ES2863499T3 - Composiciones en forma de partículas para la formación de geopolímeros, su uso y procedimientos para formar geopolímeros con estas - Google Patents

Composiciones en forma de partículas para la formación de geopolímeros, su uso y procedimientos para formar geopolímeros con estas Download PDF

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Abstract

Composición seca en forma de partículas para formar un geopolímero, que comprende: (i) un hidróxido de metal alcalino, (ii) un silicato de metal alcalino, y (iii) un aluminosilicato, donde al menos el 45% en peso del aluminosilicato está en un estado amorfo, basado en el peso total de aluminosilicato en la composición, y el aluminosilicato tiene un producto de la superficie BET en m2/g y el contenido de fase amorfa como una proporción de 1 en el intervalo de 7 a 15, y donde dicho aluminosilicato se selecciona del grupo que consiste en metacaolín y caolín, en donde la composición comprende de 1% en peso a 25% en peso de hidróxido de metal alcalino, de 15% en peso a 50% en peso de silicato de metal alcalino y de 30% en peso a 80% en peso de aluminosilicato, expresada como una proporción del peso total de la composición seca en forma de partículas.

Description

DESCRIPCIÓN
Composiciones en forma de partículas para la formación de geopolímeros, su uso y procedimientos para formar geopolímeros con estas
Campo de la invención
La presente invención se refiere a geopolímeros en general, y específicamente a composiciones en forma de partículas secas para formar geopolímeros. El uso de dichas composiciones en forma de partículas secas y procedimientos para fabricar geopolímeros también forman parte de la presente invención.
Antecedentes de la invención
Recientemente, ha surgido una nueva clase de materiales conocidos como geopolímeros en productos de hormigón de cemento. Los geopolímeros no solo se consideran un potencial alternativo al cemento estándar, sino que también presentan una oportunidad para convertir una variedad de residuos industriales en subproductos interesantes. Debido a que los geopolímeros pueden exhibir buena resistencia mecánica y resistencia frente a alteraciones por ambientes agresivos, actualmente están atrayendo un gran interés por su uso potencial para mejorar simultáneamente el desempeño ambiental y el de ingeniería en comparación con las tecnologías tradicionales. Los geopolímeros se forman convencionalmente mediante la polimerización de óxidos de aluminosilicato en presencia de un agente activante fuertemente básico. Según el estado de la técnica, la polimerización se inicia mediante un silicato alcalino líquido. En general, esto se ve favorecido por los mecanismos de reacción descritos en la bibliografía científica: de acuerdo con Fernández-Jiménez A. et al. (Cement and Concrete Research, 35 (6), páginas 1204 a 1209, 2005), una disolución de un aluminosilicato sólido por hidrólisis alcalina es el primer paso de reacción y conduce a la formación de aluminatos y silicatos. Una vez que se obtiene un equilibrio de formación, se forma una solución saturada que conduce a una red de oligómeros que experimentan policondensación para formar una red tridimensional de aluminosilicatos. Este procedimiento requiere una gran cantidad de agua que posteriormente se elimina parcialmente del producto.
Recientemente, algunas investigaciones se han centrado en proporcionar precursores para la formación de geopolímeros que puedan ser fácilmente almacenados, manipulados y transportados, con el fin de obtener el producto terminado en los sitios donde se requiera. Idealmente, el producto terminado puede obtenerse simplemente agregando agua a un precursor y formando un geopolímero de esa manera.
El documento US 2011/0132230 A1 (Han et al.) describe mezclas secas como precursores geopoliméricos, que comprenden un polvo de silicato metálico soluble en agua y un polvo de aluminosilicato. Los precursores geopoiiméricos pueden comprender además ingredientes suplementarios como, por ejemplo, pero no necesariamente, una base alcalina sólida en forma de partículas. Estas mezclas secas requieren la adición de una gran cantidad de agua para producir un producto de geopolímero. Además, el aluminosilicato presente requiere un alto contenido de fase amorfa, tal como 90% en peso o más. El documento CN 103449744 A se refiere a un material de construcción y describe un geopolímero basado en cenizas volantes y procedimientos de preparación del mismo mediante el uso de una mezcla de polvo seco.
