發(fā)泡劑對(duì)礦渣基地質(zhì)聚合物氣孔結(jié)構(gòu)及吸水性的影響

王立寧，陳 振，張?jiān)鲋?2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京 100083;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)生態(tài)功能材料研究所,北京 100083)

0 引 言

地質(zhì)聚合物是一種鋁硅酸鹽膠粘劑，通過在室溫或略高于室溫的條件下將含有氧化鋁和二氧化硅的前驅(qū)體材料進(jìn)行堿活化而形成的。其中四面體硅酸鹽和鋁酸鹽單元通過共價(jià)鍵形成一個(gè)三維結(jié)構(gòu)，而帶負(fù)電荷的四面體鋁則被堿離子平衡[1-2]。在過去幾十年里，地質(zhì)聚合物材料已經(jīng)成為混凝土膠粘劑中普通硅酸鹽水泥的關(guān)鍵替代品之一，它被認(rèn)為是繼石灰和普通硅酸鹽水泥之后的第三代水泥。這類材料可以通過適當(dāng)?shù)脑线x擇、正確的原料配比和加工工藝的優(yōu)化來獲得不同的性能，以適應(yīng)特定環(huán)境下的應(yīng)用[3-4]。

與普通的硅酸鹽水泥相比，地質(zhì)聚合物材料最大的優(yōu)點(diǎn)之一是降低了能耗和二氧化碳排放量[5]。據(jù)報(bào)道，地質(zhì)聚合物生產(chǎn)產(chǎn)生的二氧化碳排放量通常比水泥熟料少60%～80%[6]。另外，強(qiáng)度高、耐腐蝕、原料廣泛、制備工藝簡(jiǎn)單、可塑性好等優(yōu)點(diǎn)也使得地質(zhì)聚合物受到了廣泛關(guān)注[7-9]。礦渣是高爐煉鐵過程中大量產(chǎn)生的副產(chǎn)品，由于其物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特性，成為目前地質(zhì)聚合物材料的常用原料之一[10-11]。以礦渣為基體，通過發(fā)泡工藝，制成的具有較高強(qiáng)度、高氣孔率、低導(dǎo)熱率、低體積密度的多孔材料，在建筑材料、耐火涂料、水污染凈化、儲(chǔ)能蓄熱、消音隔聲等方面均有很好的應(yīng)用前景[12-13]。黃競(jìng)霖等[14]研究了多孔地質(zhì)聚合物中發(fā)泡劑含量對(duì)材料吸水性和抗折強(qiáng)度的影響。劉瑞平等[15]分析比較了不同種類的發(fā)泡劑(過硼酸鈉、過氧化氫和鋁粉)對(duì)地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)與性能的影響，研究表明，從材料的體積密度、氣孔分布均勻性考慮，過氧化氫的發(fā)泡效果更好，且過氧化氫的成本較低，發(fā)泡無殘留。因此本實(shí)驗(yàn)主要研究的是過氧化氫作為發(fā)泡劑對(duì)礦渣基地質(zhì)聚合物氣孔結(jié)構(gòu)及吸水性的影響。

本文以高爐礦渣、水玻璃、去離子水為主要原料，分別摻雜粉煤灰、偏高嶺土，過氧化氫作為發(fā)泡劑，在低溫下(25～70 ℃)通過堿激發(fā)反應(yīng)制備多孔地質(zhì)聚合物材料，主要研究了發(fā)泡劑的含量和不同摻料對(duì)氣孔結(jié)構(gòu)、孔隙率、平均孔徑以及吸水性、釋水性的影響，為其在調(diào)濕材料領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試 劑

本實(shí)驗(yàn)所采用的主要試劑有：高爐礦渣(BFS)、粉煤灰、石英砂(鞏義市元亨凈水材料廠，平均粒徑15.4 μm)，具體化學(xué)成分見表1；偏高嶺土(MK,鞏義市元亨凈水材料廠，平均粒徑18 μm)；水玻璃(無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司,模數(shù)2.31，波美度50)；十二烷基磺酸鈉(上海展云化工有限公司,分析純AR)；30%過氧化氫(北京化工廠,分析純AR)；蒸餾水(實(shí)驗(yàn)室自制)。

表1 原材料的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of the raw materials /%

