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MAGNA Naturstein GmbH Im Mittelfeld 1 39326 Loitsche
Vorhaben:
„Oberflächenmodifikation von Naturstein- und Feinsteinzeug-Bodenplatten für minimalen Einsatz von Reinigungsmitteln“
Abschlussbericht über ein FuE-Projekt, gefördert unter dem Aktenzeichen AZ 29514 von der
Deutschen Bundesstiftung Umwelt
vorgelegt von:
Jochen Thumm
Herbert Fahrenkrog Ulf Mielke Kai Nebel
Martin Tubach Xuan-Quang Vu
Loitsche, den 18.02.2013
06/02 Projektkennblatt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt
Az 29514 Referat 21/2 Fördersumme 125.000 € Antragstitel „Oberflächenmodifikation von Naturstein- und Feinsteinzeug-
Bodenplatten für minimalen Einsatz von Reinigungsmitteln“ Stichworte Oberflächenmodifikation, Natursteinbodenplatten, Reinigungsmittel Laufzeit Projektbeginn Projektende Projektphase(n) 12 Monate 06.07.2011 30.11.2012 1 (2) Zwischenberichte alle 6 Monate Kurzberichte Bewilligungsempfänger MAGNA Naturstein GmbH Tel: 039208/271-0 Im Mittelfeld 1 Fax 039208/23407 39326 Loitsche Projektleitung Herr Jochen Thumm Bearbeiter Herr Jochen Thumm Kooperationspartner Reutlingen Research Institute (RRI), Hochschule Reutlingen
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Bodenbeläge aus Feinsteinzeug und Naturstein werden poliert und dann durch Laserbehandlung mit mik-roskopischen Vertiefungen versehen, die eine ausreichende Rutschfestigkeit im Innenbereich nach BGR 181 gewährleisten (Bewertungsgruppe der Rutschsicherheit R9 und R10). Diese Oberflächenbehandlung und die Reinigung sollen optimiert werden hinsichtlich minimalem Aufwand und minimalem Einsatz von Reinigungsmittel für Unterhaltsreinigung und der dazugehörigen Grundreinigungsfrequenz. Ziel ist eine Reduktion um bis zum Faktor 2. Dazu sollen Abstand und Größe der Vertiefungen optimiert und kontrolliert werden. Die Dosierungen der Reinigungsmittel sollen, ausgehend von der derzeitigen Herstellervorgabe, eher reduziert werden, die Abstände zwischen den Grundreinigungen, die mit einer starken Umweltbelas-tung verbunden sind, sollen vergrößert werden. Begleitend soll eine Methode für die Vorhersage und Mes-sung der Verschmutzung entwickelt werden. Diese wird in der Entwicklung benutzt und soll nach dem Pro-jekt für die Optimierungen an anderen Materialien, z. B. PVC oder Polyolefinböden nutzbar sein und auch als Vorarbeit für eine Zertifizierung der Böden nach LEED dienen. Bislang gibt es zwar Hinweise für die Vorteile bzgl. Reinigung, die aber weder optimiert noch belegbar sind. Deshalb hat sich dieses Verfahren noch nicht durchgesetzt. Der Marktanteil liegt bei Naturstein unter 10%, im Bereich Feinsteinzeug weit niedriger. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden AP 1 Vorversuche AP 2 Feldversuche mit Praxisvergleich AP 3 Ökobilanz und Optimierung AP 4 Stempelentwicklung zur Standardisierung der Bestimmung der Verschmutzung AP 5 Stempeltests AP 6 Methodenentwicklung zur Bestimmung und Reduktion der Verschmutzungsanfälligkeit AP 7 Entwicklung Laserungen zur Behandlung der Oberflächen verschiedener Bodenbeläge
Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
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Ergebnisse und Diskussion Von den unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen, die die Bewertungsgruppe der Rutschsicherheit "R9" erfüllen schneidet die Laserbehandlung hinsichtlich der Reinigungsfähigkeit der Fliesen bei der Un-terhaltsreinigung am besten ab. Daraus resultiert, dass eine Minimierung der Umweltbelastung durch Reinigungschemikalien der Unterhaltsreinigung und der Vorgabe "R9" am ehesten durch eine gelaserte Oberfläche erzielt werden kann. Eine Quantifizierung wird im Nachfolgeprojekt entworfen werden. Die Grundreinigungsfrequenz, die abhängig ist von der subjektiven Schmutzwahrnehmung und dem Schmutzrückhaltevermögen der Oberflächen, ist bei der gelaserten Oberfläche (bei Anforderung "R9") ebenfalls am geringsten. Durch die vielen Einflussparameter (Materialschwankungen, Reproduzierbarkeit etc.) sind gesicherte Aussagen bezüglich der objektiven Reingungsfähigkeit einzelner Grundmaterialien erst nach längeren Versuchszyklen und nach einer hohen Anzahl an Wiederholungen möglich. Eine Systemoptimierung, d. h. eine Abstimmung Oberfläche (Laserung) mit Reinigungsmethode und Medium, birgt zukünftige Entwicklungspotenziale und ist aus Sicht der beteiligten Industrie (Steinherstel-ler – Chemieindustrie - Reinigungsindustrie) von großem Interesse. Die Reproduzierbarkeit der Messungen innerhalb des Feldversuches ist gut. Der Feldversuch bestätigte die Vorteile gegenüber bisherigen Oberflächen Generell sind die einzelnen Laserparameter noch schwer zu diskriminieren Der zeitliche Verlauf (=Abnutzung der Fliesenoberfläche) muss noch näher untersucht bzw. über einen längeren Zeitraum getestet werden. Vorversuche: Schmutzzusammensetzung („Straßenschmutz“) und Auftragsverfahren sind entwickelt. Ökobilanz und Optimierung: Potenzielle ökologische Vorteile wurden quantifiziert, Optimierung ist erfolgt, begrenzt durch die Messmethode des Reinigungsvermögens. Stempelentwicklung: Gerät zur Fliesenreinigung (Stempel) ist als Prototyp fertig. Methodenentwicklung: Die im Rahmen des Projekts entwickelte Methode ist nun sehr aussagekräftig. Die Vorteile der laserbehandelten Oberflächen sind deutlich geworden, müssen jedoch über längere Zeiträume (Fortführung Feldversuche) verifiziert werden. Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation Die Zwischenergebnisse wurden bei einem Treffen der Projektpartner mit Dr. Schwake von der DBU am 25.06.2012 präsentiert. Der Feldversuch in der Betriebshalle der Hochschule Reutlingen diente der Öffentlichkeitsarbeit, da hier ein reger Publikumsverkehr herrschte. Informationstafeln und Poster informierten über das Vorhaben. Auf den Homepages des RRI und der Spitzmüller AG wurde je eine Kurzinformation präsentiert. Das Projekt erweckte bereits großes Interesse bei der „Reinigungsindustrie“ – so wurde die Thematik bei verschiedenen Firmen präsentiert: - Fa. Vermop, Gilching (Reinigungssysteme, textile Wischbezüge) - Fa. Werner & Merz, Mainz (Chemikalien zur Bodenpflege) Die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Bodenoberflächen, Verschmutzung so-wie Reini-gungsmedien soll in zukünftigen Kooperationen mit den Firmen weiter untersucht werden. Der SWR war im Februar beim RRI und es wird einen Radiobeitrag über das Projekt bis Ende März ge-ben, eventuell auch einen Fernsehbeitrag. Auf der 46th International Detergency Conference (9.-11.4.2013, Düsseldorf) wird Herr Nebel das Projekt im Rahmen eines Vortrags präsentieren: „Practice Orientated Correlation between Cleaning Behavior and Antislip Surface Modification by Laser Technology” Magna (Herr Fahrenkrog) wird am Arbeitskreis des FRT / WfK (Forschungsinstitut für Rei-nigungstechnik, Krefeld) zur Reinigung von mineralischen Bodenbelägen teilnehmen. Hier wurde bereits ein standardisiertes Merkblatt erstellt, was den anerkannten Stand der Technik im Reinigungsbereich darstellt [FRT12]. Hierbei wurde bestätigt, dass der Ansatz (Mittel und mechanisches Verfahren), dem aktuellen Stand der Technik absolut entspricht. Präsentationen im Bundesinnungsverband und den Landesverbänden der Steinmetze und der Gebäude-reiniger durch Magna sind geplant. Fazit
Die Ergebnisse sind so vielversprechend, dass am 31.08.2012 ein Antrag für Phase 2 des Projektes ge-stellt wurde. Der Antrag wurde genehmigt und Phase 2 wurde im Dezember 2012 begonnen. Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
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Inhaltsverzeichnis: Projektkennblatt............................................................................................ 2 I. Verzeichnis von Bildern und Tabellen .................................................. 5 II. Verzeichnis von Begriffen, Abkürzungen und Definitionen ............... 7 1 Zusammenfassung ................................................................................. 9 2 Einleitung: Zielsetzung und Anlass des Vorhabens ......................... 10
2.1 Ausgangssituation ...............................................................................................10 2.2 Zielsetzung ..........................................................................................................11 2.3 Umweltrelevanz/ -entlastung ...............................................................................11 2.4 Inhaltliche Änderung/ Laufzeitverlängerung ........................................................12
3 Hauptteil ................................................................................................ 13 3.1 Darstellung der Arbeitsschritte ............................................................................13 3.2 Ergebnisse und Diskussion .................................................................................15
3.2.1 Vorversuche (AP1) .......................................................................................15 3.2.2 Feldversuch (AP2)........................................................................................24 3.2.3 Ökobilanz und Optimierung (AP3)................................................................30 3.2.4 Stempelentwicklung (AP4) ...........................................................................33 3.2.5 Stempeltests (AP5) ......................................................................................37 3.2.6 Methodenentwicklung (AP6).........................................................................38 3.2.7 Testverfahren ...............................................................................................43 3.2.8 Entwicklung Laserung (AP7) ........................................................................46
4 Ökologische, technologische und ökonomische Bewertung........... 47 5 Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation............................................... 48 6 Fazit........................................................................................................ 50 7 Literaturverzeichnis.............................................................................. 50 8 Anhänge ................................................................................................ 51
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I. Verzeichnis von Bildern und Tabellen Abbildungen Abbildung 1: Farbdifferenz (Verschmutzungsgrad) von Fliesen mit unterschiedlicher Oberflächenbehandlung nach einer simulierten Reinigung................................................11 Abbildung 2: Ansetzen der Schmutzlösung Abbildung 3: Malerschale..........................13 Abbildung 4: Benetzung des Wischbezugs........................................................................13 Abbildung 5: Farbdifferenz Impala Fliesen.........................................................................15 Abbildung 6: Farbdifferenz Padang Dunkel .......................................................................15 Abbildung 7: Vergleich der Farbdifferenz aller polierten Fliesen........................................16 Abbildung 8: Vergleich der Farbdifferenz aller geschliffenen Fliesen (K120).....................16 Abbildung 9: Vergleich der Farbdifferenz aller poliert - und gelaserten Fliesen .................17 Abbildung 10: Farbdifferenzen bei Impala, Padang und G603 bei Teststaub ....................18 Abbildung 11: Vergleich der Farbdifferenz polierten Fliesen bei Teststaub .......................18 Abbildung 12: Vergleich der Farbdifferenz geschliffenen Fliesen bei Teststaub................19 Abbildung 13: Vergleich der Farbdifferenz poliert - und gelaserten Fliesen bei Teststaub 19 Abbildung 14: Vergleich der Farbdifferenz Impala Fliesen.................................................19 Abbildung 15: Vergleich der Farbdifferenz Padang Dunkel Fliesen...................................20 Abbildung 16 Vergleich der Farbdifferenz G603 Fliesen ...................................................20 Abbildung 17: Farbdifferenzen polierter (oben), geschliffener (Mitte), und poliert-/gelaserter Fliesen (unten) .................................................................................................21 Abbildung 18: Farbdifferenz Feinsteinzeug nach 20 Anschmutzungen .............................22 Abbildung 19: Farbdifferenz Impala nach 20 Anschmutzungen.........................................22 Abbildung 20: Farbdifferenz Padang Dunkel nach 20 Anschmutzungen ...........................23 Abbildung 21: Farbdifferenz G603 nach 20 Anschmutzungen...........................................23 Abbildung 22: Messergebnisse Röwe über die Anzahl der Reinigungszyklen...................23 Abbildung 23: Feldversuch im Gebäude 1 des RRI ...........................................................25 Abbildung 24: Farbdifferenzen Padang Dunkel verschiedener Laserungen ......................27 Abbildung 25: Farbdifferenzen Villeroy & Boch FSZ verschiedener Laserungen...............27 Abbildung 26: Farbdifferenzen Padang Dunkel Oberflächenmodifikationen ......................28 Abbildung 27: Farbdifferenzen Villeroy & Boch FSZ Oberflächenmodifikationen ..............28 Abbildung 28: Reproduzierbarkeit der Farbdifferenz Feldversuch PD geschliffen (K120) .29 Abbildung 29: Treibhauspotential für neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts) ..................................................................................................................30 Abbildung 30: Eutrophierungspotential für neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts) ..................................................................................................................31 Abbildung 31: Versauerungspotential konservativ abgeschätzt für die neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts)......................................................................31 Abbildung 32: Photochemisches Oxidantien-Bildungspotential konservativ abgeschätzt für die neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts). ...............................32 Abbildung 33: Primärenergieverbrauch konservativ abgeschätzt für die neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts). ..........................................................32 Abbildung 34: Trinkwasserverbrauch (in Liter) konservativ abgeschätzt für die neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts)...............................................33 Abbildung 35: Das Werkzeug und dessen schematischen Aufbau ....................................34 Abbildung 36 ISEL Steuereinheit IMC-P ............................................................................34 Abbildung 37: Schematischer Aufbau der Portaleinheit .....................................................34 Abbildung 38: Skizze des Politurvorgangs.........................................................................35 Abbildung 39: Gesamtaufbau der Restschmutzbestimmungsvorrichtung..........................35 Abbildung 40: Schematischer Ablauf in X / Y - Richtung ..................................................36 Abbildung 41: Farbmessung mit Hunterlab........................................................................36 Abbildung 42: BYK Gardner Glanzmessgerät....................................................................37 Abbildung 43: Glanzmessung in Abhängigkeit des Messwinkels.......................................37
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Abbildung 44 Naturstein Fliesen 1: G603, 2: Impala, 3: Padang Dunkel ...........................38 Abbildung 45: Mikroskopaufnahmen Feinsteinzeug Fliesen verschiedener Oberflächenbehandlung.....................................................................................................38 Abbildung 46: gelaserte Fliesen Typ Impala ......................................................................39 Abbildung 47: Laserloch bei unterschiedlichen Vergrößerungen.......................................39 Abbildung 48: Vermessung und 3D Darstellungen des Tiefenprofils des Laserlochs ........40 Abbildung 49: Tastschnittverfahren zur Bestimmung des Oberflächenprofils ....................40 Abbildung 50: Vergleich der Oberflächenprofile.................................................................41 Abbildung 51: Drei unterschiedliche Anschmutzverhalten .................................................42 Abbildung 52: Wischbezug in einem mit Reinigungsmittel gefüllte Wanne ........................42 Abbildung 53: Arizona Staub (links) Teststaub (rechts) .....................................................43 Abbildung 54: fluoreszierender Teststaub Grün.................................................................44 Abbildung 55: fluoreszierender Teststaub Orange.............................................................44 Abbildung 56: Schmutzauftrag mit Rollwalze (L), mit Kunststoffspachtel (R)....................45 Abbildung 57: Die angeschmutzte Fliesenoberfläche ........................................................45 Abbildung 58: Fliesenreinigungsvorgang ...........................................................................46 Tabellen Tabelle 1: Abschätzung der Umwelteffekte........................................................................12 Tabelle 2: Balkenplan ........................................................................................................13 Tabelle 3: Verlegeplan des Feldversuchs ..........................................................................26
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II. Verzeichnis von Begriffen, Abkürzungen und Definitionen Begriffe H-C-L Farbraum: ist ein Dreidimensionaler Raum, in der alle Farben durch eine farbgebende Methode dar-gestellt werden können. Wobei H für den Farbwinkel C die für Farbsättigung stehen. Die Helligkeit wird durch L beschrieben. Jede Farbe wird H-C- L Werte im Farbraum bestimmt. Farbdifferenz ∆ E:
Differenz der LCH- Wert - Summen der Originalfliese und der angeschmutzten und ge-wischten Fliese. Je höher die Farbdifferenz, desto mehr Schmutz befindet sich noch auf der Fliese bzw. desto schwieriger ist die Fliese mittels Mikrofaserbezug zu reinigen. Farbdifferenz Poliertuch:
Differenz der LCH- Wert - Summen des Originaltuches (weiße Baumwolle) und des ange-schmutzten Poliertuches. Je höher die Farbdifferenz des Poliertuches, desto mehr Schmutz wurde von der Fliese aufgenommen –desto größer war die oberflächenabhängi-ge Schmutzanhaftung. Die Differenzen zwischen der 1. /2./3. Politur können einen Hinweis auf die „Hartnäckigkeit“ der Schmutzanhaftung und die absolute Schmutzmenge geben.