Es un objeto de la presente invención proporcionar una mezcla seca que tenga una baja demanda de agua para formar geopolímeros con las propiedades mecánicas deseadas.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento para preparar un geopolímero in situ simplemente añadiendo agua.
Breve descripción de la invención
La presente invención se define en las reivindicaciones adjuntas 1-12. La primera forma de realización de la presente invención está dirigida a una composición seca en forma de partículas para formar un geopolímero. Esta composición seca en forma de partículas también puede denominarse indistintamente mezcla seca o premezcla para formar un geopolímero.
En particular, la presente invención se materializa mediante una composición seca en forma de partículas para formar un geopolímero, que comprende un hidróxido de metal alcalino, un silicato de metal alcalino y un aluminosilicato, en el que al menos el 45% en peso del aluminosilicato está en estado amorfo, basado en el peso total de aluminosilicato en la composición como, por ejemplo, cuando al menos el 50% en peso del aluminosilicato está en un estado amorfo. Se encontró que tales composiciones tienen propiedades mejoradas en lo que respecta a la facilidad de manejo y preparación del geopolímero terminado en el sitio.
La presente invención consiste en una composición seca en forma de partículas para formar un geopolímero, que comprende un hidróxido de metal alcalino, un silicato de metal alcalino y un aluminosilicato, en donde el aluminosilicato tiene un producto de área superficial específica (en m2/g) por contenido de fase amorfa i como una proporción de 1 en el intervalo de 7 a 15. Se encontró que tales composiciones tienen propiedades mejoradas cuando se trata de facilidad de manejo.
En una forma de realización de la presente invención, la composición seca en forma de partículas comprende de 1% en peso a 25% en peso de hidróxido de metal alcalino, de 15% en peso a 50% en peso de silicato de metal alcalino y de 30% en peso -% a 80% en peso de aluminosilicato, cada uno expresado como una proporción del peso total de la composición seca en forma de partículas. Se encontró que, dependiendo de la fuente y calidad de las materias primas utilizadas, se obtenían mejores resultados utilizando los constituyentes de la composición según la presente invención en dichas cantidades.
En una forma de realización de la presente invención, el hidróxido de metal alcalino en la composición seca en forma de partículas se puede seleccionar del grupo que consiste en NaOH, KOH, LiOH, RbOH, CsOH y mezclas de los mismos. Se encontró que dichos hidróxidos de metales alcalinos daban mejores resultados en la práctica.
En la presente invención, el aluminosilicato en la composición seca en forma de partículas se selecciona del grupo que consiste en metacaolín y caolín. Se encontró que dichos aluminosilicatos daban mejores los resultados en la práctica. Como se usa en este documento, los aluminosilicatos son minerales compuestos de aluminio, silicio y oxígeno. Dependiendo de su origen, el contenido de aluminosilicato en Al, Si y O puede variar, así como el contenido en componentes inertes (por ejemplo, cuarzo, cristoballita, mullita, moscovita, mica, anatasa, rutilo, caolinita, albita, ortoclasa).
En una forma de realización de la presente invención, la composición seca en forma de partículas puede comprender además un material de carga seleccionado del grupo que consiste en mica, arcilla refractaria, cuarzo, arenas de cuarzo, humo de sílice, talco, andalucita, wollastonita, chatarra de vidrio, fibras o mezclas de los mismos.
También forma parte de la presente invención un procedimiento para preparar un geopolímero que comprende la etapa de mezclar la composición seca en forma de partículas de la presente invención con agua. Se encontró que dicho procedimiento permitía proporcionar más fácilmente geopolímeros terminados en el sitio, combinando las ventajas de las composiciones según la presente invención con una demanda de agua reducida en la obtención del producto terminado.
Según una forma de realización de la presente invención, la cantidad de agua es inferior al 50% en peso; por ejemplo, se encuentra en el intervalo del 10% en peso al 50% en peso; como, por ejemplo, en el intervalo del 15% en peso al 50% en peso, basado en el peso total de composición de partículas y agua. En consecuencia, se encontró que se podían obtener los mejores resultados para el producto geopolimérico final.
