Geopolimery
Geopolimery są to nieorganiczne, amorficzne, syntetyczne polimery glinokrzemianowe, o specyficznym składzie i właściwościach. Określenie „geopolimery” odnosi się do polimerów nieorganicznych, które są amorficznymi materiałami glinokrzemianowymi syntezowanymi w mocno zasadowym środowisku w temperaturze nie przekraczającej 100°C. Termin „geopolimer” został po raz pierwszy użyty w 1970 r. przez Davidovitsa [1].
Struktura geopolimerów jest bardzo zbliżona do naturalnych kamieni występujących w przyrodzie, dlatego nazywane są często „sztucznymi kamieniami”.
Geopolimery składają się z długich łańcuchów – kopolimerów tlenków glinu i krzemu, a także stabilizujących je kationów metali oraz związanej wody. Oprócz dobrze zdefiniowanych łańcuchów polimerycznych, w materiale występują z reguły różne przemieszane fazy, takie jak: tlenek krzemu, nieprzereagowany substrat glinokrzemianowy oraz niekiedy wykrystalizowane glinokrzemiany typu zeolitowego.
Empiryczny wzór pojedynczego łańcucha ma formułę [2]
gdzie \( M^+_n \) – kation metalu alkalicznego \( (Na^+, K^+ ) \), \( v \) – stopień polimeryzacji, \( x \) – stosunek Si/Al, \( a \) – ilość związanej wody; \( v, x, a \) – zależą od składu i sposobu przygotowania konkretnej próbki.
Łańcuch polimerowy geopolimeru składa się z czworościennych struktur \( SiO_4 \) i \( AlO_4 \) połączonych między sobą przez wspólne atomy tlenu w dwu- lub trójwymiarową skomplikowaną sieć.
Rys. 1 przedstawia schemat przestrzennej sieci geopolimeru [3].
Wyjściowym składnikiem dla otrzymania cementu geopolimerowego są glinokrzemiany, których źródłem mogą byś surowce naturalne lub odpady przemysłowe, jak granulowany żużel wielkopiecowy lub popioły lotne.
Ze względu na surowiec, z którego powstają geopolimery dzieli się na dwa rodzaje:
- powstałe na bazie metakaolinu (odwodnionego w temp. \( 700-800^°C \) kaolinu) w wyniku reakcji z wodorotlenkiem sodu:
- powstałe na bazie popiołu lotnego – otrzymywanego przez krzepnięcie lotnych produktów ubocznych ze spalania węgla kamiennego i antracytowego (klasa F – powyżej \( 70\% \) tlenków Si, Al i Fe), bituminów lub węgla brunatnego (klasa C – powyżej \( 50\% \) tlenków Si, Al i Fe).
Rys. 2 przedstawia różnice w mikrostrukturze cementu naturalnego oraz geopolimeru powstałego na bazie popiołu lotnego [4].
Ze względu na budowę geopolimery dzielone są na trzy główne klasy:
- PS – polisialan (polysialate); podstawową jednostką łańcuchów polimerycznych jest Si-O-Al-O;
- PSS – poli(silokso-sialan) (poly(sialate-siloxo) ), podstawową jednostką łańcuchów polimerycznych jest Si-O-Al-O-Si-O;
- PSDS – poli(disilokso-sialan) (poly(sialate-disiloxo) ), podstawową jednostką łańcuchów polimerycznych jest Si-O-Al-O-Si-O-Si-O.
Tabela 1 przedstawia klasy geopolimerów ze względu na podstawową jednostkę łańcucha [5].
Właściwości
Geopolimery są najczęściej twardymi, odpornymi mechanicznie ciałami stałymi przypominającymi naturalny kamień lub beton. Są stosowane głównie do przygotowywania materiałów budowlanych, przede wszystkim betonu i jego pochodnych. Betony takie charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami:
- wysoką wytrzymałością – lepszą odpornością na ściskanie oraz odpornością na zginanie od najlepszych betonów na bazie cementu portlandzkiego;
- odpornością chemiczną (np. na kwasy, siarczany czy chlorki);
- wodoodpornością znacznie przewyższającą tradycyjny beton;
- wysoką ogniotrwałością, nawet do temperatur rzędu \( 600^°C \);
- krótkim czasem wiązania, nawet poniżej godziny;
- brakiem odkształceń podczas wiązania i ograniczonymi odkształceniami na skutek zmian wilgotności i temperatury.
Zastosowanie
W praktyce zastosowanie betonów geopolimerowych jest bardzo ograniczone ze względu na ich wyższą cenę niż betonów tradycyjnych. Stosowane są one jednakże w przypadkach, gdzie wymagana jest wysoka ogniotrwałość (np. izolacje ogniowe w lotnictwie) lub bardzo szybkie osiągnięcie wysokiej twardości (np. przy awaryjnych naprawach pasów startowych). Podczas syntezy geopolimerów, wydziela się 4-8 razy mniej \( CO_2 \) niż przy produkcji jednej tony klasycznego cementu przy zużyciu 2-3 razy mniejszej energii, dlatego cement geopolimerowy nazywa się "zielonym cementem". Geopolimery są też stosowane jako materiał nośny do utylizacji toksycznych odpadów, szczególnie substancji radioaktywnych.
Możliwości zastosowania geopolimerów:
- okładziny budynków;
- beton architektoniczny;
- materiały izolacyjne;
- pokrycia antykorozyjne;
- materiały ognioodporne;
- kompozyty do zaawansowanych zastosowań.
Bibliografia
1. Davidovits J.: Geopolymers : Inorganic polymeric new materials, Journal of Thermal Analysis 1991, Vol. 37, Iss. 8, pp. 1633-1656, dostęp:21.08.20202. Burduhos Nergis D. D., Abdullah M. M. A. B., Vizureanu P., Tahir M. F. M.: Geopolymers and Their Uses: Review, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2018, Vol. 374, Art. nr 012019, dostęp:21.08.2020
3. Sun Q., Yang Z., Cheng H., Peng Y., Huang Y., Chen M.: Creation of three-dimensional structures by direct ink writing with kaolin suspensions, Journal of Materials Chemistry C 2018, Iss. 6, pp. 11392-11400, dostęp:20.08.2020
4. : Chapter 11. Cementitous Material July 2006. In: Petrographic Methods of Examining Hardened Concrete: A Petrographic Manual, Raport Federal Highway Administration FHWA-HRT-04-150, dostęp:20.08.2020
5. Duxson P., Fernández-Jiménez A., Provis J. L., Lukey G. C., Palomo A., van Deventer J. S. J.: Geopolymer technology: the current state of the art, Journal of Materials Science 2007, Vol. 42, pp. 2917-2933, dostęp:20.08.2020