Glanzmessung:
Glanz ist eine visuelle Wahrnehmung, die bei der Betrachtung von Oberflächen entsteht. Die Glanzwahrnehmung ist umso ausgeprägter, je gerichteter das Licht reflektiert wird
Glanzeinheit:
sind Messergebnisse des Glanzmessers, welche sich auf einen schwarzen, polierten Glasstandard mit definiertem Brechungsindex beziehen. Der Glasstandard hat einen Messwert von 100 Glanzeinheiten (Kalibrierung). Glanzdifferenz:
Differenz der Glanzeinheiten zwischen Originalfliese und gewischter bzw. polierter Fliese. Je höher der Glanzdifferenzwert, desto höher der relative Glanzunterschied. Positiver Wert: Glanz ist nach einer Behandlung niedriger als das Original. Negativer Wert: Glanz ist nach einer Behandlung höher als das Original. Adsorbertuch: Ist ein rechteckiges Tuch, das aus reissfesten Bauwollen besteht und dunkel weiße Farbe hat. Das Absorbertuch dient der Aufnahme des Restschmutzes.
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Werkzeug: wird auch als Stempel oder Restschmutz- Aufnehmer genannt und ist ein wichtiger Bauteil für die Restschmutzbestimmung. Die Funktion des Werkzeugs besteht darin, einen kon-stanten Druck bei dem Restschmutzaufnahmevorgang zu gewährleisten sowie die Bildung eines kreisförmigen Farbflecks auf dem Absorbertuch zu ermöglichen. Gesandelt: Oberfläche nach Bearbeitung mit Mikro-Stahlkugeln Abkürzungen FSZ = Feinsteinzeug G613 = K120: Geschliffen mittels Korundschleifkörpern PD = Padang Dunkel, Naturstein (Granodiorit) PL = poliert PL R9 = poliert und gelasert R9 R9: = Bewertungsgruppe der Rutschsicherheit im Innenbereich nach BGR 181 VB = Villeroy –Boch (Hersteller von FSZ) G 640 = Naturstein aus China (Granit) G 603 = Naturstein aus China (Granit) Definitionen Magic Maxx = Reinigungsmittel der Fa. Ecolab RÖWE = Kurzwort für Feinsteinzeug der Firma Röwe
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1 Zusammenfassung Verschiedene Bodenbeläge aus Feinsteinzeug und Naturstein wurden poliert und dann durch Laserbehandlung mit mikroskopischen Vertiefungen versehen, um eine ausreichen-de Rutschfestigkeit im Innenbereich nach BGR 181 zu gewährleisten (Bewertungsgruppe der Rutschsicherheit R9 und R10) und gleichzeitig den Reinigungsaufwand um bis zum Faktor 2 zu reduzieren. Diese Oberflächenbehandlung und die Reinigung wurden optimiert hinsichtlich minimalem Aufwand und minimalem Einsatz von Reinigungsmittel für Unter-haltsreinigung und der dazugehörigen Grundreinigungsfrequenz. Dazu wurden Abstand und Größe der Vertiefungen optimiert und kontrolliert. Zur Entwicklung einer Methode zur Vorhersage und Messung der Verschmutzung wurden Vorarbeiten geleistet. Durchgeführte Untersuchungen • Reinigungsverhalten • Anschmutzverhalten • Oberflächenstruktur • Materialbeschaffenheit • Optische Prüfung der Oberfläche • Farbmetrische Messung des Schmutzes • Topologie der Lasereinschusslöcher • Art der Oberflächenmodifikation • Analyse und Modifikation des Schmutzes
Entwicklungen • Werkzeug zur Restschmutzbestimmung • Bau einer automatisierten Prüfvorrichtung • Festlegung der Prüfmethoden • Standardisierung der Prüfmethoden • Festlegung des Feldversuchs Erzielte Ergebnisse: Eine Reduktion der Verschmutzung bzw. Verringerung des Reinigungsaufwand wurde durch Experimente für eine Reihe von Bodenplatten im Labor und im Feldversuch nach-gewiesen. Ein experimentelles Werkzeug zur Messung des Restschmutzes nach Reinigung wurde entwickelt. Eine Methode für Messung und Vorhersage der Verschmutzung wurde konzipiert. Empfehlungen für das weitere Vorgehen Die Ergebnisse sind so vielversprechend, dass am 31.08.2012 ein Antrag für Phase II des Projektes gestellt wurde. Die Ergebnisse zur Einsparung an Reinigungsaufwand sollen durch aussagekräftige Feldversuche an weiter optimierten Bodenbelägen abgesichert werden. Die konzipierte Methode zur Messung und Vorhersage der Verschmutzung soll in Phase II praxistauglich entwickelt und an Feldversuchen demonstriert werden. Der Antrag wurde genehmigt und Phase II wurde im Dezember 2012 begonnen. Kooperationspartner: Hochschule Reutlingen, Reutlingen Research Institute. Das Vorhaben wurde durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt gefördert unter dem Ak-tenzeichen AZ 29514.
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2 Einleitung: Zielsetzung und Anlass des Vorhabens .
2.1 Ausgangssituation
Bislang werden Bodenplatten aus Feinsteinzeug und Naturstein in Innenbereichen nach der Rohblockzerteilung mittels Gatter oder Multiblattsäge geschliffen und teilweise poliert. In der Regel erfolgt zur Erlangung der jeweils notwendigen Rutschfestigkeit eine nachträg-liche, partielle Aufrauung durch eine mechanische Bearbeitung, z.B. durch Sandstrahlen, Beschuss mittels Impulslasern oder durch chemisches Ätzen mittels Flusssäure. Bei Fein-steinzeug kommt noch eine pressraue Oberfläche hinzu, die bei der Herstellung des Roh-scherbens beim Pressvorgang des Ausgangspulvers entsteht. Die Aufrauung der Oberflä-chen ist mikroskopischer Natur. Jede Bearbeitung oder Behandlung zur Rutschsicherheit zieht automatisch eine auf die jeweilige Oberfläche bezogene Anschmutzungsproblematik mit sich, die innerhalb eines endlichen Zeitraums zum Verlust der Rutschsicherheit durch die verbleibenden Rückstän-de führen kann, wenn keine Grundreinigungen fachgerecht durchgeführt werden. Keine noch so gute Unterhaltsreinigung kann eine Grundreinigung grundsätzlich verhindern. Ur-sache ist einerseits die erhöhte Schmutzanhaftung durch die gewollte Erhöhung der Mikro-rauhigkeit. Entscheidend dabei ist u. a. die geometrische Form der Mikroporen und daraus resultierend die Möglichkeit, dass innerhalb des Porenraums reinigungsaktive Stoffe einen ausreichenden Spülraum vorfinden. Des Weiteren neigen insbesondere die zu kleinen er-zeugten Poren zu einer „Verstopfung“ und somit zum Verlust der Rutschsicherheit. Dies gilt besonders bei Bodenplatten mit geätzten und geschliffenen Oberflächen. Die Zusam-mensetzung des Schmutzes hat Einfluss und ist geografisch unterschiedlich. Beispiels-weise sind Partikel aus Ruß stärker anhaftend, die man eher in Großstädten findet, als in ländlichen Gebieten. In der Rheinschiene sind die meisten Straßenschmutze mit scharf-kantigen, quarzhaltigen Stäuben versehen, die sich bei bestimmten Korngrößen und For-men besonders in die kleinen Zwischenräume „quetschen“ und bei einer Unterhaltsreini-gung nur schlecht zu entfernen sind. Somit steigt, in Abhängigkeit von der Bearbeitung, im Laufe der Jahre die notwendige Grundreinigungsfrequenz teilweise dramatisch an, einhergehend mit einer höheren Dosie-rung der Unterhaltsreinigungsmittel. Die bei der Grundreinigung verwendeten Verfahren und Chemikalien sind wesentlich stärker Umwelt belastend, da ihre Anteile an Alkalien-bildner und Tensiden wesentlich höher sind als bei Unterhaltsreinigungen. Eine Verminde-rung der Anfälligkeit gegenüber Schmutzen und somit geringerem Einsatz von Reini-gungsmitteln wäre wünschenswert. Seit 11Jahren gibt es von Magna polierte Naturstein- und Feinsteinzeugplatten, die durch Laserbehandlung mit Nd_Yag die Bewertungsgruppen der Rutschsicherheit R9 und R10 aufweisen. Die Optimierung erfolgte bislang einzig in Richtung Rutschfestigkeit und mini-miertem Lasereinsatz zur Erfüllung der Anforderungen der BGR 181, basierend auf den Normen DIN 52230, 51131 und 51097 (nass belastete Barfußbereiche). In einer Voruntersuchung mit dem RRI wurde in einem einfachen Test für einige Materia-lien bei Verschmutzung mit Standardstaub Arizona-rot z.T. eine höhere Reinigungsfähig-keit der Laser-Grip Platten festgestellt, siehe Abbildung 1. Die Ergebnisse sind für Ver-schmutzungen mit organischem Material oder Sonderschmutz (z.B. Ruß), wie sie für deut-sche Verhältnisse eher typisch sind, nicht ohne weiteres übertragbar: Die laserbehandelten Oberflächen weisen, nach einem definierten Anschmutzungs- und Reinigungsprozess, eine erheblich geringere Restverschmutzung als die gesandeten auf. Für andere Platten war das Ergebnis von Platte zu Platte heterogen durch die natürliche Inhomogenität der Natursteine. Für andere Plattenmaterialien war die Behandlung auch ohne Vorteil, da deren Mikrorauhigkeit bearbeitet und unbearbeitet zu einem schlechten
Ergebnis führte. Dies lag an der schlechten Reinigungsfähigkeit des unbearbeiteten Mate-rials. Sowohl die Charakterisierung des Ausgangsmaterials als auch die Messmethode waren absolut unzureichend für belastbare Aussagen. Dass die Reinigung leichter ist, konnte nicht in jedem Fall belegt werden, doch der Trend wurde erkannt.
