@phdthesis{Schneider,
  author    = {Schneider, Jens},
  title     = {Untersuchungen zum Alterungsverhalten und zur Langzeitstabilit{\"a}t von Y-TZP/Al2O3-Dispersionskeramiken (ATZ) f{\"u}r die Anwendung in der H{\"u}ft-Endoprothetik},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.1776},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20121130-17761},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {151},
  abstract  = {6 Zusammenfassung und Ausblick Die hydrothermal induzierte Phasentransformation konnte f{\"u}r ATZ-Keramik mit tiefenge-mittelten und tiefenaufgel{\"o}sten Methoden charkterisiert und quantifiziert werden. Die zeit- und temperaturabh{\"a}ngige Alterungskinetik von ATZ wurde durch neun Tempera-turstufen in einem Temperaturbereich von 50 °C bis 134 °C untersucht und die kinetischen Parameter nummerisch bestimmt. F{\"u}r 3Y-TZP wurde diese Prozedur bei drei Temperaturen im Temperaturbereich von 70 °C bis 134 °C angewendet. Aufgrund des ARRHENIUS-Verhaltens der Umwandlungskinetik konnte der zeitliche Verlauf der isotherm stattfinden-den hydrothermal induzierten Phasentransformation bei K{\"o}rpertemperatur simuliert wer-den. Die Simulation dient zur Bewertung der Langzeitstabilit{\"a}t von medizinischen Implanta-ten aus ATZ bzw. 3Y-TZP. Die Untersuchungen wurden in Wasser und in Wasserdampf bzw. wasserdampfges{\"a}ttigter Luft durchgef{\"u}hrt. Die Langzeitsimulation f{\"u}r 3Y-TZP wurde an-hand von Explantat-Untersuchungen verifiziert. ATZ zeigt gegen{\"u}ber 3Y-TZP eine h{\"o}here Alterungsstabilit{\"a}t bezogen auf die zeitliche Ent-wicklung der monoklinen Phase. Im Hinblick auf die Oberfl{\"a}chenh{\"a}rte, die durch die Pha-senumwandlung stark beeinflusst wird, erweist sich ATZ {\"u}ber einen langen Alterungszeit-raum stabiler als 3Y-TZP. Bis zu einem monoklinen Gehalt von 40 \% beweist ATZ einen deutlichen H{\"a}rtevorteil gegen{\"u}ber 3Y TZP, dieser entspricht in der Langzeitsimulation f{\"u}r die Wasserlagerung ca. 35 Jahre. Das wirkt sich insbesondere bei Verschleißpaarungen wie beim k{\"u}nstlichen H{\"u}ftgelenk positiv aus. Verschleißuntersuchungen an einer neu entwickelten Kugel-auf-Scheibe-Geometrie mit li-nearer Kinematik, die dem H{\"u}ftgelenk nachempfunden wurde, belegen die vorteilhaften Verschleißeigenschaften von ATZ in Form von sehr geringen Abtragsraten und einer intak-ten Oberfl{\"a}che nach 720 000 absolvierten Zyklen. Dabei wurde sogar eine Aufh{\"a}rtung der Oberfl{\"a}che durch die Verschleißbeanspruchung um bis zu 8 \% nachgewiesen. Bei der tiefengemittelten Charakterisierung der hydrothermalen Alterung wurde in beiden Materialtypen festgestellt, dass die Geschwindigkeit der Phasentransformation neben der Temperatur merklich von der {\"A}nderung der H2O-Stoffmengenkonzentrantion an der Ober-fl{\"a}che der Keramik abh{\"a}ngig ist, was sich mit den unterschiedlichen Aktivierungsenergien f{\"u}r Wasser- bzw. Wasserdampflagerung belegen l{\"a}sst. Die Aktivierungsenergie Ea der hyd-rothermalen Phasentransformation wurde mit Hilfe der ARRHENIUS-Beziehung ermittelt und betr{\"a}gt f{\"u}r ATZ bei Wasserdampflagerung 102 kJ/mol und bei Wasserlagerung 92 kJ/mol. F{\"u}r Y-TZP betr{\"a}gt die Aktivierungsenergie 114 kJ/mol bei Wasserdampflagerung und 102 kJ/mol bei Wasserlagerung. Der resultierende pr{\"a}exponentielle Faktor k0 unterscheidet sich f{\"u}r Wasserlagerung und Wasserdampflagerung um eine Gr{\"o}ßenordnung, was auf einen leicht andersartigen thermisch aktivierten Gesamtprozess hinweist. Der Avrami-Exponent n, der einen Hinweis auf den Mechanismus der Keimbildung sowie deren geometrische Ordnung geben kann, zeigte keine signifikante Abh{\"a}ngigkeit von der Temperatur und vom Umgebungsmedium. Er ist dagegen zeitabh{\"a}ngig und f{\"a}llt mit zuneh-mender Alterungszeit, d.h. mit zunehmendem monoklinem Gehalt von ca. 4 auf 0,5 ab, was auf eine abnehmende Keimbildungsrate hindeutet. In Verbindung mit weiteren Untersu-chungen durch unabh{\"a}ngige und zum Teil tiefenaufl{\"o}sende Methoden wie GIXRD, NRA und Knoop-Mikroh{\"a}rte-Messungen l{\"a}sst sich der Alterungsmechanismus, bzw. sein zeitlicher und {\"o}rtlicher Ablauf, durch die drei Stadien A, B und C beschreiben: A 0-5 ma. \% m-ZrO2 Quasi-homogene Keimbildung an bevorzugten Orten wie Kornkan-ten und Kornecken (n≈4), Wassertransport wahrscheinlich via Korngrenzendiffusion, Aufh{\"a}rtung der Oberfl{\"a}che B 5-40 ma. \% m-ZrO2 Keimbildung an den Korngrenzfl{\"a}chen bis zur Keims{\"a}ttigung (n≈2), monokline Randschicht w{\"a}chst zeitlich linear, Wassertransport konvektiv {\"u}ber Mikrorisse, deutlicher H{\"a}rteverlust der Oberfl{\"a}che C ≥ 40 ma. \% m-ZrO2 Wachstum der monoklinen Kristallite von den Korngrenzfl{\"a}chen in die tetragonalen Kristallite unter starker Verzwillingung (n≈0,5), Abnahme der tetragonalen Kristallitgr{\"o}ße, starke Mikrorissbildung, dramatischer R{\"u}ckgang der Oberfl{\"a}chenh{\"a}rte Die Kristallitgr{\"o}ße der monoklinen Phase verbleibt im ATZ {\"u}ber alle drei Abschnitte bei 30 ±5 nm. Ein Anwachsen der Kristallite ist mechanische behindert. Kleinere monokline Kristallite sind im ATZ thermodynamisch instabil. Die Kristallitgr{\"o}ße der tetragonalen Phase f{\"a}llt in den Abschnitten A und B sehr langsam und in C sehr schnell bis auf 25 nm ab. Bei dieser Kristallitgr{\"o}ße ist die tetragonale Phase gegen{\"u}ber der monoklinen Phase thermody-namisch stabil. Diese residualen tetragonalen Kristallite weisen nach vollst{\"a}ndigem Reakti-onsablauf einem Anteil von 7 ma. \% auf. Der S{\"a}ttigungsgehalt der monoklinen Phase betrug in beiden Materialen unabh{\"a}ngig von der Temperatur bzw. dem Umgebungsmedium 75 \% der ZrO2-Phase. In Abschnitt C besitzt die residuale tetragonale Phase eine starke Orientierung. Dadurch wird die geometrische Bedingtheit der hydrothermal induzierten Phasenumwandlung ver-deutlicht. Die monokline Phase ist {\"u}ber den gesamten Alterungsprozess stark nach m(1 1  1) orientiert, was mit einer bevorzugten Umklapprichtung der c-Achse zur freien Oberfl{\"a}che hin verbunden ist. Mit Hilfe der tiefenaufgel{\"o}sten Phasenanalyse konnte die Wachstumsgeschwindigkeit der monoklinen Randschicht von der Oberfl{\"a}che in das Volumen untersucht werden. Die Ge-schwindigkeit des Schichtwachstums ist in Abschnitt B nicht zeit- und tiefenabh{\"a}ngig, son-dern konstant mit ausgepr{\"a}gtem ARRHENIUS-Verhalten (Temperaturabh{\"a}ngigkeit). Die Akti-vierungsenergie der Schichtwachstumsgeschwindigkeit km liegt in der gleichen Gr{\"o}ßenord-nung wie die der Transformationskonstante k. Die Umwandlungszone schreitet also mit konstanter Geschwindigkeit in das Volumen fort und hinterl{\"a}sst ein verzweigtes Mikro- und Nanoriss-System. FESEM-Aufnahmen best{\"a}tigen das Vorhandensein einer por{\"o}sen Randschicht, durch die das Wasser nahezu ungehindert eindringen kann. NRA Untersuchungen deuten in Stadium A auf Korngrenzendiffusion hin und best{\"a}tigen in Stadium B einen konvektiven Transport des Wassers an die Transformationszone. Eine Dif-fusion {\"u}ber Sauerstoffleerstellen im Gitter konnte anhand von Proben aus 8YSZ nicht nach-gewiesen werden. Dagegen kommt es in dem verzweigten Riss- und Porensystem in der gealterten Randschicht zum R{\"u}cktransport des Wassers an die Oberfl{\"a}che, sobald die Pro-ben aus der hydrothermalen Atmosph{\"a}re genommen, an Luft gelagert oder in die Hochva-kuumkammer der NRA-Messapparatur eingeschleust werden. Mikrostrukturelle Untersuchungen an eigens entwickelten Verschleißpaarungen zeigten nach 720000 Zyklen {\"a}hnliche Oberfl{\"a}cheneigenschaften wie im Alterungsstadium A. Man kann daher davon ausgehen, dass die Stadien B und C aus Stabilit{\"a}tsgr{\"u}nden in der tribolo-gischen Kontaktzone nicht existieren k{\"o}nnen und es dass sich im Falle einer gleichzeitigen, hydrothermalen und tribologischen Beanspruchung um einen station{\"a}ren Alterungs- und Verschleißprozess handelt. Durch quasiplastische Deformation der monoklinen und tetra-gonalen Kristallite wird die Verschleißrate und die Abriebpartikel bei einer hart /hart Paa-rung aus ATZ deutlich minimiert, so dass ATZ f{\"u}r die H{\"u}ftendoprothetik ein durchaus geeig-neten Werkstoff darstellt, der sich auf der Grundlage der in dieser Arbeit gewonnenen Daten {\"u}ber eine Imlantationsdauer von .mehr als 15 Jahre stabil verhalten kann.},
  subject      = {Dispersionskeramik},
  language  = {de}
}
@article{PartschefeldTutalHalmansederetal.,
  author    = {Partschefeld, Stephan and Tutal, Adrian and Halmanseder, Thomas and Schneider, Jens and Osburg, Andrea},
