Enhancing Properties of Metakaolin-Based Geopolymers: The Effect of Zirconia and Silica Nanosphere Additions

Editorial Board PCSS Journal; Меві Фірдаус; Андрі Хармаджі; Єва Фебріна; Імельда Рут; Бамбанг Сунендар; Ібну Сурьятмоджо

doi:10.15330/pcss.27.1.35-43

Автор(и)

Меві Фірдаус Факультет стоматології, Християнський університет Мараната, Бандунг, Індонезія; Лабораторія передової обробки матеріалів, Технологічний інститут Бандунга, Бандунг, Індонезія
Андрі Хармаджі Лабораторія передової обробки матеріалів, Технологічний інститут Бандунга, Бандунг, Індонезія
Єва Фебріна Лабораторія передової обробки матеріалів, Технологічний інститут Бандунга, Бандунг, Індонезія
Імельда Рут Факультет стоматології, Християнський університет Мараната, Бандунг, Індонезія; Лабораторія передової обробки матеріалів, Технологічний інститут Бандунга, Бандунг, Індонезія
Бамбанг Сунендар Лабораторія передової обробки матеріалів, Технологічний інститут Бандунга, Бандунг, Індонезія
Ібну Сурьятмоджо Факультет стоматології, Християнський університет Мараната, Бандунг, Індонезія

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.1.35-43

Ключові слова:

геополімер, цирконій, наночастинки діоксиду кремнію, золь-гель, діаметральна міцність на розтяг, морфологія

Анотація

Геополімери відомі своєю високою міцністю на стиск, але низькою міцністю на розтяг через крихку природу, що обмежує їх використання як конструкційних матеріалів. Тому важливим є підвищення їхніх механічних характеристик шляхом введення армувальних компонентів. У цій роботі досліджено вплив наночастинок діоксиду кремнію та цирконію на підвищення міцності на розтяг геополімерних композитів на основі метакаоліну. Геополімери отримували з використанням активатора на основі 8M NaOH та силікату натрію, який готували протягом 24 годин перед змішуванням у співвідношенні 2:1. Наявність аморфного діоксиду кремнію, моноклінної та тетрагональної фаз цирконію, а також кристалічних фаз у метакаоліні, зокрема кварцу, муліту та гематиту, підтверджено методом рентгенівської дифракції (XRD). Дослідження за допомогою сканувальної електронної мікроскопії (SEM) показали, що додавання як наночастинок діоксиду кремнію, так і цирконію призводить до формування більш щільної мікрокомпозитної структури з меншою пористістю. Випробування на діаметральну міцність при розтягуванні (DTS) через 28 діб показали, що введення 80% наночастинок діоксиду кремнію підвищує міцність на розтяг на 15,2%, тоді як суміш 60% цирконію та 20% наночфер діоксиду кремнію забезпечує зростання міцності на 61,2% порівняно з контрольним зразком (з 2,24 МПа до 3,61 МПа). Отримані результати свідчать, що наноматеріали, такі як діоксид кремнію, сприяють ущільненню матриці, тоді як цирконій забезпечує структурне армування та покращення механічних властивостей. Результати узгоджуються з попередніми дослідженнями, які демонстрували синергічний ефект наночастинок діоксиду кремнію та цирконію для покращення характеристик геополімерів. Отримані дані також показують, що модифіковані геополімери можуть бути використані в застосуваннях, що потребують високої механічної міцності, однак для їх практичного використання у конструкційних та функціональних матеріалах необхідні додаткові дослідження довговічності та термічних властивостей.

Посилання

M. Amran, et al., Long-term durability properties of geopolymer concrete: An in-depth review. Case Studies in Construction Materials, 15, e00661 (2021); https://doi.org/10.1016/j.cscm.2021.e00661.

K. Chen, et al., Geopolymer concrete durability subjected to aggressive environments – A review of influence factors and comparison with ordinary Portland cement. Construction and Building Materials, 279, 122496 (2021); https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.122496.

