Sumário. 1. Introdução. Geopolímeros: Novos materiais poliméricos inorgânicos

Geopolímeros: Novos materiais poliméricos inorgânicos

Joseph Davidovits

Sumário

Espetacular progresso tecnológico tem sido feito nos últimos anos através do desenvolvimento de novos materiais, como os geopolímeros, e novas técnicas, tais como o "sol-gel". Materiais modernos concebidos com a ajuda de reações de geopolimerização estão dando abertura a novas aplicações e procedimentos e transformando ideias tidas como certas na química inorgânica. Técnicas em altas temperaturas já não são necessárias para obter materiais semelhantes às cerâmicas em suas estruturas e propriedades.

Estes materiais podem policondensar como polímeros orgânicos, em temperaturas inferiores a 100°C. A geopolimerização envolve a reação química de óxidos de aluminossilicatos (Al

em número de coordenação IV) com polissilicatos alcalinos produzindo ligações poliméricas Si-O-Al; as estruturas tridimensionais amorfas a semicristalinas dos sílico-aluminatos são do tipo polissialato (-Si-O-Al-O-), polissiloxossialato (-Si-O-Al-O-Si-O-), polidissiloxossialato (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-).

Esta nova geração de materiais, usado puro, com fillers ou reforçado, já está encontrando aplicações em todas as áreas da indústria. Alguns exemplos:

• Puro: para armazenamento de resíduos químicos tóxicos ou radioativos, etc.

• Com fillers: para a produção de concretos especiais, moldes para moldagem de termoplásticos, etc.

• Reforçado: para a fabricação de moldes, ferramentas, em fundições de ligas de alumínio e metalurgia, etc.

Essas aplicações podem ser encontradas na indústria automobilística e aeroespacial, fundições de metais não-ferrosos e metalurgia, engenharia civil, indústrias de plásticos, etc.

1. Introdução

As investigações do comportamento térmico de materiais orgânicos e inorgânicos desempenharam um papel importante na minha carreira científica.

Trinta anos atrás, quando eu introduzi o DTA (Análise Térmica Diferencial) como uma nova ferramenta para a compreensão do comportamento estrutural de poliuretanos e oligouretanos, tive que construir o meu próprio equipamento. A bibliografia da minha tese de doutorado continha apenas duas referências lidando com a análise térmica diferencial de polímeros orgânicos. Hoje, a caracterização de materiais avançados é realizada rotineiramente utilizando a análise térmica. Em consequência de vários incêndios catastróficos ocorridos na França em 1970/73, pareceu útil realizar a investigação de novos materiais resistentes ao calor sob a forma de materiais plásticos não-inflamáveis e não- combustíveis. Os geopolímeros são o resultado desta pesquisa. Meu trabalho e desenvolvimento realizado nos laboratórios da companhia de pesquisa privada CORDI SA desde 1972, estão na criação de materiais projetados para tecnologia avançada, e agora para toda a indústria, com a segregação em outros domínios, como as artes e arqueometria.

Em 1978, procurando por tecnologias de polímeros

inorgânicos, eu fui golpeado por circunstâncias

hidrotérmicas similares que controlavam a síntese

de plásticos fenólicos orgânicos de um lado, e de minerais feldspatoides e zeólitas de outro lado.

Ambas as sínteses exigem valores de pH elevados, alcalinidade concentrada, pressão atmosférica, e termoendurecimento em temperaturas abaixo de 150°C. Entretanto, as zeólitas foram sintetizadas exclusivamente para o uso na catálise de compostos orgânicos. O estudo na literatura e em bancos de dados de patentes demonstra que, antes de 1978, a ideia de usar esta química mineral para o desenvolvimento de uma nova família de ligantes minerais e de polímeros minerais, tinha sido totalmente negligenciada.

As estruturas tridimensionais amor fas a semicristalinas dos sílico-aluminatos foram chamadas de geopolímeros dos tipos:

• Polissialato (-Si-O-Al-O-)

• Polissiloxossialato (-Si-O-Al-O-Si-O-)

• Polidissiloxossialato (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-).

À parte das Ciências Arqueológicas Aplicadas (pesquisa realizada na Universidade de Barry, Miami, Flórida), o alvo de nosso programa de pesquisa e desenvolvimento a longo prazo não era acadêmico.

Isto explica porque uma literatura científica muito pequena está disponível a respeito de geopolímeros.

