Fakulta textilní Akademický rok: 2013/2014
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE
(PROJEKTU, UMĚLECK0HO DÍLA, UMĚLECKÉHO VÝKONU)
Jméno a příjmení: Bc. Romana Špačková
Osobní číslo: T12000481
Studijní program: N3957 Průmyslové inženýrství Studijní obor: Produktové inženýrství
Název tématu: Možnosti využití odpadních a recyklovaných vláken v geopolymerních kompozitních systémech
Zadávající katedra: Katedra hodnocení textilií
Zásady pro vypracování:
1. Seznamte se s vlastnostmi geopolymerních materiálů a možnostmi jejich využití.
2. Seznamte se s možnostmi opětovného využití odpadních a recyklovaných vláken.
3. Navrhněte experiment pro ověření vlivu výztuže z odpadních a recyklovaných vláken na vybrané vlastnosti geopolymerních kompozitních systémů.
4. Připravte vzorky geopolymerních kompozitních systémů a proveďte experimenty.
5. Výsledky experimentů diskutujte a zformulujte závěry.
Rozsah pracovní zprávy: 50-60 stran
Forma zpracování diplomové práce: tištěná/ elektronická Seznam literatury:
[1] DAVIDOVITS, J. 30 Years of Successes and Failures in Geopolymer Applications.
Market Trends and Potential Breakthroughs. Geopolymer 2002 Conference, October 28-29 2002, Melbourne, Australia
[2] DAVIDOVITS, J. DAVIDOVITS, M. Conposite Materials with Geopolymer Matrix.
Geopolymer ´88, Vol. 2, pp. 325-337.
[3] DAVIDOVITS, J. Geopolymer of Chemistry and Properties. Geopolymer ´88, Vol. 1, pp. 25-48
[4] DAVIDOVITS, J. Geopolymer of geopolymeric systems, terminology.
Géopolymére´99 Proceedings, pp. 9-40
[5] PRUD´HOMME, E. Defining existence domains in geopolymers through their physicochemical properties. Applied Clay Science. Elsevier 2013
[6] PROVIS, J. L., STEPHANUS, J. DEVENTER, J. Structure, Procesing, Properties and Industrial Applications. Woodhead Publ. Limited, 2009
[7] NGUYEN THANG XIEM: Potenciální využití geopolymerních materiálů v oblasti zpracování odpadů. Disertační práce. TU v Liberci. Liberec 2011
[8] BAREŠ, R. Kompozitní materiály. SNTL, Praha, 1988.
Vedoucí diplomové práce: doc. Ing. Dora Kroisová, Ph.D.
Konzultant diplomové práce: Ing. Vladimír Kovačič Ostatní konzultanti: Ing. Totka Bakalová, Ph.D.
Datum zadání diplomové práce: 1. Října 2013 Termín odevzdání diplomové práce: 19. Května 2014
LS
Ing. Jana Drašarová, Ph.D. doc. Ing. Vladimír Bajzík, Ph.D.
děkanka vedoucí katedry
V Liberci dne 3. února 2014
Byla jsem seznámena s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědoma povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracovala samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
FAKULTA TEXTILNÍ: KATEDRA HODNOCENÍ MATERIÁLŮ Studijní program: N3957 Průmyslové inženýrství
Obor: Produktové inženýrství
Zaměření: Strojní
Diplomant: Bc. Romana Špačková
Vedoucí práce: doc. Ing. Dora Kroisová, Ph.D.
Konzultant: Ing. Vladimír Kovačič
Téma: Možnosti využití odpadních a recyklovaných vláken v geopolymerních kompozitních systémech.
Possibility of waste and recycled fibres utilization in geopolymer composite systems.
ANOTACE:
Tato diplomová práce se zabývá studiem možnosti využití odpadních a recyklovaných vláken v geopolymerních kompozitních systémech. Pro hodnocení vlivů vlákenné výztuže byly použity tři typy vláken a to odpadní vlákna čedičová, skelná a recyklovaná uhlíková vlákna. Na základě provedených měření – zkouška tlakem - byl zjištěn vliv typu vláken a množství přidaných vláken na vlastnosti hodnocených kompozitních systémů.
ABSTRACT:
This thesis studies the possibility of using waste and recycled fiber geopolymer composite systems. For evaluation of the effects of fiber reinforcement have been used three types of fibers - waste basalt and glass fiber and recycled carbon fiber. On the basis of the measurements - pressure test – the influence the type of fibers and the amount of added fibers on the properties of evaluated composite systems was found.
KLÍČOVÁ SLOVA KEY WORDS
Geopolymer Geopolymer
Geopolymerní kompozit Geopolymer composite
Odpad Waste
Čedičová vlákna Basalt fibers
Skelná vlákna Glass fibers
Uhlíková vlákna Carbon fibers
Zkouška tlakem Pressure test
Poděkování:
Srdečně děkuji doc. Ing. Doře Kroisové, Ph.D. za veškerou její pomoc, podporu, ochotu a trpělivost při tvorbě této práce. Mé poděkování patří také Ing. Vladimíru Kovačičovi za cenné pokyny a čas, který mi věnoval při práci v laboratořích. A ráda bych poděkovala i Ing. Pavlu Kejzlarovi a Milanu Vyvlečkovi za pomoc při realizaci mechanických zkoušek.
