Výzkum a použití ve 20. století

Kapitoly, které pojednávají o hromadném využití geopolymérní hmoty v dobách dávno minulých, naznačují, jak veliký význam materiál měl. Pokud se spekulace o znalosti studené syntézy potvrdí od zikkuratů až po Koloseum, znamenalo by to, že celých dlouhých 3 tisíce let používalo lidstvo dokonalejší materiál, nežli dnešní portlandský cement. Zároveň by to znamenalo, že se dávné civilizace chovaly nadmíru ekologicky, přestože počet obyvatel na planetě byl několikanásobně nižší nežli dnes. Je pravdou, že ekologické chování starých Římanů je relativní, vždyť právě gladiátorské hry způsobily téměř vyhynutí některých živočišných druhů.

Vlevo: římský vítězný oblouk z vrcholného období Římské Říše 4.stol.
vpravo: křesťanská stavba z 8.stol., která se snaží mu podobat, ale neví, jak na to.

Po rozpadu Římské říše upadly do zapomnění nejen znalosti stavitelské, ale i ekonomicko-správní, politické a kulturní. Celkové atmosféře doby temna dopomohl i charakter ranně křesťanského náboženství, kdy všechno jako by začínalo od nuly. A trvalo neuvěřitelných 1500 let k vynalezení převratného materiálu, portlandského cementu. A trvalo dalších 150 let k objevu, že existuje něco daleko lepšího, lidstvu známého několik tisíc let před portlandským cementem.

Znovuobjevení studené syntézy

V roce 1972, tým vědců v oboru keramiky, J.P. Lapatie a M. Davidovics potvrdili, že vodě odolné keramické obkladačky mohou být vyrobeny za teploty nižší nežli 450°C, tj. bez pálení.

Jeden díl jílu, kaolínu, zreagovaný s uhličitanem sodným za teploty 150°C. Jsou záznamy, že k průmyslové aplikaci této keramické reakce s alkálií došlo již v keramických závodech firmy Olsen v roce 1934. O téměř čtyřicet let později byla reakce znovuobjevena ruským týmem vědců Berg & al. v roce 1970. Avšak ani tento počin neměl žádné úspěšné pokračování ve smyslu zavedení průmyslové výroby. Od roku 1969 se vědci Besson, Caillere a Henin ve Francouzkém muzeu přírodní historie v Paříži zabývali studenou syntézou. Výsledkem jejich práce bylo spojení různých kaolinitických látek v koncenrtovaném roztoku chloridu sodného za teploty 100°C. V roce 1974 popsal ukrajinský vědec Babuškin devět základních polymerizačních reakcí. Chemické rovnice jsou uvedeny v tabulce na další straně.

devět chemických reakcí popsaných vědcem Babuškinem

Další vývoj na poli geopolymérních hmot přebírá francouzký tým pod vedením prof. Josepha Davidovitse. Právě on jako první zavedl pro látky charakteristické alkalickou syntézou název Geopolymery.

Geopolymere, prof. Joseph Davidovits

Prof. Dr. Joseph Davidovits zkoumá vzorky kamene Joseph Davidovits je světově uznávaný francouzský vědec, narozený v roce 1935, působící ve Francii, Evropě, USA, Austráli a v Číně. V roce 1998 získal vysoké ocenění „Chevalier de l Ordre National du Merite“ od francouzského prezidenta Jacquese Chiraca. Je autorem nebo spoluautorem více než 130 vědeckých publikací a konferencí, a více nežli 50 patentů.

Joseph Davidovits, vynálezce a vývojář geopolymerizace, zavedl v roce 1978 termín „geopolymer“, aby pojmenoval nově objevenou geosyntézu, která produkuje anorganické polymerní materiály, dnes používaných v mnoha průmyslových odvětvích. Dříve se do roku 1972 svou činností věnoval výzkumu organických pojiv pro slévárenství, textilních syntetických vláken, přírodních a syntetických kůží, kolagenů a organických membrán. Do té doby ještě netušil, že větší část jeho vědecké kariéry bude směřovat mimo pole organické chemie.

První podněty

rozsáhlé požáry ve Francii na počátku 70. let, plasty sehráli svou negativní roli V období po katastrofických požárech ve Francii mezi léty 1970 – 1973, kde hlavním nepřítelem byly právě hořlavé plasty, se výzkum zabýval právě hledáním nehořlavých a nevznítitelných plastických materiálů. Právě to bylo impulsem pro založení soukromé výzkumné společnosti v roce 1972, dnes s názvem CORDI-GEOPOLYMERE. Ve snaze vyvinout nový anorganický polymerní materiál byl Davidovits podporován faktem, že normální hydrotermické podmínky řídí syntézu některých organických plastů a také žáruodolných minerálů jako jsou živice a zeolity.

