CZ201311A3

CZ201311A3 - Rentgeno-amorfní hořečnatý strukturní analog geopolymerů vyrobený z dehydroxylovaných a delaminovaných hořečnato-křemičitých fylosilikátů a jeho použití

Info

Publication number: CZ201311A3
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: CZ304496B6

Abstract

Vynález 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 hořečnatý 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 geopolymery jsou považovány anorganické polymemí materiály, které jsou připravovány z hlinitokřemičitanových materiálů jejich aktivací 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, pyrofylit 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 hořečnatokřemičitého materiálu však bránila skutečnost, že dosud nebylo možné připravit delaminovanou adehydroxylovanou hořečnatou fázi mastku (CZ PV2012-839) a také vznik-*— sraženin Mg(OH)2 v silně alkalickém prostředí během polykondenzace, to znamená vytvoření difuzní 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, 2009.1SBN 798-80-87269-06-0.

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

-2 — [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.

obrázku ha vykrQsacb

Přehled tevobr-azení'

Obr.l: Idealizovaná struktura geopolymeru (Gluchovsky [b]).

Obr.2: EDX analýza produktu polykondenzace (spekt. 1) a částic meta-mastku (spekt. 2).

Obr.3: XRD analýza produktu polykondenzace (a) a TG-DTA meta-mastku a produktu (b).

Obr.4: Rozpustnost S1O2 křemičitého fylosilikátu v závislosti na pH.

Podstata vynálezu

Výše uvedený problém přípravy aktivovaného hořečnato-křemičitého materiálu řeší způsob výroby rentgeno-amorfního hořečnatého strukturního analogu geopolymerů 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 rentgenoamorfní struktury je podle výhodného provedení delaminovaná a dehydroxylovaná fáze mastku (CZ PV 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.

X.

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

Rozpuštěním a polykondenzací delaminované a nehydroxylované fáze mastku v silně alkalickém prostředí vodního skla nebo hydroxidů alkalických kovů vznikají vazby typu (=SiO-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 hořečnatých oktaedrů s tetraedry (SÍO4)⁴·, kterou dokazuje zastoupení Mg Éf v produktu polykondenzace (®br. 2, spektrum 1).

V průběhu procesu nevzniká žádná krystalická fáze a produkt tak zůstává amorfní (0br. 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 geopolymerů jsou přítomny pouze tetraedry [SÍO4] ' a [AIO4] ' tvořící vazby (^Si-O-Al-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 (AIO4)⁵· jednotek a zvýšené teploty přípravy neumožňují klasifikovat tento materiál jako geopolymer (definice dle J.Davídovits [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 hořečnatokřemičitých fylosilikátů.

Alkalicky aktivovaný hořečnato-křemičitý materiál podle vynálezu je využitelný především ve specifických aplikacích, kde je kladen velký důraz na odolnostní charakteristiky použitého materiálu, 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.

ř*roi'É.>cú? η.’’

Příklady uskutečnění·'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 polykondenzační reakce. Zvýšená rychlost odpařování vody za vyšší teploty také posouvá rovnováhu polykondenzační reakce ve směru reakčních produktů, tj. stavebních jednotek typu (sSi-O-Mg-O-).

Příklad 2:

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

Příklad 3:

Delaminovaná a dehydroxylovaná fáze mastku a draselné, sodné či směsné vodní sklo vodní sklo o pH 10 se smísí a promíchá 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 hořečnato-křemičitého materiálu, který je využitelný především ve specifických aplikacích, kde bude na použité materiály kladen velký důraz na odolnostní 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

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby rentgeno-amorfního hořečnatého strukturního analogu geopolymerů^ vyznačující se tím, že se delaminovaný a dehydroxylovaný hořečnato-křemičitý íylosilikát 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 rentgenoamorfní 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 hořečnato-křemičitého 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 (SÍO4)⁴.
2. Způsob výroby podle nároku 1, vyznačující se tím, že pH alkalického činidla je 12.
3. Způsob výroby podle nároku 1 až 2, vyznačující se tím, že delaminovaným a dehydroxylovaným hořečnato-křemičitým fylosilikátem rentgeno-amorfní struktury je delaminovaná a dehydroxylovaná fáze mastku.

<9
4. Způsob výroby podle nároku 1 až 3, 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 1 až 4, vyznačující se tím, že obsahuje pouze stavební jednotky typu =Si-O-Mg-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.