酸化ビスマスナノ粒子が産業廃棄物ベースの電磁波遮蔽と熱安定性に及ぼす影響

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1787 (2023) この記事を引用

1194 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

金鉱山の尾鉱、フライアッシュ、バガスアッシュは、強化された電磁干渉シールド効率 (EMI-SE) と高い熱特性を備えたジオポリマー (GP) を製造するために再利用されています。 GPはコンクリートに比べて遮蔽効率が低いです。このため、EMI-SE を強化するには、適切なフィラーをマトリックスに組み込む必要があります。この研究では、酸化ビスマスナノマテリアル (BiNP) を添加フィラーとして利用しました。 BiNP の含有率を変化させて、GP の EMI-SE に対する影響を評価しました。形態学的には、Bi2O3 が GP のマトリックスに埋め込まれており、新しいアルミニウム層状ケイ酸塩鉱物が形成されていないことが示されています。これは、一部の鉱物がマトリックスの内部充填剤としてのみ機能したことを示しています。圧縮強度は、合成された GP 複合材料が 20 MPa 以上であり、そのままの GP が最大強度に達していることを示しています。さらに、純粋な GP の EMI-SE は 20 ～ 4500 MHz の範囲で 21.2 dB でした。これは、GP のみが EMI 放射を減衰するのに十分な特性を備えていることを示しています。 5%、10%、および 15% 重量の BiNP を添加すると、EMI-SE が 4 ～ 10% 改善され、5% BiNP が最適な比率であることが示されています。最後に、BiNP の添加により GP の熱安定性が向上します。この研究は、Bi2O3 を組み込んだ GP が小規模建築物や小規模住宅用建物に推奨できることを示しています。

近年、電子機器や大型機器の発展は人類社会に恩恵をもたらしています。しかし、人間の健康に影響を与える可能性のある電磁放射（EMR）汚染が前例のないほど増加しているため、多くの懸念も引き起こされました1、2。 EMR ソース信号は、航空分野や医療分野などのさまざまな業界でも問題を引き起こしています。また、電子機器の誤動作や劣化を引き起こし、敵のネットワークを無力化するための軍事兵器 (EM パルス) として使用される可能性もあります 3,4,5。このため、人が電磁放射線にさらされる可能性を減らし、敏感な電子機器を保護するには、顕著な電磁波シールド特性を備えた材料の製造に関する研究が必要です。

EMI シールド材料に関するほとんどの研究は、コーティングや薄いパネルなどの軽量材料を対象としており、通常は炭素ベースの材料と導電性および磁気吸収体を含む発泡体やポリマーに基づいて製造されます。グラフェン、グラファイト、炭素繊維、およびナノチューブ (CNT) やナノロッドなどのナノ形態の炭素などの炭素ベースの材料は、効果的な吸収材料として広く使用されています。ただし、EMRアドミッタンスを制限するためにシールド特性を強化した建設用途などの大規模なEMR保護は、機械的特性と化学的安定性が低いため、これらのポリマーベースの材料にとっては不利になります。近年、EM放射線に対するシールドとして機能し、追加の炭素ベースのフィラーを必要としない建築材料の開発に注目が集まっています。この注目の多くは、固有の含水量、高密度特性、低コスト、および小規模または大規模用途での取り扱いの容易さのため、普通ポルトランドセメント (OPC) に集中しています。しかし、その生産は大量の人為的 CO2 排出量の 5 ～ 7% を占める大量の温室効果ガスの原因となっています6。これにより、世界中の多くの研究者が、二酸化炭素排出量の低い代替材料を追求するようになりました。

さらに、OPC とその構成部品の調達が困難な低資源環境では、コンクリートの代替となる、土着または地元で入手可能な原料が必要です。過去 10 年間で OPC ベースのコンクリートに代わる可能性のある材料の 1 つがジオポリマーです。この材料は、天然および/または産業廃棄物を主原料とするアルカリ活性化アルミノケイ酸塩バインダーです。

