偏高嶺土地質(zhì)聚合物發(fā)泡材料的制備與研究

曾志鐳

(成都理工大學(xué)，四川 成都 610000)

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偏高嶺土地質(zhì)聚合物發(fā)泡材料的制備與研究

曾志鐳

(成都理工大學(xué)，四川 成都 610000)

地質(zhì)聚合物材料是一種無機(jī)聚合物材料，它是由硅氧四面體和鋁氧四面體通過氧原子連接構(gòu)成的一種三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物。具有制備工藝簡單、原料易得、低能耗、低污染、耐腐蝕性和耐久性強(qiáng)、較好的耐高溫性和較好的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的應(yīng)用前景非常好。

地質(zhì)聚合物；發(fā)泡材料；抗壓強(qiáng)度；體積密度

1　地質(zhì)聚合物的概念

地質(zhì)聚合物材料是一種新型的膠凝材料于20世紀(jì)70年代發(fā)明的，地聚物的概念最早是由法國科學(xué)家Joseph Davidovits教授提出的，現(xiàn)在已經(jīng)受到了世界各國的科研工作者關(guān)注和研究，目前已將近有30多個(gè)國家和地區(qū)成立了專門研究地聚物的實(shí)驗(yàn)室。Geopolymer是地聚物材料最早的名稱，原意是指由地球化學(xué)作用或地質(zhì)合成作用而形成的硅鋁酸鹽礦物聚合物[9]。現(xiàn)在這一概念的發(fā)展已經(jīng)包括了所有使用了天然礦物和工業(yè)廢渣制備成的以硅氧四面體和鋁氧四面體聚合聚合而成三維網(wǎng)絡(luò)狀膠凝材料。并且是一種含有非晶態(tài)和準(zhǔn)晶態(tài)特征的三維網(wǎng)絡(luò)狀膠凝材料[1]。

2　地質(zhì)聚合物材料的研究歷史及現(xiàn)狀

我國在地質(zhì)聚合物材料方面的研究很晚，但是發(fā)展很快，近年來，廣西大學(xué)的崔學(xué)民教授、東南大學(xué)的張?jiān)粕淌凇⑶嗪４髮W(xué)的薛彩紅教授、清華大學(xué)的孫亙虎和江堯忠教授、中國地質(zhì)大學(xué)的馬鴻文教授等人都對地質(zhì)聚合物材料的制備、性能和應(yīng)用開展了深入的研究。2004年，中國鋼鐵集團(tuán)馬鞍山礦山研究院對地聚物材料進(jìn)行了研究，并申請了相關(guān)專利[4]。2006年廣西大學(xué)的崔學(xué)民教授等人采用了溶膠凝膠法對地聚物材料進(jìn)行了研究和制備一系列地聚物材料如：磷酸基地聚物、地聚物發(fā)泡材料、地聚物PVC復(fù)合材料等都達(dá)到了國際先進(jìn)水平[5]。

3　地質(zhì)聚合物的反應(yīng)機(jī)理及應(yīng)用

3.1地質(zhì)聚合物的反應(yīng)機(jī)理

地址聚合物是一種由AlO4和SiO4四面體結(jié)構(gòu)單元組成的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無機(jī)聚合物。主要由偏高嶺土、粉煤灰、工業(yè)廢渣等一些硅鋁質(zhì)的材料作為原料，然后再通過酸激發(fā)或者堿激發(fā)工藝合成的一種通過O離子交替相連的三維網(wǎng)絡(luò)聚合物。

解聚的過程是地質(zhì)聚合物在合成的過程中的以個(gè)重要的過程，在堿激發(fā)或酸激發(fā)的條件下，硅鋁酸質(zhì)材料中的硅氧鍵和鋁氧鍵會(huì)斷裂，即解聚，形成低聚硅鋁四面體；最后低聚硅鋁酸鹽以水為介質(zhì)，重新組合后排出多余的水，生成新的Si-O-Al的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

Davidovits教授給出的該聚合物縮聚大分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)通式，其化學(xué)式如下[12]：

Mn{-(SiO2)Z-AlO}n·wH2O

地質(zhì)聚合物材料發(fā)展至今，很多的學(xué)者都對其反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究，但其聚合機(jī)理非常復(fù)雜，都得不到太多的進(jìn)展。目前為止還是Davidovits教授的理論最為經(jīng)典：鋁硅酸鹽固體組分的溶解絡(luò)合、分散遷移、濃縮聚合和脫水硬化[1]。

