Obtención y caracterización de nanopartículas de sílice a partir de la cascarilla de arroz para estudiar el efecto de su inclusión en las propiedades de las placas de fibrocemento

Abstract

El fibrocemento es un material liviano y resistente usado en la construcción. Está compuesto de cemento, sílice, carbonato, bentonita, fibras de celulosa y fibras de PVA. Con el fin de obtener nanopartículas de sílice a partir de un desperdicio tan abundante como la cascarilla de arroz y mejorar la resistencia del ibrocemento, en este trabajo se estudió una forma alternativa de obtener nanosílice y determinar el efecto de su adición en diferentes porcentajes (0, 3, 5 y 7%) sobre las propiedades mecánicas, morfológicas y térmicas del material. Para la obtención de las nanopartículas se incineró la cascarilla de arroz, se hizo un tratamiento químico a la ceniza para remover impurezas y finalmente se realizó la molienda mecánica de alta energía para la reducción de su tamaño hasta una escala nanométrica. Para la elaboración de las placas de fibrocemento se adicionaron nanopartículas de sílice en diferentes porcentajes (w/w) con relación a la cantidad de cemento. Posteriormente se permitió un curado en aire de 28 días para lograr el fraguado y la reacción entre los componentes y el compactamiento de la placa. La caracterización de la sílice se hizo por análisis termogravimétrico para investigar la degradación térmica de la cascarilla y eliminación de componentes orgánicos. La pureza y la composición química elemental de la sílice lixiviada con ácido se determinaron por medio de la fluorescencia de rayos-X. Por difracción de rayos-X se identificaron las fases mineralógicas de la nanosílice. Con microscopía electrónica de barrido se observaron los cambios morfológicos causados por la molienda y con microscopía electrónica de transmisión se determinó el tamaño de las nanopartículas obtenidas en el proceso. Por medio de isotermas de absorción de nitrógeno se calculó el área superficial de las nanopartículas. En la caracterización mecánica del fibrocemento se midió el módulo de rotura y el módulo de elasticidad. Se usó también análisis termogravimétrico para evaluar la presencia de portlandita como resultado de la interacción de las nanopartículas con la matriz cementicia. Los resultados indicaron que entre 150-450°C se liberaba el material orgánico de la cascarilla, y por encima de 550°C se obtiene ceniza rica en sílice. La pureza de la sílice se incrementó hasta un 98.48%, usando el tratamiento químico. La reducción del tamaño de partícula por molienda mecánica a 600 rpm durante 3 h se logró hasta el tamaño de nanómetro. La nanopartículas obtenidas son de forma esféricas con un diámetro entre 14 y 28 nm. La fase amorfa de la nanosilice se corroboró a través del pico muy ancho correspondiente al plano (101) del óxido de sílice. Se alcanzó un aumento sustancial de dos órdenes de magnitud del área superficial específica de nanopartículas, en comparación con partículas sin molienda. Se encontró que el porcentaje de adición de nanopartículas que optimiza las propiedades funcionales del fibrocemento es del 5%, debido a mayor generación de tobermorita, a partir de la reacción puzolánica entre la nanosílice y la portlandita, la cual contribuye a su resistencia mecánica. También se evidenció una disminución de la cantidad de porlandita presente en las placas conforme se incrementó el porcentaje de adición de nanopartículas. La cascarilla resulta ser fuente natural de silicio que puede ser llevado a tamaño de nanométrico mediante un proceso de bajo costo como la molienda mecánica y al adicionarse en una proporción adecuada en el fibrocemento mejora su resistencia y desempeño funcional (Texto tomado de la fuente)

Fibercement is a light and resistant material used in construction. It is composed of cement, silica, carbonate, bentonite, cellulose fibers and PVA fibers. In order to obtain silica nanoparticles from a waste as abundant as rice husk and to improve the strength of the fiber cement, in this work an alternative way to obtain nanosilica was studied and to determine the effect of different percentages of nanosilice (0 , 3, 5 and 7%) on the mechanical, morphological and thermal properties of the material. To obtain the nanoparticles, the rice husk was incinerated, the ash was leached in order to remove impurities and finally the high-energy mechanical ball milling was carried out to reduce its size to a nanometric scale. For the preparation of the fibercement boards, silica nanoparticles were added in different percentages (w/w) in relation to the amount of cement. A 28-day air cure the boards weew stored to achieve the setting and the reaction between the components and its compaction. The characterization of the silica was done by thermogravimetric analysis to investigate the thermal degradation of the rice husk and elimination of organic components. The purity and elemental chemical composition of the acid leached silica was determined by X-ray fluorescence. By X-ray diffraction, the mineralogical phases of the nanosilica were identified. With scanning electron microscopy, the morphological changes caused by the milling were observed and with transmission electron microscopy the size of the nanoparticles obtained in the process was determined. The specific surface area of the nanoparticles were calculated trough nitrogen absorption isotherms. In the mechanical characterization of the fibercement the modulus of rupture and the modulus of elasticity were measured. Thermogravimetric analysis was also used to evaluate the presence of portlandite as a result of the interaction of the nanoparticles with the cement matrix. The results indicate that between 150 and 450°C the organic material is released from the husk, and above 550°C, silica-with high purity was obtained. The purity of the silica is increased up to 98.48%, using the chemical treatment. The particle size reduction by mechanical milling at 600 rpm for 3 h was achieved up to the nanometer size. The nanoparticle had a spherical shape with a diameter between 14 and 28 nm. The amorphous phase of the nanosilica was corroborated through the broad peak of the plane (101) corresponding to silica oxide. A substantial increase in two orders of magnitude of the specific surface area of nanoparticles was reached, in relation to the particles without milling. It was found that the percentage of addition of nanoparticles that optimizes the functional properties of the fibercement is 5%, due to the more formation of tobermorite as a result of the pozzolanic reaction between the silica and portlandite, it contributes to its mechanical resistance. A decrease in the amount of porlandite present in the boards was also evidenced as the percentage of addition of nanoparticles increased. The rice husk showed to be a natural source of silica that can be reduced to nanometric size by a low cost process such as mechanical ball milling and the addition of an adequate proportion in fiber cement improves its strength and functional performance