聚乙二醇/偏高嶺土基地質(zhì)聚合物復(fù)合材料的制備及其力學(xué)性能的研究

柯譽(yù)滿，吳 怡，徐夢雪，賀 艷，崔學(xué)民

(廣西石化資源加工與過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 引 言

“Geopolymer”[1]這個(gè)詞語是由法國著名材料學(xué)家J．Davidovots教授于1978年首次提出的[2]。地質(zhì)聚合物是一種由硅氧四面體和鋁氧四面體構(gòu)成的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型無機(jī)高分子材料[3]，作為新時(shí)代的一種環(huán)保、無毒無害，制備簡單的新型凝膠材料[4]，近些年來成為了國內(nèi)外研究的焦點(diǎn)。地聚物材料大多以工業(yè)廢棄物[5]為原料制備，例如粉煤灰[6]、礦渣[7]等，它們具有成本低、無毒、環(huán)保等優(yōu)越的特點(diǎn)[8]，同時(shí)還有強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫性等類似于陶瓷、玻璃和水泥的良好特性[9]。地質(zhì)聚合物材料在應(yīng)用的過程中雖然抗壓強(qiáng)度較高、硬度大，但存在的韌性不足、脆性較大[10,11]的特點(diǎn)，而聚乙二醇的加入不僅能夠增加材料的潤濕性和韌性，使得地質(zhì)聚合物不致于水分散失過快而產(chǎn)生裂痕，從而達(dá)到增加地質(zhì)聚合物保水和增韌的效果；另外，聚乙二醇也是一種較好的相變儲(chǔ)熱材料，與地質(zhì)聚合物復(fù)合具有強(qiáng)度高、液體不宜泄露的優(yōu)點(diǎn)。因此，利用地質(zhì)聚合物復(fù)合聚乙二醇制備相變儲(chǔ)熱材料具有很好的應(yīng)用前景。

本研究采用偏高嶺土、水玻璃和去離子水為原料，聚乙二醇4000作為復(fù)合材料添加劑，探討了聚乙二醇的摻量對于地質(zhì)聚合物性能的影響。采用XRD、SEM、FTIR等方法對地質(zhì)聚合物復(fù)合材料進(jìn)行表征。本文對聚乙二醇強(qiáng)化增韌偏高嶺土基地質(zhì)聚合物進(jìn)行了深入的討論和探究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

聚乙二醇4000：PEG-4000，選自廣東西隴化工股份有限公司，化學(xué)純。

偏高嶺土：采用內(nèi)蒙古超牌有限公司的高活性偏高嶺土，具體成分含量如表1所示。

水玻璃：液態(tài)鈉水玻璃，工業(yè)級(jí)，廣西春旭化工有限公司，水玻璃模數(shù)為3．35，固含量為38．7wt．%。

去離子水：實(shí)驗(yàn)室自制。

氫氧化鈉：NaOH，選自于廣東光華科技股份有限公司，分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在原水玻璃中加入一定量的NaOH將水玻璃的模數(shù)調(diào)節(jié)為n(SiO2/Na2O)=1．3，將聚乙二醇4000放入燒杯中水浴加熱到60 ℃使其完全溶解，以理論摩爾配比(SiO2/Na2O=1．3，Na2O/Al2O3=0．8，SiO2/Al2O3=2．96，H2O/Na2O=18)將一定量的偏高嶺土、模數(shù)為1．3的水玻璃和去離子水混合，并用分散機(jī)攪拌5 min直至原料分散均勻。然后加入溶解后的聚乙二醇4000再次攪拌5min，把漿料到入20 mm×20 mm×20 mm的立方塊模具中，在60 ℃的恒溫干燥箱中養(yǎng)護(hù)1 d后脫模得到偏高嶺土基地質(zhì)聚合物復(fù)合材料。

1.3 表征方法

脫模后的20 mm × 20 mm × 20 mm的試樣在常溫下養(yǎng)護(hù)2 d，通過電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試其抗壓強(qiáng)度和彈性模量。將復(fù)合材料磨細(xì)，進(jìn)行XRD、SEM、FTIR表征，主要實(shí)驗(yàn)儀器如表2所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 水鈉比對偏高嶺土基地質(zhì)聚合物復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響

在不同水鈉比的條件下，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度變化如圖1所示，由于聚乙二醇4000的加入和水鈉比的降低都會(huì)影響地質(zhì)聚合物復(fù)合材料的固化速度，為了保漿料能夠順利注模，采用摻量為3%的聚乙二醇4000來探究水鈉比對復(fù)合材料強(qiáng)度的影響。在圖1中我們可以看到，隨著水鈉比的提高，地質(zhì)聚合物復(fù)合材料的強(qiáng)度呈現(xiàn)線性降低的趨勢，為保證地質(zhì)聚合物的流動(dòng)性使得復(fù)合材料能夠順利注模，實(shí)驗(yàn)中采用水鈉比為18的配比來制備偏高嶺土基地質(zhì)聚合物復(fù)合材料。