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

用PL203電子天平按照表2中的配比稱取一定質(zhì)量的高爐礦渣、摻料、十二烷基磺酸鈉(SDS)、石英砂和堿激發(fā)劑等。其中，十二烷基磺酸鈉為陰離子表面活性劑，在整個(gè)反應(yīng)過程中起到穩(wěn)泡的作用，石英砂對(duì)漿體的可塑性起調(diào)劑作用，防止泡孔塌陷。將上述材料混合成漿料，在室溫下用DJ1C-200電動(dòng)攪拌器進(jìn)行機(jī)械攪拌3 min后，利用針形注射器在漿體中注入一定量的過氧化氫發(fā)泡劑，再攪拌2 min。隨后將混合后的漿料注入到直徑為60 mm的模具中，放置在相對(duì)濕度為70%，溫度在70 ℃的恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)12 h，脫模在室溫下養(yǎng)護(hù)7 d，得到礦渣基地質(zhì)聚合物多孔材料，制備工藝流程如圖1所示。

圖1 礦渣基地質(zhì)聚合物式樣的制備工藝流程Fig.1 Preparation process of slag-based geopolymer

表2 礦渣基地質(zhì)聚合物多孔材料的原料配比Table 2 Composition of raw materials of slag-based geopolymer porous materials

1.3 樣品表征

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡劑含量對(duì)氣孔結(jié)構(gòu)的影響

以高爐礦渣為基體材料，分別以粉煤灰、偏高嶺土為摻料，十二烷基磺酸鈉為穩(wěn)泡劑，研究不同發(fā)泡劑含量對(duì)地質(zhì)聚合物材料中氣孔結(jié)構(gòu)的影響。在制備地質(zhì)聚合物的過程中，分別添加不同含量的過氧化氫所形成的氣孔結(jié)構(gòu)和大小如圖2和圖3所示。利用Image-Pro Plus圖像分析軟件對(duì)不同試樣斷面進(jìn)行分析，得出所對(duì)應(yīng)的孔徑分布如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，在原料相同的情況下，隨著發(fā)泡劑含量的增加，地質(zhì)聚合物的平均孔徑越來越大，且氣孔分布不均勻，通孔率也在不斷增加。其中，圖2(d)和圖3(d)的平均氣孔直徑最大，分別約為0.35 mm和0.425 mm，且孔徑分布范圍較廣，通孔率最大。這是因?yàn)檫^氧化氫含量越高，在混合漿體中反應(yīng)放出的氧氣越多，材料的平均氣孔直徑越大，氣孔之間碰撞接觸多導(dǎo)致通孔率高。綜合看來，摻料為偏高嶺土的礦渣基地質(zhì)聚合物發(fā)泡效果均優(yōu)于粉煤灰組，無論是氣孔分布均勻性、通孔率還是大孔孔徑，均優(yōu)于摻料為粉煤灰的礦渣基地質(zhì)聚合物。

圖2 粉煤灰摻料地質(zhì)聚合物泡孔隨發(fā)泡劑含量變化Fig.2 Pore structure of fly ash admixture geopolymer varies with the content of foaming agent

圖3 偏高嶺土摻料地質(zhì)聚合物泡孔隨發(fā)泡劑含量的變化Fig.3 Pore structure of metakaolin admixture geopolymer varies with the content of foaming agent

圖4 不同發(fā)泡劑用量的粉煤灰摻料地質(zhì)聚合物的孔徑分布Fig.4 Pore size distribution of fly ash admixture geopolymer with different foaming agent content

圖5 不同發(fā)泡劑用量的偏高嶺土摻料地質(zhì)聚合物的孔徑分布Fig.5 Pore size distribution of metakaolin admixture geopolymer with different foaming agent content