H2O ang. water Voda
Al2O3 ang. aluminium oxide Oxid hlinitý (korund) KOH ang. potassium hydroxide Hydroxid draselnatý
NaOH ang. sodium hydroxide Hydroxid sodný
Fe2O3 ang. iron oxide Oxid železitý
TiO2 ang. titanium dioxide Oxid titaničitý
K2O ang. potasium oxide Oxid draselný
Na2O ang. sodium oxide Oxid sodný
CaO ang. kalcium oxide Oxid vápenatý
MgO ang. magnesium oxide Oxid hořečnatý
SiO2 ang. silicium oxide Oxid křemičitý
PS ang. solysialate Polysialát
PSS ang. poly (sialate-siloxo) Poly (siloxo-sialát)
SEM ang. scanning electron microscopy Rastrovací elektronová mikroskopie EDX ang.energy-dispersive X-ray
spectroscopy
Energicko-disperzní X-ray spektroskopie
h [mm] ang. high Výška
m [g] ang. weight Hmotnost
d [mm] ang. diameter Průměr
S [mm2] ang.area Obsah
F [N] ang.compressive strength Tlaková síla
Rmt [MPa] ang. ultimate tensile pressure Mez pevnosti v tlaku E [GPa] ang. modulus of elasticity in
compression Modul pružnosti v tlaku
n ang.number of samples Počet vzorků
xi ang.sample value Hodnota vzorku
x ang.average Průměrná hodnota
s2 ang.scattering samples Rozptyl vzorků
s ang.směrodatná odchylka Směrodatná odchylka v ang.coefficient of variation Variační koeficient
OBSAH
1. ÚVOD ... 10
2. TEORETICKÁ ČÁST ... 11
2.1.Geopolymer ... 11
2.2.Vytvrzování geopolymeru, geopolymerizace ... 14
2.3.Struktura geopolymeru ... 16
2.4.Kompozity s geopolymerní matricí ... 18
2.5.Vyztužující vlákna ... 21
2.5.1. Čedičová vlákna ... 21
2.5.2. Skelná vlákna ... 22
2.5.3. Uhlíková vlákna... 23
2.6.Recyklovaná a odpadní vlákna ... 24
2.6.1. Odpadní čedičová vlákna ... 25
2.6.2. Odpadní skelná vlákna ... 26
2.6.3. Recyklovaná uhlíková vlákna ... 26
2.7.Aplikace geopolymeru v průmyslu ... 27
3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ... 31
3.1.Volba složení vzorků ... 31
3.2.Odpadní recyklovaná vlákna ... 32
3.2.1. Čedičová odpadní vlákna ... 32
3.2.2. Skelná odpadní vlákna ... 36
3.2.3. Uhlíková recyklovaná vlákna ... 40
3.3.Forma na vzorky ... 44
3.4.Technologie výroby vzorků ... 45
3.4.1. Postup přípravy čistého geopolymeru... 45
3.4.2. Postup přípravy geopolymerního kompozitu ... 46
3.4.3. Formování geopolymerního kompozitu ... 47
3.4.4. Vytvrzování geopolymerního kompozitu ... 47
3.5.Tlaková zkouška ... 48
3.5.1. Výpočet meze napětí a modulu pružnosti v tlaku ... 49
3.6.Pozorování lomových ploch ... 49
3.7.Výsledky... 50
3.7.1. Užité vzorce pro statistické výpočty ... 50
3.7.2. Výsledky tlakové zkoušky ... 50
3.7.3. Analýza rozptylu ... 58
3.7.4. Výsledky zhodnocení lomových ploch geopolymerních systémů ... 64
4. DISKUSE A SHRNUTÍ VÝSLEDKŮ ... 71
5. ZÁVĚR ... 76
6. SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK ... 80
6.1.Obrázky ... 80
6.2.Tabulky ... 82
6.3.Grafy ... 84
7. POUŽITÁ LITERATURA ... 86
8. PŘÍLOHY ... 88
1. Úvod
Po katastrofických požárech ve Francii mezi roky 1970 až 1973 se objevila možnost využívat nové, tepelně odolné a zejména nehořlavé materiály, které vykazovaly určité vlastnosti podobající se vlastnostem polymerů (dobrá pevnost, relativně nízká hustota a malá cena). Tyto materiály jsou od doby svého představení odborné i laické veřejnosti označovány jako geopolymery. Dosud jsou považovány za relativně nové materiály, které jsou v mnoha oblastech dosud neprozkoumány a které se díky svým vlastnostem nabízejí jako potenciálně využitelné v oblasti přípravy kompozitních systémů [1, 6].
Název geopolymer – minerální pojivo podobné polymerům – byl poprvé použit Josephem Davidovitsem v roce 1978 a vycházel z analogií zkoumaných při syntézách fenolických plastů a zeolitů. Materiály podobné těm, které byly vyvinuty Davidovitsem byly vyvíjeny v Sovětském svazu od roku 1950 pod názvem gruntocementy [1, 3].
Pro výrobu geopolymerů (geopolymerních materiálů) jsou charakteristické vytvrzovací (síťovací) procesy probíhající při normálních laboratorních teplotách nebo při mírně zvýšených teplotách ne však vyšších než 150°C, při normálním atmosférickém tlaku a za přítomnosti alkálií. Procesy síťování v případě geopolymerních materiálů jsou připodobňovány k polykondenzaci, která je popsána u organických polymerů [1, 2].
Geopolymerní materiály jsou často hodnoceny jako materiály nové generace a jsou užívány buď jako čisté nebo jako matrice kompozitů. Jejich největším kladem je, že kompaktní materiál z nich vytvořený vzniká při nízké teplotě, ne jako v případě keramických materiálů, kterým jsou podobné svým složením. Geopolymerní materiály nachází řadu využití v různých oblastech průmyslu a jejich význam stále stoupá. Čistý materiál se využívá k zapouzdření jedovatých chemikálií, radioaktivního a toxického odpadu. Přidává se jako pojivo do speciálních betonů nebo forem k odlévání termoplastů.
Geopolymery se také používají jako matrice kompozitu k výrobě forem a nástrojů ve zpracovatelském průmyslu hliníku. Další aplikace by bylo možné nalézt v průmyslu neželezných kovů a slévárenství, automobilovém průmyslu, leteckém průmyslu, ve stavebnictví, nakládání s odpady, ale i v umění a dekoracích atd. [1, 8]. Kladnými vlastnostmi geopolymerů jsou nízká cena, snadná zpracovatelnost a nízká teplota při vytvrzování, zdravotní nezávadnost a vysoká teplotní odolnost. Zápornými vlastnosti geopolymerů, které jsou dané jejich podobností s keramickými materiály, je značná křehkost a častý vznik mikroskopických trhlin při vlastním procesu vytvrzování.
Tab. 1. Základní obecné vlastnosti geopolymerů [2].
Hustota [kg/m3] 1500
Modul pružnosti [GPa] 14
Mez pevnosti v tlaku [MPa] 20 až 100
Teplotní odolnost [°C] 1000
Cena [Kč/kg] 20
Téma diplomové práce je možnost využití odpadních a recyklovaných vláken v geopolymerních kompozitních systémech. Toto téma vychází z potřeby eliminovat vliv trhlin, které vznikají při procesu vytvrzování a je velmi komplikované je zcela odstranit.
Vzhledem k tomu, že geopolymerní materiály jsou velmi levné, je žádoucí použít vyztužující prvky – plniva, která budou taktéž levná a nezvýší zásadním způsobem cenu původního materiálu.
Cílem práce je zjistit vliv tří odlišných typů vyztužujících vláken, která jsou zároveň odpadním nebo recyklovaným materiálem, na možnosti eliminace vlivu mikroskopických trhlin vznikajících při výrobě vzorků – tedy při síťování geopolymeru. Vliv vyztužujících vláken je hodnocen na základě výsledků ze zkoušky v tlaku, která je standardně používanou metodou v hodnocení geopolymerních materiálů. Charakteristika struktury je dále studována při využití rastrovací elektronové mikroskopie, která umožňuje pohled do vnitřní struktury geopolymerního kompozitního systému a poskytuje představu o vlivu vyztužujících vláken, jejich typu a množství.
2. Teoretická část
2.1. Geopolymer
Název "geopolymer" byl navržen tvůrci materiálu, který je založený na hlinitokřemičitanech jako např. polysialát (ang. polysialate) [1].
Geopolymer je výraz pro všechny anorganické polymerní materiály, které jsou připravovány z hlinitokřemičitanových materiálů jejich geopolymerací v zásaditém prostředí za normální teploty a tlaku. Při geopolymerizaci vznikají polymerní vazby Si-O-Al-O. Sialáty se skládají z tetraedrů SiO4 a AlO4 se střídavě spojenými atomy kyslíku, dohromady tvořící tzv. síť (odtud označení procesu vzniku kompaktního materiálu jako
síťování). Síť musí obsahovat ionty s kladnými náboji, jako jsou Na+, K+, Li+, Ca2+, Ba2+, NH4+, H3O+, aby vyrovnávaly náboj iontů hliníku Al3+ v tetraedrické koordinaci [1, 2].
