Геополимери на основата на метакаолин

В края на 70 години от миналия век френския учен Джоузев Давидович прави научен пробив, като получава материал от втвърдяване на смес от метакаолин и водоразтворимо (водно) стъкло. С това е дадено началото на един нов клас материали, популярни под името „геополимери“. Те са неорганични (минерални), за разлика от добре познатите органични полимери (пластмаси). Съставът и структурата им в значителна степен наподобяват някои скални породи (например зеолит) или керамика.

Синтезът на геополимери може да се осъществи при стайна или повишена температура (до +80⁰С). Изходните суровини са алумосиликатен материал в прахообразно състояние и втвърдяващ разтвор, т. нар. „активатор“. Няма да е пресилено, ако се каже, че в момента това е една от най-експлоатираните теми в материалознанието, като през последното десетилетие броят на изследванията в областта нараства експоненциално. Засиленият интерес към геополимерите е продиктуван от съвременните екологични тенденции за намаляване на въглеродните емисии и възможността за употреба на отпадни продукти от различни производства, като суровини за производство. Потенциални изходни продукти могат да бъдат глини, вулканична пепел и туфи, зеолити, естествени пуцолани, различни индустриални отпадъчни материали – пепели от ТЕЦ, сгурия, доменна шлака, пепел от биомаса или битови отпадъци, шлаки при производството на цветни метали и други. Метакаолинът в най-голяма степен се доближава до изискванията за идеалната суровина за геополимери, тъй като съчетава в състава си едновременно силициев и алуминиев оксид (2SiO₂.Al₂O₃). Първият (SiO₂) е необходим за осигуряване на механична якост, водоустойчивост и дълготрайност на материала, докато вторият влияе благоприятно върху интензивността на втвърдяване, топлинната устойчивост и съсъхването на геополимерите. Пилотните изследвания, които бяха проведени във водещи национални научно-изследователски организации показаха, че метакаолинът, произвеждан и предлаган на пазара от „Каолин“ ЕАД е изключително подходящ за получаване на геополимери. Той се характеризира с висока активност, финост и химична чистота. Нещо повече, той може да се използва като модификатор в случаите, когато изброените по-горе суровини не проявяват достатъчна активност. Добавянето на неголямо количество метакаолин, позволява да се ускори процесът на втвърдяване и в крайна сметка да се получи геополимер с висока якост и дълготрайност.

В много отношения, свойствата на геополимерите са сходни с тези на циментовите материали и керамиката. Те комбинират отлично висока химична и температурна устойчивост (много по-добри в сравнение с обикновените бетони), механични свойства, сцепление, възможност за употребата на отпадни продукти. Липсата на високотемпературно изпичане, характерно за керамиката, прави геополимерите особено привлекателни по отношение на разхода на енергия за получаването им. Видно е, че са налице сериозни предпоставки за налагането им като строителен материал и в определени специфични области на приложение – в химическата промишленост, в зони с високи температури и др. На този етап, липсата на норми за проектиране и стандарти за изпитване на геополимери забавя по-широкото им внедряване. Въпреки това, в редица развити държави – Франция, Австралия и САЩ, вече се предлагат комерсиални геополимерни продукти. Някои от по-важните потенциални области на приложение на геополимерите са:
– получаване на композитни материали за строителството (шпакловки, бетони, разтвори) – геополимерната паста може да се използва за свързващо вещество (матрица), подобно на циментовата и така да се получат алтернативни на циментовите разтвори и бетони;
– огнеустойчиви и огнеупорни материали, тъй като притежават висока устойчивост на температури до над 1200 ⁰С;
– ниско енергийни керамични изделия – имат структура сходна с керамичната, но без нужда от изпичане;
– пътни настилки – геополимерен бетон или предварително изготвени изделия (плочи/павета);
– топлоизолационни материали – чрез използване на пено- и газообразуватели може да се получат материали с клетъчна структура, подобна на газобетон, с отлични топлоизолационни свойства;
– адхезиви, покрития – високата адхезия на геополимерите дава възможност за употреба като различни адхезиви, покрития и бои;
– високо технологични (фибро)композити, намиращи приложение в самолетостроене, автомобилостроене, аеронавтика и др., благодарение на висока топлоустойчивост и якост;
– радиоактивна и токсична имобилизация – изследванията показват, че опасните тежки и радиоактивни елементи биват блокирани (заключени) в структурата на геополимера, като така те стават значително по-безопасни;
– декорация, изкуство – за приготвяне на детайли и елементи, части от интериор или екстериор на сгради;
– медицина – за изготвянето на импланти, изкуствени стави, кости и пломби, които организма да не „отхвърля“, както и адсорбенти за лекарства с дълготрайно освобождаване в организма.

Автор: доц. Иван Ростовски, УАСГ.

Прочетете още за влиянието на метакаолина върху свойствата на втвърдения бетон.

За повече информация – Каолин ЕАД.