dizertační práce

Aplikace metamastku v anorganických materiálech

Text práce 14.88 MB Teze 11.59 MB

Autor práce: Ing. Jan Bednárek

Ak. rok: 2019/2020

Vedoucí: prof. Ing. Jaromír Havlica, DrSc.

Oponenti: doc. RNDr. Pavel Rovnaník, Ph.D., prof. Dr. Ing. Martin Palou

Abstrakt:

Tato práce se zabývá možností přípravy a charakterizací rentgeno-amorfní delaminované a dehydroxylované mastkové fáze – tzv. metamastku, který by mohl najít využití jako výchozí surovina pro přípravu hořečnato-křemičitých analogů geopolymerů. V průběhu práce byly sledovány změny struktury a morfologie mastkové suroviny. Pro účely práce byly využity dvě různé mastkové suroviny – chloritická a dolomitická. Celý proces přípravy metamastku a jeho reaktivity byl studován pomocí četných instrumentálních technik, jako jsou rentgenová difrakce, simultánní termogravimetrická a diferenční termická analýza, infračervená spektroskopie, skenovací elektronová mikroskopie nebo laserová analýza velikostí částic.
Metamastek lze připravit mechanochemickou aktivací mastkové suroviny a následnou kalcinací produktu aktivace. Mechanochemická aktivace vede k rozbití původní krystalické struktury suroviny a k přetržení většiny vazeb, čímž vzniká prakticky amorfní a delaminovaný produkt. Většina hydroxylových skupin je převedena na molekuly vody, které zůstávají adsorbované nebo koordinované ve struktuře suroviny. Během kalcinace dojde k odstranění těchto molekul ze struktury produktu aktivace. 

Klíčová slova:

Metamastek, mastek, mechanochemická aktivace, vibrační mlýn, attritor, kalcinace, izotermická kalorimetrie, anorganická pojiva

Termín obhajoby

28.11.2019

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znakmkaPznamka

Průběh obhajoby

Předseda komise představil doktoranda a předal mu slovo. Ing. Bednárek má bohaté pracovní zkušenosti: 2014 Alca Plast, s.r.o., 2014-2019 CMV VUT v Brně, 2019 Institut environmentálních technologií, VŠB-TUO. Rovněž jeho pedagogické aktivity jsou pestré: Obecná a anoragická chemie I, Praktikum z anorganické chemie I, II a Praktikum z chemického inženýrství I, II. Publikací je velké množství, 3 publikace jsou uvedeny v databázi Web of Science, v 1 případě je Ing. Bednárek prvním autorem. Ve své powerpointové prezentaci představil doktorand podstatné výsledky své dizertační práce. Oponenti přečetli posudky, oba kladné a doporučovaly práci k obhajobě. Posudky obsahovaly řadu dotazů, na všechny tyto dotazy doktorand uspokojivým způsobem odpověděl.

Jazyk práce

čeština

Fakulta

Ústav

Studijní obor

Chemie, technologie a vlastnosti materiálů (DKCO_CHM_4)

Složení komise

prof. Ing. Petr Ptáček, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. František Šoukal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jozef Vlček, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vlastimil Bílek, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Pavel Rovnaník, Ph.D., oponent (člen)
prof. Dr. Ing. Martin Palou, oponent (člen)