Polysialáty mají daný empirický vzorec:
M
n(- (SiO
2)
z- AlO
2)
n, wH
2O
"M" stanoví jednomocný kation, draslík nebo sodík,
"z" je přirozené číslo (1, 2, 3, atd.),
"n" představuje stupeň polymerizace [1, 2].
Rozlišujeme tři základní druhy polysialátů:
• Poly(sialát): Mn – (– Si–O–Al–O–)n M-PS Si:Al=1:1
• Poly(siloxo-sialát) Mn – (–Si–O–Al–O–Si–O–)n M-PSS Si:Al=2:1
• Poly(disiloxo-sialát) Mn – (–Si–O–Al–O–Si–O–Si–O–)n M-PSDS Si:Al=3:1
• Poly(multisiloxo-sialát) (–Si–O–Al–O–) Si:Al>>3:1 - polymerní struktura vyplývá z propojení poly(silikátové) struktury řetězci nebo sítí - 2D (k výrobě betonů nízké kvality vyztužené především částicemi) nebo 3D (pevné a teplotně odolné matrice vyztužované nejen částicemi, ale i vlákny) [10].
Obr. 1. Příklady polysialátů a schéma jejich molekulární struktury [6, 11, 12, 13, 14].
Polysialáty jsou řetězovými polymery, ve kterých jsou atomy hliníku Al3+ a křemíku Si4+
v tetraedrickém uspořádání s atomy kyslíku. Jejich struktura se mění z amorfní do částečně krystalické. Mohou také vytvářet vazby mezi polymerním řetězcem, to se označuje jako
síťující prvek. Zesíťování může proběhnout tehdy, když je poměr atomů křemíku a hliníku v síti geopolymeru větší než 2 [2, 4].
Obr. 2. Zesíťované řetězce geopolymeru [4].
2.2. Vytvrzování geopolymeru, geopolymerace
Geopolymerní materiály podléhají procesu, který je analogický polykondenzaci, známé u polymerních materiálů. Vytvrzování trvá několik hodin při teplotě 30°C, několik minut při teplotě 85°C a několik vteřin při použití mikrovln. Jedná se o materiály vyrobené za podobných podmínek jako plasty, ale s vlastnostmi podobnými keramickým materiálům [1, 2].
Jeden z hlavních mechanismů vzniku geopolymerů, je chemická reakce oxidů hlinitokřemičitanů (obsahující ionty hliníku v tetraedrické koordinaci Al3+) s alkálií a alkalickými polykřemičitany. Způsobují to vazby v síti typu Si-O-Al.
Ke zdůraznění tetraedrického uspořádání iontů hliníku se užívá zápis (Si2O5, Al2O2)n
u specifických oxidů hlinitokřemičitanů, které jsou prekurzorem k procesu polymerace příslušných geopolymerů [1, 2].
Obr. 3. Zobrazení molekulární struktury hlinitokřemičitanů užívaných jako prekurzor v procesu geopolymerizace [2].
Výroba prekurzoru (Si2O5, Al2O2)n se provádí podle následujícího schématu:
(a) vápnění hlinitokřemičitanových hydroxidů (Si2O5,Al2(OH)4) 2(Si2O5,Al2(OH)4) → 2(Si2O5,Al2O2)n+ 4H2O
(b) kondenzací par SiO a Al2O:
4SiO(plyn) + 2Al2O(plyn) + 4O2 → (Si2O5,Al2O2)n Současně při reakci vzniká:
2SiO + O2 → 2SiO2 (zkondenzované páry silikátu) Al2O + O2 → Al2O3 (korund) [1, 2].
Geopolymerace je proces exotermní a probíhá podle určitého vzoru. Ten lze považovat za výsledek polykondenzací hypotetických monomerů orthosialát nebo ortho(siloxo-sialát).
Dnes se užívá nejvíce sodný polysialát ((Na)-PS), draselnatý polysialát ((K)-PS), sodnodraselnatý poly(siloxo-sialát) ((Na, K)-PSS) a také draselnatý poly(siloxo-sialát) ((K)-PSS) [1, 2].
( ) ( ) ( )
( ) ( )
O 3nH OO Al O O OH Si
Al O Si OH n
OH Al O Si OH n O
3nH O
Al , O Si
2
| n
|
|
|
|
| NaOH/KOH 3
) ( 3
3 ) ( 3
NaOH/KOH n 2
2 2 5 2
) (
+
− −
−
−
−
→
−
−
−
−
→
+
−
−
−
Obr. 4. Chemické reakce probíhající během vzniku polysialátů [1, 2].
( )
) PSS )(
sialát siloxo
( poly )
sialát siloxo
( ortho
O nH 4 O
O O Si
O Al O O Si )
OH (
) OH ( Si O Al O Si ) OH ( n
) OH (
) OH ( Si O Al O Si ) OH ( O n
nH 4 nSiO O
Al , O Si
2
| n
|
|
|
|
|
|
|
| KOH
/ NaOH
2
| 3
) ( 3
2
| 3
) ( KOH 3
/ NaOH 2
n 2 2 2 5 2
) (
−
−
+
− − − − − −
→
−
−
−
−
−
−
−
−
→
+
+
− −
−
Obr. 5. Chemické reakce probíhající během vzniku poly (siloxo-sialatů) [1, 2].
(orthosialát)
(polysialát – PS)
2.3. Struktura geopolymeru
Fyzikálně-chemická struktura geopolymeru je velmi variabilní v závislosti na poměru hlavních sloučenin, původu surovin a podmínek syntézy. Výzkum v této oblasti zatím stále pokračuje [2].
Chemické složení, má silný vliv na vlastnosti tohoto materiálu, závisí na poměru atomů Si:Al v geopolymerním řetězci, obsahu a typu alkalického aktivátoru, vody a dalších přídavků používaných při výrobě geopolymerních materiálů. Tyto faktory ovlivňují smrštění geopolymeru při syntéze, pórovitost, fyzikálně-chemickou strukturu a také vlastnosti s nimi související, jako jsou vlastnosti tepelné, mechanické nebo tepelně- mechanické [15].
Výzkum geopolymerních materiálů se v současné době mimo jiné zabývá studiem poměru Si:Al a vznikající strukturou materiálu. Výsledkem výzkumu je, že při nízkých poměrech mezi atomy křemíku a hliníku (Si:Al < 1,4) není struktura geopolymerních materiálů homogenní a je vysoce pórovitá. Se zvyšujícím se poměrem Si:Al se zvyšuje homogenita materiálu a snižuje se pórovitost, což se současně projevuje na růstu hodnot jeho mechanických vlastností. Důležitý je typ použitého alkalického aktivátoru. Je známo, že aktivátor, kterým je draslík, vede k větší citlivosti struktury k poměr atomů Si:Al. Při použití náležité směsi aktivátoru sodíku a draslíku nebo čistého aktivátoru sodíku se struktura méně mění s klesajícím poměrem Si:Al, to má vliv na větší homogenitu a nižší pórovitost materiálu [2, 15, 16]. Fotografie lomových ploch získané z rastrovacího elektronového mikroskopu zobrazujícího rozdíly v geopolymerních strukturách s různým poměrem Si:Al.
