Nieorganiczne polimery glinokrzemianowe (geopolimery) otrzymywanie, właściwości, przykłady zastosowania

Transkrypt

1 Politechnika Krakowska Im. Tadeusza Kościuszki Instytut Inżynierii Materiałowej Wydział Mechaniczny Nieorganiczne polimery glinokrzemianowe (geopolimery) otrzymywanie, właściwości, przykłady zastosowania dr hab. inż. Janusz Mikuła prof. PK

2 Geopolimery - definicja Geopolimer termin obejmujący klasę nowoczesnych, badanych od lat 50 XX wieku, amorficznych, nieorganicznych polimerów glinokrzemianowych o specyficznym składzie i właściwościach. Geopolimery są najczęściej twardymi, odpornymi mechanicznie ciałami stałymi przypominającymi naturalny kamień lub beton. Badania nad geopolimerami prowadzone są głównie w celu zastąpienia nimi cementu portlandzkiego, a w konsekwencji użycia ich na szeroką skalę w budownictwie.

3 Budowa geopolimerów Geopolimery określane są mianem polisialanów. Sieć sialanów jest tworzona przez tetraedry SiO 4 i AlO 4 naprzemiennie związane przez atomy tlenu. Wiązanie zachodzi w mocno alkalicznych roztworach wodnych w których reaktywne glinokrzemiany ulegają roztworzeniu, a następnie w procesie polikondensacji tetraedry [SiO 4 ] 4-, [AlO 4 ] 5- łączą się ze sobą narożami, tworząc amorficzne lub subkrystaliczne przestrzenne struktury glinokrzemianowe, podobne do zeolitów. Obecność w komorach jednowartościowych kationów Na + lub K + równoważy ujemny ładunek struktury szkieletowej.

4 Budowa geopolimerów Geopolimery składają się z długich łańcuchów kopolimerów tlenków krzemu i glinu i stabilizujących je kationów metali, najczęściej sodu, potasu, litu lub wapnia oraz związanej wody. Teoretyczna struktura geopolimerów.

5 Budowa geopolimerów Struktura geopolimerów jest zbliżona do budowy klatkowej podobnej jak w przypadku zeolitów, główna różnica polega na braku uporządkowania dalekiego zasięgu. W zależności od uporządkowania bliskiego zasięgu wyróżniamy trzy podstawowe jednostki strukturalne przedstawione na rysunku.

6 Geopolimery metody syntezy Większość metod syntezy geopolimerów sprowadza się do jednego procesu: rozdrobniony, wysuszony materiał pucolanowy (metakaolin popiół lotny, tuf wulkaniczny) mieszany jest z wodnym roztworem odpowiedniego krzemianu (np. krzemianu sodu lub potasu) z dodatkiem silnej zasady z reguły stężonego wodorotlenku sodu lub potasu. Powstająca pasta zachowuje się podobnie, jak cement zastyga do twardej masy w przeciągu kilku godzin. Proces zastygania może być regulowany a w związku z tym i czas zastygania może się zmieniać od kilkunastu sekund do kilku lub kilkudziesięciu godzin. Reakcja polikondensacji nie jest reakcją samorzutną i konieczne jest dostarczenie energii z zewnątrz. Jej rozpoczęcie następuje po podwyższeniu temperatury powyżej 35 o C. Przyjmuje się również, że reakcje polikondensacji geopolimerów zachodzą już w temperaturze pokojowej lecz za optymalne uważa się temperatury o C.