A. Harmaji, M.C. Kirana, and R. Jafari, Machine Learning to Predict Workability and Compressive Strength of Low- and High-Calcium Fly Ash–Based Geopolymers. Crystals, 14(10), 830 (2024); https://doi.org/10.3390/cryst14100830.

V. Puspasari, et al., Geopolymer for medical application: a review. Physics and Chemistry of Solid State, 25(3), 626 (2024); https://doi.org/10.15330/pcss.25.3.626-638.

T. Wang, et al., The Influence of Fiber on the Mechanical Properties of Geopolymer Concrete: A Review. Polymers, 15(4), 827 (2023); https://doi.org/10.3390/polym15040827.

L. Qin, et al., Mechanical properties and durability of fiber reinforced geopolymer composites: A review on recent progress. Engineering Reports, 5(12), e12708 (2023); https://doi.org/10.1002/eng2.12708.

H.U. Ahmed, A.A. Mohammed, and A.S. Mohammed, The role of nanomaterials in geopolymer concrete composites: A state-of-the-art review. Journal of Building Engineering, 49, 104062 (2022); https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.104062.

M. Pozzi, et al., Visualization of the High Surface-to-Volume Ratio of Nanomaterials and Its Consequences. Journal of Chemical Education, 101(8), 3146 (2024); https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.4c00089.

I. Khan, K. Saeed, and I. Khan, Nanoparticles: Properties, applications and toxicities. Arabian Journal of Chemistry, 12(7), 908 (2019); https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2017.05.011.

B.D. Dejak, et al., Evaluation of Hardness and Wear of Conventional and Transparent Zirconia Ceramics, Feldspathic Ceramic, Glaze, and Enamel. Materials, 17(14), 3518 (2024); https://doi.org/10.3390/ma17143518.

J. Li, et al., Understanding of surface chemistry of silica-based nanomaterials contributes to the design of safe and efficacious nanomedicine. Matter, 6(8), 2564 (2023); https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.06.023.

M. Saukani, et al., Effect of Nano-Zirconia Addition on Mechanical Properties of Metakaolin-Based Geopolymer. Journal of Composites Science, 6(10), 293 (2022); https://doi.org/10.3390/jcs6100293.

F.M. Alwan, and H.M. Kamal, Study the effect of addition zirconium oxide ceramic powder on silica-modified geopolymer mortar composite. AIP Conference Proceedings, 3097(1); 060004 (2024); https://doi.org/10.1063/5.0211509.

C. Rahmawati, et al., The Effects of Nanosilica on Mechanical Properties and Fracture Toughness of Geopolymer Cement. Polymers, 13(13), 2178 (2021); https://doi.org/10.3390/polym13132178.

Y. Faza, et al., Synthesis of Porous Metakaolin Geopolymer as Bone Substitute Materials. Key Engineering Materials, 829, 182 (2020); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.829.182.

A. Harmaji, and B. Sunendar, Utilization of Fly Ash, Red Mud, and Electric Arc Furnace Dust Slag for Geopolymer. Materials Science Forum, 841, 157 (2016); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.841.157.

D.V. Popov, R.A. Spikings, and T. Razakamanana, Inclusions of Amorphous and Crystalline SiO2 in Minerals from Itrongay (Madagascar) and Other Evidence for the Natural Occurrence of Hydrosilicate Fluids. Geosciences, 12(1), 28 (2022); https://doi.org/10.3390/geosciences12010028.

V. Kumar Yadav, and M.H. Fulekar, Green synthesis and characterization of amorphous silica nanoparticles from fly ash. Materials Today: Proceedings, 18, 4351 (2019); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.07.395.

S. Ainomugisha, M.J. Matovu, and M. Manga, Influence mechanisms of silica nanoparticles’ property enhancement in cementitious materials and their green synthesis: A critical review. Case Studies in Construction Materials, 20, e03372 (2024); https://doi.org/10.1016/j.cscm.2024.e03372.