Obr. 6. Lomové plochy geopolymerních materiálů s rozdílným poměrem Si:Al (a) 1.15, (b) 1.40, (c) 1.65 (d) 1.90 a (e) 2.15 REM [2, 15].
Anorganické polymerní materiály mohou být syntetizovány z různých hlinitokřemičitanů, např. přírodně se vyskytujícího metakaolinu nebo produktu průmyslové výroby jakým je např. popílek. Každá surovina má vlastní charakteristické minerální a fyzikální složení.
V závislosti na použití dané suroviny se budou lišit vlastnosti konečného produktu [2].
Další vliv má užití prekurzoru. Nejenom, že určuje chemické složení, ale i tvar a fázové složení částic. Má vliv na chemický a fyzikální průběh syntézy materiálu. Výsledkem je, že takto vyráběný materiál muže mít podobné chemické složení, ale odlišnou strukturu [17].
Do geopolymerní matrice jsou jako výztuž často přidávány různé druhy částic nebo vláken s cílem modifikovat konečné mechanické a fyzikální vlastnosti.
2.4. Kompozity s geopolymerní matricí
Křemičitany, vyskytující se volně v přírodě, (např. kaolin) podléhají transformaci při nízkých teplotách za krátkou dobu do prostorové třírozměrné struktury tekto-křemičitanů.
Tepelné podmínky vytvrzování těchto materiálů jsou téměř shodné s podmínkami polykondenzace organických pryskyřic. Zároveň se řadí do oblasti tzv. geochemie, která souvisí s výrobou zeolitů. Tyto materiály se nazývají "geopolymery", tedy minerální polymery vzniklé procesem, který se nazývá geopolymerace nebo geosyntéza [2, 4].
Geosyntéza je založena na schopnosti hliníkových iontů (v koordinaci tetra nebo oktaedrické) způsobit krystalografické a chemické změny v síti křemičitanu, které umožňují jejich polymeraci [4].
V současnosti získaly geopolymerní materiály velkou popularitu díky nízké hustotě, malé ceně, nízké teplotě výroby a ekologickým vlastnostem. Dané vlastnosti se nemění ani za zvýšených teplot [9].
Samotné geopolymery vykazují nízké hodnoty mechanických vlastností, které jsou nedostatečné. Ale lze je použít jako matrice kompozitních materiálů spolu s vhodně vybranými vyztužujícími prvky. Například přídavkem vyztužujících vláken nedochází ke změně samotného geopolymeru, ale dochází k výraznému zvýšení mechanických vlastností celého systému a tento systém zachovává získané parametry i při vyšších teplotách. Právě díky jejich nízké hustotě a poměrně snadné výrobě je jejich použití možné v mnoha moderních inženýrských aplikacích. Jednotlivé složky nemění svoji identitu (tzn. vzájemně se úplně nerozpouštějí ani neslučují), přestože na své okolí působí v součinnosti [2, 5].
Geopolymerní kompozity jsme schopni rozdělit podle druhu geopolymerní matrice nebo typu vyztužujících prvků – viz obr. 7 [2].
Obr. 7. Přehled geopolymerních kompozitů [2].
GEOPOLYMERNÍ KOMPOZITY
Rozdělení podle druhu matrice
Matrice polysialátové s poměrem Si:Al<2:1
Matrice poly (siloxo-sialátové) s poměrem Si:Al>2:1
Rozdělení podle druhu vyztužujících prvků Kompozity vyztužené částicemi (tzv. betony)
Kompozity vyztužené vláknem
Dlouhá
vlákna Krátká
vlákna Tkaniny
Rozdíl mezi geopolymerními matricemi je dán poměrem Si:Al. Materiály mají odlišné vlastnosti, které jsou současně dány různorodostí použitých matric [2, 6]. Geopolymerní materiály jsou často vyztužovány nejrůznějšími typy vláken.
Nejrozšířenější vlákna používaná při výrobě geopolymerních kompozitů
• Skelná vlákna
• Přírodní vlákna
• Uhlíková a grafitová vlákna
• Čedičová vlákna
• Whiskery
• Kevlarová vlákna
• Kovová vlákna
• Keramická vlákna [5, 18].
V dnešní době patří mezi často používané materiály např.: konstrukční oceli, beton vyztužovaný vlákny, hliníkové slitiny, kompozity na bází fenolických reaktoplastů vyztužované skleněnými vlákny typu E nebo uhlíkovými vlákny. V tab. 2 je srovnání mechanických vlastností zmiňovaných materiálů vzhledem ke geopolymerním kompozitům vyztuženým uhlíkovými vlákny [19].
Tab. 2. Porovnání mechanických vlastností vybraných konstrukčních materiálů [19].
Materiál Hustota [kg/m3]
Youngův modul [GPa]
Specifický modul pružnosti [MPa*m3/kg]
Pevnost v ohybu
[MPa]
Specifická pevnost v
ohybu [MPa*m3/kg]
Maximální využitelná
teplota [oC]
Ocel ~7800 200 25,4 400 0,053 500
Beton zpevněný vláknem
2300 30 13,0 14 0,006 400
Dural 2700 70 25,9 275 0,102 300
Kompozit reaktoplast/
uhlíková vlákna
1550 49 31,6 290 0,187 200
Kompozit reaktoplast/
skelná vlákna typu E
1900 21 11,0 150 0,074 200
Kompozit geopolymer/
uhlíková vlákna
1850 76 41,0 245 0,132 >800
Pro prototyp geopolymerních kompozitů jsou tyto vlastnosti předpokladem. Jejich vlastnosti výrazně převyšují beton zpevněný vlákny z hlediska pevnosti v ohybu a také konstrukční ocele z hlediska tepelné odolnosti. Specifická pevnost v ohybu je pevnost v ohybu materiálu vztažená k jeho hustotě, stejně jako specifický modul pružnosti. Tyto vlastnosti jsou velmi důležité zejména v leteckém průmyslu a pozemním transportu, kde je hmotnost konstrukce velmi podstatná. Kompozit geopolymer/uhlíková vlákna je s přihlédnutím ke specifickému modulu pružnosti lepším materiálem než všechny výše uvedené. Pokud jde o specifickou pevnost v ohybu je na druhém místě za kompozity na bázi fenolických matric vyztužených uhlíkovými vlákny. Nicméně jde o unikátní materiál, protože si zachovává své mechanické vlastnosti i za poměrně vysokých teplot. Je to také materiál nespalitelný – pokud je vystaven oxidačnímu prostředí za vysokých teplot, neexistuje žádná chemická reakce uvolňující nebezpečné plyny [2, 11].