Abbildung 1: Farbdifferenz (Verschmutzungsgrad) von Fliesen mit unterschiedlicher Oberflächenbehandlung nach einer simulierten Reinigung
2.2 Zielsetzung
Bodenbeläge aus Feinsteinzeug und Naturstein werden poliert und dann durch Laserbe-handlung mit mikroskopischen Vertiefungen versehen, die eine ausreichende Rutschfes-tigkeit im Innenbereich nach BGR 181 gewährleisten (Bewertungsgruppe der Rutschsi-cherheit R9 und R10). Diese Oberflächenbehandlung und die Reinigung sollen optimiert werden hinsichtlich minimalem Aufwand und minimalem Einsatz von Reinigungsmittel für Unterhaltsreinigung und der dazugehörigen Grundreinigungsfrequenz. Ziel ist eine Re-duktion um bis zum Faktor 2. Dazu sollen Abstand und Größe der Vertiefungen optimiert und kontrolliert werden. Die Dosierungen der Reinigungsmittel sollen, ausgehend von der derzeitigen Herstellervorgabe eher reduziert werden, die Abstände zwischen den Grund-reinigungen, die mit einer starken Umweltbelastung verbunden sind, sollen vergrößert werden. Begleitend soll eine Methode für die Vorhersage und Messung der Verschmut-zung entwickelt werden. Diese wird in der Entwicklung benutzt und soll nach dem Projekt für die Optimierungen an anderen Materialien, z. B. PVC- oder Polyolefin-Böden nutzbar sein und auch als Vorarbeit für eine Zertifizierung der Böden nach LEED dienen. Bislang gibt es zwar Hinweise für die Vorteile bzgl. Reinigung, die aber weder optimiert noch be-legbar sind. Deshalb hat sich dieses Verfahren noch nicht durchgesetzt. Der Marktanteil liegt bei Naturstein unter 10%, im Bereich Feinsteinzeug weit niedriger.
2.3 Umweltrelevanz/ -entlastung
Ausgehend von jährlichen Zubaumengen in Deutschland und derzeit verwendeten Reini-gungsmengen und –konzentrationen wird pro Jahr ein theoretisches Einsparpotenzial von 2.500 m³ Reinigerkonzentrat und 9.800 m³ Grundreinigerkonzentrat abgeschätzt. Nach 15 Jahren hätte man bei unverändertem Reinigungseffekt und gleicher Zubaurate eine 15-fache Einsparung. Dazu kommt die Einsparung an Trinkwasser, das für die Reinigung verwendet wird: 350.000m³ im 1. Jahr, siehe Tabelle 1. Derzeit werden nur ca. 5% der Natursteinplatten und des Feinsteinzeugs gelasert, da die Kosten für das Polieren und das anschließende Lasern zu ca. 10% höheren Anschaf-fungskosten führen. Die erwarteten Einsparungen an Reinigungsaufwand und Reini-
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gungsmitteln würden diese Kosten schon nach ca. 1 Jahr wieder amortisieren. Dies wäre vor allem für Zweckbauten ein Argument, die umweltfreundliche Technologie einzuführen. Ein kleinerer Teil des Marktes würde trotz höherer Life-Cycle Kosten und wegen der Optik bei matten, ungelaserten Oberflächen bleiben.
5.000.000 m² Naturstein p.a. neu in D60.000.000 m² Feinsteinzeug p.a. neu in D
240 Zahl der Unterhaltsreinigungen p.a. Standard0,8% Konzentration Magic Maxx im Unterhaltsreiniger0,08 l Unterhaltsreinigerflotte /m² / Reinigung 19,2 l Unterhaltsreinigerflotte / m² p.a.19,2 l Wasser / m² pro Reinigung p.a.
1.248.000 m³ p.a. Wasser für maximales Zubaupotenzial eines Jahres9.984 m³ p.a. Unterhaltsreinigungschemie (Magic Maxx)
Einsparung 20% Einsparung durch Laserung (1x pro 5 Tage)249.600 m³ p.a. Einsparung Trinkwasser, alle Neuverlegungen
1.997 Einsparung m³ p.a. Unterhaltsreinigungschemie (Magic Maxx)3.744.000 m³ p.a. Einsparung Trinkwasser, alle Neuverlegungen
29.952 Einsparung m³ p.a. (MagicMaxx)
12 Zahl der Zwischenreinigungen p.a. Standard0,8% Chemie pro Grundreiniger (Vol. %) (insgesamt 1,6%)0,08 l Zwischenreinigerflotte / m² (Wasser wie Unterhaltsreinigung)0,08 l Wasser / m² pro Reinigung (gleich wie bei Unterhaltsreinigng)
62.400 m³ p.a. Wasser (gleich wie bei Unterhaltsreinigung)499 m³ p.a. Zwischenreinigungschemie (Magic Maxx)
Einsparung 100% Einsparung durch Laserungbei max. Zubau 1 Jahr 499 Einsparung m³ p.a. Zwischenreinigungschemie (Magic Maxx)max. Zubau 15 Jahre 7.488 Einsparung m³ p.a. (MagicMaxx)
2 Zahl der Grundreinigungen p.a.25% Grundreinigerchemie pro Grundreinigung (Vol.)
0,9 l Grundreiniger / m² (+1,5 l/m² Wasser zum Nachspülen)2,4 l Wasser / m² pro Reinigung
312.000 m³ p.a. Wasser, alle Neuverlegungen29.250 m³ p.a. Grundreinigungschemie (Bendulal Forte Konzentrat)
Einsparung 33% Einsparung durch Laserung (alle 9 statt alle 6 Monate)103.990 m³ p.a. Einsparung Trinkwasser, alle Neuverlegungen
9.749 Einsparung m³ p.a. Grundreinigungschemie (Konzentrat)1.559.844 m³ p.a. Einsparung Trinkwasser, alle Neuverlegungen
146.235 Einsparung m³ Bendural Forte p.a. nach 15 Jahren
Gesamteinsparung 353.590 m³ Wasser p.a. im 1. Jahrnach 1 Jahr 12.245 m³ Reinigungsmittel (unverdünnt) p.a. im 1. Jahr
5.303.844 m³ Trinkwasser p.a. nach 15 Jahren Zubau183.675 m³ Reinigungsmittel p.a. nach 15 Jahren Zubau
max. Zubau 15 Jahre
bei max. Zubau 1 Jahr
Gesamteinsparungnach 15 Jahren
Zubaupotenzial
Unterhaltsreinigung
Zwischenreinigungzusätzlich
Grundreinigung
bei max. Zubau 1 Jahr
max. Zubau 15 Jahre
Tabelle 1: Abschätzung der Umwelteffekte
2.4 Inhaltliche Änderung/ Laufzeitverlängerung Wegen Verzögerungen bei der Installation des Feldversuchs war eine Laufzeitverlänge-rung bis 30.11.2012 erforderlich.
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3 Hauptteil .
3.1 Darstellung der Arbeitsschritte AP Arbeitspakete Q1 Q2 Q3 Q4 1 Vorversuche 2 Feldversuche 3 Ökobilanz und Optimierung 4 Stempelentwicklung . 5 Stempeltest 6 Methodenentwicklung 7 Entwicklung Laserung
Tabelle 2: Balkenplan
Vorversuche (RRI mit Zuarbeit Magna) Bei den Vorversuchen ging es darum, eine geeignete Untersuchungsmethode für die von Magna zur Verfügung gestellte Fliesenmuster zu finden und zu standardisieren. Dabei wurde der Einfluss von verschiedenen Oberflächenveredelungen auf das Reinigungsver-halten analysiert. Die Festlegung der Vorgehensweise bei der Probenvorbereitung gehörte ebenfalls zu der Vorversuchen.
Die zu prüfenden Probensets waren: • Feinsteinzeug RÖWE • Naturstein China G 640 (Granit) • Naturstein Padang Dunkel (Granodiorit) • Feinsteinzeug Villeroy & Boch • Naturstein China G 603 (Granit) Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die Vorbereitungsschritte für die Anschmutzung. Bei den Vorversuchen wurde der Microfaserbezug (Fa. Ecolab) in einem Becherglas mit Reini-gungsmittel (Magic Maxx der Fa. Ecolab) getränkt wie es in der Abbildung 4 zu sehen ist. (Dieses Verfahren entspricht dem in der Gebäudereinigung genutztem System der vorge-tränkten Bezüge und ist anerkannter Stand der Technik)
Abbildung 2: Ansetzen der Schmutzlösung Abbildung 3: Malerschale
Abbildung 4: Benetzung des Wischbezugs
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Feldversuch (RRI mit Zuarbeit Magna) Bei den Voruntersuchungen wurden 2 Arten Feinsteinzeug und eine Sorte Naturstein un-tersucht, wobei das Optimierungsergebnis für ein Feinsteinzeug in einen Feldversuch ausgebracht wurde. Dabei wird die Fläche je zur Hälfte mit konventioneller Aufrauung (z.B. gesandet) und mit optimierter Laserbehandlung belegt, für eine typische Anwendung mit hohem Verschmutzungspotenzial. Die Reinigung wird vom Projektpartner RRI durchge-führt und mit Messungen des Schmutzeintrags und der Reinigungswirkung begleitet. Das Reinigungsverfahren wird vor Ort nachgeregelt und optimiert Ökobilanz und Optimierung (RRI mit Unterstützung Magna) Am Anfang des Projektes wurde die Erstellung einer Ökobilanz für Bodenbeläge mit kon-ventioneller und innovativer Behandlung bei FhG IBP (Stuttgart) in Auftrag gegeben. Dem etwas erhöhten Aufwand durch Lasern wurde der reduzierte Aufwand für die Reinigung, die Herstellung der Reinigungsmittel und Frischwasserbereitstellung sowie Abwasserauf-bereitung entgegengestellt. Dabei wurden die Ergebnisse zur tatsächlich gemessenen re-duzierten Reinigung berücksichtigt. Stempelentwicklung (Steinbeis im Auftrag von Magna und begleitet von RRI) Zur Verbesserung der Standardisierung der Versuche von RRI und zur Erreichung einer nachhaltigen, auch von anderen und routinemäßig zu verwendenden Messmethode war die Entwicklung eines Werkzeugs für die Restschmutzaufnahme („Stempel“) notwendig. Stempeltests (RRI) Diese Tests wurden von RRI durchgeführt. Ergebnisse der Tests flossen in einer Nachar-beitsphase im letzten Quartal des ersten Projektjahres in eine Nacharbeit bzw. Verfeine-rung der Stempelentwicklung ein. Methodenentwicklung (RRI mit Zuarbeit Magna) Die Auswahl des Normschmutzbasismaterials sowie Entwicklung der Zusätze (Fluores-zenz für Messung Restschmutz, ggfs. Zusatzstoffe wie Ruß und Sand), der Art der Schmutzeinbringung (Menge, Druck, Gleit- und Rollreibung, Häufigkeit), der Reinigung (Konzentration, Wischmethode und Bürstmethode mit Verfahrens- und Apparateparame-tern) und Charakterisierung der Reinigung sowie die Bestimmung der Intervalle bis zur nächsten Grundreinigung, die Bestimmung des Restschmutzes und der Abgleich mit den Feldversuchen waren Inhalte dieser Arbeiten. Entwicklung Laserung (Magna mit Zuarbeit RRI) Voraussetzung für die Variationen der Laserung sind systematische Untersuchungen und apparative Änderungen an der Laser-Bestrahlungsanlage. So sind Nachrüstungen für hö-here Leistung pro Puls, kürzere Abstände zwischen den Pulsen sowie bei kleineren Pul-sen für die Kontrolle der eingetragenen Energie denkbar, ggf. in Phase II. Für die Abstän-de der Laserung wurden Versuchsreihen mit Messungen von Größe und Tiefe der Löcher sowie der Rutschfestigkeit und der Lochform durchgeführt.
3.2 Ergebnisse und Diskussion
3.2.1 Vorversuche (AP1)
Es wurden mehrere Messreihen mit verschiedenen Schmutzmengen durchgeführt, um das Anschmutzverhalten sowie die Reinigungserfolge der Fliesen unter unterschiedlichen Testbedingungen zu untersuchen.
o 10g Arizona Staub o 5g Arizona Staub o 5g Teststaub o 5g Arizona Staub x 20 Anschmutzungen o 5g Teststaub x 20 Anschmutzungen o 5g x 20 gemischte Stäube (50 % Arizona Staub: 50 % Teststaub) Messreihe mit 10 g Arizona Staub: Die Farbmessung der Absorbertücher hat gezeigt, dass die angesetzte Schmutzmenge übermäßig und der Wischvorgang besonders zeitin-tensiv war. Deshalb wurde diese Testvariante nicht weitergeführt. Messreihe mit 5g Arizona Staub: Normschmutz Arizona Staub
Mischungsverhältnis 1:3 , 4 Proben pro Fliesensorte 1 x Anschmutzung, 3 x mit dem Wischtuch poliert
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
Impala poliert Impala K120 impala PL R9
?E
delta E Tuch 1
delta E Tuch 2
delta E Tuch 3
Abbildung 5: Farbdifferenz Impala Fliesen
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
Padang dunkel poliert Padang dunkel K120 Padang dunkel PL R9
?E
delta E Tuch 1
delta E Tuch 2
delta E Tuch 3
Abbildung 6: Farbdifferenz Padang Dunkel
15
Die Balken in der Abbildung 5 und 6 zeigen dass die Farbdifferenz ∆E bei den polierten Fliesen schneller abnimmt als der geschliffenen (K120) und poliert – gelaserten Fliesen. Die glatte Oberfläche der polierten Fliesen bietet dem Schmutz weniger Anhaftungsmög-lichkeit und lässt sich besser reinigen. Bei geschliffenen Fliesen ist die angeraute Oberflä-che für die starke Farbdifferenz sowie die schlechte Reinigung verantwortlich. Die Rest-schmutzmenge auf den poliert – und gelaserten Fliesen ist nach der Reinigung zwar ge-ringer als polierten Fliesen, kann jedoch danach schwerer entfernt werden. Dieser Effekt liegt in der Materialbeschaffenheit der Fliesen, sowie der Morphologie des Laserein-schussloches begründet. Bei den Fliesen der Sorten Impala und Padang Dunkel hat die Laserung bessere Ergebnisse hinsichtlich der Reinigungsfähigkeit erzielt im Vergleich zu den Geschliffenen. In den Abbildungen 7 - 9 sind die Messergebnisse der Fliesen, die auf die selbe Weise modifiziert worden sind, dargestellt. Es wurden keine großen Unterschiede zwischen den Fliesen nach der Restschmutzentfernung festgestellt. Die polierten Fliesen lassen sich am schnellsten reinigen. Bei G603 K120 ist keine nennenwerte Verringerung der Schmutz-menge nach der zweiten Politur zu erkennen. Dies deutet eine schlechte Reinigungsfähig-keit hin. Auch bei den poliert – und gelaserten Fliesen hat die Sorte G603 PL R9 leicht erhöhte Farbdifferenz nach dem Wischen. Die Schwankungen könnten durch das An-schmutzverhalten verursacht werden. Dennoch haben die modifizierten G603 Fliesen durchschnittlich schlechtere Ergebnisse i. Vgl. zu Impala und Padang Dunkel.
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
delta E Tuch 1 delta E Tuch 2 delta E Tuch 3
?E
Impala poliert
Padang dunkel poliert
G603 poliert
Abbildung 7: Vergleich der Farbdifferenz aller polierten Fliesen
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
delta E Tuch 1 delta E Tuch 2 delta E Tuch 3
?E
Impala K120
Padang dunkel K120
G603 K120
Abbildung 8: Vergleich der Farbdifferenz aller geschliffenen Fliesen (K120)
16
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
delta E Tuch 1 delta E Tuch 2 delta E Tuch 3
?E
impala PL R9
Padang dunkel PL R9
G603 PL R9
Abbildung 9: Vergleich der Farbdifferenz aller poliert - und gelaserten Fliesen
Messreihe mit 5g Teststaub: Normschmutz, Mischungsverhältnis 1:3 4 Proben pro Fliesensorte, 1 x Anschmutzung, 3 x mit dem Wischtuch poliert
0 ,00
2 ,00
4 ,00
6 ,00
8 ,00
10 ,00
Im pala poliert Im pala K120 im pala PL R9
? E
de lta E Tuch 1
de lta E Tuch 2
de lta E Tuch 3
0 ,00
5 ,00
10 ,00
15 ,00
20 ,00
Padang dunkel po liert Padang dunkel K120 Padang dunkel PL R9
? E
delta E Tuch 1
delta E Tuch 2
delta E Tuch 3
17
0 ,0 0
2 ,0 0
4 ,0 0
6 ,0 0
8 ,0 0
10 ,0 0
12 ,0 0
14 ,0 0
G603 po lie r t G603 K120 G603 P L R9
?E
delta E Tuch 1
delta E Tuch 2
delta E Tuch 3
Abbildung 10: Farbdifferenzen bei Impala, Padang und G603 bei Teststaub
Die Versuche mit dem Teststaub haben ein differenziertes Ergebnis gebracht (Abb. 10). Während es bei den poliert und gelaserten Impala und Padang Dunkel Fliesen eine vergleichsweise hohe Farbdifferenz aufwiesen, zeigen die Werte von G603 Fliesen eine andere Tendenz. Eine nähere Untersuchung hat sich herausgestellt dass der mögliche Gründe für diese Ergebnisse an der natürlichen Farbe von Teststaub sowie deren Zusammensetzung gelegen hat. Die hellgraune Teststaub unterscheidet sich nicht wesentlich von Farbe des Poliertuches und hat dazugeführt dass der Messfleck keinen optimalen Kontrast für Farbmessung bietet. Die Erkenntnisse wurden bei den folgenden Versuche berücksichtigt. Im Folgenden sind Messwerte von Fliesen mit gleicher Modifikation verglichen, siehe Abbildungen 11 - 13.
Demnach lässt sich Impala besser reinigen als Padang.
Bei G603 sind die Ergebnisse uneinheitlich und unplausibel: gegenüber der geschliffenen Fliese ist die polierte schlechter zu reinigen und die poliert und gelaserte Fliese wesentlich besser. Ein Grund kann wird im inhomogenen Benetzungsverhalten vermutet.
0 , 0 0
2 , 0 0
4 , 0 0
6 , 0 0
8 , 0 0
1 0 , 0 0
1 2 , 0 0
1 4 , 0 0
Im p a l a p o l i e r t P a d a n g d u n k e l p o l i e r t
G 6 0 3 p o l i e r t
?E
d e l t a E T u c h 1
d e l t a E T u c h 2
d e l t a E T u c h 3
Abbildung 11: Vergleich der Farbdifferenz polierten Fliesen bei Teststaub
18
0 ,00
2 ,00
4 ,00
6 ,00
8 ,00
10 ,00
12 ,00
14 ,00
16 ,00
Impa la K120 Padang dunkel G603 K120
?E
delta E Tuch 1
delta E Tuch 2
delta E Tuch 3
Abbildung 12: Vergleich der Farbdifferenz geschliffenen Fliesen bei Teststaub
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
impala PL R9 Padang dunkel PL R9 G603 PL R9
?E
delta E Tuch 1
delta E Tuch 2
delta E Tuch 3
Abbildung 13: Vergleich der Farbdifferenz poliert - und gelaserten Fliesen bei Teststaub
Messreihe mit 5g Arizona Staub x 20 Anschmutzungen:
Um die Langzeit – Reinigungserfolge und die Auswirkung einer größeren Schmutzansammlung auf der Oberfläche untersuchen zu können, wurden die Anschmutz frequenzen auf 20 Mal erhöht. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sollen dazu dienen, die Veränderung der Reinigungsfähigkeit der Fliesen zu prognostizieren.
Normschmutz Arizona: Mischungsverhältnis 1:3 2 Proben pro Fliesensorte 20 x Anschmutzung, 3 x mit dem Wischtuch poliert
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
,
Impala poliert Impala K120 impala PL R9
?E
delta E Tuch 1
delta E Tuch 2
delta E Tuch 3
Abbildung 14: Vergleich der Farbdifferenz Impala Fliesen
19
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
Padang dunkel poliert Padang dunkel K120 Padang dunkel PL R9
?E
delta E Tuch 1
delta E Tuch 2
delta E Tuch 3
Abbildung 15: Vergleich der Farbdifferenz Padang Dunkel Fliesen
0 ,0 0
5 ,0 0
1 0 ,0 0
1 5 ,0 0
2 0 ,0 0
2 5 ,0 0
3 0 ,0 0
3 5 ,0 0
4 0 ,0 0
4 5 ,0 0
G 603 po l ie rt G 603 K 120 G603 PL R9
?E
d e lta E Tu ch 1
d e lta E Tu ch 2
d e lta E Tu ch 3
Abbildung 16 Vergleich der Farbdifferenz G603 Fliesen
Die polierten Fliesen lassen aufgrund der glatten Oberfläche auch nach 20x Anschmutzungen bessser und schneller reinigen als die geschliffenen, poliert – und gelaserten (Abb. 14 - 16). Bei den polierten Fliesen wurde die Restschmutzmenge auf PD wesentlich geringer als auf den Impala und G603 festgetellt. Dieses Ergebnis verdeutlicht dass die Reinigungsfähigkeit der polierten Fliesen sich aufgrund der unterschiedlichen Materialstruktur durchaus voneinander unterscheiden, auch wenn die Fliesen die selbe Behandlung erfahren haben. Vermutlich wurden die Vertiefungen bzw. Poren auf der Fliesenoberfläche durch die wiederholten Anschmutzungen vollständig mit Schmutzpartikeln angereichert, was bei einer einmaligen Anschmutzung nur bedingt erreicht werden konnte. Dadurch ermöglichen die Fliesen mit poröserer Materialstruktur stärkere Anhäufung des Restschmutzes nach jedem Wischvorgang. Bei den modifizierten Fliesen PD und Impala liegen die Messergebnisse nach 20 Anschmutzungen in dem selben Wertebereich. Als Grund könnte die Bildung einer Restschmutzschicht auf der Fliesenoberfläche sein. Wenn der Restschmutz auf der Fliesenoberfläche eine bestimmte Menge erreicht, kann es dazu führen, dass alle Erhebungen und Vertiefungen auf der Oberfläche vollständig bedeckt werden. Bei der Politur wird die gleiche Menge Restschmutz aus der Oberschicht abgetragen, sodass es den beiden Fliesen ein ähnliches Ergebnis hervorbringt.
Die Messwerte in der Abb. 16 zeigen deutlich den Einfluss der Materialstruktur auf das Anschmutzverhalten sowie auf die Reinigungsfähigkeit der Fliesen. Die natürliche Porosität der Materialstruktur der G603 hat erheblich zur Verschlechterung der Reinigungsfähigkeit beigetragen. Die Modifikation durch Schleifen und Lasern könnte diesen Effekt noch verstärkt haben. In folgenden Grafiken sind Messwerte von Fliesen der selber Modifikation miteinander verglichen.
20
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
?E
Impala poliert
Padang dunkel poliertG603 poliert
0 ,0 0
1 0 ,0 0
2 0 ,0 0
3 0 ,0 0
4 0 ,0 0
5 0 ,0 0
?E
Im pa la K 120
Pad an g dun ke l K 120G603 K 120
41,00
42,00
43,00
44,00
45,00
46,00
47,00
48,00
49,00
50,00
delta E Tuch 1 delta E Tuch 2 delta E Tuch 3
?E
impala PL R9
Padang dunkel PL R9G603 PL R9
Abbildung 17: Farbdifferenzen polierter (oben), geschliffener (Mitte), und poliert-/gelaserter Fliesen (unten)
Ergebnisse in den Abbildung 17 weisen ein ähnliches Verhalten auf. Mit zunehmenden Verschmutzungen wurden die Farbdifferenzen größer. Die polierten Fliesen lassen sich besser reinigen und sind daher auch sauberer als die geschliffenen und als die poliert und gelaserten Fliesen. Die poliert und gelaserten Fliesen zeigen hier auch geringere Farbdifferenzen als die von geschliffenen. Offensichtlich begünstigt das Anrauen der Oberfläche durch Schleifen die Schmutzanhaftung. Messreihe mit 5g Teststaub x 20 Anschmutzungen: Es war vorgesehen dass eine Messreihe mit Teststaub durchgeführt werden soll um mögliche Auswirkung der grobkörnigen Staubpartikeln, welchen die Hauptbestanteil von Teststaub bilden, auf die Fliesenoberflächen zu untersuchen.
Normschmutz Teststaub: Mischungsverhältnis 1:3, 2 Proben pro Fliesensorte 20 x Anschmutzung, 3 x mit dem Wischtuch poliert
Die Farbmessung brachte bei diesem Versuch aufgrund des geringen Farbkonstrasts keine eindeutlige Ergebnisse. Der Versuch wurde daher nicht weiterverfolgt.
21
Messreihe mit 5g gemischte Stäube (Arizona – Teststaub) x 20 Anschmutzungen: Normschmutz Teststaub: Mischungsverhältnis 1:3,
2 Proben pro Fliesensorte 20 x Anschmutzung 3 x mit dem Wischtuch poliert
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
1 2 3 4
?E
Tuch Nr.
Feinsteinzeug Villeroy Boch Poliert 20x TS + Arizona Hand poliert
Feinsteinzeug Villeroy Boch laserbehandelt 20x TS + Arizona Hand poliertFeinsteinzeug Villeroy Boch gesandet 20x TS + Arizona _Hand poliert
Abbildung 18: Farbdifferenz Feinsteinzeug nach 20 Anschmutzungen
Auch bei diesem Versuch läßt sich der Einfluss der Modifikation deutlich erkennen. So ist die Farbdifferenz bei polierten Fliesen aus Feinsteinzeug geringer als bei den gelaserten und gesandeten, was eine bessere Reinigungsfähigkeit bedeutet (Abb. 18). Die Oberfläche der gesandeten Feinsteinzeug Fliesen ist im Vergleich zu den gelaserten wesentlich rauer und bieten dem Restschmutz größere Anhaftungsmöglichkeit. Die Ergebnisse mit Versuch mit Feinsteinzeug bestärken die Annahme, dass die Reinigungsfähigkeit sowohl von der Modifikation als auch von dem Fliesenmaterial abhängt. Bei Naturstein Impala und G603 ist mit der Laserung kein Vorteil erkennbar, bei Padang Dunkel aber schon (Abb. 19 - 21).
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
1 2 3 4
?E
Tuch Nr.
Impala Poliert 20xTS ArizonaImpala K120 20xTS ArizonaImpala Poliert und Gelasert 20xTS Arizona
Abbildung 19: Farbdifferenz Impala nach 20 Anschmutzungen
22
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
1 2 3
?E
Tuch Nr.
Padang Dunkel Poliert 1 20xTS Arizona
Padang Dunkel K120_1 20xTS Arizona
Poliert und Gelasert_1 20xTS Arizona
Abbildung 20: Farbdifferenz Padang Dunkel nach 20 Anschmutzungen
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
1 2 3 4
?E
Tuch Nr.
G603 Poliert 20xTS Arizona
G603 K120 20xTS Arizona
G603 Poliert und Gelasert 20xTS Arizona
Abbildung 21: Farbdifferenz G603 nach 20 Anschmutzungen
Farbabstand gesandet 9
8
7
6
5
4
3
2
1
Farbabstand gelasert
0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59
Abbildung 22: Messergebnisse Röwe über die Anzahl der Reinigungszyklen In Abbildung 22 wurde jeweils nach einem Wisch zur Restschmutzbestimmung gemessen. Der Farbabstand (Restschmutz) steigt mit der Zahl der Reinigungszyklen, bleibt für gela-serte Proben aber immer weit unterhalb der Werte von gesandetem Material.
23
24
Zusammenfassung der Ergebnisse der Vorversuche: Bei der Untersuchung der Methoden wurde folgende Problematik festgestellt:
Die zunächst getestete Anschmutzung und „Wischmethode“ ist ungeeignet, da alle Muster bereits nach einem Wisch optisch „sauber“ sind. Die optische Inhomogenität der Fliesen- muster erschwert eine statistisch gesicherte Farbmetrik. Die Fliesenmuster zeigen sowohl untereinander, als auch innerhalb einer Fliesenoberfläche inhomogenes Benetzungsver-halten. Die Anschmutzung bzw. die Quantität der Schmutzentfernung hängt von der natur-gegebenen Porenradienverteilung der Oberfläche ab und ist rein optisch schwer zu erfas-sen. Die Probensets lassen sich untereinander nicht objektiv vergleichen. Das Probenset Padang Dunkel ist von den untersuchten Proben optisch betrachtet das homogenste. • Die gelaserten Proben scheinen sich besser reinigen zu lassen (oder schwerer an-
schmutzen) als die gesandeten. Dies wird bei vergleichbaren Sets deutlicher.
• Beim Probenset von Villeroy & Boch lassen sich die gelaserten Proben schwerer rei-nigen als die gesandeten, jedoch scheint eine schnellere Reinigung möglich zu sein als bei den gelaserten. Die werkseitige Imprägnierung übt einen erheblichen Einfluss aus, je nachdem ob es fett- oder wasserlösliche Schmutze sind.
• Die Methode bestehend aus der Messung der Farbdifferenzen vom Original zur ge-wischten Fliese und der farbmetrischen Bestimmung des Restschmutzes über den indirekten Weg der Politur ist reproduzierbar und stabil. Sie ist somit geeignet, das Anschmutzverhalten von Naturstein- und Keramikoberflächen zu bestimmen.
• Die Methode kann hinsichtlich des Schmutzauftrags und der Politur noch weiter op-timiert werden.
• Das physikalische Benetzungsverhalten (Kontaktwinkelmessung) war an diesem Probenset nicht reproduzierbar zu bestimmen.
3.2.2 Feldversuch (AP2) Der Feldversuch soll Erkenntnisse über das Reinigungsverhalten der Fliesen unter Praxis-bedingungen bringen. Der Verlegeplan des Feldversuches sowie der Reinigungsplan wur-den in Zusammenarbeit mit Magna ausgearbeitet und erstellt. Für die Verlegung der Flie-sen wurde die Firma Wolfram Hörnig Steinmetzgeschäft beauftragt. Die Versuchsparame-ter des Feldversuchs sind:
• Fliesenmaterial (Feinsteinzeug = FSZ, Villeroy & Boch = VB , Naturstein = Padang Dunkel = PD)
• Art der Laserbehandlung (K1 – K7) • Oberflächenmodifikation/Rutschfestausrüstung (R9):
gelasert, pressrau, gesandet, poliert, geschliffen • Zeitlicher Verlauf (Nutzung, Zahl der Reinigungen)
Als Standort für den Feldversuch wurde die Betriebshalle der Hochschule ausgewählt, da dieser die Versuchskriterien bezüglich Begehbarkeit, Schutz vor Witterung und hoch fre-quentiertem Gehverkehr weitgehend erfüllt.
Der Feldversuch wurde im Zeitraum September 2012 - Dezember 2013 durchgeführt.
Ablauf: Die Versuchsfläche war unterschiedlich stark frequentiert, mit einer Begehung von durchschnittlich ca. 200 – 300 Personen täglich.
Die Fliesen wurden dreimal pro Woche gereinigt. Die Reinigung wurden von RRI Mitarbei-tern nach Wischanleitung von Ecolab fachgerecht durchgeführt. Um die Verschmutzung zu beschleunigen, wurden nach der Reinigung gemischte Stäube über die Fliesen gleichmä-ßig gestreut. Die gemischten Stäube enthalten 90 % Teststaub (Straßenstaub) und 10% Arizona Staub. Nach einem Begehungszeitraum von 4 Wochen wurde die Reinigungsfähigkeit mittels Farbmessung bestimmt – dazu wurden die Fliesen nach Standardvorgaben gereinigt und nach dem Abtrocknen mittels Stempeltuchmethode dreimal vermessen.
Tab. 3 zeigt die Anordnung der Fliesen. PD = Padang dunkel, VB = Villeroy & Boch, FSZ = Feinsteinzeug, Kx/y = Parameter für Laservariante und Reihe, pol = poliert.
Abbildung 23: Feldversuch im Gebäude 1 des RRI
. 25
26
FSZ VB pol K1/01 FSZ VB pol K1/02 FSZ VB pol K1/03 FSZ VB pol K1/04 FSZ VB pol K2/01 FSZ VB pol K2/02 FSZ VB pol K2/03 FSZ VB pol K2/04 FSZ VB pol K3/01 FSZ VB pol K3/02 FSZ VB pol K3/03 FSZ VB pol K3/04 FSZ VB pol K4/01 FSZ VB pol K4/02 FSZ VB pol K4/03 FSZ VB pol K4/04 FSZ VB pol K5/01 FSZ VB pol K5/02 FSZ VB pol K5/03 FSZ VB pol K5/04 FSZ VB pol K6/01 FSZ VB pol K6/02 FSZ VB pol K6/03 FSZ VB pol K6/04 FSZ VB pol K7/01 FSZ VB pol K7/02 FSZ VB pol K7/03 FSZ VB pol K7/04 FSZ VB pressrau FSZ VB pressrau FSZ VB pressrau FSZ VB pressrau FSZ VB pressrau FSZ VB pressrau FSZ VB pressrau FSZ VB pressrau FSZ VB pressrau FSZ VB pressrau FSZ VB pressrau FSZ VB pressrau FSZ VB pressrau FSZ VB pressrau FSZ VB pressrau FSZ VB pressrau FSZ VB gesandet FSZ VB gesandet FSZ VB gesandet FSZ VB gesandet FSZ VB gesandet FSZ VB gesandet FSZ VB gesandet FSZ VB gesandet FSZ VB gesandet FSZ VB gesandet FSZ VB gesandet FSZ VB gesandet FSZ VB gesandet FSZ VB gesandet FSZ VB gesandet FSZ VB gesandet FSZ VB Poliert FSZ VB Poliert FSZ VB Poliert FSZ VB Poliert FSZ VB Poliert FSZ VB Poliert FSZ VB Poliert FSZ VB Poliert FSZ VB Poliert FSZ VB Poliert FSZ VB Poliert FSZ VB Poliert FSZ VB Poliert FSZ VB Poliert FSZ VB Poliert FSZ VB Poliert PD G654 poliert PD G654 poliert PD G654 poliert PD G654 poliert PD G654 poliert PD G654 poliert PD G654 poliert PD G654 poliert PD G654 poliert PD G654 poliert PD G654 poliert PD G654 poliert PD G654 poliert PD G654 poliert PD G654 poliert PD G654 poliert PD G654 gelasert PD G654 gelasert PD G654 gelasert PD G654 gelasert PD G654 gelasert PD G654 gelasert PD G654 gelasert PD G654 gelasert PD G654 gelasert PD G654 gelasert PD G654 gelasert PD G654 gelasert PD G654 gelasert PD G654 gelasert PD G654 gelasert PD G654 gelasert PD G654 K120 PD G654 K120 PD G654 K120 PD G654 K120 PD G654 K120 PD G654 K120 PD G654 K120 PD G654 K120 PD G654 K120 PD G654 K120 PD G654 K120 PD G654 K120 PD G654 K120 PD G654 K120 PD G654 K120 PD G654 K120 PD pol K7/01 PD pol K7/02 PD pol K7/03 PD pol K7/04 PD pol K6/01 PD pol K6/02 PD pol K6/03 PD pol K6/04 PD pol K5/01 PD pol K5/02 PD pol K5/03 PD pol K5/04 PD pol K4/01 PD pol K4/02 PD pol K4/03 PD pol K4/04 PD pol K3/01 PD pol K3/02 PD pol K3/03 PD pol K3/04 PD pol K2/01 PD pol K2/02 PD pol K2/03 PD pol K2/04 PD pol K1/01 PD pol K1/02 PD pol K1/03 PD pol K1/04 Tabelle 3: Verlegeplan des Feldversuchs Ergebnisse: Einfluss der Laserparameter auf die Reinigungsfähigkeit der Fliesen Um die Trends im Verlauf der Versuche zu erkennen, wurden die Messergebnisse, die nach 4, 8 und 12 Wochen gewonnen wurden, gemittelt (Abbildung 24 und 25):
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
1 2 3
ΔE
Tuch nr.
K1_Mittelwert
K2_Mittelwert
K3_Mittelwert
K4_Mittelwert
K5_Mittelwert
K6_Mittelwert
K7_Mittelwert
Abbildung 24: Farbdifferenzen Padang Dunkel verschiedener Laserungen
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
1 2 3
ΔE
Tuch nr.
K1_MittelwertK2_MittelwertK3_MittelwertK4_MittelwertK5_MittelwertK6_MittelwertK7_Mittelwert
Abbildung 25: Farbdifferenzen Villeroy & Boch FSZ verschiedener Laserungen
Die Mittelwerte bei Padang zeigen, dass die Behandlung K1 u. K4 am ehesten auf die Reinigungsfähigkeit wirkt. Bei Feinsteinzeug von Villeroy & Boch liegen die durchschnittlichen Ergebnisse dichter zusammen, so dass eine eindeutige Diskriminierung nur schwer möglich ist. K1 zeigt auch hier gute Ergebnisse. Fazit zur Optimierung der Laserung: Die unterschiedlichen Laserbehandlungen sind noch nicht eindeutig quantitativ bei der Reinigungsfähigkeit zu unterscheiden. Im weiteren Verlauf des Feldversuches werden kontinuierlich weitere Messwerte erfasst, um im zeitlichen Verlauf eine schärfere Diskriminierung zu erreichen.
Reinigungsverhalten verschiedener Fliesenoberflächenbehandlungen Die beiden Fliesenqualitäten werden hinsichtlich des Reinigungsverhaltens, in Abhängig-keit der Oberflächenbehandlung, untersucht. Zum Vergleich der Behandlungen wurden jeweils die „beste“ und „schlechteste“ Laserbehandlung verwendet. 27
Mittelwert der Messungen 4, 8 und 12 Wochen nach Versuchsstart (Abb. 26 - 27):
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
Farbabstand [Δ
E] PD_poliert
PD_geschliffen
PD_gesandelt
PD_K4
PD_K3
Abbildung 26: Farbdifferenzen Padang Dunkel Oberflächenmodifikationen
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
1 2 3
Farbabstand [Δ
E]
Tuch nr.
ViBo_poliert
ViBo_Pressrau
ViBo_gesandelt
ViBo_K1
ViBo_K5
Abbildung 27: Farbdifferenzen Villeroy & Boch FSZ Oberflächenmodifikationen
Die Mittelung der Ergebnisse über die 3 Messzeitpunkte zeigt das gleiche Reinigungsver-halten wie die Einzeltests. Gesandete und pressraue bzw. gesandete und geschliffene Oberflächen sind schwerer zu reinigen als polierte bzw. gelaserte Oberflächen. Vergleich des Reinigungsverhaltens in Abhängigkeit des Fliesenmaterials
Die Fliesenarten – Naturstein (PD) und Feinsteinzeug (VB) – werden anhand der einzel-nen Oberflächenmodifikationen miteinander verglichen. Bei den polierten und geschliffenen bzw. pressrauhen Oberflächen zeigt die Natursteinflie-se die bessere Reinigungsfähigkeit, während bei den gesandeten Oberflächen das Fein-steinzeug etwas besser liegt. Bei den gelaserten Proben kann im Mittel mit einem ähnli-chen Reinigungsverhalten bei Feinsteinzeug und Naturstein gerechnet werden.
28
Reproduzierbarkeit
Um die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse zu überprüfen, wurden mehreren Proben derselben Fliesensorte gemessen und anschließend miteinander verglichen. Diese Unter-suchung wurde beispielweise bei den geschliffenen (K120) Padang Dunkel Fliesen durch-geführt. Es ist in der Abbildung 28 zu erkennen, dass die Kurven ähnlich verlaufen und die Fliesen, trotz der unterschiedlichen Platzierung im Verlegeplan, eine gute Reproduzier-barkeit zeigen.
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
1 2 3
Farbabstand [Δ
E]
Tuch nr.
Probe 1
Probe 2
Probe 3
Probe 4
Abbildung 28: Reproduzierbarkeit der Farbdifferenz Feldversuch PD geschliffen (K120)
Fazit des Feldversuchs:
• Bei Padang bringen die Laserbehandlungen K4 und K1 die besten Ergebnisse • Bei V&B zeigen K1, K2, K6 die besten Reinigungsergebnisse • Generell sind die einzelnen Laserparameter noch schwer zu diskriminieren • Die Reproduzierbarkeit der Messungen innerhalb des Feldversuches ist gut • Der zeitliche Verlauf (=Abnutzung der Fliesenoberfläche) muss noch näher unter-
sucht werden • Von den unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen, die die Bewertungsgruppe
der Rutschsicherheit "R9" erfüllen schneidet die Laserbehandlung, bezüglich der Reinigungsfähigkeit der Fliesen, am besten ab.
Die polierten Oberflächen, die für den öffentlichen Bereich nicht geeignet sind (keine "R9") zeigen erwartungsgemäß das geringste Schmutzrückhaltevermögen.
• Daraus resultiert, dass eine Minimierung der Umweltbelastung durch Reinigungs-chemikalien der Unterhaltsreinigung und der Vorgabe "R9" am ehesten durch eine gelaserte Oberfläche erzielt werden kann.
Die Grundreinigungsfrequenz, die abhängig ist von der subjektiven Schmutzwahrnehmung und dem Schmutzrückhaltevermögen der Oberflächen ist bei der gelaserten Oberfläche (bei Anforderung "R9") ebenfalls am geringsten. (siehe Ausarbeitung RRI in Verbindung mit der Umweltbilanz).
