Die Anregung von mit Aufkonvertierungsnanopartikeln gedoptem Zement mit einem Infrarotlaser führt zu Fluoreszenz, deren Intensität sich mit fortschreitender Zementhydratation ändert.
Quelle: BAM
Lanthanid-basierte Photonen-Aufkonvertierungs-Mikro- und Nanopartikel (UCNPs) mit charakteristischen, scharfen Emissionsbanden im ultravioletten (UV), sichtbaren (vis), nahen Infrarot (NIR) und kurzwelligen Infrarot (SWIR) Bereich sind vielversprechende optische Reporter und Marker für Barcoding-Applikationen. Um die Anwendbarkeit von UCNPs für die Überwachung von Zementhydratisierungsprozessen im Frühstadium und als Authentifizierungsmarkierungen für zementartige Materialien zu bewerten, haben wir die Entwicklung der Lumineszenz von selbst hergestellten NaYF4:Yb,Er-UCNPs und kommerziellen Y2O2S:Yb,Er-Partikeln in den frühen Stadien der Zementhydratisierung untersucht, die maßgeblich die zukünftigen Eigenschaften des ausgehärteten Materials bestimmen.
Zu den untersuchten Parametern auf der UCNP-Seite gehörten Partikelgröße, Morphologie, Oberflächenchemie und -beschichtung, Lumineszenzeigenschaften und Konzentration in verschiedenen Zementmischungen. Auf der Zementseite wurde der Einfluss der mineralischen Zusammensetzung der Zementmatrix repräsentativ für gewöhnlichen Portlandzement (OPC) und seine Bestandteile Tricalciumaluminat (C3A), Tricalciumsilikat (C3S) und Gips bei verschiedenen Wasser-Zement-Verhältnissen untersucht.
Basierend auf Reflexions- und Lumineszenzmessungen, die eine Online-Überwachung ermöglichen, ergänzt durch Röntgendiffraktometrie und isotherme Wärmeflusskalorimetrie, konnten geeignete Partikel-Reporter sowie Anwendungsbedingungen identifiziert werden. Letztere Messungen ermöglichen Aussagen, ob der Zusatz der UCNPs die Zementhydratationsprozesse beeinträchtigt. Darüber hinaus konnte so der Einfluss der Partikel auf die Reaktionskinetik minimiert werden.
Die beste Performance bei den Lumineszenzuntersuchungen von Veränderungen während der frühen Zementhydratationsprozesse wurde für 25 nm große, mit Oleat (OA) beschichtete UCNPs beobachtet, die in einer Konzentration von 0,1 Gew.-% zugesetzt wurden. Größere UCNP Mengen von 1,0 Gew.-% verzögerten die Zementhydratationsprozesse, insbesondere in den ersten 24 Stunden, in Abhängigkeit von Größe und Oberflächenbeschichtung. Anschließende Untersuchungen zur Lumineszenzstabilität, die über einen Zeitraum von mehr als einem Jahr durchgeführt wurden, bestätigen die Langzeitstabilität und Eignung von UCNPs als optische Authentifizierungsmarker für Baumaterialien.
ACS Omega. 2025 Jul 16;10(29):31587-31599. doi: 10.1021/acsomega.5c02236.
Assessing the Applicability of Lanthanide-Based Upconverting Nanoparticles for Optically Monitoring Cement Hydration and Tagging Building Materials
Kossatz P, Mezhov A, Andresen E, Prinz C, Schmidt W, Resch-Genger U.
ACS Omega. 2025 Jul 16;10(29):31587-31599