7 Geopolimery metody syntezy Uproszczony schemat wytwarzania geopolimerów

8 Właściwości geopolimerów Geopolimery w porównaniu do tradycyjnych cementów mają wiele zalet, z których wymienić należy: wysoka wytrzymałość na ściskanie i zginanie (wytrzymałość na ściskanie od ok. 20 MPa do ok. 90 MPa, stosunek wytrzymałości na ściskanie do wytrzymałości na zginanie ok. 10 : 4,5), wysoka kwasoodporność oraz odporność na chlorki i siarczany, odporność na działanie czynników atmosferycznych, wysoka odporność termiczna (do ok. 900 o C), niska porowatość (zbliżona do naturalnego granitu), bardzo wysoka mrozoodporność, brak korozji zbrojenia stalowego w geopolimerze, wysoki stopień adhezji geopolimeru ze stalą, szybszy początek wiązania, stabilność wymiarów (brak skurczu lub niewielki skurcz przy wiązaniu),

9 Właściwości geopolimerów doskonała lejność a w związku z tym możliwość bardzo dokładnego odwzorowywania formy, możliwość uzyskiwania powierzchni wyrobu o różnych stopniach gładkości czy chropowatości poprzez dobór odpowiednich tworzyw na formy, ciężar właściwy 1,7 do 2,1 g/cm 3 (w zależności od składu masy), współczynnik rozszerzalności cieplnej jest ujemny (w temperaturze ok.100 o C = -2 * 10-4 o C -1 i szybko zmniejsza się do 250 o C = -0,76 * 10-4 o C -1 ), przewodność cieplna w zależności od składu masy geopolimerowej wynosi od 0,5 do 0,8 Wm -1 K -1, twardość Vickersa w zależności od składu masy geopolimerowej od 0,2 do 0,6 GPa możliwość obróbki wszystkimi metodami jak np. w przypadku granitu, marmuru, piaskowca,

10 Popiół lotny jako surowiec do produkcji geopolimerów Norma PN-EN 450 definiuje popiół lotny jako: Drobno uziarniony pył, składający się głównie z kulistych, zeszkliwionych ziaren, otrzymany przy spalaniu pyłu węglowego, mający właściwości pucolanowe, zawierający w swoim składzie przede wszystkim SiO 2 i Al 2 O 3, przy czym zawartość reaktywnego SiO 2, określona i oznaczona, jak podano w EN 197-1, wynosi co najmniej 25% masy. Składniki popiołów ze względu na wielkość udziału można podzielić na: składniki podstawowe (SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3, CaO), składniki uboczne (MgO, SO 3, Na 2 O, K 2 O), składniki śladowe (TiO 2, P 2 O 5, Mn i inne), niespalony węgiel (straty żarowe).

11 Popiół lotny jako surowiec do produkcji geopolimerów O właściwościach popiołów lotnych decyduje wiele czynników, a do najważniejszych należą: rodzaj spalanego węgla; rodzaj instalacji, w której zachodzi spalanie węgla, tj. typ kotła i technologiczne warunki spalania; sposób przygotowania paliwa; metoda wychwytywania, odprowadzania i magazynowania popiołów; technologia odsiarczania gazów. Do niepożądanych składników popiołu lotnego jako surowca do wytwarzania geopolimerów należą: zbyt wysoką zawartość związków siarki, zawartość niespalonego węgla, zawartość wolnego wapna, a także zawartość związków żelaza. Analysis Report: Image2-3 Cząstki niespalonego węgla

12 Geopolimery właściwości Własności geopolimerów zależą od rodzaju materiału podstawowego użytego do ich produkcji, od rodzaju i ilości aktywatora oraz od warunków w których zachodzi proces polikondensacji. Mieszanina Stężenie molowe roztworu NaOH Stosunek krzemianu sodu do roztworu NaOH (wagowo) 2 8M 2,5 4 14M 2,5

13 Geopolimery właściwości

14 Wytrzymałość na ściskanie [MPa] 70 Wpływ temperatury polikondensacji (seria 1-20ºC, seria 2-65ºC, seria 3-75ºC) i czasu sezonowania na wytrzymałość na ściskanie geopolimerów otrzymanych z pyłów dymnicowych Elektrowni Skawina Serie1 Serie2 Serie po 7 dniach po 30 dniach po 90 dniach po 180 dniach czas sezonowania