Ausblick und weiteres Vorgehen:
Der laufende Feldversuch wird weiter fortgeführt und die einzelnen Oberflächenvarianten noch intensiver untersucht. Untersuchungskriterien sind hierbei:
• Zeitlicher Verlauf (Abnutzung d. Oberflächen) • Diskriminierung der unterschiedlichen Laserbehandlungen zur Optimierung der Pa-
rameter • Analytik und Beurteilungskriterien der Oberflächen • Quantifizierung des Reinigungsverhaltens
29
3.2.3 Ökobilanz und Optimierung (AP3)
Mit dem Reinigungsmittel und der Trinkwasseraufbereitung für die Bodenreinigung sind Umweltbelastungen verbunden, die in einer Umweltbilanzierung durch FhG IBP ermittelt wurden (Abb. 29ff). Grundlagen sind die konservativen Annahme der Einsparung einer Unterhaltsreinigung pro Woche, einer Zwischenreinigung pro Jahr und einer Grundreini-gung pro 1,5 Jahren sowie die weiteren Angaben der Tabelle 1 in Kap. 4.3. Für die Lifecycle-Analyse von FhG IBP wurde zusätzlich angenommen:
• Die kalkulatorische Nutzungsdauer beträgt 15 Jahre • Reinigungsaufwand von geschliffenen und gelaserten Bodenbelägen • Es wird eine manuelle Reinigung angenommen (Doppelfahreimer, Mikrofaserbezüge) • Die Wasserbereitstellung sowie die Abwasserklärung wird ebenfalls betrachtet • Bei der gelaserten Fliese wird zusätzlich der Energiebedarf der Laseranlage betrachtet
(0,615 kWh/m², deutscher Strom-Mix). Modelliert wurde mit der Software GaBi 5. Eine Auswertung erfolgte nach folgenden Um-weltwirkungskategorien:
• Treibhauspotential GWP: Emissionen in Luft, die den Wärmehaushalt der Atmosphäre beeinflussen (z.B. CO2, CH4, …)
• Versauerungspotential AP: Emissionen in Luft, die eine Regenwasserversauerung ver-ursachen (z.B. NOx, SO2, HCl, HF, …)
• Eutrophierungspotential EP: Nährstoffeintrag Überdüngung von Gewässern und Böden (z.B. P- und N-Verbindungen)
• Photochemisches Oxidantienbildungspotential POCP: Emissionen in Luft, die als Ozonbildner in Bodennähe fungieren (z.B. Kohlenwasserstoffe)
• Energiebedarf Im Ergebnis resultieren signifikante Umwelteffekte, siehe Tabelle 1 und folgende Abbil-dungen.
Treibhauspotential (globale Erwärmung)
Abbildung 29: Treibhauspotential für neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts)
30
Eutrophierungspotential (Bodendüngung)
Abbildung 30: Eutrophierungspotential für neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts)
Versauerungspotential (saurer Regen)
Abbildung 31: Versauerungspotential konservativ abgeschätzt für die neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts)
31
Photochemisches Oxidantienbildungspotential (Ozonloch)
Abbildung 32: Photochemisches Oxidantien-Bildungspotential konservativ abgeschätzt für die neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts).
Primärenergieverbrauch
Abbildung 33: Primärenergieverbrauch konservativ abgeschätzt für die neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts).
32
Trinkwasserverbrauch
Brauchwasserverbrauch bei Stromerzeugung für Laserbehandlung
Abbildung 34: Trinkwasserverbrauch (in Liter) konservativ abgeschätzt für die neue Lösung (links) im Ver-gleich zur bisherigen Lösung (rechts).
3.2.4 Stempelentwicklung (AP4)
Restschmutzaufnehmer ( Stempel) Der Restschmutzaufnehmer verfügt über ein stabiles Gehäuse aus Hartmetall mit mehre-ren Befestigungsbohrungen. In der Innenseite des Gehäuses befindet sich eine Metallfe-der, über die die Druckkraft gesteuert wird. Der Stempelkopf und der Stempelhals sind abnehmbar und können beliebig ausgetauscht werden. Die Kerbungen auf dem Stempel-kopf dienen zur Befestigung des Absorbers (Baumwolltuch).
33
Abbildung 35: Das Werkzeug und dessen schematischen Aufbau
Die Steuereinheit
Die Steuereinheit besteht hauptsächlich aus einem Step-Controller (Schrittmotor Steue-rung) IMC-P von ISEL, der eine frei programmierbare Kompaktsteuerung ist und über 4 Endstufen für 2-Phasen-Schrittmotoren verfügt. Der Step-Controller hat die Funktion, die Portaleinheit in X/Y/Z Richtung anzusteuern. Zur Erstellung des Steuerungsprogramms und Konfiguration der Achsen wird die Software ProNC von der Firma Isel verwendet.
Abbildung 36 ISEL Steuereinheit IMC-P Portaleinheit
Die Portaleinheit (XYZ Kreuztisch genannt) ist ebenfalls von der Firma ISEL und verfügt über 3 lineare Achsen, welche jeweils von einem Schrittmotor angetrieben werden.
Abbildung 37: Schematischer Aufbau der Portaleinheit
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Durchführung Vor jeder neuen Messung wird ein frisches Adsorbertuch, das in der Regel aus Baumwolle besteht, an den Restschmutzaufnehmer (Stempel) angebracht. Der Stempel wird dann an der Z - Achse der Portaleinheit befestigt. Nach dem Programmstart beginnt der Politurvor-gang. Nach der vollständigen Abrasterung wird der textile Absorber vom Werkzeug abge-nommen und kann anschließend farbmetrisch vermessen werden. Um eine hohe Schmutzaufnahme zu ermitteln, werden die Parameter Druck, Versatz und Geschwindig-keit variiert. Diese Parameter werden zur Erreichung einer hohen Reproduzierbarkeit in der Prüfbeschreibung abgelegt. Die eingestellten Prozessparameter: • Druckkraft: 8 kg pro cm2 • Steuerbar: Position der Z-Achse • Versatz: 10 mm • Geschwindigkeit: 100 mm/s Schema des Politurvorgangs:
Abbildung 38: Skizze des Politurvorgangs
In Abbildung 39 ist der Gesamtaufbau der Vorrichtung zur Restschmutzbestimmung zu sehen. Auf der Grundplatte der Portaleinheit befindet sich ein weißer Holzrahmen, in dem die Probefliese vor der Politur platziert wird. Der Holzrahmen dient der Stabilisierung der Probefliese während der Politur.
Abbildung 39: Gesamtaufbau der Restschmutzbestimmungsvorrichtung
Entwicklung eines CNC Programms zur Steuerung des Politurvorgangs
Zur Entwicklung des CNC Programm wurde die Software ISEL ProNC auf einem Windows Rechner installiert. Vor der CNC Programmerstellung wurden die Parameter wie Pro-grammdaten (Satznummer), Geometriedaten (Achskoordinaten, Referenzpunkte) und Technologiedaten (Bahnbewegung, Geschwindigkeit) definiert und festgelegt. Die Pro-grammierung erfolgte nach DIN66025 (G-Codes) oder Isel-PAL.
Das CNC Steuerungsprogramm führt vor jedem Start eine Referenzfahrt durch. Die Abbil-dung 22 veranschaulicht den Ablauf des Restschmutzbestimmungsvorgangs.
35
Abbildung 40: Schematischer Ablauf in X / Y - Richtung Der Programmablauf ist wie folgt:
• Referenzfahrt ausführen (bei Systemstart) • Verfahrgeschwindigkeit und Verfahrbewegung zuweisen (100mm/s) (Gerade) • Startkoordinaten für X/Y/Z Achsen in absolute Maßen zuweisen • Absetzen des Stempels auf der Platte. Die Druckkraft wird durch Positionierung der Z
Achse auf der Platte eingestellt. • n-mal Fahrzyklen in X-Richtung ausführen • n-mal Fahrzyklen in Y-Richtung ausführen • Parkposition anfahren Jede Fliese (300 mmx300 mm) wird abwechselnd 30mal in X-Richtung und 30ml in Y-Richtung abgerastert. Dabei beträgt der Versatz (2) (4) (6) ( )… konstant 10mm. Nach erfolgreicher Abrasterung wird die Parkposition bzw. Startposition angefahren. Methoden zur Restschmutzbestimmung Quantitative Restschmutzbestimmung wird mit folgenden Messgeräten durchgeführt. • Farbmetrik, Hunterlab MiniScan EX Plus • Portables Zweistrahl-Spektralphotometer Bei der Farbmessung wird das für die industrielle Qualitätssicherung gebräuchliche LCH Farbraummodell für die Messungen verwendet: L = Helligkeit, C= Chroma / Buntheit (Farbsättigung), h = Buntton (Winkel) E = Farbpunkt im LCH Farbraum
Zur qualitativen Restschmutzbestimmung wird nach der Politur das Werkzeug (Stempel) aus der Befestigung entfernt. Das Adsorbertuch aus reizfester Baumwolle bleibt auf dem Stempel festgebunden. Zur Bestimmung der Farbdifferenz wird der Farbfleck direkt an die Öffnung des Hunterlab Messgerät gehalten und die Messung kann gestartet werden. Min-destens drei Messungen sind für die Mittelwertbildung nötig. Das Hunterlab Farbmessgerät zeigt die L-C-H Wert des Farbflecks an. Die Werte werden später zu Ermittlung der ∆ E herangezogen.
²²² HCLE ++=
Abbildung 41: Farbmessung mit Hunterlab
36
Bestimmung des Glanzwinkels
Eine weitere Messmethode wurde zur Überprüfung der Oberflächenstruktur sowie Ver-schmutzungsgrad angewendet. Hierbei handelt sich um die Bestimmung des Glanzwinkels in Abhängigkeit von Messwinkeln mittels eines Glanzmessers (Abbildung 42). Die Glanz-einheiten bieten zusätzlich zu den LCH Farbwerte wichtige Information über die Oberflä-chenbeschaffenheit sowie Fliesenmaterial. Die Untersuchung hat gezeigt, dass Fliesen mit geschliffenen Oberflächen niedrige Glanzeinheiten als polierten oder poliert und gelaser-ten aufwiesen. Ebenfalls bei angeschmutzten Fliesen zeigt die Glanzmessung geringe Werte. Die Ergebnisse deuten darauf hin dass angeraute Oberfläche (matt) und Schmutz-partikeln auf Fliesen das Licht stark diffus reflektieren.
Abbildung 42: BYK Gardner Glanzmessgerät
Je nach Messwinkel ermittelt das Glanzmessgerät unterschiedliche Glanzeinheiten und kann deshalb auf Oberflächen mit verschiedenen Rauhigkeiten angewendet werden.
Abbildung 43: Glanzmessung in Abhängigkeit des Messwinkels
3.2.5 Stempeltests (AP5)
Bei dem Stempeltest wurden die Grundfunktionen wie Einfachheit, Flexibilität, Elastizität der Stempelkopfes, Druckfestigkeit sowie Robustheit des Werkzeugs überprüft. Dazu wur-de der Stempel in Druckprüfvorrichtung eingespannt und die Druckkraft bei verschiedenen Lasten gemessen. Die Kalibrierung des Stempeldrucks erfolgte in gleichen Schritten. Es ist möglich, mit dem Werkzeug eine Druckkraft bis zu 80N erzeugen. Für die Rest-schmutzbestimmung wurde eine Druckkraft von 20N eingestellt.
Die wichtigen Anforderungen an dem Stempel wurden bei dem Praxistest erfüllt. Um die optimale Form des Farbflecks zu erzielen, wurde ein rundes Kunststoffpad mit abgeflach-ten Rändern an Stempelkopf angebracht. Dieses führte dazu, dass sich die Schmutzparti-kel während der Politur kreisförmig auf dem Adsorbertuch sammeln. Die Tests haben ge-zeigt, dass das Material, aus dem das Pad besteht, entscheidend für die Form des Farb-flecks ist. Hier besteht es eine Optimierungsmöglichkeit.
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3.2.6 Methodenentwicklung (AP6)
Für die Methodenentwicklung im Labor wurden folgende Fliesen verwendet
Padang Dunkel (PD) poliert, PD K120 (geschliffen), PD poliert und gelasert G603 poliert G603 K 120 (geschliffen) G603 poliert und gelasert Impala poliert, Impala K120 (geschliffen) , Impala poliert und gelasert
1 2 3
Abbildung 44 Naturstein Fliesen 1: G603, 2: Impala, 3: Padang Dunkel
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poliert gelasert gesandet werkseitig R9
Abbildung 45: Mikroskopaufnahmen Feinsteinzeug Fliesen verschiedener Oberflächenbehandlung
Charakterisierungsmethoden
Mikroskopische Untersuchung
Die Mikroskopische Untersuchung dient der Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit der Fliesen. Die Veränderung der Oberflächen durch die Modifikation kann mit Hilfe des Lichtmikroskops nachgewiesen werden. Erste Aussage über die Fliesenoberfläche kann gemacht werden. Bei polierten Fliesen sind keine Erhebungen auf der Oberfläche sichtbar.
Detaillierte (genauere) Information über die Oberfläche ist aufgrund eingeschränkten Be-trachtungswinkels nicht möglich. Bei näherer Betrachtung unter dem Digitalmikroskop ist die Form der Lasereinschusslöcher deutlich erkennbar.
Lasereinschusslöcher im Detail Impala gelasert
Abbildung 46: gelaserte Fliesen Typ Impala
Digitalmikroskopische Untersuchung
Die Morphologie bzw. Oberflächenbeschaffenheit der Fliesenoberfläche wird mit Hilfe ei-nes Digitalmikroskops genauer untersucht. Das Digitalmikroskop Model VHX 2000 KEYENCE ermöglicht durch die Tiefenschärfezu-sammensetzung die 3D Darstellung von der Fliesenoberfläche. So lässt sich die Oberflä-chenform der Fliesen betrachten bzw. charakterisieren. Die Höhenverteilung wird farblich gekennzeichnet und verdeutlicht die Unebenheit der Fliesenoberfläche, welche durch die Modifikation entstanden ist. Auf den gelaserten Fliesen sind die Einschusslöcher auf dem 2D Bild (Abbildung 46) deut-lich zu sehen. Ebenfalls gut zu erkennen sind die mikroskopischen kleinen Kratzspuren rum um das Einschussloch und stellen eine zusätzliche Ablagerungsmöglichkeit für den Schmutz dar. Die Ablagerungsmenge der Schmutzpartikeln hängt von der Tiefe und dem Umfang dieser Löcher ab. Das Tiefenprofil des Lasereinschussloches ist in dem Diagramm unterhalb des 3D Bildes dargestellt und verdeutlicht den Höhenunterschied der Fliesenoberfläche. Die geschliffenen Fliesen (K120) weisen eine wellenartige Oberfläche auf. Es lässt sich vermuten dass die Drehbewegung des Schleiftellers die Ursachen dieser Rillen sind. Die-sen Rillen sind auch möglichen Quellen der Schmutzablagerung.
