Mechanische und chemische Oberflächeneigenschaften von eisenarmen Kalknatron-Silicatgläsern für solare Anwendungen

Cramm, Sandra

Die Nutzung der Solarenergie ist von stetig wachsender Bedeutung. Für entsprechende Anlagen werden eisenarme Kalknatron-Silicatgläser in Form von Flachglas verwendet, die im sogenannten Floatverfahren hergestellt werden. Die Oberflächeneigenschaften dieser Flachgläser werden in dieser Arbeit in Hinblick auf ihre Korrosionsbeständigkeit untersucht. In der solaren Anwendung muss die Transmissivität der verwendeten Gläser über einen langen Zeitraum gewährleistet sein. Es ist daher essentiell, die Korrosionsmechanismen über diese Zeitspannen zu verstehen. Ein wichtiger Aspekt der atmosphärischen Exposition ist dabei die zyklische Kondensation, die durch den Tag/Nacht-Wechsel, aber auch durch Jahreszeiten-wechsel oder Transport in verschiedene Klimazonen auftritt. Um dies näher zu untersuchen, wurden Experimente im Klimaschrank durchgeführt, in denen eine zyklische Kondensation mithilfe eines Peltier-Elements einem statischen Korrosionsexperiment in Form des Damp-Heat-Tests (85% rF und 85°C) gegenübergestellt wurde. Darüber hinaus wurde ein Langzeit-experiment über 500 Tage verwirklicht. In drei verschiedenen Lösungen (deionisiertes Wasser, künstliches Meerwasser und Natriumsulfatlösung) wurden vier Gläser bei verschiedenen Temperaturen (4 °C, 20 °C, 60 °C, 85 °C und im Falle des Meerwasserversuches 105 °C) sowohl der Lösung selbst als auch der Dampfzone oberhalb der Lösung ausgesetzt. Als Versuchsmaterial diente ein Probenpool aus insgesamt 17 eisenarmen Solargläsern von verschiedenen Herstellern weltweit. Zyklische Kondensation auf der Glasoberfläche führt, im Gegensatz zu einer gleichmäßig hohen Feuchtigkeit der Umgebungsluft, zu größeren Hydratisierungstiefen und einer charakteristischen Abreicherung mobiler Ionen wie Natrium und Calcium in oberflächennahen Schichten. Ein geringer Gehalt von 1-2 mol% Al2O3 wirkt in Kontakt mit wässrigen Lösungen bereits stabilisierend auf das Glas, während CaO-Gehalte > 9 mol% eine erhöhte Netzwerk-auflösungsrate bedingen. Die Bildung von Verwitterungsprodukten hat eine längere Benetzung durch Feuchtigkeit zur Folge, was zu einer schnellen Änderung des pH-Wertes und einer zunehmenden Korrosionsrate führt. Durch Quell- und Schrumpfverhalten, ausgelöst durch die zyklische Änderung der Bewitterung, kommt es zu Abplatzungen an der Glasober-fläche. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass es durch silikatische Polymerisierung und andere Reorganisationsprozesse zu alternierenden Elementkonzentrationen im Tiefenpro-fil der Gläser und zur Bildung von Korrosionszonen mit lokalen Mikroklimata kommt. Während bei gleichmäßiger Bewitterung eine passivierende Gelschicht entsteht, ist dies bei zyklischer Kondensation nicht der Fall. Eine zyklische Methodik der Bewitterung ist somit zur Testung atmosphärisch exponierter Gläser besonders gut geeignet und führt zu neuen Erkenntnissen in einem wichtigen Bereich der Glaskorrosion.

The use of solar energy is of increasing importance. Low iron soda-lime silica flat glass, produced by using the float process, is used for such solar energy plants. The surface properties and the corrosion resistance of these float glasses are examined in this work. In solar application, the transmissivity of glasses must be high and stable over a long-time period. It is therefore essential to understand the corrosion mechanisms over these time periods. An important aspect of the atmospheric exposure is the cyclic condensation, which occurs through the changing of day and night, but also through seasonal changes or transport in different climate zones. For further investigations, experiments were carried out in the climate chamber. A cyclic condensation using a Peltier element was compared to a static corrosion experiment in the form of a damp heat test (85 % RH and 85 °C). In addition, a long-term experiment over 500 days was performed. In three different solutions (deionized water, artificial seawater and sodium sulphate solution) four glasses were exposed at different temperatures (4 °C, 20 °C, 60 °C, 85 °C and in the case of the seawater test 105 °C) in solution and vapor zone. The test material was taken from a pool of 17 low-iron solar glasses from various manufacturers worldwide. Cyclic condensation on the glass surface, in contrast to uniformly high humidity of the ambient air, increases hydration depths and leads to a characteristic depletion of mobile ions such as sodium and calcium in the near-surface area. A low content of 1-2 mol% Al2O3 can stabilize the glass in contact with aqueous solutions, while a CaO content > 9 mol% causes an increased network dissolution rate. The formation of precipitations provokes a longer wetting time, which leads to a rapid change of pH value and an increasing alteration rate. Swelling and shrinking caused by the cyclic environmental changes increase destruction and delamination on the glass surface. In addition, it could be shown that silica polymerization and other reorganization processes lead to alternating element concentrations in depth profiles of the glasses. While a passivating gel layer is formed by weathering through the damp heat test, this is not the case during cyclic condensation. Therefore, this method of testing is well suited for atmospherically exposed glasses and leads to new findings in the research on corrosion processes especially on glasses for solar energy conversion systems.

Zitieren

Zitierform:

Cramm, Sandra: Mechanische und chemische Oberflächeneigenschaften von eisenarmen Kalknatron-Silicatgläsern für solare Anwendungen. Clausthal-Zellerfeld 2018. TU Clausthal.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:

Export