Vysokoteplotní kompozity jsou vytvořeny na bázi keramické (např. PyC/SiC – Pyrolitic carbon/SiC; směs pyrolitického uhlíku a SiC) matrice nebo sklo-keramické matrice (např.
CAS - calcium aluminosillicate glass; vápenatá sklo-keramika, nebo LAS – lithium alumino silicate glass; lithná sklo-keramika) s uhlíkovým vláknem nebo keramickým vláknem (SiC, korund) jako vyztužujícím elementem. Výroba těchto kompozitních materiálů probíhá v procesu sintrování, často při teplotách nad 1000-1200 °C. Ve srovnání s nimi jsou kompozity založené na geopolymerní matrici velmi konkurenceschopné. Jejich výroba se provádí chemickou reakcí - geopolymerizací při teplotách do 150 °C, a některé typy matric lze vyrábět i při pokojových teplotách. Tyto kompozity snesou teploty až do 1000 °C a nedochází při nich k uvolňování těkavých toxických látek a kouře [2].
Obr.8. Čas od zapálení do rozhoření ohně podle ISO 9705 [19].
Čas od zapálení do rozhoření ohně závisí především na matrici kompozitu, protože je v kontaktu s plamenem a chrání vyztužující element před jeho účinkem. Za tento čas se pro inženýrské termoplasty předpokládá doba 20 minut, ale v průběhu spalování se uvolňuji toxické plyny. Geopolymerní kompozit má index šíření požáru roven nule - je dokonalou protipožární bariérou [2, 19].
Hlavní vlastnosti geopolymerních kompozitů jsou následující:
• Maji velmi dobré mechanické vlastnosti,
• Jsou tepelně stabilní
• Nepodléhají samozapálení
• Jsou nehořlavé
• Neuvolňují toxické plyny a dým
• Jsou netoxické
• Jsou poměrně dobrou tepelnou ochranou
• Mají nízkou hustotu (~ 1,8 ÷ 2,5 kg/dm3) [ 2, 19, 20].
2.5. Vyztužující vlákna
Mezi nejčastěji používaná vlákna v kompozitních systémech patří vlákna čedičová, skelná a uhlíková.
Tab. 3. Tabulka vybraných vlastností vláken [2, 5, 27].
Některé vlastnosti Čedičová vlákna Skelná vlákna Uhlíková vlákna Hustota (při 20°C) [kg.m-3] 2 600 až 2 800 2 500 1 800 až 2000 Modul pružnosti v tahu [GPa] 70 až 89 80 až 100 216 až 517
Pevnost v tahu [GPa] 2 až 4,7 3,5 1,2 až 6
2.5.1. Čedičová vlákna
Čedič je minerál vyskytující se v přírodě a můžeme ho najít v sopečných horninách.
Používá se ho hlavně ve stavebnictví jako drcené horniny. Je surovinovým zdrojem pro výrobu minerálních vláken, kdy se čedič taví (při teplotách 1300 až 1700 °C) a stejně jako při výrobě skleněných vláken, se krystalizující čedičová hmota protahuje otvory malého průměru. Takto získané kontinuální vlákno se používá často jako výztuž kompozitů. Jde o vlákna s vlastnostmi podobnými skleněným vláknům typu S. Výhodou je jejich cena, která
činí asi 60% skelných vláken a dobrá chemická odolnost. Výroba je analogická výrobě skleněných vláken, teplota tavení je 1400ºC.
Tato vlákna se používají také jako tepelná a zvuková izolace (čedičová vlna, izolace motorů), nebo jako výztuž betonu. Čedič je dobrým tepelným, elektrickým a akustickým izolátorem.
• Hustota je 2,6 až 2,8 g/cm3
• Obvyklá pevnost v tahu je v rozmezí od 2,0 do 4,7 GPa
• Youngův modul je v rozmezí od 70 do 89 GPa [2, 21, 22].
2.5.2. Skelná vlákna
Skelná vlákna se používají především jako vyztužující prvky v kompozitních materiálech na bázi organických pryskyřic [2].
Základní vlastnosti :
• Hustota se pohybuje okolo 2,5 g/cm3
• Tuhost vykazuje zhruba jako hliník – 1/3 tuhosti oceli, E = 80 až 100 GPa
• Skelná vlákna mají malou odolnost proti únavě
• Rozpor mezi vysokou pevností a vysokou smáčivostí - pro zvětšení smáčivosti je žádoucí úprava povrchu (lubrikace), ta ale snižuje pevnost vláken.
• Tepelná vodivost je o polovinu nižší než u oceli
• Tepelná roztažnost je o polovinu menší oproti tepelné roztažnosti oceli [5].
Tab. 4. Nejčastěji používané druhy skel pro výrobu vláken [5].
Označení
skla Použití Složení [%] Pevnost
[MPa]
Prodloužení při lomu [%]
E Elektrické izolace 55 SiO2, 11 Al2O3, 6
B2O5, 18 CaO, 5 MgO 3 3
S Vysokopevnostní kompozity
65 SiO2, 25 Al2O3, 10
MgO 5 5
A Tepelné izolace 72 SiO2, 1 Al2O3, 3
MgO, 10 CaO, 14 K2O - -
C (Pyrex) Chemické aplikace
65 SiO2, 4 Al2O3, 6 B2O3, 3 MgO, 14 CaO, 9 K2O
2 2
Obr. 9. Schématické znázornění výroby skelných vláken [5].
2.5.3. Uhlíková vlákna
Uhlíková vlákna jsou materiálem převážně z uhlíku s vyšším podílem grafitové fáze.
Atomy uhlíku jsou uspořádány ve dvoudimenzionálních hexagonalních vrstvách ve vzdálenosti 10 až 12 nm, uspořádaných ve svazcích o tloušťce 10 nm a tvořících mikrofibrily o délce větší než 20 nm, mezi kterými jsou podélné plynové bubliny o tloušťce asi 15 nm a délce větší než 30 nm. Uhlíková vlákna mají tvar válcový nebo tvar válcové trubice [2].
Nejobvyklejší postup výroby je založen na postupné konverzi polyakrylonitrilového (PAN) vlákna na vlákno uhlíkové. Tato konverze probíhá za přesně definovaných podmínek a při teplotě až 2000 °C [23].
Obr. 10. Schéma struktury stuhy uhlíkových vláken (podle R.J. Diefendorfa) [2].
Základní vlastnosti:
• Hustota je 1,8 až 2 g/cm3, obsahují 90 až 95 % čistého uhlíku
• Mají asi desetinásobnou tuhost a poloviční hustotu oproti skelným vláknům
• Stabilní do 1000 oC, při ochraně před oxidací do 2000 oC
• Prodloužení při přetržení je menší než u skleněných vláken
• Pevnost při pokojové teplotě bývá nižší než u skla nebo aramidu, s rostoucí teplotou ale neklesá a je zachována až do 1000 oC
• Vynikající tepelné vlastnosti, pokud jsou chráněna před oxidací
• Minimální teplotní roztažnost, dokonce někdy smrštivost (ve směru osy vláken)
• Do 1000 oC jsou chemicky inertní
• Na rozdíl od skelných vláken vykazují velkou odolnost proti únavě, ale malou odolnost vůči ostrým ohybům
• Uhlíková vlákna jsou elektricky vodivá
• Nejlevnější uhlíková vlákna stojí dvojnásobek proti vláknům skelným, nejkvalitnější až stonásobek
• Vlákna jsou velmi silně anizotropní – ve směru osy a kolmo na osu se vlastnosti silně liší
• Uhlíková vlákna mají často špatnou adhezi k matrici a proto je nutné je povrchově upravovat [5].
