Tworzywo geopolimerowe oraz sposób wytwarzania tworzywa geopolimerowego

Istota wynalazku

Surowcem zastosowanym do otrzymywania geopolimerów jest tuf wulkaniczny, skała pochodzenia wulkanicznego, występująca w okolicach Filipowic, zwany tufem filipowickim. Składniki występujące w tufie umożliwiają wytwarzanie z niego spoiw geopolimerowych. Korzystne parametry fizyko-mechaniczne tufu powodowały, że był on dawniej chętnie stosowany w budownictwie jako kamień budowlany łatwy w obróbce, o dobrych właściwościach termoizolacyjnych. Obecnie złoża tufu filipowickiego - mimo znacznych zasobów geologicznych - nie są eksploatowane ze względu na brak zapotrzebowania w gospodarce na ten materiał. Otrzymywanie geopolimerów z materiału takiego jak metakaolin czy popiół lotny jest szeroko opisywane w literaturze światowej. Brak doniesień literaturowych o zastosowaniu tufów porfirowych do wytwarzania geopolimerów.

Geopolimery są materiałami glinokrzemianowymi, które powstają poprzez reakcję proszku glinokrzemianu w alkalicznym roztworze, w temperaturze poniżej 100oC (możliwe jest także otrzymywanie geopolimerów w temperaturze otoczenia). Nie powstają one w wyniku procesów geologicznych, lecz są otrzymywane sztucznie. Ich struktura jest bardzo zbliżona do naturalnych kamieni występujących w przyrodzie, dlatego geopolimery nazywane są często „sztucznymi kamieniami”. Zaliczane są do polimerów nieorganicznych. Składają się one z długich łańcuchów – kopolimerów tlenków krzemu i glinu i stabilizujących je kationów metali, najczęściej sodu, potasu oraz związanej wody. Wiązanie zachodzi w mocno alkalicznych roztworach wodnych, w których reaktywne glinokrzemiany ulegają roztworzeniu, a następnie w procesie polikondensacji tetraedry [SiO4]4-, [AlO4]5- łączą się ze sobą narożami, tworząc amorficzne lub subkrystaliczne przestrzenne struktury glinokrzemianowe.

Struktura geopolimerów na bazie tufu wulkanicznego jest zbliżona do budowy klatkowej podobnej jak w przypadku zeolitów, główna różnica polega na braku uporządkowania dalekiego zasięgu. Tego typu struktura decyduje o wyjątkowych właściwościach tego materiału.

Spoiwa geopolimerowe na bazie tufu filipowickiego charakteryzują się wysoką wytrzymałością na ściskanie rzędu 40-50 MPa oraz żaroodpornością do temperatur rzędu 1000oC. Po ekspozycji w temperaturze 900oC wytrzymałość na ściskanie wytworzonych spoiw wynosi ok. 50 MPa.

Jako możliwości zastosowania wymienić możemy następujące materiały wytworzone na bazie niniejszego wynalazku:
• Okładziny budynków
• Materiały izolacyjne
• Pokrycia antykorozyjne
• Materiały ognioodporne
• Kompozyty do zaawansowanych zastosowań
• Formy odlewnicze
• Szeroko pojęta galanteria budowlana
Oprócz typowych elementów budowlanych możliwe jest wytwarzanie powłok geopolimerowych na powierzchniach takich materiałów jak beton, stal, ceramika, drewno. Powłoki te charakteryzują się bardzo dobrą adhezją do podłoża, wysoką odpornością na działanie temperatur, bardzo dobrą odpornością na ścieranie, doskonałą odpornością na warunki atmosferyczne. Powłoki geopolimerowe na bazie tufu wulkanicznego mogą być stosowane w produkcji rur stalowych lub żeliwnych do przesyłu wody lub ścieków. Powłoka geopolimerowa naniesiona na ścianę w pomieszczeniu mieszkalnym (bez procesu wygrzewania) to kilkumilimetrowa warstwa syntetycznego kamienia, której struktura może być zaprojektowana tak, by regulowała wilgotność w pomieszczeniu i wiązała nieprzyjemne zapachy.

Korzyści

Zastosowanie wynalazku pozwoli na zagospodarowanie pokładów tufu wulkanicznego oraz wytwarzaniem wyrobów geopolimerowych, których właściwości przewyższają stosowane na dużą skalę i popularne wyroby budowlane. Geopolimery na bazie tufu wulkanicznego mają bardzo wiele zalet wśród, których wymienić należy:
• wysoka wytrzymałość mechaniczna
• szybszy początek wiązania
• podwyższona kwasoodporność i odporność na chlorki i siarczany
• bardzo wysoka odporność termiczna
• bardzo wysoka mrozoodporność
• bardzo wysoka odporność na ścieranie
• brak korozji stali w kontakcie z geopolimerem
• dostępność surowców
• koszt porównywalne z kosztami produkcji betonów tradycyjnych.
Bardzo istotną zaletą geopolimerów jest ich niska szkodliwość dla środowiska. Szacuje się, że synteza geopolimerów jest dwukrotnie mniej energochłonnym procesem niż produkcja cementu portlandzkiego oraz powoduje wydzielanie 4–8 razy mniej dwutlenku węgla. Może ona istotnie zmniejszyć obciążenia środowiska.

Potencjał komercjalizacji

Przedstawiony wynalazek posiada bardzo duży potencjał komercjalizacyjny. Surowiec, jakim jest tuf wulkaniczny, jest dostępny na określonym terenie, a jego złoża są duże. Jego wykorzystanie może przynieść znaczące korzyści ekonomiczne regionowi i jego mieszkańcom. Proces wytwarzania geopolimerów jest procesem o małym stopniu skomplikowania. W większości etapów procesu produkcyjnego możliwe jest wykorzystanie urządzeń stosowanych w produkcji popularnych betonów na bazie cementu portlandzkiego. Wstępne próby technologiczne potwierdziły możliwość wytwarzania tego rodzaju produktów w funkcjonujących na rynku zakładach. Wynalazek posiada duży potencjał komercjalizacyjny również ze względu na możliwości jego zastosowania. Proponowana innowacyjna metoda może zostać skomercjalizowana kilkoma drogami: poprzez umowę odpłatnego przenoszenia (sprzedaży) praw własności intelektualnej, udzielenie licencji, jak również drogami pośrednimi - poprzez różnego rodzaju spółki, w tym celowe, spin-off/out.