Αφρώδη ανόργανα πολυμερή υλικά από περλίτη

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε προσπάθεια σύνθεσης ενός αφρώδους ανόργανου πολυμερούς με σκοπό να χρησιμοποιηθεί ως θερμομονωτικό. Μελετήθηκε η μεταβολή των θερμικών ιδιοτήτων του συναρτήσει του πορώδους. Ακολούθησε η επιλογή του υλικού με τα καλύτερα θερμικά χαρακτηριστικά και η έκθεση του σε υψηλές θερμοκρασίες, με σκοπό την παρατήρηση των μακροσκοπικών μεταβολών και των μεταβολών των θερμικών του ιδιοτήτων. Τα ανόργανα πολυμερή που μελετήθηκαν, βασίζονται στο υπέρλεπτο απόρριμμα του περλίτη που προκύπτει κατά την θραύση του πετρώματος κατά την βιομηχανική διαδικασία παραγωγής διογκωμένου περλίτη της εταιρείας «S&B Βιομηχανικά Ορυκτά». Ο γεωπολυμερισμός αποτελεί νέο επιστημονικό πεδίο τεχνολογικής ανάπτυξης για την αξιοποίηση στερεών βιομηχανικών αποβλήτων και παραπροϊόντων όπως το λεπτομερές απόρριμμα του περλίτη. Τα παραγόμενα υλικά ονομάζονται ανόργανα πολυμερή (ή γεωπολυμερή) και παρουσιάζουν φυσικές , μηχανικές και θερμικές ιδιότητες οι οποίες τα καθιστούν ανταγωνιστικά στον τομέα των κατασκευών και δομικών υλικών. Ειδικές διεργασίες όπως η αφροποίηση επιτρέπουν την περαιτέρω βελτίωση των ιδιοτήτων των υλικών αυτών, αλλά και την χρήση τους σε μεγαλύτερο εύρος εφαρμογών. Το ολοένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για την αξιοποίηση και διαχείριση των βιομηχανικών αποβλήτων, καθώς και η ολοένα αυστηρότερη περιβαλλοντική νομοθεσία, έδωσε μεγάλη ώθηση στην επιστήμη και τεχνολογία του γεωπολυμερισμού. Ο κύριος πειραματικός όγκος της διπλωματικής αυτής εργασίας μπορεί να διαιρεθεί σε δύο στάδια: α) την σύνθεση αφρωδών ανόργανων πολυμερών από περλίτη και β) την μελέτη της επίδρασης της θερμικής κατεργασίας στις θερμοφυσικές ιδιότητες του ανόργανου πολυμερούς υλικού. Κατά την σύνθεση των αφρωδών ανόργανων πολυμερών έγινε μελέτη της φαινόμενης και πραγματικής πυκνότητας των υλικών, του % όγκου των πόρων και μετρήθηκαν οι θερμικές ιδιότητες λ, e και υπολογίστηκαν τα Cp και α συναρτήσει του μεταβαλλόμενου πορώδους. Εικόνες μικροδομής λήφθηκαν μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης. Η αφροποίηση έγινε με την προσθήκη διαλύματος Η2Ο2 στον αρχικό πολτό και η αυξομείωση του πορώδους έγινε μέσω μεταβολής του % κατά βάρους ποσοστού του αφροποιητικού στην αρχική πάστα. Μετά από την επιλογή της αρχικής σύστασης που έδινε ανόργανο πολυμερές με τα καλύτερα θερμομονωτικά χαρακτηριστικά έγινε θερμική κατεργασία διάρκειας μίας ώρας σε θερμοκρασίες 100, 200, 400, 600, 700 και 800οC και μελετήθηκε η φαινόμενη πυκνότητα και τα θερμικά χαρακτηριστικά (λ,e,Cp,α) σε συνδυασμό με τις μορφολογικές μεταβολές και μεταβολές βάρους των δοκιμίων. Το αφρώδες ανόργανο θερμομονωτικό υλικό που συντέθηκε κατά το πρώτο στάδιο χαρακτηριζόταν από πολύ καλές θερμομονωτικές ιδιότητες (συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας λ=0.03 W/m.K και συντελεστή θερμικής αδράνειας σε διάχυση e=14.4 W.s1/2 /(m2.K), ειδική θερμότητα Cp= 226.16 J/Kg.K, θερμική διαχυτότητα α= 5.9*10-7 m2/s). Tο υλικό παρουσιάζει μικρή ροή θερμότητας στην μονάδα του χρόνου μέσα από την μονάδα του όγκου του (λ), μικρή ταχύτητα διάδοσης της ενέργειας μέσα από την μάζα του κατά την διάρκεια της μεταβολής της θερμοκρασίας του (α) και χαμηλή απορρόφηση θερμικής ενέργειας από το περιβάλλον, κάτω από μεταβατικές συνθήκες όπως σε θερμικό αιφνιδιασμό (e). Μειονεκτούσε ως προς την μεγάλη του πυκνότητα (ρ= 287.67 Kg/m3). Μετά τις θερμικές κατεργασίες οι έλεγχοι φανερώνουν πολύ περιορισμένες αλλαγές στις θερμικές ιδιότητες για κατεργασίες μιας ώρας μέχρι και τους 600οC. Παρατηρήθηκε ακόμα μείωση της φαινόμενης πυκνότητας (23% με 24% μετά από κατεργασία μέχρι τους 600ο σε σχέση με το μη θερμικά κατεργασμένο υλικό) και μικρή συρρίκνωση των δοκιμίων, χωρίς παραμόρφωση, λόγω απομάκρυνσης φυσικά και χημικά ροφημένου νερού από το ανόργανον πολυμερές. Από τα αποτελέσματα αυτά κρίθηκε η θερμοκρασία των 600οC ως η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας του παραχθέντος θερμομονωτικού. Γενικά, το ανόργανο πολυμερές που παρήχθει παρουσίασε καλές θερμομονωτικές ιδιότητες και αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Υστερεί από τα εμπορικά θερμομονωτικά ως προς το ειδικό βάρος. Περαιτέρω έρευνα ως προς τον έλεγχο ανάπτυξης των κυψελίδων – πόρων ή και αντικατάσταση της υπέρλεπτης πρώτης ύλης από διογκωμένο προϊόν, ενδέχεται να οδηγήσει σε μείωση του ειδικού βάρος του τελικού προϊόντος.