3.2溶解絡(luò)合過程

偏高嶺土等硅鋁酸鹽原料在堿性溶液中首先會(huì)發(fā)生溶解，起反應(yīng)方程式(2-1)：

Al2SiO5(OH)4+3H2O+4NaOH→2[Al(OH)4]-+2[SiO(OH)3]+4Na+

(2-1)

Al3+、Si2+在溶液中隨著溶液的PH值得增大而增多，這一步就稱為硅鋁質(zhì)礦物的溶解[6]。

3.3遷移擴(kuò)散過程

溶解在堿性溶液中的鋁硅酸鹽的粉末得到的配合物的擴(kuò)散方向有原來的沿顆粒表面轉(zhuǎn)變?yōu)檠仡w粒間隙方向。

3.4濃縮聚合過程

溶解的Al3+、Si4+和Na+反應(yīng)生成水化產(chǎn)物[MX(AlO2)Y(SiO2)2·nMOH·mH2O]凝膠相，它具有三維無定形(半晶態(tài))聚合物結(jié)構(gòu)，而堿金屬離子Na+吸附在正硅酸鹽的分子上，平衡負(fù)電荷，硅鋁的混合物與堿硅酸鹽溶液發(fā)生聚合，反應(yīng)聚合過程如下[7]：

Al-Si-O+MOH+NaSiO3→Al-Si-O+[MZ(AlO)2X·(SiO2)y·nMOH·mH2O]→Al-Si-O[MX(AlO2)Y(SiO2)2·nMOH·mH2O](無定形地質(zhì)聚合物)

3.5脫水硬化過程

[MX(AlO2)Y(SiO2)2·nMOH·mH2O]凝膠相的形成將參加反應(yīng)的水排除，在一定的溫度下固化脫水，最終形成地質(zhì)聚合物材料。

偏高嶺土、粉煤灰等硅鋁酸鹽的聚合反應(yīng)是一個(gè)脫水放熱的過程，反應(yīng)以水為傳輸介質(zhì)，聚合反應(yīng)發(fā)生后又將大量的水排出，少量的水則以結(jié)構(gòu)水的形式取代了[SiO4]中的一個(gè)O2-的位置。世界各國科學(xué)家都對地質(zhì)聚合物的反應(yīng)機(jī)理做了很多的研究多少都一些出入。

然后由此反應(yīng)得到的正硅鋁酸分子上的羥基在堿激發(fā)的條件下轉(zhuǎn)化為了氫鍵，而后羥基與氫鍵又發(fā)生脫水反應(yīng)，形成了一個(gè)硅鋁酸鹽的大分子結(jié)構(gòu)Na-PSS。

由此聚合反應(yīng)可以看出，任何的硅鋁質(zhì)的礦物材料都可以用來制備地質(zhì)聚合物材料[8]。地質(zhì)聚合物的基本相的化學(xué)組成與沸石非常相似，但是結(jié)構(gòu)上是呈非晶態(tài)和準(zhǔn)晶態(tài)。

4　總結(jié)

地質(zhì)聚合物發(fā)泡材料擁有低熱導(dǎo)率、低能耗、低污染等優(yōu)勢，其在隔熱防火消聲除音材料方面具有非常好的市場前景，但是由于影響其性能的因素很多，不同得生產(chǎn)工藝可能生產(chǎn)出來的產(chǎn)品在性能方面就各不相同，對該材料標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一也就非常困難，所以研究利用不同產(chǎn)地的原料制備出相同性能和標(biāo)準(zhǔn)的地質(zhì)聚合物材料或是利用當(dāng)?shù)刭Y源優(yōu)勢制備出性能更好的地質(zhì)聚合物材料是該材料未來的一個(gè)發(fā)展方向。

[1]馬鴻文,楊靜,任玉峰,等.礦物聚合物材料:研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].地學(xué)前緣,2002,9(4):397-406.

[2]中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院.地質(zhì)聚合物材料的研制[P].中國：CN20040101，2004.

[3]韓要叢,崔學(xué)民,劉海峰,等.地質(zhì)聚合物材料聚合機(jī)理研究及應(yīng)用[J].廣東建材,2007,(11):56-59.

[4]楊南如.化學(xué)激發(fā)膠凝材料的原料和激發(fā)機(jī)理[J].水泥與混凝土利廢技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展論壇,中國北京,2006,3:95-115.

曾志鐳，成都理工大學(xué)，材料科學(xué)與工程專業(yè)。

TU55

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1671-1602(2016)16-0020-01