Ανάπτυξη αφρωδών θερμομονωτικών ανόργανων πολυμερών υλικών από βιομηχανικά ορυκτά

Abstract

In the present thesis, the development of insulating geopolymer foams from the perlite wastes exploitation was studied. A huge amount of industrial by-products could be utilized as the source for the construction of lightweight, insulating materials, which are based on the geopolymerization technology and the foaming process. Geopolymer materials are produced from a chemical reaction between various alumino-silicate oxides and alkali metal silicate solutions, under highly alkaline conditions. The mechanism of foaming (either by chemical or by physical means) is based on the generation of a gas that is retained in the geopolymer matrix, in the form of individual or interconnected voids. In the first part of this thesis, the synthesis of the geopolymer pastes was performed using perlite wastes as siliceous raw material and sodium hydroxide solution (NaOH) as the alkaline activator. Initially, the effect of the alkaline aqueous phase and the temperature on the setting time of the pastes, were examined. The viscosity of the slurries was also investigated in order to identify the workability of the pastes for their further foaming. The synthesized pastes were casted in appropriate open teflon molds and cured in mild conditions. The final geopolymers have been evaluated for their properties by compressive strength measurements and hydraulic stability tests, in highly alkaline conditions.The second part of the thesis includes the development of geopolymer foam boards, adding H2O2 as the blowing agent, in the already prepared geopolymer slurry. The resulted foam pastes were casted in metallic molds and cured in mild conditions. The evaluation of the final foam boards was implemented by: 1. Measurements of the apparent density and the thermal conductivity, 2. Compressive strength measurements, 3. Porosity estimation either by analytical methods or by digital image processing methods. In the third part of the thesis, the aforementioned foaming procedure was slightly modified for the optimization of the final board’s properties. Thus, pressure conditions were adjusted at the first stage of the foam paste’s curing, preventing the excessive expansion of cells and resulting in smaller voids with narrower distribution. Controlling the morphology of the materials during synthesis is of great importance because the structural characteristics strongly influence their performance and purpose. Final materials, apart from the low apparent densities and the thermal conductivity values, exhibited improved porosity with small isolated voids, homogeneously distributed in the board’s matrix.Finally, the comparison between perlite geopolymer foams and similar, commercial insulating and lightweight materials has been carried out. The produced porous materials exhibit lower density (276–1045 kg/m3) and thermal conductivity values (0.05–0.12 W/m.K) and similar or even better compressive strength values than the contemporary concrete porous materials. At the same time, the perlite geopolymer foams present lower cost (16.29–26.09 €/m3) and lower embodied energy values (1.7 MJ/kg) than the commercial ones.