Technische Universität München – Fakultät für Chemie – Lichtenbergstr. 4 – 85 747 Garching – Gutachter: – Univ.-Prof. Dr. Johann Plank, München – Univ.-Prof. Dr. Bernhard Rieger, München – Univ.-Prof. Dr.-Ing. Detlef Heinz, München – Tag der Disputation: 27. Juli 2007 – In modernen Bau- und Werkstoffen werden sehr häufig mehrere Additive gleichzeitig eingesetzt, um die Materialeigenschaften op-timal zu steuern. Dabei wird immer wieder beobachtet, dass bestimmte Zusatzmittel-kombinationen schlecht oder überhaupt nicht funktionieren. Die Ursache dafür ist fast im-mer unbekannt. – Ziel dieser Forschungsarbeit war des-halb, ein besseres Verständnis der Ursachen von Zusatzmittelunverträglichkeiten am Bei-spiel der Kombination aus Fluid Loss-Additiv und Dispersant in Tiefbohrzement-schlämmen zu erlangen. In der Tiefbohr-zementierung reduzieren Fluid-Loss-Additive (Wasserretentionsmittel) die übermäßige Wasserabgabe der Zementschlämme an die meist poröse Formation während und nach der Platzierung im Bohrloch. Um gleichzeitig Verpumpbarkeit über mehrere tausend Meter zu gewährleisten, werden der Tief-bohrzementschlämme zusätzlich Dispersants (Fließmittel) zugesetzt. – In dieser Studie wurde der Wirk-mechanismus von „AMPS®-co-NNDMA“ als anionisches Fluid-Loss-Additiv (FLA) und von Aceton-Formaldehyd-Sulfit (AFS) -Polykondensat als anionisches Dispersant in der Tiefbohrzementschlämme untersucht. Die Polymere wurden jeweils synthetisiert und durch GPC-Analytik mit gekoppelter Lichtstreumessung sowie Ladungstitration charakterisiert. Der verwendete Tiefbohr-zement war ein API-Class-G-Zement der Dyckerhoff AG. Für die Untersuchung der Wirksamkeit und des Verhaltens der Poly-mere in Zementschlämmen kamen Prüf-methoden nach den Vorschriften des American Petroleum Institute (27°C, HPHT Fluid-Loss bei 70 bar, rheologische Unter-suchungen mittels Rotationsviskosimeter) zum Einsatz. Außerdem wurden in der Bau-chemie übliche Methoden wie Adsorptions-untersuchungen mittels TOC-/TN-Analytik, Zeta-Potential-Messungen, ESEM-Mikroskopie und Ubbelohde-Viskosimetrie der Polymerlösungen durchgeführt. – Für beide anionische Polymere liegt je-weils ein adsorptiver Wirkmechanismus in der Zementschlämme vor. Die AMPS®-co-NNDMA-Polymere besitzen einen hohen Adsorptionsgrad (90 %) an Zement und re-duzieren dadurch die Wasserpermeabilität des entstehenden Filterkuchens bzw. die Filt-rationsrate bei der Entwässerung der Ze-mentschlämme. Adsorbierte anionische AFS-Polymere bedingen eine elektrostatische Re-pulsion unter den Zementpartikeln und ver-flüssigen dadurch die Zementschlämme. – Die Kombination aus AMPS®-co-NNDMA und AFS zeigt eine Unverträglich-keit in Form einer stark reduzierten Fluid Loss-Wirksamkeit des AMPS®-co-NNDMA-Polymeren. Ursache dafür ist eine kompetiti-ve Adsorption zwischen den beiden anioni-schen Polymeren, wobei das AMPS®-co-NNDMA bevorzugt adsorbiert und AFS wei-testgehend desorbiert wird. – Durch chemische Maßschneiderung von AMPS®-co-NNDMA wurden weitere wich-tige Einflussgrößen für die kompetitive Ad-sorption mit AFS, wie z.B. anionische La-dungsmenge und Qualität der Ankergruppen, systematisch untersucht. Durch Einpoly-merisation geringster Mengen (~1 M.-%) an Acrylsäure (AA), Maleinsäureanhydrid (MSA) bzw. Vinylphosphonsäure (VPA) wurde AMPS®-co-NNDMA mit einer zu-sätzlichen starken Ankergruppe (Carboxylat, vicinales Dicarboxylat bzw. Phosphonat) modifiziert. Untersuchungen der synthetisierten Terpolymere zeigen, dass ihr Adsorptionsverhalten sehr durch die ani-onische Ladungsdichte der Ankergruppe ge-steuert wird. Bei gleichzeitiger Anwesenheit mehrerer Additive mit vergleichbarer anionischer Ladungsmenge im Molekül ad-sorbiert das Polymer mit den stärker anionischen Ankergruppen bevorzugt. In der Reihe -SO3- → -COO- → „vic-(-COO-)2“ → -PO32- nimmt die Qualität der Anker-gruppe zu. Mit Hilfe der – 3-Acrylamido-3-Methylbutancarbonsäure (AMBC) konnte ein AMPS®-co-NNDMA-AMB synthetisiert werden, welches im Ver-gleich zum AMPS®-co-NNDMA-AA eine Carboxylat-Ankergruppe mit größerem Ab-stand zum Polymerbackbone besitzt. Ad-sorptionsuntersuchungen der Terpolymere in Gegenwart von AFS zeigen, dass die Qualität der Ankergruppe aufgrund der zunehmenden Freiheitsgrade mit längerem Abstand zum Polymer-backbone reduziert wird. Somit liegt ein günstigeres kompetitives Ad-sorptionsverhalten in Kombination mit AFS vor. Die Erkenntnisse sind von großer Be-deutung für die Verbesserung von Zusatz-mittelunverträglichkeiten in Baustoff-systemen. – Kontakt: – Andreas Brandl – Technische Universität München – Lehrstuhl für Bauchemie – Lichtenbergstr. 4 – 85 747 Garching, Deutschland – E-Mail: – andreas.brandl@bauchemie.ch.tum.de – Die vollständige, in Deutsch verfasste Arbeit ist über den Verlag Dr. Hut zu beziehen. – http://www.dr.hut-verlag.de/titelAnorganischeChemie.html –