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Herstellung und rheologische Eigenschaften von porösen Kalk-Natron-Silicatschmelzen
Thies, Martina
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das rheologische Verhalten von porösen Glasschmelzen untersucht. Für die Untersuchungen wurden Gläser mit Floatglaszusammensetzung mit den Verfahren Sintern, Schäumen und Aufschmelzen hergestellt. Es wurden Porenvolumen von 0 60 Vol.-% eingestellt. Gläser, die durch Schäumen hergestellt wurden, zeigten zusätzlich 5 - 15 Vol.-% nadelförmige Kristalle. Die rheologischen Messungen wurden isotherm bei 574°C, bei der eine Newton sche Viskosität von 1011 Pa s für die poren- und kristallfreie Glasschmelze bestimmt wurde, mit Hilfe der Zylinderstauchmethode durchgeführt. Es wurde sowohl das Newton sche und nicht-Newton sche Fließverhalten in Abhängigkeit der Porosität untersucht. Für poröse Gläser, die durch Sintern und Aufschmelzen hergestellt wurden, wurde eine exponentielle Abnahme der Newton schen Viskosität mit steigender Porosität beobachtet. Die Fließkurven dieser Glasschmelzen sind strukturviskos und verschieben sich in Abhängigkeit von der Porosität zu niedrigeren Viskositätswerten. Die Fließkurven der Glasschmelzen mit Poren und Kristallen (Schaumverfahren) zeigen einen zweistufigen Verlauf, deren erste Stufe auf das Verhalten nadelförmiger Kristalle zurückgeführt wird. Auch diese Fließkurven werden mit steigender Porosität zu niedrigeren Viskositätswerten verschoben. Zudem wurde eine Abnahme des Spannungsaufbaumoduls und der Heißrissfestigkeit mit zunehmender Porosität beobachtet. Unter Einbeziehung von Literaturdaten wird ein Modell für das Fließverhalten von Glasschmelzen mit homogen verteilten und nicht in Wechselwirkung tretenden Einschlüssen vorgestellt. Danach führen Einschlüsse zu mindestens einem zusätzlichen strukturviskosen Effekt. Dieser Effekt wird bei Poren von der Kapillaritätszahl Ca bei Kristallen von der Morphologie beeinflusst. Schmelzen, die sowohl Kristalle als auch Poren enthalten, können eine dreistufige Fließkurve zeigen. Die erste Stufe ist durch den Beginn der Porendeformation gekennzeichnet. Die zweite Stufe wird durch eine Ausrichtung der Kristalleinschlüsse und die dritte Stufe durch eine Orientierung der Matrix-Fließeinheiten verursacht.
In this work the rheological properties of porous glass melts have been studied. For the experiments glasses with float glass composition were prepared by sintering, foaming and melting. Pore volumes of 0 60 Vol.-% were set on. In the glasses prepared by foaming an additional needle shaped crystal fraction of 5 15 Vol.-% was observed. The rheological properties were measured isothermally at 574°C using the cylinder compression method. At this temperature the inclusion-free glass melt shows a Newtonian viscosity of 1011 Pa s. Both, the Newtonian and non Newtonian flow behaviour were studied as a function of the porosity. The Newtonian viscosity of the porous glass melts, prepared by sintering and melting, decreases exponentially with increasing porosity. The flow curves of these glass melts are one step shear thinning and are shifted by a strain rate independent factor to lower viscosity values. The flow curves of glass melts with pores and crystals show two-step shear thinning behaviour due to the needle shaped crystals. Also these flow curves are shifted with increasing porosity to lower viscosity values. The stress generation modulus and the stiffness resistance (brittleness) also depend on porosity. A model for the flow behaviour of glass melts for the case of inclusions with an homogeneous distribution and with no interaction between the inclusions was developed using published results as well as results of this study. The flow behaviour of a homogeneous glass melt shows a two-step shear thinning curve if the melt contains only one type of inclusion (pores or crystals). If pores are included in the melt, the flow behaviour depends on the capillary number Ca. The flow curves of melts including crystals are determined by the shape and size of the crystals. A melt, which contains both pores and crystals, shows a three-step shear-thinning curve. The first step is caused by the viscosity increase due to the pores at Ca < 1. The second step depends on the shear-thinning effect of the suspended crystals; and the shear-thinning of the glass melt creates the third step.
