Nowy typ supertrwałych materiałów o unikatowych właściwościach opracował zespół naukowców z Politechniki Krakowskiej. Wynalezione przez nich tworzywo geopolimerowe (tzw. sztuczny kamień) można wykorzystać m.in. w budownictwie, konserwacji zabytków, produkcji odpornych na korozję rur, a także w motoryzacji czy przemyśle lotniczym. Do produkcji geopolimeru posłużył tuf wulkaniczny występujący w okolicach Krakowa.

Dr hab. inż. Janusz Mikuła, prof. PK i mgr inż. Michał Łach z Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej opracowali nowatorski sposób otrzymywania tworzyw lub spoiw o strukturze polimeru nieorganicznego - geopolimeru. Surowcem zastosowanym w wynalazku jest tuf wulkaniczny z okolic podkrakowskich Filipowic (tzw. tuf filipowicki - poniżej na zdjęciu z mikroskopu skaningowego / fot. PK), który dzięki korzystnym parametrom (łatwość w obróbce, dobre właściwości termoizolacyjne) był dawniej chętnie stosowany w budownictwie jako kamień budowlany. Obecnie podkrakowskie złoża tufu nie są eksploatowane.

„Geopolimery na bazie tufu wulkanicznego mają bardzo wiele zalet, m.in.: wysoka wytrzymałość mechaniczna, szybszy początek wiązania, podwyższona kwasoodporność i odporność na chlorki i siarczany, bardzo wysoka odporność termiczna, bardzo wysoka odporność na niską temperaturę, bardzo wysoka odporność na ścieranie, brak korozji stali w kontakcie z geopolimerem, dostępność surowców” - wyjaśnia prof. Janusz Mikuła. Koszt produkcji nowego materiału jest porównywalny z kosztami produkcji betonów tradycyjnych, z jedną znaczącą przewagę - niską szkodliwością dla środowiska. Synteza geopolimerów jest procesem dwukrotnie mniej energochłonnym niż produkcja cementu portlandzkiego oraz powoduje wydzielanie od 4 do 8 razy mniej dwutlenku węgla.

Na bazie wynalazku naukowców z PK można produkować m.in. okładziny budynków, materiały izolacyjne, pokrycia antykorozyjne, materiały ognioodporne, kompozyty do zaawansowanych zastosowań, formy odlewnicze czy wiele materiałów wykończeniowych w budownictwie. Możliwe jest wytwarzanie powłok geopolimerowych na powierzchniach takich materiałów jak beton, stal, ceramika czy drewno.

Powłoki geopolimerowe na bazie tufu wulkanicznego mogą być też stosowane w produkcji rur stalowych lub żeliwnych do przesyłu wody lub ścieków. „Taka powłoka naniesiona z kolei na ścianę w pomieszczeniu mieszkalnym to kilkumilimetrowa warstwa syntetycznego kamienia, której struktura może być zaprojektowana tak, by regulowała wilgotność w pomieszczeniu i wiązała nieprzyjemne zapachy” - dodaje prof. Mikuła.

 

Otrzymywanie geopolimerów z materiału takiego jak metakaolin czy popiół lotny jest szeroko opisywane w literaturze światowej,  natomiast nie ma doniesień o rozwiązaniu proponowanym przez naukowców z PK, czyli zastosowaniu tufów porfirowych do wytwarzania geopolimerów. Taki sposób wytwarzania geopolimeru, który powstaje dzięki fizycznej i chemicznej obróbce tufu filipowickiego, jest unikatowym rozwiązaniem opracowanym przez naukowców z PK.

 

Geopolimery są materiałami glinokrzemianowymi, które powstają poprzez reakcję proszku glinokrzemianu w alkalicznym roztworze, w temperaturze poniżej 100oC (możliwe jest także otrzymywanie geopolimerów w temperaturze otoczenia). Ich struktura jest bardzo zbliżona do naturalnych kamieni występujących w przyrodzie, dlatego geopolimery nazywane są często „sztucznymi kamieniami”. Składają się one z długich łańcuchów cząsteczek - kopolimerów tlenków krzemu i glinu - i stabilizujących je kationów metali, najczęściej sodu, potasu oraz związanej wody.  Wiązanie zachodzi w mocno alkalicznych roztworach wodnych, w których reaktywne glinokrzemiany ulegają roztworzeniu, a następnie łączą się ze sobą tworząc amorficzne lub subkrystaliczne przestrzenne struktury glinokrzemianowe.

Struktura geopolimerów wytwarzanych sztucznie na bazie tufu wulkanicznego jest zbliżona do budowy klatkowej podobnej jak w przypadku naturalnych materiałów, powstających w wyniku procesów geologicznych. Główna różnica polega na braku uporządkowania dalekiego zasięgu, a tego typu struktura decyduje o wyjątkowych właściwościach nowego materiału. Spoiwa geopolimerowe na bazie tufu filipowickiego charakteryzują się wysoką wytrzymałością na ściskanie rzędu 40-50 MPa oraz żaroodpornością do temperatur rzędu 1000oC. Po ekspozycji w temperaturze 900oC wytrzymałość na ściskanie wytworzonych spoiw wynosi ok. 50 MPa.

Twórcy rozwiązania podkreślają, że ma ono bardzo duży potencjał jeśli chodzi o wprowadzenie do produkcji. Złoża tufu są duże, proces wytwarzania geopolimerów nie jest skomplikowany. W większości etapów procesu produkcyjnego możliwe jest wykorzystanie urządzeń stosowanych w produkcji popularnych betonów na bazie cementu portlandzkiego. Wstępne próby technologiczne potwierdziły możliwość wytwarzania tego rodzaju produktów w funkcjonujących na rynku zakładach.

Rozwiązanie naukowców z PK zostało zgłoszone do ochrony patentowej.