ジオポリマーはジオポリマー化プロセスを介して合成されます。このプロセスは、周囲温度または高温条件でアルミノケイ酸塩材料をアモルファス相と共有結合した –Si-O-Al-O- 材料の三次元網目結合に変換することによって行われます7。このプロセスには、濃アルカリ溶液へのアルミノケイ酸塩材料の溶解、その後の小さな凝固構造の形成を伴う溶解イオンの再組織化と拡散、そして最終的には可溶性種の重縮合による水和生成物の形成が含まれます。ジオポリマーの合成に使用される原材料の大部分は、鉱山や冶金製造で発生する産業廃棄物であり、非晶質シリカやアルミニウムが豊富に含まれています。したがって、この材料は OPC8 と比較して、生産時の温室効果ガス排出量を 80% 削減できます。さらに、環境に優しい建物の全体的な目標を実現するには、優れた電磁波吸収、遮蔽特性、および熱特性を備えたジオポリマーの開発が不可欠です。

ジオポリマーの構造は 3 次元マトリックスで構成されており、自由電子の存在と移動が制限されます。さらに、この材料の電気伝導率は、その骨格内に存在するアルカリイオンに直接関係しています。ただし、そのようなイオンの移動度は制限されています。このため、ジオポリマーの導電率は低くなり、電磁波の吸収と遮蔽性能は OPC に比べて低くなります。したがって、適切な混和剤を導入することでその効果を高めることが現実的です。

いくつかの研究では、制御可能なシリカシェルを備えたカーボンナノチューブ9、グラフェンでコーティングされたCNT10、11、ニッケル繊維12、ステンレス鋼の炉ダスト13、およびコバルト、ニッケル、コバルトなどの金属ナノ粒子など、セメントベースのさまざまな導電性充填および充填が組み込まれています。酸化鉄14．導電性混合物として使用できる可能性のある金属ナノ粒子の 1 つは、優れた吸収特性を持つ酸化ビスマス (Bi2O3) です 15。 Bi2O3 をフィラーまたはドーパントとして添加すると、材料の均一性と密度が向上し、その結果、結晶性が向上します。さらに、気孔率が減少し、飽和磁化と実透磁率が改善され、誘電率が増加します16。 Bi2O3 ナノ粒子を組み込むと、ジオポリマーの EMI シールド効果 (EMI-SE) が強化される可能性があります。ただし、この問題に関する既存の研究はありません。さらに、Bi2O3 ナノ粒子と統合されたジオポリマー複合材料の EMI シールド性能を評価する研究はまだ達成されていません。

この研究の目的は、Au 鉱山尾鉱 (AMT)、石炭飛灰 (CFA) などの産業廃棄物を使用して、ジオポリマー複合材料の電磁干渉シールド効果 (EMI-SE) に対する Bi2O3 ナノ粒子の含有量と割合の影響を調査することです。、およびサトウキビバガス灰 (BA) をアルミノケイ酸塩原料として使用します。さらに、この調査は概念実証を提供することを目的としており、環境に優しく低コストのジオポリマー複合材料を建築用途の革新的なEMRシールド材料として利用できる可能性を実証しています。

未処理の産業廃棄物の収集と保存は、ASTM-D4220（土壌サンプルの保存と輸送に関する標準慣行）17 に従って実行されました。職人による小規模な金 (Au) 鉱山の尾鉱は、ダバオデオロ (旧コンポステラバレー) のメイントにあるパルプ中カーボン (CIP) プラントの開放型「ダンパカン」または貯留施設に収集されました。石炭フライアッシュ (FA) とサトウキビバガス灰 (BA) は、それぞれ、ミサミスオリエンタル州ビジャヌエバの石炭発電所とフィリピンブキドノン州マラマグの製糖製造会社で得られました。図 1 は、地理空間情報のオープンソースデータである QGIS 3.22.12 から取得したサイトの位置と、収集されたままの生のサンプルを示しています。予備分析およびジオポリマー化手順の前に、すべての原材料を風乾し、開口部 2 mm のスクリーンでふるいにかけました。実験室グレードの水酸化ナトリウムペレット (純度 99%) および塩酸 (HCl) (36% v/v) は Merck によって供給されました。一方、硝酸ビスマス(III)五水和物(Bi(NO3)・5H2O)、硫酸ナトリウム(Na2SO4)、エタノール(C2H6O)が得られました。

ミンダナオ島の地図と収容施設の位置 (出典: QGIS 3.22.12、(https://www.qgis.org/en/site/index.html)、および収集された生のサンプル。

