偏高嶺土地質聚合物發泡材料的制備與研究

曾志鐳

(成都理工大學，四川 成都 610000)

?

偏高嶺土地質聚合物發泡材料的制備與研究

曾志鐳

(成都理工大學，四川 成都 610000)

地質聚合物材料是一種無機聚合物材料，它是由硅氧四面體和鋁氧四面體通過氧原子連接構成的一種三維網絡結構的聚合物。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、較好的耐高溫性和較好的力學性能等優點，在工業生產和日常生活中的應用前景非常好。

地質聚合物；發泡材料；抗壓強度；體積密度

1　地質聚合物的概念

地質聚合物材料是一種新型的膠凝材料于20世紀70年代發明的，地聚物的概念最早是由法國科學家Joseph Davidovits教授提出的，現在已經受到了世界各國的科研工作者關注和研究，目前已將近有30多個國家和地區成立了專門研究地聚物的實驗室。Geopolymer是地聚物材料最早的名稱，原意是指由地球化學作用或地質合成作用而形成的硅鋁酸鹽礦物聚合物[9]。現在這一概念的發展已經包括了所有使用了天然礦物和工業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絡狀膠凝材料。并且是一種含有非晶態和準晶態特征的三維網絡狀膠凝材料[1]。

2　地質聚合物材料的研究歷史及現狀

我國在地質聚合物材料方面的研究很晚，但是發展很快，近年來，廣西大學的崔學民教授、東南大學的張云升教授、青海大學的薛彩紅教授、清華大學的孫亙虎和江堯忠教授、中國地質大學的馬鴻文教授等人都對地質聚合物材料的制備、性能和應用開展了深入的研究。2004年，中國鋼鐵集團馬鞍山礦山研究院對地聚物材料進行了研究，并申請了相關專利[4]。2006年廣西大學的崔學民教授等人采用了溶膠凝膠法對地聚物材料進行了研究和制備一系列地聚物材料如：磷酸基地聚物、地聚物發泡材料、地聚物PVC復合材料等都達到了國際先進水平[5]。

3　地質聚合物的反應機理及應用

3.1地質聚合物的反應機理

地址聚合物是一種由AlO4和SiO4四面體結構單元組成的三維立體網狀結構的無機聚合物。主要由偏高嶺土、粉煤灰、工業廢渣等一些硅鋁質的材料作為原料，然后再通過酸激發或者堿激發工藝合成的一種通過O離子交替相連的三維網絡聚合物。

解聚的過程是地質聚合物在合成的過程中的以個重要的過程，在堿激發或酸激發的條件下，硅鋁酸質材料中的硅氧鍵和鋁氧鍵會斷裂，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，重新組合后排出多余的水，生成新的Si-O-Al的網絡結構。

Davidovits教授給出的該聚合物縮聚大分子的化學結構通式，其化學式如下[12]：

Mn{-(SiO2)Z-AlO}n·wH2O

地質聚合物材料發展至今，很多的學者都對其反應機理進行了研究，但其聚合機理非常復雜，都得不到太多的進展。目前為止還是Davidovits教授的理論最為經典：鋁硅酸鹽固體組分的溶解絡合、分散遷移、濃縮聚合和脫水硬化[1]。

3.2溶解絡合過程

偏高嶺土等硅鋁酸鹽原料在堿性溶液中首先會發生溶解，起反應方程式(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礦物的溶解[6]。

3.3遷移擴散過程

溶解在堿性溶液中的鋁硅酸鹽的粉末得到的配合物的擴散方向有原來的沿顆粒表面轉變為沿顆粒間隙方向。

3.4濃縮聚合過程

溶解的Al3+、Si4+和Na+反應生成水化產物[MX(AlO2)Y(SiO2)2·nMOH·mH2O]凝膠相，它具有三維無定形(半晶態)聚合物結構，而堿金屬離子Na+吸附在正硅酸鹽的分子上，平衡負電荷，硅鋁的混合物與堿硅酸鹽溶液發生聚合，反應聚合過程如下[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的水排除，在一定的溫度下固化脫水，最終形成地質聚合物材料。

偏高嶺土、粉煤灰等硅鋁酸鹽的聚合反應是一個脫水放熱的過程，反應以水為傳輸介質，聚合反應發生后又將大量的水排出，少量的水則以結構水的形式取代了[SiO4]中的一個O2-的位置。世界各國科學家都對地質聚合物的反應機理做了很多的研究多少都一些出入。

然后由此反應得到的正硅鋁酸分子上的羥基在堿激發的條件下轉化為了氫鍵，而后羥基與氫鍵又發生脫水反應，形成了一個硅鋁酸鹽的大分子結構Na-PSS。

由此聚合反應可以看出，任何的硅鋁質的礦物材料都可以用來制備地質聚合物材料[8]。地質聚合物的基本相的化學組成與沸石非常相似，但是結構上是呈非晶態和準晶態。

4　總結

地質聚合物發泡材料擁有低熱導率、低能耗、低污染等優勢，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，不同得生產工藝可能生產出來的產品在性能方面就各不相同，對該材料標準的統一也就非常困難，所以研究利用不同產地的原料制備出相同性能和標準的地質聚合物材料或是利用當地資源優勢制備出性能更好的地質聚合物材料是該材料未來的一個發展方向。

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

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

[3]韓要叢,崔學民,劉海峰,等.地質聚合物材料聚合機理研究及應用[J].廣東建材,2007,(11):56-59.

[4]楊南如.化學激發膠凝材料的原料和激發機理[J].水泥與混凝土利廢技術與可持續發展論壇,中國北京,2006,3:95-115.

曾志鐳，成都理工大學，材料科學與工程專業。

TU55

A

1671-1602(2016)16-0020-01