A maioria das referências que divulgam esta aplicação de mineralogia pertence à literatura de patentes. As aplicações desta nova família de ligantes minerais foram testadas em instalações fabris experimentais, na União Europeia e nos EUA.

Muitos alcançaram um bom estágio industrial.

LONE STAR INDUSTRIES (EUA): uma nova classe de cimentos especiais e cimentos compostos (Cimentos PYRAMENT); HÜLS TROISDORF AG (Alemanha):

produtos para construção e usos industriais,

ligantes TROLIT; GEOPOLYMERE Sarl (França):

ligantes minerais avançados para ambientes severos, resinas estáveis à temperatura para moldes e formas, ligantes GEOPOLYMITE, compósitos cerâmicos GEOPOLYCERAM.

2. Terminologia

Para a designação química dos geopolímeros baseados em sílico-aluminatos, o polissialato foi sugerido. Sialato é um abreviação para sílico-óxido- aluminato. A rede de sialato consiste de tetraedros SiO

e AlO

ligados alternadamente compartilhando todos os oxigênios. Os íons positivos (Na

, K

, Li

, Ca

, Ba

, NH

, H

O

) devem estar presentes nas cavidades da estrutura para balancear a carga negativa do Al

em número de coordenação IV.

Os polissialatos apresentam a seguinte fórmula empírica:

M

{-(SiO

)

-AlO

}

, wH

O

No qual “M” é um cátion como potássio, sódio ou cálcio, e “n” é o grau de policondensação; “z” é 1, 2, 3. Os polissialatos são polímeros em cadeias ou anéis com Si

e Al

em número de coordenação IV com oxigênio e com microestrutura amorfa a semicristalina. Algumas estruturas relacionadas são mostradas na Figura 1.

Os compostos geopoliméricos envolvidos em materiais desenvolvidos para aplicações industriais são cristalinos ou não-cristalinos (estrutura amorfa ou vítrea). Polissialato cristalino M

-(-Si-O-Al-O-)

e polissiloxossialato M

-(-Si-O-Al-O-Si-O-)

resultam de condições de cura hidrotérmicas, visto que o endurecimento em temperatura ambiente induz a estruturas amorfas ou vítreas.

O grau de desordem em um geopolímero pode ser

Figura 1: Gráficos moleculares por computador das cadeias poliméricas polissialato M

-(-Si-O-Al-O-)

e polissiloxossialato M

-(-Si-O-Al-O-Si-O-)

, e estruturas relacionadas.

deduzido por observações da maneira como os raios X difractram para formar um padrão de difração. No estado não-cristalino, a difração de raios X resulta em um halo difuso amplo em vez de picos acentuados de difração. Diversos materiais geopoliméricos de interesse prático são não-cristalinos. Esta estrutura não pode ser investigada somente pelos difractogramas de raios X. A espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN-RAM) fornece uma visão sobre a estrutura molecular.

3. Polissialato cristalino (Si-O-Al-O-)

Com o precursor geopolimérico caulinita Si

O

,Al

(OH)

, policondensação hidrotérmica a 150°C/5-10 MPa com NaOH produz sodalitas bem cristalizadas à base de polissialato de sódio Na-PS (Si

O

,Al

O

,2Na),3H

O, no tempo de 20 segundos de acordo com o esquema apresentado na Figura 2.

Figura 2: Policondensação hidrotérmica do polissialato de sódio.

A unidade estrutural da zeólita A é idêntica ao do polissialato de sódio e baseia-se na estrutura da sodalita (Figura 3). A estrutura tridimensional evolui a partir da policondensação do dímero:

ciclo-dissialato (CDS). Para a zeólita A a unidade

de condensação principal é o tetrâmero ciclo-

tetrassialato que é formado na solução antes da

cristalização. O geopolímero K-PS, polissialato de

potássio resulta da policondensação com KOH em

vez de NaOH.

Figura 3: Tipos estruturais da zeólita A e polissialato de sódio

Em 1976, o óxido de aluminossilicato (Si

O

,Al

O

), precursor geopolimérico extremamente reativo, foi utilizado na fabricação de painéis e telhas.

Mas as condições experimentais que controlam o endurecimento da pasta cerâmica, 150°C/15 MPa, não favorecem qualquer formação de cristais individuais, como é geralmente o caso para a preparação de espécies zeolíticas. Ao contrário, obtém-se um corpo cerâmico microporoso duro.

