Геополимери – концепция, получаване, свойства

Прочетена: 1072

Александър Николов,
Иван Ростовски,
Валерий Найденов,
УАСГ, Институт
по механика – БАН

 

С увеличаване на населението на планетата нараства и обемът на строителство и необходимостта от нови строителни материали. С най-голям дял в индустрията е портланд цимента с годишно производство близо 4 млрд. тона, което означава 5-7% от общия дял отделени парникови емисии. Необходимостта от намаляване на последните е една от движещите сили за създаването и развитието на нови строителни материали. Активно се търсят нови по-ниско енергоемки методи и технологии, включително с използване на различни отпадни продукти – шлаки, пепел и др.

Терминът геополимер е въведен през 70-те години на XX век от френския учен и инженер проф. Джоузеф Давидович и представлява нов клас твърд строителен материал, синтезиран от фино смлян алумосиликатен материал и алкален разтвор. По този начин се получава неорганична смола, състояща се от вериги или мрежи от минерални молекули, свързани с ковалентни връзки [1].

Неорганичните молекули се състоят от един силициев или алуминиев атом и 4 кислородни атома, образувайки тетраедри. Тетраедрите се свързват, споделяйки по един кислороден атом, и така образуват вериги, равнинни и пространствени мрежи от зеолитен тип (фиг. 1).

Втвърденият материал има аморфна структура (след втвърдяване при нормална и средна температура) или кристален строеж (при температури над 500 °С).

 

Историческа справка

 

От 30-те години на XX век датират първите опити за активиране на гранулирана доменна шлака с натриева и калиева основа. През 1940 г. белгийският учен Пърдон [2] открива, че смесването на смляна гранулирана доменна шлака с основа произвежда ново, бързо втвърдяващо се свързващо вещество. Разпространява се под името алкално активиран шлакоцимент и навлиза в широка употреба през 50-те години на XX век.

През 1957 г. украинецът Виктор Глуковски се присъединява към учените, изследващи този вид цименти. През следващите години той изследва шлакоциментите, като през 60-те и 70-те прави значителни открития и успява да идентифицира продуктите на втвърдяването – калциеви хидросиликати и калциеви (натриеви хидро-алумосиликати (зеолити). Глуковски нарича циментите, произведени по тази технология, soil silicate concretes (1959), а свързващото вещество – soil cement (1967) [3].

През 1972 г. Latapie и M. Davidovich смесват каолинит със сода каустик (NaOH) при температура 150 °С. Получава се водоустойчив материал, подобен на керамичен, но произведен при температура доста по-ниска от 450 °С. През 70-те години на ХХ век вече се говори за геополимери.

Истинският пробив става през 1978-1980 г. в лабораторията CORDI, където Davidovich синтезира геополимер на база метакаолин и разтворими силикати. Това е първата минерална смола, произвеждана някога. Комерсиалното име на продукта е Geopolymite™ и е чудесна огнеустойчива алтернатива на органичните смоли [4].

През 1983 г. Lone Star Industries Inc и Shell Oil Company Inc започват да развиват и произвеждат нов клас материал – Pyrament®. Той съдържа 80% обикновен портланд цимент и 20% геополимерен компонент. Използва се за експресни ремонти на бетонни пътища, индустриални настилки и самолетни писти. За 4-6 часа натрупва достатъчно якост, за да издържи приземяване на самолет. През 1994 г. стартира проектът Geocistem, финансиран от Европейския съюз, който има за цел да развие и произведе рентабилен геополимерен материал, който да се използва за херметизиране на радиоактивни отпадъци [5].

Производството на 1 тон геополимер, базиран на каолин, генерира 0,180 тона CO2, сравнено с 1 тон СО2 на всеки тон портланд цимент, т.е. шест пъти по-малко. Геополимерите на база летяща пепел отделят дори още по-малко СО2, до 9 пъти по-малко отколкото портланд цимента. Това значи, че може да се произведе от 6 до 9 пъти повече цимент при същите отделени емисии парников газ [6].

 

Суровини

 

Основните суровини за геополимерния синтез са алумосиликатен компонент и алкален активатор. Алумосиликатният компонент е съставен главно от SiO2 и Al2O3, като често съдържа и CaO, Fe2O3, MgO, Na2O и др. Тук се включват:

– Метакаолин (МК) – дехидроксилизираната форма на глинения минерал каолинит. Той се получава чрез калциниране на каолинова глина при температури от 500 до 800 °С. Частиците на МК са с неправилна форма, размери от 0,1 до 15 μm и притежават огромна специфична повърхнина (15 000 до 20 000 m2/kg), което обуславя високата им водопотребност. Химичната чистота е много висока, представена почти изцяло от SiO2 и Al2O3, което спомага за изследването на протичащите реакции при синтеза на геополимери и анализирането на резултатите.

– Летяща пепел (ЛП) – отпаден продукт при изгарянето на въглища. Частиците имат сферична форма и са съставени главно от SiO2, Al2O3, Fe2O3 и СаО. Високото съдържание на аморфен SiO2 и Al2O3 ги прави обект на алкално активиране и синтезиране на геополимери. Химическият им състав варира в широки граници за различните тецове и различните използвани въглища.

– Доменна шлака – отпаден продукт при производството на метали. След като се изсуши и смели, тя има отлични качества и се използва в циментовата индустрия като минерална добавка. Химичният й състав е сходен с този на портланд цимента, съдържа главно силициеви, алуминиеви и калциеви оксиди, като не би трябвало да съдържа железни оксиди.

– Естествен зеолит – зеолитите са кристални алумосиликати с решетъчна структура. Свойствата им са познати отдавна на човечеството – те се употребяват като молекулярни сита и могат избирателно да отделят субстанции. Имат силен йонообмен, използват се като детергенти, абсорбенти, като добавки към храната на животни, а вече и на хора, филтрация на вода и за абсорбция на радиоактивни и тежки метали. В циментовата индустрия може да се използват като минерална добавка към цимент, включително в състави на смесени свързващи вещества. В България до село Бели Пласт се намира едно от най-големите находища – над 10 млрд. тона, което е с много високо качество.

– Други – вулканични туфи, вулканична пепел, перлит, калцинирани шисти, пепел от биомаса и оризови трици, каолинит, както и отпадни продукти като дънна пепел, пепел от битови отпадъци, микросилициев прах и други суровини.

В качеството на алкален активатор се използват:

– Алкалнa основa – воден разтвор на натриева или калиева основа (NaOH/KOH). Възможна е и употребата на LiOH, но в редки и специфични случаи. Оптимални резултати се постигат с 10-14M разтвор на NaOH или КОН, като калиевата основа дава по-добри резултати, но е по-скъпа и трудно достъпна.

– Водоразтворимо стъкло – т. нар. водно стъкло. То представлява колоиден воден разтвор на натриев или калиев метасиликат. Най-често се използва натриев силикат. Разтвореният силициев диоксид във водното стъкло способства за по-бърза полимеризация и ускорява втвърдяването.

– Натриев карбонат (калцинирана сода) Na2CO3. Може да се добавя към вода или директно към алумосиликатния компонент. Използва се сравнително рядко, а полученият продукт е порест и крехък.

– Калциев хидроксид Ca(OH)2 (гасена вар) – геополимерите, активирани с калциев хидроксид, натрупват якост бавно и затова по-често се използва като добавка заедно с друг алкален компонент.

 

Механизъм на втвърдяване

 

През 1967 г. година Глуковски предлага модел [7], обясняващ механизма, по който протича алкалната активация на алумосиликатните материали. Неговият модел е представен в три части:

Първа фаза – деструкция-коагулация. Втора фаза – коагулация-кондензация. В тази втора фаза натрупването на силициеви и алуминиеви мономери се увеличава и повишава контакта между разтворените продукти, образувайки коагулационна структура, където започва поликондензация. Третата фаза е кондензация-кристализация. Полученият алумосиликатен гел се пренасища и се утаява. Получава се аморфен продукт, съдържащ голям брой зеолитни фази под формата на нанокристали като содиалит, LTA, FAUJASIT, MFI, ZSM-5 и др. (фиг. 2).

 

Свойства и приложение на геополимерите

 

Възможната употреба на геополимерите и материалите на тяхна база е многостранна:

– Огнеустойчиви и огнеупорни материали – геополимерите притежават висока огнеустойчивост на температури до над 1200 °С, което ги прави подходящ материал за огнеустойчиви покрития. Именно в тази насока са намерили приложение първите геополимерни изделия.

– Нискоенергийни керамични изделия – с добавянето на алкален компонент, при температура 150 °С се получава втвърден материал, подобен на керамичен, но произведен при доста по-ниски температури.