Vědecká literatura a platné patenty naznačovaly, že geochemie založená na syntéze zeolitů a molekulárních zrn zatím nebyla implementována pro produkci minerálních pojiv a minerálních polymérů. To vedlo k vyvinutí amorfní až semikrystalické třídimenzionální silico-aluminiové hmotě, kterou dále nazýváme (dle Davidovitse) „geopolymeres“ (minerální polyméry vzniklé geochemicky nebo geosyntézou)

1972 -1976 žáru odolné dřevoštěpkové panely

První aplikace byla ve stavebnictví, za přispění J.J. Legranda. Jednalo se o požáru odolné dřevoštěpové desky, složené z dřevěného jádra a vnější vrstvy z SILIFACE Q nanokompozitního nátěru. Tento panel byl vyroben v jednom samostatném procesu a patentován, US 3,950,47, US 4,028,454. Panely byly vyvíjeny po dobu čtyř let. Průmyslovými partnery byly francouzské podniky A.G.S. a Saint-Gobain a klientem byla francouzská vláda. Projekt směřoval do výstavby středních a vysokých škol. Rozhodnutí pro vybudování první továrny na výrobu těchto desek bylo vydáno, ale posléze v roce 1976 proběhla změna ve stavební politice a na základě rozhodnutí vlády byla implementace zastavena. Projekt byl opuštěn.

1977 – 1978 Aplikace pro keramický průmysl

Velmi zajímavých výsledků bylo dosaženo se směsí přírodních kaolínů a křemene, použíté francouzskou firmou A.G.S. (Agriles & Mineraux).

elektrosvíčky firmy LEGRAND

V této přírodní směsi jsou zrnka křemene obaleny kaolínovou hmotou. Výsledný produkt měl označení SILIFACE Q. Nahrazením křemene syntetickým cordieritem vzniká nanokompozit zvaný SILIFACE COR70, který má vyjímečnou tepelnou stabilitu a velmi nízkou teplotní roztažnost. Unikátní geopolymer byl testován pro výrobu elektrických svíček pro francouzskou továrnu LEGRAND v letech 1977 – 1978. Mechanické vlastnosti byly vynikající, bohužel vodní nasákavost (0,3%) byla nedostačující a projekt byl opuštěn.

1977 – 1982 L.T.G.S. technologie

cihla vyrobená technologií L.T.G.S.

Nízkoteplotní geopolymerická fůze (L.T.G.S.) schne při teplotách 50°C - 250°C, v zásaditém prostředí díky oligosialátu jako prekursoru (-Si-O-Al-O-) (Na) v koncentracích od 2 do 6 % váhy keramické pasty. Kaolinit v jílu je transformován LTGS technologií v třídimenzionální kompozit poly(sialátu) Na-PS modalitního typu. Ten je odolný vodě a vykazuje vysokou mechanickou pevnost, patentován francouzským patentem 2,490,626. Technologie L.T.G.S. může dramaticky rozvinout a modernizovat tradiční keramický průmysl.

1979 – 1995 Vývoj geopolymérního pojiva

ukázka napěněné geopolymerní hmoty

Nová terminologie byla klíčem k úspěšnému vývoji nových materiálů. Pro normálního uživatele jsou geopolymery polymery, které v analogii s organickými polymery derivovanými z ropy prochází polykondenzací a vznikají velmi rychle za normální teploty během několika minut. Ale jsou zároveň GEO-, to znamená anorganické, pevné, odolné teplotě do 1250°C a nevznítitelné.

umělecké předměty vyrobené z geopolymerní hmoty

Tekutá pojiva, která jsou anorganickým ekvivalentem organických pryskyřic, byly vyvinuty skupinou vědců (včetně Michel Davidovics a Nikolas Davidovits). Obchodní názvy byly tyto: GEOPOLYMIT, dále TROLIT a WILLIT. Pole působnosti materiálů se od roku 1979 rozšiřovalo od leteckého inženýrství, nukleárního sektoru, uměleckých reprodukcí, tepelných izolací budov, slévárenství, odlévání, výroby kovů, atd. a také v neposlední řadě archeologického výzkumu.