Padrões de difração de raios X (Figura 4) sugerem uma estrutura que compreende uma mistura de Na- PS e alguma zeólita A, por curto tempo de reação (10/15 min). Com mais tempo de reação, 45-60 min, somente o Na-PS mais denso é formado.

Figura 4: Difractogramas de raios X para corpos cerâmicos obtidos com o óxido de aluminossilicato (Si

O

,Al

O

); aumentando o tempo de reação. Os valores típicos para a Zeólita A

são mostrados somente pelo tempo padrão de reação de 10 minutos.

4. Polissiloxossialato amorfo (Si-O-Al- O-Si-O)n, (Na,K)-PSS, (Ca,K)-PSS e K-PSS

Sabe-se que o mecanismo da formação das espécies zeolíticas cristalinas com razão Si/Al > 2 requer

géis de sílico-aluminatos para ser cristalizado em um sistema hidrotérmico fechado em temperaturas variando em geral da temperatura ambiente para cerca de 175°C . Em alguns casos, temperaturas maiores que 300°C são usadas. A pressão é geralmente a pressão autógena aproximadamente equivalente à pressão de vapor saturado (svp) da água em temperatura designada. O tempo requerido para cristalização varia de poucas horas a vários dias. O tempo de maturação em temperatura ambiente é 24 horas; o tempo de cristalização a 100°C de 50 a 100 horas. Para o sistema K

O- Al

O

-SiO

, as temperaturas de cristalização variam de 150°C a 230°C. Ver Figura 5.

Figura 5: As escalas de temperatura da cristalização para o sistema K

O-Al

O

-SiO

.

Aos ligantes geopoliméricos geralmente não se

aplicam estas condições hidrotérmicas. No entanto,

em alguns casos, condições hidrotérmicas podem

ser encontradas no processo de fabricação de

compósitos reforçados com fibras especiais, que

exigem uma temperatura de cura relativamente

mais elevada entre 150°-180°C. Um mecanismo

de endurecimento envolve entre outros a reação

química dos precursores geopoliméricos, como

os óxidos de aluminossilicatos (Al

em número

de coordenação IV) com polissilicatos alcalinos

produzindo ligações poliméricas Si-O-Al. A fim de

enfatizar o número de coordenação IV do Al nós

usualmente escrevemos (Si

O

, Al

O

)

para esses óxidos de aluminossilicatos específicos em vez de (2SiO

, Al

O

).

A fabricação do (Si

O

, Al

O

)

é realizada (a) calcinando os hidróxidos de aluminossilicatos (Si

O

, Al

(OH)

), ou (b) pela condensação de vapores de SiO e de Al

O:

(a) 2(Si

O

,Al

(OH)

) -> 2(Si

O

,Al

O

)

+ 4H

O (b) 4SiO (vapor) + 2Al

O (vapor) + 4O

-> (Si

O

,Al

O

)

Com produção também de:

2SiO + O

-> 2SiO

(Sílica ativa condensada) Al

O + O

-> Al

O

(Coríndon)

A geopolimerização é exotérmica e pode ser esquematizada como se segue. Ela pode ser considerada como o resultado da policondensação de monômeros hipotéticos imóveis, os íons de ortossialato:

Supôs-se que as sínteses são realizadas através de oligômeros (dímero, trímero) que fornecem as unidades de estrutura reais da formação macromolecular tridimensional.

4.1 Difração de raios X

O ( Na,K )-PSS e o K -PSS que resultam da

policondensação de vários aluminossilicatos alcalinos presentes nos ligantes GEOPOLYMITE, são realmente sob raios X materiais amorfos que são difíceis de caracterizar. Os padrões de difração de raios X sugerem, entretanto que o (Na,K)-PSS, (Ca,K)- PSS e K-PSS consistem de sistemas desordenados de materiais de ordem de curto alcance com estruturas similares aos vidros feldspáticos ou zeólitas cristalinas. Difractogramas de raios X para diversas amostras de K-PSS e (Na,K)-PSS, descritas na Tabela 1, são mostradas na Figura 6. Eles revelam que o material tem um pico de halo difuso de cerca de 3,05-3,30A (27-29° 2Θmax, Cu Kα).

Figura 6: Difractogramas de raios X para ligantes (Na,K)-PSS e K-PSS da Tabela 1.

Tabela 1: °2Θmax para ligantes (Na,K)-PSS e K-PSS.