Ing. Jan Bednárek v průběhu studia projevoval poctivý přístup k úkolům vyplývajících ze statutu doktoranda, jednak v samotné formulaci cílů práce, v experimentální práci i ve vyhodnocování jednotlivých dosažených výsledků. Na druhé straně se neokázale podílel i na podpůrných činnostech týmu.  Při hodnocení jeho vědecké perspektivy musím kostatovat, že   byl schopen najít optimální cestu k řešení problematiky mechanochemických operací,  která se ve světě řeší, ale velmi často chybí hlubší chemické zázemí. Hlavní předností doktoranda bylo, že s pokorou přijal toto složité téma, které se v rámci Centra materiálového výzkumu řešilo pod vedením prof. Ptáčka a snažil se přinést některé poznatky do této náročné oblasti vědy.
Cením si, že byl vybrán materiálový systém obsahující mastek, jehož výjimečné postavení v Mohsově stupnici tvrdosti napovídá, že by tady mohlo dojít k nejvýraznější efektivitě mletí a tedy otevření struktury pro následné chemické procesy.
Mnoho experimentů se věnovalo srovnávání vlastností kaolinu (metakaolinu), který má dnes široké uplatnění i v technologiích pojiv  s chováním mastku. Tím se vytvořila hlavní osa práce. Výsledky ukázaly, že je možné mechanochemickými procesy překonat některá úskalí v termodynamice a kinetice reakcí. 
Závěrem doporučuji komisi po úspěšné obhajobě udělení titul PhD.
Oponentní posudek
na doktorskou disertační práci Ing. Jana Bednárka s názvem
„Aplikace metamastku v anorganických systémech“

zpracované v rámci doktorského studia na Fakultě chemické VUT v Brně v doktorském studijním programu Chemie, technologie a vlastnosti materiálů. Vypracováním posudku na disertační práci jsem byl pověřen předsedou komise pro obhajobu dizertační práce Fakulty chemické VUT v  Brně prof. Ing. Petrem Ptáčkem, Ph.D. dopisem ze dne 11. 10. 2019.

Aktuálnost tématu a cíle práce
Fylosilkáty jsou základní surovinou v celé řadě průmyslových odvětví a jejich význam i uplatnění nadále roste. Významným zástupcem této skupiny surovin je i mastek, který se využívá převážně v keramických technologiích, ale také jako mikroplnivo v průmyslu barev a v papírenství. Jeho využití v oblasti anorganických pojiv bylo dosud limitováno nemožností tepelné aktivace jako v případě metakaolinu, neboť při kalcinaci dochází ke krystalizaci nereaktivních fází. Jelikož se jedná o velmi měkký materiál, nabízí se možnost jeho mechanochemické aktivace. Tato metoda stále více nabývá na významu a studium mechanochemických procesů má významný aplikační potenciál. Z tohoto pohledu je předložená práce vysoce aktuální s významem pro rozvoj vědního oboru a snese rovněž mezinárodní srovnání.
Cílem disertační práce bylo studium procesů, které probíhají při mechanochemickém zpracování mastku, jako potenciální suroviny pro přípravu anorganických materiálů. Součástí práce bylo hodnocení mikrostruktury a morfologie mechanochemicky upraveného materiálu s využitím dostupných fyzikálně chemických metod. Následně byl studován vliv kalcinace takto získaného materiálu na jeho vlastnosti. Druhým zásadním cílem pak bylo studium reaktivity upraveného mastkového materiálu jak s alkalickými, tak i kyselými roztoky, pro zjištění potenciálu této suroviny při výrobě anorganických silikátových pojiv.
Poněkud zavádějící se mi zdá samotný název práce, který nekoresponduje s cíli dizertační práce ani s vlastním zadáním, jelikož práce je zaměřena pouze na přípravu metamastku a částečné zhodnocení jeho reaktivity. Jeho aplikace z hlediska materiálové technologie a využití zde diskutována není.

