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あいち産業科学技術総合センター2014.3.28
成果公開無償利用課題成果報告会2014
XAFS測定によるジオポリマーに含まれるCuの局所構造解析
橋本 忍1・武田はやみ1・町野達也1・村松拓人1・本多沢御1・岩本雄二1・稲吉辰夫2・鈴木一正2
1名古屋工業大学環境材料工学科
2高浜工業株式会社
背景・経緯
ジオポリマーの反応機構は地殻中の岩石の生成機構と類似しているため、天然鉱物のように安定した発色を持つジオポリマー硬化体の作製も可能と推測さ
ジオポリマ
の反応機構は地殻中の岩石の生成機構と類似しているため、天然鉱物のように安定した発色を持つジオポリマ 硬化体の作製も可能と推測さ
れる。本研究では、原料に各種の銅化合物を添加したジオポリマー硬化体を作製し、シンクロトロン光を用いて硬化体中の銅の局所構造を分析し、天然の銅
含有非晶質鉱物であるクリソコラと比較した。
ジオポリマーとは？
クリソコラ（天然鉱物） (Cu,Al)2H2Si2O5(OH)4・nH2O
アルカリで活性化した非晶質アルミノシリケートが脱水縮合して硬化したもの－人工鉱物
銅を含む天然非晶質アルミノシリケート鉱物
非晶質 Al2O3‐SiO2 相
O
(フライアッシュ, メタカオリン等)
l
・脱水反応
縮合重合 応
・縮合重合反応
+
O
O K+
l
l
‐O‐Si‐O‐Al3+‐O‐Si‐O‐
アルカリ活性剤
(NaOHaq, KOHaq, 水ガラス)
l
l
O
O
l
O
n
：Cu
Mineral chrysocolla
[Kalukuluku, Shaba Prov., Congo]
高強度（セメント並）
高耐酸性
高耐アルカリ性
高耐熱性
低環境負荷
非晶質アルミン
シリケイト相
+NaOH水溶液
：O
：Al
＜特徴＞
Structure of Chrysocolla [David A.McKeown, J.Non‐
Crystalline Solids, 180, 1‐10(1994)]
Cu‐ジオポマーの作製条件
養生条件: 60℃, 相対湿度100%
養生時間: 48h
Table Cu‐ジオポリマーの出発化学組成
Sampl e
name
B-CO
B-Cl
B-SO
B
SO
metak aol i n
K-water
g las s
KOH
H2O
100
100
100
40
40
40
10
10
10
20
40
20
B-OH
B-O
100
100
40
40
10
10
20
20
B-2O
100
40
10
20
Cu CO 3 ・
CuCl 2 ・2H2 O Cu(OH) H
2・ 2O
CuSO 4 ・
5H2 O
Cu(OH) 2
CuO
Cu 2 O
5
7.5
10
4
3.5
3
結果
15
B‐SO
B‐OH
B‐CO
B‐2O
10
B-OH
CuO
BO
B-O
Cu
2O
B-2O
Cu(OH)
B-OH 2
CuSO
B-SO 4
CuCl
B-Cl 2
B-SO
arb.u
u.
Intensity / a.u.
B‐O
20
B-O
B-Cl
B-CO
Non-additive
CuCO
B-CO 3
Metakaolin
Metakaolin
metakaolin
5
10
20
30
40
50
60
Diffraction angle, 2θ/°(CuK
Fig.2 FT‐IR spectra of resultant bulk.
Fig.1 Compressive strength of the resultant bulk.
2000
B-O
B
O
B-O
CuCl2·2H 2O
CuCO3·Cu(OH)2·H2O
Cu-foil
Cu(OH)2
B-OH
B-OH
k 3 x(k) / Å -3
CuSO4·5H 2O
B-2O
B-SO
B-Cl
CuSO4·5H2O
CuCl2·2H2O
Fig 3 XRD patterns of resultant bulk
Fig.3 XRD patterns of resultant bulk.
15
B-SO
B-Cl
CuCO3·Cu(OH)2·H2O
B-CO
B-CO
Cu-foil
Chrysocolla
500
-4
CuO
Cu(OH)2
CuO
k 3 x(k) / Å -3
B-2O
Normalized absorption / arb.u.
Normalized absorption / arb.u.
Cu ２O
Cu ２O
1500
1000
Wavenunber / cm-1
cm-1
Chrysocolla
10
B-SO
3
B‐Cl
0
|FT|k x(k) / Å
Compressive strength /MP
Pa
25
B-2O
○SiO2(Quartz) □Cu2O △K２SO4
●CuO
▼Cu(OH) 2 ▲KCｌ
Non‐
additive
arb.u.
Intensity, I (aa.u.)
30
5
B-Cl
B-CO
8960
8980
9000 9020 9040
Photon energy / eV
9060 8960
8980
9000 9020 9040
Photon energy / eV
9060
Fig.4 XANES spectra of copper in Cu‐compounds, resultant bulk and chrysocolla.
0
5
10
k / Å-1
15
0
5
10
k/Å
15
-1
Fig.5. EXAFS spectra of copper in Cu‐compounds, resultant bulk and chrysocolla.
0
0
Chrysocolla
2
4
R/Å
6
8
Fig.6 Radial structure of functions of resultant bulk and chrysocolla.
期待される効果・社会的インパクト
原料に銅化合物であるCuO, Cu2O, Cu(OH)2を添加してジオポリマーを作製した場合、硬化体中にそれぞれの化合物が残存した。CuCO3・Cu(OH)2・H2O, CuCl2・
2H2O, CuSO4・5H2Oを添加して作製した場合は、高アルカリ環境下でこれらの化合物は分解し、非晶質化した。この場合には、銅原子は分子レベルでジオポリ
マー構造中に取り込まれていることが示唆され、XAFSによって局所構造を解析したところ、ジオポリマー中の銅の存在状態が天然鉱物クリソコラ中の銅のそれと
類似していることが推測された。⇒意匠性ゼオポリマーの作製に成功 ⇒普及に期待。
Takeda, Hashimoto et al, Ceam. Int. 40 (2014) 6503‐6507.