Die Porosität ist ein dimensionsloses Maß und stellt das Verhältnis zwischen dem Hohlraumvolumen und dem Gesamtvolumen eines Stoffes oder Stoffgemisches dar. Sie dient als Maßstab für die Rangfolge der tatsächlich vorhandenen Lücken. Es wird sowohl im Bereich der Werkstoff- und Bautechnik als auch in den Geowissenschaften eingesetzt. Die Porosität hat einen großen Einfluss auf die Dichte eines Materials sowie auf den Widerstand, wenn es durch einen Füllstoff fließt (Darcy'sches Gesetz).

Ursprünglich verursacht durch natürliche und allgemein unerwünschte Bedingungen, insbesondere bei der Herstellung von anspruchsvollen Gussteilen [1], gibt es heute auch eine künstlich erzeugte und daher erwünschte Porosität, vor allem bei der Herstellung von Leichtbaustoffen. Metallschaum und Leichtbeton sind Beispiele für Porosität, sind aber als solche nicht Gegenstand dieses Papiers.

Poren sind die Hohlräume im Material zwischen den einzelnen Komponenten. Die Gesamtheit der Hohlräume wird als Porenvolumen bezeichnet. Die absolute Porosität (Gesamtporosität) ist definiert als das Verhältnis des Porenvolumens zum Gesamtvolumen durch den Porositätsfaktor.

Das Volumen der Poren hängt von mehreren Faktoren ab, wie z.B. der Verteilung der Körner (Kornsummenkurven), der Speicherdichte der einzelnen Körner und der Konformation (Oberfläche) sowie der Ungleichförmigkeit der Kornmischung. Je verteilter und ungleichmäßiger die Kornmischung, je dichter die Lagerdichte und je gleichmäßiger die Oberfläche, desto geringer die Porosität. Sie wird im Labor durch Wiegen einer wassergesättigten Probe und der trockenen Probe bestimmt. Nicht das gesamte Porenvolumen kann für die Wasserbewegung genutzt werden. Der Teil des Wassers, der am Korn haftet und sich nicht bewegt, wird als Haftwasser bezeichnet. Mit abnehmender Korngröße nimmt der Anteil des Haftwassers in den Poren deutlich zu, so dass das nutzbare bzw. effektive Porenvolumen bei feinem Schluff/Ton weniger als 5% beträgt.

Technische Keramiken haben in der Regel keine offene Porosität und sind daher gasdicht. Bei einigen Materialien ist die Porosität jedoch wünschenswert, da sie z.B. die Kontrolle der thermischen Belastung erleichtert oder weil große Oberflächen erforderlich sind. Die Porosität kann selektiv durch die Auswahl der Rohstoffe, des Herstellungsverfahrens und, falls erforderlich, durch Zusatzstoffe erzeugt werden. So ist es möglich, Poren unterschiedlicher Größe von wenigen mm bis zu einigen µm zu schließen und zu öffnen. Die Prüfverfahren zur Bestimmung der Porosität sind in DIN EN-623-2 festgelegt.

Die charakteristischen Werte keramischer Werkstoffe für die Festigkeit [MPa]¹² sind in Abhängigkeit von der Werkstoffzusammensetzung, der Korngröße der Ausgangs- und Zusatzwerkstoffe, den Herstellungsbedingungen und dem Herstellungsverfahren statistisch gestreut. Nach dem so genannten Schwachstellenmodell bestimmen die resultierende Fehlerverteilung und der so genannte kritische Fehler (Versagen) die Zuverlässigkeit des Bauteils. Aus diesem Grund ist die Streuung zwischen den verschiedenen Chargen größer als die der einzelnen Chargen.

Maßeinheiten für die keramische Porosität

Die Porosität kann nur im Labor bestimmt werden. Bei der Bestimmung der Wasseraufnahme - in kochendem Wasser - wird das Auftriebsgewicht mit Hilfe einer speziellen Waage mit dem Trockengewicht verglichen. Der Labortechniker kann dann die Gewichtszunahme zur Berechnung der Rohdichte verwenden, die in Porosität umgewandelt werden kann. Die Verfahrenstechnik zur Bestimmung der Porosität ist in DIN EN-1217 "Materialien und Gegenstände mit Lebensmittelkontakt - Prüfverfahren für die Wasseraufnahme von keramischen Erzeugnissen" geregelt.

Die Porosität in der Porzellanindustrie wird durch einen Absorptionstest (Wasseraufnahme) gemessen, d.h. eine Methode, bei der die Scherfestigkeit durch das Volumen der absorbierten Flüssigkeit bestimmt wird. Wenn die Absorption 0 % beträgt, gilt das Material als vollständig dicht.

Was sagt die Porosität über Porzellan?

Die Porosität eines Körpers ist ein wichtiges Kriterium für die Bewertung von

• Qualität
• Stabilität
• thermischer Speicherkapazität
• Langlebigkeit
• Eignung

von Porzellan. Als allgemeine Regel gilt: je besser das Rohmaterial und je höher die Kochtemperatur, desto geringer die Porosität des Produkts.

Es ist bekannt, dass "Porzellan" von Land zu Land und von Hersteller zu Hersteller erheblich voneinander abweicht. Die Zusammensetzungen des Scherbens (Rohstoffe) ist oftmals kaum nachvollziehbar. Ersatz- und Pigmentstoffe erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Vielerorts werden neuartige Mineralien und Komplementärstoffe eingesetzt, die dem Porzellan alle möglichen neuen Eigenschaften verleihen sollen. Im Besonderen sind dies

• höhere Bruchfestigkeit
• klarere Farben
• leichteres Gewicht
• höhere Dichtigkeit

Wir messen bei unserer Qualitätsbestimmung die Porosität von Porzellan anhand der Wasseraufnahme mit einer Fläche von 1 qcm und 1 ml Wasser auf der unglasierten Scherbe nach dem Hartbrand. Diese Methode reicht aus, um den Normungen der keramischen Industrie zu entsprechen und die Ware zu beurteilen. Die Menge an Wasser, die vom Scherben absorbiert wird, bestimmt den Grad der Porosität. Um die Bestimmung möglichst genau zu halten, arbeiten wir nach der Gewichtsmethode über eine Skalierung nach Milligramm - zu bestimmen jeweils vor und nach der Flüssigkeitsaufnahme.

Die Porosität wird üblicherweise in Prozent oder als Fraktion (Bruchteile von 1 = 100%) angegeben und mit dem Formelbuchstaben Φ bezeichnet. Die Gesamtporosität einer Probe setzt sich zusammen aus der Summe der Hohlräume, die untereinander und mit der Umgebung in Verbindung stehen (Nutzporosität) und den nicht miteinander verbundenen Hohlräumen (abzementierte oder geschlossene Porosität).

Porositäten keramischer Scherben im Vergleich

Bei der Bewertung der Qualitäten für unsere Kollektion findet die Porosität einen wichtigen Baustein für die Beurteilung von Porzellan und keramischen Erzeugnissen. Wir messen nach folgenden Kriterien:

Der spezifischen Dichte und der geringen Porosität verdankt Porzellan seine besonderen Verwendungseigenschaften als Wärmespeicher. Weder Hartglasgeschirr noch Metall können vortemperierte Wärme so lange in sich speichern wie Porzellan. Das macht es für das Servieren von warmen Speisen besonders geeignet. Die Porosität keramischer Qualitäten ist abhängig von den Rohstoffen und deren Brenntemperatur.