2.2 聚乙二醇摻量對地質(zhì)聚合物復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響

聚乙二醇對地質(zhì)聚合物復(fù)合材料強(qiáng)度的影響如圖2所示，在固定水鈉比為18的情況下，可以看到，隨著聚乙二醇摻量的提高，地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度也在提高，當(dāng)聚乙二醇的摻量達(dá)到9%時(shí)，地質(zhì)聚合物的強(qiáng)度達(dá)到最高，1 d的抗壓強(qiáng)度為12．15 MPa，3 d的抗壓強(qiáng)度為13．02 MPa，說明了聚乙二醇的加入有助于地質(zhì)聚合物強(qiáng)度的提高。

表1 偏高嶺土化學(xué)組成Tab.1 The chemical composition of metakaolin

表2 主要實(shí)驗(yàn)儀器Tab.2 Main experimental apparatuses

圖1 不同水鈉比對地質(zhì)聚合物復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 The effect of different water/sodium ratios on the compressive strength of composite materials

圖2 不同聚乙二醇摻量對地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 The effect of different PEG dosages on the elasticity modulus of geopolymers

2.3 聚乙二醇摻量對地質(zhì)聚合物復(fù)合材料彈性模量的影響

不同聚乙二醇摻量對地質(zhì)聚合物復(fù)合材料彈性模量的影響如圖3所示，可以看出，隨著聚乙二醇摻量的增加，復(fù)合材料的彈性模量呈明顯的下降趨勢，當(dāng)摻量為0%時(shí)，彈性模量為470 MPa，在摻量較少時(shí)(1%-5%)，彈性模量的降低尤為明顯，當(dāng)聚乙二醇的摻量大于8%時(shí)，復(fù)合材料的彈性模量的值逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定于100 MPa，彈性模量的降低說明了摻入聚乙二醇有助于提高地質(zhì)聚合物的韌性。

2.4 機(jī)理分析

圖3 不同聚乙二醇摻量對地質(zhì)聚合物彈性模量的影響Fig.3 The effect of different PEG dosages on the compressive strength of geopolymers

圖4 不同聚乙二醇摻量的XRD圖Fig.4 XRD patterns of different PEG admixture amounts

從圖4可以看出，在掃描角度2θ角在5到70的范圍內(nèi)，隨著聚乙二醇摻入含量的增高，檢測到水鈉比為18的偏高嶺土地質(zhì)聚合物XRD衍射峰的強(qiáng)度也有所增高，但是XRD的衍射峰的位置(即2θ角)并沒有改變，說明了在整個(gè)反應(yīng)中并沒有晶像的轉(zhuǎn)變以及新的物質(zhì)生成，即聚乙二醇的加入并不會(huì)影響地質(zhì)聚合物相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖5 不同聚乙二醇摻量的地質(zhì)聚合物地質(zhì)聚合物紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra of different PEG admixture amounts

圖6 地質(zhì)聚合物復(fù)合材料SEM圖(a-0%,b-1%,c-5%,d-9%)Fig.6 SEM images of geopolymer composites (a-0%,b-1%,c-5%,d-9%)

圖5為不同聚乙二醇摻量的地質(zhì)聚合物的紅外光譜圖，在波數(shù)為450 cm-1附近的吸收峰是O-Si鍵的彎曲振動(dòng)峰，在550 cm-1-600 cm-1范圍的峰是Si-O-Al鍵的不對稱伸縮振動(dòng)峰，在850 cm-1附近的峰屬于Si-O-Si鍵的對稱伸縮振動(dòng)峰，900 cm-1-1250 cm-1范圍內(nèi)是T-O-Si鍵的不對稱伸縮振動(dòng)峰(其中T為Si或者Al)，在1350 cm-1附近的峰是C-C鍵的伸縮振動(dòng)峰，這個(gè)鍵是加入聚乙二醇后產(chǎn)生的，0%空白組中并不存在此鍵。隨著PEG用量增大，2974．2 cm-1附近的峰為CH的伸縮振動(dòng)峰。在1650 cm-1和3400 cm-1附近屬于水中的羥基鍵的伸縮振動(dòng)峰。紅外光譜圖中的幾條曲線的差異并不明顯，說明聚乙二醇的加入只改變了外部的固化條件，沒有改變機(jī)理及過程。

圖6為地質(zhì)聚合物復(fù)合材料的SEM圖，從圖中可以看到，空白組的地質(zhì)聚合物的結(jié)構(gòu)較為疏松，地質(zhì)聚合物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不夠緊密，隨著聚乙二醇摻量的增加，聚乙二醇進(jìn)入了地質(zhì)聚合物相互連結(jié)的孔道之中，使得結(jié)構(gòu)變得更加緊密，裂紋更少，達(dá)到了增加地質(zhì)聚合物強(qiáng)度的效果。

3 結(jié) 論

(1)隨著聚乙二醇質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的增加，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和韌性都得到了提高，當(dāng)聚乙二醇的摻量為9%時(shí)地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，為13．02 MPa，復(fù)合材料的彈性模量則隨著摻量的增加呈現(xiàn)降低的趨勢，這都說明了聚乙二醇的加入降低了地質(zhì)聚合物的脆性。

(2)XRD測試說明了在整個(gè)反應(yīng)中并沒有晶像的轉(zhuǎn)變以及新的物質(zhì)生成，即聚乙二醇的加入并不會(huì)影響地質(zhì)聚合物相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(3)紅外的測定表明：聚乙二醇的加入改變了地聚物外部的固化條件，本質(zhì)上沒有改變反應(yīng)機(jī)理以及過程，故此過程只是物理過程，沒有新鍵的生成。