert. Auf besonderen Wunsch der beteiligten Industriepartner wurden dabei nicht nur verschiedene mineralische Substraten sondern auch unterschiedliche Kunststoffe untersucht. Der Untersuchungsfokus wurde aus baupraktischen Erwägungen auf einige Kunststoffe ausgedehnt, da typische Fugen häufig aus heterogenen Materialpaarungen unter Beteiligung von Kunststoffen bestehen. Die Ergebnisse werden in den folgenden Kapiteln vorgestellt.

7.1.1 Übersicht über die durchgeführten mechanische n Untersuchungen

Die Plasmabehandlungen wurden anfangs im Wesentlichen mit dem DBE-Handgerät und dem stationären Jet in Form von Laboruntersuchungen durchgeführt, da zu Beginn des Projekts nur diese Quellen zur Verfügung standen. Der mobile Plasmajet wurde erst im Verlauf des Projekts auf Basis der Erkenntnisse aus den Anfangsuntersuchungen fertig gestellt. Gegen Ende des Projektes konnten die Parameteruntersuchungen zunehmend durch Behandlungen mit dem mobilen Jet ergänzt und erweitert werden. Diese wurden je nach Verfügbarkeit und Anwendung mit verschiedene Beton- und Kunststoffsubstrate kombiniert. Da bezüglich der Einsetzbarkeit der Standarddichtstoffe bzw. -primer auf unterschiedlichen Substraten Restriktionen bestehen, mussten für die Applikation auf speziellen Substraten wie zum Beispiel den Kunststoffen im Einzelfall zusätzliche Dichtstoffe und Primer eingesetzt werden. Die Beanspruchung und die darauf folgende Prüfung der Probekörper mussten ebenfalls aufgrund der verschiedenen Erfordernisse auf die einzelnen Probentypen angepasst werden. Eine Übersicht über die durchgeführten Untersuchungen und verwendeten Kombinationen gibt die nachfolgende Tabelle. Eine Beschreibung der erhaltenen Ergebnisse folgt dann in den darauf folgenden Kapiteln.

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Tabelle 3: Übersicht über die durchgeführten mechanischen Untersuchungen an Beton- und Kunststoffsubstraten

7.1.2 DBE-Handgerät

7.1.2.1 Statische Zugprüfung, Beton gebürstet, Normalklima

Die folgende Abbildung zeigt die gemittelten Werte der Zugspannung und der Dehnung für die mit dem DBE-Handgerät behandelten Substrate Beton gebürstet. Als Referenz für die maximal erreichbare Festigkeit ist die Kohäsionsfestigkeit des Dichtstoffes angegeben. Zusätzlich sind die Werte aufgeführt, welche sich durch eine chemische Vorbehandlung

Plasma-quelle

Untersuchungs-methode

Substrat – Dichtstoff Ggf. verwendeter Primer

Bean-spruchung

Laborversuche

DBE-H

andgerä

t

Statische Zugprüfung

Beton gebürstet – Silcoferm S Elastoprimer 135

Verfahren A

Beton geschnitten – Silcoferm S Elastoprimer 135

Verfahren B

Polystyrol – Silcoferm S Elastoprimer 150

Verfahren A

Raupentest

Beton sandgestrahlt - Silcoferm S Elastoprimer 135

Verfahren A

Beton mit Zementhaut -Silcoferm S Elastoprimer 135

Verfahren A

Sta

tionäre

r Je

t

Statische Zugprüfung Beton gebürstet – Silcoferm S Elastoprimer 135

Verfahren A

Statische Zugprüfung (Sanierfall)

Beton gebürstet – Silcofug E Silcoferm S

Verfahren A

Dynamische Zugprüfung Beton geschnitten – Silcoferm S Elastoprimer 135

Verfahren A

Dynamische Zugprüfung (Sanierfall)

Beton geschnitten – Silcofug E Silcoferm S

Verfahren A

Raupentest

Beton sandgestrahlt - Silcoferm S Elastoprimer 135

Verfahren A

Polystyrol – Silcoferm S Elastoprimer 150

Verfahren A

Polystyrol – Silcofug E Elastoprimer 150

Verfahren A

Baupraktische Versuche

Mobiler Je

t

Statische Zugprüfung

Beton geschnitten – Silcoferm S Elastoprimer 110

Verfahren A

Beton geschnitten – Silcoferm S Elastoprimer 110

Nasslagerung

Polypropylen – Silcofug E Verfahren A

Sanitäracryl – Silcoferm S Verfahren A

Sanitäracryl – Silcofug E Verfahren A

Abreißversuch Beton schalungsglatt – Silcoferm S Elastoprimer 110

Verfahren A

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durch Primern erreichen lassen(siehe Kapitel 6.5 auf Seite unterzogen.

Abbildung 35: Statische Zugprüfung, DBE

Es lassen sich gegenüber den unbehandelten Proben durch die Plasmabehandlung deutliche Steigerungen in der Haftung erreichen. liegt bei 0,32 N/mm2, die erreichbare Behandlungszeit von 4 s tritt bereits eine Steigerung der Dehnung von 53Zugspannung hingegen ist nur ein geringerProben sichtbar. Wird die Behandlungszeit auf 8N/mm² und es ist eine Dehnung von 173Spannung und Dehnung ist bei dieser Art Elastomerproben bereits bei geringen Dehnungen nicht mehr linear. Dies hängt mit den Materialeigenschaften aber auch mit der Querschnittsveränderung der Probe zusammen. Da Bedingungen belastet wurden, Maximalwerte durchaus mit einander Es wird aber auch deutlich, dass die Haftfestigkeitswerte der vollständigen Substitution dieses zeitintensiven und umweltbedenklichen Verfahrens durch eine „physikalische“ Primerung notwendig, die im Verlauf dieses Projektes auch erreicht wurden (siehe dazu Seite Stationärer Plasmajet, Abbildung Zusammenfassend ist festzuhalten, dass bereits mit einer PlHandgerät Steigerungen der sind. Durch eine weitere SteigerungVerbesserung in den Adhäsionskennwertenwären auch unter baupraktischen Gesichtspunkten wenig realistisch. Weiterentwicklung der Plasmatechnologie wurde alsoReduktion der Behandlungszeiten Visuelle Beurteilung der Kontaktflächen Neben der Gegenüberstellung der reinen Festigkeitswerte wurden zur Beurteilung der Veränderungen im Adhäsionsverhalten die Kontaktflächen der Zugproben auch visuell untersucht. Während bei den Proben mit einer Behandlungszeit von 4s nur Adhäsionsbrüche zwischen Dichtstoff und Substratoberfläche

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erreichen lassen. Die Proben wurden nach der Applikation auf Seite 36) gelagert und anschließend einer statische

tatische Zugprüfung, DBE-Handgerät, Beton gebürstet/Silcoferm S, Elastoprimer 135, Verfahren A

egenüber den unbehandelten Proben durch die Plasmabehandlung deutliche Steigerungen in der Haftung erreichen. Die Zugspannung der unbehandelten

erreichbare Dehnung bei 106 % (l0 = 12 mm). Nach einer Plasma gszeit von 4 s tritt bereits eine Steigerung der Dehnung von 53

nur ein geringer Unterschied im Vergleich zu den unbehandelten Proben sichtbar. Wird die Behandlungszeit auf 8 s erhöht, steigt die Zugspannung

eine Dehnung von 173 % erreichbar. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung ist bei dieser Art Elastomerproben bereits bei geringen Dehnungen nicht mehr linear. Dies hängt mit den Materialeigenschaften aber auch mit der Querschnittsveränderung der Probe zusammen. Da alle Proben unter

rden, sind die Ergebnisse aber bezüglich der jeweils erreichten mit einander vergleichbar.

, dass mit den hier noch verwendeten einfachen Plasmaverfahren swerte der chemische Primerung noch nicht erreichbar sind.

vollständigen Substitution dieses zeitintensiven und umweltbedenklichen Verfahrens durch eine „physikalische“ Primerung sind also noch Verbesserungen bei den Plasmaverfahren

Verlauf dieses Projektes auch erreicht wurden (siehe dazu Seite Abbildung 42).

ist festzuhalten, dass bereits mit einer Plasmabehandlung mit dem DBE Zugspannung um 13 %, und der Dehnung um 63 %

ine weitere Steigerung der Behandlungszeit ließ sich keineVerbesserung in den Adhäsionskennwerten erreichen. Derartig lange Behandlungszeiten wären auch unter baupraktischen Gesichtspunkten wenig realistisch. Weiterentwicklung der Plasmatechnologie wurde also insbesondere auch eReduktion der Behandlungszeiten erwartet.

Visuelle Beurteilung der Kontaktflächen

Neben der Gegenüberstellung der reinen Festigkeitswerte wurden zur Beurteilung der Veränderungen im Adhäsionsverhalten die Kontaktflächen der Zugproben auch visuell

Während bei den Proben mit einer Behandlungszeit von 4s nur Adhäsionsbrüche schen Dichtstoff und Substratoberfläche auftreten, sind bei einer Behandlungszeit von 8s

Seite 49 von Seite 49 von 78

nach der Applikation nach Verfahren A statischen Zugprüfung

Handgerät, Beton gebürstet/Silcoferm S, Elastoprimer

egenüber den unbehandelten Proben durch die Plasmabehandlung deutliche Die Zugspannung der unbehandelten Referenzproben

. Nach einer Plasma gszeit von 4 s tritt bereits eine Steigerung der Dehnung von 53 % auf. Bei der

Unterschied im Vergleich zu den unbehandelten Zugspannung auf 0,36

Der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung ist bei dieser Art Elastomerproben bereits bei geringen Dehnungen nicht mehr linear. Dies hängt mit den Materialeigenschaften aber auch mit der

lle Proben unter identischen bezüglich der jeweils erreichten

mit den hier noch verwendeten einfachen Plasmaverfahren erreichbar sind. Bis zur

vollständigen Substitution dieses zeitintensiven und umweltbedenklichen Verfahrens durch noch Verbesserungen bei den Plasmaverfahren

Verlauf dieses Projektes auch erreicht wurden (siehe dazu Seite 53,

asmabehandlung mit dem DBE-Dehnung um 63 % möglich

ließ sich keine weitere Derartig lange Behandlungszeiten

wären auch unter baupraktischen Gesichtspunkten wenig realistisch. Von einer insbesondere auch eine weitere

Neben der Gegenüberstellung der reinen Festigkeitswerte wurden zur Beurteilung der Veränderungen im Adhäsionsverhalten die Kontaktflächen der Zugproben auch visuell

Während bei den Proben mit einer Behandlungszeit von 4s nur Adhäsionsbrüche auftreten, sind bei einer Behandlungszeit von 8s

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bereits Mischbrüche (Adhäsionszur Substratfläche weiter gesteigert werden konnte. In der folgenden Abbilduexemplarisch Kontaktflächen der geprüften Proben gegenüber gestellt.

Abbildung 36: Mikroskopische Aufnahme Die unbehandelten Proben und die mit einer Plasmaanhaftende Dichtstoffpartikel auf. Ein wesentlich größerer Anteil von Dichtstoffresten ist bei den mit 8s plasmabehandelten Proben zu erkennen.zu beobachten, dass sich die Dichtstoffpartikel ohne PlasmabehaZuschlagkörner anlagern. Der Zuschlag besteht überwiegend aus Quarz (SiOQuarzoberfläche befinden sich ausreichend OHwährend der Aushärtung eine chemische Bindung oder Wasserstoausbilden können. Hier kann die Plasmabehandlung verbessern! Eine Steigerung der Haftung ist nur die später dargestellten Resultate der analytischen Untersucauf dieses Ergebnis ist ansatzweise in mit Verlängerung der Plasmabehandlung an den Matrixbestandteilen zu.

7.1.2.2 Statische Zugprüfung

Während die Substrate „Beton, gder Plasmabehandlung auswiesen, zeigte die Untersuchung der Substrate „Beton, nass geschnitten“, dass bei den statischen Belastungsversuchen ab einem bestimmten Optimierungsstand der Plasmaauftraten. Das Niveau der erreichten Haftfestigkeiten und Dehnungen liegt für alle Behandlungsarten nahezu gleichauf (siehe

Abbildung 37: Statische Zugprüfung, DBE

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Mischbrüche (Adhäsions-/Kohäsionsbrüche) zu erkennen. Dies zeigt, dass der Kontakt zur Substratfläche weiter gesteigert werden konnte. In der folgenden Abbilduexemplarisch Kontaktflächen der geprüften Proben gegenüber gestellt.

Mikroskopische Aufnahmen der Substrate, Beton gebürstet

Die unbehandelten Proben und die mit einer Plasmabehandlung von 4s weisen nDichtstoffpartikel auf. Ein wesentlich größerer Anteil von Dichtstoffresten ist bei

den mit 8s plasmabehandelten Proben zu erkennen. Bei genauerer Betrachtung ist außerdem zu beobachten, dass sich die Dichtstoffpartikel ohne Plasmabehandlung hauptsächlich an den Zuschlagkörner anlagern. Der Zuschlag besteht überwiegend aus Quarz (SiOQuarzoberfläche befinden sich ausreichend OH-Gruppen, die mit dem Silikonwährend der Aushärtung eine chemische Bindung oder Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden können. Hier kann die Plasmabehandlung die Adhäsionsfähigkeit kaum verbessern! Eine Steigerung der Haftung ist nur über die Aktivierung der Matrix möglich, wie die später dargestellten Resultate der analytischen Untersuchungen bestätigen.auf dieses Ergebnis ist ansatzweise in Abbildung 39 erkennbar ist. Hier nimmt die Haftung

der Plasmabehandlung an den Matrixbestandteilen zu.

Statische Zugprüfung , Beton geschnitten, Normalklima

Während die Substrate „Beton, gebürstet“ durchaus noch Verbesserungspotenzial bezüglich der Plasmabehandlung auswiesen, zeigte die Untersuchung der Substrate „Beton, nass

, dass bei den statischen Belastungsversuchen ab einem bestimmten Optimierungsstand der Plasmabehandlung ausschließlich Kohäsionsbrüche im Dichtstoff

Das Niveau der erreichten Haftfestigkeiten und Dehnungen liegt für alle Behandlungsarten nahezu gleichauf (siehe Abbildung 37).