A comparação dos valores de 2Θmax para o (Na,K)-

PSS e K-PSS (Tabela 1) com os valores do pico de

difração 2Θmax para estruturas de sílico-aluminatos

cristalinos naturais e sintéticos (Tabela 2) revela que

os ligantes (Na,K)-PSS e K-PSS são os equivalentes

amorfos dos principais sílico-aluminatos de estrutura

cristalina, exceto hidrossodalita e analcima. A

hidrossodalita com sua típica cadeia sodalita, rede

polissialato (Si-O-Al-O)

, não é representante dos

ligantes GEOPOLYMITE.

Tabela 2: °2Θmax (pico de difração) para algumas estruturas de sílico- aluminatos naturais e sintéticos.

Deve ser observado que estes resultados sejam de acordo com o mecanismo químico estabelecido para as espécies polissiloxossialato (Si-O-Al-O-Si-O)

. A estrutura tridimensional atribuída ao (Na, K)-PSS é a phillipsita e para os geopolímeros K-PSS é a leucita. A experiência prática sugere que a formação da estrutura da analcima exige a presença de íons Ca

solúveis em complemento a íons Na

e K

. A cristalização dentro da estrutura da analcima também pode ser induzida pela adição de cargas que atuam como núcleos de cristalização.

4.2 Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear, RMN-RAM de alta resolução

A espectroscopia RMN-RAM com rotação no ângulo mágico fornece dados úteis estruturais para espécies sílico-aluminatos (zeólitas, argilas, cerâmicas, cimentos, geopolímeros). Em particular, estudos de RMN-RAM do

Si e

Al representam uma ferramenta muito poderosa.

4.2.1 Espectroscopia RMN-RAM do

Al

Investigações anteriores mostraram que em ânions de aluminatos, o alumínio tetracoordenado (em relação ao oxigênio) ressoa em 60-80 ppm, e que em sílico-aluminatos, o alumínio tetracoordenado ressoa em cerca de 50

20 ppm, enquanto o alumínio hexacoordenado ressoa em cerca de 0

10 ppm a partir de [Al(H

O)

]

(Tabela 3).

Tabela 3: Coordenação do Al em sílico-aluminatos e mudança química do

Al após De Jong e outros.

A regra de Loewenstein estabelece que, sempre que dois tetraedros estão ligados por uma ponte de oxigênio, apenas uma poderá ser ocupada por Al e, portanto, não pode haver pontes Al-O-Al. Na ausência de ligações Al-O-Al o ambiente de cada átomo de Al é Al(4Si). A regra de Loewenstein é obedecida em ânions de aluminossilicatos.

A exclusão de ligações Al-O-Al define o número de possibilidades de cinco unidades estruturais AlQ

(nSi) com n = 0, 1, 2, 3 e 4. Foram identificadas várias ressonâncias nos espectros e a interpretação proposta para as diversas linhas é que, na série em que AlQ denota o átomo de Al central tetracoordenado e as correspondentes unidades de construção elementares, a mudança química diminui conforme estabelecido na Tabela 4. Algumas unidades geopoliméricas típicas AlQ

(nSi) são mostradas na Figura 7.

A espectroscopia de RMN-RAM do

Al de todos os

(Na, K)-PSS e K-PSS mostrou mudanças químicas no

intervalo de 55 ppm a partir de [Al(H

O)

]

idêntico

ao espectro mostrado na Figura 8, que indica que

o alumínio é do tipo AlQ

(4Si) e é coordenado

tetraedricamente. A ausência de qualquer outra

ressonância e o pico extremamente estreito em

55 ppm, exclui quaisquer unidades estruturais

singulares residuais de baixo peso molecular, tais

como dímeros e trímeros. (Na, K)-PSS e K-PSS

são verdadeiros sílico-aluminatos de estrutura

tridimensional com unidades estruturais poliméricas.

Tabela 4: AlQ

e unidades estruturais correspondentes com mudança química do

Al a partir de [Al(H

O)

]

.

Fig. 7 – Unidades estruturais AlQ

(nSi) envolvidas em reações geopoliméricas.

No entanto, a RMN-RAM do

Al não pode diferenciar entre as várias estruturas propostas para os materiais geopoliméricos basedos em unidades estruturais poliméricas do tipo polissialato (Si- O-Al- O-)

, polissiloxossialato (Si-O-Al-O-Si-O-)

ou polidissiloxossialato (Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-)

. Essa diferenciação pode ser realizada com a espectroscopia de RMN-RAM do

Si.