– Цименти, бетони, разтвори – геополимерната паста може да служи за свързваща матрица подобно на циментовата и на нейна база да се приготвят различни разтвори и бетонни смеси с механични показатели, сходни с конвенционалния бетон.

– Пътни настилки – геополимерите притежават отлична сулфатоустойчивост и топлоустойчивост.

– Топлоизолационни материали – чрез въвличането на пено- и газообразуватели може да се получат материали с клетъчна структура, с много добри топлоизолационни свойства.

– Адхезиви, покрития – високата адхезия на геополимерите дава възможност за употреба като различни адхезиви, покрития и разтвори за ремонт и възстановяване.

– Високотехнологични композити – самолетостроене, автомобилостроене, аеронавтика. Различни геополимерни композити намират приложение, свързано с високата си топлоустойчивост и добри якостни показатели.

– Радиоактивна и токсична имобилизация – изследванията показват, че геополимерният бетон е по-целесъобразен от конвенционалния при херметизиране на токсични и радиоактивни отпадъци.

– Декорация, изкуство – от геополимери могат да се изготвят различни детайли и елементи, части от интериор или екстериор на сгради.

– Археология – изследванията в тази сфера показват, че геополимерният синтез е бил познат още в древността и впоследствие забравен. Дж. Давидович твърди, че за изграждането на египетските пирамиди и множество артефакти са използвани геополимерни технологии.

– Медицина – за изготвянето на инпланти, изкуствени стави, кости и пломби, които организмът да не отхвърля. Тази сфера на приложение е доста специфична, слабо изследвана, работи се с много висока точност и чистота на материалите. Проведени са изследвания за формиране на геополимерен абсорбент за нови лекарствени средства с дълготрайно управляемо освобождаване след приемане от пациента.

 

Заключение

 

Геополимерите и геополимерните материали се определят като един потенциален заместител на портланд цимента и композитите на негова основа. При производството на геополимери не е необходима висока температура, има възможност за употреба на отпадни продукти, а полученият твърд материал притежава високи механични показатели, отлична сулфато- и киселинна устойчивост, както и висока огнеустойчивост.

Подобно на органичните смоли геополимерите могат да служат като матрица за получаването на високоякостни фиброкомпозити, като елиминират основния недостатък на органичните смоли – ниската топлоустойчивост.

Това мотивира разработването и изпълнението на конкретна изследователска програма, насочена към многофакторно изследване на възможностите за създаване и използване на геополимери с достъпни за България суровини и материали.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

[1] J. L. Provis, J.S. J. van Deventer, Geopolymers: Structures, processing, properties and industrial applications, ISBN-10: 184569449X, Woodhead Publishing, 2009;

[2] Purdon A.O (1940) – The action of alkalis on blast furnace slag, Brussels, Belgium, (Journal ot the society of chemical industry) 59, 191-202

[3] Glukhovsky V.D. (1965) Soil silicates, Their Properties, Technology and Manufacturing and Fields Application, Doct Tech Sc. Degree thesis, Civil Engineering Institute, Киев, Украйна;

[4] J. Davidovits, Geopolymer – Chemistry & Application (2nd edition), ISBN 2951482019, Geopolymer Institute, 2008;

[5] Geocistem (1997), BRITE-EURAM European research project BE-7355-93, Synthesis Report and Final Technical Report, July 1997;

[6] Davidovits J., (1993), Carbon-Dioxide Greenhouse-Warming: What future for Portland Cement, Proceedings, Emerging Technologies Symposium on Cement and Concrete in the Global Environmental, 21p, Portland Cement Association, Chicago, Illinois, March 1993;

[7] Glukhovsky V.D., (1967) ‘Soil Silicate Articles and Structures (Gruntosilikatnye vyroby I konstruktsii)’, Budivelnyk Publisher, Kiev, Ukraine;

[8] Radnai T., May P.M., Hefter G.T., Sipos P., (1998) ‘Structure of aqueous sodium aluminate solutions: A solution X-ray diffraction study’, J. Phys. Chem. A, 102 (40) 7841–7850.

Сподели в социалните мрежи

Автор на 15.11.2013. Категория Анализи. Можеш да следиш всички коментари и промени по тази публикации през RSS 2.0. Можете свободно да коментирате тази публикация

Един коментар по Геополимери – концепция, получаване, свойства

  1. инж. Александър Николов

    Здравейте аз съм автор на статията. Ако се интересувате от геополимери, моля прегледайте сайта геополимер. http://geopolymer.byethost32.com

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.