De acuerdo con una forma de realización de la presente invención, dicho procedimiento para preparar un geopolímero puede llevarse a cabo a una temperatura entre 0°C y 100°C, y utilizando cualquier tipo de agua, como agua destilada o agua del grifo. Se encontró que el procedimiento de acuerdo con la presente invención podría usarse en un amplio intervalo de temperatura y sin requisitos particulares para la fuente de agua en el sitio.
Según una forma de realización de la presente invención, dicho procedimiento para preparar un geopolímero puede comprender la etapa adicional de adición de agregados u otros aditivos después de la adición de agua y antes de la geopolimerización de la mezcla.
También forma parte de la presente invención un procedimiento para preparar un geopolímero de acuerdo con la presente invención, o un procedimiento para preparar un geopolímero de acuerdo con la presente invención, o ambos, así como el uso de los geopolímeros en la producción de artículos y los artículos que incorporan los geopolímeros. Se encontró que los geopolímeros obtenidos de acuerdo con la presente invención brindaban ventajas en cuanto al manejo de los materiales precursores y al procedimiento de obtención del producto real in situ, al tiempo que presentaban todas las propiedades ventajosas de los geopolímeros de última generación,
Breve descripción de las figuras
La invención se ilustrará adicionalmente con referencia a la siguiente figura:
La figura 1 es un gráfico que representa la relación entre el contenido de fase amorfa y el producto del área superficial específica (en m2/g) por el contenido de fase amorfa de las muestras utilizadas en los ejemplos 1 a 9 y los ejemplos comparativos 1 a 6.
Se entiende que la siguiente descripción y referencias a las figuras se refieren a formas de realización ejemplares de la presente invención y no limitarán el alcance de las reivindicaciones.
Descripción detallada de la invención
La presente invención según las reivindicaciones adjuntas 1-12 proporciona, según una forma de realización, composiciones precursoras útiles en la producción de materiales geopoliméricos. Las composiciones precursoras de acuerdo con la presente invención son composiciones en forma de partículas secas que se pueden usar para formar un geopolímero mediante la adición de agua. La principal ventaja de las composiciones según la presente invención radica en la eliminación del uso de soluciones alcalinas fuertemente básicas y corrosivas en la etapa de formación del geopolímero real. Además, el tiempo de obtención del geopolímero terminado in situ se reduce debido al procedimiento de una sola etapa de mezclar el precursor con agua, en el que la reacción no requiere la etapa de descomposición de los oligómeros presentes en una solución de silicato alcalino.
De acuerdo con la presente invención, se puede obtener un geopolímero combinando una mezcla precursora de geopolímero en forma de partículas secas y agua. La presente invención se basa en el principio de diferentes tasas de solubilidad de los diversos componentes del precursor de partículas secas. Las fuentes alcalinas (hidróxido de metal alcalino y silicato de metal alcalino) necesitan tener una velocidad de disolución más rápida en agua para pasar a la solución más rápidamente y proporcionar una mezcla de reacción para disolver el aluminosilicato.
Según la presente invención, las composiciones precursoras de geopolímeros son adecuadas para un procedimiento de disolución-geopolimerización que comprende las etapas de (i) disolución rápida de la fuente alcalina para proporcionar una mezcla de reacción altamente básica (pH > 12); y (ii) velocidad de reacción limitada del aluminosilicato para permitir la disolución del aluminosilicato solo después de la disolución de las fuentes alcalinas. Las sucesivas disoluciones de los diversos precursores conducen a la provisión de una mezcla de reacción en la que se produce una reacción de geopolimerización a temperaturas entre 0°C y 100°C.
La tasa de reactividad del aluminosilicato puede depender, entre otros factores, de la cantidad relativa de fase amorfa en el aluminosilicato. El contenido de la fase amorfa depende de la cantidad de especie que puede disolverse en un medio básico y que luego pueden participar en la reacción de geopolimerización. La cantidad de fase amorfa se determina mediante difracción de rayos X (procedimiento de refinamiento de Rietveld). Según una forma de realización de la invención, el contenido de fase amorfa puede ser de al menos 45% en peso, basado en el peso total de aluminosilicato en la composición. Por ejemplo, el contenido de fase amorfa del aluminosilicato puede ser al menos 50% en peso, al menos 55% en peso, al menos 60% en peso, o al menos 70% en peso, o al menos 80% en peso, o incluso al menos 90% en peso, basado en el peso total de aluminosilicato en la composición.