Figura 8 – Espectro de RMN-RAM do

4.2.2 Espectroscopia RMN-RAM do

Si

Como apresentado na Figura 9, o K-PSS dá uma ampla ressonância em -94,5 ppm associada a um sinal em -87 ppm, uma ressonância pequena em -81,5 ppm, e um pequeno pico em -79 ppm. A ressonância posterior em -79 ppm é estreita, o que

significa que se trata de um ambiente organizado diferente da parte desordenada principal da matriz.

Ressonâncias amplas são geralmente encontradas em géis zeolíticos, antes da cristalização das zeólitas.

Figura 9 – Espectro de RMN-RAM para o K-PSS (ligante GEOPOLYMITE)

Um estudo anterior mostrou que a mudança química do

Si em um ambiente amorfo ou altamente desordenado é acrescido em cerca de 5 ppm. As ressonâncias encontradas para o

Si no K-PSS

"desordenado" são -81,5 ppm, -87 ppm e -94,5 ppm; para as mudanças químicas do

Si "ordenado"

de 86,5 ppm, -92 ppm, -99,5 ppm, que pode ser atribuído a Q(4Al), Q(3Al) e Q(2Al), respectivamente (ver Figura 10). A ressonância Q(4Al) não implica necessariamente na presença de espécies do tipo polissialato (Si-O-Al-O) (caliofilita, por exemplo) que podem resultar da policondensação de (Si

O

, Al

O

), sem inter-reação com SiO

, como sugerido acima.

Figura 10 - Intervalos de mudanças químicas do

de aluminossilicatos.

Na verdade, sílico-aluminatos com uma relação atômica Si/Al > 2 geralmente apresentam várias ressonâncias do

Si sugerindo que os tetraedros Si e Al não são regularmente ordenados ao longo das cadeias poliméricas. A Tabela 5, mostra dados da RMN-RAM do

Si para diversos sílico-aluminatos naturais e sintéticos que mostram claramente a presença de todas as posições do Q(nAl) dentro das estruturas. Por outro lado, os sílico-aluminatos com razão atômica Si/Al = 1, só exibem as posições Si(4Al).

Tabela 5: Espectro de RMN-RAM do

Si de espécies zeolíticas.

O espectro de RMN-RAM do

Si sugere que o modelo estrutural do K-PSS pode ser atribuído à leucita hidratada, de acordo com o mecanismo químico sugerido em estudos anteriores. A mudança do

Si estreita em -79 ppm está relacionada aos nesossilicatos (Q

, Q

), silicatos monoméricos ou diméricos. Conforme mencionado anteriormente, isto poderia ser o resultado da pós-solubilização do SiO

sólido (sílica ativa), que se foi digerido durante a formação da matriz secundária K-PSS.

5. Propriedades físicas e térmicas Os materiais geopoliméricos são “polímeros”, deste modo se transformam, policondensam e adotam uma configuração rapidamente em baixas temperaturas (algumas horas a 30°C, poucos minutos a 85°C e alguns segundos em forno micro-ondas); mas também “geopolímeros”, assim, eles são materiais minerais que são duros, resistentes a intempéries e que suportam altas temperaturas. Para resumir:

eles são utilizados apenas como resinas orgânicas

termorrígidas, mas são estáveis até 1000-1200°C.

As resinas geopoliméricas ( Geopolymite) comercialmente disponíveis em junho de 1990 são apresentadas na Tabela 6.

Tabela 6: Resinas geopoliméricas e aplicações.

Os materiais geopoliméricos de ferramentaria mais modernos são os geopolímeros polidissiloxossialato, M-PSDS, e fluoro-polidissiloxossialato, (F,M)-PSDS.

Os geopolímeros (F,M)-PSDS, os mais promissores das resinas de ferramentaria, resulta da conjugação de duas técnicas avançadas: geopolimerização e tecnologia sol-gel. Os geopolímeros (F,M)-PSDS [Patentes Pendentes] compreendem uma rede geopolimérica formada de polidissiloxossialato associada com óxido de silício molecular SiO

incorporado na matriz. O SiO

molecular preso produz uma baixa porosidade, microestrutura altamente compactada, com maior densidade (ver Figura 11).

Como apresentado na Figura 12, Tabela 7 e Figura

13, as propriedades físicas dos geopolímeros,

tais como temperatura de fusão e coeficiente de

com a quantidade de óxido de silício molecular SiO

compactado dentro da rede geopolimérica tridimensional.

expansão térmica CTE, são uma função da relação Si/Al.