Bi2O3 ナノ粒子 (Bi2O3 NP) の合成は、水熱技術によって実行されました。この方法では、2.0 mmol の Bi(NO3)・5H2O と 3.0 mmol の Na2SO4 を混合し、40 mL の脱イオン水に溶解しました。懸濁液をマグネティックスターラーで中程度の速度で機械的に2時間撹拌し、周囲温度(28〜32℃)に設定しました。続いて、１８．０ｍｍｏｌのＮａＯＨ溶液を懸濁液に滴下し、さらに２時間撹拌し続けた。その後、懸濁液を移し、オートクレーブに密閉し、６５℃で１０分間水熱反応を行った。その後、懸濁液を濾過により分離し、エタノールと蒸留水で十分に洗浄した。最後に、洗浄した沈殿を 100 °C の温度で 2 時間オーブン乾燥することにより、Bi2O3 NP が得られました。図 2 は、Bi2O3 NP の調製の簡単な概略図を示しています。

Bi2O3 NPの水熱合成のフローチャート。

ジオポリメリゼーションで活性化剤として使用される粉末ベースの活性化剤は、Aseniero et al. によって提示された修正方法に従って製造されました。（2019年）18．この研究では、BA を前駆体として使用しました。収集したままのBAを、酸対固体比2.5 w/wの0.1 M HCl溶液で洗浄し、20分間機械的に撹拌した。次いで、それを沈降させるために１２時間放置した。その後、前駆体をデカンテーションおよび濾過によって分離し、エタノールおよび水で十分に洗浄した。洗浄した前駆体をオーブンで２５０℃の温度で８時間乾燥させた。続いて、オーブンで乾燥させた前駆体を５ＭＮａＯＨ溶液と０．５（ｗ／ｗ）の混合比で混合し、機械的に撹拌した。最後に、ペーストを 100 °C の温度で 8 時間乾燥させることにより、粉末ベースの活性化剤が得られました。

さまざまな量の Bi2O3 NP (5、10、および 15% w/w) を含むジオポリマー複合材料が製造されました。表 1 に、ジオポリマーの混合設計を示します。すべてのサンプルを適切な混合比で混合して、ジオポリマーセメントの一液混合物を得ました。ジオポリマーセメントの総重量に相当する２０％の水を加えた。次いで、それをロータリーミキサーで１５分間混合してスラリーを形成した。その後、スラリーを型に移し、周囲条件に設定して 24 時間放置して沈降させました。続いて、ジオポリマー複合材料を型から取り出し、65 °C で 8 時間硬化させました。

表面形態とジオポリマー (GP) マトリックス中の Bi2O3 ナノ粒子の分散は、化学分析用の元素分散型 X 線 (EDX) と組み合わせた電界放射型走査型電子顕微鏡 (FESEM、Phenom XL) によって測定されました。 FESEM 分析の前に、試料は JEOL JFC-1200 Fine コーターを使用して金コーティングされ、表面に導電性が誘導されました。 GP サンプルは、厚さ 10 mm の導波管テストセットアップに適合する標準的な円筒サイズに成形されました。一軸圧縮強度試験用にジオポリマーを成形するために 50 mm の立方体が使用されました。一軸圧縮強度 (UCS) は、汎用試験機 (UTM) を使用して、ASTM C109/C109M (ASTM、2016) に基づいて、サンプル ID ごとに 3 つの反復立方体に対して実施されました。 28 日間の硬化後にサンプルの UCS をテストしました。熱重量−示差熱分析（TG-DTA）による熱特性は、同時熱分析装置を使用して窒素雰囲気中でサンプルを 50 mL/min で 1000 °C まで加熱することによって実行されました。使用した装置は Perkin Elmer STA 6000 で、30 ～ 950 °C に加熱しました。

合成されたジオポリマーの電磁干渉シールド効率（EMI-SE）試験は、ASTM D4935-18 規格（平面材料の電磁シールド効果を測定するための標準試験方法）19 に従って、R&S®ZNL ベクトルネットワークアナライザを周波数範囲で使用して測定されました。 20 MHz < f < 4500 MHz。散乱パラメータ (S11、S12、S22、および S21) の結果は、サンプルを同軸試料ホルダーに配置した導波管法を使用して決定されました。サンプルの EMI-SE は、サンプルを取り付けた状態と取り付けていない状態の 2 つの連続透過測定ベル型アダプターによって調査されました。 S11 と S22 は反射パラメータとして指定され、S12 と S21 は透過パラメータであり、次のように定量化されます。