La tasa de reactividad del aluminosilicato también puede depender del área superficial específica del aluminosilicato. Una superficie específica más alta del aluminosilicato conduce a una velocidad de reacción más alta. Se ha descubierto sorprendentemente que el producto del área superficial específica y el contenido amorfo del aluminosilicato muestra una buena correlación con la idoneidad del aluminosilicato para proporcionar ventajas añadidas según la presente invención. De acuerdo con una forma de realización de la invención, se requiere por tanto que el producto de la superficie específica (en m2/g) y el contenido de fase amorfa se encuentre, como proporción de 1, en el intervalo de 7 a 15, como por ejemplo de 5 a 15, o de 7 a 15, o de 8 a 15, o de 10 a 15. Si el producto de la superficie específica (en m2/g) y el contenido de fase amorfa es demasiado bajo, entonces no se produce geopolimerización, porque la cantidad de fase amorfa no es suficiente. Si el producto es superior a 15, la reacción no se completa y los productos obtenidos son especies no geopoliméricas que tienen una cohesión muy baja y propiedades mecánicas insuficientes.
Los aluminosilicatos para usar en la presente invención pueden obtenerse triturando las materias primas. En el caso del caolín, la materia en forma de partículas se puede calcinar luego, por ejemplo, usando calcinación en horno o alto horno, o usando calcinación con cenizas volantes. Finalmente, los materiales en forma de partículas se someten a clasificación por tamaños, utilizando un tamiz, una malla o un clasificador de aire, por ejemplo, para descomponer o filtrar cualquier agregado que se hayan formado por encima de un cierto diámetro. Las partículas de aluminosilicato pueden estar todavía en forma de agregados o partículas, mientras que los agregados o partículas tienen un diámetro máximo de corte superior (d100).
Según una forma de realización de la presente invención, los agregados de aluminosilicato tienen un tamaño D100 de menos de 300 |jm, o menos de 200 |jm, o menos de 150 |jm como, por ejemplo, menos de 120 |jm, o menos de 100 |jm, o menos de 90 jim, o menos de 80 jim. Según otra forma de realización, los agregados de aluminosilicato son tales que al menos un 95% tienen un tamaño D100 de menos de 300 jim, o menos de 200 jim; por ejemplo, al menos 97%, al menos 98% o al menos 99%. Según otra forma de realización, los agregados de aluminosilicato son tales que al menos el 90% tienen un tamaño D100 de menos de 200 jim, o menos de 150 jim, por ejemplo, al menos 95%, al menos 97% o al menos 99%. Según otra forma de realización, los agregados de aluminosilicato son tales que al menos el 80% tienen un tamaño D100 menor que 100 jim; por ejemplo, al menos 85%, al menos 90% o al menos 95%. Como se usa en este documento, un tamaño de partícula de menos de 300 jim requiere que después de la calcinación, los agregados de aluminosilicato hayan pasado, por ejemplo, por un tamiz, una malla o un clasificador de aire con un diámetro de 300 jim, lo que conduce efectivamente a un corte superior de diámetro de partículas de 300 jim. Lo mismo se aplica a todos los demás valores de tamaño de partícula.
Según la presente invención, se puede formar un material geopolimérico tras la adición de agua a la composición seca en forma de partículas. La cantidad de agua introducida en la composición seca en forma de partículas debe ser tal que el contenido de agua de la mezcla obtenida de material en forma de partículas y agua sea inferior al 50% en peso, tal como, por ejemplo, del 10% en peso al 50% en peso. Por ejemplo, la cantidad de agua puede ser del 15% en peso al 40% en peso, o la cantidad de agua puede ser del 20% en peso al 35% en peso, como por ejemplo 25% en peso, o aproximadamente 28% en peso o aproximadamente 30% en peso o aproximadamente 32% en peso. Tales cantidades de agua proporcionan las condiciones ideales para disolver todas las especies y la reacción de geopolimerización se completa. Si no hay suficiente agua, no todas las especies (Si y Al) se disuelven porque el medio de reacción se satura y la reacción de geopolimerización permanece incompleta. Si hay demasiada agua, el pH de la mezcla de reacción disminuye y no se logra la disolución de todas las especies. Además, la baja concentración en especies de Si y Al limita la formación de enlaces entre los átomos y, por lo tanto, evita la formación de una red geopolimérica. Una vez más, la reacción de geopoimerización sigue siendo incompleta.
