地質聚合物應用現狀及前景展望

楊征

摘 要：地質聚合物是一種無機聚合鋁硅酸鹽膠凝材料。由于其特殊的縮聚三維網絡結構，使其在眾多方面具有高分子材料、水泥和陶瓷，金屬等材料的特征。分析了地質聚合物的聚合反應機理，性能特點，簡要敘述了地質聚合物的發展歷程和應用現狀，并概述了其在工程建筑、有毒廢料、涂料、固封材料和陶瓷材料等領域的應用發展前景。

關 鍵 詞：地質聚合物；結構特點；應用現狀；發展前景

中圖分類號：TQ 325 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2017）07-1476-03

Application Status and Prospect of Geopolymers

YANG Zheng

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163000，China）

Abstract： Geopolymer is an inorganic polymeric aluminosilicate cementitious material. Because of its special polycondensation three-dimensional network structure， it has the characteristics of polymer materials， cement and ceramics， metal and other materials in many aspects. In this paper， the mechanism and performance characteristics of the geopolymer were analyzed， and the development and application of the geopolymer were briefly described. The application prospect of the polymer in engineering construction， coatings， encapsulants and ceramic materials was summarized.

Key words： Geopolymer； Structural characteristics； Application status； Development prospect

地質聚合物屬于鋁硅酸鹽類，是一種新型的聚合物材料，由法國化學家J.Davidovits研發，我國俗稱土聚合物、地聚合物、礦聚合物等，自發現以來，應用范圍進展迅猛，從結構上看其凝膠體系屬于立體網格，具有晶態和非晶態兩中形式，主要是通過含氧四面體聚合而來，以鋁硅為主，主要原料是固體廢物或者自然礦產，原料低廉易得，由于地質聚合物凝膠材料的結構特殊，其具有凝固可控，早強快硬，性質穩定，膠結性好，耐溫耐壓耐腐蝕等性質，較于傳統建筑材料性質優良，前景廣闊，且性質穩定，不易發生變化，使用壽命可達千年，各國均成立了專業性的大型研究機構，特別是國外起步更早[1]。

1 地質聚合物反應機理和性能特點

1.1 反應機理

地質聚合物發現者J.Davidovits將地質聚合物的制備過程分為四步，并將其概括為解聚和縮聚，首先利用氫氧化鈉和氫氧化鉀等強堿性溶液將鋁硅酸鹽材料溶解；然后在溶解過程中，鋁硅等元素將擴散至固體表面，并逐漸擴散填充顆粒間的孔隙，而[Mx（AlO2）y（SiO2）z·nMOH·mH2O]凝膠相的合成，將加速硅鋁物質和堿性溶液的聚合反應過程，在此過程中，水分通過各種方式被逐漸排出，堿性化合物溶液逐漸凝固凝結，進而形成塊狀膠體聚合物，地質聚合物研究方面，國內學者進行了大量的研究工作，并且在制取反應反面不斷創新，主要包括：采取水玻璃和強堿氫氧化鈉配置而成的混合溶液，對高嶺石和煤灰進行溶解激發反應制取地質聚合物；基于硅酸鈉成巖改性溶劑和水化機理，研發了新型石質鋁硅凝膠地質聚合物；還有學者對低模數硅酸溶液制取聚合物凝膠方面進行和研究，提出了堿激發凝膠水化制取方法，并根據水化的過程變化特點，將其劃分成了初、誘、快、緩和穩定五大時期，將低模堿激發地質聚合凝膠制備進一步的精細化[2]；更有學者借助與高科技設備儀器，對地質聚合物的水化演變過程進行了全程追蹤，更加深刻全面細致的解剖了地質聚合物的形成過程。曹德光提出了地質聚合物的反應式：

1.2 性能特征

（1）耐久性能良好

地質凝膠聚合物不同于傳統有機聚合物材料，其不易發生老化、燃點高、韌性好，不易受環境影響、耐久性質突出，兼具有機高分子聚合物和無機硅酸巖水泥二者的特點，究其原因主要是由于地質聚合物具有獨特的鍵接結構，此來自于鋁硅四面體的聚合反應。