ここで、R は反射現象、T は透過現象です。さらに、式を用いて吸収パラメータの値を求めた。

ここで、これらのパラメータを使用して、\({SE}_{A}、{SE}_{R}\)、および \({SE}_{MR}\) を定量化しました。

EMI-SE実験装置。

次に、総合的なシールド効果が計算されました。

この研究で使用した工業用原料の XRD パターンを図 4 に示します。収集されたままの Au 鉱山尾鉱 (AMT) に含まれる鉱物は、石英 (SiO2)、黄鉄鉱 (FeS2)、方解石 (CaCO3)、カオリナイトです。 (Al2Si2O5(OH)4)、ゼオライト(Na2Al2Si2O8)、白雲母(KAl2(FOH)2、または(KF)2(Al2O3)3(SiO2)6)。半定量分析により、すべてのサンプルに存在する主要な鉱物は石英であることが明らかになり、Match! を使用して定量したところ、約 50 ～ 60% が占めていました。 ® (Crystal Impact、ドイツ) ソフトウェア。さらに、環境と人間の健康に脅威をもたらす黄鉄鉱（約 15%）の存在も示されました。これは、人力鉱山および小規模鉱山から収集された AMT が危険物として分類されていることを意味します。このため、ダバオデオロ州メイントの ASGM 工場から収集された AMT は、さらなる悪影響を避けるために再利用またはリサイクルされる必要があります。この廃棄物が環境に及ぼす悪影響はこの研究の範囲を超えていますが、この問題には重大な注意を払う必要があります。方解石の存在に注意することも重要です。これは、製錬プロセス中の石灰の使用とホスト鉱石の固有の特性によるものである可能性があります20。 CFA と SA には、白雲母などのアルミノケイ酸塩に関連する重要なミネラルが含まれていることも示されています。 AMT で検出された鉱物の一部は、石英や方解石など、両方のサンプルでも検出されました。方解石は、アルミン酸カルシウムケイ酸塩水和物（CASH）の形成における前駆体として機能し、結果的に GP の強度特性を向上させます。

産業廃棄物のXRDパターン。

図5に示すように、AMTは複数の粒子サイズからなる顆粒状の粒子を示しました。さらに、5000倍の倍率でマッピングされた領域では、AMT粒子が細孔空間なく密に詰め込まれており、微細な粒子を示していることが観察できます。フレーク状の表面と平らな表面の組み合わせ。元素点分析により、総化学組成のそれぞれ 11.43% と 0.93% を占めるシリコン (Si) とアルミニウム (Al) の存在が示されました。一方、CFA はサイズが不均一な球形のガラス状粒子で構成されており、合成された SA は平らな表面を示し、これが粒子の大部分の特徴です。元素点分析では、両方のサンプルにかなりの量の Si と Al が含まれていることも示されています。これら 2 つの要素は、ジオポリマー化に適した材料とみなされる主な成分です。これは、この研究のために選択されたすべての生サンプルが適切なアルミノケイ酸塩原料であることを示しています。 CFA の Si/Al 比が Davidovits et al.7 によって提案された理想的な比に近いことに注意することも重要です。 SA の EDX 結果はナトリウム (Na) の存在を示していますが、これはアルカリ活性化プロセスでの NaOH の使用により予想されるものです。

産業廃棄物 (a) AMT、(b) CFA、および (c) 固体活性化剤の形態および元素点分析。

65 °C で 10 分間、水熱法によって合成された Bi2O3 NP の SEM 顕微鏡写真を図 6 に示します。試料の形態は、形状に板状の形状がわずかに存在するナノロッドとして特徴付けられます。ほとんどすべての粒子は均質ですが、一部は凝集しています。 Zulkifli ら 21 も同様の SEM 結果を観察しました。 Bi(NO3)3・5H2O と Na2SO4 を混合し、蒸留水に溶解すると、Bi2O(OH)2SO4 ナノ材料が形成されます。 NaOH を滴下すると、OH- イオンが Bi2O(OH)2SO4 と反応して Bi(OH)3 が形成されました。次に、これは水熱プロセス中に脱水され、Bi2O3 NP に変化します。さらに、EDX による元素マッピングにより、合成サンプルには Bi、C、O が含まれていることがわかります。検出された炭素は、サンプル調製中に使用されたカーボンテープによるものです。これは Bi2O3 NP の純度を示しますが、検出された C はサンプルをホルダーに取り付けるために使用されたカーボンテープに起因すると考えられます。さらに、BiNP の粒子サイズ分析では、平均 150 ～ 250 nm であることが示されています。