2.6. Recyklovaná a odpadní vlákna
Odpadní materiály obecně jsou nedílnou součástí každého výrobního procesu. Při ubývající přírodní materiálové základně je nutné hledat způsoby opětovného využití stále vznikajících odpadů. Z hlediska recyklace existují tři základní možnosti:
Tři základní možnosti recyklace:
• opětovné použití bez úprav
• regenerace na stejný výchozí produkt
• další využití v jiné výrobě (použití do kompozitů) Recyklace odpadů z vlastní výroby
• odpad vzniklý při výrobě v různých fázích
• zabudovaný recyklát v jiných objektech [24].
Skelná a čedičová vlákna nejsou vhodná pro tepelnou recyklaci, protože při tepelné recyklaci dochází ke zkřehnutí vláken, což má za následek snížení hodnot mechanických vlastností. Proto se nepoužívají recyklovaná vlákna, ale vlákna vzniklá při výrobě jako odpad.
2.6.1. Odpadní čedičová vlákna
Čedičová vlákna se v současné době používají zejména jako materiál pro tepelné izolace.
Recyklace čedičových vláken je možná buď opětovným použitím odpadní suroviny při výrobě čedičových vláken, nebo využitím již použitých vláken ve stavebnictví.
Výroba izolačního materiálu
Technologický princip výroby izolačního materiálu na bázi čedičových vláken spočívá ve vytvoření taveniny z minerálních surovin (čedičové kamenivo) v kupolové peci, rozvlákňování taveniny (lávy) pomocí speciálních rozvlákňovacích strojů na minerální vlákna. Pojení vláknité hmoty je prováděno vodným roztokem fenolformaldehydové pryskyřice s dalšími přísadami, následně probíhá řízené ukládání do nekonečného pásu a jeho mechanická úprava. Vytvrzení fenolformaldehydové pryskyřice horkým vzduchem se provádí ve vytvrzovací komoře, následuje vychlazení pásu polotovaru a jeho rozřezání na dělicí lince do segmentů požadovaných rozměrů. Část takto vyrobených segmentů je ve stohovacím zařízení balena a expedována jako finální výrobek, část je dále upravována dalšími finalizačními operacemi – např. řezáním na klínové segmenty nebo tavným lepením hliníkové fólie – poté následuje balení a expedice hotových výrobků.
Odpad z provozu rozvlákňování před vytvrzením vzniká jako tzv. průběžné odpady:
• vznik granálií – nerozvlákněné částice lávy
• shluky vláken, nasycených pojivem (především vodný roztok fenolformaldehydové pryskyřice), které nebyly přisáty na unášecí pás v usazovací komoře
• shluky vláken oddělené při čištění unášecího pásu.
Odpad z provozu po vytvrzení vzniká také jako průběžné odpady jako:
• nekvalitní finální výrobek
• boční ořezy – vznikají v řezací stanici, které řežou desky na požadovanou šířku a kde se kotoučovými pilami provádí řez okrajů [24].
2.6.2. Odpadní skelná vlákna
Sklo je 100% recyklovatelné a může být nekonečně mnohokrát přetavováno bez ztráty kvality, pevnosti a funkčnosti. To ale neplatí pro skelná vlákna, která ztrácejí při přetavování svůj tvar a mechanické vlastnosti [25]. Skelná vlákna, která jsou odpadem při výrobě, se mohou vracet zpět do tavicí pece. Odpad, který vzniká při výrobě skelných vláken, může však být použit jako vyztužující plnivo poskytující požadované zlepšení mechanických parametrů kompozitních systémů.
2.6.3. Recyklovaná uhlíková vlákna
Vysoká cena a vynikající mechanické vlastnosti naznačují, že uhlíková vlákna se vyplatí recyklovat, nikoliv likvidovat skládkováním nebo spalováním. Uhlíková vlákna se používají v aplikacích s vysokými nároky na pevnost, případně tuhost, v kombinaci s termosetickými pryskyřicemi, které odolávají vysokým teplotám. Vysoká výrobní náročnost a vysoká cena předurčovaly uhlíkové vlákno donedávna jen pro leteckou a kosmickou výrobu. V současnosti, vzhledem k postupnému snižování cen výroby, se začínají používat i v automobilovém a lodním průmyslu, dokonce i v nestrojírenských aplikacích (např. kola, helmy, floorballové hole, lyže, tenisové rakety).
Zařízení pro rozklad kompozitů, které umožňuje řízený tepelný proces je nutné k rozložení polymerní matrice. Vyvinutý postup lze označit jako pyrolýzně oxidační rozklad.
Zařízení se skládá z elektricky vytápěného tepelného reaktoru, ovládacího systému, umožňujícího nastavit režimy ohřevu a ochlazování, analyzátoru spalin, vážního systému pro měření hmotnosti v průběhu procesu, chladiče spalin a dvojstupňového filtračního mechanismu (síta na zachycování hrubých nečistot a patrony s aktivním uhlím). Hlavní předností zařízení je řízený průběh teploty a doba prodlevy na konkrétní teplotě. Tyto dva parametry jsou rozhodující pro tepelný rozklad polymerních matric. Některé kvalitní termosetické i termoplastické polymerní matrice vynikají vysokou teplotní odolností (např.
bismaleimidové pryskyřice se mohou používat i při teplotách 232 °C, začínají se rozkládat okolo 400 °C). Optimální, obecně použitelná teplota dekompozice tzn. teplota, při které dojde k naprostému rozkladu a odstranění polymerní matrice a zároveň k minimálnímu poškození uhlíkových vláken, pro termosetické i termoplastické matrice se nachází v rozsahu 550 °C +/- 20 °C. Při této teplotě dochází k dokonalému zplynování polymerních matric a uhlíková výztuž není výrazně poškozená při částečném snížení mechanických
vlastností. Kvalita pyrolýzně oxidačního rozkladu polymerních matric záleží na délce prodlevy při optimální teplotě dekompozice, na tloušťce zpracovávaného materiálu (s tloušťkou materiálu prodleva roste). Při dekompozici vznikají škodlivé plynné látky, které kondenzují v chladiči nebo jsou téměř dokonale zachyceny na kaskádě filtrů. Pouze uhlíková a bórová vlákna lze bez větších problémů z kompozitních materiálů získat recyklací a dále zpracovávat. Surovinou pro pyrolýzní oxidační rozklad jsou kompozitní díly po ztrátě své životnosti nebo technologické odpady při výrobě kompozitních konstrukcí. Výsledkem dekompozice je uhlíkové vlákno ve stavu, který odpovídá tvaru a uložení původní originální výztuže v kompozitu. Cena recyklovaného vlákna by neměla přesáhnout 50 % ekvivalentu z prvovýroby [23].