Statische Zugprüfung, DBE-Handgerät, Beton nass geschnitten/Silcoferm S,

Elastoprimer 135, Verfahren A

Seite 50 von Seite 50 von 78

/Kohäsionsbrüche) zu erkennen. Dies zeigt, dass der Kontakt zur Substratfläche weiter gesteigert werden konnte. In der folgenden Abbildung sind

der Substrate, Beton gebürstet

behandlung von 4s weisen nur wenige Dichtstoffpartikel auf. Ein wesentlich größerer Anteil von Dichtstoffresten ist bei

Bei genauerer Betrachtung ist außerdem ndlung hauptsächlich an den

Zuschlagkörner anlagern. Der Zuschlag besteht überwiegend aus Quarz (SiO2). An der Gruppen, die mit dem Silikon-Dichtstoff

ffbrückenbindungen Adhäsionsfähigkeit kaum weiter

Matrix möglich, wie hungen bestätigen. Ein Hinweis

erkennbar ist. Hier nimmt die Haftung

ebürstet“ durchaus noch Verbesserungspotenzial bezüglich der Plasmabehandlung auswiesen, zeigte die Untersuchung der Substrate „Beton, nass

, dass bei den statischen Belastungsversuchen ab einem bestimmten g ausschließlich Kohäsionsbrüche im Dichtstoff

Das Niveau der erreichten Haftfestigkeiten und Dehnungen liegt für alle

Handgerät, Beton nass geschnitten/Silcoferm S,

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Eine Erklärung für dieses Verhalten könnte sein, geschnitten“ gegenüber dem Substrat „Bedingungen für die Ausbildung eines Adhäsionsverbundes zu einem Silikondichtstoff bietetDies könnte zwanglos damit erklärt werden, überproportional viele angeschnittene Quarzkörner mit Plasmabehandlung guten Adhäsionseigenschaften zur Verfügunggebürsteten Oberflächen liegt Zuschlagkörner aus Quarz durch die BürstOberfläche heraus gebrochen Dieses Problem war insbesondere bei den baupraktisch besonders relevanten, hochelastischen Dichtstoffen zu beobachten, da diese mit dem Adhäsionsvermögens nicht mehr in der Lage sind, die notwendigen Kräfte zum Erzielen eines Adhäsionsbruches zu übertragen. Folge war, dass weitere Verbesserungen im Adhäsionsverbund nicht mehr beurteilbar waren.

7.1.2.3 Statische Zugprüfung

Abhilfe sollte dadurch geschaffen werden, dass die Probekörper durch dynamische Wechselbeanspruchung – wie sie auch in der Praxis zum Beispiel durch Temperaturwechselzyklen auftreten – entsprechend Verfahrewurden. Nach Abschluss der zyklischen Bestatisch bis zum Versagen belastet. eine wesentlich höhere Belastung dar. Allerdings ließ sich die erhoffte bessere Differenzierung nur in relativ geringem Umfang beobachten nachdem auch die Behandlungszeiten halbiert wurdenVerbesserungen gegenüber der unbehandelten Oberfläche nachweisbar. Nwar das Niveau der Referenzprobe beziehungsweise der chemisch geprimerten Probe erreicht und keine Verbesserung mehr möglich. Bei den Dehnungen waren keine Differenzierungen möglich, da die Maximalwerte bereits nach 2 Sekunden Plasmabeanspruchung erreicht waren.

Abbildung 38: Statische Zugprüfung, DBE

7.1.2.4 Statische Zugprüfung, Polystyrol,

An den Polystyrol-Proben wurden sowohl statische Zugprüfungen als auch Raupentests durchgeführt. In Abbildung 39die Zugspannung und Dehnung, dargestellt.

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Eine Erklärung für dieses Verhalten könnte sein, dass die Substratoberfläche „“ gegenüber dem Substrat „Beton, gebürstet“ allgemein bereits

Bedingungen für die Ausbildung eines Adhäsionsverbundes zu einem Silikondichtstoff bietetDies könnte zwanglos damit erklärt werden, dass durch den Sägeschnitt

angeschnittene Quarzkörner mit per se bereits ohne guten Adhäsionseigenschaften zur Verfügung

gebürsteten Oberflächen liegt dagegen mehr Zementsteinmatrix Zuschlagkörner aus Quarz durch die Bürstenbehandlung nahezu vollständig aus der

wurden.

Dieses Problem war insbesondere bei den baupraktisch besonders relevanten, stoffen zu beobachten, da diese mit dem Erreichen eines bestimmten

Adhäsionsvermögens nicht mehr in der Lage sind, die notwendigen Kräfte zum Erzielen eines Adhäsionsbruches zu übertragen. Folge war, dass weitere Verbesserungen im Adhäsionsverbund nicht mehr beurteilbar waren.

Zugprüfung , Beton geschnitten, Temperaturwechsel

dadurch geschaffen werden, dass die Probekörper durch dynamische wie sie auch in der Praxis zum Beispiel durch Temperaturentsprechend Verfahren B (siehe Kapitel 6.5

. Nach Abschluss der zyklischen Beanspruchung wurden die Proben statisch bis zum Versagen belastet. Diese Vorgehensweise stellte für den Adhäsionsverbund eine wesentlich höhere Belastung dar. Allerdings ließ sich die erhoffte bessere Differenzierung nur in relativ geringem Umfang beobachten (Abbildung nachdem auch die Behandlungszeiten halbiert wurden. Bereits nach 2 Sekundenwaren Verbesserungen gegenüber der unbehandelten Oberfläche nachweisbar. Nwar das Niveau der Referenzprobe beziehungsweise der chemisch geprimerten Probe erreicht und keine Verbesserung mehr möglich. Bei den Dehnungen waren keine Differenzierungen möglich, da die Maximalwerte bereits nach 2 Sekunden

chung erreicht waren.

tatische Zugprüfung, DBE-Handgerät, Beton nass geschnitten/Silcoferm S,

Elastoprimer 135, Verfahren B

Statische Zugprüfung, Polystyrol, Normalklima

roben wurden sowohl statische Zugprüfungen als auch Raupentests 39 sind die gemittelten Werte der Zugprüfung, aufgetragen fü

die Zugspannung und Dehnung, dargestellt.

Seite 51 von Seite 51 von 78

Substratoberfläche „Beton, allgemein bereits günstigere

Bedingungen für die Ausbildung eines Adhäsionsverbundes zu einem Silikondichtstoff bietet. den Sägeschnitt oberflächennah

per se bereits ohne stehen. Bei den

Zementsteinmatrix offen, da die behandlung nahezu vollständig aus der

Dieses Problem war insbesondere bei den baupraktisch besonders relevanten, Erreichen eines bestimmten

Adhäsionsvermögens nicht mehr in der Lage sind, die notwendigen Kräfte zum Erzielen eines Adhäsionsbruches zu übertragen. Folge war, dass weitere Verbesserungen im

, Beton geschnitten, Temperaturwechsel

dadurch geschaffen werden, dass die Probekörper durch dynamische wie sie auch in der Praxis zum Beispiel durch Temperatur-

6.5) vorbeansprucht wurden die Proben wie gehabt

Diese Vorgehensweise stellte für den Adhäsionsverbund eine wesentlich höhere Belastung dar. Allerdings ließ sich die erhoffte bessere

Abbildung 38) und auch erst, Bereits nach 2 Sekundenwaren

Verbesserungen gegenüber der unbehandelten Oberfläche nachweisbar. Nach 4 Sekunden war das Niveau der Referenzprobe beziehungsweise der chemisch geprimerten Probe erreicht und keine Verbesserung mehr möglich. Bei den Dehnungen waren keine Differenzierungen möglich, da die Maximalwerte bereits nach 2 Sekunden

Handgerät, Beton nass geschnitten/Silcoferm S,

roben wurden sowohl statische Zugprüfungen als auch Raupentests sind die gemittelten Werte der Zugprüfung, aufgetragen für

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Abbildung 39: Statische Zugprüfung, DBE

Es ist zu erkennen, dass der Dichtstoff eine schlechte HaftungProben besitzt. Dabei werden nur eine Zugspannung von 0,15 N/mm61 % erreicht. Alle unbehandelten Proben weisen Adhäsionsbrüche auf, es sind keine Dichtstoffreste auf den Prüfoberflächen zu erkennen. Bereits nac2 s ist die Haftung optimal, d.h. es treten nur noch Kohäsionsbrüche auf. Die Endhaftung entspricht der Kohäsionserreichen ebenfalls die Festigkeitswerte des Dierreichten Haftungsfestigkeiten nur Kohäsionsbrüche auf. Aufgrund der sehr guten Ergebnisse die erfolgten keine ergänzenden UntersuchungEinsatz einer weiterentwickelten Plasmatechnik hier keine weiteren Verbesserungen mehr bringen würde.

7.1.2.5 Raupentest , Beton sandgestrahlt,

Die zweite Gruppe von mechanischen Untersuchungsverfahren Raupentests gebildet. Bei diesen Untersuchungensandgestrahlt begonnen. Dieses Substrat weist eine ähnliche Oberflächentextur wie das gebürstete Substrat der Zugprobekörper auf. In der Abbildung 40 sind die gemittelten Werte Proben erreichen eine mittlere die Haftung gesteigert. Nach einer Behandlungs1,2, nach 8 s eine Haftungswertung von 2 erreicht. Der Haftungswertung von 5 der primerbehandelten Proben wird jedoch nicht Unterschied zwischen der unbehandelten und der für 4 Sekunden plasmabehandelten Probe ist wegen der subjektive Art der Resultatsbewertung noch kaum belastbar. bei längerer Plasmabehandlung auch mit diesem Testverfahren eindeutige Verbesseder Adhäsionseigenschaften nachweisbar.

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tatische Zugprüfung, DBE-Handgerät, Polystyrol/Silcoferm S, Elastoprimer 150,

Verfahren A

Es ist zu erkennen, dass der Dichtstoff eine schlechte Haftung auf den unbehandelten Proben besitzt. Dabei werden nur eine Zugspannung von 0,15 N/mm2 und eine Dehnung von

% erreicht. Alle unbehandelten Proben weisen Adhäsionsbrüche auf, es sind keine Dichtstoffreste auf den Prüfoberflächen zu erkennen. Bereits nach einer Behandlungszeit von 2 s ist die Haftung optimal, d.h. es treten nur noch Kohäsionsbrüche auf. Die

aftung entspricht der Kohäsionsfestigkeit des Dichtstoffs. Die primerbehandelten Proben erreichen ebenfalls die Festigkeitswerte des Dichtstoffes. Auch hier treten infolge der erreichten Haftungsfestigkeiten nur Kohäsionsbrüche auf.

Aufgrund der sehr guten Ergebnisse die bereits mit dem DBE-Handgerät erreicht wurden, Untersuchungen von Polystyrol mit dem Plasmajet

Einsatz einer weiterentwickelten Plasmatechnik hier keine weiteren Verbesserungen mehr

, Beton sandgestrahlt, Normalklima

Die zweite Gruppe von mechanischen Untersuchungsverfahren wird durch dieBei diesen Untersuchungen wurde mit dem

Dieses Substrat weist eine ähnliche Oberflächentextur wie das gebürstete Substrat der Zugprobekörper auf.

sind die gemittelten Werte aus 5 Proben dargestellt. Die unbehandelten mittlere Haftungswertung von 0,8. Durch die Plasmabehandlung w

die Haftung gesteigert. Nach einer Behandlungszeit von 4 s wird eine Haftungswertung von 1,2, nach 8 s eine Haftungswertung von 2 erreicht. Der Haftungswertung von 5 der primerbehandelten Proben wird jedoch nicht annähernd erreicht. Der relativ geringUnterschied zwischen der unbehandelten und der für 4 Sekunden plasmabehandelten Probe ist wegen der subjektive Art der Resultatsbewertung noch kaum belastbar. bei längerer Plasmabehandlung auch mit diesem Testverfahren eindeutige Verbesseder Adhäsionseigenschaften nachweisbar.

Seite 52 von Seite 52 von 78

Handgerät, Polystyrol/Silcoferm S, Elastoprimer 150,

auf den unbehandelten und eine Dehnung von

% erreicht. Alle unbehandelten Proben weisen Adhäsionsbrüche auf, es sind keine h einer Behandlungszeit von

2 s ist die Haftung optimal, d.h. es treten nur noch Kohäsionsbrüche auf. Die erreichte festigkeit des Dichtstoffs. Die primerbehandelten Proben

chtstoffes. Auch hier treten infolge der

Handgerät erreicht wurden, von Polystyrol mit dem Plasmajet, da auch der

Einsatz einer weiterentwickelten Plasmatechnik hier keine weiteren Verbesserungen mehr

durch die sogenannten wurde mit dem Substrat Beton

Dieses Substrat weist eine ähnliche Oberflächentextur wie das

Proben dargestellt. Die unbehandelten Haftungswertung von 0,8. Durch die Plasmabehandlung wird

zeit von 4 s wird eine Haftungswertung von 1,2, nach 8 s eine Haftungswertung von 2 erreicht. Der Haftungswertung von 5 der

Der relativ geringe Unterschied zwischen der unbehandelten und der für 4 Sekunden plasmabehandelten Probe ist wegen der subjektive Art der Resultatsbewertung noch kaum belastbar. Allerdings sind bei längerer Plasmabehandlung auch mit diesem Testverfahren eindeutige Verbesserungen

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Abbildung 40: Raupentest, DBE

7.1.2.6 Raupentest , Beton

Bei Betonoberflächen, auf denen sich Zementhaut befindet, tritt ein weiteres Phänomen bei den Haftungsmechanismen auf. Hier ist insgesamt mit einer schlechtedie Tatsache, dass die Zementhaut sich bei Belastung zusammen Plasmabehandlung keine Haftungsverbesserung In der folgenden Abbildung sind die Ergebnisse deZementhaut dargestellt. Die Behandlung in die Belastung nach Verfahren A.

Abbildung 41: Raupentest, DBE

Es wird deutlich, dass durch die chemische Primerung eine Verfestigung des Untergrundes und eine Verbindung der lose anhaftenden Zementhaut mit dem Untergrund gelingen. Dieser Effekt ist durch eine physikalische Primerung wie die Plasmabehandlung nicht erzielbar.

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Raupentest, DBE-Handgerät, Beton sandgestrahlt/Silcoferm S, Elastoprimer 135,

Verfahren A

, Beton mit Zementhaut, Normalklima

Bei Betonoberflächen, auf denen sich zum Beispiel nach der Ausschalung tritt ein weiteres Phänomen bei den Haftungsmechanismen auf. Hier schlechten Haftung von Dichtstoffen zu rechen. Der Grund hierfür

die Tatsache, dass die Zementhaut selbst keine hohe Haftung auf dem Substrat besitzt und zusammen mit dem Dichtstoff ablöst. Daher ist

Plasmabehandlung keine Haftungsverbesserung zu erwarten.

ung sind die Ergebnisse des Raupentests mit den Proben mit Zementhaut dargestellt. Die Behandlung in Abbildung 41 erfolgte mit dem DBE

elastung nach Verfahren A.

Raupentest, DBE-Handgerät, Beton mit Zementhaut/Silcoferm S, Elastoprimer 135,

Verfahren A

Es wird deutlich, dass durch die chemische Primerung eine Verfestigung des Untergrundes eine Verbindung der lose anhaftenden Zementhaut mit dem Untergrund gelingen. Dieser

Effekt ist durch eine physikalische Primerung wie die Plasmabehandlung nicht erzielbar.

Seite 53 von Seite 53 von 78

Handgerät, Beton sandgestrahlt/Silcoferm S, Elastoprimer 135,

zum Beispiel nach der Ausschalung noch die tritt ein weiteres Phänomen bei den Haftungsmechanismen auf. Hier

. Der Grund hierfür ist keine hohe Haftung auf dem Substrat besitzt und

auch durch eine

Raupentests mit den Proben mit erfolgte mit dem DBE-Handgerät,

/Silcoferm S, Elastoprimer 135,

Es wird deutlich, dass durch die chemische Primerung eine Verfestigung des Untergrundes eine Verbindung der lose anhaftenden Zementhaut mit dem Untergrund gelingen. Dieser

Effekt ist durch eine physikalische Primerung wie die Plasmabehandlung nicht erzielbar.

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7.1.3 Stat ionärer Plasmajet

Während der Entwicklung des mobilen Plasmajet stand anfangs nPlasmaquelle zur Verfügung. Zur Übertragung von Erfahrungen mit dem Jetprinzip und zur Ermittlung von belastbaren Zwischenresultaten wurde parallel zur DBEJet verwendet. Vorteilhaft gegenüber der DBE ist die wPlasmastrahls in texturierte Oberflächen, nachteilig ist, dass der stationäre Jet anders als der neu entwickelte mobile Jet mit Argon als Plasmamedium betrieben wird. Dies führt zu einer geringfügig geringeren OberflächeLeistungsdichte der verwendeten Strahlquelle wieder ausgeglichen. Der Behandlungsabstand betrug in allen Fällen 2 mm.

7.1.3.1 Statische Zugprüfung

Abbildung 42: statische Zugprüfung, stationärer Jet, Beton gebürstet/Silcoferm S, Elastoprimer 135,

Um die Vergleichbarkeit der Resultate zu gewährleisten, wurden die Untersuchungen mit dem stationären Jet wieder mit dem Substrat Behandlungszeiten begonnen.Proben eine Zugspannung von 0,33Behandlungszeit von 8 s liegt die Dehnung bereits im BereicDichtstoffes und ist damit vergleichbar mit deübertreffen im direkten Vergleich die Bei einer Behandlungszeit von 4 s sind teilweise MischBehandlungszeit von 8 s treten Proben erreichen sowohl bei der Zugspannung als auch bei der Dehnung die Werte des Dichtstoffs selbst. Hier treten nur Kohäsionsbrüche auf. In der folgenden Abbildung sind exemplarisch die Kontaktflächen der geprüften Proben dargestellt. Durch die Plasmabehandlung tritt eine deutliche Steigerung der Haftung zwischen dem Substrat Beton und dem Dichtstoff auf. Auch hier haftet der Dichtstoff überwiegend an den Zuschlagkörnern.

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ionärer Plasmajet

Während der Entwicklung des mobilen Plasmajet stand anfangs nur das DBEPlasmaquelle zur Verfügung. Zur Übertragung von Erfahrungen mit dem Jetprinzip und zur Ermittlung von belastbaren Zwischenresultaten wurde parallel zur DBE auch ein stationärer Jet verwendet. Vorteilhaft gegenüber der DBE ist die wesentlich bessere Eindringtiefe des Plasmastrahls in texturierte Oberflächen, nachteilig ist, dass der stationäre Jet anders als der neu entwickelte mobile Jet mit Argon als Plasmamedium betrieben wird. Dies führt zu einer geringfügig geringeren Oberflächenaktivierung. Dieser Effekt wird zum Teil durch die höhere Leistungsdichte der verwendeten Strahlquelle wieder ausgeglichen. Der Behandlungsabstand

Statische Zugprüfung , Beton gebürstet, Normalklima

statische Zugprüfung, stationärer Jet, Beton gebürstet/Silcoferm S, Elastoprimer 135,

Verfahren A

Um die Vergleichbarkeit der Resultate zu gewährleisten, wurden die Untersuchungen mit dem stationären Jet wieder mit dem Substrat Beton, gebürstet und mit identischen

begonnen. Nach einer Behandlungszeit von 4s ergeben sich bei den Proben eine Zugspannung von 0,33 N/mm² und eine Dehnung von 177 %. Bei einer Behandlungszeit von 8 s liegt die Dehnung bereits im Bereich der maximalen Dehnung des Dichtstoffes und ist damit vergleichbar mit der einer chemischen Primerungübertreffen im direkten Vergleich die der mit dem DBE Handgerät behandelten Proben.

Bei einer Behandlungszeit von 4 s sind teilweise Mischbrüche zu beobachten, bei einer Behandlungszeit von 8 s treten auch Kohäsionsbrüche auf. Die mit Primer behandelten Proben erreichen sowohl bei der Zugspannung als auch bei der Dehnung die Werte des

treten nur Kohäsionsbrüche auf.

In der folgenden Abbildung sind exemplarisch die Kontaktflächen der geprüften Proben dargestellt. Durch die Plasmabehandlung tritt eine deutliche Steigerung der Haftung zwischen dem Substrat Beton und dem Dichtstoff auf. Auch hier haftet der Dichtstoff

erwiegend an den Zuschlagkörnern.

Seite 54 von Seite 54 von 78

ur das DBE-Handgerät als Plasmaquelle zur Verfügung. Zur Übertragung von Erfahrungen mit dem Jetprinzip und zur

auch ein stationärer esentlich bessere Eindringtiefe des

Plasmastrahls in texturierte Oberflächen, nachteilig ist, dass der stationäre Jet anders als der neu entwickelte mobile Jet mit Argon als Plasmamedium betrieben wird. Dies führt zu einer

naktivierung. Dieser Effekt wird zum Teil durch die höhere Leistungsdichte der verwendeten Strahlquelle wieder ausgeglichen. Der Behandlungsabstand

statische Zugprüfung, stationärer Jet, Beton gebürstet/Silcoferm S, Elastoprimer 135,

Um die Vergleichbarkeit der Resultate zu gewährleisten, wurden die Untersuchungen mit und mit identischen

Nach einer Behandlungszeit von 4s ergeben sich bei den N/mm² und eine Dehnung von 177 %. Bei einer

h der maximalen Dehnung des einer chemischen Primerung. Diese Werte

mit dem DBE Handgerät behandelten Proben.

brüche zu beobachten, bei einer Kohäsionsbrüche auf. Die mit Primer behandelten

Proben erreichen sowohl bei der Zugspannung als auch bei der Dehnung die Werte des

In der folgenden Abbildung sind exemplarisch die Kontaktflächen der geprüften Proben dargestellt. Durch die Plasmabehandlung tritt eine deutliche Steigerung der Haftung zwischen dem Substrat Beton und dem Dichtstoff auf. Auch hier haftet der Dichtstoff

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Abbildung 43: Mikroskopische Aufnahme der Substrate, Beton gebürstet Im direkten Vergleich der beiden eingesetzten Plasmaquellen, erweist sich der Plasmajet als die geeignetere Quelle zur Behandlung der Oberfläche Beton. Ein Grund hierfür liegt besseren Erreichbarkeit der Oberflächenelemente durch den Plasmastrahl unPlasmaleistung des Jets (siehe Kapitel

7.1.3.2 Dynamischer Zugprüfung

Während die bisher vorgestellten Ergebnisse mittels statischer Zugprüfung gezogen wurden, erfolgte die Zugprüfung in diesem Fall zur Ermöglichung einer Differenzierung dynamisch (siehe Kapitel 6.6.1 auf SeiteWechselbelastung der Fugen im Realfall simuliert. Die ProBelastungszyklen der halben, mittleren Bruchlast beansprucht und anschließend bis zum Versagen gezogen.

Abbildung 44: Dynamische Zugprüfung, stationärer Jet, Beton nass geschnitten/Silcofe

Das Gesamtniveau der Resultate liegungefähr auf dem Niveau der mit dem DBEgebürstet (siehe Abbildung 35von den Behandlungszeiten nun deutlich differenzieren. Für die unbehandelten Proben liegt die Zugspannung bei 0,27 N/mm Es ist nun offensichtlich, dass sich durch eine dem stationären Jet die Adhäsionseigenschaften weiter verbessern lassen. Für die Zugspannung sind hier Steigerungen um bis zu 37 % erreichbar, für die Dehnung bis zu 73 %. Dieser Effekt war bei den bereits nach kurzen Behandlungszeiten identischen Festigkeitsniveaus auf Höhe der

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Mikroskopische Aufnahme der Substrate, Beton gebürstet

Im direkten Vergleich der beiden eingesetzten Plasmaquellen, erweist sich der Plasmajet als die geeignetere Quelle zur Behandlung der Oberfläche Beton. Ein Grund hierfür liegt besseren Erreichbarkeit der Oberflächenelemente durch den Plasmastrahl un

leistung des Jets (siehe Kapitel 0).

Dynamischer Zugprüfung , Beton geschnitten, Normalklima

Während die bisher vorgestellten Ergebnisse mittels statischer Zugprüfung gezogen wurden, erfolgte die Zugprüfung in diesem Fall zur Ermöglichung einer Differenzierung dynamisch

auf Seite 39). Hiermit wird die andauernde mechanische Wechselbelastung der Fugen im Realfall simuliert. Die Proben wurden jeweils mit 5000 Belastungszyklen der halben, mittleren Bruchlast beansprucht und anschließend bis zum

ynamische Zugprüfung, stationärer Jet, Beton nass geschnitten/Silcofe

Elastoprimer 135, Verfahren A

Resultate liegt erwartungsgemäß deutlich niedriger als zuvor, ungefähr auf dem Niveau der mit dem DBE-Handgerät erzielten Festigkeiten auf Beton

35 auf Seite 49). Dafür lassen sich die Resultate in Abhängigkeit Behandlungszeiten nun deutlich differenzieren. Für die unbehandelten Proben liegt

die Zugspannung bei 0,27 N/mm2, die Dehnung bei 94 %.

offensichtlich, dass sich durch eine weitere Steigerung der BehandlungsAdhäsionseigenschaften weiter verbessern lassen. Für die

Zugspannung sind hier Steigerungen um bis zu 37 % erreichbar, für die Dehnung bis zu %. Dieser Effekt war bei den bereits nach kurzen Behandlungszeiten identischen

niveaus auf Höhe der Kohäsionsfestigkeit des Dichtstoffes bei der rein statischen

Seite 55 von Seite 55 von 78

Mikroskopische Aufnahme der Substrate, Beton gebürstet

Im direkten Vergleich der beiden eingesetzten Plasmaquellen, erweist sich der Plasmajet als die geeignetere Quelle zur Behandlung der Oberfläche Beton. Ein Grund hierfür liegt in der besseren Erreichbarkeit der Oberflächenelemente durch den Plasmastrahl und in der höheren

Normalklima

Während die bisher vorgestellten Ergebnisse mittels statischer Zugprüfung gezogen wurden, erfolgte die Zugprüfung in diesem Fall zur Ermöglichung einer Differenzierung dynamisch

). Hiermit wird die andauernde mechanische ben wurden jeweils mit 5000

Belastungszyklen der halben, mittleren Bruchlast beansprucht und anschließend bis zum

ynamische Zugprüfung, stationärer Jet, Beton nass geschnitten/Silcoferm S,

deutlich niedriger als zuvor, Handgerät erzielten Festigkeiten auf Beton

). Dafür lassen sich die Resultate in Abhängigkeit Behandlungszeiten nun deutlich differenzieren. Für die unbehandelten Proben liegt

Steigerung der Behandlungszeiten mit Adhäsionseigenschaften weiter verbessern lassen. Für die

Zugspannung sind hier Steigerungen um bis zu 37 % erreichbar, für die Dehnung bis zu %. Dieser Effekt war bei den bereits nach kurzen Behandlungszeiten identischen

Kohäsionsfestigkeit des Dichtstoffes bei der rein statischen

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Belastung nicht erkennbar. Aktivierbarkeit der Substrate bereits erreicht war.

