CZ304496B6

CZ304496B6 - Rentgeno-amorfní hořečnatý strukturní analog geopolymerů vyrobený z dehydroxylovaných a delaminovaných hořečnato-křemičitých fylosilikátů a jeho použití

Info

Publication number: CZ304496B6
Application number: CZ2013-11A
Authority: CZ
Inventors: Tomáš Opravil; František Šoukal; Petr Ptáček
Original assignee: Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2013-01-07
Publication date: 2014-05-28
Also published as: CZ201311A3

Abstract

Řešení se týká rentgeno-amorfního hořečnatého strukturního analogu geopolymerů, způsobu jeho výroby smísením delaminovaného a dehydroxylovaného hořečnato-křemičitého fylosilikátu rentgeno-amorfní struktury s alkalickým činidlem a zvýšením teploty na nejméně 90 .degree.C a jeho použití ve stavebnictví jako materiálu odolného zejména proti povětrnostním vlivům a pH.

Description

Rentgeno-amorfní horečnatý strukturní analog geopolymerů vyrobený z dehydroxylovaných a delaminovaných hořečnato-křemičitých fylosilikátů a jeho použití

Oblast techniky

Vynález se týká rentgeno-amorfního hořečnatého strukturního analogu geopolymerů, způsobu jeho výroby aktivací dehydroxylovaného a delaminovaného hořečnato-křemičitého fylosilikátů rentgeno-amorfní struktury v alkalickém prostředí s využitím zvýšené teploty nejméně 90 °C a jeho použití.

Dosavadní stav techniky

Za geopolymeiy jsou považovány anorganické polymerní materiály, které jsou připravovány z hlinitokřemičitanových materiálů jejich aktivaci v zásaditém prostředí za normální teploty a tlaku. Typicky se používá reakce delaminovaného a dehydroxylovaného kaolinu (metakaolinu) s vodním sklem nebo roztokem NaOH či KOH, při kterém vzniká struktura na obr. 1 [a].

Dioktaedrické hlinitokřemičité materiály (např. kaolin, pyroíylit apod.) v přírodě často mají své hořečnaté trioktaedrické analogy (např. serpentin, mastek apod.) [c]. Z této skutečnosti tak plyne možnost připravit také hořečnatý analog hlinitokřemičitých geopolymerů vyrobených alkalickou aktivací. Výrobě alkalicky aktivovaného hořečnato-křemičitého materiálu však bránila skutečnost, že dosud nebylo možné připravit delaminovanou a dehydroxylovanou hořečnatou fázi mastku (CZ PV 2012-839) a také vznik sraženin Mg(OH)₂ v silně alkalickém prostředí během polykondenzace, to znamená vytvoření difúzní bariéry snižující homogenitu produktu a zpomalující reakci.

Reference:

[a] F. Šoukal, T. Opravil, P. Ptáček, B. Foller, J. Brandštetr, P. Roubíček, Geopolymers amorphous ceramics via solution, in: Some thermodynamic, structural and behavioral aspects of materials accentuating non-crystalline States, ed. J. Šesták, M. Holeček, J. Málek, Plzeň, 2009. ISBN 798-80-87269-06-0.

[b] V. D. Gluchovski, Gruntosilikaty. Grosstrojizdat, Kiev 1959.

[c] M. Chvátal, úvod do systematické mineralogie, První vydání, vydal: Silikátový svaz, Praha 2005. ISBN: 86821-11-5.

[d] J. Davidovits, Ancient and Modem Concretes: What is the Reál Difference? Concrete intemational 9 (1987) 23-35.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1: Idealizovaná struktura geopolymerů (Gluchovsky [b]).

Obr. 2: EDX analýza produktu polykondenzace (spekt. 1) a částic meta-mastku (spekt. 2). Obr. 3: EDX analýza produktu polykondenzace (a) TG-DTA meta-mastku a produktu (b). Obr. 4: Rozpustnost SiO₂ křemičitého fylosilikátů v závislosti na pH.

-1 CZ 304496 B6

Podstata vynálezu

Výše uvedený problém přípravy aktivovaného hořečnato-křemičitého materiálu řeší způsob výroby rentgeno-amorfního hořečnatého strukturního analogu geopolymeru aktivací dehydroxylovaného a delaminovaného hořečnato-křemičitého fylosilikátu rentgeno-amorfní struktury ve směsi s alkalickým činidlem o pH nejméně 10 za teploty nejméně 90 °C a následným ztuhnutím této směsi.

