Aufbau einer Röntgenkleinwinkelstreuanlage und Untersuchung von ZrO 2 -Solen und weiterer Systeme

Abstract

Zusammenfassung

Die bei der Herstellung von ZrO2-Keramikfasern nach dem Sol-Gel-Verfahren in einem Zwischenschritt auftretenden Partikel-Sole beeinflussen die Eigenschaften der abschließend erhaltenen Fasern. Diese Zwischenprodukte wurden mit der Röntgenkleinwinkelstreuung untersucht.

Der Aufbau der Röntgenkleinwinkelstreuanlage umfasste die Justierung und Kalibrierung des Kollimationssystems des Röntgenstrahls und des ortsempfindlichen Detektors. Dabei wurden zur Kalibrierung der Geometrie der Anlage die Referenzsubstanzen Silberstearat und Octadecanol-1 eingesetzt.

Zur Überprüfung der Anlage wurden verschiedene literaturbekannte Proben vermessen. Als besonders gut geeignet erwiesen sich kristalline Substanzen, Flüssigkristalle wie DODAB (Dioctadecyldimethylammoniumbromid) oder mesoporöse Silicate, deren Herstellung und anschließende Untersuchung mit Hilfe der Röntgenkleinwinkelstreuung in der vorliegenden Arbeit beschrieben werden.

Um die Messdaten zu analysieren, wurden vier unterschiedliche, frei erhältliche Programme auf ihre Vor- und Nachteile überprüft. Auf Grund der teilweise nur unzureichenden Kommentierung wurde ein Programm entwickelt, welches die Entfaltung der Messkurven mit den experimentell zugänglichen Kurven für die Strahllänge und -breite gestattet. Die entscheidenden Programmroutinen wurden mit den Resultaten des Programms flood von KRAUTHÄUSER verglichen, die Ergebnisse zeigten eine sehr hohe Übereinstimmung. Weiterhin wurden neben der Auswertung der experimentellen Daten auch theoretische Kurven für ideale, kugelförmige Streuer erfolgreich entfaltet.

Die zur Herstellung von Spinnlösungen notwendigen Partikel-Sole aus mit Salzsäure peptisierten Zirconiumdioxid-Partikel konnten mit Hilfe der Röntgenkleinwinkelstreuung und weiteren Methoden untersucht werden. Die zunächst bei der Hydrolyse von Zirconium-n-propylat entstehenden Partikel sind amorph und können durch Erwärmen in die monoklinen Phase überführt werden. Werden die Partikel nach der Hydrolyse mit Salzsäure versetzt, entstehen in Abhängigkeit von den Bedingungen klare oder trübe Partikel-Sole, für die aus den Kleinwinkelstreudaten die Partikelgrößen ermittelt wurden.

Summary

In the sol-gel-process for the manufactering of zirconia-fibres a so called particel-sol is obtained as intermediate product. The properties of the final fibres are strongly influenced by the structure of these particles. So the characterization of these intermediates is of great interest and can be carried out by small angle X-ray scattering (SAXS)

The set-up of the SAXS equipment of the Kratky-type, as well as the adjustment and calibration of the collimating system and the position sensitive detector is described. As reference substances for calibration silver stearate and octadecanol-1 were used. Other useful substances are e.g. liquid crystals like DODAB (dioctadecyldimethylammoniumbromide) or porous silicates. For the later samples the preparation is described.

To evaluate the measurements several computer programms are available freely. Different programms which were based on different mathematical theories and routines have been tested and compared. Some were either not well described or not applicable for the problems in the present case. Only the programm flood by Krauthäuser, which is well described, available as source code, and as compiled programm for different computer systems, was useful for discussing and interpreting the measured X-ray diffraction patterns. However none of the above mentioned programms was appropiate for a complete data evaluation of the measured curves. Therefore a new computer programm was developed, that mainly deals with the deconvolution process of the measured scattering intensities.

The programm was tested with theoretical scattering curves, that were calculated from ideal, spherical particles and smeared with the experimental beam profile. Additionally it was tested with in the literature well characterized systems like the mentioned liquid crystals of DODAB and the porous silicates.

Finally samples of ZrO2 sols were prepared under various conditions and characterized with small angle X-ray scattering and other methods. In summary the first particles produced in this sol-gel-process, starting with the hydrolysis of zirconia n-propylate gave amorphous zirconia particles which then transform to monoclinic crystals. The amorphous particles can be stabilised by adding hydrochloric acid. Aging leads to larger particles and a muddy sol.