Según la presente invención, el aluminosilicato se selecciona del grupo que consiste en metacaolín y caolín. Todos estos aluminosilicatos tienen propiedades ventajosas. Es particularmente ventajoso para la presente invención utilizar un aluminosilicato con una baja demanda de agua. En una forma de realización, el aluminosilicato para usar en la invención es un metacaolín.
Según la presente invención, el hidróxido de metal alcalino puede ser uno de NaOH, KOH, LiOH, RbOH o CsOH, o una mezcla de los mismos. Los hidróxidos de metales alcalinos preferidos son NaOH, KOH y LiOH.
Según la presente invención, el silicato de metal alcalino para usar en la composición seca en forma de partículas puede seleccionarse del grupo que consiste en Na, K, Li, Rb, Cs y mezclas de los mismos. En particular, el silicato de metal alcalino puede ser silicato de sodio, metasilicato de sodio (vidrio soluble) y/o silicato de potasio.
Según una forma de realización de la presente invención, la composición seca en forma de partículas para formar un geopolímero comprende: (i) NaOH como hidróxido de metal alcalino, (ii) silicato de sodio como silicato de metal alcalino y (iii) metacaolín como aluminosilicato, donde al menos el 45% en peso de dicho metacaolín está en un estado amorfo, basado en el peso total de metacaolín en la composición y donde el metacaolín tiene un producto de la superficie específica en m2/g y el contenido de fase amorfa en el intervalo de 7 a 15.
Según otra forma de realización de la presente invención, la composición seca en forma de partículas para formar un geopolímero comprende (i) NaOH como hidróxido de metal alcalino, (ii) silicato de sodio como silicato de metal alcalino y (iii) metacaolín como aluminosilicato, donde al menos el 70% en peso de dicho metacaolín está en un estado amorfo, basado en el peso total de metacaolín en la composición y donde el metacaolín tiene un producto de la superficie específica en m2/g y el contenido de fase amorfa en el intervalo de 10 a 15.
Según otra forma de realización de la presente invención, la composición seca en forma de partículas para formar un geopolímero de la presente invención comprende (i) un hidróxido de metal alcalino, (ii) un silicato de metal alcalino y (iii) un compuesto que contiene aluminosilicato, en el que al menos el 45% en peso de dicho aluminosilicato está en un estado amorfo, basado en el peso total de aluminosilicato en la composición y en donde el aluminosilicato tiene un producto de la superficie específica en m2/g y el contenido de fase amorfa en el intervalo de 7 a 15, con la exclusión de un aluminosilicato que tiene un contenido de fase amorfa del 68.9%, basado en el peso total de aluminosilicato en la composición y un producto de la superficie específica en m2/g y el contenido de fase amorfa de 9.78.
Según la presente invención, la composición seca en forma de partículas puede comprender una o más cargas seleccionadas del grupo que consiste en mica, arcilla refractaria, cuarzo, arenas de cuarzo, humo de sílice, talco, andalucita, wollastonita, chatarra de vidrio, fibras o mezclas de los mismos.