Postup řešení problému a metody zpracování
Disertační práce má přiměřený rozsah (134 stran + 18 stran příloh), je rozdělena na část teoretickou, experimentální a část výsledků a diskuse. Práce je rozdělena do 6 základních kapitol. V závěru práce je pak uvedena použitá literatura, seznamy zkratek a přílohy. V práci je uvedeno 97 odkazů na převážně zahraniční literaturu.
V teoretické části se doktorand věnuje popisu struktury fylosilikátů a fázovým přechodům v soustavě MgO–SiO2. Značná část textu je věnována také kaolinitu jako materiálu, jenž je již dobře prostudován a představuje jistou analogii ke studiu aktivace a následné reaktivity mastku. Je zde popsáno především tepelné, ale i mechanochemické zpracování metakaolinu, na což navazuje popis principu alkalické aktivace, resp. reakce s kyselinou fosforečnou za vzniku geopolymerů. V rámci této části jsou uvedeny také obecné principy a postupy využívané při mechanochemických procesech. V experimentální části je uvedena podrobná charakterizace použitých mastkových surovin a také popis metod využitých při jejich mechanochemickém zpracování a následné analýze.
Řešení stanovených cílů je rozděleno do třech základních etap. První etapa byla věnována mechanochemickému zpracování dvou studovaných surovin, které se lišily obsahem nemastkových příměsí. V této části byl zkoumán především vliv způsobu (vibrační mlýn, attritor) a délky mechanochemického zpracování. Druhá etapa zahrnovala kalcinaci takto upraveného materiálu při třech různých teplotách. Připravené materiály byly vždy pečlivě charakterizovány fyzikálně-chemickými metodami, především infračervenou spektroskopií, rentgenovou difrakční analýzou a kombinovanou termogravimetrickou a diferenční termickou analýzou. V poslední etapě pak byla u takto aktivovaných mastkových surovin studována jejich reaktivita s vybranými alkalickými roztoky a také s kyselinou fosforečnou s využitím izotermické kalorimetrie.
Postup řešení byl vhodně zvolený s ohledem na dostupné metody strukturní analýzy; byly také zvoleny dvě suroviny s rozdílným obsahem nečistot, což umožnilo posouzení vlivu různých příměsí na mechanochemickou aktivaci a následnou reaktivitu mastkové suroviny. Získané experimentální výsledky jsou dobře zpracovány, správně vyhodnoceny, pečlivě diskutovány v textu a zároveň konfrontovány s poznatky získanými z literární rešerše. Lze konstatovat, že vytčené cíle byly naplněny a dosažené výsledky odpovídají zadání dizertační práce.

Význam disertační práce pro rozvoj vědního oboru a pro praxi
V předložené disertační práci jsou zkoumány možnosti mechanochemické aktivace mastkové suroviny s následnou kalcinací. U takto připravené suroviny pak byla sledována její reaktivita. Autorovi se podařilo analyzovat procesy probíhající jak při samotném mechanochemickém zpracování, tak i při následné aktivaci, a charakterizovat strukturu získaných produktů. To má význam z hlediska pochopení a upřesnění principů mechanochemické aktivace vrstevnatých materiálů a  řada poznatků tak může být využita při výzkumu mechanochemických procesů u dalších silikátových materiálů. Studium reaktivity metamastku pak přináší poznatky, jež mohou být následně využity při koncepci nových typů anorganických materiálů. Lze tedy konstatovat, že disertační práce má význam jak z pohledu rozvoje vědní disciplíny materiálového inženýrství, tak i z pohledu praxe.

Formální úprava disertační práce a jazyková úroveň
Formální úprava disertační práce je na velmi vysoké úrovni, je psána dobrým slohem a bez gramatických chyb. V textu se objevuje jen minimum překlepů, Z typografického hlediska by bylo pouze vhodné eliminovat jednopísmenná slova na koncích řádků. Výsledky jsou prezentovány ve formě přehledných tabulek a grafů. Osnova práce je v souladu se zvyklostmi zpracování disertační práce.
Závěr
Závěrem konstatuji, že předložená práce má velmi dobrou obsahovou i formální úroveň a přispěla k rozvoji studované vědní disciplíny i praxe v oboru anorganických materiálů. Uchazeč zpracováním disertační práce prokázal způsobilost k samostatné tvůrčí vědecké práci ve smyslu § 47 zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách a změnách a doplnění dalších zákonů.
Na základě uvedených skutečností doporučuji, aby disertační práce byla přijata k obhajobě a aby v případě jejího úspěšného obhájení byl Ing. Janu Bednárkovi udělen akademický titul „doktor“ (ve zkratce „Ph.D.“ uváděné za jménem).


Datum: 13. listopadu 2019                            doc. RNDr. Pavel Rovnaník, Ph.D.
Soubor vložený oponentem Velikost
Posudek oponenta [.pdf] 770.2 kB