Směs hořečnato-křemičitého fylosilikátu s alkalickým činidlem má výhodně pH 12.

Dehydroxylovaný a delaminovaný hořečnato-křemičitý fylosilikát rentgeno-amorfní struktury se ve výhodném způsobu podle vynálezu smísí s alkalickým činidlem a vzniklá směs se následně zahřeje na teplotu nejméně 90 °C nebo se dehydroxylovaný a delaminovaný hořečnato-křemičitý fylosilikát rentgeno-amorfní struktury a alkalické činidlo nejprve zahřejí na teplotu nejméně 90 °C a následně se smísí.

Dehydroxylovaným a delaminovaným hořečnato-křemičitým fylosilikátem rentgeno-amorfní struktury je podle výhodného provedení delaminovaná a dehydroxylovaná fáze mastku (CZPV 2012-839).

Alkalickým činidlem použitým ve způsobu podle vynálezu je výhodně sodné nebo draselné vodní sklo nebo hydroxid alkalického kovu nebo jejich směs.

Předmětem vynálezu je také rentgeno-amorfní hořečnatý strukturní analog geopolymerů vyrobený způsobem podle vynálezu a jeho použití ve stavebnictví.

Rentgeno-amorfní hořečnatý strukturní analog geopolymerů je možné používat samostatně nebo například ve směsi s kamenivem, vláknitou výztuží nebo ve směsi sjinými fylosilikáty.

Rozpuštěním a polykondenzací delaminované a nehydroxylované fáze mastku v silně alkalickém prostředí vodního skla nebo hydroxidů alkalických kovů vznikají vazby typu (^Si-O-Mg-O-), přičemž pokles pH vyvolaný zvýšením teploty (zahřátím reagující soustavy) nad teplotu 90 °C zabrání precipitaci hydroxidu hořečnatého v silně zásaditém prostředí. To umožní reakci horečnatých oktaedrů stetraedry (SiO₄)⁴, kterou dokazuje zastoupení Mg v produktu polykondenzace (obr. 2, spektrum 1).

V průběhu procesu nevzniká žádná krystalická fáze a produkt tak zůstává amorfní (obr. 3(a)).

V průběhu reakce se také rozpouští delaminovaná a dehydroxylovaná fáze mastku za polykondenzace stavebních jednotek typu (=Si-O-Mg-O-), což se na DTA projeví klesající intenzitou píku krystalizace hořečnato—křemičité fáze (Obr. 3(b)).

Způsobem podle vynálezu se nezískají ryzí geopolymery, které definuje způsob přípravy alkalickou aktivací hlinito-křemičitých materiálů. Ve struktuře geopolymeru jsou přítomny pouze tetraedry [SiO₄]² a [A1O⁴]⁵ tvořící vazby (^Si-O-Mg-O-), kdy přebytek záporného náboje kompenzují ionty alkalických kovů, které vstupují do struktury během aktivace.

S ohledem na rozdíly iontového poloměru Mg²⁺ a Al³⁺jsou ve struktuře materiálu podle vynálezu přítomné oktaedry (MgO6)¹⁰ , které společně s nepřítomností (A1O4)⁵ jednotek a zvýšené teploty přípravy neumožňují klasifikovat tento materiál jako geopolymer (definice dle J. Davidovits [d]). Na základě amorfní struktury a přítomnosti stavebních jednotek typu (=Si-O-Mg-O-) lze však vyvinutý materiál považovat za nový typ materiálu připraveného alkalickou aktivací dehydroxylovaných a delaminovaných hořečnato-křemičitých fylosilikátů.

Alkalicky aktivovaný hořečnato-křemičitý materiál podle vynálezu je využitelný především ve specifických aplikacích, kde je kladen velký důraz na odolnostní charakteristiky použitého mate-2CZ 304496 B6 riálu, zejména proti povětrnostním vlivům a pH. Materiál lze nanášet na povrch i nástřikem či nátěrem, proto je využitelný též pro sanaci stávajících betonových konstrukcí. Je možné jej používat čistý nebo ve směsi s kamenivem nebo vláknitou výztuží.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1:

Delaminovaná a dehydroxylovaná fáze mastku a draselné, sodné či směsné vodní sklo o pH 12 se ohřejí na teplotu 90 °C a smísí. Systém se pak důkladně promíchá a následně nechá ztuhnout za zvýšené nebo laboratorní teploty. Prodloužení času, po který se vzorek udržuje za zvýšené teploty a mnohem účinněji s rostoucí teplotou zvyšuje rozsah polykondenzaění reakce. Zvýšená rychlost odpařování vody za vyšší teploty také posouvá rovnováhu polykondenzaění reakce ve směru reakčních produktů, tj. stavebních jednotek typu (^Si-O-Mg-O-).

