Ανάπτυξη αφρωδών θερμομονωτικών ανόργανων πολυμερών υλικών από βιομηχανικά ορυκτά
Authors: Τσαούση Γεωργία-Μαρία 
Published: September 2021

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.