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Optical fibers have transformed many areas of modern life, from the way we communicate across the globe, to the way we detect and treat diseases. Exploitation into new application fields relies on the technological challenge to provide optical functional elements to glass fibers. This thesis assesses novel ways to provide functional interfaces to glass fibers lightguides. To equip the inside of such fibers with optically active species, first a modified rod-in-tube approach was investigated. Here, cylindrical glass rods were coated from liquid phase and assembled to preforms by encapsulating them into a glass tube. As functionalities, rare earth elements and noble metal nanoparticles were selected and successfully incorporated into fibers. Such fibers showed the characteristic photoluminescence of the rare earths, as well as localized-surface plasmon resonance related effects from the noble metal particles at the functionalized interface. In a second part, the deformation of this noble metal nanoparticles to rotational-ellipsoids during the fiber drawing process was investigated. Such fibers showed an optical anisotrop response to light. The ellipticity of the nanoparticles was discussed with respect to particle size and choice of noble metal, to understand how the optical properties of such fibers can be controlled. In a third part, the effect of silver on the photoluminescence of Eu3+ was investigated. Here, sol-gel derived co-doped coatings were developed that showed strong luminescence enhancement. In these coatings Eu3+ could be excited with non-resonant wavelenghts in a broad spectral range below 400 nm. The lateral surface of a glass fiber was functionalized with this coating, which could be used to transform guided UV light into luminescent-based side-emission with the characteristic Eu3+ emission bands.

In der Dissertation wurde der Einfluss von Bor auf Struktur, Löslichkeit und Kristallisationsverhalten von bioaktiven Gläsern untersucht. Ausgehend von Bioglass® 45S5 wurde in der Glasserie 45S5-B Silizium systematisch durch Bor ausgetauscht. Die Strukturuntersuchungen haben gezeigt, dass die Siliziumatome mehrheitlich über zwei Sauerstoffatome mit den benachbarten Siliziumatomen verbunden sind (Q2 Gruppen), was zu einer kettenartigen Struktur führt. Des Weiteren liegt Bor für die ganze Serie überwiegend (>80%) dreifach koordiniert vor. Orthophosphat ist die hauptsächlich vorliegende P-spezies für alle Gläser, welches leicht aus dem Glas herausgelöst werden kann und damit die Bildung von Apatit unterstützt. Der Austausch von Bor gegen Silizium führte zu einer weniger vernetzten Struktur (verminderte Netzwerkpolymerisation). Weitere Ergebnisse zeigten, dass es möglich ist das Löslichkeitsverhalten mittels des Borgehaltes zu kontrollieren. Ein erhöhter Borgehalt im Glas führte zu einer zeitigeren Apatitbildung. Für die feinen Glaspulver wurde mit steigendem Boranteil eine geringfügige Abnahme der Kristallisationstendenz gefunden, wobei die Kristallisationstendenz der Glasserie 45S5-B im Vergleich zu anderen Glassystemen generell hoch ist. Für die feinen Glaspulver wird vorherrschend Oberflächenkristallisation angenommen, während für die groben Glaspulver eine komplexe Kristallisation, die in Verbindung zur Phasenseparation des Glases steht, vorgeschlagen wird. Interessanterweise war Glas 25B sogar nach teilweiser Kristallisation durch Wärmebehandlung in der Lage Apatit zu bilden. Die Strukturuntersuchung der Åbo-Gläser zeigten ein kompakteres Netzwerk für die inerten Gläser im Vergleich zu den hoch- und mittelmäßig bioaktiven Gläsern. Wie für die inerten Gläser erwartet, wurde der Glasübergang bei höheren Temperaturen detektiert und der thermische Ausdehnungskoeffizient war im Vergleich zu den anderen Gläsern niedriger.

The present study focuses on technological developments in the history of glass technology. I selected four aspects of glass manufacture from different periods, beginning in the earliest period of artificial glass and ending in the Early Modern time. The technology of glass manufacture was investigated by analysis of archaeological glass samples and the reproduction of used materials. The experimental approach enabled a detailed understanding of the challenges and specifications during the manufacture. In a first study, the formation of potential borosilicate layers on Mycenaean LBA relief fragments, that have been found close to gold sheet, were studied. We could demonstrate by infrared reflection spectroscopy that both borate contamination on gold and borax powder interact with the glass surface at temperatures above 800 ◦C. I suggested three mechanisms for potential borate contamination, that is by alteration of the gold sheet, the glass surface or the usage borax as a solder. The second study analyses the opacification process of Roman mosaic tesserae by the calcium antimonates CaSb2O6 and Ca2Sb2O7, and demonstrates that the in-situ crystallization at temperatures below 1200 ◦C produces the most reliable opacification. We reproduced the process in an experimental archaeological glass furnace at temperatures around 1050 ◦C. In a third study, I analyzed a selection of a Medieval glass feature from Münster, Germany, by X-ray fluorescence and optical spectroscopy. I demonstrate that the glass samples were made by at least three recipes. The fourth study focuses on the scattering properties of Cu2O and Cu0 particles with different sizes. I show by simulation of the Mie backscattering and absorption cross sections, how the optical spectra change depending on the particle size and the wavelength of light. Comparison with two late medieval / early modern sample sets from Glashütten, Germany and Wieda, Germany and fitting the backscattering curves into the UV/Vis/NIR reflectance spectra yielded an average Cu0 particle radius of 60 nm to 95 nm. The results were confirmed by SEM microscopy.

