włókno krótkie, geopolimer, kompozyt, włókno kokosowe, włókno szklane, włókno węglowe
short fibrę, geopolymer, composite, coir fibrę, glass fibrę, carbon fibrę
W ostatnich latach coraz częściej podkreśla się konieczność przejścia w gospodarce europejskiej na tzw. gospodarkę o obiegu zamkniętym. Coraz większego znaczenia nabiera racjonalna gospodarka zasobami naturalnymi oraz wykorzystanie materiałów odpadowych. Rosnąca świadomość ekologiczna społeczeństwa, w tym świadomość konieczności opierania gospodarki na zrównoważonym rozwoju sprawia, że coraz częściej poruszana jest kwestia wpływu na środowisko w różnych dziedzinach aktywności człowieka. Obecnie jedną z branż mających najistotniejszy wpływ na generowanie zanieczyszczeń jest budownictwo. Podejmowane są obecnie liczne prace dążące do zmniejszania energochłonności rozwiązań dla budownictwa oraz zmniejszenia liczby generowanych odpadów. Są to główne czynniki motywujące do prac badawczych nad nowymi, innowacyjnymi rozwiązaniami materiałowymi. Celem głównym pracy jest otrzymanie nowych kompozytów na osnowie geopolimeru umacnianego włóknami, możliwych do zastosowania jako materiały konstrukcyjne, w szczególności materiały do zastosowań w budownictwie. Celami szczegółowymi pracy są:
• ocena możliwości zastosowania poszczególnych włókien jako wypełniacza dla wybranych kompozytów na przygotowanej wcześniej osnowie geopolimerowej,
• analiza struktury i właściwości mechanicznych kompozytów na bazie geopolimerów w zależności od ilości wypełniacza,
• ocena możliwości zastosowania otrzymanych kompozytów jako materiału konstrukcyjnego przyjaznego dla środowiska,
• analiza dotychczas stosowanych materiałów konwencjonalnych na wybrane zastosowania konstrukcyjne i porównanie ich właściwości z otrzymanymi kompozytami.
W rozdziale pierwszym i drugim został szczegółowo opisany stan zagadnienia dotyczącego tematu pracy. Przedstawione informacje związane są ze stanem badań nad materiałami geopolimerowymi z różnymi rodzajami wypełnień z włókien, zarówno naturalnych, jak i chemicznych. Opis skoncentrowany jest na wykorzystaniu włókien krótkich, niemniej jednak w celu ukazania całości stanu obecnego odniesienia do wybranych badań w zakresie wzmocnienia kompozytów geopolimerowych włóknami długimi i tkaninami okazały się niezbędne. Analiza została przeprowadzona na bazie artykułów naukowych w szczególności z wykorzystaniem baz tj. ScienceDirect (język angielski), Scopus (język angielski) i Google Scholar (język angielski oraz język polski). W badaniach uwzględniono zarówno materiały aktywowane alkalicznie, jak i polimery nieorganiczne oraz geopolimery. Opis jest uzupełniony badaniami, które były prowadzone w Instytucie Inżynierii Materiałowej Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej w ramach projektu pn. "Development of eco-friendly composite materials based on geopolymer matrix and reinforced with waste fibers" („Rozwój przyjaznych dla środowiska kompozytów geopolimerowych wzmacnianych włóknami odpadowymi"). Projekt jest realizowany w ramach ERANet-LAC: Latin America, Caribbean and European Union, programu finansowanego przez Komisję Europejską w ramach 7 Programu Ramowego w ramach działania Research and Technology Development (FP7), w temacie #02: Waste management, recycling and urban mining (project no. ELAC2015/T02-0721).
Na bazie dokonanego przeglądu literatury i określenia stanu obecnego został sformułowany cel pracy oraz jej tezy. Zostają one omówione w rozdziale trzecim.
W rozdziałach czwartym i piątym zaprezentowane zostają surowce służące do wytwarzania kompozytów oraz zostaje przedstawiony proces ich syntezy. Rozdział czwarty opisuje rodzaje włókien chemicznych i naturalnych wybrane do badań. Są to włókna szklane, włókna węglowe oraz włókna kokosowe. Dwa pierwsze z nich zostały wybrane ze względu na własności mechaniczne i przewidywane własności mechaniczne kompozytów. Włókna naturalne zostały wybrane z uwagi na możliwość porównania własności włókien chemicznych i naturalnych. Wybrano włókna kokosa ze względu na możliwość wykorzystania wyników badań również w ramach wyżej wymienionego projektu oraz ze względu na ich własności mechaniczne.