Figura 13 – Coeficiente de expansão térmica para geopolímeros e materiais de ferramentaria.

Tabela 7: Coeficiente de expansão térmica (CTE) para geopolímeros.

As resinas Geopolymite são projetadas para equiparar-se com o CTE do aço, que lhes permitem ser usadas com inserções de aço ou armações, ou terem um CTE equiparado ao de outro metal, peças de epóxi/fibra de carbono, ou quaisquer resinas orgânicas.

6. Exemplos de aplicações

6.1 M a t e r i a i s t i p o c e r â m i c a : C u r a geopolimérica em baixa temperatura da cerâmica.

A cura geopolimérica em baixa temperatura (L.T.G.S.) ocorre em condições alcalinas através de um precursor oligossialato (-Si-O-Al-O-) (Na) em concentrações de 2 a 6% em peso da massa cerâmica. Em temperaturas de secagem (50°C a 250°C) a caulinita em argilas é transformada por LTGS em um composto tridimensional do tipo Formulações de materiais geopoliméricos moldáveis

variam no grau de expansão térmica. A Figura 13, apresenta uma comparação entre o coeficiente de expansão térmica (CTE) para materiais tradicionais e para geopolímeros (tipos K-PSS, K-PSDS, F, M- PSDS).

Os valores do CTE medidos para geopolímeros são aqueles das resinas comercialmente disponíveis Geopolymite, sem qualquer carga adicional.

Os valores do CTE são em função da razão Si/

Al conforme mostrado na Tabela 7. No caso das

formulações F,M-PSDS, os valores do CTE aumentam

sodalita polissialato Na-PS, estável à água e que possue alta resistência mecânica (Figura 14).

Figura 14 – L.T.G.S. sobre solos cauliníticos. Resistência mecânica à compressão em MPa para terra caulinítica geopolimerizada e não-tratada (com 3% em peso de Na

O equivalente). Temperatura de cura entre 20°C e 1000°C.

O LTGS pode dramaticamente aumentar e modernizar a indústria de cerâmica tradicional. Uma vez geopolimerizado em PCDS (Na-policiclodissialato) ou PCTS (K-policiclotrissialato), a 125-250°C, os corpos cerâmicos podem ser queimados muito rapidamente a 1000°C-1200°C, para produzir uma cerâmica de alta qualidade (Figura 15).

Figura 15 - Fabricação de telhas cerâmicas; consumo de energia em kcal/kg de telha de métodos atuais, rápidos e geopolimerizados e queima a 1000°C-1200°C.

6.2 Gerenciamento de resíduos tóxicos Materiais zeolíticos são conhecidos por suas habilidades para absorver resíduos químicos tóxicos. Os geopolímeros têm um comportamento semelhante às zeólitas e feldspatoides. Eles imobilizam resíduos perigosos elementares dentro

da matriz geopolimérica, assim como age como um ligante para converter resíduos semissólidos em um adesivo sólido. Elementos perigosos presentes na mistura de materiais residuais com compostos geopoliméricos estão "presos" na estrutura tridimensional da matriz geopolimérica.

(Fig. 16 e Fig. 17). Concretos e argamassas antigos

demonstraram uma excepcional durabilidade de

cimentos zeolíticos, análogos aos geopolímeros

sintéticos discutidos aqui, e são indicativos da

resistência à erosão, que pode ser esperado dos

cimentos geopoliméricos modernos. As relações

molares dos óxidos Al

O

/M

O (onde M é sódio ou

potássio) no intervalo de 1,5 a 4,0 são sugeridas

como ideais para a estabilidade a longo prazo.

6.3 Ligantes e concretos geopoliméricos Os ligantes geopoliméricos foram introduzidos com sucesso na indústria. Eles produzem produtos minerais sintéticos com propriedades como superfícies duras (4-7 na escala Mohs), estabilidade térmica, e superfície altamente lisa e moldabilidade precisa. Estes produtos são úteis para ferramentaria, para moldagem de objetos de arte, cerâmicas e similares, e como materiais de construção.

Figura 18 – Retenções de resistência a retenções em temperaturas elevadas para concretos feitos com cimentos Portland (Portland I, Portland III), cimento composto de geopolímero/

Portland (Pyrament) e geopolímeros K-PSS (Geopolymite 711), (K,Ca)-PSS (Geopolymite 50).