X. Song, et al., Thermophysical and mechanical properties of cubic, tetragonal and monoclinic ZrO2. Journal of Materials Research and Technology, 23, 648 (2023); https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.01.040.

S. Kongkiatkamon, et al., Current classification of zirconia in dentistry: an updated review. PeerJ, 11, e15669 (2023); https://doi.org/10.7717/peerj.15669.

D. Tovar-Vargas, et al., Mechanical properties of ceria-calcia stabilized zirconia ceramics with alumina additions. Journal of the European Ceramic Society, 41(11), 5602 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.05.006.

W. Jiang, et al., Toughening cemented carbides by phase transformation of zirconia. Materials & Design, 202, 109559 (2021); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109559.

S.A. Di Pietro, et al., Solid phase characterization and transformation of illite mineral with gas-phase ammonia treatment. Journal of Hazardous Materials, 424, 127657 (2022); https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127657.

H. Xue, et al., Study of Structural Transformation and Chemical Reactivity of Kaolinite-Based High Ash Slime during Calcination. Minerals, 13(4), 466 (2023); https://doi.org/10.3390/min13040466.

B.P. Bezerra, M.R. Morelli, and A.P. Luz, Effect of reactive silica sources on the properties of Na-metakaolin-based geopolymer binder. Construction and Building Materials, 364, 129989 (2023); https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.129989.

B. Biswas, et al., Understanding Iron Impurities in Australian Kaolin and Their Effect on Acid and Heat Activation Processes of Clay. ACS Omega, 8(6), 5533 (2023); https://doi.org/10.1021/acsomega.2c06795.

L.M. Costa, et al., Influence of the addition of amorphous and crystalline silica on the structural properties of metakaolin-based geopolymers. Applied Clay Science, 215, 106312 (2021); https://doi.org/10.1016/j.clay.2021.106312.

M. Tabish, M.M. Zaheer, and A. Baqi, Effect of nano-silica on mechanical, microstructural and durability properties of cement-based materials: A review. Journal of Building Engineering, 65, 105676 (2023); https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.105676.

F. Zhang, et al., Slow crack growth resistance of electrically conductive zirconia-based composites with non-oxide reinforcements. Journal of the European Ceramic Society, 39(2), 641 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.09.034.

M.F. Zawrah, R.S. Farag, and M.H. Kohail, Improvement of physical and mechanical properties of geopolymer through addition of zircon. Materials Chemistry and Physics, 217, 90 (2018); https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.06.024.

F.W.M. Ling, H.A. Abdulbari, and S.-Y. Chin, Synthesis and characteristics of silica nano-particles using modified sol–gel method in microreactor. Materials Today: Proceedings, 42, 1 (2021); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.07.563.

M.M. Wetwet, et al., Multifunctional cementitious blends containing zirconia nanoparticles: Mechanical characteristics, gamma attenuation behavior, and self-cleaning performance. Journal of Building Engineering, 65, 105736 (2023); https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.105736.

A.I. Borș, Fourier-Transform Infrared Spectroscopy Analysis of 3D-Printed Dental Resins Reinforced with Yttria-Stabilized Zirconia Nanoparticles. Dentistry Journal, 13(6), 272 (2025); https://doi.org/10.3390/dj13060272.

A.P. Rodrigues, et al., Electron Beam Irradiation on the Production of a Si- and Zr-Based Hybrid Material: A Study by FTIR and WDXRF. Materials (Basel), 16(2), 489 (2023); https://doi.org/10.3390/ma16020489.

L.-L. Kang, et al., Enhancing Resin Cement Adhesion to Zirconia by Oxygen Plasma-Aided Silicatization. Materials, 15(16), 5568 (2022); https://doi.org/10.3390/ma15165568.

C. Cui, et al., Mechanism of zirconia in suppressing cracking during thermal deformation of molybdenum alloys. Journal of Alloys and Compounds, 1047, 185104 (2025); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.185104.