De acuerdo con la presente invención, la composición seca en forma de partículas puede comprender de 1% en peso a 25% en peso de hidróxido de metal alcalino, de 15% en peso a 50% en peso de silicato de metal alcalino y de 30% en peso a 80% en peso de aluminosilicato, expresado como una proporción del peso total de la composición seca en forma de partículas. Por ejemplo, la composición seca en forma de partículas puede comprender de 2% en peso a 15% en peso de hidróxido de metal alcalino, o de 5% en peso a 10% en peso de hidróxido de metal alcalino tal como, por ejemplo, aproximadamente 6% en peso de hidróxido de metal alcalino, o aproximadamente 7% en peso de hidróxido de metal alcalino, o aproximadamente 8% en peso de hidróxido de metal alcalino, o aproximadamente 9% en peso de hidróxido de metal alcalino. Por ejemplo, la composición seca en forma de partículas también puede comprender de 20% en peso a 40% en peso de silicato de metal alcalino, tal como de 25% en peso a 35% en peso de silicato de metal alcalino, por ejemplo, aproximadamente 28% en peso silicato de metal alcalino, o aproximadamente 30% en peso de silicato de metal alcalino, o aproximadamente 32% en peso de silicato de metal alcalino. Por ejemplo, la composición seca en forma de partículas también puede comprender de 40 a 75% en peso de aluminosilicato, o de 50 a 70% en peso de aluminosilicato, o de 55 a 65% en peso de aluminosilicato, tal como por ejemplo aproximadamente 58% en peso de aluminosilicato, o aproximadamente 60% en peso de aluminosilicato, o aproximadamente 62% en peso de aluminosilicato.
De acuerdo con la presente invención, también forma parte de la invención un procedimiento para formar un geopolímero usando una de las composiciones particulares secas descritas anteriormente. El procedimiento comprende agregar agua a la composición seca en forma de partículas, en donde la cantidad de agua puede ser tal que el contenido de agua de la mezcla obtenida de material particulado y agua puede ser menor del 50% en peso, tal como del 10% en peso al 50% en peso, o de 15% en peso a 50% en peso. Tras la adición de agua, el hidróxido de metal alcalino y el silicato de metal alcalino pasan rápidamente a la solución, que es un procedimiento exotérmico, y se detecta un aumento de temperatura. Después de homogeneizar la mezcla, se deja reaccionar y después de no más de 24 horas, como por ejemplo después de 12 horas, se forma un producto geopolimérico terminado. Se pueden añadir agregados u otros materiales a la mezcla homogeneizada antes de la geopolimerización, según sea necesario.
Las composiciones en forma de partículas secas de acuerdo con la presente invención se usan en la formación de geopolímeros para su uso en la producción de diversos productos o artículos tales como, por ejemplo, morteros, hormigones, cementos, revestimientos, artículos de gestión de desechos para la inmovilización de desechos tóxicos o nucleares, materiales composite geopoliméricos de alta tecnología/reforzados con fibra, espumas geopoliméricas, por ejemplo, para aislamiento, revestimientos ignífugos, equipos de fundición, ladrillos, resinas, aglutinantes, carreteras, pavimentos o similares.
También forma parte de la presente invención un geopolímero que comprende 50% en peso o más de la composición seca en forma de partículas de la presente invención y hasta 50% en peso de agua. Por ejemplo, el geopolímero puede comprender 60% en peso o más de la composición seca en forma de partículas de la presente invención y hasta 40% en peso de agua, o el geopolímero puede comprender 70% en peso o más de la composición seca en forma de partículas. de la presente invención y hasta 30% en peso de agua, o el geopolímero puede comprender 80% en peso o más de la composición seca en forma de partículas de la presente invención y hasta 20% en peso de agua, o el geopolímero puede comprender 90% en peso o más de la composición seca en forma de partículas de la presente invención y hasta 10% en peso de agua.
Cabe señalar que la presente invención puede comprender cualquier combinación de las características y/o limitaciones a las que se hace referencia en este documento, excepto las combinaciones de dichas características que son mutuamente excluyentes. La descripción anterior está dirigida a formas de realización particulares de la presente invención con el propósito de ilustrarla. Sin embargo, resultará evidente para un experto en la técnica que son posibles muchas modificaciones y variaciones de las formas de realización descritas en el presente documento. Se pretende que todas estas modificaciones y variaciones estén dentro del alcance de la presente invención, como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Ejemplos
Ejemplos 1 a 9
Se ensayaron varios aluminosilicatos disponibles comercialmente (enumerados aquí como Ejemplos comparativos 1 a 6 y Ejemplos 1 a 9) para su uso en una composición seca en forma de partículas de acuerdo con la presente invención, formando geopolímeros que usan dichos aluminosilicatos en condiciones por lo demás constantes. Los caolines usados en los Ejemplos 1, 3, 6, 8 y ejemplo comparativo 6 se calcinaron a 750°C durante 3 horas. Después de la calcinación, los productos se tamizaron a 80 |jm. Se utilizaron metacaolines en los ejemplos comparativos 1 a 5 y los ejemplos 2, 4, 5, 7 y 9. Las propiedades de estos aluminosilicatos se listan en la Tabla I y sus orígenes se listan en la Tabla II:
TABLA I:
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TABLA II:
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La cantidad de fase amorfa en el aluminosilicato puede determinarse, por ejemplo, mediante Difracción de Rayos X cuantitativa obtenida mediante la adquisición de un difractograma de Rayos X en polvo de aluminosilicato no orientado < 40 |jm con 30% de zincita como patrón interno y modelando el difractograma por software Topas (Bruker).