Příklad 2:

Delaminovaná a dehydroxylovaná fáze mastku a draselné, sodné či směsné vodní sklo o pH 11 se smísí za běžné teploty a následně ohřejí na teplotu 95 °C a smísí. Systém se pak důkladně promíchá a nechá ztuhnout za zvýšené nebo laboratorní teploty.

Příklad 3:

Delaminovaná a dehydroxylovaná fáze mastku a draselné, sodné či směsné vodní sklo o pH 10 se smísí za běžné teploty a následně nanese na povrch ohřátý na teplotu 90 °C, kde se polykondenzací vytvoří vrstva produktu.

Příklad 4:

Delaminovaná a dehydroxylovaná fáze mastku se rozmíchá ve vodném roztoku sodného či draselného hydroxidu o pH 12 a suspenze ohřeje na teplotu 92 °C. Systém se pak důkladně promíchá a následně nechá ztuhnout za zvýšené nebo laboratorní teploty.

Průmyslová využitelnost

Využitelnost vynálezu spočívá v přípravě nového typu alkalicky aktivovaného hořečnatokřemičitého materiálu, který je využitelný především ve specifických aplikacích, kde bude na použité materiály kladen velký důraz na odolností charakteristiky zejména proti povětrnostním vlivům a pH. Další velice širokou oblastí využití se předpokládá sanace stávajících betonových konstrukcí, neboť tento materiál lze nanášet na povrch i nástřikem či nátěrem. Materiál je možné používat čistý nebo ve směsi s kamenivem nebo vláknitou výztuží.

Claims

1. Způsob výroby rentgeno-amorfního hořečnatého strukturního analogu geopolymerů, vyznačující se tím, že se delaminovaný a dehydroxylovaný hořečnato-křemičitý fylosilikát rentgeno-amorfní struktury smíchá s alkalickým činidlem o pH nejméně 10, poté se zahřeje na teplotu nejméně 90 °C a následně se vzniklá směs nechá ztuhnout nebo se delaminovaný a dehydroxylovaný hořečnato-křemičitý fylosilikát rentgeno-amorfní struktury i alkalické činidlo o pH nejméně 10 zahřejí na teplotu nejméně 90 °C, následně se smísí a vzniklá směs nechá ztuhnout, přičemž rozpuštěním a polykondenzací delaminované a dehydroxylované fáze hořečnatokřemičitého fylosilikátu v silně alkalickém prostředí vznikají vazby typu (^Si-O-Mg-O-), kdy pokles pH vyvolaný zvýšením teploty nad teplotu 90 °C zabrání precipitaci hydroxidu hořečnatého, což umožní reakci hořečnatých oktaedrů s tetraedry (SiO₄)⁴ .

2. Způsob výroby podle nároku 1, vyznačující se tím, žepH alkalického činidla je 12.

3. Způsob výroby podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že delaminovaným a dehydroxylovaným hořečnato-křemičitým fylosilikátem rentgeno-amorfní struktury je delaminovaná a dehydroxylovaná fáze mastku.

4. Způsob výroby podle nároků laž3, vyznačující se tím, že alkalickým činidlem je sodné nebo draselné vodní sklo nebo hydroxid alkalického kovu nebo jejich směs.

5. Rentgeno-amorfní hořečnatý strukturní analog geopolymerů vyrobený způsobem podle nároků laž4, vyznačující se tím, že obsahuje pouze stavební jednotky typu =Si-OMg-O-.

6. Použití rentgeno-amorfního hořečnatého strukturního analogu geopolymerů podle nároku 5 ve stavebnictví.

7. Použití rentgeno-amorfního hořečnatého strukturního analogu geopolymerů podle nároku 6 ve směsi s kamenivem, vláknitou výztuží nebo ve směsi s jinými fylosilikáty.