（2）結構致密，耐低溫

由于地質聚合物具有獨特的立體空間構造，其結構致密，強度高，不易發生滲透現象，且在其內部孔裂隙中含有高濃度的電解質，具有一定的循環能力和抗低溫性質。

（3）隔熱，耐高溫

地質聚合物結構致密。可以起到隔絕氣體，防止內部氧化等作用，同時其導熱系數極低，僅在0.3 W/（m·K）左右，同時在千度高溫條件下，其也不會發生氧化和分解，高溫性質穩定，可做專業耐火材料，隔熱隔空氣效果極佳，在高溫下其線收速率最高為2%，隨著溫度的上升，其線性收縮率變化極小，高溫力學強度優異。

（4）封固金屬元素

國外學者通過實驗證明，在向地質聚合物中加入千分之一的Pb后，在實驗條件下，進行浸出實驗，24 h后，其達到平衡，此時浸出溶液每升僅含Pb10 mg，這無疑說明地質聚合物能夠有效的防止重金屬離子的溶出，利用工業廢物制得的地質聚合物本身所含有的有毒物質將不具有危害性，同時地質聚合物可以用于放射性和有毒金屬的封固。

（5）耐酸堿腐蝕

地質聚合物在5%硫酸水溶液中分解率僅僅為硅酸鹽的十分之一，而在同濃度的鹽酸水溶液中的分解率更低，顯示了地質聚合物在酸堿環境中的化學穩定性優異，且其在水化反應過程中，不會生成鋁硫酸鹽類礦物，耐酸堿腐蝕。

（6）早強、快硬

根據學者專家的研究成果，地質聚合物能夠迅速固化，類似速硬水泥，在常溫下，水化數小時后，抗壓強度即可高達20 MPa，而且隨著時間的增加，其抗壓強度還會繼續增加，一個月后強度可達到100 MPa[3]，一般在成型后的一天內，地質聚合物力學強度即可迅速升高到最終強度的六成。如表1所示。

（7）原料低廉、制備過程環保

地質聚合物的原料低廉易得，制備成本低，主要有粉煤灰、煤矸石、高嶺土、工業廢渣等廢棄物為主要原料，這些物質資源豐富，代替了石灰石等不可再生資源的使用，間接的降低了年二氧化碳的排放，一噸水泥熟料大概能夠產生相同質量的二氧化碳，對環境的負荷較大，加重了溫室效應，地質聚合物的開發，有效解決了這一現象，相比于硅酸鹽類水泥的制備，地質聚合物的二氧化碳排放量僅僅為其五分之一。

（8）界面膠結性能優良

地質聚合物三維立體空間網絡凝膠主要以共價鍵為主，水化反應中硅酸鈣不會發生水化作用，與其他物質分界面處不存在分節區和過渡帶，結合緊密，膠結性良好，而常規水泥在和鋼筋等物質結合時，常常會出現Ca（OH）2聚集區等過渡帶，致使界面膠結強度較低。

2 地質聚合物發展歷程和應用現狀

2.1 發展歷程

上世紀美國學者Purdon在進行水泥硬化過程分析時，試驗性的加入了一定量的強堿氫氧化鈉，與水泥中含有的鋁硅化合物發生化學反應，生成的偏鋁酸鈉和硅酸鈉又和氫氧化鈣進一步反應，從而生成鋁酸鈣和硅酸鈣等化合物，水泥通過硬化反應最終會生成強堿，因而強堿在硬化反應中作為催化劑存在。這就是Purdon提出的最早堿激活理論雛形，直至上世紀七十年代IUPAC國際會議上，JosephDavidovits建議將由堿激活材料統一命名為聚鋁硅酸鹽，后來又將其更名為地質聚合物[4]，地質聚合物研究飛速蓬勃發展時期是上世紀八十年代，各國學者專家紛紛致力于地質聚合物方面的研究，理論逐漸豐富，性能逐漸加強，應用范圍越來越廣，部分機構已將地質聚合物投入生產，效果比較優異的有法國GEOPOLYMERAM陶瓷，芬蘭F膠凝和美國Pyrament水泥。