Rozdziały szósty i siódmy stanowią prezentację przeprowadzonych badań w ramach pracy, w tym badań własności mechanicznych oraz prowadzonych badań pomocniczych tj. obserwacje na skaningowym mikroskopie elektronowym, które pokazują strukturę badanych kompozytów.
Pracę zamykają rozdziały ósmy i dziewiąty, w których zostają podsumowane i omówione otrzymane rezultaty w kontekście oceny możliwości zastosowania projektowanych kompozytów jako materiału konstrukcyjnego przyjaznego dla środowiska oraz pokazane zostają przyszłe kierunki badań. W rozdziale ósmym wyniki przeprowadzonych badań zostają omówione w kontekście porównawczym z innymi pracami w zakresie materiałów geopolimerowych oraz własności otrzymanych kompozytów zostają porównane ze standardowymi materiałami wykorzystywanymi w branży budowlanej. W rozdziale dziewiątym pokazane są współczesne wyzwania badawcze związane z materiałami geopolimerowymi zbrojonymi włóknami.
In the EU there is a pressing need for the change of the current economy into a so-called circular economy in recent years. The rational management of natural resources and the use of waste materials are becoming morę and morę important. It is also supported by the growing ecological awareness of society, including the consciousness of sustainable development. Nowadays, it is the construction industry that has the most significant impact on pollution. Therefore, numerous attempts are madę to reduce energy consumption and the amount of waste generated by it. These are the main issues stimulating the research on new innovative materials.
The main goal of this thesis is to obtain new fiber- reinforced composites based on a geopolymer matrix that can be used as construction materials for building applications. The detailed objectives of the study are as follows:
• assessment of the possibility of using the selected fibers as reinforcement for composites on a previously prepared geopolymer matrix,
• analysis of the influence of the amount of added reinforcement on the structure and mechanical properties of obtained composites,
• assessment of the possibility of using the prepared composites as an environmentally friendly construction materiał,
• comparison of the properties of new materials and the properties of the conventional ones with regard to selected applications.
The first and second chapters describe the State of the art in detail, taking into consideration various types of fiber reinforcements, both natural and artificial. The description is focused on the use of short fibers. However, in order to show a wider research backdrop, numerous references are discussed concerning the selected studies on reinforcing geopolymer composites with long fibers and fabrics. In particular, the description elaborates on the research conducted in the Institute of Materials Science at the Faculty of Mechanical Engineering of the Cracow University of Technology as a part of the project entitled "Development of eco- friendly composite materials based on geopolymer matrix and reinforced with waste fibers" implemented under ERANet-LAC: Latin America, Caribbean, and European Union, a program financed by the European Commission under the 7th Framework Program as part of Research and Technology Development (FP7), in the subject # 02: Waste management, recycling and urban mining (project no. ELAC2015 / T02- 0721).
On the basis of the above literaturę review, the goals of the study and consequent thesis have been formulated. They are presented in the third chapter.
In the fourth and fifth chapters, the raw materials used for the production of composites and the process of their synthesis are described. The fourth chapter concerns the description of the selected types of Chemical and natural fibres, including glass fibres, carbon fibres, and coir fibres. Glass fibres and carbon fibres have been chosen due to their high mechanical properties. Natural fibres have been chosen because of their mechanical properties as well as for the sake of comparison between their properties and the properties of the artificial ones (the test results were taken, among others, from the aforementioned project).
The sixth and seventh chapters are dedicated to the presentation of the conducted research within the framework of the thesis. They include both mechanical properties tests and auxiliary investigations such as SEM image analyses revealing the microstructure of the tested composites.
The work is crowned by the eighth and ninth chapters in which the obtained results are summarized and discussed in the context of the applicability of the designed composites as an environmentally friendly construction materiał. In the eighth chapter, the results of the research are discussed in a comparative context and the properties of the obtained composites are juxtaposed with the properties of the standard materials used in the construction industry. The ninth chapter regards the contemporary research challenges for geopolymer materials reinforced with fibres.