2.2 材料的孔徑對(duì)吸水率和釋水時(shí)間的影響

以高爐礦渣為基體，分別以粉煤灰、偏高嶺土為摻料，十二烷基磺酸鈉為穩(wěn)泡劑，通過控制發(fā)泡劑含量制備出不同孔徑的地質(zhì)聚合物試樣，研究泡孔孔徑對(duì)地質(zhì)聚合物吸水率和釋水速率的影響。使用不同劑量發(fā)泡劑制備出的試樣所對(duì)應(yīng)的吸水率和釋水速率曲線如圖6和圖7所示，其中圖6是摻料為粉煤灰的多孔地質(zhì)聚合物材料，圖7是摻料為偏高嶺土的多孔地質(zhì)聚合物材料。從圖中可以看出，無論摻料是粉煤灰還是偏高嶺土，材料的吸水率隨著發(fā)泡劑摻量的增加而增加，材料釋去單位質(zhì)量的水所用時(shí)間則隨發(fā)泡劑用量的增加而減少。這是由于發(fā)泡劑用量越多導(dǎo)致地質(zhì)聚合物的泡孔孔徑越大，使泡孔之間連接形成通孔，地質(zhì)聚合物內(nèi)部起蓄水作用的主要是這些通孔結(jié)構(gòu)。在釋水環(huán)節(jié)，材料內(nèi)部的水分也會(huì)經(jīng)由通孔通道更加快速地釋放到空氣當(dāng)中，而泡孔孔徑較小的閉孔則釋水速率相對(duì)很慢。圖6、圖7中吸水率曲線和釋水時(shí)間曲線的交點(diǎn)，則是使地質(zhì)聚合物同時(shí)具有好的吸水性和釋水性的發(fā)泡劑用量點(diǎn)。從圖6中可以看出，以高爐礦渣為基體，粉煤灰為摻料的多孔地質(zhì)聚合物，當(dāng)其發(fā)泡劑用量為1.35 mL 時(shí)，材料的吸水率為0.62，釋去單位質(zhì)量的水所需時(shí)間為1.575 h。圖7中，以偏高嶺土為摻料的多孔地質(zhì)聚合物，當(dāng)發(fā)泡劑用量為1.52 mL時(shí)，材料的吸水率為0.65，釋去單位質(zhì)量的水所用時(shí)間為1.4 h，材料兼顧了吸水性和釋水性能。

圖7 偏高嶺土地質(zhì)聚合物吸水性和釋水時(shí)間與 發(fā)泡劑用量的關(guān)系Fig.7 Relationship between the water absorption and water release time of metakaolin admixture geopolymer and the content of foaming agent

圖6 粉煤灰摻料地質(zhì)聚合物吸水性和釋水時(shí)間與 發(fā)泡劑用量的關(guān)系Fig.6 Relationship between the water absorption and water release time of fly ash admixture geopolymer and the content of foaming agent

2.3 集水性能的測(cè)試

用以進(jìn)行集水實(shí)驗(yàn)的試樣為圓餅狀，如圖8所示，目的是增加材料與水蒸汽的接觸面積。將不同發(fā)泡劑含量所制備的試樣統(tǒng)一放在一定濕度的氣候箱中，6 h后記錄每個(gè)試樣前后質(zhì)量變化，得出相對(duì)集水效率。兩種不同摻料的試樣集水效率曲線如圖9所示，從圖中可以看出，無論制備地質(zhì)聚合物的摻料為偏高嶺土還是粉煤灰，其集水效率均隨發(fā)泡劑含量的增加而提高。這是因?yàn)榘l(fā)泡劑含量的增加，使得材料孔徑變大，孔與孔之間的連通性提高，更多的水蒸汽能夠進(jìn)入到材料內(nèi)部孔隙，在內(nèi)部凹面負(fù)壓的作用下，凝結(jié)成液態(tài)水儲(chǔ)存在泡孔里。

圖8 集水試樣圖Fig.8 Diagram of water collecting samples

圖9 集水率與發(fā)泡劑用量之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between water collection ratio and the content of foaming agent

3 結(jié) 論

(1)礦渣基地質(zhì)聚合物的泡孔尺寸隨著發(fā)泡劑含量的增加而增大，通孔率提高。當(dāng)發(fā)泡劑添加量為2.6 mL，摻料為粉煤灰時(shí)，地質(zhì)聚合物泡孔平均直徑為0.35 mm；摻料為偏高嶺土?xí)r，泡孔平均尺寸為0.425 mm。

(2)多孔礦渣基地質(zhì)聚合物的吸水性隨發(fā)泡劑含量的增加而提高，釋去單位質(zhì)量的水所用時(shí)間則減少。當(dāng)摻料為粉煤灰時(shí)，發(fā)泡劑添加量為1.35 mL，地質(zhì)聚合物材料兼具較好的吸水性和釋水性；當(dāng)摻料為偏高嶺土?xí)r，發(fā)泡劑添加量為1.52 mL，地質(zhì)聚合物材料兼具較好的吸水性和釋水性。

(3)材料的集水性在發(fā)泡劑含量為0.8～2.6 mL內(nèi)均隨發(fā)泡劑添加量的增加而增加，摻料為偏高嶺土的地質(zhì)聚合物相比摻料為粉煤灰的地質(zhì)聚合物集水性更優(yōu)。