Ученые раскрыли секрет создания прочных минеральных полимеров для экологичного строительства

Ученые выяснили, что на прочность геополимеров — минеральных материалов с сетчатой структурой — влияет форма частиц, из которых их синтезировали. Оказалось, что при использовании нанотрубок прочность соединения оказывается максимальной и превосходит образцы, синтезированные из частиц пластинчатой и сферической формы, в 1,5–2,6 раза соответственно. Полученные данные позволят создавать на основе геополимеров долговечные и экологичные строительные материалы, а также использовать эти соединения для хранения радиоактивных отходов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ACS Applied Engineering Materials.

Геополимеры — это материалы, синтезируемые на основе природных алюмосиликатов (минералов, содержащих атомы алюминия и кремния). Благодаря высокой прочности их потенциально можно применять в строительстве, в технике при создании термостойких покрытий, а также для связывания и хранения опасных промышленных и радиоактивных отходов. Однако геополимеры до сих пор широко не используются, потому что остается не до конца понятно, как на их свойства — в первую очередь прочность и долговечность — влияет состав и структура веществ-предшественников, а также условия синтеза.

Исследователи из Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова (Филиала НИЦ «Курчатовский институт»-ПИЯФ-ИХС, Санкт-Петербург) выяснили, как форма алюмосиликатных частиц, используемых для синтеза геополимеров, влияет на свойства получаемых материалов. Авторы сравнили три варианта образцов: нанотрубки, частицы пластинчатой и сферической формы.

Все образцы нагрели до 750°С, после чего смешали их со щелочью, которая активировала геополимеризацию — процесс, когда кристаллическая структура исходных частиц разрушается. Из них высвобождаются кремний и алюминий, вступающие в химическую реакцию и формирующие прочную полимерную сетку.

Авторы оценили прочность полученных материалов. Для этого образцы геополимеров сжимали и изгибали. Наибольшую устойчивость к сжатию продемонстрировал материал на основе нанотрубок — он выдержал давление в 1,5 и 2 раза большее, чем образцы из пластинчатых и сферических частиц соответственно.

Прочность на изгиб у геополимера, синтезированного из нанотрубок, оказалась в 2–2,6 раза выше, чем у других исследованных материалов. Ученые связали это с тем, что нанотрубки имеют большую, чем у других частиц, площадь поверхности, а также полость внутри, что способствует их лучшему растворению и взаимодействию со щелочью. В результате они формируют более однородную и плотную микроструктуру. При этом даже в случае эффективной полимеризации в материале остается небольшое количество нанотрубок, не вступивших в реакцию и сохранивших свою исходную структуру. Анализ показал, что они выполняют роль своеобразной арматуры и дополнительно упрочняют материал.

«Высокопрочные геополимеры будут полезны не только в строительстве. Они способны "впитывать" и удерживать опасные соединения, благодаря чему помогут решить проблему утилизации твердых промышленных и радиоактивных отходов. Это особенно актуально для России как страны с развитым атомным сектором. Кроме того, усовершенствование и промышленное внедрение технологии получения геополимерных материалов позволит упростить строительство сооружений в малодоступных локациях. Так, устойчивость геополимеров к низким температурам позволит использовать их в арктических и субарктических регионах. Поэтому в дальнейшем мы планируем изучить морозостойкость данных материалов и их способность иммобилизировать радиоактивные отходы», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ольга Голубева, доктор химических наук, заведующая лабораторией химии силикатных сорбентов Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова (Филиала НИЦ «Курчатовский институт»-ПИЯФ-ИХС).