Cenospheres

Schäume
Natur
Kultur
Technik
Ä|á
Thomas Scheiblauer
architecture, Vienna
Was sind Schäume?
• Ihre Struktur wird durch viele, vom flüssigen oder festen
Grundmaterial eingeschlossene, Zellen od. Poren gebildet.
• geschlossenzellige: Wände zwischen den einzelnen Zellen komplett
geschlossen -> flüssigkeitsdicht.
• offenzellige: können Flüssigkeiten aufnehmen.
• gemischtzellige: enthalten beide Arten von Zellen.
• Integralschäume: geschlossene dicke Außenhaut, zelliger Kern, Dichte ist
ungleichmäßig verteilt.
geschlossenzelliger
Aluminium-Schaum
offenzelliger
Aluminium-Schaum
Schema Integralschaum
Natürliche Schäume
• biologische (Schwämme, Zellstrukturen, Knochen)
• vulkanische (Bimsstein)
Naturschwämme
Knochenstruktur
Waben
Zellen: pflanzlich, menschlich
versteinerter
Naturschwamm
Bimsstein
Kultur-Schäume (1)
• Nahrungsmittel (Brot, Kuchen, etc.)
• Erzählungen (Aphrodite bis Spongebob)
Aphrodite (röm. Venus)
Hesiod: „die Schaumgeborene“
ὁ ἀφρός; aphrós=Schaum
Sandro Botticelli, 1486:
„Die Geburt der Venus“
Stephen Hillenburg, 1998:
„SpongeBob SquarePants“
Schaumkatastrophe in Indien
Indien, Bangalore, 2015: Giftiger Schaum aus Abwässern verseucht die Stadt.
Fäkalien, Urin und Chemikalien bilden stinkenden, brennbaren, ätzenden, infektiösen Schaum.
Kultur-Schäume (2)
• Philosophie (Peter Sloterdijk, 2004: „Sphären III – Schäume“)
• Mathematik / Physik (Menger-Schwamm, Weaire-Phelan-Struktur)
Karl Menger, 1926:
Menger-Schwamm
Chris Bosse, Rob Leslie-Carter,
2008: Water-Cube, Peking,
Weaire-Phelan-Struktur
Weaire-Phelan-Struktur
• William Thomson, 1. Baron Kelvin, 1887:
Kelvin's Conjecture:
Wie kann Raum in gleichvolumige Zellen mit
minimaler Oberfläche unterteilt werden?
(Was ist der optimale Schaum?)
• Denis Weaire, Robert Phelan, 1993, Trinity College Dublin:
Computersimulation: bisher beste Lösung des Kelvin-Problems
+
unregelmäßiges
Dodekaeder (12 Fl.)
=
Tetrakaidekaeder
(14 Flächen)
Weaire-PhelanStruktur
„Water-Cube“, Peking
Chris Bosse, Rob Leslie-Carter, (PTW/Arup), 2008
Ist Architektur
Mega-Schaum?
Antti Lovag, 1989:
Pierre Cardins „Bubble Palace“
Mies van der Rohe, 1958
Seagram Building
Technische Schäume
• organische Schäume (herkömmliche Schaumstoffe)
• anorganische Schäume (Blähglas, Blähton, Perlite, Porenbeton,
keramische Schäume, Metallschäume, etc.)
• syntaktische Schäume (Mikrohohlkugeln in Matrix)
• Aerogel, Nanoschaum (Sol-Gel-Prozess)
Herstellungsverfahren
• physikalisches Schäumen: Formteilprozess, Extrudieren
• chemisches Schäumen: Zugeben und Aktivieren von Treibmittel
• mechanisches Schäumen: Einmixen von Luft
• Kompositherstellung: Einmixen von hohlen bzw. geschäumten Füllern
• Sol-Gel-Prozess: Ausdampfen von Hohlraumfüllmaterial
Physikalische Eigenschaften
Herkömmliche Schaumstoffe:
• geringe Dichte, geringe Festigkeit, geringe Wärmeleitfähigkeit
• thermoplastische Schäume (z. B. PS-E PP-E und PVC-E)
• elastomere Schäume (z. B. PUR-Weichschaum, NBR)
• duroplastische Schäume (z. B. PUR-Hartschaum, PF)
Keramische und metallische Schäume sind
in der Regel duroplastisch und erreichen
höhere Festigkeiten.
Neueste Entwicklung:
Hybridschaum aus offenzelligem Metallgerüst mit syntaktischem Schaum dazw.
Abkürzungen:
PS-E
… Polystyrol
PP-E
… Polypropylen
PVC-E … Vinyl
PUR
… Polyurethan
NBR
… Nitrilkautschuk
PF
… Phenolharz
Ist Geopolymer ein Nanoschaum?
Prof. Joseph Davidovits, www.geopolymer.org, Webinar 2014, Talk 1/Part 2
Was ist syntaktischer Schaum?
Syntaktischer Schaum
Der Begriff wurde 1955
Durch die Bakelite Company
geprägt. Das Material zeichnet
sich durch hohe
Druckbeständigkeit aus und
wird in der Luftfahrt und in
submarinen Anwendungen
verwendet.