Abbildung 45: Mikroskopische Die Haftungsverbesserung durch das Plasma ist auch bei Betrachtung der Prüfoberflächen zu erkennen. In Abbildung 45 typischen Prüfoberflächen zu sehen. Bei den unbehandelten Oberflächen sind einige kleine Dichtstoffreste auf einzelnen Zuschlagkörnern zu beobachten. Nach einer Behandlungszeit von 8 s sind größere Anteile von Dichtstoffresten auf der Oberfläche zu sehen, die sich nun über mehrere Körner erstreckenAdhäsionsfläche mit einschließen

7.1.3.3 Statische Zugprüfung

Ein weiteres baupraktisch relevantes Untersuchungsszenario stellte die Nachstellung des sogenannten Sanierfalles (siehe Prüfkörperaufbau und ein gleiches Belastungsspektrum wie bei den normalen Zugproben gewählt. Lediglich die DichtstoffapplikatiSanierungssituation auf einem „verunreinigten“ Substrat, so dass gHaftung des Dichtstoffs auf der Prüffläche erwartetdes alten Dichtstoffs haftet der neuSubstratoberfläche mit den Dichtstoffresten erfolgte in der Mitte der Projektlaufzeit die Untersuchungen mit der DBE bereits abgeschlossen waren. Es hatte sich gezeigt,ausreichend war. Die Diagramme stellen im Vergleich zu unbehandelten Referenzproben die Steigerung der Festigkeiten und Dehnungen bei unterschiedlichen Behandlungszeiten dar. Die Zugprüfungen erfolgten dabei statisch (Abbildung

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Hier wurde der Eindruck vermittelt, dass die maximale Aktivierbarkeit der Substrate bereits erreicht war.

Mikroskopische Aufnahme der Substrate, Beton nass geschnitten

Die Haftungsverbesserung durch das Plasma ist auch bei Betrachtung der Prüfoberflächen zu sind die für unbehandelte und plasmabehandelte Proben

typischen Prüfoberflächen zu sehen. Bei den unbehandelten Oberflächen sind einige kleine Dichtstoffreste auf einzelnen Zuschlagkörnern zu beobachten. Nach einer Behandlungszeit

nd größere Anteile von Dichtstoffresten auf der Oberfläche zu sehen, die sich nun über mehrere Körner erstrecken und ähnlich wie bei der DBE die Zementsteinmatrix als Adhäsionsfläche mit einschließen.

Statische Zugprüfung - Sanierfall, Beton gebürstet, No rmalklima

Ein weiteres baupraktisch relevantes Untersuchungsszenario stellte die Nachstellung des sogenannten Sanierfalles (siehe 6.3.4, Seite 24 ) dar. Hier wird ein identischer Prüfkörperaufbau und ein gleiches Belastungsspektrum wie bei den normalen Zugproben gewählt. Lediglich die Dichtstoffapplikation erfolgt entsprechend einer realen Sanierungssituation auf einem „verunreinigten“ Substrat, so dass generell eine verHaftung des Dichtstoffs auf der Prüffläche erwartet wird. Auf den unpolaren Silides alten Dichtstoffs haftet der neue Dichtstoff nur schlecht. Die Aktivierung der Substratoberfläche mit den Dichtstoffresten erfolgte generell nur mit dem stationären Jet, da in der Mitte der Projektlaufzeit die Untersuchungen mit der DBE bereits abgeschlossen waren. Es hatte sich gezeigt, dass deren Leistungsdichte für belastbare Ergebnisse nicht

Die Diagramme stellen im Vergleich zu unbehandelten Referenzproben die Steigerung der Festigkeiten und Dehnungen bei unterschiedlichen Behandlungszeiten dar. Die Zugprüfungen

Abbildung 46) als auch dynamisch (Abbildung 47).

Seite 56 von Seite 56 von 78

Hier wurde der Eindruck vermittelt, dass die maximale

Aufnahme der Substrate, Beton nass geschnitten

Die Haftungsverbesserung durch das Plasma ist auch bei Betrachtung der Prüfoberflächen zu sind die für unbehandelte und plasmabehandelte Proben

typischen Prüfoberflächen zu sehen. Bei den unbehandelten Oberflächen sind einige kleine Dichtstoffreste auf einzelnen Zuschlagkörnern zu beobachten. Nach einer Behandlungszeit

nd größere Anteile von Dichtstoffresten auf der Oberfläche zu sehen, die sich nun und ähnlich wie bei der DBE die Zementsteinmatrix als

rmalklima

Ein weiteres baupraktisch relevantes Untersuchungsszenario stellte die Nachstellung des ) dar. Hier wird ein identischer

Prüfkörperaufbau und ein gleiches Belastungsspektrum wie bei den normalen Zugproben on erfolgt entsprechend einer realen

enerell eine verminderte . Auf den unpolaren Silikonresten

e Dichtstoff nur schlecht. Die Aktivierung der mit dem stationären Jet, da

in der Mitte der Projektlaufzeit die Untersuchungen mit der DBE bereits abgeschlossen dass deren Leistungsdichte für belastbare Ergebnisse nicht

Die Diagramme stellen im Vergleich zu unbehandelten Referenzproben die Steigerung der Festigkeiten und Dehnungen bei unterschiedlichen Behandlungszeiten dar. Die Zugprüfungen

).

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Abbildung 46: Statische Zugprüfung, stationärer Jet, Sanierungsfall auf Beton gebürstet,

Die Resultate der statischen Zugprüfung zeigen, dass sich gerade für den baupraktisch von den Projektpartnern als besonders kritisch eingestuften Fall der Applikation von frischen Dichtstoffen auf alte Dichtstoffreste eine deutliche erreichen lässt. In diesem Fall ist der Einsatz von geeigneten Primern besonders schwierig, da diese jeweils auf das häufig nicht mehr bekannte Vormaterial abgestimmt sein müssten. Aufwendige Analysen vor Ort sind in der Regel vollkommen unrealPlasmatechnologie als konkurrenzlose Alternative an.

7.1.3.4 Dynamische Zugprüfung

Abbildung 47: Dynamische Zugprüfung, stationärer Jet, Sanierungsfall auf Bet

Das positive Ergebnis der statischen Prüfung kann durch die dynamische Prüfung wesentlich härteren Belastungsfall unbehandelten „Sanierproben“ „Normalproben“(siehe Abbildung einer Behandlungszeit von 4 s ist bereits eine deutliche Verbesserung derDehnung beobachtbar. Nach einer Plasmabehandlung von 8 s lassen sich die Zugund die erreichbare Dehnung verdoppeln!

7.1.3.5 Raupentest , Beton sandgestrahlt,

Auch bei dem Raupentest kann gezeigt werden, dass sich durch den Einsaleistungsstärkeren stationären Jets erreichen lässt (Abbildung 48Haftungswertung von 2,9 erreicht.Differenzierung zwischen unbehandelten und kurzzeitig plasmabehandelten Oberflächen fällt

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Statische Zugprüfung, stationärer Jet, Sanierungsfall auf Beton gebürstet, Verfahren A

Die Resultate der statischen Zugprüfung zeigen, dass sich gerade für den baupraktisch von den Projektpartnern als besonders kritisch eingestuften Fall der Applikation von frischen Dichtstoffen auf alte Dichtstoffreste eine deutliche Verbesserung der Haftunerreichen lässt. In diesem Fall ist der Einsatz von geeigneten Primern besonders schwierig,

häufig nicht mehr bekannte Vormaterial abgestimmt sein müssten. Aufwendige Analysen vor Ort sind in der Regel vollkommen unrealistisch. Hier bietet sich die Plasmatechnologie als konkurrenzlose Alternative an.

Dynamische Zugprüfung Sanierfall , Beton geschnitten,

Dynamische Zugprüfung, stationärer Jet, Sanierungsfall auf Beton nass geschnitten,

Verfahren A

Das positive Ergebnis der statischen Prüfung kann durch die dynamische Prüfung wesentlich härteren Belastungsfall – voll bestätigt werden. Zwar liegt hier dasunbehandelten „Sanierproben“ wie vermutet tiefer, als das der

Abbildung 42 auf Seite 54 und Abbildung 44 auf Seite einer Behandlungszeit von 4 s ist bereits eine deutliche Verbesserung derDehnung beobachtbar. Nach einer Plasmabehandlung von 8 s lassen sich die Zugund die erreichbare Dehnung verdoppeln!

, Beton sandgestrahlt, Normalklima

Auch bei dem Raupentest kann gezeigt werden, dass sich durch den Einsaleistungsstärkeren stationären Jets eine weitere Steigerung des Adhäsionsverbundes

48). Hier wird nach einer Behandlungszeit von 8 s eine Haftungswertung von 2,9 erreicht. Auch die bei Einsatz der DBE noch sehr geringe Differenzierung zwischen unbehandelten und kurzzeitig plasmabehandelten Oberflächen fällt

Seite 57 von Seite 57 von 78

Statische Zugprüfung, stationärer Jet, Sanierungsfall auf Beton gebürstet,

Die Resultate der statischen Zugprüfung zeigen, dass sich gerade für den baupraktisch von den Projektpartnern als besonders kritisch eingestuften Fall der Applikation von frischen

Verbesserung der Haftungssituation erreichen lässt. In diesem Fall ist der Einsatz von geeigneten Primern besonders schwierig,

häufig nicht mehr bekannte Vormaterial abgestimmt sein müssten. istisch. Hier bietet sich die

, Beton geschnitten, Normalklima

on nass geschnitten,

Das positive Ergebnis der statischen Prüfung kann durch die dynamische Prüfung – also den voll bestätigt werden. Zwar liegt hier das Niveau der

der unbehandelten auf Seite 55), aber nach

einer Behandlungszeit von 4 s ist bereits eine deutliche Verbesserung der Spannung und Dehnung beobachtbar. Nach einer Plasmabehandlung von 8 s lassen sich die Zugspannung

Auch bei dem Raupentest kann gezeigt werden, dass sich durch den Einsatz des des Adhäsionsverbundes

ngszeit von 8 s eine Auch die bei Einsatz der DBE noch sehr geringe

Differenzierung zwischen unbehandelten und kurzzeitig plasmabehandelten Oberflächen fällt

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in diesem Fall deutlich klarer aus. Bereits nach einer Behandlunergeben sich eindeutige Verbesserungen

Abbildung 48: Raupentest, stationärer Jet, Beton sandgestrahlt/Silcoferm S, Elastoprimer 135,

7.1.3.6 Raupentest , Beton

Abbildung 49: Raupentest, stationärer Jet, Beton

Bei den Substraten Beton mit Zementhaut ist aber aus bekannten Gründen auch mit dem leistungsstärkeren Jet kein Erfolg zu erzielen. durch die Plasmabehandlung keine Haftungswird eine hohe Haftungsverbesserung erreicht. Damit ist auch die Haftfestigkeit zwischen Substrat und Dichtstoff wesentlich höher.

7.1.3.7 Raupentest, Polystyrol,

Dagegen kann das Plasmaverfahren bei den Kunststoffen seine volle Leistungsfähigkeit auch gegenüber den Primern aufzeigen. Der Fall ist ähnlich gelagert, wie beim Sanierfall, nur das für bekannte Kunststoffe in der Regel speziell abgestimmte Primer zur VerNoch deutlicher als bei den Zugversuchen an Kunststoffen wird der positive Plasmaeffekt bei den Raupentests mit dem Substrat Bedingungen eingehalten, wie bei der statischen Zugprüfung zu Silcoferm S (Abbildung 50, links) wurde auch Silcofug E (Auch hier kann eine deutliche Haftungsgeringer Behandlungszeit nachgewiesen werden.

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in diesem Fall deutlich klarer aus. Bereits nach einer Behandlungszeit von 4 Sekunden ergeben sich eindeutige Verbesserungen im Abreißverhalten der Raupen.

Raupentest, stationärer Jet, Beton sandgestrahlt/Silcoferm S, Elastoprimer 135,

Verfahren A

, Beton mit Zementhaut, Normalklima

Raupentest, stationärer Jet, Beton mit Zementhaut /Silcoferm S, Elastoprimer 135,

Verfahren A

Bei den Substraten Beton mit Zementhaut ist aber aus bekannten Gründen auch mit dem gsstärkeren Jet kein Erfolg zu erzielen. Es ist zu erkennen, dass, wie schon vermutet,

durch die Plasmabehandlung keine Haftungssteigerung erreichbar ist. Beim Primer hingegen verbesserung durch die zusätzliche Verfestigung des Unt

. Damit ist auch die Haftfestigkeit zwischen Substrat und Dichtstoff wesentlich höher.

Raupentest, Polystyrol, Normalklima

Dagegen kann das Plasmaverfahren bei den Kunststoffen seine volle Leistungsfähigkeit auch gegenüber den Primern aufzeigen. Der Fall ist ähnlich gelagert, wie beim Sanierfall, nur das für bekannte Kunststoffe in der Regel speziell abgestimmte Primer zur VerNoch deutlicher als bei den Zugversuchen an Kunststoffen wird der positive Plasmaeffekt bei

mit dem Substrat Polystyrol. Beim Raupentest wurden dieselben , wie bei der statischen Zugprüfung an Polystyrol

, links) wurde auch Silcofug E (Abbildung 50, rechts) verwendet. Auch hier kann eine deutliche Haftungsverbesserung durch das Plasma schon nach einer geringer Behandlungszeit nachgewiesen werden.

Seite 58 von Seite 58 von 78

gszeit von 4 Sekunden

Raupentest, stationärer Jet, Beton sandgestrahlt/Silcoferm S, Elastoprimer 135,

/Silcoferm S, Elastoprimer 135,

Bei den Substraten Beton mit Zementhaut ist aber aus bekannten Gründen auch mit dem Es ist zu erkennen, dass, wie schon vermutet,

steigerung erreichbar ist. Beim Primer hingegen Verfestigung des Untergrundes

. Damit ist auch die Haftfestigkeit zwischen Substrat und Dichtstoff wesentlich höher.