1983 Vynález geop. vysoce pevného cementu

oprava chodníku v USA s využitím geopolymerního cementu Látka je chemicky definovaná jako (K-Ca)(Si-O-Al-O-Si-O-) Poly(sialate-siloxo) cement. Roku 1983 cestovali jednatelé americké společnosti Lone Star Industrie (J. Stewart a W. Kirkpatrick), (poté vedoucí světový producent cementu) po Evropě a poznali zde nová geopolymerická pojiva. Lone Star Industrie a Shell ropná společnost oznámili vznik společnosti QUAZITE, která bude vyvíjet, produkovat a obchodovat novou třídou materiálů, jejichž využití se předpokládá v oblasti stavebnictví, architektury a inženýrských aplikací. QUAZITE materiály byly vyráběny z minerálních surovin kombinovaných s polymery a monomery. Jinými slovy, QUAZITE byl beton s organickým pojivem. Shell dodával chemické expertýzy k organickým pojivům, zatímco Lone Star měl za úkol minerální suroviny. Od zavedení anorganických geopolymerů, přivezených z Francie, využil Lone Star přiležitosti odpoutat se od závislosti na expertýzách Shellu. Lone Star se v srpnu 1983 pod vedením Jamese Sawyera rozhodla začít vyvíjet první vysocepevnostní geopolymerická pojiva a cementy založené na znalosti obou, jak geopolymerických, tak hydraulických cementech. Během jednoho měsíce se zformovala dceřiná společnost PYRAMENT, která měla exkluzivně za úkol implementaci nového pojiva na trh. O několik měsíců později se rozpadla družba mezi Lone Star a Shellem.

oprava silnice geopolymerním betonem v USA Bylo objeveno, že přidáním mleté vysokopecní strusky, což je v podstatě latentní hydraulický cement, k polysialátu typu geopolymeru, zrychlují se časy zrání a značně zlepšují pevnost v tlaku a ohybu. Na rozdíl od portlandského cementu, geopolymerní cement není založen na vápně, není proto ohrožen kyselými roztoky. Portlandské cementy jsou náchylné na kyselé prostředí. Cementy z hlinitanů vápenatých jsou velice drahé, a nechovají se uspokojivě, vykazují 30-60% hmotnostních ztrát. Poly(sialate-siloxo) typ, neboli GEOPOLYMITE, zůstává stabilní se ztrátou okolo 5-8%. Tento cement odolný vůči kyselinám tvrdne velmi rychle při pokojové teplotě a vykazuje pevnost v tlaku až 20MPa za 4 hodiny schnutí. Při testování materiálu, dle platných norem pro hydraulická pojiva, byla naměřena pevnost 70-100 MPa a to na konci cyklu zrání, po 28 dnech.

Geopolymerní cement PYRAMENT je ideální materiál pro opravu runwají, původně zhotovených z betonu, chodníků a dálnic. V případě rozjezdové dráhy pro letadla stačí 4-6 hodin, aby zde mohly přistávat Airbusy, nebo Boeingy. N podzim roku 1994 vydalo US Army oddělení inženýrství bohatě dokumentační studii o výhodách Pyramentu a betonech ze zmíněného materiálu. Tato studie dopadla velice příznivě ve prospěch použití geopolymerního materiálu pro vysoce kvalitní betony.

1987 – 2000 Ohnivzdorná geopolymerní vlákna, vyztužené kompozity

Když havaruje letadlo a vzplane na palubě oheň, polovina lidí, kteří přežili samotný dopad se nemusí dostat ven včas. Je to kvůli plastům uvnitř kabiny, vycpávky sedadel, koberce, stěny a schránky na zavazadla, to všechno je hořlavé.

A když výše uvedené hoří, vznikají velice jedovaté splodiny. Kromě toho i výbušné plyny, které se hromadí a zhruba do dvou minut mohou explodovat. V roce 1994 vyhlásila U.S. Federál Aviation Administration (F.A.A.) konkurz na výzkum materiálu, který by dal pasažérům více času na únik. Požadavkem byla i nízká cena, ekologičnost a požární odolnost. Kompozitní geopolymer byl vybrán jako nejlepší kandidát pro tento program.

testování odolnosti vůči vznícení

Současnost – důraz na obnovu kulturního dědictví

V současné době pokračují vývoj po boku aplikace u všech zmíněných oblastí. Zároveň se zvyšuje poptávka po opravách starých kamenných památek a to mimo jiné v souvislosti s rozvojem turistického ruchu. Aplikace je podporována rozsáhlým archeologickým průzkumem Prof. Josepha Davidovitse, který pomalu odhaluje tajemství starověkých kultur a jejich mystických staveb.

Přihlášení:
login:
heslo: