Análisis comparativo de las propiedades mecánicas de geopolímeros que incorporan nanowhiskers de SiC y nanopartículas de TiO₂

1. Introducción

1.1. Geopolímeros

“Geopolímero” puede ser considerado un término genérico para definir un ligante alternativo a la pasta de cemento portland. Estructurado como un polímero inorgánico y con resistencia mecánica similar o superior que un material cementicio de cemento Portland [1, 2, 3], ofrece ventajas ambientales durante su fabricación como: la utilización de residuos industriales [4], reducción de la temperatura de calcinación en materiales arcillosos, lo que incide positivamente sobre la emisión de CO₂ a la atmósfera [1], encapsulación de elementos tóxicos [5, 6, 7], resistencia al ataque ácido y otro tipo de ataques [2, 3]. Sin embargo, en su condición de material cerámico tiene ciertas limitaciones que continúan siendo investigadas, como son: la fácil propagación de fisuras que pueden comprometer la resistencia mecánica [8, 9], resistencia a flexión menor que la resistencia a la compresión [10, 11] y el surgimiento de eflorescencia [12].

Muchos materiales cerámicos y poliméricos tienen limitaciones mecánicas que pueden ser reducidas utilizando elementos de refuerzo en diferentes escalas como el acero, fibras metálicas, fibras vegetales [13], microfibras de polipropileno [14]. De esta forma, los geopolímeros se tornan una matriz y el elemento de adicionado actúa como refuerzo frente a las debilidades de la matriz principal.

1.2. Nanomateriales en matrices geopoliméricas y cementicias

Los nanomateriales, en formato de fibras o partículas, también pueden contribuir a la modificación de la microestructura de matrices cementicias, atribuyéndole sus propiedades y mejorando su respuesta mecánica. Adicionar nanomateriales en matrices geopoliméricas ha sido una tendencia en los últimos años. Los resultados muestran: incrementos en la resistencia a la compresión cuando son adicionados materiales como nano-arcilla, nanotubos de carbono (NTC) y nano-SiO2 [15, 16, 17, 18], densificación de la microestructura, reducción del tiempo de fraguado inicial, reducción de la retracción [19, 20], incremento de la ductilidad con el uso de nanofibras de carbono (NFCs), nanofibras de alúmina (NFAs), whiskers de carburo de silício (WSC) [10], e inclusive NTC, que son los más utilizados [20, 21, 22].

El SiC es utilizado ampliamente en la ingeniería mecánica por su alta resistencia a la abrasión y al desgaste, su registro de alta dureza, estabilidad térmica, resistencia a flexión y otras [23]. El SiC puede ser encontrado en forma fibras, de nanopartículas de SiC (NPSC) o de nanofibras, denominadas nanowhiskers de SiC (NWSC). Estos usualmente son incorporados en resina tipo epoxy y matrices de alúmina [24, 25].

Para la química, el TiO₂ es considerado el mejor fotocatalizador, químicamente estable y de bajo costo [26], que posibilita la degradación de agentes contaminantes orgánicos en medio acuoso [27]. Normalmente es usado para el tratamiento de agua, pigmentación de pinturas y protección solar. Con el paso del tiempo, fue considerado introducir esta propiedad en materiales cerámicos con el uso de nanopartículas de dióxido de titanio (NT) y así, se transformarían en materiales con propiedades fotocatalíticas y consecuentemente, materiales más durables [28, 29, 30].

En varios estudios realizados [31, 32] fue indicado que las NT no estarían produciendo cambios relevantes sobre matrices geopoliméricas. Pese a ello [33, 34, 35], consiguieron registrar incrementos en la resistencia a la compresión cuando adicionaron NT en geopolímeros a base de escoria de alto horno o ceniza volante. Incrementos en la resistencia a compresión, hasta un 51 % sobre la matriz de referencia, cuando se utilizó 5 % de NT en las primeras edades.

En la forma de nanomaterial [36] incorporaron nanowhiskers de SiC en matrices de cemento Portland y obtuvieron cambios relevantes en la resistencia a la compresión y a la flexión cuando adicionaron 0.25 % y 1.00 % de NWSC en relación a la masa de cemento respectivamente. De forma parecida [37], adicionó nanowhiskers de SiC en una matriz geopolimérica, registrando incremento hasta de 192 % en la resistencia a la flexión de la matriz de referencia cuando era adicionado 0,2 %, en relación a la masa de metacaolin.

1.2.1. Implicaciones del uso de nanomateriales

La dificultad de los nanomateriales radica en que, por su pequeño tamaño y su alta superficie específica, tienden a aglomerarse. Las fuerzas de Van der Waals se tornan más intensas en esas condiciones de tamaño, lo que dificulta su dispersión en estado seco e incluso dentro del agua. NTC son un ejemplo de ello [22]. Por lo anterior, técnicas de dispersión son usadas comúnmente para alterar la superficie de los nanomateriales y/o causar la separación de las partículas mediante: el uso de tratamiento químico superficial con ácido, con surfactantes, aplicando energía ultrasónica o alterando el pH del medio y así obtener compuestos homogéneos.

Este estudio se enfoca en comprender los efectos de la incorporación de los nanomateriales a base de dióxido de titanio y carburo de silicio, de forma individual y conjunta, sobre una matriz geopolimérica. La fracción usada para NWSC fue de 0,10 % y 0,20 %, entretanto para NT fue de 0,50 % y 1,50 %, sobre el peso del metacaolin. En vista de tener resultados favorables durante adiciones por otros autores, se analiza la influencia de estos nanomateriales sobre la resistencia a la compresión, la resistencia a la flexión y la cinética de reacción medida mediante calorimetría de conducción isotérmica.

2. Materiales y métodos

La fuente aluminosilicato, metacaolin (MK), fue concedido por la empresa Metacaulim do Brasil, São Paulo, Brasil, su distribución granulométrica se muestra en la Figura 1. Su composición química se registra en la Tabla 1. La solución activadora fue constituida por hidróxido de sodio (NaOH) en formato de perlas (>98 % de pureza) y una solución de silicato de sodio (SiO₂/ Na₂O=2,5), ambos de la marca Sigma Aldrich. El agua usada fue destilada. Los nanowhiskers de SiC (NWSC) fueron obtenidos de la empresa Nanostructured & Amorphous materials Inc., Texas, USA; sus principales características se muestran en la Tabla 2 y la geometría de uno de estos se muestra en la Figura 2. Las nanopartículas de TiO₂ (NT) fueron obtenidas de la empresa Aldrich y sus características son registradas en la Tabla 3. De la misma forma, la Figura 3 muestra la geometría de las nanopartículas.

La solución activadora (12 M de NaOH) fue preparada disolviendo lentamente NaOH dentro del silicato de sodio. En vista que esta combinación es fuertemente exotérmica fue necesario dejar reposar la solución hasta alcanzar temperatura ambiente 23 °C ± 2 °C. Por otro lado, fue adicionado el nanomaterial en agua destilada, levemente agitado y dicha solución fue separada para recibir la energía ultrasónica aplicada por un sonicador modelo Vibra-Cell 750W con procesador ultrasónico- Serie VCX – frecuencia de 20kHz. La duración total del ciclo de la energía ultrasónica fue de 10 minutos, en tiempos de 20 segundos aplicada y posteriormente 20 segundos detenidos (hasta terminar los 10 minutos, con la finalidad de evitar el calentamiento de la solución), este ciclo fue escogido con base a ensayos realizados en el laboratorio del equipo de trabajo.

Una vez que el ciclo de sonicación finalizaba y que la solución activadora alcanzaba temperatura estable, era formada una única solución constituida por las dos soluciones previas (± 140 ml), que manual y controladamente era adicionada al metacaolin (145,3 gr). Toda la pasta era mezclada homogéneamente en un agitador mecánico durante 5 minutos. Para finalizar, la pasta era vertida en moldes y colocada en el horno a 65 °C, durante 24 horas. Las muestras fueron nombradas con base al contenido de NWSC o NT incorporado. Siendo que la referencia fue denominaba R. Los resultados fueron sometidos a análisis estadísticos mediante el Software Past versión 2.17.

2.1. Ensayos

2.1.1. Calorimetría por conducción isotérmica

El registro de flujo de calor fue hecho mediante el Thermometric AB de TAM Air (TA instruments). Las muestras fueron preparadas con mezcladores incorporados al dispositivo, pudiendo registrar el flujo de calor después del contacto del material sólido con la solución activadora. De esta forma, fueron monitoreadas las reacciones en cuatro mezclas: la referencia (R) (sin nanomaterial), con NWSC (R+0,20 % SiC), con NT (R+0,50 % NT) y con nanomateriales conjuntos (R+0,20% SiC +0,40 % NT), en la misma temperatura de 65°C durante 24 horas (1140 minutos). Sin embargo, después de 150 minutos de iniciado el ensayo se registró estabilidad en el flujo de calor y con base en este tiempo fue cortado el gráfico para el análisis térmico.

2.1.2. Resistencia a la compresión

Para el ensayo de resistencia fue utilizada una prensa Instron modelo 5569, con tasa de velocidad de 5000 N/min. Para el ensayo a compresión las muestras tenían formato cilíndrico de 20x40 mm. Se fabricaron 3 muestras por edad.

2.1.3. Resistencia a la flexión

Para el ensayo de resistencia fue utilizada una prensa Instron modelo 5569, con tasa de velocidad de 5000 N/min, aplicada en el centro de la muestra, que estaba apoyada en 2 puntos distanciados a 6 cm. Para el ensayo a flexio el formato era prismático de 20x20x100 mm. Se fabricaron 3 muestras por edad.

2.1.4. Densidad y Modulo de Young

Para determinar el módulo de Young fue aplicada la técnica de frecuencia natural por impulso, usando el equipo ACTP Sonelastic versión 2.8. Con base en el mismo equipo podía ser estimada la densidad aparente de las muestras. Fueron utilizadas las muestras para ensayo a flexión, 3 muestras por edad.

3. Resultados y discusión

3.1. Calorimetría por conducción isotérmica

Las reacciones asociadas a la geopolimerización se caracterizan por ser parcialmente exotérmicas y son muchos los factores que la afectan: concentraciones de Si, Al y Na en los materiales precursores y en la solución activadora; la presencia de agua; presencia de aditivos y adiciones o inclusive la temperatura de cura, como indican [3, 15, 39, 40]. En la Figura 4 se registró el comportamiento para todas las muestras. Se observó un acentuado pico exotérmico que se asocia con la disolución inicial del metacaolin (ajunto al eje vertical), que no alcanzó a ser registrada por todas las muestras. Un posterior y corto periodo endotérmico que fue asociado a la necesidad del sistema de entrar en equilibrio con el ambiente creado en el interior del calorímetro. De esta forma, la muestra está obligada a absorber el calor hasta empezar a emitir un calor propio de las reacciones de geopolimerización. Consecutivamente, un tercer pico con variaciones de amplitud y longitud, propia de cada muestra, pero de carácter exotérmico. Finalmente, las muestras se estabilizan en un tiempo estimado de 110 minutos.

Para la pasta que contiene SiC el pico más alto de flujo de calor sucede al mismo tiempo que la referencia, sin embargo, la forma de emisión de la energía es levemente diferente para estas muestras. Por otro lado, el comportamiento de la tasa de emisión de esta energía es completamente diferente cuando nos referimos a las pastas que incorporan NT. El comportamiento del flujo de calor modifica sus intensidades y duraciones.

Lo que indicaría que la incorporación de NT en matrices geopoliméricas, con cura térmica, estimula la disipación del calor generado por las reacciones propias de la geopolimerización y del ambiente, tal como se evidencia en la Figura 5.

Este fenómeno puede entrar en discusión con lo indicado por Ma y colaboradores [41], quienes con la adición de NT registraron la aceleración del proceso reacción de materiales alcalinamente activados, cuando fue adicionado el 1 % en masa. Más adelante se hace observaciones al respecto.

Estudios que analizan este parámetro en matrices geopoliméricas son escasos. No obstante, este comportamiento también es representativo en matrices cementicias: la presencia de nanopartículas de titanio resulta en la aceleración de las reacciones de hidratación y aumento del calor total [42, 43, 44]. Para este estudio se obtuvo una reducción de hasta 95,87 % en las 3 primeras horas, cuando se incorpora 0,50 % de NT en la muestra.

En el sistema que incorpora NWSC ese desarrollo no es acentuado, pero puede obtenerse una reducción de hasta 24,24 % para las 3 primeras horas, en comparación con la referencia.

Aún con las diferencias de calor total en las muestras no fue observado algún proceso de endurecimiento durante su preparación.

3.2. Resistencias mecánicas

En general, cuando son adicionados nanowhiskers de SiC la resistencia a la compresión tiene tendencia al incremento, como puede ser observado en la Figura 6.

Con el análisis estadístico fue identificado que, cuando se cumplen los 14 días, apenas la adición de SiC produce diferencia significativa en la matriz, generando el mayor incremento de 28,80 % en la resistencia cuando es comparada con la referencia.

Conforme a la registrado por [45] la adición de SiC en la forma de fibras hasta de 2 % en volumen contribuye al aumento del 36,70 % de la resistencia a la compresión. Sin embargo, en la forma de whiskers [46] registra decrecimientos en la resistencia cuando son incorporados más de 5 % en masa. Ambos usando matriz geopolimérica a base de metacaolin Este último autor indica que, en la forma de partículas el SiC ayuda en efecto de relleno, registrando mejor empaquetamiento que los whiskers y, por lo tanto, contribuyen considerablemente a la resistencia a la compresión, con un incremento de hasta 102 % en la matriz.

En vista de esta confusión sobre los efectos de incorporar SiC en matrices geopoliméricas, se indica que, para el caso de matrices a base de cemento portland [36, 47] la presencia de SiC en la forma de nanomaterial contribuye positivamente a la resistencia a la compresión. La cantidad y el formato definirán la contribución al tipo de resistencia.

Las partículas de NT, por el contrario, produjeron una reducción de hasta 7,43 % en la resistencia a la compresión o no generan diferencias con la matriz de referencia. El mayor porcentaje de NT de este estudio no consigue producir una diferencia significativa con la matriz de referencia, sin embargo, porcentajes mayores (5 %) de NT usados por [43] produjeron incrementos relevantes desde las primeras edades (±22 %). Lo que probablemente indica que el uso de porcentajes mayores contribuirá al incremento de esta propiedad.

Para el caso de los resultados de la resistencia a la flexión, vistos en la Figura 7, se registra incremento de la resistencia para cualquier cantidad de nanomaterial adicionado, excepto cuando se adicionan 1,50 % de NT. Los incrementos son comprendidos entre 80,02 % (con adición de 0,10 % SiC) y 100,49 % (con adición de 0,20% SiC), en los 3 primeros días. Siendo que, la mayor resistencia al incorporar 0,50 % de NT resulta en 62,71% incremento en el mismo tiempo. Pero todas decrecen a los 14 días.

Por lo anterior, puede inferirse que la adición de nanowhiskers de SiC contribuye de manera simultánea a la mejoría de la resistencia a la compresión y a la flexión. Mientras que, la adición de NT no contribuye significativamente al mejoramiento simultáneo de las resistencias. Las adiciones causan un gran diferencial en edades tardías cuando se trata de resistencia a la compresión [48].

Interrelacionando los perfiles de calorimetría y resistencia, puede afirmarse que los NWSC no estarían modificando el proceso de geopolimerización, en virtud de su forma, estos estarían actuando como nanofibras que permiten la transmisión de tensiones. Sin embargo, las NT en el ambiente alcalino y condiciones de cura térmica, interactúan rápidamente con el grupo OH que disuelve el material precursor [49], desacelerando este proceso de reorganización polimérica. Lo que llevaría a formación de menos cadenas poliméricas en comparación con la referencia. Considerando que, la calorimetría se realizó durante las primeras 24 horas y la primera evaluación de resistencia sucedió a los 3 días, en realidad podría ser alcanzada una estabilidad de formación de cadenas después de las 24 horas, manifestando estabilidad o leve reducción.

En la Figura 8 son mostrados los resultados de densidad y módulo de Young para las diferentes muestras. Estadísticamente, los valores de densidad no representan diferencias significativas para ninguna adición de nanomaterial a pesar de ello, las mayores adiciones de nanomaterial causan una diferencia significativa en el módulo de Young de la matriz de referencia. Confirmando la indicación de [44] las NT acaban produciendo un efecto de relleno dentro de la matriz cementicia. Dicha posibilidad induciría a usar mayores proporciones para evaluar su incidencia sobre la resistencia mecánica y aun así contribuir con el efecto fotocatalítico sobre matrices cementicias y geopoliméricas [33].

4. Conclusiones

La influencia de adicionar nanopartículas de TiO₂ y de nanowhiskers de SiC fue registrada mediante diferentes ensayos experimentales y pudo ser concluido que: Estos nanomateriales son capaces de modificar la cinética de reacción, el desempeño mecánico de la matriz de referencia y algunas propiedades físicas. En lo que se refiere a la cinética de reacción, las adiciones modificaron la tasa de emisión de calor, en lo que parece ser efecto retardante y disipativo especificado para las NT. Cuando se trata del desempeño mecánico, los nanowhiskers de SiC incrementan, simultáneamente, la resistencia a la compresión y a la flexión de la matriz geopolimérica. Sin embargo, las nanopartículas de TiO₂ pueden estar causando un incremento parcial sobre las resistencias evaluadas. Para el caso de densidad y del módulo de elasticidad, con las adiciones solo se obtuvo incremento de los modulos en cuanto a la densidad no fue alterada.

Agradecimientos

Un especial agradecimiento al Laboratorio de Nanotecnología aplicada a la construcción civil (NANOTEC) de la Universidad Federal de Santa Catarina por disponer de la mayor parte de los equipos para caracterización de las muestras. Adicionalmente al Laboratorio Central de Microscopia electrónica (LCME), también de la universidad Federal de Santa Catarina, por proveer las imágenes del MET.

Referencias

Información adicional

Cómo citar: M. Taborda-Barraza, N. Azevedo, P. Gleize, N. Prieto-Jimenez, “Análisis comparativo de las propiedades mecánicas de geopolímeros que incorporan nanowhiskers de SiC y nanopartículas de TiO2,” Rev. UIS Ing., vol. 19, no. 1, pp. 95-102, 2020. doi: 10.18273/revuin.v19n1-2020009

Revista UIS Ingenierías
ISSN: 1657-4583
Vol. 19
Num. 1
Año. 2020

Análisis comparativo de las propiedades mecánicas de geopolímeros que incorporan nanowhiskers de SiC y nanopartículas de TiO2

MadeleingNagilla HuerbPhilippe Jean PaulNatalia Taborda-Barrazade AzevedoGleizePrieto-Jimenez
Universidad Federal de Santa CatarinaUniversidad Federal de Santa CatarinaUniversidad Federal de Santa CatarinaUniversidad Industrial de Santander,BrasilBrasilBrasilColombia