15 Tuf wulkaniczny skład i właściwości Tuf wulkaniczny jest to porowata skała należąca do skał okruchowych, składająca się z materiału piroklastycznego, często z domieszką innego materiału okruchowego, scementowanego np. spoiwem krzemionkowym lub ilastym. Cechą charakterystyczną tufu jest duża porowatość oraz związany z nią niewielki ciężar właściwy. W skład tufów wchodzą także minerały ilaste i zeolity. Skład tlenkowy tufu filipowickiego użytego do badań SiO 2 Fe 2 O 3 Al 2 O 3 CaO MgO TiO 2 K 2 O Na 2 O 56,04 % 5,38 % 16,73 % 5,39 % 0,60 % 0,85 % 9,16 % 0,39 %

16 Tuf filipowicki Struktura tufu filipowickiego, pow. 40 x W skład tufu filipowickiego wchodzą następujące składniki: sanidyn (składnik dominujący), kaolinit, biotyt, illit, kwarc, skalenie silnie zmienione, okruchy skał obcych, minerały nieprzejrzyste, spoiwo mikrokrystaliczne i spoiwo węglanowe.

17 Tuf filipowicki obraz z mikroskopu skaningowego

18 Struktura geopolimeru z tufu filipowickiego Płytka z geopolimeru potasowego i jego struktura (pow. 40x i pow. 200 x)

19 Struktura geopolimeru z tufu filiupowickiego

20 Struktura geopolimeru z tufu filipowickiego

21 Wytrzymałość na ściskanie MPa Właściwości geopolimerów z tufu filipowickiego 45 Wytrzymałość na ściskanie geopolimeru nr 77 po różnym okresie sezonowania Ilość dni sezonowania Wytrzymałości na ściskanie geopolimeru potasowego po różnych okresach sezonowania

22 Właściwości geopolimerów z tufu filipowickiego Płytka wykonane z geopolimeru potasowego wyżarzana w temperaturze 200 o C

23 Właściwości geopolimerów z tufu filipowickiego Płytka wykonana z geopolimeru potasowego wyżarzana w temperaturze 900 o C

24 Właściwości geopolimerów z tufu filipowickiego Płytka wykonana z geopolimeru potasowego wyżarzana w temperaturze 1200 o C

25 Wytrzymałość na ściskanie [MPa] Zależność wytrzymałości na ściskanie od temperatury wygrzewania i wieku próbki geopolimerów , ,16 54,05 50,06 56, , ,54 45,36 40,54 34,59 35, , C 400 C 600 C 800 C 900 C Temperatura wygrzewania [C] 50 dni 75 dni 90 dni

26 Zastosowanie geopolimerów z tufu filipowickiego Warstwa geopolimeru naniesiona pistoletem malarskim na płytę gipsowo-kartonową oraz jej struktura (pow. 40 x i pow. 200 x)

27 Zastosowanie geopolimerów Przykłady możliwości barwienia płytek geopolimerowych

28 Zastosowanie geopolimerów płytka o wymiarach 30 x 35 cm

29 Zastosowanie geopolimerów płytka o wymiarach 30 x 35 cm

30 Zastosowanie geopolimerów parapety

31 Zastosowanie geopolimerów kostka brukowa

32 Zastosowanie geopolimerów kostka brukowa

33 Zastosowanie geopolimerów płyta chodnikowa, krawężnik

34 Zastosowanie geopolimerów płyta elewacyjne

35 Zastosowanie geopolimerów cegła pełna 25 x 12 x 7 cm

36 Zastosowanie geopolimerów cegła elewacyjna z warstwą spienioną

37 Zastosowanie geopolimerów mur z cegieł geopolimerowych

38 Politechnika Krakowska Im. Tadeusza Kościuszki Instytut Inżynierii Materiałowej Wydział Mechaniczny Dziękuję za uwagę