  title     = {Investigations on Stability of Polycarboxylate Superplasticizers in Alkaline Activators for Geopolymer Binders},
  series = {Materials},
  volume    = {2023},
  journal   = {Materials},
  number    = {Volume 16, issue 15, article 5369},
  publisher = {MDPI},
  address   = {Basel},
  doi       = {10.3390/ma16155369},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20231026-64809},
  pages     = {1 -- 14},
  abstract  = {Calcined clays are interesting starting materials to be used as SCMs (supplementary cementitious materials) in cements or to be converted to geopolymers by activation with a high alkaline activator. The adjustment of the properties in the fresh state, especially regarding the consistency of these binders, is almost exclusively achieved by the addition of water, since commercially available superplasticizers seem to be ineffective in low-calcium geopolymer systems. The aim of this study was a systematic investigation of various PCE (polycarboxylate ester/ether) superplasticizers (methacrylate ester PCE: MPEG, isoprenol ether PCE: IPEG, methallyl ether PCE: HPEG) with respect to their stability in different alkaline activators (NaOH, KOH, sodium and potassium silicate solutions). The effectiveness of superplasticizers (SPs) in low-calcium geopolymer binders was verified by rheological tests. Size exclusion chromatography was used to investigate if structural degradation of the superplasticizers occurs. The investigated PCE superplasticizers showed a thickening effect in the low-calcium geopolymer system. Depending on the alkalinity of the activator solution, a degradation process was detected for all the PCEs investigated. The side chains of the PCEs are cleaved off the backbone by basic ester and ether hydrolysis. The highest degree of degradation was found in sodium and potassium silicate solutions. In alkaline hydroxide solutions, the degradation process increases with increasing alkalinity.},
  subject      = {Geopolymere},
  language  = {en}
}
@article{TutalPartschefeldSchneideretal.,
  author    = {Tutal, Adrian and Partschefeld, Stephan and Schneider, Jens and Osburg, Andrea},
  title     = {Effects of Bio-Based Plasticizers, Made From Starch, on the Properties of Fresh and Hardened Metakaolin-Geopolymer Mortar: Basic Investigations},
  series = {Clays and Clay Minerals},
  volume    = {2020},
  journal   = {Clays and Clay Minerals},
  number    = {volume 68, No. 5},
  publisher = {Springer},
  address   = {Heidelberg},
  doi       = {10.1007/s42860-020-00084-8},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20210804-44737},
  pages     = {413 -- 427},
  abstract  = {Conventional superplasticizers based on polycarboxylate ether (PCE) show an intolerance to clay minerals due to intercalation of their polyethylene glycol (PEG) side chains into the interlayers of the clay mineral. An intolerance to very basic media is also known. This makes PCE an unsuitable choice as a superplasticizer for geopolymers. Bio-based superplasticizers derived from starch showed comparable effects to PCE in a cementitious system. The aim of the present study was to determine if starch superplasticizers (SSPs) could be a suitable additive for geopolymers by carrying out basic investigations with respect to slump, hardening, compressive and flexural strength, shrinkage, and porosity. Four SSPs were synthesized, differing in charge polarity and specific charge density. Two conventional PCE superplasticizers, differing in terms of molecular structure, were also included in this study. The results revealed that SSPs improved the slump of a metakaolin-based geopolymer (MK-geopolymer) mortar while the PCE investigated showed no improvement. The impact of superplasticizers on early hardening (up to 72 h) was negligible. Less linear shrinkage over the course of 56 days was seen for all samples in comparison with the reference. Compressive strengths of SSP specimens tested after 7 and 28 days of curing were comparable to the reference, while PCE led to a decline. The SSPs had a small impact on porosity with a shift to the formation of more gel pores while PCE caused an increase in porosity. Throughout this research, SSPs were identified as promising superplasticizers for MK-geopolymer mortar and concrete.},
  subject      = {Geopolymere},
  language  = {en}
}