Das Cold-Top-Schmelzen alkalifreier Borosilikatgläser hat im Vergleich zu angepassten Gas-Sauerstoff-beheizten Schmelzaggregaten nach dem Hot-Top-Prinzip wesentliche Vorteile, wie minimale Verdampfung von borsäurehaltigen Komponenten, hohe flächenspezifische Schmelzleistungen und niedrige Betriebskosten. Als Schlüsseltechnologie gilt der neu entwickelte Mo-Heizstrahler, welcher trotz der extrem schlechten elektrischen Leitfähigkeit der Schmelze eine aus Sicht der Schmelze indirekte elektrische Beheizung realisieren lässt. Mit Hilfe dieser Heizstrahler-Technologie lässt sich die Schmelze auf > 1450 °C erhitzen, was die Voraussetzung für eine direkt elektrische Beheizung ist. Diese weltweit einzigartige Technologie ermöglicht die Herstellung von alkalifreien technischen Gläsern nach dem Cold-Top-Verfahren.

Micro porous syntactic foams were successfully produced by pressure-assisted infiltration of sintered borosilicate glass bubble structures with AlSi9Cu3 and ZnAl4Cul alloy melts. Specimens with densities as low as 1 g/cm(exp 3) for aluminium and 3 g/cm(exp 3) for zinc and good infiltration qualities could be obtained whereas tests with the magensium alloy MgA15Zn led to extensive reactions between the glass and the magnesium melt. Compression tests with aluminium matrix specimens showed that this material has a very high compression strength and behaves almost like an ideal crash energy absorber. It could be shown that due to its strictly closed and microscopic-scale porosity this kind of foams can be surface treated e.g. by copper-plating and chromatizing or by anodizing processes.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Herstellung eines transparenten Sinterglases aus einem nanoskaligen Borosilicatglaspulver untersucht. Wesentlicher Vorteil dieser pulvertechnologischen Route im Vergleich zur konventionellen Schmelztechnologie ist die Reduzierung der Prozesstemperatur zur Glasherstellung. Durch Optimierung der drei Prozessschritte Pulverherstellung, Formgebung und Sinterung konnte eine transparente Sinterung bei einer Temperatur von 800 °C realisiert werden. Die Laserablation als Verdampfungs-Rekondensations-Prozess ermöglicht im Gegensatz zur Flammhydrolyse die Herstellung nanoskaliger, sphärischer und chemisch reiner Glaspartikel. Neben der trockenen Formgebung konnten die Möglichkeiten und Grenzen der elektrophoretischen Abscheidung als Formgebungsverfahren aufgezeigt werden. Ferner wurden grundlegend Anwendungsmöglichkeiten des Borosilicatglaspulvers thematisiert. Die Temperaturabsenkung zur Glasherstellung ist nicht nur im Bereich der endmaßnahen Formgebung, sondern auch im Bereich der Beschichtung von thermisch empfindlichen Substraten interessant. Vor diesem Hintergrund wurde die Lasersinterung von Grünschichten aus nanoskaligem Borosilicatglaspulver untersucht. Neben der erfolgreichen Realisierung der Goldrubinfärbung der Sintergläser sollte mit Untersuchungen zur cadmiumfreien Rotfärbung und zur Herstellung bleifreier niedrigschmelzender Lotgläser durch den Einsatz sinteraktiver Teilchen zukunftsweisend zu Forschungsarbeiten motiviert werden. The aim of this work was the production of a transparent sintering glass by using nanosized borosilicate glass powder. The application of powder technology instead of the conventional melting technology enables a significant lowering of the processing temperature. After the optimization of the three process steps which involved powder synthesis, shaping and sintering, a transparent sample was realized at a temperature of 800 °C. Laser ablation, as a gas evaporation method, offers in comparison to the flame hydrolysis the possibility to produce nanoscaled, spherical, non-porous and chemically pure borosilicate glass particles. Besides the dry shaping of the glass powder, it was necessary to show the possibilities and limitations of the electrophoretic deposition process. Furthermore, basic research was conducted concerning the application possibilities of the nanoscaled borosilicate glass powder. The reduction of the processing temperature for the glass production process is not only interesting in the molding of final dimensions but also in the coating of thermally sensitive substrates. Based on this, the laser sintering of green coatings made of nanoscaled borosilicate glass powder was investigated. Besides the successful realization of gold ruby coloration of the sintered borosilicate glass, investigations were made with respect to the cadmium-free red coloration and the production of low-melting lead-free solder glass, which reveal possible fields of further research.