Como se usa en este documento, "área de superficie" se refiere a un área de superficie BET. "Área de superficie BET", como se usa en este documento, se refiere a la técnica para calcular el área de superficie específica de moléculas de absorción física según la teoría de Brunauer, Emmett y Teller ("BET"). El área de superficie BET se puede medir con un analizador de área de superficie Gemini III 2375, utilizando nitrógeno como gas absorbente, de Micromeritics Instrument Corporation (Norcross, Georgia, EE. UU.).
Los aluminosilicatos de los ejemplos comparativos 1 y 2 tienen un contenido de fase amorfa fuera de los límites de la presente invención. Los aluminosilicatos de los ejemplos comparativos 3 a 6 tienen su producto del área superficial específica en m2/g y el contenido de fase amorfa fuera de los límites de la presente invención. Todos los aluminosilicatos según los ejemplos 1 a 9 tienen un contenido de fase amorfa y un producto del área de superficie específica en m2/g y el contenido de fase amorfa dentro de los límites de la presente invención.
Todas las muestras se usaron en un procedimiento para preparar un geopolímero, de forma análoga a como se describe en el Ejemplo 10 a continuación. Se encontró que para los Ejemplos 1 a 9, se formó un geopolímero, de acuerdo con el procedimiento de la presente invención, que consistía esencialmente en la adición de agua a una composición seca en forma de partículas de acuerdo con la presente invención, con el aluminosilicato seleccionado de acuerdo con la Tabla I. En los ejemplos comparativos 1 y 2, no se observó reacción de consolidación. En los ejemplos comparativos 3 a 6, se observó una consolidación de la mezcla; sin embargo, el producto no era un geopolímero y el material resultante tenía una cohesión reducida y propiedades mecánicas insatisfactorias (por ejemplo, resistencia a la flexión por debajo de 1 MPa). Por otro lado, el geopolímero preparado usando un aluminosilicato de acuerdo con cualquiera de los ejemplos 1 a 9 muestra propiedades mecánicas satisfactorias (por ejemplo, resistencia a la flexión por encima de 1 MPa).
Ejemplo 10
Se formó una composición seca en forma de partículas según la presente invención usando un metacaolín (correspondiente al Ejemplo 8 anterior), polvo de silicato de sodio ("Britesil C205", proporcionado por PQ Corporation) y pastillas finas de hidróxido de sodio (proporcionadas por Sigma Aid rich). El metacaolín utilizado fue proporcionado por IMERYS y tiene una composición de SiO2 (50,2%), AhO3 (39,6%), K2O (0,62%), Na2O (0,01%) y otros componentes (8.7%), con una pérdida por ignición de 0.9%. La composición en forma de partículas se mezcló manualmente y tenía una composición de metacaolín (61.6% en peso), hidróxido de sodio (7.6% en peso) y silicato de sodio (30.75%).
Se añadió agua y la mezcla se homogeneizó mediante agitación mecánica. La cantidad de agua añadida fue tal que la composición final comprendería teóricamente las siguientes proporciones: metacaolín (42.57% en peso), hidróxido de sodio (5.28% en peso), silicato de sodio (21.25%) y agua (30.90% en peso). Tras la homogeneización, la mezcla se calentó desde la temperatura ambiente hasta aproximadamente 55°C, debido a la disolución exotérmica de hidróxido de sodio y silicato de sodio en agua. A continuación, la mezcla de reacción se colocó en un tubo herméticamente cerrado durante 24 horas. Después de retirar la reacción del tubo, el producto se había endurecido. El producto obtenido se trituró y tanto el producto triturado como el metacaolín de partida se analizaron por difracción de rayos X.