Dagegen kann das Plasmaverfahren bei den Kunststoffen seine volle Leistungsfähigkeit auch gegenüber den Primern aufzeigen. Der Fall ist ähnlich gelagert, wie beim Sanierfall, nur das für bekannte Kunststoffe in der Regel speziell abgestimmte Primer zur Verfügung stehen. Noch deutlicher als bei den Zugversuchen an Kunststoffen wird der positive Plasmaeffekt bei

Beim Raupentest wurden dieselben Polystyrol-Proben. Zusätzlich

, rechts) verwendet. besserung durch das Plasma schon nach einer

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Abbildung 50: Raupentest, stationärer Jet, Polystyrol/Silcoferm S (rechts), Polystyrol/Silcofug E (links), Elastoprimer 150, Verfahren A

Die unbehandelten und primerbehandelten Proben erreichen jeweils eine Wertung von 0,1. Weder auf den unbehandelten, noch auf denDichtstoffreste zu sehen. Die plasmabehandelten Proben hingegen erreichen bereits nach einer Behandlungszeit von 2 s eine Wertung von 5. Diese gute Haftung ist ebenfalls durch den großen Anteil von Dichtstoffresten audes Raupentest sind für beide Dichtstoffe identisch. Dies zeigt, dass die Haftungsbesserung durch Plasma auf Polystyrol für

7.1.4 Mobiler Plasmajet

Am Ende der Projektlaufzeit stand der neuentwickelte mobile Jet mit atmosphärischem Plasmastrahl zur Verfügung. Parametervariationen an allen Substraten nicht mehr ausreichende zeitVerfügung. Daher wurden abschließend im Wesentlichen mit den Projektpartnern abgestimmte baupraktische Untersuchungen direkt in den Anwendungslaboren der bauchemischen Industrie durchgeführt. Die Auswertungen wurden dabei sowohl in denLaboren der HAWK als auch unmittelbar beim Anwender vorgenommen. In den Untersuchungsfokus mit einbezogen wurden zusätzliche Substrate, die sich als besonders praxisrelevant erwiesen hatten, wie zum Beispiel einen Seite häufig auftretende Sanitäracryl. Dieses Substrat gilt als besonders problematisch und Versagensereignisse in diesem Bereich als besonders

7.1.4.1 Statische Zugprüfung

Die nachfolgend beschriebenen Resultate von wSubstraten Beton nass geschnittenPrüfungen wurden ergänzend zu den Prüfungen an der HAWK durchgeführt, um den Behandlungserfolg auch unter Die Proben wurden mit dem mobilen Plasmajet behandelt, die Zugprüfung erfolgte in Anlehnung an DIN 18540 mit einer Prüfgeschwindigkeit von erfolgte keine Abstufung der PlasmabehandlungszeitenPlasmabehandlung und Applikation des Dichtstoffesder Effekt einer Plasmabehandlung anhält. Stunden nach erfolgter Behandlung.

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Raupentest, stationärer Jet, Polystyrol/Silcoferm S (rechts), Polystyrol/Silcofug E

(links), Elastoprimer 150, Verfahren A

Die unbehandelten und primerbehandelten Proben erreichen jeweils eine Wertung von 0,1. Weder auf den unbehandelten, noch auf den primerbehandelten Probe

reste zu sehen. Die plasmabehandelten Proben hingegen erreichen bereits nach einer Behandlungszeit von 2 s eine Wertung von 5. Diese gute Haftung ist ebenfalls durch den großen Anteil von Dichtstoffresten auf den Prüfoberflächen zu erkennen. Die Ergebnisse des Raupentest sind für beide Dichtstoffe identisch. Dies zeigt, dass die Haftungsbesserung durch Plasma auf Polystyrol für verschiedene Silikondichtstoffe erreich

Mobiler Plasmajet / Baupraktische Prüfungen

Am Ende der Projektlaufzeit stand der neuentwickelte mobile Jet mit atmosphärischem Leider standen zur Nachstellung aller bisher durchgeführten

Parametervariationen an allen Substraten nicht mehr ausreichende zeitliche Ressourcen zur Verfügung. Daher wurden abschließend im Wesentlichen mit den Projektpartnern abgestimmte baupraktische Untersuchungen direkt in den Anwendungslaboren der bauchemischen Industrie durchgeführt. Die Auswertungen wurden dabei sowohl in denLaboren der HAWK als auch unmittelbar beim Anwender vorgenommen. In den Untersuchungsfokus mit einbezogen wurden zusätzliche Substrate, die sich als besonders praxisrelevant erwiesen hatten, wie zum Beispiel das bei der Zweiflankenhaftung auf der

ite häufig auftretende Sanitäracryl. Dieses Substrat gilt als besonders problematisch und Versagensereignisse in diesem Bereich als besonders heikel.

Statische Zugprüfung , Beton geschnitten, Normalklima

Die nachfolgend beschriebenen Resultate von weiteren statischen Zugprüfungen mit den Beton nass geschnitten wurden im Prüflabor der PCI in Augsburg

Prüfungen wurden ergänzend zu den Prüfungen an der HAWK durchgeführt, um den Behandlungserfolg auch unter nicht labormäßigen Bedingungen zu überprüfen.

Die Proben wurden mit dem mobilen Plasmajet behandelt, die Zugprüfung erfolgte in Anlehnung an DIN 18540 mit einer Prüfgeschwindigkeit von 6 mm/min. An dieser Stelle erfolgte keine Abstufung der Plasmabehandlungszeiten, sondern der WaPlasmabehandlung und Applikation des Dichtstoffes. Hier sollte überprüft werden, wie lange der Effekt einer Plasmabehandlung anhält. Der Auftrag des Dichtstoffs erfolgte Stunden nach erfolgter Behandlung. Abbildung 51 zeigt die Ergebnisse.

Seite 59 von Seite 59 von 78

Raupentest, stationärer Jet, Polystyrol/Silcoferm S (rechts), Polystyrol/Silcofug E

Die unbehandelten und primerbehandelten Proben erreichen jeweils eine Wertung von 0,1. primerbehandelten Probekörpern sind

reste zu sehen. Die plasmabehandelten Proben hingegen erreichen bereits nach einer Behandlungszeit von 2 s eine Wertung von 5. Diese gute Haftung ist ebenfalls durch

f den Prüfoberflächen zu erkennen. Die Ergebnisse des Raupentest sind für beide Dichtstoffe identisch. Dies zeigt, dass die Haftungsver-

Silikondichtstoffe erreichbar ist.

Am Ende der Projektlaufzeit stand der neuentwickelte mobile Jet mit atmosphärischem Leider standen zur Nachstellung aller bisher durchgeführten

liche Ressourcen zur Verfügung. Daher wurden abschließend im Wesentlichen mit den Projektpartnern abgestimmte baupraktische Untersuchungen direkt in den Anwendungslaboren der bauchemischen Industrie durchgeführt. Die Auswertungen wurden dabei sowohl in den Laboren der HAWK als auch unmittelbar beim Anwender vorgenommen. In den Untersuchungsfokus mit einbezogen wurden zusätzliche Substrate, die sich als besonders

das bei der Zweiflankenhaftung auf der ite häufig auftretende Sanitäracryl. Dieses Substrat gilt als besonders problematisch

Zugprüfungen mit den im Prüflabor der PCI in Augsburg ermittelt. Diese

Prüfungen wurden ergänzend zu den Prüfungen an der HAWK durchgeführt, um den ngen zu überprüfen.

Die Proben wurden mit dem mobilen Plasmajet behandelt, die Zugprüfung erfolgte in mm/min. An dieser Stelle

, sondern der Wartezeit zwischen . Hier sollte überprüft werden, wie lange

erfolgte sofort und 2

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unbehandelt Plasma Plasma Primer 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5Z

ugsp

annu

ng /

N/m

m^2

sofort nach 2 hunbehandelt Plasma Plasma Primer

0

50

100

150

200

sofort nach 2 h

Deh

nung

/ %

Abbildung 51: Statische Zugprüfung, mobiler Jet, Beton nass geschnitten/Silcoferm S,

Elastoprimer 110, Verfahren A, PCI Unglücklicher Weise wurden für diese Untersuchungen Substrate ausgewählt, welche sich bereits bei der Behandlung mittels der DBE und dem stationären Jet als wenig differenzierend herausgestellt hatten, da bereits die unbehandelten Proben bei der verwendeten Dichtstoffart sehr gute Adhäsionswerte aufwiesen. Leider ließ sich dieser Fehler aufgrund der schwierigen Terminabstimmung mit den Projektpartner gegen Ende des Projektes nicht mehr korrigieren.

7.1.4.2 Statische Zugprüfung, Beton geschnitten, Nasslageru ng

Als eine Möglichkeit, die auf gleichem Niveau liegenden Proben hinsichtlich ihrer Adhäsionseigenschaften zu differenzieren, wurde vom Projektpartner eine an die Applikation folgende Feuchtelagerung der Proben (siehe 6.5.3, Seite 36) durchgeführt.

unbehandelt Plasma Plasma Primer 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

sofort nach 2 h

Zug

span

nung

/ N

/mm

^2

unbehandelt Plasma Plasma Primer 0

50

100

150

200

sofort nach 2 h

Deh

nung

/ %

Abbildung 52: Statische Zugprüfung, mobiler Jet, Beton nass geschnitten/Silcoferm S,

Elastoprimer 110, Nasslagerung, PCI Ein erwartetes Resultat ist, dass die absoluten Werte aufgrund der Nasslagerung vergleichsweise niedriger liegen. Lediglich durch eine Primerung lässt sich die Zugspannung um 37% von 0,16 N/mm² auf 0,22 N/mm² steigern, die Dehnung wurde verdoppelt. Das ursprüngliche Festigkeitsniveau von 0,43 N/mm² wurde nicht erreicht. Hier sind Unterschiede zu den Ergebnissen auf Beton nass geschnitten nach der dynamischen Wechselbeanspruchung (Abbildung 38) und auch nach der dynamischen

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Zugprüfung (Abbildung 44) erkennbar. Hier wurde durch eine Primerung das ursprüngliche Niveau wieder hergestellt und Steigerungen der Zugspannung um bis zu 67 % erzielt. Der Grund für dieses erklärungsbedürftige Phänomen wird beim verwendeten Primer vermutet. Statt des standardmäßig eingesetzten Primers Elastoprimer 135 musste bei den am Ende der Projektlaufzeit durchgeführten Versuchen auf einen neuen Primer umgestellt werden, da der bisher benutze Primer vom Markt genommen wurde. Der neue Primer - Elastoprimer 110 -wird in dem aktuellen Datenblatt zwar für das hier verwendete System empfohlen, nicht aber in älteren Datenblättern (siehe Kapitel 6.2.2 auf Seite 21). Der hier benutzte Primer ist ausweislich der erzielten schlechteren Resultate weniger gut für das hier verwendete System - Beton/alkoxyvernetzendes Silikon - geeignet. Das bereits an anderer Stelle diskutierte Problem der relativ schmalen Anwendungsbandbreite bei der Verwendung eines dedizierten Primers tritt hier wieder zutage. Es ist anders als bei einer physikalischen Primerung durch Plasmaeinsatz extrem wichtig, den jeweiligen Primer auf das jeweilige Substrat und den Dichtstoff abzustimmen. Im ungünstigsten Fall erfolgt sogar eine Verschlechterung der Haftung. Hier wird ein große Vorteil der Plasmabehandlung deutlich: eine Plasmabehandlung kann universell für jedes System Substrat/ Dichtstoff angewendet werden, im Gegensatz zum Primer ist keine spezielle Anpassung erforderlich. Allerdings kann, führt eine Plasmabehandlung in diesem Fall auch zu keiner Verbesserung der Haftung. Nach der Wartezeit von 2 h scheint sich der Wert sogar zu verschlechtern. Eine über die bereits erwähnte Verwendung der ungeeigneten Substrate hinaus gehende Erklärung für dieses eher unerwartete Ergebnis konnte bisher nicht gefunden werden.

7.1.4.3 Statische Zugprüfung, Sanitäracryl, Normalklima

Wesentlich bessere Ergebnisse werden bei dem vom Anwender neu in den Untersuchungsfokus eingebrachten Sanitäracryl erreicht. Dieser Kunststoff zeigte vor der Plasmabehandlung in allen Fällen kaum eine Haftung zu den beiden eingesetzten Dichtstoffvarianten, es tritt überall adhäsives Versagen auf. Durch eine Plasmabehandlung lässt sich die Zugspannung und damit verbunden auch die Dehnung, wie auch schon beim Polystyrol, erheblich steigern. Die Bruchbilder nach einer Plasmabehandlung zeigen ausschließlich Kohäsionsversagen im Dichtstoff.

unbehandelt Plasma Plasma0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

sofort nach 2 h

Zug

span

nung

/ N

/mm

^2

unbehandelt Plasma Plasma0

50

100

150

200

250

sofort nach 2 h

Deh

nung

/ %

Abbildung 53: Statische Zugprüfung, mobiler Plasmajet, Sanitäracryl/Silcoferm S, Verfahren A, PCI

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Seite 62 von

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unbehandelt Plasma Plasma0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

sofort nach 2 h

Zug

span

nung

/ N

/mm

^2

unbehandelt Plasma Plasma0

50

100

150

200

250

sofort nach 2 h

Deh

nung

/ %

Abbildung 54: Statische Zugprüfung, mobiler Plasmajet, Sanitäracryl/Silcofug E, Verfahren A, PCI

Neben der Untersuchung der Steigerung der Adhäsion wurde auch bei diesen Proben der für die praktische Anwendung wichtigen Frage nachgegangen, wie lange nach einer Plasmabehandlung der Aktivierungseffekt anhält. Es zeigt sich (siehe Abbildung 53 und Abbildung 54), dass selbst nach einer Wartezeit von 2 Stunden noch keine gravierenden Einbußen in den mechanischen Werten zu verzeichnen sind. Auch in diesem Fall treten überwiegend Kohäsionsbrüche auf. Lediglich eine Probe von insgesamt 5 Proben aus dem System Sanitäracryl/Silcofug E zeigt teilweise Adhäsionsbrüche. Damit konnte gezeigt werden, dass sie Wirksamkeit einer Plasmabehandlung über einen längeren Zeitraum anhält. Dies ist für die Praxistauglichkeit des Verfahrens von erheblicher Bedeutung.

