Учёные из Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова (Филиала НИЦ «Курчатовский институт»‑ПИЯФ‑ИХС, город Санкт‑Петербург) выяснили, что на прочность минеральных материалов с сетчатой структурой (геополимеров) влияет форма частиц, из которых эти геополимеры синтезировали.
По словам исследователей, 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.
Как отметили учёные, использовать эти соединения можно для хранения радиоактивных отходов. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда. Результаты исследования 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 и для связывания и хранения опасных промышленных и радиоактивных отходов.
Как объяснили в Институте химии силикатов имени И. В. Гребенщикова, геополимеры до сих пор широко не используются, потому что не до конца известно, как на их свойства, например, прочность и долговечность, влияет состав и структура веществ‑предшественников, как и условия синтеза.
В новом исследовании учёные выяснили, как именно форма алюмосиликатных частиц, используемых для синтеза геополимеров, влияет на свойства получаемых материалов. Авторы работы сравнили три варианта образцов: нанотрубки, частицы пластинчатой и сферической формы.
Все три варианта образцов нагрели до 750 °С, далее смешали их со щёлочью, которая активировала геополимеризацию, и оценили прочность полученных материалов. Для этого образцы полноценных геополимеров сжимали и изгибали. Геополимеризация — это процесс, когда кристаллическая структура исходных частиц разрушается, из которых высвобождаются кремний и алюминий, вступающие в химическую реакцию и формирующие прочную полимерную сетку.
Наибольшую устойчивость к сжатию продемонстрировал материал на основе нанотрубок — этот геополимер выдержал давление в 1,5 раза большее, чем образцы из пластинчатых, и в 2 раза большее, чем образец из сферических частиц.
Также исследователи отметили, что прочность на изгиб у геополимера, синтезированного из нанотрубок, оказалась в 2–2,6 раза выше, чем у остальных исследованных материалов.
Учёные связали такую прочность с тем, что нанотрубки имеют большую (чем у других частиц) площадь поверхности и полость внутри, что способствует их лучшему растворению и взаимодействию со щёлочью. Эти качества материала формируют более однородную и плотную микроструктуру. Также по словам исследователей, даже в случае эффективной полимеризации в материале остаётся небольшое количество нанотрубок, не вступивших в реакцию и сохранивших свою исходную структуру. Анализ показал, что эти нанотрубки выполняют роль своеобразной арматуры и дополнительно упрочняют материал.
Как рассказала руководитель проекта, доктор химических наук, заведующая лабораторией химии силикатных сорбентов Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова Ольга Голубева, высокопрочные геополимеры будут полезны не только в строительстве. Они способны «впитывать» и удерживать опасные соединения, благодаря чему помогут решить проблему утилизации твёрдых промышленных и радиоактивных отходов. Это особенно актуально для России как страны с развитым атомным сектором.
Кроме того, Голубева отметила, что 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 учёные института планируют изучить морозостойкость данных материалов и их способность иммобилизировать радиоактивные отходы.
Источник: habr.com