Mhlawakhe Vatsha

Mein Forschungsthema trägt den Titel "Entflammbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Umweltfreundlichkeit von aus Feinkohle hergestellten Kohleverbundstoffen". Die Entflammbarkeitsprüfung wurde an den Kohleverbundstoffen durchgeführt, um deren Feuerbeständigkeit zu bestimmen, da Kohle bekanntlich hochentflammbar ist. Für die Bauindustrie wäre es eine positive Nachricht, wenn bewiesen würde, dass die Verwendung von Kohleverbundstoffen keine Brandgefahr mit sich bringt.

Feinkohle und Kohlenteer wurden auf ihre Eigenschaften hin analysiert. Nach der Analyse wurde der Kohlenteer mittels des Luftblasverfahrens modifiziert, um flüchtige Bestandteile freizusetzen und ihn in wenig flüchtiges anisotropes Kohlenteerpech umzuwandeln, welches als Bindemittel für strukturelle Kohleverbundwerkstoffe verwendet werden kann.

Bei meiner Forschung arbeitete ich mit Feinkohle, Kohlenteerpech und Dimethylpolysiloxan, um Kohleverbundstoffe zum Einsatz in Gebäuden herzustellen. Der angekommene Kohleausschuss wurde zunächst in der Sonne getrocknet, um die Feuchtigkeit zu reduzieren. Danach wurde er zerstäubt und in repräsentative Proben aufgeteilt. Der Kohlenteer wurde entgegengenommen und mittels des Luftblasverfahrens modifiziert, um flüchtige Bestandteile freizusetzen und aliphatische Kohlenwasserstoffe in aromatische Kohlenwasserstoffe zu konvertieren.

Privat

Abbildung 1: Prozess-Flussdiagramm zur Herstellung von Kohleverbundstoffens

Die Werkstoffe (Feinkohle, Kohlenteer und Kohlenteerpech) wurden auf ihre Eigenschaften hin analysiert. Die Verbundwerkstoffeigenschaften haben gezeigt, dass die hergestellten Verbundstoffe den Standard für Baustoffe übertreffen. Die Verbundstoffe, die zu 30 % aus Kohlenteerpech als Bindemittel bestehen, wiesen eine extreme Verdichtung und Biegefestigkeit im Vergleich zu konventionellen Baustoffen auf. Luftgeblasenes Kohlenteerpech und Dimethylpolysiloxan dienten jeweils als Bindemittel für Feinkohle.

Die Feinkohle wurde mit jedem Bindemittel in unterschiedlichen Verhältnissen versetzt, geformt, im Ofen gehärtet und im Hochofen pyrolysiert. Die so hergestellten Verbundstoffe wurden auf ihre Eigenschaften hin analysiert, um zu bestimmen, ob sie den Standard für Baustoffe erfüllen. Das Prozess-Flussdiagramm zur Herstellung von Kohleverbundstoffen ist in Abbildung 1 dargestellt.

Das Luftblasen des Kohlenteers wurde in einem 1-Liter-Thermalreaktor aus rostfreiem Stahl durchgeführt, wobei Kohlenteer (KT) in einen Reaktor eingespeist und bei verschiedenen Reaktionstemperaturen und -zeiten erhitzt wurde, wie in Abbildung 2 gezeigt.

Privat

Abbildung 2: Hergestelltes Kohlenteerpech

Das hergestellte Kohlenteerpech (KTP) wurde auf flüchtige Bestandteile, Funktionsgruppen, H/C-Verhältnis, Mesophasengehalt und Aromatizität hin analysiert. Abbildung 3 zeigt mich im Labor bei der Durchführung einer thermogravimetrischen Analyse (TGA) der Proben.

Nach der Analyse der erhaltenen Proben und der Herstellung von Kohlenteerpech begann der Prozess der Kohleverbundstoffherstellung. Feinkohle und Kohlenteerpech wurden miteinander gemischt, komprimiert, gehärtet und im Hochofen pyrolysiert, wie Abbildung 4 zeigt. Die so entstandene Mischung wies nach dem Pressen eine stärker verdichtete feste Struktur auf und hatte an Gewicht verloren.

Ich verbrachte Stunden im Labor mit der Herstellung dieser Verbundstoffe, da ich sie unter verschiedenen Bedingungen durchführte, um die besten Herstellungsparameter zu ermitteln. Abbildung 5 zeigt mich bei der Fertigung der Verbundstoffe mithilfe einer Hydraulikpresse.