El difractograma del metacaolín de partida mostró un pico ancho no simétrico característico de una fase amorfa entre 20 y 35° (20), con un máximo en aproximadamente 25°. En la composición del producto, este pico se desplazó de 25 a 40°, con un máximo de aproximadamente 35°. Esto muestra que se formó una especie geopolimérica en el procedimiento de acuerdo con esta invención.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Composición seca en forma de partículas para formar un geopolímero, que comprende:
(i) un hidróxido de metal alcalino,
(ii) un silicato de metal alcalino, y
(iii) un aluminosilicato,
donde al menos el 45% en peso del aluminosilicato está en un estado amorfo, basado en el peso total de aluminosilicato en la composición, y el aluminosilicato tiene un producto de la superficie BET en m2/g y el contenido de fase amorfa como una proporción de 1 en el intervalo de 7 a 15, y donde dicho aluminosilicato se selecciona del grupo que consiste en metacaolín y caolín,
en donde la composición comprende de 1% en peso a 25% en peso de hidróxido de metal alcalino, de 15% en peso a 50% en peso de silicato de metal alcalino y de 30% en peso a 80% en peso de aluminosilicato, expresada como una proporción del peso total de la composición seca en forma de partículas.
2. Composición seca en forma de partículas según la reivindicación 1, en la que al menos el 50% en peso del aluminosilicato está en estado amorfo.
3. Composición seca en forma de partículas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicho hidróxido de metal alcalino se selecciona del grupo que consiste en NaOH, KOH, LiOH, RbOH, CsOH y mezclas de los mismos.
4. Composición seca en forma de partículas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el metal alcalino de dicho silicato de metal alcalino se selecciona del grupo que consiste en Na, K, Li, Rb, Cs y mezclas de los mismos.
5. Composición seca en forma de partículas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos el 50% en peso de dicho aluminosilicato está en estado amorfo, basado en el peso total de aluminosilicato en la composición.
6. Composición seca en forma de partículas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos el 70% en peso de dicho aluminosilicato está en estado amorfo, basado en el peso total de aluminosilicato en la composición y dicho aluminosilicato tiene un producto del área superficial BET en m2/g y el contenido de fase amorfa como una proporción de 1 en el intervalo de 10 a 15.
7. Composición seca en forma de partículas según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el aluminosilicato tiene un producto del área superficial BET en m2/g y el contenido de fase amorfa como una proporción de 1 en el intervalo de 8 a 15, o de 10 a 15.
8. Procedimiento de preparación de un geopolímero que comprende la etapa de mezclar una composición seca en forma de partículas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores con agua.
9. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que la cantidad de agua es 50% en peso o menos, o en el intervalo de 10% en peso a 50% en peso, basado en el peso total de la composición de partículas y agua.
10. Procedimiento según la reivindicación 8 o 9, que comprende además la etapa de añadir materiales agregados después de la adición de agua y antes de la geopolimerización de la mezcla.
11. Uso de la composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, o el procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en la fabricación de productos o artículos seleccionados entre morteros, hormigones, cementos, revestimientos, artículos de gestión de residuos para uso tóxico o inmovilización de desechos nucleares, materiales composite geopoliméricos de alta tecnología/reforzados con fibra, espumas geopoliméricas, por ejemplo, para aislamiento, revestimientos ignífugos, equipos de fundición, ladrillos, resinas, aglutinantes, carreteras o pavimentos.
12. Uso de un aluminosilicato para preparar una composición seca en forma de partículas para formar un geopolímero, en el que al menos el 45% en peso del aluminosilicato está en un estado amorfo, basado en el peso total de aluminosilicato en la composición y el aluminosilicato tiene un producto del área superficial BET en m2/g y el contenido de fase amorfa como una proporción de 1 en el intervalo de 7 a 15, y en donde dicho aluminosilicato se selecciona del grupo que consiste en metacaolín y caolín.
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