Geotechnologie im Badezimmer

Genauso wie Kleidung und Möbel unterliegen auch Badezimmer dem Wandel der Zeit. Dominierten in der heimischen Nasszelle einst gedeckte Braun- und Grüntöne, so geht der Trend inzwischen zur „Wellness-Oase“ mit hellen Farben und schnörkellosen Armaturen. Das Waschbecken wird zum ausladenden Waschtisch, selbst bei der Toilette legen heutige Kunden Wert auf „stylische“ Formgebung. Diese Entwicklung fordert nicht nur Produktdesigner, sie wirkt sich ebenso auf den Herstellungsprozess aus. Denn die Industrie ist bestrebt, auch bei der Produktion von geometrisch komplexer Sanitärkeramik Ausschuss und Energiebedarf zu minimieren.

Keramik begegnet uns meist im Bad. Hinten den glänzend weißen Oberflächen steckt heutzutage eine ganze Menge geowissenschaftliche Forschungsarbeit (Bild: Ideal Standard GmbH)

Zentrale Bedeutung hat hier der „Schlicker“, ein zähflüssiger Brei aus Wasser, mineralischen Substanzen und chemischen Zusätzen. Aus dieser Rohmasse entsteht Keramik, die dabei stattfindenden Prozesse sind äußert komplex. Das Anrühren des optimalen Schlickers ist daher mitunter mehr Kunst als Wissenschaft. „In der Produktion geschieht vieles bislang per ‚trial and error‘, da man nicht ohne Weiteres in die Tiefe des Materials schauen kann“, meint Marcel Engels, Projektleiter am Forschungsinstitut FGK im pfälzischen Höhr-Grenzhausen.

Neue Erkenntnisse über die Fabrikation von Sanitärkeramik zu gewinnen, war daher das Ziel von SimSan. „Uns ging es insbesondere darum, die Rohstoffkomponenten des Schlickers zu charakterisieren und deren Wechselwirkung besser zu verstehen“, sagt Engels. Das Projekt unter der Koordination des FGK wurde im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprogramm GEOTECHNOLOGIEN gefördert. Auch die Universität Bayreuth, Rohstoff- und Additivlieferanten sowie der Hersteller von Sanitärkeramik Villeroy & Boch waren an SimSan beteiligt.

Rohling unter Druck

Wesentlicher Bestandteil des Schlickers sind natürliche Rohstoffe – allen voran Tonmineralien, die in Wasser dispergiert werden. Für die Produktion von Keramik wird das dickflüssige Gemisch in eine Form, etwa in die eines Waschbeckens, gegossen. Traditionell ließ man es über Stunden trocknen, ehe das entstandene „Rohprodukt“ weiterverarbeitet und letztlich zu Keramik gebrannt wurde. Infolge industrieller Optimierung wird Sanitärkeramik mittlerweile in vielen Ländern und Werken per Druckguss hergestellt. Dabei wird das Wasser mit mehr als zehnfachem Atmosphärendruck aus dem Schlicker gepresst. „Das geht viel schneller, als nach dem traditionellen Gussverfahren, nämlich im Minutentakt“, sagt Engels. „Außerdem erhält man ein stabileres Rohprodukt, das sich besser handhaben lässt.“ Noch wissen die Forscher allerdings noch zu wenig darüber, wie sich das Material beim Druckguss mikroskopisch strukturiert, denn viele Faktoren beeinflussen das Geschehen. „Es werden Strömungen erzwungen, die das Wasser aus dem Schlicker heraustreiben. Außerdem muss man bedenken, dass die Mineralienpartikel elektrisch geladen sind. Infolgedessen kommt es zur Wanderung von Ionen, also zu Ladungsverschiebungen, und die Mineralienpartikel können auch aufquellen“, sagt der Keramik-Experte. „All dies findet unter Druck statt und ist von Bedeutung dafür, wie sich das Material auf der Mikroebene verhält.“

Kaolinit – typischer Vertreter der Tonminerale. (Bild: Minerals and Materials Photo Gallery, USGS, Mineral Information Institute)