Abbildung 47: Laserloch bei unterschiedlichen Vergrößerungen
39
Abbildung 48: Vermessung und 3D Darstellungen des Tiefenprofils des Laserlochs
Rauhigkeitsprüfung
Die Rauhigkeit einer Fliesenoberfläche kann die Reinigungsfähigkeit sowie die Ver-schmutzung wesentlich beeinflussen. Es ist ebenfalls ein wichtiger Faktor für die Rutschsi-cherheit und Optik. Die zusätzliche Rauhigkeitsprüfung wurde geführt um das Profil der Fliesen zu bestimmen. Mit Hilfe eines Rauheitsmessgerätes (Hommel Tester T2000) wurde die Oberfläche per Tastschnittverfahren abgetastet. Nach der Abtastung werden die Messwerte berechnet und Profiltiefe bzw. Rauhigkeit ermittelt. Das folgende Bild zeigt das Schema des Tastschnittverfahrens
Abbildung 49: Tastschnittverfahren zur Bestimmung des Oberflächenprofils
Bei polierten Fliesen ist die Oberfläche relativ flach und hat einen geringen Mittenrauhwert. Die poliert - und gelaserten Fliesen haben ebenfalls eine flache Oberfläche. Die durch den Lasereinschuss entstandenen Vertiefungen sind eindeutig zu sehen (Abbildung 50). Diese Vertiefungen sind mögliche Ursache für die Schmutzablagerungen auf der Oberflä-che sowie die Verschlechterung der Reinigungsfähigkeit der Fliesen. Das Rauheitsprofil des geschliffenen Fliesen (K120) unterscheidet erheblich von den an-deren Fliesen. Die Oberfläche des K120 Fliesen hat einen größeren Mittenrauwert. Da-durch kann mehr Schmutz in den Rillen, welchen durch den Schleifprozess entstanden sind, zurückbleiben. Diese ungleichmäßige Oberflächenstruktur kann die Reinigung we-sentlich beeinträchtigen.
40
Abbildung 50: Vergleich der Oberflächenprofile
Benetzbarkeit Über die Benetzbarkeit der Fliesenoberfläche lässt sich die Reinigungsfähigkeit der Flie-sen in vielen Fällen ableiten. Die Einwirkung des Reinigungsmittels kann durch z.B. die Absorptionsfähigkeit des Fliesenmaterials und der Fliesenoberfläche erheblich beeinflusst werden. Einerseits lassen Fliesenproben mit porösen Oberflächen wie G603 beispielweise mit Wasser verdünnten Reinigungsmittels schneller durchsickern. Die Reinigungswirkung kann dadurch verschlechtert werden. Andererseits verringert die Porosität der Oberfläche die Ausbreitung des nassen Schmutzes. Es sind wichtige Anhaltpunkte für die Reini-gungsmethode bzw. Reinigungszeit. Mittels eines mobilen Kontaktwinkelmessgerätes der Fa. Krüss (DSA II ) werden an aus-gewählten Proben jeweils 10 definierte Wassertropfen aufgebracht und deren Kontaktwin-kel gegenüber der Fliesenoberfläche automatisch gemessen und gemittelt. Die Untersuchungen haben jedoch keine eindeutigen Ergebnisse erbracht. Diese sind auf das Material sowie Porosität der Fliesenoberfläche zurückzuführen. Die Messergebnisse können jedoch zusätzliche Informationen über das Anschmutz – und Reinigungsverhalten der Fliesen liefern. Anschmutzverhalten
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geringe Benetzung mittere Benetzung gute Benetzung
Abbildung 51: Drei unterschiedliche Anschmutzverhalten
Das Anschmutzverhalten ist in der Abbildung 51 gut zu erkennen. Die gleichmäßigen Streifenmuster auf den Oberflächen lassen auf gute Benetzung schließen. Reinigungsverfahren Das Reinigungsverfahren soll möglich einheitlich sein und dem Standard Reinigungsvor-gang einer Reinigungskraft in der Praxis entsprechen. Der Wischvorgang bzw. Reini-gungsvorgang wird für die Testbedingung angepasst und erfolgt in mehreren Schritten. Die zu verwendende Hilfsmittels sind: Wischbezug: Ecolab rasant Micro Basis Reinigungsmittels: Ecolab Magic Maxx Zuerst wird eine 0,5% Reinigungsmittellösung vorbereitet. Dazu wird 1ml Magic Maxx in 200ml Wasser vermischt und anschließend in die Plexiglas Wanne gegeben. Der Wisch-bezug von Ecolab wird in einer Plexiglas Wanne getränkt. Das folgende Bild zeigt der Benetzungsvorgang des Wischbezuges.
Abbildung 52: Wischbezug in einem mit Reinigungsmittel gefüllte Wanne
Bewertung der Charakterisierungsmethoden Die lichtmikroskopische und digitalmikroskopische Untersuchen stellen erste wichtige In-formation über die Oberflächen der Fliesen dar. Bei näherer Betrachtung der Oberflächen sind einige Details wie die Form des Laserein-schusslochs, Materialschaden, die bei Verarbeitung entstanden sind, sowie Homogenität der Oberfläche sichtbar. So wurde bei der lichtmikroskopischen Untersuchung ein Verar-beitungsfehler des Probensets G603 poliert und gelasert festgestellt. Der Restschmutz kann ebenfalls mit Hilfe von lichtmikroskopischer Prüfung grob bestimmt werden.
42
3.2.7 Testverfahren Schmutzarten Für Testzwecke wurden zwei verschiedene Schmutzarten ausgewählt, die ähnliche Zu-sammensetzung aufweisen: • Arizona Staub: Zusammensetzung und Partikelverteilung an der Vorgabe der SAE
J726 Rev. JUN9 • Teststaub: Straßenschmutz nach DIN 40050-9. Ausgabe:1993-05, zusätzlich
mit Flammruß, Farbteig 27600, höchstlichtecht. Fa. Dr. Kremer, Farbmühle
Arizona Staub Teststaub
Abbildung 53: Arizona Staub (links) Teststaub (rechts)
Der Arizona Staub ist sehr feinkörnig und aufgrund der rötlichen Färbe leicht zu erkennen. Straßenstaub enthält üblicherweise Rußpartikeln, welche aus Reifenabrieb und Abgase entstanden und auf die Straßen gelangen sind. Aus diesem Grund wurde dem Teststaub kleine Menge Flammrußpartikel beigemischt. Anschließend erfolgten der Auftrag des Ruß enthaltenden Teststaubs auf die Fliesen und die Reinigung. Die Untersuchungsergebnisse zeigten jedoch, dass der auf der Fliesenoberfläche zurück-bleibende Ruß aufgrund der Partikelgröße und geringe Menge leider schwer qualitativ er-fassen ließ.
• Fluoreszierende Teststäube CHT R. BEITLICH GmbH Colormatch FL 101 GELB, Partie: 1645402 CHT R. BEITLICH GmbH Colormatch FL 181 ORANGE, Partie: 13188902
Es wurde mehrere Versuche unternommen, den Teststaub mit fluoreszierenden Farbstof-fen anzufärben, um die Restschmutzbestimmung zu verbessern. Wie es in den Abbildun-gen 54 und 55 deutlich zu erkennen sind, wurden die Teststaubkörner angefärbt. Auch der Test unter UV Licht war erfolgreich. Für die quantitative Bestimmung des fluoreszierenden Teststaub ist ein geeignetes Messinstrument - wie Fluoreszenz Mikroskop erforderlich, welches eine eigene UV - Licht Quelle und eine Dunkelkammer besitzt.
43
Abbildung 54: fluoreszierender Teststaub Grün
Abbildung 55: fluoreszierender Teststaub Orange
Anschmutzmethoden
Ansetzen der Normschmutzlösung
Um vergleichbare Ergebnisse zu erzielen, ist es nötig, ein einheitliches, reproduzierbares Anschmutzverfahren anzuwenden. Zwei unterschiedliche Normschmutzarten Teststaub und Arizona Staub werden abgewogen, vermischt und suspendiert, wobei das sich Men-gen des Normschutzes, Mischverhältnis sowie Auftragsmethoden je nach Testfällen variie-ren konnten. Die wiederholten Tests haben gezeigt, dass die Reduzierung des Norm-schutzes von 10g auf 5 g vergleichbare Resultate erzielt hat, jedoch mit erheblich weniger Reinigungsaufwand. Das Mischverhältnis 50:50 hat sich bei späteren Untersuchungen bewährt. Aufbringen des Normschmutzes
Die Normschutzlösung wird anschließend ungleichmäßig auf die Fliesen aufgebracht. Dies geschieht entweder mit Rollwalze oder Kunststoffspachtel.
Bei dem Aufbringen des Normschmutzes wird Jede Fliese vom linken Rand zum rechten Rand, dann vom unteren zum oberen Rand eingewalzt, sodass sich eine homogene Schicht von insgesamt 2 g Gewicht ergibt. Die Fliesen werden anschließend bei Raum-temperatur 30 Min. getrocknet.
Das Aufbringen des Normschmutzes mittels Kunststoffspachtel erfolgt in 2 Schritten. Zu-erst wird der Normschmutz auf den Fliesen gegeben. Anschließend wird 1 – 2 ml Wasser dazugegeben und suspendiert. Die Trocknungszeit dauert ca. mehrere Minuten per Heiß-luft.
Die folgenden Bilder zeigen die zwei Schmutzauftragvorgänge. Bei dem rechten Bild ist der Schmutzauftrag mit dem Rollwalze zu sehen. Diese Auftragmethode kam am Anfang des Projekts häufiger zum Einsatz und wurde später durch den Auftrag mit Kunststoff-spachtel ersetzt, welcher auf dem linken Bild dargestellt wird.
44
Abbildung 56: Schmutzauftrag mit Rollwalze (L), mit Kunststoffspachtel (R)
Der Schmutzauftrag mit Kunststoffspachtel wurde aufgrund des geringen bzw. kalkulierba-ren Verlust an Schmutzpartikeln angewendet. Die folgende Abbildung zeigt die angeschmutzte Oberfläche nach der Trocknung:
Abbildung 57: Die angeschmutzte Fliesenoberfläche
• Das Anschmutzverfahren mit der Rollwalze erwies in der Praxis als aufwändig und nicht präziser genug, um eine vergleichbare Ergebnisse zu bekommen, weil die Menge der aufgetragenen Schmutzpartikeln nur indirekt bestimmt werden kann. Dieses Verfahren entspricht dem natürlichen Verschmutzungsvorgang und eignet sich für die Voruntersu-chung.
• Das Anschmutzverfahren mit Kunststoffspachtel ist einfacher zu handhaben und hat bessere Reproduzierbarkeit. Der Verlust an Schmutzpartikeln bei diesem Verfahren während des Schmutzauftragsvorgangs ist wesentlich geringer als das mit der Rollwal-ze. Aufgrund dessen wurde dieses Verfahren für diese Untersuchung häufiger ange-wendet.
• Anschmutzversuche mit Teststaub + Flammruß haben keine eindeutige Ergebnisse er-bracht. Der Nachweis von Rußrückständen ist aufgrund geringer Menge und Partikel-größe messtechnisch sehr aufwändig und erfordert darüber hinaus Messinstrumente mit hoher Präzision.
Reinigung der Fliesen
Der nasse Wischmopp wird in einen Metallhalter, welcher ein Gewicht von 2,7 kg hat, ge-spannt. Der nasse Wischmopp wird ein Mal mit konstantem Druck von ca. 30 N und kon-stanter Geschwindigkeit 10 cm/s über die beschmutzte Fliese gezogen. Nach einer Trock-nungszeit von ca. 15 Minuten wird die Probe mit dem Glanzmessgerät vermessen. Es folgt anschließend die Bestimmung des Restschmutzes mit dem Stempel.
45
Abbildung 58: Fliesenreinigungsvorgang
Restschmutzbestimmung
Vorrichtung zur Restschmutzbestimmung Ein wichtiges Projektziel ist die Verbesserung der Restschmutzbestimmung. Um dies zu erreichen, soll der Vorgang weitgehend standardisiert bzw. automatisiert werden. Für die-sen Zweck wurde eine Vorrichtung entwickelt.
Mit Hilfe dieser Vorrichtung sollen die Fliesen unter konstantem Druck und konstanter Ge-schwindigkeit in x- und y-Richtung so abgerastert werden, sodass der anhaftende Schmutz auf den Fliesen möglichst quantitativ auf einen textilen Absorber übertragen wird.
Diese Vorrichtung besteht aus Restschmutzaufnehmer (Stempel), Steuereinheit und Por-taleinheit.