7.1.4.4 Statische Zugprüfung, Polypropylen, Normalklima

Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Kunststoffen wurde im Anwendungslabor der PCI als weiterer im Bauwesen verbreiteter Kunststoff das insbesondere im Rohrleitungsbau häufig eingesetzte Polypropylen getestet. Auch hier stand die Frage nach der Dauer der Plasmawirkung im Vordergrund der Untersuchungen. Dazu wurde, wie gehabt ein Teil der Proben unmittelbar nach der Plasmabehandlung mit dem Dichtstoff versehen, der andere Teil erst nach zwei Stunden. Als Dichtstoffe kamen wieder Silcoferm S und Silcofug E zum Einsatz. Die gemittelten Werte für die Zugspannung und die Dehnung sind in Abbildung 55 ausgewiesen.

unbehandelt Plasma Plasma0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

sofort nach 2 h

Zug

span

nung

/ N

/mm

^2

unbehandelt Plasma Plasma0

50

100

150

200

sofort nach 2 h

Deh

nung

/ %

Abbildung 55: statische Zugprüfung, mobiler Plasmajet, Polypropylen/Silcofug E, Verfahren A, PCI

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7.1.4.5 Haftzugprüfung , Beton schalungsglatt,

Als weitere baupraktische Anwendungsprüfung wurden in Abstimmung mit den Anwendern typische Abreißversuche an plasmabehandelten SubstratenVersuchsaufbau entsprach der in Die Vergleichbarkeit der Resultate Versuchsreihe überprüft (siehe wurde bereits festgestellt, dass sich aufgrund der abweichenden Prüfgeschwindigkeit der sonst üblichen 10 mm/min geringfügig höhere Werteniveaus einstellen. Haftzugprüfungen für Beton schalungsglatt

Abbildung 56: Haftzugprüfungschalungsglatt/ Silcoferm S, Elastoprimer

Es zeigt sich, dass die klassische Haftzugprüfung den Effekt der Adhäsionsverbesserung durch eine Plasmabehandlung gut abbilden kann. Selbst an dem Substrat Beton schalungsglatt, welches sich bei den Raupentests als schwierig erwiesen hat, lassen sich deutliche Steigerungen der Zugsmobilen Plasmajets im Vergleich zum DBEsind aber die notwendigen, nur noch ist bereits nach 1,5 s erreicht! Mit den beiden anderen Plasmaquellen waren hierfür 8 s notwendig. Durch die Plasmavorbehandlung der schalungsglatten Betonoberfläche mit dem mobilen Jet lässt sich die Zugspannung um 35 % steigern. Auch dies überFestigkeitssteigerungen deutlich. Bei den statischen Zugprüfungen aus Kapitel Steigerungen von 12 % (DBEeiner Behandlungsdauer von 8 s erreicht. Lediglich bei den dynaKapitel 7.1.3.2 wurde ein VerVergleich zu den beiden anderen PlasmaSubstrate geeignet ist und bereits in der jetzigen Entwicklungsstufe sehr guteergebnisse liefert. Das vergleichsweise schlechte Abschneiden des chemischen Primers liegt vermutlich an dem auch hier verwendeten Elastoprimer 110. Offensichtlich besitzt dieser nacheingeführte Primer (siehe 7.1.4.2Produkteigenschaften.

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, Beton schalungsglatt, Normalklima

Als weitere baupraktische Anwendungsprüfung wurden in Abstimmung mit den Anwendern typische Abreißversuche an plasmabehandelten Substraten durchgeführt.Versuchsaufbau entsprach der in Abbildung 12 auf Seite 24 gezeigten Anordnung.

der Resultate mit den Zugversuchen wurde in einer separaten Versuchsreihe überprüft (siehe Kap. 6.3.2, Seite 23, beziehungsweise Abbildung wurde bereits festgestellt, dass sich aufgrund der abweichenden Prüfgeschwindigkeit

10 mm/min werden bei den Haftzugprüfungen 6 mm/mingeringfügig höhere Werteniveaus einstellen. Abbildung 56 zeigt die Ergebnisse der

Beton schalungsglatt.

Haftzugprüfung (baupraktischer Einsatz, s. Abbildung 12), mobiler Jet, Beton schalungsglatt/ Silcoferm S, Elastoprimer 110, Verfahren A

ssische Haftzugprüfung den Effekt der Adhäsionsverbesserung durch eine Plasmabehandlung gut abbilden kann. Selbst an dem Substrat Beton schalungsglatt, welches sich bei den Raupentests als schwierig erwiesen hat, lassen sich deutliche Steigerungen der Zugspannung nachweisen. Der auffälligste Unterschied des mobilen Plasmajets im Vergleich zum DBE-Handgerät oder auch zum stationären Plasmajet

notwendigen, nur noch sehr kurzen Behandlungszeiten. Ein maximaler Effekt ht! Mit den beiden anderen Plasmaquellen waren hierfür 8 s

Durch die Plasmavorbehandlung der schalungsglatten Betonoberfläche mit dem mobilen Jet lässt sich die Zugspannung um 35 % steigern. Auch dies übertrifft die bisher erhaltenen

steigerungen deutlich. Bei den statischen Zugprüfungen aus Kapitel Steigerungen von 12 % (DBE-Handgerät) bzw. 16 % (stationärer Jet, Kapitel

dauer von 8 s erreicht. Lediglich bei den dynamischen Zugprüfungen in wurde ein Verbesserung um 37 % erzielt. Dies zeigt, dass der mobile Jet im

Vergleich zu den beiden anderen Plasmaquellen besser zur Behandlung der mineralischen ereits in der jetzigen Entwicklungsstufe sehr gute

Das vergleichsweise schlechte Abschneiden des chemischen Primers liegt vermutlich hier verwendeten Elastoprimer 110. Offensichtlich besitzt dieser nach

7.1.4.2) für das hier verwendete System nicht die

Seite 63 von Seite 63 von 78

Als weitere baupraktische Anwendungsprüfung wurden in Abstimmung mit den Anwendern durchgeführt. Der

gezeigten Anordnung.

wurde in einer separaten Abbildung 28). Hier

wurde bereits festgestellt, dass sich aufgrund der abweichenden Prüfgeschwindigkeit - statt 6 mm/min eingestellt -

zeigt die Ergebnisse der

), mobiler Jet, Beton

ssische Haftzugprüfung den Effekt der Adhäsionsverbesserung durch eine Plasmabehandlung gut abbilden kann. Selbst an dem Substrat Beton schalungsglatt, welches sich bei den Raupentests als schwierig erwiesen hat, lassen sich

Der auffälligste Unterschied des zum stationären Plasmajet

sehr kurzen Behandlungszeiten. Ein maximaler Effekt ht! Mit den beiden anderen Plasmaquellen waren hierfür 8 s

Durch die Plasmavorbehandlung der schalungsglatten Betonoberfläche mit dem mobilen Jet trifft die bisher erhaltenen

steigerungen deutlich. Bei den statischen Zugprüfungen aus Kapitel 7.1.2 wurden , Kapitel 7.1.3) nach

mischen Zugprüfungen in . Dies zeigt, dass der mobile Jet im zur Behandlung der mineralischen

ereits in der jetzigen Entwicklungsstufe sehr gute Behandlungs-

Das vergleichsweise schlechte Abschneiden des chemischen Primers liegt vermutlich wieder hier verwendeten Elastoprimer 110. Offensichtlich besitzt dieser nachträglich

) für das hier verwendete System nicht die geeigneten

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7.1.4.6 Untersuchung des Temperatureinflusses

Im Zusammenhang mit den Untersuchungen zur Aufklärung der Ursachen der Adhäsionsverbesserung stellte sich die Frage, inwieweit die plasmabedingte Erwärmung der Probenoberfläche während der Behandlung gegebenenfalls zu einem Teil für die nachgewiesenen Verbesserungen verantwortlich ist. Denkbar wären hier Effekte wie eine temperaturbedingte kurzfristige Reduzierung der Oberflächenfeuchtigkeit und eine damit verbundene Steigerung des Adhäsionsvermögens. In einem ersten Untersuchungsschritt wurde die Temperaturveränderung der Probenoberfläche nach verschiedenen Plasmabehandlungszeiten ermittelt. Mit einem kontaktlosen Oberflächenthermometer wurde dazu ein Standardsubstrat vermessen.

Abbildung 57: Abhängigkeit der Oberflächentemperatur eines Betonsubstrates von der

Plasmabehandlungszeit, Mobiler Plasmajet Die maximale Temperaturerhöhung liegt im Bereich der Temperatur der Dielektrika des verwendeten Jets. Auch wenn die absoluten Temperaturen aufgrund der kalten Entladung im moderaten Bereich bleiben, in dem Oberflächenschädigung unwahrscheinlich sind, wird doch deutlich, dass die bei den langen Behandlungszeiten auftretenden Temperaturen größenordnungsmäßig durchaus Sekundäreffekte verursachen könnten. Daher wurden in einem zweiten Untersuchungsschritt im direkten Vergleich thermisch beanspruchte Proben plasmabehandelten Proben gegenüber gestellt. Die thermische Beanspruchung erfolgte wegen der identischen Strömungsbelastung mit einem geregelten Heißluftgebläse. Der Abstand zur Substratoberfläche wurde so gewählt, dass innerhalb einer Sekunde dieselbe Oberflächentemperatur erreicht wurde, wie der Plasmabehandlung.

Abbildung 58: Veränderung der Zugspannung nach Beanspruchung der Substratoberfläche

mit einem Heißluft- und Plasmastrahl

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Mobiler J et

Te

mp

era

tur

in

°

C

Unbehandelt auf

B etonNach 1s auf B eton

Nach 10s auf B eton

Z wis chen D ielektrika

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

S chalungs glatt S andges trahlt

Zu

gs

pa

nn

un

g

in

N

/mm

²

Unbehandelt

F öhn (1 s )

Mobiler J et (1 s )

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Im direkten Vergleich mit unbehandelten Proben zeigt sich, dass die rein thermische Belastung die Haftungswerte unter das Niveau der unbehandelten Proben drückt, während die plasmabehandelten Proben die bekannte Steigerung des Adhäsionsvermögens aufwiesen. Damit konnte gezeigt werden, dass der Effekt der Plasmabehandlung nicht auf einer einfachen oberflächennahen Temperaturveränderung basiert, sondern dass elementarere chemische und physikalische Prozesse ursächlich für die beobachteten Veränderungen verantwortlich sind. Mit der Aufklärung dieser ursächlichen Mechanismen beschäftigt sich das nachfolgende Kapitel.

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7.2 Analytische Untersuchungen

Die bisher beschriebenen Resultate der mechanischen Untersuchungen dokumentieren, dass eine Plasmabehandlung die Adhäsionseigenschaften mineralischer Oberflächen deutlich verbessern kann. Zur Optimierung der Plasmaverfahren und um das Plasma gezielt zur Akti-vierung der Oberflächen unterschiedlicher Substrate einsetzen zu können, ist es aber zusätzlich notwendig, den Mechanismus der Wechselwirkung des Plasmas mit der Betonoberfläche zu verstehen. Zu diesem Zweck wurden sowohl analytische Untersuchungen zur Charakterisierung der Veränderungen der Oberflächenenergie als auch spektroskopische Verfahren zur Darstellung von physikochemischen Oberflächenprozessen eingesetzt.

7.2.1 Übersicht über die durchgeführten analytische n Untersuchungen

Zur Bestimmung der Oberflächenspannung an den Substraten Beton nass geschnitten, Beton mit Zementhaut und Polystyrol wurden Randwinkelmessungen durchgeführt. Eine ausreichend große Oberflächenspannung ist dabei für eine gute Benetzbarkeit der Oberfläche mit dem Dichtstoff essentiell. Die Bestimmung des Randwinkels auf den Betonproben erfolgte dabei aufgrund der Porosität der Proben dynamisch, die auf der Polystyrol-Oberfläche statisch (siehe Kapitel 6.7.1 auf Seite 41). Bei den Messungen wurde jeweils ein Mittelwert aus 10 Messungen gebildet. Bei den Prüfflächen Beton sandgestrahlt und Beton gebürstet wurden keine Kontaktwinkelmessungen durchgeführt, da durch die Rauigkeit der Prüfflächen keine reproduzierbaren Messungen durchgeführt werden konnten. Tabelle 4: Übersicht über die durchgeführten analytischen Untersuchungen an Beton- und

Kunststoffsubstraten

Plasma-quelle

Untersuchungsmethode

Substrat

DBE-

Handgerä

t

Dynamische Randwinkelmessungen

Beton nass geschnitten

Beton mit Zementhaut

Statische Randwinkelmessungen

Polystyrol

Sta

tio-

näre

r Je

t Dynamische Randwinkelmessungen

Beton nass geschnitten

Beton mit Zementhaut

Mobiler Je

t IR-Spektroskopie Beton nass geschnitten

Raman-Spektroskopie Beton nass geschnitten

XPS Beton nass geschnitten

Es ist bekannt, dass eine Erhöhung der Oberflächenspannung auf organischen Substraten durch eine Plasmabehandlung eine Folge der Eintragung sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen ist. Bei mineralischen Substraten muss jedoch ein anderer Mechanismus zum Tragen kommen, da diese bereits vollständig oxidiert sind. Zur Aufklärung der

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Wirkungsweise des Plasmas mit mineralischen Systemen wurden daher zusätzlich spektroskopische Untersuchungen (IR, Raman und XPS) an glatten Betonoberflächen durchgeführt. Eine Übersicht über die durchgeführten Untgibt Tabelle 4. Eine Beschreibung der erhaltenen Ergebnisse folgt in den nachfolgenden Kapiteln.

7.2.2 DBE-Handgerät

7.2.2.1 Dynamische Randwinkelmessungen

In der folgenden Abbildung istProben Beton nass geschnitten dargestellt. rechte den unpolaren Anteil. 59). Die polare Komponente der Oberflächenspannung erhöht sichmit zunehmender Dauer der Behandlungscheint sich eine Sättigung der Aktivierung einzustellen. der Erhöhung der Oberflächenspannung Plasmabehandlung nimmt mit zunehmendem Abstand Plasmaquelle günstig sind offenbar Abstände bis maximal 5 mm. Bei der unpolaren Komponente ist Verringerung der Oberflächenspan

Abbildung 59: Polarer und disperser Anteil der Oberflächenspannung von Beton nass geschnitten,

Die Ergebnisse korrelieren gut mit den Ergebnissen der mechanischen Untersuchungen in Kapitel 7.1.2.2 auf Seite 50Adhäsionsfestigkeit Substrat/ Dichtstoff durch eine Plasmabehandlung nach 8 s beobachtet. Längere Plasmabehandlungszeiten brachten

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Wirkungsweise des Plasmas mit mineralischen Systemen wurden daher zusätzlich spektroskopische Untersuchungen (IR, Raman und XPS) an glatten Betonoberflächen

Eine Übersicht über die durchgeführten Untersuchungen und verwendeten Kombinationen . Eine Beschreibung der erhaltenen Ergebnisse folgt in den nachfolgenden

Randwinkelmessungen , Beton nass geschnitten

ist das Ergebnis der Oberflächenspannungsbestimmungn nass geschnitten dargestellt. Die linke Abbildung zeigt dabei den polaren, die

. Die Behandlung erfolgte mit dem DBE-Handgerät (

Die polare Komponente der Oberflächenspannung erhöht sich durch die PlasmabehandlungDauer der Behandlung deutlich. Ab einer Behandlungszeit

scheint sich eine Sättigung der Aktivierung einzustellen. Eine weitere wesentliche Rolle der Oberflächenspannung spielt der Behandlungsabstand. Der Effekt einer

Plasmabehandlung nimmt mit zunehmendem Abstand Plasmaquelle - Substrat deutlich abgünstig sind offenbar Abstände bis maximal 5 mm.

unpolaren Komponente ist unabhängig vom Behandlungsabstand Verringerung der Oberflächenspannung zu erkennen.

olarer und disperser Anteil der Oberflächenspannung von Beton nass geschnitten, DBE-Handgerät

Die Ergebnisse korrelieren gut mit den Ergebnissen der mechanischen Untersuchungen in 50. Hier wurde ebenfalls eine maximale Steigerung der

keit Substrat/ Dichtstoff durch eine Plasmabehandlung nach 8 s beobachtet. zeiten brachten ebenfalls keine weitere Verbesserung.

Seite 67 von Seite 67 von 78

Wirkungsweise des Plasmas mit mineralischen Systemen wurden daher zusätzlich spektroskopische Untersuchungen (IR, Raman und XPS) an glatten Betonoberflächen

ersuchungen und verwendeten Kombinationen . Eine Beschreibung der erhaltenen Ergebnisse folgt in den nachfolgenden

, Beton nass geschnitten

sbestimmung, für die Die linke Abbildung zeigt dabei den polaren, die

Handgerät (Abbildung

durch die Plasmabehandlung Ab einer Behandlungszeit von t = 8s

wesentliche Rolle bei spielt der Behandlungsabstand. Der Effekt einer

Substrat deutlich ab;

unabhängig vom Behandlungsabstand jeweils eine leichte

olarer und disperser Anteil der Oberflächenspannung von Beton nass geschnitten,

Die Ergebnisse korrelieren gut mit den Ergebnissen der mechanischen Untersuchungen in eine maximale Steigerung der

keit Substrat/ Dichtstoff durch eine Plasmabehandlung nach 8 s beobachtet. erbesserung.

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7.2.2.2 Dynamische Randwinkelmessungen, Beton mit Zementhau t

Die Ergebnisse der dynamischen Kontaktwinkelmessungen für die Proben Zementhaut sind in Abbildung Anders als bei den Substratenallen Behandlungsabständen nur ein geringer Anstieg der Oberflächenspannung zu erkennen. In der Darstellung der unpolaren Komponente ist Oberflächenspannung zu erkennen. Die Oberflächenspannung auf dealso – im Gegensatz zur Oberfläche des reinen Betons beeinflussen.

Abbildung 60: Polarer und disperser Anteil der Oberflächenspannung von Beton

Auch hier entsprechen die Ergebnisse denen der mechanischen Tests (Kapitel 53). Auf den Oberflächen mit Zementhaut nennenswerte Verbesserung der Adhäsion erzielt werden. Haftung ist bei diesen Proben aber sicherlich in der nur finden.

7.2.2.3 Statische Randwinkelmessungen

Insbesondere Kunststoffe weisen oft eine für eine ausreichende Benetzung zu niedrige Oberflächenspannung auf. Eine Erhöhung der Oberflächenspannung verspricht eine bessere Benetzbarkeit und somit eine verbesserte Haftung des Dichtstoffs. Ergebnisse der Oberflächenspannungfür die Polystyrol-Proben dargestellt. Es ist zu erkennen, dass durch eine Plasmabehandlung die polare Komponente schon nach kurzen Behandlungszeiten (2 s) stark ansteigt. Längere Behandlungszeiten über 4 s haben keinen weiteren Effekt mehr. Zusätzlich wird deutlich. Der Behandlungseffekt wird mit zunehmendem Arbeitsabstand geringer. Günstig

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Dynamische Randwinkelmessungen, Beton mit Zementhau t

Die Ergebnisse der dynamischen Kontaktwinkelmessungen für die Proben Abbildung 60 für die polare- und unpolare Komponente dargestellt.

Substraten Beton nass geschnitten ist bei der polaren Komponente bei allen Behandlungsabständen nur ein geringer Anstieg der Oberflächenspannung zu erkennen. In der Darstellung der unpolaren Komponente ist keine Änderung der

spannung zu erkennen. Die Oberflächenspannung auf der Zementhaut lässt sich im Gegensatz zur Oberfläche des reinen Betons – durch eine Plasmabehandlung kaum

olarer und disperser Anteil der Oberflächenspannung von Beton DBE-Handgerät

Auch hier entsprechen die Ergebnisse denen der mechanischen Tests (Kapitel mit Zementhaut konnte durch eine Plasmabehandlung keine

nennenswerte Verbesserung der Adhäsion erzielt werden. Der Hauptgrund für die schlechte Haftung ist bei diesen Proben aber sicherlich in der nur lose anhaftenden Zementhaut zu

Statische Randwinkelmessungen , Polystyrol

Insbesondere Kunststoffe weisen oft eine für eine ausreichende Benetzung zu niedrige Oberflächenspannung auf. Eine Erhöhung der Oberflächenspannung verspricht eine bessere

netzbarkeit und somit eine verbesserte Haftung des Dichtstoffs. In Abbildung Ergebnisse der Oberflächenspannungsbestimmung aus der statischen Kontaktwinkel

roben dargestellt.

Es ist zu erkennen, dass durch eine Plasmabehandlung die polare Komponente schon nach kurzen Behandlungszeiten (2 s) stark ansteigt. Längere Behandlungszeiten über 4 s haben keinen weiteren Effekt mehr. Zusätzlich wird auch hier der Einfluss des Arbeitsdeutlich. Der Behandlungseffekt wird mit zunehmendem Arbeitsabstand geringer. Günstig

Seite 68 von Seite 68 von 78

Dynamische Randwinkelmessungen, Beton mit Zementhau t

Die Ergebnisse der dynamischen Kontaktwinkelmessungen für die Proben Beton mit und unpolare Komponente dargestellt.

ist bei der polaren Komponente bei allen Behandlungsabständen nur ein geringer Anstieg der Oberflächenspannung zu

eine Änderung der r Zementhaut lässt sich

durch eine Plasmabehandlung kaum

olarer und disperser Anteil der Oberflächenspannung von Beton mit Zementhaut,

Auch hier entsprechen die Ergebnisse denen der mechanischen Tests (Kapitel 0 auf Seite konnte durch eine Plasmabehandlung keine

Der Hauptgrund für die schlechte lose anhaftenden Zementhaut zu

Insbesondere Kunststoffe weisen oft eine für eine ausreichende Benetzung zu niedrige Oberflächenspannung auf. Eine Erhöhung der Oberflächenspannung verspricht eine bessere

Abbildung 61 sind die aus der statischen Kontaktwinkelmessung

Es ist zu erkennen, dass durch eine Plasmabehandlung die polare Komponente schon nach kurzen Behandlungszeiten (2 s) stark ansteigt. Längere Behandlungszeiten über 4 s haben

der Einfluss des Arbeitsabstandes deutlich. Der Behandlungseffekt wird mit zunehmendem Arbeitsabstand geringer. Günstig

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sind daher - wie auch schon bei den Betonproben (szu 5 mm. Die unpolare Komponente der Oberflächenspannung einer Plasmabehandlung im Rahmen der Fehlerbalken

Abbildung 61: Polarer und disperser Anteil der Oberflächenspannung

Die Zunahme des polaren Anteils zeigt eine Erhöhung an Gruppen auf der Polymeroberfläche möglichkeiten mit dem Dichtstoff über DipolBindungen.

7.2.3 Stationärer Jet

7.2.3.1 Dynamische Randwinkelmessungen

In den folgenden Abbildungen sind die Ergebnisse der Oberflächenspannungmit dem stationären Jet (Abbildung Die Resultate sind wie gehabt bei der Behandlung mit dem polare Komponente der Oberflächenspannung Ab einer Behandlungszeit von unpolaren Komponenten isterkennen. Unterschiede im Behandlungsergebnis zeigen sich allerdings bei den verschiedenen Arbeitsabständen. Während bei dem DBEwerden kann, lässt der Behandlungseffekt beim stationären Jet schon bei Behandlungsabständen oberhalb von 2 mm deutlich nach. Der Grund kann in der unterschiedlichen Generierung der Plasmen liegen. Während bei dem DBEPlasma gleichmäßig zwischen beiden Elektroden (= Hochspannungselektrode am Gerät und Substrat als Gegenelektrode) brennt, wird das Plasma beim Jet durch den Gasstrom aus den Elektroden ausgetragen. Hier ist ein exponentieller Abfall der Konzentration an reaktiven Teilchen mit zunehmendem Abstand von den Elektroden zu erwarten.

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wie auch schon bei den Betonproben (siehe Abbildung 59) Arbezu 5 mm. Die unpolare Komponente der Oberflächenspannung verändert sich dagegen

im Rahmen der Fehlerbalken kaum.

olarer und disperser Anteil der Oberflächenspannung von Polystyrol, DBE-Handgerät.

Die Zunahme des polaren Anteils zeigt eine Erhöhung an sauerstoffhaltigen, auf der Polymeroberfläche an. Diese bieten zusätzliche Wechselwirkungs

möglichkeiten mit dem Dichtstoff über Dipol-Dipol-Wechselwirkungen oder chemische

Dynamische Randwinkelmessungen , Beton nass gesch

In den folgenden Abbildungen sind die Ergebnisse der OberflächenspannungAbbildung 62) behandelten Proben Beton geschnitten

Die Resultate sind wie gehabt aufgeteilt in polare und unpolare Komponenten. bei der Behandlung mit dem DBE-Handgerät (Kapitel 7.2.2.1 auf S. 67

nente der Oberflächenspannung deutlich mit der Dauer der Behandlungszeit. von t = 8s stellt sich eine Sättigung der Aktivierung ein

aren Komponenten ist eine geringe Verringerung der Oberflächenspannung zu

Unterschiede im Behandlungsergebnis zeigen sich allerdings bei den verschiedenen Arbeitsabständen. Während bei dem DBE-Handgerät mit Abständen bis zu 5 mm gearbeitet werden kann, lässt der Behandlungseffekt beim stationären Jet schon bei

nden oberhalb von 2 mm deutlich nach. Der Grund kann in der unterschiedlichen Generierung der Plasmen liegen. Während bei dem DBEPlasma gleichmäßig zwischen beiden Elektroden (= Hochspannungselektrode am Gerät und

) brennt, wird das Plasma beim Jet durch den Gasstrom aus den Elektroden ausgetragen. Hier ist ein exponentieller Abfall der Konzentration an reaktiven Teilchen mit zunehmendem Abstand von den Elektroden zu erwarten.

Seite 69 von Seite 69 von 78

Arbeitsabstände bis verändert sich dagegen nach

von Polystyrol,

sauerstoffhaltigen, funktionellen an. Diese bieten zusätzliche Wechselwirkungs-

Wechselwirkungen oder chemische

, Beton nass gesch nitten

In den folgenden Abbildungen sind die Ergebnisse der Oberflächenspannungsermittlung an Beton geschnitten dargestellt.

und unpolare Komponenten. Ähnlich wie 67) erhöht sich die

mit der Dauer der Behandlungszeit. stellt sich eine Sättigung der Aktivierung ein. Bei den

eine geringe Verringerung der Oberflächenspannung zu

Unterschiede im Behandlungsergebnis zeigen sich allerdings bei den verschiedenen Handgerät mit Abständen bis zu 5 mm gearbeitet

werden kann, lässt der Behandlungseffekt beim stationären Jet schon bei nden oberhalb von 2 mm deutlich nach. Der Grund kann in der

unterschiedlichen Generierung der Plasmen liegen. Während bei dem DBE-Handgerät das Plasma gleichmäßig zwischen beiden Elektroden (= Hochspannungselektrode am Gerät und

) brennt, wird das Plasma beim Jet durch den Gasstrom aus den Elektroden ausgetragen. Hier ist ein exponentieller Abfall der Konzentration an reaktiven

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Abbildung 62: Polarer und disperser Anteil der Oberflächenspannung von Beton nass geschnitten,

7.2.3.2 Dynamische Randwinkelmessungen, Beton mit Zementhau t

Die Ergebnisse der dynamischen Kontaktwinkelmessungen für die Proben Zementhaut sind in Abbildung Auch hier ist - entsprechend den Ergebnissen mit dem DBEAnstieg der polaren Komponente bei allen Behandlungsabständen der Oberflächenspannung zu erkennen. In der Darstellung der unpolaren Komponente ist kaum eine Änderung der Oberflächenspannung zu erkennen. Die Oberflächenspannung auf der Zementhaut lässtalso – im Gegensatz zur Oberfläche des reinen Betons beeinflussen.

Abbildung 63: Polarer und disperser Anteil der Oberflächenspannung von Beton mit Zementhaut,

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olarer und disperser Anteil der Oberflächenspannung von Beton nass geschnitten, stationärer Jet

Dynamische Randwinkelmessungen, Beton mit Zementhau t

Die Ergebnisse der dynamischen Kontaktwinkelmessungen für die Proben Abbildung 63 für die polare- und unpolare Komponente dargestellt.

entsprechend den Ergebnissen mit dem DBE-Handgerät polaren Komponente bei allen Behandlungsabständen der Oberflächenspannung

zu erkennen. In der Darstellung der unpolaren Komponente ist kaum eine Änderung der spannung zu erkennen. Die Oberflächenspannung auf der Zementhaut lässt

im Gegensatz zur Oberfläche des reinen Betons – durch eine Plasmabehandlung kaum

olarer und disperser Anteil der Oberflächenspannung von Beton mit Zementhaut, stationärer Plasmajet

Seite 70 von Seite 70 von 78

olarer und disperser Anteil der Oberflächenspannung von Beton nass geschnitten,

Dynamische Randwinkelmessungen, Beton mit Zementhau t

Die Ergebnisse der dynamischen Kontaktwinkelmessungen für die Proben Beton mit und unpolare Komponente dargestellt.

Handgerät - nur ein geringer polaren Komponente bei allen Behandlungsabständen der Oberflächenspannung

zu erkennen. In der Darstellung der unpolaren Komponente ist kaum eine Änderung der spannung zu erkennen. Die Oberflächenspannung auf der Zementhaut lässt sich

durch eine Plasmabehandlung kaum

olarer und disperser Anteil der Oberflächenspannung von Beton mit Zementhaut,

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Die Haftung zu einem Dichtstoff lässt sich im Fall von lose anhaftenden Partikeln auf der Oberfläche nicht durch eine Plasmabehandlung verbessern. Hier ist eine Primerung der Oberfläche notwendig.

7.2.4 Mobiler Jet

Während beim Einsatz der vorhandenen Plasmaquellen – DBE-Handgerät und stationärer Plasmajet – vorzugsweise Randwinkelmessungen zur analytischen Charakterisierung der Plasmaoberflächeneffekte eingesetzt wurden, ist der Untersuchungsfokus mit der Verfügbarkeit des mobilen Plasmajets auf spektroskopische Verfahren ausgedehnt worden, da die Entwicklung und Untersuchung dieser Quelle den Projektschwerpunkt bildete. Ein Grund war auch, dass sich im Verlauf des Projektes zeigte, das die anfangs favorisierten IR-Verfahren eine relativ geringe Aussagefähigkeit aufwiesen. Erst die Hinzunahme der Raman- und XPS-Spektroskopie brachte belastbare Aussagen zu den Oberflächeneffekten. Leider stand die Möglichkeit zur Durchführung von ortsaufgelöster Raman-Spektroskopie erst gegen Projektende zur Verfügung, nachdem das Ramanspektrometer aus freigesetzten Projektmitteln durch eine CCD-Kamera ergänzt werden konnte. Da die XPS-Spektroskopie vom Projektpartner zur Verfügung gestellt wurde, war leider auch hier kein unbegrenzter Zugriff auf dieses relativ aufwändige Verfahren möglich. Der Schwerpunkt der diesbezüglichen Untersuchungen wurde daher auf den im Fokus des Projektes stehenden mobilen Jet gelegt.

7.2.4.1 IR-Spektroskopie, Beton nass geschnitten

Nach einer Reihe von Fehlversuchen mit der ATR-Technik wurde versucht, die IR-Spektren von den glatten Betonoberflächen in gerichteter Reflexion aufzunehmen. Zunächst wurde das Spektrum der unbehandelten Probe aufgenommen (Abbildung 64, schwarz). Nach Plasmabehandlung ist dieselbe Probe erneut spektroskopiert (Abbildung 64, rot) worden. Die Umrechnung des Reflexionsspektrums in ein Transmissionsspektrum erfolgt über Kramers-Kronig-Transformation.

Abbildung 64: IR-Reflexionsspektrum einer unbehandelten (schwarz) und einer plasmabehandelten (rot) Betonoberfläche (Kramers-Kronig Transformation)

Zwischen den beiden Spektren ist kein signifikanter Unterschied erkennbar. Ein möglicher Grund liegt in der großen Eindringtiefe der IR-Strahlung in der Größenordnung von mehreren

4400.0 4000 3000 2000 1500 1000 500 400.0

0.7

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

66.8

cm-1

%T

νas(CO32-)

νas(SiO44-)

δ(CO32-) und (SiO4

4-)

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10 µm. Die Wechselwirkung des Plasmas mit der Betonoberfläche findet aber nur in den obersten Moleküllagen, also im nm-Bereich, statt. Dies führt zu einer sehr starken Verdünnung des zu messenden Oberflächeneffekts.

7.2.4.2 Raman-Spektroskopie, Beton nass geschnitten

Beim Beton handelt es sich um ein heterogenes Gemisch, bestehend aus der Zementmatrix und dem Zuschlag, in der Regel Quarz. Mit Hilfe ortsaufgelöster Raman-Spektroskopie lässt sich klären, an welchen Phasen die Adhäsionsverbesserung tatsächlich stattfindet. Abbildung 65 zeigt die Raman-Spektren der Betonoberfläche, links vom Zement und rechts von einem Zuschlagkorn.

Abbildung 65: Raman-Spektrum einer unbehandelten (schwarz) und einer plasmabehandelten (rot)

Betonoberfläche Die Silikat-Banden beim Zuschlag als auch in der Zementmatrix zeigen keine Änderung. Die Carbonat-Banden sind jedoch nach der Plasmabehandlung etwas kleiner geworden. Dies lässt auf eine Abnahme des Carbonatgehalts an der Oberfläche des Zements schließen. Am Zuschlag sind keine Veränderungen nachweisbar. Die plasmabedingten Veränderungen finden demnach im Wesentlichen an den Zementsteinarealen statt.

7.2.4.3 XPS - Photoelektronenspektroskopie, Beton nass gesc hnitten

An der TU Clausthal wurde von der Betonoberfläche Photoelektronenspektren aufgenommen. Abbildung 66 zeigt das Übersichtsspektrum einer unbehandelten und plasmabehandelten Betonoberfläche. Über die energetische Lage lassen sich den einzelnen Peaks die Elemente Si, O, Ca und C zuordnen.

Zement

-0,1

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

cm-1

coun

ts /

arb.

uni

ts

Zuschlag

-0,1

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

cm-1

coun

ts /

arb.

uni

ts

-0,1

1,2

LV(SiO44-)

LV(CO32-)

δ(SiO44-) νs(CO3

2-)

LV(SiO44-)

δ(SiO44-)

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Abbildung 66: XPS-Spektrum mit den Peaks der Elemente einer unbehandelten (schwarz) und einer

plasmabehandelten (rot) Betonoberfläche nass geschnitten Über die genaue Lage der Peaks (chemische Verschiebung) lässt sich den Elemente der jeweilige Bindungszustand zuordnen (Abbildung 67). Die Elemente liegen dementsprechend als Ca-Silikat und -Carbonat vor.

Abbildung 67: Detailaufnahme charakteristischer Peaks, Zuordnung zum chemischen

Bindungszustand Die Auswertung der einzelnen Peaks zeigt, dass der Carbonatgehalt durch die Plasmabe-handlung auf der Betonoberfläche verringert wird. Dies bestätigt das Ergebnis der raman-spektroskopischen Untersuchungen. Zusätzlich zeigt sich beim Ca eine Veränderung in der chemischen Verschiebung, d.h. der Bindungszustand des Ca hat sich durch die Plasma-behandlung geändert. Denkbar ist dabei der folgende Reaktionsmechanismus:

CaCO3 → CaO + CO2 ↑

Beton nass geschnitten

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 100 200 300 400 500 600

binding energy / eV

coun

t rat

e /a

rb. u

nits unbehandelt

5 s Plasma

Si 2p

0

500

1000

1500

2000

98 100 102 104 106 108

binding energy / eV

coun

t rat

e /a

rb. u

nits

C 1s

500

1000

1500

270 280 290 300

binding energy / eV

coun

t rat

e /a

rb. u

nits

Ca 2p

500

1000

1500

2000

2500

3000

343 345 347 349 351 353

binding energy / eV

coun

t rat

e /a

rb. u

nits

O 1s

0

5000

10000

15000

20000

525 527 529 531 533 535

binding energy / eV

coun

t rat

e /a

rb. u

nits

SiO44- CO3

2-

CaCO3 SiO4

4- CO3

2-

O 1s Si 2p

Si 2s

C 1s

Ca 2p

Ca 2s

O 2s

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Sachbericht „Mobile Plasmaquelle“ vom 30.05.2010 Seite 74 von 78

Durch die Plasmabehandlung wird von der Zementoberfläche CO2 freigesetzt. Das verblei-bende CaO kann entweder zu Ca(OH)2 weiterreagieren oder aber in die Silikatstruktur „integriert“ werden. Die chemische Verschiebung zu größeren Bindungsenergien spricht dabei für das entstehen eines Ca-Silikats. Aufgrund der IR-spektroskopischen Unter-suchungen (Abbildung 64) lässt sich aber auch auf das Entstehen von Ca(OH)2 schließen. Die Ergebnisse aus den analytischen Untersuchungen lassen sich daher wie folgt zusammenfassen: Eine Plasmabehandlung verursachte eine Dekarbonatisierung der Zementoberfläche. Hierdurch bilden sich zusätzliche zur Verfügung stehende OH-Gruppen bzw. OH--Ionen, die zu einer Verbesserung der Adhäsion zum Dichtstoff beitragen.

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8 Zusammenfassung

Im Baugewerbe werden Fugen zwischen Bauelementen mit elastischen Fugendichtstoffen abgedichtet. Eine langfristige Dichtheit der Fugen ist dabei das wesentliche Qualitätskriterium. Verschiedene Material- und Umwelteinflüsse können dazu führen, dass sich der Dichtstoff schon nach kurzer Zeit vom Baustoff ablöst. In vielen Fällen werden zur Verbesserung der Haftung chemische Primer eingesetzt. Diese bedeuten jedoch einen höheren Arbeitsaufwand, es müssen definierte Ablüftzeiten eingehalten werden und der Primer muss genau auf das jeweilige System Substrat-Dichtstoff abgestimmt sein. Ziel dieses Vorhabens war die Entwicklung einer praxistauglichen, mobilen Plasmaquelle zur Vorbehandlung von Fugen und Baustoffoberflächen. Durch die Plasmavorbehandlung soll - im Sinne einer physikalischen Primerung - die Haftung zwischen Bau- und Dichtstoffen verbessert werden. Eine Plasmabehandlung bietet im Vergleich zu einer Primerung entscheidende Vorteile: Der Arbeitsaufwand ist geringer, es müssen keine Ablüftzeiten eingehalten werden, das Verfahren ist umweltfreundlich und universell auf allen Untergründen und für alle Dichtstoffe anwendbar. Die einzige Einschränkung stellen lose oder sandende Untergründen dar, da mit einer Plasmavorbehandlung - im Gegensatz zu einer Primerung - keine zusätzliche Verfestigung des Untergrundes einhergeht. Während bei der Auftragung eines Primers zudem die Gefahr besteht, dass die umgebende Fläche an den Fugenrändern durch den Primer verschmutzt wird, besteht diese Gefahr bei einer Plasmabehandlung nicht, da diese mit keinerlei optischen Veränderungen der Oberfläche verbunden ist. Zur Plasmabehandlung der Baustoffoberflächen konnte im Rahmen des Projekts eine neuartige, mobile Plasmaquelle entwickelt werden. Hierbei handelt es sich um einen Atmosphärendruck-Plasmajet auf Grundlage einer DBE, der ausschließlich mit Luft betrieben werden kann. Der Plasmajet erlaubt eine einfache, kostengünstige Vorbehandlung verschiedenster Materialien. Die Erfolgskontrolle der Plasmabehandlung erfolgte über mechanische Haftzugversuche. Hier konnte sowohl an Beton als auch an verschiedenen Kunststoffen und im Sanierungsfall gezeigt werden, dass sich durch eine Plasmabehandlung die Haftung zu einem Dichtstoff signifikant steigern lässt. Die Haftfestigkeiten, die sich durch eine chemische Primerung erzielen lassen, wurden nicht in allen Fällen erreicht. Die chemische Wirkungsweise des Plasmas auf der Substratoberfläche konnte insbesondere für mineralische Baustoffe über spektroskopische Messungen aufgeklärt werden. Eine Plasmavorbehandlung von Werkstoffoberflächen wird bereits seit vielen Jahren in der Industrie erfolgreich angewendet. Dabei ist die Plasmabehandlung von Kunststoffoberflächen bereits Stand der Technik, eine Plasmabehandlung mineralischer Untergründe ist jedoch neu. Bei den bisher industriell eingesetzten Geräten handelt es sich um große, stationäre Geräte, bei denen zusätzlich ein Betriebsgas erforderlich ist. Die Innovation beim mobilen Plasmajet liegt in der Mobilität und Handlichkeit sowie in der Unabhängigkeit von einem zusätzlichen Betriebsgas, da hier lediglich Umgebungsluft benötigt wird. Zu den potentiellen Anwendergruppen gehören neben der dichtstoffverarbeitenden Industrie (Hochbau, Innenausbau, Fahrzeugbau) auch die lack- und farbverarbeitende Industrie sowie die Klebstoffindustrie. In all diesen Sparten ist der Plasmajet als neues, universelles Werkzeug zur Oberflächenvorbehandlung auf der Baustelle aber auch im privaten Heimwerkerbereich einsetzbar.

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