(a) 合成された BiNP の形態とその (b) 元素マップ。

XRD分析により、BiNPの有無にかかわらず、合成されたGPに存在するミネラルが決定されました。図7に示すように、すべてのGPサンプルがほぼ同様の鉱物学的パターンを示すことが観察できます。検出された鉱物は、石英（SiO2）（JCPDSカードNo.96-900-5021）、黄鉄鉱（FeS2）（JCPDSカードNo.96-901-5843）、方解石（CaCO3）（JCPDSカードNo.96-901-4745）、カオリナイトです。 (Al2Si2O5(OH)4)(JCPDSカードNo.96-155-0599)、白雲母(KAl2(FOH)2)(96-110-1033)、ゼオライト(Na2Al2Si2O8)(JCPDSカードNo.96-810-1550)、α -Bi2O3（JCPDSカード番号96-101-0005）。ジオポリマーサンプルの半定量分析は、Match! を使用して決定されました。 ® (Crystal Impact、ドイツ) では、存在する最も主要な鉱物 (~ 50%) として石英が示されています。方解石 (CaCO3) もすべてのサンプルで高いことが観察されており、これは AMT および SA に存在する生来の CaCO3 に起因すると考えられます。石英と方解石はアルカリ条件では不溶性であり、ジオポリマー化プロセスには関与しません22。ただし、どちらの鉱物も、オリゴマー化によるポリ（シアレート）フレームワークの形成中に内部充填剤として機能し、粒子サイズが非常に細かいため、ジオポリマーの強度性能に寄与する可能性があります。さらに、XRD の結果は、新しい層状ケイ酸塩や粘土鉱物が存在しないことを示しました。これは、カオリナイト、ゼオライト、白雲母などの一部の鉱物が、イオンの溶解とオリゴマーの再構成後に元の構造に再形成されたことを意味します。新たな粘土鉱物は生成されませんでした。同様の結果が、AMT ベースのジオポリマーに関して Ren ら 23 および Opiso ら 22 のチームによっても観察されました。一方、28°付近の 2θ で観察される鋭いピークは、GP-1、GP-2、および GP-3 回折ピークの単斜晶系 α-Bi2O3 に起因すると考えられます 24。これは、追加された BiNP がジオポリマーマトリックスに埋め込まれたことを示しています。さらに、ジオポリマー化後に黄鉄鉱が保持されることも観察され、これは、この有毒な硫化鉄がフレームワーク内に固定化され、捕捉されたことを示しています。

ジオポリマー試験片の XRD パターン。

合成されたジオポリマーサンプルの形態学的特性と対応する元素マッピングを図1および2に示します。顕微鏡写真から、すべてのサンプルが同様の粗い表面トポロジーを示し、AMT に存在する一部の非対称形状がジオポリマー化後に解消されたことがわかります。さらに、すべてのサンプルでゲル状の構造が観察されました。これは、重合プロセス中に形成された非晶質から結晶質の鉱物に起因すると考えられます。これらは、AMT ベースのジオポリマーに関する Kiventera ら 26 および Opiso ら 22 の結果との類似性を示しています。また、未溶解の CFA に起因する小球状の粒子がジオポリマーのマトリックスに組み込まれていることも観察できます。 SA の形態で観察される平坦な表面特性を持つ粒子がいくつか存在することに注目することも重要です。これらは、一部の SA および CFA 粒子が重合/重縮合プロセスに関与せず、その形状を保持しているだけであることを示しています。さらに、これは、一部の粒子が内部充填剤としてのみ機能することも示しました。一方、EDX 元素マッピング分析では、すべてのサンプルにシリコン (Si) とカルシウム (Ca)、および微量のアルミニウム (Al) が含まれていることが示されています。これは、核形成プロセス中に形成されたアルミニウム層状ケイ酸塩鉱物に起因すると考えられます。また、GP-1、GP-2、GP-3からはジオポリマーマトリックス中にビスマス(Bi)が埋め込まれていることが分かります。 Bi はプロセスにおいて内部充填剤としてのみ作用し、ジオポリマー化プロセスには関与しなかったことは明らかです。さらに、すべてのサンプルで検出されたナトリウム (Na) は、アルカリ活性化に NaOH を使用したためです。