3.2.8 Entwicklung Laserung (AP7)
Die bisherige Laserbearbeitung „Lasergrip“ zielt darauf ab, bei möglichst geringer opti-scher Beeinflussung eine Verbesserung der Rutschsicherheit herzustellen. Mit der Zusatz-forderung „Verbesserung der Reinigungsfähigkeit“ bzw. „Reduzierung des Einsatzes von Reinigungsmitteln“ entstand eine Zusatzforderung, die sowohl in der Fertigungstechnolo-gie wie auch der Gütekontrolle umzusetzen war. Form, Größe und Verteilung der Laserpo-ren spielen dabei eine Rolle. Die rutschhemmenden Eigenschaften der Laserpore mussten erhalten werden. So wurden nur solche gelaserten Platten für die Feldversuche und La-borversuche produziert, die auch die erforderliche Rutschfestigkeit aufwiesen. Für die Durchführung der Reinigungsversuche war es notwendig, absolut reproduzierbare (Lasergrip-) Oberflächen herzustellen. Dies ist auch gelungen, siehe Abb. 28. In Versuchsreihen wurde festgestellt, wie weit die Parameter der Laserbearbeitung variiert werden können ohne die Rutschsicherheit zu beeinflussen und es wurden geeignete Testmaterialien bestimmt, welche exemplarisch für eine breite Varianz von Naturstein und Feinsteinzeug stehen sollen. Um eine reproduzierbare Basis für die Reinigungsversuche zu erhalten, war eine „Ein-heits-Pore“ zu entwickeln. Das Verhalten dieser Einheits-Pore bezüglich Rutschsicherheit war zu betrachten. Es wurden die Einflüsse der technischen Laser- Parameter Strom, Fre-quenz und Raster auf das optische Bild der Pore ermittelt.
46
47
Daraus wurden Methoden der Qualitätskontrolle entwickelt, welche unmittelbar an der Ma-schine realisierbar waren, um die für die Versuche notwendigen kleinen Chargen mit ho-her Prozesssicherheit liefern zu können. Das Verfahren wurde erschwert, weil die Lasermaschine aus drei Diodenlasern besteht und es sich herausstellte, dass die einzelnen Laser sich nicht exakt gleich verhielten. Die Diodenlaser wurden justiert und einige Versuche wiederholt. Die Bewertung der Laserung aus Sicht des Projektziels einer Reduktion des Reinigungs-aufwands und der damit verbundenen Umweltbelastung wurde im wesentlichen erreicht (siehe AP1, AP2 und AP4) und soll in Phase II durch verbesserte Messungen und weitere Feldversuche abgesichert werden. 4 Ökologische, technologische und ökonomische Bewertung Ökologische Bewertung: Die ökologischen Ergebnisse sind in Kapitel 3.2.3 dargestellt und bewertet. Zusammen-fassend sei festgestellt, dass sich entsprechend der Einsparung an Reinigungsaufwand Wasser und Reinigungsmittel und entsprechende Auswirkung auf Umwelt- und Ressour-cen sehr signifikante Verbesserungen mit wirtschaftlichen Vorteilen erzielen lassen. Technologische Bewertung: Eine vorteilhafte Anwendung ist technisch vom Material der Bodenplatten abhängig, bei verschiedenen häufig eingesetzten Feinsteinzeugen verheißungsvoll. Eine belastbare Aussage zur Höhe der Einsparungen bei geeigneten Platten ist erst nach weiteren Praxis-versuchen möglich. Ökonomische Bewertung: Auf Basis der Daten aus den Versuchen des RRI wurde eine Kostenanalyse erstellt, die folgende externe Basisdaten benutzt: 1.) Mustergebäude Für die Kostenanalyse wurde ein Beispielobjekt erstellt. Es ist ein Ladenlokal mit einer zu reinigenden Fläche von 1.000 m². Die Reinigung erfolgt manuell mittels vorgetränkten Mik-rofaserbezügen, was dem anerkannten Stand der Gebäudereinigungstechnik erfüllt. 2) Reinigungskosten Die Ermittlung von durchschnittlichen Reinigungskosten für ein derartiges Gebäude wur-den durch Angebotsabfrage bei verschiedenen Gebäudereinigungsunternehmen ermittelt. Hierbei liegen folgende Daten zugrunde:
Unterhaltsreinigung: Der Preis für ein einmaliges Wischen / m² beträgt: 0,04 € / m² Zwischenreinigung: Diese erfolgt im zweistufigen Wischen / m²: 0,09 € / m² Grundreinigung: Die Durchführung erfolgt mit einer Einscheibenmaschine und zweifachem Nachwässern / Absaugen 0,90 € / m²
48
Die Kosten für die Reinigungsmittel sind in den Preisen enthalten.
3) Wasserbereitstellung und Abwasser: Für die Wasserpreise wurden Daten des statistischen Landesamtes Baden Württemberg genutzt. Quelle: http://www.statistik.baden-wuerttemberg.de/Pressemitt/2012334.asp Wasserkosten:
Kosten Frischwasser: 1,97 € / m³ Kosten Abwasser: 1,77 € / m³
Wasserverbrauch (die Mengen sind analog der Versuchsanordnung):
Unterhaltsreinigung 200ml Wasserbereitstellung / m² Zwischenreinigung: 800ml / m² Grundreinigung : 2400 ml / m²
4) Inflationsrate Die Inflationsrate wurde mit einem Wert von 2,5 % angenommen. Beschaffungszusatzkosten:
Hierbei wurden für das Sandeln und Polieren 10 Euro / m² angesetzt und 12 Euro für das Polieren und die LaserGrip - Bearbeitung angesetzt.
5) Gesamtkosten: Daraus ergibt sich folgende Kostensituation nach 10 Jahren Nutzungsdauer:
Mustergebäude FSZ pressrau: 162.074,39 Euro Mustergebäude FSZ gesandelt: 144.985,15 Euro Mustergebäude FSZ LaserGrip: 113.013,79 Euro
Daraus ergibt sich, dass eine Amortisation, unabhängig von den Umweltvorteilen, bereits nach zwei Jahren erreicht werden kann. Die LaserGrip - Technologie ist nicht nur Umwelt und Ressourcen schonend, sondern auch sehr wirtschaftlich in gewerblichen Bereichen.
5 Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation Die Zwischenergebnisse wurden bei einem Treffen der Projektpartner mit Dr. Schwake von der DBU am 25.06.2012 präsentiert. Der Feldversuch in der Betriebshalle der Hochschule Reutlingen dient der Öffentlichkeits-arbeit, da hier ein sehr reger Publikumsverkehr herrscht. Informationstafeln und Poster informieren über das Vorhaben.
49
Auf den Homepages des RRI und der Spitzmüller AG wurde je eine Kurzinformation prä-sentiert. Das Projekt erweckte bereits großes Interesse bei der „Reinigungsindustrie“ – so wurde die Thematik bei verschiedenen Firmen präsentiert: - Fa. Vermop, Gilching (Reinigungssysteme, textile Wischbezüge) - Fa. Werner & Merz, Mainz (Chemikalien zur Bodenpflege) Die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Bodenoberflächen, Verschmutzung so-wie Reinigungsmedien soll in zukünftigen Kooperationen mit den Firmen weiter untersucht werden. Der SWR war im Februar beim RRI und es wird einen Radiobeitrag über das Projekt bis Ende März geben, eventuell auch einen Fernsehbeitrag. Auf der 46th International Detergency Conference (9.-11.4.2013, Düsseldorf) wird Herr Ne-bel das Projekt im Rahmen eines Vortrags präsentieren: „Practice Orientated Correlation between Cleaning Behavior and Antislip Surface Modification by Laser Technology” Magna (Herr Fahrenkrog) wird am Arbeitskreis des FRT / WfK (Forschungsinstitut für Rei-nigungstechnik, Krefeld) zur Reinigung von mineralischen Bodenbelägen teilnehmen. Hier wurde bereits ein standardisiertes Merkblatt erstellt, was den anerkannten Stand der Technik im Reinigungsbereich darstellt [FRT12]. Hierbei wurde bestätigt, dass der Ansatz (Reinigungsmittel und mechanisches Verfahren), dem aktuellen Stand der Technik absolut entspricht. Präsentationen im Bundesinnungsverband und den Landesverbänden der Steinmetze und der Gebäudereiniger durch Magna sind geplant.
50
6 Fazit .
• Die polierten Oberflächen, die für den öffentlichen Bereich nicht geeignet sind (keine "R9"), zeigen erwartungsgemäß das geringste Schmutzrückhaltevermögen.
• Von den unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen, die die Bewertungsgruppe der Rutschsicherheit "R9" erfüllen schneidet die Laserbehandlung hinsichtlich der Reini-gungsfähigkeit der Fliesen bei der Unterhaltsreinigung am besten ab.
• Daraus resultiert, dass eine Minimierung der Umweltbelastung durch Reinigungs-chemikalien der Unterhaltsreinigung und der Vorgabe "R9" am ehesten durch eine gelaserte Oberfläche erzielt werden kann. Eine Quantifizierung wird im Nachfolgepro-jekt entworfen werden.
• Die Grundreinigungsfrequenz, die abhängig ist von der subjektiven Schmutzwahr-nehmung und dem Schmutzrückhaltevermögen der Oberflächen, ist bei der gelaser-ten Oberfläche (bei Anforderung "R9") ebenfalls am geringsten.
• Durch die vielen Einflussparameter (Materialschwankungen, Reproduzierbarkeit etc.) sind gesicherte Aussagen bezüglich der objektiven Reingungsfähigkeit einzelner Grundmaterialien erst nach längeren Versuchszyklen und nach einer hohen Anzahl an Wiederholungen möglich.
• Eine Systemoptimierung, d. h. eine Abstimmung Oberfläche (Laserung) mit Reini-gungsmethode und Medium, birgt zukünftige Entwicklungspotenziale und ist aus Sicht der beteiligten Industrie (Steinhersteller – Chemieindustrie - Reinigungsindust-rie) von großem Interesse.
• Die Reproduzierbarkeit der Messungen innerhalb des Feldversuches ist gut. • Bei Padang bringen die Laserbehandlungen K4 und K1 die besten Ergebnisse. • Bei FSZ von Villeroy & Boch zeigen K1, K2, K6 die besten Reinigungsergebnisse • Generell sind die einzelnen Laserparameter noch schwer zu diskriminieren • Der zeitliche Verlauf (=Abnutzung der Fliesenoberfläche) muss noch näher unter-
sucht werden bzw. über einen längeren Zeitraum getestet werden • Die geschliffenen Fliesen weisen eine wellenartige Oberfläche auf. Diese führt dazu
dass die Schmutzpartikel in der Vertiefung ablagern und nur durch die richtige Wischbewegung bzw. Richtung entfernen lassen
• Die Wischtücher aus Mikrofasern erwiesen sich für Fliesen mit rauer Oberfläche als ungeeignet, da diese während des Wischtest zunehmend gefusselt haben.
• Der Straßenschmutz enthält üblicherweise einen kleinen Anteil von Rußpartikel. Auf-grund dessen wurde Flammruß in Teststaub beigemischt, um tatsächliche Bestand-teile des Straßenschmutzes anzunähen. Nach dem Wischen lässt sich jedoch der Teststaub beigemischte Rußanteil aufgrund extrem geringer Menge nur mit hohem messtechnischen Aufwand nachweisen.
• Die Menge des Arizona Staub, der nach dem Wischen in Poren, Lasereinschusslö-cher und Oberfläche der Fliesen noch vorhanden sind, ist quantitativ zu erfassen.
• Die Beimischung von Öl und Fett in den Testschmutz könnte eine Aussage über die Oberflächenspannung geben.
7 Literaturverzeichnis [Din01] DINORT, G.: „Fachtechnologie mit Baustoffkunde für Fliesen-, Platten- und Mosaikle-
ger“. Verlag Müller, Rudolf (2001)
[Fah1] FAHRENKROG, H.: „Naturstein im Alltag, Band1“, Callwey-Verlag, München (2007)
[Fah2] FAHRENKROG, H.: „Naturstein im Alltag, Band2“, Callwey-Verlag, München (2010)
[Fri11] FRICK, F: Ausgerutscht. Bild der Wissenschaft 3/2011, Seite 106 (2011)
51
[FRT12] EUROPÄISCHE FORSCHUNGSGEMEINSCHAFT REINIGUNGS- UND HYGIE-NETECHNOLOGIE E.V. (Herausgeber): „FRT-Leitfaden ’’mineralische Bodenbelä-ge““ (2012)
[Hol08] HOLLÄNDER, B.: 17. Expertengespräch „Rutschhemmung im Fokus“. Naturstein 06/2008, Seiten 22 - 30 (2008)
[Lut10] LUTZ, W.: „Fachbuch Gebäudereinigung“. Verlag Lutz, Martin und Andreas Lutz Fachbücher, Herausgeber: Bundesinnungsverband d. Gebäudereiniger-Handwerks; Det-tingen/Erms FIGR-Forschungs- u. Prüfinstitut f. Facility Management GmbH (2010)
[PAT03] THUMM, J. und BAUER J.: „Verfahren zur Bearbeitung der Oberflächen transparen-ter Werkstoffe mittels Laserstrahl und nach diesem Verfahren hergestellte Produkte“. Offenlegungsschrift DE10304371A1, Deutsches Patent- und Markenamt.
[PAT98] SIEVERS, T; WIEDEMANN, G. und STÜRMER, U.: „Rutschfester Fußbodenbelag und Verfahren zu seiner Herstellung“. Europäische Patentschrift EP 082591781, Euro-päisches Patentamt (1998)
8 Anhänge
Arizona-Staub: Chemische Zusammensetzung (nach SAE J726 Rev. JUN93)
Bezeichnung Gewichts-% SiO2 65 - 76 Al2O3 11 - 17 Fe2O3 2,5 - 5,0 Na2O 2 - 4 CaO 3 - 6 MgO 0,5 - 1,0 TiO2 0,1 V2O3 0,1 ZrO 0,1 BaO 0,1
Partikelverteilung nach Gewichts-% Partikelgröße in µm fein grob 0 – 5 39 12 5 – 10 18 12 10 – 20 16 14 20 – 40 18 23 40 – 80 9 30 80 – 200 9 Prüfstaub nach DIN 40050 – 9 Ausgabe: 1993 – 05, Straßenfahrzeuge Zusammensetzung: 50 % (Gewicht) mineralische Komponenten (CaCO3, SiO2)
50 % Gewichtsanteile Flugasche Kornverteilung: 33 % Gewichtsanteile =< 32 µm
67% Gewichtsanteile > 32 µm, aber =< 250 µm