Interaction of water with oxide glass structures
Creators: name: Balzer, Robert
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2019
Subjects: subject: wasserhaltige Gläser
subject: Hochdruck
subject: Spektroskopische Untersuchungen
subject: Phosphat-Gläser
subject: Silicoborat Gläser
subject: Aluminosilikate Gläser
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften::550 | Geowissenschaften

description: The aim of this thesis is to investigate the influence of different network converters on different glass structures. A special focus lies hereby on the incorporation of water regarding its corrosive behavior on the glass network. This in turn improves the understanding of water-related material fatigue and subcritical crack growth in technical glasses. For this purpose, two lithium-magnesium aluminophosphate glasses (30Li2O 20-xMgO xAl2O3 50P2O5 with x = 0 and 5), 4 silicoborate glasses (15- xNa2O xCaO 15SiO2 70B2O3 with x = 0; 7.5 and 10, as well as 10Na2O 15SiO2 and 75B2O3) and three aluminosilicate glasses (22.5-xNa2O xK2O 22.5 Al2O3 55SiO2 with x = 0; 7.5; 11.25) were prepared. Water bearing glasses between 0-8 wt% H2O were synthesized at 500 MPa using an Internally Heated Pressure Vessel (IHPV) at temperatures between 1473 – 1873 K. With respect to the structure and water speciation in the glasses, anhydrous and hydrous glasses have been analyzed using MAS-NMR (Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance) and infrared-spectroscopy (IR). The glass transition temperature (Tg) was determined by Differential Thermal Analysis (DTA). IR spectroscopy on phosphate glasses reveal that OH groups are the dominating water species. A similar trend was observed in silicoborates. The incorporation of water results in a dominance of hydroxyl groups, here too. A dominance of OH groups was also observed in aluminum-containing phosphates. However, the proportion of molecular water is higher compared to aluminum-free phosphates. In aluminosilicates, on the other hand, the incorporated water is present in molecular form at water contents above 3 % wt%. The decrease in Tg upon hydration is similarly continuous for phosphates and silica borates, while a dramatic decrease has been observed for aluminosilicates. This indicates that the incorporation of OH groups has a significantly weaker effect on structural relaxation in phosphate and borate systems than in silicate dominated glasses. The depolymerization of the glass network during hydration varies depending on the glass system. The incorporation of water has a very strong depolymerizing effect on the phosphate structure, as more and more Q1 and even Q0 species are formed at the expense of Q3 and Q2 species as the water content increases. 11B MAS NMR in silicoborates reveals that the BO4 species depends mainly on the alkali and alkaline earth content and that water plays only a minor role in the formation of the BO4 species. However, the efficiency for the formation of BO4 units in silicoborates is higher than in pure borate glasses. 27Al MAS NMR spectra of aluminosilicates reveal that aluminum is exclusively present in the form of AlO4 tetrahedra in both dry and hydrous glasses. The incorporation of water causes the relaxation of highly distorted Q4 species by forming slightly depolymerized Q3 species.
description: Ziel dieser Arbeit ist es den Einfluss verschiedener Netzwerkwandler auf unterschiedliche Glasstrukturen zu Untersuchen. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf dem Einbau von Wasser hinsichtlich seines korrosiven Verhaltens auf das Glasnetzwerk. Dies wiederum verbessert das Verständnis von wasserbedingter Materialermüdung und dem subkritischen Risswachstum in technischen Gläsern. Hierfür wurden zwei Lithium-Magnesium-Aluminophosphate (30Li2O 20-xMgO xAl2O3 50P2O5 mit x = 0 und 5), vier Silicoborat Gläser (15- xNa2O xCaO 15SiO2 70B2O3 mit x = 0; 7,5 und 10, sowie 10Na2O 15SiO2 und 75B2O3) und drei Aluminosilikat Gläser (22,5-xNa2O xK2O 22,5 Al2O3 55SiO2 mit, x = 0; 7,5; 11,25) hergestellt. Die wasserhaltigen Gläser zwischen 0-8 Gew.% H2O wurden bei 500 MPa in einer intern beheizten Gasdruckanlage (IHPV) bei Temperaturen zwischen 1473 – 1873 K hergestellt. Die Struktur der trockenen und wasserhaltigen Gläser wurde hinsichtlich der Netzwerkstruktur und Wasserspeziation mittels MAS-NMR- (Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance) und Infrarot-Spektroskopie (IR) untersucht. Die Glasübergangstemperatur (Tg) wurde mittels Differentieller Thermischer Analyse (DTA) bestimmt. Die IR-Spektroskopie an Phosphaten zeigt, dass OH Gruppen die dominierende Wasserspezies sind. Ein ähnlicher Trend wurde in Silicoboraten beobachtet. Auch dort resultiert der Einbau von Wasser in einer Dominanz von Hydroxylgruppen. In aluminiumhaltigen Phosphaten wurde ebenfalls eine Dominanz von OH gruppen beobachtet. Allerdings ist der Anteil von molekularem Wasser im Vergleich zu den aluminiumfreien Phosphaten größer. In Aluminiumsilikaten hingegen, liegt das eingebaute Wasser ab Wassergehalten von ca. 3 Gew.% in molekularer Form vor. Die im Zuge des Wassereinbaus abnehmende Tg läuft für Phosphate und Silicoborate ähnlich kontinuierlich ab, während ein dramatischer Abfall für Aluminosilikaten beobachtet wurde. Das deutet darauf hin, dass der Einbau von OH Gruppen einen deutlich schwächeren Effekt auf die strukturelle Relaxation in Phosphat- und Borat Systemen, hat als in Silikat dominierten Gläsern. Die Depolymerisierung des Glasnetzwerks, im Zuge der Hydratisierung, ist abhängig vom Glassystem unterschiedlich stark ausgeprägt. So wirkt sich der Einbau von Wasser auf die Phosphatstruktur sehr stark depolymerisierend aus, indem mit steigendem Wassergehalt mehr und mehr Q1 und sogar Q0 Spezies auf kosten von Q3 und Q2 Spezies gebildet werden. 11B MAS NMR in Silicoboraten zeigt, dass die BO4 Spezies hauptsächlich vom Alkali und Erdalkali Gehalt abhängt und Wasser nur eine untergeordnete Rolle für die Bildung der BO4 Spezies spielt. Allerdings ist die Effizienz zur Bildung von BO4 Einheiten in Silicoboraten größer als in reinen Boraten. 27Al MAS NMR Spektren von Aluminosilikaten zeigen, dass Aluminium sowohl in trockenen als auch in hydratisierten Gläsern ausschließlich in Form von AlO4 Tetraedern vorliegt. Der Einbau von Wasser bewirkt die Entspannung von stark verzerrten Q4 Spezies indem leicht depolymerisierte Q3 Spezies gebildet werden.