(a) GP-1 および (b) GP-2 サンプルの形態学的特徴と元素分析。

(a) GP-3 および (b) GP-4 サンプルの形態学的特徴と元素分析。

28 日間硬化させた後の合成ジオポリマーサンプルの一軸圧縮強度 (UCS) を、万能試験機を使用して測定しました。結果は、図に示すように、すべての GP サンプルの平均 UCS が 20 MPa を超える顕著な機械的特性を示しており、GP-1 は M20 グレードに分類され、GP-2、GP-3、および GP-4 は M25 グレードに分類されます。 10. さらに、この研究の UCS は、AMT と CFA の供給源が同じであるにもかかわらず、Aseniero ら 18 および Opiso ら 22 の研究と比較してはるかに高く、バガス灰の使用が相対的な効果があることを示しています。 GPサンプルの強度特性の向上に貢献します。 BiNP を追加すると、ジオポリマーの UCS がわずかに減少することに注意することも重要です。マトリックスに添加される BiNP の量が多いほど、GP の UCS は低くなります。これは、過剰なフィラー添加が UCS の低下につながることを示しています。これについて考えられる説明の 1 つは、複合マトリックス内での BiNP の形成と凝集が、UCS 試験中の最初の亀裂になる可能性があるということです。これについて考えられるもう 1 つの説明は、一部の BiNP が重縮合および硬化プロセス中に分解し、GP の多孔性が増加し、UCS に悪影響を与えるというものです。それにもかかわらず、すべてのサンプルの UCS の値はさまざまな建設用途にとって重要であると考えられており、OPC コンクリートや他の GP 研究に匹敵します。さらに、これらの値の圧縮強度は、小規模および大規模な住宅建築物に推奨できます。

合成されたジオポリマー試験片の圧縮強度 (GP-1 = 15%、GP-2 = 10%、GP-3 = 5%、および GP-4 = 0%)。

耐用年数を通じて、シールド材は高温から極端な温度条件の環境にさらされる可能性があるため、合成されたジオポリマー複合材料の熱安定性を調査することも不可欠です。ジオポリマーサンプルの熱分解特性を評価するために、ジオポリマーサンプルの熱分析 (TGA) を伴う熱重量測定 - 示差熱重量測定 (TG-DTG) が実行されました。図 11 は、試験片の TGA 曲線と DTG 曲線を示しています。

(a) 窒素雰囲気におけるジオポリマー複合材料の TGA 曲線および (b) DTG 曲線。 (c) 30 ～ 200 °C と 200 ～ 950 °C の間の質量損失の比較。

試験片の TGA スペクトルは、2 つの顕著な重量損失を強調しています。1 つは 30 ～ 200 °C の領域で、これは吸収された未結合の H2O、ジオポリマーマトリックス内に埋め込まれた物理的および化学的に結合した水の脱水に起因すると考えられます 26,27。この領域での蒸発による水の放出は、総質量損失の約 4 ～ 10% です。水は、アルミノケイ酸塩をアルミニウムおよびシリカモノマーに溶解し、重縮合および重合に関与する媒体として機能するため、ジオポリマー化プロセスにおいて重要な役割を果たします。水は硬化プロセス中に継続的に放出され、非晶質相と共有結合したポリマー鎖の三次元ネットワークを形成します26。また、すべてのサンプルで 175 °C 付近で観察された劣化に注目することも重要です。これは、アルミン酸カルシウムケイ酸塩水和物 (CASH) の脱水によるものです 28。 2 番目の温度は 200 ～ 800 °C であり、これは縮合/重合を介して Si-OH または / または Al-OH 官能基から結合 H2O が放出されるためです29。この領域での分解は、カーボネート化合物の分解と OH 基のジヒドロキシル化に起因する可能性もあります。 CaCO3 の脱炭酸により、600 ～ 800 °C で最大の質量損失が観察されました。同様の体重減少は他の研究でも観察されました 30,31。一般に、BiNP をジオポリマーマトリックスに添加すると、混合物ごとに添加されるフィラーの量が変化し、熱安定性に大きな影響を与えることが示されています。 GP-4 は最も高い減量 (約 32%) を示し、次に GP-1 (約 30%)、GP-2 (約 29%)、GP-3 (約 28%) が続きました。すべてのジオポリマーサンプルの重量損失は 850 °C 以降で安定しました。さらに、図 10 は、劣化したサンプルの大部分が 200 ～ 800 °C の範囲にあったことも示しています。 TGA における 10% および 30% での明らかな重量損失を表 2 に示します。