Feinste Partikel

Ein wesentlicherer Rohstoff für Keramik sind Tonmineralien. Der Schlicker enthält diese Schichtsilikate in feinstgemahlener Form. Die Partikel sind in der Regel nicht einmal mikrometergroß und eher platt als rund. „Man spricht von Blättchen“, erläutert Engels. „Die Frage ist nun, wie sich diese Blättchen beim Druckguss anordnen. Je nach Material und Ionenbelegung ist es möglich, dass sogenannte Kartenhausstrukturen entstehen. Diese entwässern zum Beispiel viel schneller als eine dichte Packung der Blättchen, weil das Wasser über die Zwischenräume abfließen kann. Das erhöht die Prozessgeschwindigkeit. Insofern ist eine, bis zu einem gewissen Grad offene Struktur unbedingt erforderlich.“

Zu einem besseren Verständnis dieser Vorgänge führten Computersimulationen. „Im Rahmen von SimSan haben wir den Schritt machen können von runden Teilchen zu solchen in Blättchenform“, berichtet Engels. „Das war eine echte Herausforderung, denn die Verteilung der Oberflächenladung auf Partikeln in Blättchenform ist weitaus komplizierter als bei sphärischen Teilchen. Inzwischen können wir daher auch diese Kartenhausstrukturen in der Simulation entstehen lassen.“

Schlicker im Visier

Voraussetzung für diese Berechnungen waren realistische Daten über die in Schlickern enthaltenen Rohstoffe – insbesondere Informationen über Partikelgrößen. „Sechzig bis siebzig Prozent der Teilchen haben Ausmaße unterhalb von zwei Mikrometern“, so Engels. „Da kommt man mit gängigen Methoden zur Messung der Kornverteilung nicht weit.“ Die Forscher arbeiteten daher mit verschiedenen Verfahren der Lichtstreuung, mit Ultraschall und auch mit Elektronenmikroskopie. „Da sind teils Messmethoden, die mehr Indizien liefern als physische Kennzahlen. Sie helfen dennoch, ein genaueres Bild zu bekommen. Jedenfalls haben wir aus dem Vergleich der Methoden für die korrekte Interpretation der Messdaten viel gelernt.“

In der industriellen Praxis kommen insbesondere rheologische Messungen zum Einsatz. Untersucht wird hier das Verformungs- und Fließverhalten des Schlickers. „Dafür gibt es allerdings eine ganze Reihe von Verfahren und insofern diverse Meinungen darüber, was denn nun die richtige Methode ist“, so Engels. „Unser Ansatz war es daher, innerhalb der Kette vom Rohstofflieferanten bis zum Keramikhersteller abzustimmen, was eine sinnvolle Vorgehensweise ist. Aus diesem Ansatz heraus haben wir eine Rheologievorschrift entwickelt. Die beschreibt, wie man das Material für die Messung vorbereitet und was eine relevante Messung ausmacht. Damit ist es nun erstmals möglich, Messdaten der verschiedenen, an der Produktion beteiligten Partner miteinander zu vergleichen. Damit haben wir die Grundlagen für eine standardisierte Normmessung geschaffen.“

Diese Rheologievorschrift wurde auch im Rahmen einer „statistischen Versuchsplanung“ eingesetzt. Ziel war es herauszufinden, wie sich Änderungen in der Zusammensetzung des Schlickers auf das keramische Endprodukt auswirken. „Dabei kann man prinzipiell an vielen Schrauben drehen“, gibt Engels zu bedenken. „Die statistische Versuchsplanung ermöglicht es jedoch, den Umfang an Versuchsreihen in Maßen zu halten. Man verändert nur wenige relevante Einflussgrößen und gelangt dennoch zu validen Aussagen. Die Parameter müssen dazu geschickt gewählt sein.“

Know-how für die Produktion

Kostendruck und der Trend zu immer komplexeren Formen in der Sanitärausstattung seien treibende Kräfte für die Industrie, so Marcel Engels. „Dazu benötigt man auf jeden Fall vertieftes Wissen, etwa darüber wie man die Materialdicke reduzieren kann und dennoch ein stabiles Produkt erhält. Vor diesem Hintergrund liefern die Ergebnisse von SimSan diverse Anknüpfungspunkte für die Industrie.“

MN, iserundschmidt 09/2011

Mehr zum Projekt SimSan finden Sie hier.