Privat

Abbildung 3: Probenanalyse mittels TGA

Ich nahm außerdem an vielen Webinaren der Fakultät für Chemie und Metallurgie sowie der Fakultät für Ingenieurwissenschaften teil. Zur Entspannung besuchte ich Musik- oder Unterhaltungsveranstaltungen der Universität wie auch externe Events. An den Wochenenden unternahm ich etwas mit Freunden, aber das war keine Selbstverständlichkeit, da ich mit meiner Forschungsarbeit beschäftigt war und viel zu tun hatte.

Die hergestellten Kohleverbundstoffe wurden auf ihre physikochemischen, mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften hin analysiert. Die Verbundstoffe wurden außerdem auf ihre Entflammbarkeit hin getestet, um zu bestimmen, ob sie aufgrund der entflammbaren Ausgangsmaterialien wie Kohle und Kohlenteerpech eine Brandgefahr darstellen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Verbundstoffe nicht hochentflammbar sind.

Privat

Abbildung 4: Fertigungsprozess von Kohleverbundstoffen

Die Entflammbarkeitsprüfung wurde mithilfe eines Butansauerstoffacetylenbrenners bei 1300 °C durchgeführt (Abbildung 6). Darüber hinaus wurden die Verbundstoffe auf ihre Umweltfreundlichkeit hin analysiert, indem die Versickerungskonzentration der Spuren- und schweren Elemente bestimmt wurde. Die Ergebnisse der Versickerungsprüfung zeigten, dass die Verbundstoffe ohne Gefahr für die Umwelt eingesetzt werden können, denn die Versickerungskonzentration der Spuren- und schweren Elemente erwies sich als risikoarm.

Die Forschungsarbeit wurde auch an der Universität Witwatersrand, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, sowie während des Auftaktseminars zur gebauten Umwelt präsentiert und erhielt den 3. Platz für die Posterpräsentation, siehe Abbildung 7. Der Preis wurde vom Dekan der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und gebaute Umwelt, Prof. T. Majozi (rechts), und dem stellvertretenden Dekan für Forschung und Innovation, Prof. G. Simate (links), verliehen.

Privat

Links Abbildung 5: Komprimierung der Kohleverbundstoffe mithilfe einer Hydraulik-presse. Rechts Abbildung 6: Entflammbarkeitsprüfung der Kohleverbundstoffe

Ich möchte diese Gelegenheit gerne nutzen, um mich bei der DAAD-Stiftung zu bedanken und Herrn Amos meinen aufrichtigen Dank für seine Unterstützung meiner Forschung durch das Stipendium auszudrücken.

Das Stipendium half mir dabei, bestimmte Ausrüstungsgegenstände zu kaufen, die ich für meine Arbeit benötigte, darunter eine automatische Hydraulikpresse, Gesenke und der Reaktor, und ich konnte außerdem meine Proben zur Prüfung an andere Einrichtungen mit Ausrüstung zu senden, die mir in unserer Einrichtung nicht zur Verfügung stand.

Privat

Abbildung 7: Auszeichnung für den 3. Platz für die Posterpräsentation

Ich war stets in der Lage, meine Studien- und Forschungsgebühren zu begleichen, während ich mein Forschungsprojekt ohne Schulden gegenüber der Einrichtung abschloss. Üblicherweise beenden Studierende ihre Arbeit mit noch ausstehenden Gebühren, aber ich hatte beim Abschluss meines Projekts bereits alle meine Gebühren bezahlt.

Die finanzielle Förderung Ihrer großartigen Einrichtung ermöglichte es mir, meinen Traum vom Masterabschluss in Ingenieurwissenschaften ohne Geldsorgen zu verwirklichen. Im November 2023 wurde meine Forschung zur Prüfung eingereicht und im Februar 2024 wurde mir das Feedback zu meiner Masterarbeit zugesendet, laut dem noch kleinere Korrekturen an der Arbeit vorzunehmen waren, bevor ich sie im April 2024 endgültig einreichte. Jetzt kann ich mit Stolz berichten, dass die Arbeit zur Begutachtung eingereicht wurde und dass ich es Sie gerne wissen lasse, wenn mir die Entscheidung mitgeteilt wurde. Ich habe den Bericht auch an die Verlage gesendet und werde ihn Ihnen ebenfalls gerne zusenden, sobald er freigegeben und veröffentlicht wurde.