透過率または誘電特性は、シールド材料の分極および電荷局在化効果を決定する際の重要なパラメータです。この研究では、添加された BiNP フィラーが分極特性に及ぼす影響を理解するために、すべてのジオポリマー複合サンプルの誘電率が周波数の関数として測定されました。図 12 に、測定された誘電率を示します。すべてのサンプルの誘電率が周波数の増加とともに減少することが観察できます。これらの発見は、Chuewangkam et al.32 および Hanjitsuwan et al.33 の研究を裏付けるものであり、ジオポリマー複合材料の高度に多孔質な微細構造特性に起因すると考えられます。一般に、合成されたジオポリマー複合材料の透過性に大きな差はなく、BiNP が電荷の局在化を変えなかったことを示しています。誘電特性は、材料の分極の関数です。低周波数では、誘電応答は複合材料の界面分極によるものです。分子は、この周波数で、印加された交流に向かって回転し配向を変えるのに十分な時間を獲得しました32。ただし、高周波では再配向時間が不十分なため分極プロセスが緩和され、それによって Ɛr34 が減少します。

合成されたジオポリマー複合材料の誘電特性。

EMI-SE の概念は主に、シールド材を通過する EM 波の反射、吸収、および多重反射にあります。 EMI 反射は、電気インピーダンスと磁気インピーダンスに大きな差異がある 2 つの媒体間の境界で発生し、材料の導電率に大きく依存します。材料の導電率が高いほど、電磁波の反射に適します。一方、EMI 吸収は EM 波の磁気成分に影響する傾向があり、主に導電特性を含む材料の厚さに依存します。材料が係数 \({e}^{-\frac{t}{\delta }}\) で近似できる吸収量。ここで、 \(t\) は材料の厚さ、\ (\delta\) は表皮の深さです。 \(\delta\) は次の方程式で定義されます

ここで、 \(f\) は周波数、 \(\mu\) は材料の透磁率、 \(\sigma\) は導電率です。合成されたすべてのジオポリマー複合材の厚さが 10 mm に固定されているとすると、すべての合成されたジオポリマー複合材について計算された \(\delta\) が図 13a に示されています。さらに、EMI 吸収のメカニズムの一部は、渦電流を通じて入射 EM 波を弱めることです。この渦電流は、外部磁場に対抗する磁場を生成します。導電性の高いシールド材がより強力な渦電流を発生させます。材料内の内部反射を介して多重反射が発生し、EM 波が散乱されます。これは、多孔質構造を備えた大きな界面領域を持つ複合材料で観察されます4。

厚さ 10 mm のジオポリマーサンプルの合計 EMI-SE (a) GP-1、(b) GP-2、(c) GP-3、および (d) GP-4。

このセクションでは、酸化ビスマスナノ粒子 (BiNP) を組み込んだ GP 試験片の、重量% 含有量を変化させた場合の EMI シールド効果の結果を示します。得られたＳ（Ｓ１１またはＳ２２およびＳ１２またはＳ２１）パラメータと、反射（Ｒ）係数および透過（Ｔ）係数から、ＳＥＲ（反射による寄与）およびＳＥＡ（吸収による寄与）を評価した。この研究では、\({SE}_{T}>10 dB\)35 であり、表皮深さがサンプルの厚さよりも小さいため、SEMR (多重反射による寄与) は無視できます。 (6) は次のように簡略化できます。

シールド効率は 20 MHz < f < 4500 MHz の周波数範囲でテストされました。これらの範囲は、テレビ、携帯電話、無線 LAN、レーダー画像から発信される信号などの商用アプリケーションにとって重要です。

図 13 からわかるように、電磁波の周波数が増加するにつれて、GP サンプルのシールド効率は低下する傾向があります。これは、電磁波が高くなるとサンプルの減衰特性が弱くなることを示しています。 GP-4 (ニート GP) の平均合計 EMI-SE は 21.2 dB でしたが、それぞれ、5、10、および 15% BiNP。これは、水熱合成 BiNP の添加により EMI-SE 特性が改善されることを意味します。ただし、効率は約 4 ～ 10% しか向上しません。 GP の EMI-SE は、5% の BiNP を導入するとさらに改善することが示され、% 含有量が 15% に増加すると減少することが観察されたことにも注目できます。これは、ジオポリマーのマトリックス中に残留する BiNP が GP のシールド効率に悪影響を与えることを示しています。この結果は、BiNP の 5% が最適な特性を備えた GP 混合物の理想的な比率であることも意味します。

