Σύνθεση νανο-μετακαολίνη μέσω μηχανικής ενεργοποίησης για την παραγωγή κονιαμάτων με προηγμένες ιδιότητες
Authors: Κοσμίδη Δήμητρα 
Published: July 2024

Ο καολίνης είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο βιομηχανικό ορυκτό το οποίο παρουσιάζει σημαντικές ιδιότητες, μερικές από τις οποίες είναι η χημική αδράνεια, η δυνατότητα δημιουργίας αιωρημάτων, το χαμηλό κόστος παραγωγής κ.α. Προϊόν της θερμικής κατεργασίας του καολίνη, σε θερμοκρασία υψηλότερη από 450οC, είναι ο μετακαολίνης, ένα άμορφο υλικό το οποίο χαρακτηρίζεται από αυξημένη ποζολανικότητα. Για το λόγο αυτό, ο μετακαολίνης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρόσθετο υλικό στο σκυρόδεμα ενισχύοντας έτσι τις μηχανικές του ιδιότητες και κυρίως την ανθεκτικότητα και την αντοχή του. Τα τελευταία χρόνια, το επιστημονικό ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην, πολλά υποσχόμενη, χρήση των νάνο σωματιδίων (<10nm) σε ποικίλες εφαρμογές. Τα υλικά που ανήκουν σε αυτή την τάξη μεγέθους παρουσιάζουν ιδιαίτερα βελτιωμένες ιδιότητες συγκριτικά με τα αντίστοιχα υλικά ίδιας χημικής σύστασης αλλά μεγαλύτερου μεγέθους. Σήμερα, το μέγεθος των κόκκων του μετακαολίνη μπορεί να μειωθεί στην νάνο κλίμακα όταν υποστεί λειοτρίβηση σε κατάλληλες συνθήκες ταχύτητας και χρόνου. Η νανοτεχνολογία εφαρμόζεται ήδη στη βιομηχανία του σκυροδέματος, με αποτέλεσμα να παράγονται προηγμένα προϊόντα τα οποία μάλιστα χαρακτηρίζονται από καινοτόμες ιδιότητες. Τα νέα αυτά προϊόντα έχουν πρόσθετη αξία συγκριτικά με τα συμβατικά και παρουσιάζουν μεγάλο εμπορικό ενδιαφέρον λόγω αφενός των βελτιωμένων ιδιοτήτων τους αλλά και αφετέρου του μειωμένου κόστους παραγωγής και ενεργειακής κατανάλωσης. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στη σύνθεση και ανάπτυξη νάνο–μετακαολίνη για εφαρμογή σε τσιμεντοκονιάματα. Η μελέτη αφορά την ανάπτυξη μιας νέας διαδικασίας παραγωγής νανομετακαολίνη, η οποία στηρίζεται στη μέθοδο άλεσης υψηλής ενέργειας (High Energy Ball Milling) και τη σύγκριση της με τους ήδη υπάρχοντες τρόπους παραγωγής του σε δύο στάδια, δηλαδή θερμική κατεργασία ακολουθούμενη από λειοτρίβηση. Η προτεινόμενη νέα διαδικασία παρουσιάζει ένα σημαντικό πλεονέκτημα συγκριτικά με τη συνδυαστική εφαρμογή των δυο εφαρμοζόμενων μεθόδων. Η παραγωγή του νανομετακαολίνη λαμβάνει χώρα σε ένα και μόνο στάδιο, όπου επιλέγοντας τις κατάλληλες συνθήκες (χρόνος και ταχύτητα λειοτρίβησης), το τελικό προϊόν που προκύπτει είναι απευθείας νανομετακαολίνης. Επιπρόσθετα, πρόκειται για μια διαδικασία χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης και περιβαλλοντικά βιώσιμης αφού μπορεί να αποφευχθεί η χρήση ορυκτών πόρων για την πραγματοποίησή της. Στα πλαίσια της διατριβής μελετήθηκαν δυο ποιότητες καολίνη, ένας υψηλής και ένας χαμηλής καθαρότητας. Το πρώτο μέρος της πειραματικής διαδικασίας αφορά την θερμική κατεργασία των καολινών και τον χαρακτηρισμό των δειγμάτων αναφορικά με την επίτευξη της ενεργοποίησής τους (XRD, FTIR) αλλά και την ποζολανική τους δραστικότητα (μέθοδος Chapelle). Γίνεται σύγκριση μεταξύ των δυο αρχικών καολινών και επιλέγονται οι κατάλληλες συνθήκες ενεργοποίησης και τα αντίστοιχα δείγματα που θα λειοτριβηθούν για την παραγωγή του νανομετακαολίνη στο επόμενο στάδιο. Το δεύτερο μέρος αφορά την μηχανική κατεργασία των καολινών, αρχικών και θερμικά κατεργασμένων. Για όλα τα δείγματα πραγματοποιήθηκε πλήρης αξιολόγηση τόσο ως προς τη θερμική τους συμπεριφορά (ενεργοποίηση, δραστικότητα) όσο και ως προς την κοκκομετρία και τη μορφολογία των σωματιδίων (DLS, BET, SEM). Για τα δείγματα νανομετακαολίνη που παράχθηκαν σε ένα στάδιο κατεργασίας ακολουθήθηκε διερεύνηση των συνθηκών ώστε να βρεθεί το βέλτιστο δείγμα. Οι συγκρίσεις μεταξύ των δειγμάτων αφορούσαν τη χρονική διάρκεια και την ταχύτητα σε συνδυασμό όμως με τα αποτελέσματα των χαρακτηρισμών της μικροδομής. Επιπλέον, έγινε σύγκριση της ποζολανικότητας των μηχανικά ενεργοποιημένων δειγμάτων με αυτή των θερμικά ενεργοποιημένων καθώς λόγω του διαφορετικού μηχανισμού αμορφοποίησης οι τιμές φαίνεται να έχουν μεγάλη απόκλιση μεταξύ τους. Ωστόσο, για την πλήρη κατανόηση και την ασφαλή εξαγωγή συμπερασμάτων αναφορικά με τη δραστικότητα των μηχανικά ενεργοποιημένων δειγμάτων εξετάστηκε η επίδρασή τους στην παραγωγή κονιαμάτων. Η μελέτη αυτή επικεντρώθηκε κυρίως στην εξέταση των μηχανικών ιδιοτήτων (αντοχή σε κάμψη και μονοαξονική θλίψη) αλλά και στον τρόπο εφαρμογής του νανοϋλικού προκειμένου να ληφθούν τα βέλτιστα αποτελέσματα.Τέλος, πραγματοποιήθηκε ένας συνοπτικός υπολογισμός των ενεργειακών καταναλώσεων που αφορούν όλα τα στάδια της παραγωγής του νανομετακαολίνη αλλά και την τελική εφαρμογή του. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν επιβεβαιώνουν πως η προτεινόμενη μέθοδος παραγωγής διαφοροποιείται σημαντικά από τη συμβατική λόγω της ενεργειακής και οικολογικής της βιωσιμότητάς.