2.2 應用現狀

（1）工程材料

由于地質聚合物凝膠具有早強快硬的特點，在工程施工建設過程中，能夠節省脫模時間，縮短運轉周期，加快施工效率。

（2）速修材料

由于地質聚合物早期強度高和膠結力度強，被工程技術人員廣泛的應用于混凝土快速修補材料方面。

（3）防水材料

由于地質聚合物結構致密，能夠隔絕水和空氣，因此被廣泛應用于防滲漏和防水材料方面。

（4）NaA型分子篩材料

地質聚合物凝膠原料高嶺土具有和NaA分子篩近似的構造，目前已經可以通過以高嶺土為主要原料，通過溶凝膠作用，形成純凈的Al2O3-2SiO2微粉末，嚴格控制實驗條件，可以使得所制得的NaA型分子篩克孔徑均值達到1.5μm附近，CaCO3吸附量可達365.6 mg/g，而且熱穩定性完全符合國家相關標準。

（5）介電材料

地質聚合物凝膠通過特殊處理，可以將其中所含有的自由水消除，此時地質聚合物凝膠介電常數在6～8區間，介電損耗在0.02～0.04區間，如果再進行進一步的高溫處理，凝膠材料的介電性質將可與玻璃陶瓷媲美[5]。

（6）泡沫材料

高嶺土經過脫水作用將形成偏高嶺土，其主要成分為Si和Al元素，而且兩種元素的含量不同會直接導致材料性能發生改變，當Si：Al>10時，進行加熱，當溫度達到一定值后，地質聚合物將會形成泡沫，最終冷卻后制得性質穩定的泡沫材料。

3 地質聚合物應用前景展望

3.1 地質聚合物新配方研究

X.Hua和J.S.J.vanDeventer等學者研究發現，強堿（NaOH，KOH）幾乎能夠溶解所有的鋁硅酸化合物，形成的溶液和高嶺石進行反應后均能形成凝膠聚合物，但是形成凝膠的力學性質和聚合反應存在一定的差異性，得出原料的不同會導致產物的差異，以此為基礎，J.Davidovits等人提出采用一定結構和一定成分的鋁硅酸原料，可以制得所需特殊性質的聚合物，這也是未來地質聚合物專業化、個性化和靈活化的主要發展方向[6]。

3.2 涂料開發方向

采用地質聚合物代替有機物進行涂料制備，可以使涂料具有地質聚合物的特殊性質，例如可做防火涂料、環保涂料、防腐蝕和防霉等特殊涂料，在有特殊需要的涂料領域，地質聚合物涂料應用前景廣闊。

3.3 處理有毒廢渣

地質聚合物能夠形成沸石屬性材料，該類材料可以有效的吸收有毒物質，能夠有效的封存重金屬元素、放射性元素，但是在具體應用上還需要進一步研究和開發。

3.4 核廢料固封方向

核電站和其他放射性研究場所形成的各種放射性材料，在處理方面一直成本較高，且工序復雜，而地質聚合物的類沸石空間構造可以有效的封存放射性材料，操作程序簡便，穩定性好，成本低，在這一方面國內的應用較少，未來會是主要發展方向之一。

3.5 復合材料開發

地質聚合物可作為GRC和塊體符合材料，相比于常規材料，地質性質特殊，縮短了養護周期，節省了濕態養護，節約成本，容易加工，而且地質聚合物制作的復合材料外觀和自然石料接近，可作為裝修裝飾材料，經久耐用

3.6 陶瓷材料開發

經過水化作用，地質聚合物和陶瓷在結構上相似，相比于陶瓷，地質聚合物更容易加工成形態各異復雜的制品，而且工藝簡單。

參考文獻：

[1]馬鴻文，楊靜，任玉峰，等.礦物聚合材料：研究現狀與發展前景[J].地學前緣，2002，9（4）：397-407.

[2]袁鴻昌，江堯忠.地聚合物材料的發展及其在我國的應用前景[J].硅酸鹽通報，1998，17（2）：46-51.

[3]蘇達根，朱錦輝，周新濤.礦物鍵合材料研究進展[J].廣州化工，2005，

33（5）：8-9.

[4]王恩，倪文，孫漢.工業固體廢棄物制備地質聚合物技術的原理與發展[J].礦產綜合利用，2005（2）：30

[5]鄭娟榮.地聚物基涂料的試驗研究[J].新型建筑材料，2004（5）：54

[6] 鄭娟榮，覃維祖.地聚物材料的研究進展[J].新型建筑材料，2002（4）：11