表 3 は、GP-3 の EMI シールド性能を、フィラーを添加したセメントおよびジオポリマー複合材の他の公表されている減衰特性と比較しています。一般に、EMI SE はシールド材の厚さを増やすことで改善できます。したがって、サンプルの厚さによって合計 SE を正規化することが不可欠です (SEtotal/d)36。サンプルの厚さを考慮すると、GP-3 (5% BiNP を含む) が他の GP およびセメント複合材と同等であり、さらに優れた性能を発揮することは明らかです。さらに、BiNP が高 EMI SE 材料であるという証拠は不十分であるにもかかわらず、GP-3 は通常のコンクリートと比較して 20 倍の減衰特性 5、ステンレス鋼のダスト添加セメントと比較して 2 倍の減衰特性を備えていました 13。これらの結果は、GP への添加フィラーとして使用される 5% の BiNP が、顕著な EMI-SE 特性を備えた競争力のある構造材料であることを示しました。式によると、 (10) ～ (11)、SER (反射による寄与) および SEA (吸収による寄与) を図 14 にプロットします。一般に、SEA はすべてのジオポリマーサンプルで SER よりも高く、吸収係数が主要な EMI であることを示しています。シールド機構。

総 EMI-SE の分布 (a) GP-1、(b) GP-2、(c) GP-3、および (d) GP-4。

この研究は、産業廃棄物ベースのジオポリマー複合材料を EMI シールド用途に利用することと、高い熱特性を備えた適合性を調査することに焦点を当てました。さらに、このような材料の EMI シールド能力を強化するために、水熱合成 BiNP をさまざまなアスペクト比のマトリックス内の添加フィラーとして使用し、さまざまな特性についてテストしました。得られた結果に基づいて、次の結論が導き出されました。

形態学的および元素分析により、BiNP が GP サンプルのマトリックスに分布していることが示されました。

合成された GP サンプルの一軸圧縮強度は 20 MPa を超えることが示されました。しかし、BiNP を添加すると機械的特性が低下することがわかっています。

GP サンプルのマトリックスに添加された BiNP の含有量を増やすと、20 ～ 4500 MHz の周波数範囲で EMI シールドが徐々に増加することがわかりました。ただし、増加はわずか 4 ～ 10% であることが観察されました。

GP サンプルのシールド効率テストでも、吸収係数が主要な EMI シールドメカニズムであることが示されています。

熱重量分析により、BiNP の添加により GP サンプルの熱安定性が大幅に向上することがわかりました。

UCS、EMI-SE、および熱特性の結果に基づいて、BiNP を組み込んだ合成 GP サンプルは小規模建築物および小規模住宅用建物に推奨できます。

この研究中に分析されたすべてのデータは、この公開された論文に含まれています。現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、科学技術省科学教育研究所 (DOST-SEI) および DOST フィリピン産業・エネルギー・新興技術研究開発評議会から資金提供を受けました。著者らは、この研究の実験活動中の支援と支援について、デラサール大学表面物理学研究所のスタッフである iNano Lab 研究チームに感謝の意を表したいと思います。原材料の収集と準備に関してご協力いただいた John Paul D. Manlulu にも感謝の意を表します。

デラサール大学物理学科、マニラ、フィリピン

クリスチャン・V・マエストル & ジル・ノナト・サントス

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コンセプトとデザイン: CM、GNS; データ取得：CM; データ分析/解釈: CM、GNS; 原案原稿：CM。原稿の重要な改訂: CM、GNS; 監修：GNS 最終承認: CM、GNS

クリスチャン・V・マエストルへの往復書簡。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Maestre、CV、Santos、GN 産業廃棄物ベースのジオポリマー複合材料の電磁干渉シールドと熱安定性に対する酸化ビスマスナノ粒子の効果。 Sci Rep 13、1787 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-27623-2

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受信日: 2022 年 11 月 7 日

受理日: 2023 年 1 月 4 日

公開日: 2023 年 1 月 31 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27623-2

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