The aim of this diploma thesis was the synthesis of a foamed inorganic polymer to be used as a thermal insulator. The emerging technology of geopolymerization was used for the synthesis of this material utilizing as a solid raw material the ultrafine perlite by-product produced during the mechanical treatment of mined perlite. The thesis was focused mainly on the study of the thermal characteristics of the foamed geopolymers in relation to their degree of foaming that was measured as the % cell volume. In addition, the thermal stability of their thermophysical properties was determined in the temperature region 100o – 800o C. The experimental part of this thesis was divided into two sections; a) The synthesis of foamed inorganic polymers using fine perlite as raw material and b) the study of the effect of thermal treatment in the thermo-physical properties of the inorganic polymer. The inorganic polymers were produced through the geopolymerization technology utilizing ultrafine perlite as a solid raw material and 8M sodium hydroxide solution as a strong alkaline aqueous phase. The foaming of inorganic polymers was achieved by the addition of appropriate amounts of 30% w/w aqueous solution of H2O2 into the viscous paste produced by the mixing of perlite with the strong alkaline aqueous phase. Then, the paste was cured at 35oC in order for the H2O2 to be decomposed producing gaseous O2 which acts as the real foaming agent creating closed cells in the geopolymeric matrix. The produced inorganic polymers were, characterized for their apparent density, % cell volume, thermal conductivity λ, thermal effusivity e , thermal diffusivity a and specific heat capacity Cp. The foamed inorganic polymer that demonstrated the optimum thermal characteristics was subjected to thermal treatment for 1h at several temperatures in the region in-between 100o and 800oC. After the thermal treatments, the thermo-physical properties of treated materials were determined and their macro- and micro- structure were studied. The foamed inorganic polymeric material produced had excellent thermal properties (λ=0.03 W/m.K , e=14.4 W.s1/2/(m2.K) , Cp=226.14 J/kg.K and a=5.9*10-7m2/s ) which were directly comparable with the corresponding ones of the existing commercial thermal insulation materials. On the other hand, the material was disadvantageous as far as the apparent density was concerned (ρ= 287.67 kg/m3). This was attributed to the ineffective and uncontrolled foaming mechanism that was used within the frame of this work. The results of the thermal treatment revealed very limited changes in the thermal properties of the material for temperatures up to 600°C. Macroscopically, shrinkage but no deformation of the specimens was noted. In addition a weight loss was noticed, attributed to the loss of physically and chemically bonded water of the material, resulting to substantial decrease in the apparent density of materials. The maximum temperature of use for the foamed inorganic polymeric material produced in this work was set at 600οC. Generally, the foamed inorganic polymer that was produced demonstrated excellent thermal insulating properties and satisfactory performance in high temperatures. The material has the disadvantage of the considerable apparent density but further improvement may be achieved through research on the optimization of the cell volume development, and/or the substitution of the ultrafine perlite with expanded perlite