2.7. Aplikace geopolymeru v průmyslu
Možnost použití geopolymerních kompozitů v různých odvětvích průmyslu se stále zvyšuje. Do této doby byl geopolymer aplikován například v těchto odvětvích průmyslu:
• Stavební průmysl (tepelné izolátory)
• Letecký průmysl (nehořlavé materiály)
• Jaderný průmysl (ukládání radioaktivního odpadu)
• Jako konstrukční materiál (kompozitní materiály)
• Ve slévárenství (výroba forem)
• Automobilový průmysl (nehořlavé kompozitní systémy), atd. [6].
Ohni odolné dřevo-geopolymerní panely (1973-1976):
První aplikace byla použita ve stavebnictví. Jednalo se o požáru odolné dřevotřískové desky, složené z dřevěného jádra a vnější vrstvy z geopolymerního nátěru. Tento panel byl vyroben v jednom samostatném procesu. Charakteristickým znakem bylo simultánní vyztužení (zpevnění) dřevotřísky i anorganického geopolymeru, při stejných teplotních parametrech.
Výroba těchto panelů probíhala při parametrech:
• teplota: 130°C až 200°C
• použitý hydraulický tlak 1 až 3 MPa
Panely byly vyvíjeny po dobu čtyř let. Projekt směřoval do oblasti výstavby středních a vysokých škol ve Francii. V roce 1976 byl projekt vládou zrušen [2, 6, 7].
Obr. 11. Schéma výroby ohni odolného dřevo-geopolymerního panelu (struktura) [6].
Obr. 12. Ohni odolný dřevo-geopolymerní panel [2, 6].
Letecký průmysl:
Od roku 1986 využila francouzská společnost Dassault Aviation aeronautic geopolymer jako materiálu na nástroje a formy při vývoji nových technologií, a také při vývoji stíhacího letounu Rafale [2, 6].
Obr. 13. Francouzské stíhací letadlo Rafale [2, 6].
Pro firmu Northtrop Aviation byly vyrobeny nástroje z geopolymerních kompozitů (kompozit uhlíková vlákna/SiC/geopolymer) používané při výrobě kompozitů určených pro nové tryskové bombardéry Amerických vzdušných sil [2, 6].
Do dnešní doby bylo vyrobeno mnoho nástrojů, ale i jiných předmětů z geopolymerních kompozitů pro firmy z leteckého průmyslu, jako jsou: Airbus a SPF Aluminium processing a podobně [2, 6].
Obr. 14. Kompozit uhlíko-epoxidový (vlevo) hoří, zatímco kompozit uhlíko-geopolymerní (vpravo) stále odolává teplotě 1200°C, test odolnosti vůči vznícení [2, 6].
Automobilový průmysl:
Během sezóny Grand Prix 1994 a 1995 tým Benetton Formule 1 navrhl unikátní tepelný štít vyrobený z kompozitního geopolymeru. Všechny části z titanu byly nahrazeny v oblasti výfuku kompozitním geopolymerem, ten odolal jak silným vibracím, tak i vysokým teplotám přes 700°C [2, 6].
Americká závodní liga C.A.R.T. (předtím tzv. Indy - Cart) v roce 1999 použila geopolymerní kompozity také při konstrukci vozů na výfukový systém, který přecházel na carbon - geopolymerní kompozitní tělo [2, 6].
Obr. 15. "The Eagle" závodní vůz, který jezdil v americké závodní lize C.A.R.T. v roce 1999 [2, 6].
Infrastruktura a aplikace ve stavebním průmyslu:
Prakticky nový a velmi zajímavý způsob aplikace geopolymeru je na opravy nebo výztuže pro stavby z betonu, cihel a kamene. To se provádí obalením konstrukce dostatečně dlouhým vláknem, které se zajistí geopolymerní matricí. Tímto způsobem lze vyztužit různé stavby např. mosty nebo opravit budovy poškozené zemětřesením nebo hurikánem.
Pro prvky nacházející se uvnitř budov, je protipožární odolnost velmi žádaná. Proto se kompozity z geopolymerů v této oblasti dobře prosazují [2, 6].
V Evropě, kde by měly geopolymerní kompozity najít využití při rekonstrukci budov, které jsou cenným kulturním dědictvím, je požární bezpečnost hlavní prioritou [2, 6].
Obr. 16. Betonový nosník s uloženou vrstvou geopolymerního kompozitu na povrchu před pevnostní zkouškou [2, 6].
V roce 2013 v Austrálii vyrostla světově první stavba, kde bylo s úspěchem použito geopolymerního betonu pro konstrukční účely. Čtyři patra vysoká budova určená pro širokou veřejnost se skládá ze tří suspendovaných geopolymerních betonových podlah zahrnující 33 prefabrikovaných panelů. Jsou vyrobeny ze strusky/popílku na bázi geopolymerního betonu pod značkou Earth Friendly beton (EFC) [26].
Obr. 17. Queensland University GCI budova s 3 suspendovaných podlah vyrobených z konstrukčního geopolymerního betonu [26].
3. Experimentální část
3.1. Volba složení vzorků
Pro prováděné experimenty byly připraveny vzorky se třemi různými druhy vláknitého plniva a porovnávací vzorky z čistého geopolymeru. Použité druhy vláken – odpadní vlákna čedičová a skelná a recyklovaná vlákna uhlíková – byly mlety (rozvlákněny) na nanomlýnu po dobu 2 minut o frekvenci 15Hz.
Vzorky čistého geopolymeru – standardního materiálu – byly připraveny podle receptury, která je dodávána výrobcem geopolymeru Baucis L160, jež byl v tomto experimentu používán. Vzorky vyztužené výše uvedenými vláknovými plnivy byly připraveny v souladu s doporučením tak, aby hmota obsahovala vlákna a zároveň byla dobře mísitelná a formovatelná. Obsahy všech použitých typů plniv byly s přidáním podílů 1, 3, 5 a 7 % hmotnosti. Toto plnění bylo vybráno tak, aby navazovalo na předchozí práce a výsledky byly snadno porovnatelné s předchozími měřeními. Pro každý typ vlákenného plniva byla připravena 4 plnění, pro každé plnění bylo připraveno 15 vzorků. Celkem bylo připraveno 195 vzorků). K výslednému hodnocení byl učiněn výběr 10-ti hodnot z každé série.
Obr. 18. Nanomlýn CryoMill od firmy Retsch.
Geopolymer s obchodním označením Baucis L160 vzniká spojením dvou složek. Pevnou složkou je cement L160 (sypký metakaolin), kapalnou složkou je aktivátor L160 (alkalický
aktivátor). Podíl jednotlivých složek je 5 hmotnostních podílů cementu (sypká složka L160) a 4 hmotnostní podíly aktivátoru (kapalná složka L160). Tento materiál s označením L160 má poměr Si:Al ≈ 2.