Das Verständnis von Verdampfungsvorgängen aus Glasschmelzen spielt für die Auslegung technischer Prozesse eine wichtige Rolle. Verdampfungsvorgänge führen zu primären Schadstoffemissionen, reduzieren die Standzeiten der Schmelzaggregate und führen zu Inhomogenitäten im Produkt. In der Literatur liegen zahlreiche Untersuchungen zu diesem Thema vor. Sie betreffen zum einen die Verdampfung ins Hochvakuum, zum anderen die Vorgänge bei Normaldruck. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist der Einfluss des Druckes im Bereich moderater Unterdrücke von 200 bis 1000 mbar. Dieser Bereich ist für die Anwendung der sog. Unterdruckläuterung besonders interessant. Mit dieser Technik gelingt es prinzipiell, Gläser im großtechnischen Maßstab innerhalb kurzer Verweilzeiten blasenfrei zu erschmelzen. Allerdings ist eine sichere Beurteilung der bei Unterdruck zu erwartenden Verdampfung unerlässlich. Grundlegende Arbeiten zu diesem Thema waren bisher nicht verfügbar., 2111

Ill., graph. Darst.

Bei der Formgebung von anorganischen Glasschmelzen in der industriellen Glasverarbeitung werden die eingesetzten Formenwerkstoffe durch die heißen Glasschmelzen thermisch, mechanisch, tribologisch und korrosiv hoch beansprucht, was zu einem starken Verschleiß der Formen und als Folge davon zu Qualitätsmängeln bei den produzierten Glasartikeln führt. Mit diesem zentralen Ergebnis dieser Arbeit ist es erstmals gelungen, eine Brücke zwischen den bislang als gänzlich widersprüchlich angesehenen Aussagen verschiedener Autoren aus Laborexperimenten bzw. verschiedener Erfahrungen der Glashütten zu schlagen. Mit der hier vorgestellten Theorie können die verschiedenen Aussagen nicht nur einheitlich gedeutet werden., 2078

Es wurden neue Kompositpartikel zur Abtrennung von Schwermetallionen aus wässrigen Abwasserströmen entwickelt. Die Kompositpartikel bestehen aus superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln in einer Borosilikatglasmatrix. Die Oberfläche der Kompositpartikel ist mit Organosilanen modifiziert. Eine Siloxanfunktion erlaubt die chemische Anbindung an die Partikel, eine Komplexbildnerfunktionalität erlaubt die reversible Bindung von Metallionen. Die Kombination der großen freien Oberfläche der superparamagnetischen Kompositpartikel (SPMK) mit einer schnellen Bindungskinetik ermöglicht Abtrennungen insbesondere bei geringen Schwermetallkonzentrationen, die mit herkömmlichen Trennverfahren nur unzureichend durchführbar sind. Ein möglicher Einsatz der neuen Technik lohnt sich daher vor allem dann, wenn das abzutrennende Schwermetall hochgiftig ist (z.B. Cd) und deshalb besonders niedrige Grenzwerte zu erfüllen sind.

2004, Der breiten Anwendung vorgespannter Borosilicat-Floatgläser in der Baubranche steht noch immer die Meinung entgegen, dass diese Gläser, genau wie die gebräuchlichen Kalk-Natron-Silicatgläser, Nickelsulfideinschlüsse enthalten könnten, die ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen und einen Heat-Soak-Test erforderlich machen. Neuere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass sich Borosilicatgläser völlig anders als Kalk-Natron-Silicatgläser bezüglich dieser Problematik verhalten. Die durchgeführten Experimente zeigen, dass in Borosilicatgläsern kein NiS-Risiko besteht, weil: sich aufgrund fehlender Voraussetzungen keine Nickelsulfide bilden können, möglicherweise extern eingeschleppte Partikel im Gegensatz zu Kalk-Natron-Silicatglasschmelzen andersartig und sehr schnell aufgelöst werden, ohne NiS zu bilden, die chemische Zusammensetzung möglicherweise extern eingeschleppter Nickelsulfidpartikel immer über Ni + Ni3S2 in der Bildung von NiO endet.

AgCl/AgBr crystallites with diameters of about 40 nm were synthesized within a sodium alumo borosilicate glass matrix by the sol-gel process. Ag was introduced into the sol through the addition of an ethanolic AgNo3 solution. After gelation, AgClxBr1-x was generated by treating the gel with NaCl and CuBr solutions. The gel can be densified to a glassy powder that shows a darkening effect with a saturation behaviour after UV irradiation and recovers at elevated temperatures (>= 150°C). The best recovery kinetics were obtained for a silver halide content of about 12 µmole/g.

Borosilicate glasses are supposed to be a suitable matrix for the fixation of calcined radioactive wastes. For the safety assessment of the disposal of these glasses in geological formations like carnallite or rock salt, their chemical durability in saturated salt brines has been investigated. Temperatures up to 200° C, pressures up to 130 bar, and corrosion times up to 5 years were applied. Special attention was given to the long term corrosion which is mainly characterized by the saturation of the corroding solution (leachate) with respect to silica.