Endurecimento em temperatura ambiente.

Figura 19 – Endurecimento em temperatura ambiente para concretos feitos de cimentos geopoliméricos (GEOPOLYCEM) e cimentos Portland.

6.4 Concretos geopoliméricos e o desafio do efeito estufa e aquecimento global

A maioria dos 67 países participantes da “3

Plenary

Session of the International Panel on Climate Change (IPCC)”, Washington, D.C., fevereiro de 1990, apoiou a proposta de reduzir as emissões de dióxido de carbono em 20% até 2000. A Suécia já adotou a legislação para congelar os níveis de emissões de dióxido de carbono em 1989. O ministro do meio ambiente da Alemanha Ocidental disse que vai propor que a Alemanha Ocidental corte suas emissões de dióxido de carbono em 25% até 2005. Espera-se que as emissões de CO

possam ser reduzidas substancialmente, reduzindo o uso de combustíveis fósseis e através de novas tecnologias e conservação de energia.

No entanto, as emissões de CO

resultantes de reações químicas continuarão a crescer com o desenvolvimento industrial. Este é especificamente o caso da fabricação de cimento Portland. O cimento (cimento Portland comum) resulta da calcinação do calcário (carbonato de cálcio) e material sílico- aluminoso de acordo com a reação:

5CaCO

+ 2SiO

=> (3CaO,SiO

)(2CaO,SiO

) + 5CO

A produção de 1 tonelada de cimento gera 0,55 tonelada de CO

e precisa da combustão de combustível de carbono em 0,40 tonelada de CO

. Para simplificar: 1 t de cimento = 1 t de CO

. Em 1988 a produção mundial de 1 bilhão de toneladas métricas de cimento, responsável por 1 bilhão de toneladas métricas de CO

, ou seja, 5% da emissão mundial de CO

de 1988. Isto é equivalente ao CO

gerado por toda atividade japonesa.

O desenvolvimento industrial está fortemente

associado com o aumento da produção de cimento e

concreto. A Figura 20 apresenta a produção mundial

anual de cimento, e de CO

até o ano de 2003. Um

congelamento da produção ao nível recomendado

pela Suécia em 1989 - ou a redução de 20% em 2000 - significa uma mudança drástica nos sistemas cimentícios envolvidos na utilização de concreto. Os concretos devem usar menos cimentos à base de cálcio, sendo este último substituído por materiais similares ou de melhores propriedades cimentícias.

Os concretos geopoliméricos, materiais cimentícios à base de sódio e potássio, devem prover a resposta para esta questão.

6.5 Compósitos de matriz cerâmica reforçados com fibras em temperatura ambiente

Em 1982 iniciamos o desenvolvimento do conceito de um compósito de matriz geopolimérica. O objetivo era fabricar ferramentas de moldagem e moldes, para substituir ferramentas de metal para a produção de pequenas séries na indústria de processamento de plástico e indústria de fundição.

Estabelecendo como nosso objetivo a fabricação de compósitos de ferramentaria de alto desempenho, começamos a pesquisa básica que visa proporcionar novas resinas geopoliméricas provendo uma viscosidade muito baixa e alta resistência mecânica, e estudamos o comportamento de diferentes

materiais de reforço atualmente no mercado.

Uma vasta gama de reforços inorgânicos resistentes à alcalinidade foi combinado com matrizes geopoliméricas, em particular a fibra SiC, com experiências na indústria de compósitos/plásticos reforçados, e tem sido produzido sem queima, sem fumaça, sem toxidade, benefícios dos compósitos avançados cerâmicos, sem que a indústria utilize altas temperaturas, alto processamento de energia.

Talvez a área de crescimento mais rápida seja a de ferramentaria de compósito/geopolímero, Geopolyceram. A relação entre a temperatura de operação, resistência à flexão e tipo de fibra, é apresentado na Figura 21.

Tecidos E-glass e de carbono devem ser utilizados até

450°C (842°F) com a matriz F, M-PSDS. Temperaturas

mais elevadas requerem fibras cerâmicas

como SiC, tecidos Nicalon, ou fibras de óxido de alumínio Safil. Em todos os casos, em uma temperatura de utilização superior a 700°C (1292°F) implica uma matriz M-PSDS.

Tabela 8 – Comparação entre o Geopolyceram fibra SiC / compósito

K-PSS Geopolymite e compósitos matriz cerâmica/fibra SiC.