Obr. 19. Složky geopolymeru Baucis L160: cement L160 (vlevo), aktivátor L160 (vpravo).
3.2. Odpadní a recyklovaná vlákna
Veškeré statistické výpočty byly prováděny v programu Microsoft Excel 2010 pomocí vnitřních předdefinovaných funkcí nebo byly použity vzorce z kapitoly 3.7.1.
3.2.1. Čedičová odpadní vlákna
Čedičová vlákna, která byla použita jako vyztužující plnivo geopolymerního materiálu, byla odpadní vlákna ze zateplovací izolace. Charakteristickým rysem vláken tohoto typu je, že nemají stejný průměr a mohou obsahovat různé nedokonalosti a nečistoty. Vlákna, která byla v původní izolaci dlouhá a vzájemně propletená, bylo nutné před vlastním vmícháním do geopolymeru namlít. Pro charakterizaci délky a průměru namletých vláken byla použita rastrovací elektronová mikroskopie. Ze snímků z rastrovacího elektronového mikroskopu je také dobře patrný hladký povrch použitých vláken, křehký lom, kterým se v mlýnu lámala, nehomogenita průměrů vláken a případné nedokonalosti (rozvětvení). EDAX analýza byla využita pro zhodnocení chemického složení čedičových vláken. Výsledky rozměrů vláken jsou v tabulce 6.
Obr. 20. Mletá čedičová odpadní vlákna.
Obr. 21. SEM mikroskopie čedičových odpadních vláken.
Tab. 5. Chemické složení čedičových odpadních vláken v hmotn. %.
Statistika O Na Mg Al Si P S K Ca Ti Mn Fe
Max 44,69 1,94 6,9 9,9 24,14 0,12 0,73 1,09 25,71 1,84 0,38 6,39
Min 27,77 1,28 5,46 8,7 21,2 0,02 0,08 0,53 11,88 0,73 0 2,21
Průměr 34,34 1,72 6,21 9,42 22,19 0,08 0,30 0,88 19,15 1,31 0,20 4,18 Směrodatná
odchylka 9,07 0,38 0,72 0,63 1,69 0,05 0,37 0,31 6,94 0,56 0,19 2,10
Graf 1. EDX spektrum čedičových odpadních vláken.
Tab. 6. Délka a průměr čedičových odpadních vláken.
Čedičová odpadní vlákna
Délka vláken [µ m] Průměr vláken [µ m]
232,4 168,2 60,0 133,8 12,6 6,1 8,3 6,7
86,5 83,8 90,2 152,3 12,2 7,8 9,2 7,5
126,1 106,6 135,9 128,2 6,7 4,3 7,3 8,3
88,6 123,5 116,7 137,6 5,9 8,0 8,0 4,3
91,8 89,8 179,5 139,1 6,7 6,5 5,8 4,8
75,0 90,5 99,9 240,4 6,4 7,9 9,2 6,4
109,7 83,9 102,6 224,6 5,6 6,7 6,0 8,5
189,5 241,8 117,7 182,2 4,5 6,6 12,2 10,5
n 32 32 Počet
x 132,1 7,4 Průměr
s2 2575,3 4,7 Rozptyl
s 50,7 2,2 Směrodatná odchylka
v 0,4 0,3 Variační koeficient
Graf 2. Histogram – čedičová odpadní vlákna – délka.
0 1 2 3 4 5 6 7 8
68 87 106 125 144 163 182 201 220 237 256
ABSOLUTNÍ Četnost [-]
Třídy [µm]
Histogram - Čedičová odpadní vlákna - délka
Četnost
Graf 3. Graf kumulativní četnosti – čedičová odpadní vlákna – délka.
75 % odpadních čedičových vláken má délku menší než 163 mikrometrů. Jak je vidět v histogramu i grafu kumulativní četnosti, 21,9 % (7) použitých odpadních čedičových vláken má délku spadající do třídy 106 mikrometrů. Přičemž ve třídě 220 mikrometrů se nenachází žádné vlákno, které by svou délkou mohlo být zařazeno do této třídní kategorie.
Graf 4. Histogram – čedičová odpadní vlákna – průměr.
68 87 106 125 144 163 182 201 220 237 256
Četnost 3,1 15,6 37,5 53,1 71,9 75 81,3 87,5 87,5 93,8 100 0,0
20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0
KUMULATIVNÍ Četnost [%]
Graf kumulativní četnosti - Čedičová odpadní vlákna - délka
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
4,4 5,3 6,2 7,1 8 8,9 9,8 10,7 11,6 12,5 13,04
ABSOLUTNÍ Četnost [-]
Třídy [µm]
Histogram - Čedičová odpadní vlákna - průměr
Četnost
Graf 5. Graf kumulativní četnosti – čedičová odpadní vlákna – průměr.
71,9 % odpadních čedičových vláken má průměr menší než 8 mikrometrů. Jak je vidět v histogramu i grafu kumulativní četnosti, 25% (8) použitých odpadních čedičových vláken má průměr spadající do třídy 7,1 mikrometrů. Přičemž ve třídě 11,6 mikrometrů se nenachází žádné vlákno, které by svým průměrem mohlo být zařazeno do této třídní kategorie.
3.2.2. Skelná odpadní vlákna
Skelná vlákna, která byla použita pro přípravu geopolymerních kompozitních systémů, byla odpadními vlákny vznikajícími při výrobě a zpracování skelných vláken ve firmě Adfors Sain Gobain.
Vlákna byla v obdélníkových svazečcích, které byly následně částečně rozvlákněny. Pro charakterizaci délky a průměru namletých vláken byla podobně jako v předchozím případě použita rastrovací elektronová mikroskopie. Ze snímků z rastrovacího elektronového mikroskopu je dobře patrný hladký povrch použitých vláken a křehký lom. Průměry vláken jsou téměř neměnné. EDAX analýza byla využita pro vyhodnocení jejich chemického složení. Výsledky rozměrů vláken jsou v tabulce. 8.
4,4 5,3 6,2 7,1 8 8,9 9,8 10,7 11,6 12,5 13,04
Četnost 6,3 12,5 28,1 53,1 71,9 81,3 87,5 90,6 90,6 96,9 100 0,0
20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0
KUMULATIVNÍ Četnost [%]
Graf kumulativní četnosti - Čedičová odpadní
vlákna - průměr
Obr. 22. Mletá skelná odpadní vlákna.
Obr. 23. SEM mikroskopie skelných odpadních vláken.
Tab. 7. Chemické složení skelných odpadních vláken v hmotn. %.
Statistika O Na Mg Al Si K Ca Ti Fe
Max 43.90 0.35 0.38 9.22 31.75 0.76 24.82 0.43 0.34 Min 34.96 0.23 0.35 8.35 29.75 0.49 15.73 0.32 0.12
Průměr 39.43 0.28 0.37 8.78 30.47 0.60 19.50 0.37 0.20
Směrodatná odchylka 4.47 0.06 0.01 0.44 1.11 0.14 4.74 0.06 0.12