Bestandteile
Mikrohohlkugeln (aus Glas,
Metall, Keramik, Plastik)
werden in eine Matrix (aus
Kunststoff, Metall, Keramik)
eingebettet.
Hersteller
Glas-Mikrohohlkugeln
Beispiel: Marineanwendung
Pressure at 5 000 m below sea level = 49.14 MPa (7 126 psi)
Pressure at 10 000 m below sea level = 98.17 MPa (14 238 psi)
High performance concrete: 50‐110 MPa
Mikrohohlkugel
Rohstoffe
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Hollow glass microspheres: marine applications
Plastic microspheres
Cenospheres: low-density, hollow, free-flowing alumino-silicate
microspheres (= Flugasche)
Ceramic microspheres: paints and coatings
Carbon: Phenolic microspheres can be carbonized or pitch (= Pech)
can be treated and carbonized to produce carbon spheres
Aluminum and copper/silver microspheres are currently available
Solid glass microspheres, commonly called glass beads, are widely
used as resin extenders
Leichtbeton
• Dichte ρ=800-2000 kg/m³
• Wärmeleitfähigkeit λ=0,44-1,35 W/(m·K)
• Druckfestigkeit = 10-50 MPa
Leichtzuschläge:
• Blähton, z.B. „Liapor“
• Blähglas
• Naturbims (Neuwieder Becken)
• geblähter Perlite: porös
• Bublon: geschlossene Oberfläche der Körner
Porenbeton
YTONG: Yxhults ånghärdade gasbetong = dampfgehärteter Gasbeton
aus Yxhult, Hersteller: Firma Xella in Duisburg
• Erfinder: Axel Erikson, Architekt und Forscher, Technische
Hochschule Stockholm, 1923
• Zutaten: Quarzsand, Kalk, Zement,
Wasser
• Treibmittel: Aluminiumpulver
• dampfgehärtet bei 190°C, 12 bar
• Dichte ρ= 510 kg/m³
• Wärmeleitfähigkeit λ=0,11 W/(m·K)
• Druckfestigkeit=2,5-5 MPa
EPS / XPS (Polystyrol)
• Erfindung Polystyrol: I.G.-Farben, 1931. Styropor: BASF,1950
• Wärmeleitfähigkeit λ=0,035-0,040 W/(m·K)
• Dichte ρ=10-35 kg/m³
• Druckfestigkeit=0,012-0,062 N/mm² (Stauchung <2%)
• EPS: Partikelschaumstoff aus verschweißtem, geblähtem
Polystyrolgranulat, porös, NICHT wasserfest
• XPS: extrudergeschäumter Polystyrolschaumstoff, geschlossenzellig,
wasserfest
PUR-Schaum (Polyurethan)
• Erfindung: I.G.-Farben, 1937, PU = Diol + Diisocyanat
• Herstellung aus Erdöl oder Zuckerrüben, Mais oder Kartoffeln
• Geschlossenzellig > 90%
• Wärmeleitfähigkeit λ=0,020-0,030 W/(m·K)
• Dichte ρ=30-35 kg/m³
• Druckfestigkeit=0,10-0,15 N/mm²
• Isocyanate: verursachen Allergien, Verdacht, Krebs zu verursachen
Angelika Arendt: 2006
„Bernhard von Clairvaux“
Aerogel
• Silicat-Aerogele: Samuel Stephens Kistler 1931/32
• Hochporöse Festkörper, Porenanteil ca. 99,98%
• Ausgangsmaterialien: Silicate, Metall, Polymere, Graphit
• 2012: Aerographit
• Wärmeleitfähigkeit λ = 0,017-0,021 W/(m·K)
• Dichte ρ = ca. 1 kg/m3
• Druckfestigkeit = 2000 x Eigengewicht = ca. 0,2 kPa
• Bildquelle: http://www.aerogel.org/
Aerogel
Herstellung
• Kistler-Verfahren, 1932: Wasserglas+Salzsäure-> Gel, Ausspülen mit
H2O, Versetzen mit Alkohol, Trocknen im Autoklaven
• Teichner, 1968: Sol-Gel-Verfahren: Hohlräume entstehen durch
Verdampfen oder Verdunsten einer ausgefällten Flüssigkeit
Aerogel
Rekord-Eigenschaften mancher Aerogele
(14 Einträge im Guinness-Buch der Rekorde)
• geringste Dichte eines Festkörpers (Aerographit 0.0011 g/cm³)
• kleinster Brechungsindex (1.002)
• kleinste Wärmeleitfähigkeit (0.016 W/(m·K))
• kleinste Schallgeschwindigkeit durch Festkörper (70 m/s)
• kleinste Dielektrische Konstante 3-40 GHz (1.008)
• größte spezifische Oberfläche eines Festkörpers (3200 m²/g)
Spezielle Eigenschaften:
• akustische Resonanzphänomene im hörbaren Bereich
• keine Benetzung durch flüssige Metalle,
ihnen gegenüber chemisch inert