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη αφροποιημένων γεωπολυμερών θερμομονωτικών υλικών από περλιτικά απόβλητα. Η τεχνολογία του γεωπολυμερισμού σε συνδυασμό με τη διεργασία της αφροποίησης μπορεί να οδηγήσει σε ελαφροβαρή υλικά νέας γενιάς, μέσω αξιοποίησης των βιομηχανικών παραπροϊόντων. Τα γεωπολυμερή είναι υλικά που προκύπτουν από τη χημική αντίδραση μεταξύ αργιλοπυριτικών στερεών με αλκαλικά πυριτικά διαλύματα, υπό έντονα αλκαλικές συνθήκες. Ο βασικός μηχανισμός της αφροποίησης (με χημικό ή φυσικό τρόπο) στηρίζεται στη ‘γένεση’ αερίου, το οποίο δεσμεύεται από τη γεωπολυμερή μήτρα, σχηματίζοντας μεμονωμένες φυσαλίδες ή δίκτυο συνενωμένων πόρων. Στο πρώτο στάδιο της διατριβής έγινε ο χαρακτηρισμός των περλιτικών αποβλήτων, τα οποία αποτέλεσαν την πρώτη ύλη για τη μετέπειτα σύνθεση των γεωπολυμερών πολτών. Η σύνθεση των πολτών πραγματοποιήθηκε μέσω ανάμιξης της αργιλοπυριτικής πηγής με διάλυμα καυστικού νατρίου (NaOH) ως αλκαλικό ενεργοποιητή. Αρχικά πραγματοποιήθηκε μελέτη επίδρασης της σύστασης της υγρής αλκαλικής φάσης και της θερμοκρασίας στο χρόνο στερεοποίησης των γεωπολυμερών πολτών. Στη συνέχεια μελετήθηκε το ιξώδες των γεωπολυμερών πολτών, με σκοπό την εξασφάλιση κατάλληλων ρεολογικών συνθηκών στη μετέπειτα αφροποίησή τους. Εφόσον λοιπόν εξασφαλίστηκαν οι κατάλληλες συνθήκες σύνθεσης των γεωπολυμερών πολτών, ακολούθησε η χύτευσή τους σε καλούπια τεφλόν και η επώασή τους σε ήπιες συνθήκες. Τα τελικά γεωπολυμερή υλικά αξιολογήθηκαν ως προς τις ιδιότητές τους μέσω μέτρησης της αντοχής τους σε θλίψη και μέσω αξιολόγησης της σταθερότητάς τους σε αλκαλικό υδατικό περιβάλλον.Στο δεύτερο στάδιο της διατριβής πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη αφροποιημένων γεωπολυμερών υλικών, προσθέτοντας υπεροξείδιο του υδρογόνου (Η2Ο2) ως μέσο αφροποίησης στη γεωπολυμερή πάστα. Οι αφροποιημένοι πλέον πολτοί χυτεύτηκαν σε μεταλλικά καλούπια και τοποθετήθηκαν σε κλίβανο για επώαση (ήπιες συνθήκες). Η αξιολόγηση των τελικών υλικών έγινε μέσω: 1. Μέτρησης της πυκνότητας και της θερμικής τους αγωγιμότητας, 2. Μέτρησης της αντοχής τους σε θλίψη, και 3. Μέτρησης του πορώδους, με αναλυτικές και ψηφιακές μεθόδους ανάλυσης. Τα υλικά που παρήχθησαν παρουσίασαν πολύ καλές φυσικές/θερμικές ιδιότητες και ικανοποιητικές μηχανικές ιδιότητες ειδικά για την κατηγορία των ελαφροβαρών υλικών, στην οποία υπάγονται. Στο τρίτο στάδιο πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη αφροποιημένων γεωπολυμερών υλικών, με υπεροξείδιο του υδρογόνου (Η2Ο2), με τη διαφορά ότι το αρχικό κομμάτι της επώασης των πολτών έγινε σε ειδικά σχεδιασμένο κλίβανο ελεγχόμενης πίεσης και θερμοκρασίας. Ο λόγος για τον οποίο πραγματοποιήθηκε η συγκεκριμένη πειραματική σειρά ήταν το μη ελεγχόμενο, ανομοιογενές πορώδες των υλικών που παρήχθησαν με αφροποίηση και επώαση των πολτών σε ατμοσφαιρικές συνθήκες πίεσης (συμβατικός κλίβανος). Τα τελικά υλικά αξιολογήθηκαν ως προς τις ιδιότητές τους με τους τρόπους που προαναφέρθηκαν στο δεύτερο στάδιο και αποδείχθηκε ότι, τελικά, η επώαση των αφροποιημένων πολτών σε συνθήκες πίεσης οδηγεί σε ελφροβαρή υλικά, με χαμηλές τιμές θερμικής αγωγιμότητας, ικανοποιητικές αντοχές αλλά και ελεγχόμενο, ομοιόμορφο πορώδες.Τέλος πραγματοποιήθηκε σύγκριση των αφροποιημένων γεωπολυμερών υλικών από περλίτη με παρεμφερή εμπορικά θερμομονωτικά και ελαφροβαρή υλικά. Το υλικό που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής παρουσιάζει χαμηλότερες τιμές φαινόμενης πυκνότητας (276–1045 kg/m3) και θερμικής αγωγιμότητας (0.05–0.12 W/mK) και ίδιες ή ελαφρώς καλύτερες μηχανικές αντοχές (20–3660 kPa) έναντι των υπολοίπων ελαφροβαρών υλικών. Παράλληλα, το αφρώδες γεωπολυμερές υλικό από περλίτη που παρήχθει στα πλαίσια αυτής της διατριβής εμφανίζει χαμηλότερο κόστος πρώτων υλών (16.29–26.09 €/m3), καθώς και χαμηλότερη ενσωματωμένη ενέργεια (embodied energy) (1.7 MJ/kg) από τα αντίστοιχα εμπορικά ελαφροβαρή υλικά.