外文翻譯中文偏高嶺土地質(zhì)聚合物的制備和力學(xué)性能研究

1、偏高嶺土地質(zhì)聚合物的制備和力學(xué)性能研究Hongling Wang a,b, Haihong Lia, Fengyuan Yan aa State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Chinab Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864, China摘 要：偏高嶺土基地質(zhì)聚合物是通過(guò)對(duì)偏高嶺土在20左右

2、時(shí)使用氫氧化鈉溶液（4-12mol/L）和水玻璃溶液激發(fā)制備得到的。在制備過(guò)程中在模具中對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物施以4MPa壓力并放在65恒溫箱中處理10小時(shí)后對(duì)材料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和表觀密度進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量。通過(guò)x射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡（SEM）和紅外光譜(IR)研究了氫氧化鈉溶液濃度對(duì)偏高嶺土地質(zhì)聚合物的機(jī)械和化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：隨著氫氧化鈉溶液的濃度在4-12mol/L范圍內(nèi)增加，地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和表觀密度也相應(yīng)提高。試樣在空氣中的貯存時(shí)間對(duì)抗折強(qiáng)度影響很小然，而對(duì)抗壓強(qiáng)度和表觀密度幾乎沒(méi)有影響。X射線衍射和紅外光譜的分析表明地質(zhì)聚合物材料是由非晶相和半晶相組成，這些非

3、晶相和半晶相主要包括來(lái)源于偏高嶺土煅燒過(guò)程中空氣中的水和少量惰性成份。地質(zhì)聚合物中非晶相的含量隨著氫氧化鈉濃度提高而增加。掃描電子顯微鏡的結(jié)果表明制備的地質(zhì)聚合物維持了偏高嶺土微粒的層狀結(jié)構(gòu)，所以認(rèn)為地質(zhì)聚合物反應(yīng)主要發(fā)生在偏高嶺土顆粒的微晶表面上。但是這種推測(cè)需要更深層次的研究論證。這種材料的強(qiáng)度數(shù)據(jù)顯示這種基于偏高嶺土的膠體反應(yīng)會(huì)使得建筑材料具備良好的性能。關(guān)鍵詞：地質(zhì)聚合物；偏高嶺土；聚合反應(yīng)；抗折強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度1、引言Davidovits首先在1978年報(bào)道了地質(zhì)聚合物1。作為一種具有部分陶瓷性能的無(wú)機(jī)材料，地質(zhì)聚合物以其經(jīng)濟(jì)友好及耐火的特點(diǎn)引起了人們的注意2。地質(zhì)聚合物反應(yīng)可重新利用

4、一些具有變形性能的廢品，如粉煤灰3。對(duì)地質(zhì)聚合物反應(yīng)機(jī)理的研究，有助于對(duì)具有火山灰效應(yīng)的材料，如粉煤灰，進(jìn)行高效利用。地質(zhì)聚合物可用來(lái)固化有毒金屬4,5。由于其獨(dú)特的籠狀結(jié)構(gòu)，地質(zhì)聚合物甚至被認(rèn)為可以用來(lái)凝固放射性元素。通常情況下，通過(guò)由水化碳酸鹽和水化硅酸鹽組成的催化劑激發(fā)鋁硅酸鹽，地質(zhì)聚合物可以在室溫或者稍高于室溫下合成。它是低水分含量系統(tǒng)中的膠體反應(yīng)。鋁硅酸鹽主要是以固體粉末的形式參加反應(yīng)，而激發(fā)劑則很容易由NaOH或者KOH溶液和水玻璃或者鉀水玻璃制備得到。根據(jù)Davidovits所說(shuō)的，地質(zhì)聚合物是由Si-O-Al所聚合成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成。SiO4 四面體和AlO4四面體通過(guò)一個(gè)共用氧

5、交替連接，地質(zhì)聚合物的反應(yīng)如下1： （1） （2）在分子式（1）中可見(jiàn)，有別于(2SiO2,Al2O3)的鋁硅酸鹽氧化物，（Si2O5，Al2O2）是一種以AL為中心的四配位物質(zhì)。硅酸鈣溶液中二氧化硅以單體或者聚合物形式存在。分子式（2) 式表示地質(zhì)聚合物的最終骨架和基質(zhì)中的電價(jià)平衡。由反應(yīng)進(jìn)程可見(jiàn)，鋁硅酸鹽和催化劑兩大因素直接影響最終產(chǎn)物。固態(tài)鋁硅酸鹽的性能將直接影響溶解過(guò)程和隨后的反應(yīng)，而液體激發(fā)劑將部分或完全溶解固體原材料和決定鋁硅酸鹽結(jié)構(gòu)的破壞與重組，及聚合度。同時(shí)改變了反應(yīng)系統(tǒng)中電價(jià)平衡。高嶺土作為原材料被廣泛的用于制備地質(zhì)聚合物5,712。通過(guò)對(duì)高嶺土進(jìn)行一系列如煅燒、減少鐵和漂白

6、處理后可制備得偏高嶺土。偏高嶺土作為一種比高嶺土具有更高反應(yīng)活性的的人工火山灰質(zhì)材料，已被廣泛用于工業(yè)。Barbose從偏高嶺土中合成了K-PS和K-PSDS，并且發(fā)現(xiàn)這種地質(zhì)聚合物具有良好的耐熱性，K-PS甚至在加熱到1400都無(wú)明顯的液相生成 2。然而目前尚未看見(jiàn)關(guān)于催化劑對(duì)地質(zhì)聚合物材料的力學(xué)和化學(xué)性能的影響的報(bào)導(dǎo)。 本文中偏高嶺土被用來(lái)作為合成地質(zhì)聚合物的原材料，同時(shí)對(duì)液體催化劑對(duì)力學(xué)強(qiáng)度和化學(xué)性能的影響也進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。本文的研究結(jié)果將有助于解釋地質(zhì)聚合物，這一比傳統(tǒng)水泥具有更高的力學(xué)強(qiáng)度的材料的利用。2、試 驗(yàn)：2.1 原材料分析級(jí)偏高嶺土，NaOH溶液，工業(yè)水玻璃，蒸餾水。偏高

7、嶺土的化學(xué)成份由JSM-5600LV掃描電鏡（SEM）和KEVEX能譜儀(EDS)測(cè)得。測(cè)試結(jié)果如表1所示：表1 SEM和EDS測(cè)偏高嶺土聚合物 元素SiAlOKCaTi含量（%）42.3929.8626.170.670.330.592.2 試驗(yàn)方法在一系列集中研究地質(zhì)聚合物在模具中壓縮并拆模的試驗(yàn)中，得出地工合成物反應(yīng)里固體材料與液體激發(fā)劑的最佳質(zhì)量比是3：1。其中的液體激發(fā)劑是由氫氧化鈉溶液和水玻璃溶液以4.15：1的質(zhì)量比制成的。為了了解這種催化劑對(duì)地質(zhì)聚合物材料性能的影響，我們用一系列4、6、8、10、12mol/L的氫氧化鈉溶液和模數(shù)n=3.2的水玻璃溶液進(jìn)行了測(cè)試。本文中4、6、8

8、、10、12mol/L的氫氧化鈉溶液和模數(shù)n=3.2的水玻璃溶液被采用來(lái)進(jìn)行測(cè)試。將按照上述比例制成的催化劑加入偏高嶺土粉末中，并攪拌5分鐘。然后將混合物倒入長(zhǎng)方體或圓柱體的模具中，在4MPa的壓力和室溫下擠壓大約3分鐘，并分別制成6mm×7mm×30mm和13mm×26mm的樣品。之所以將壓力定位4MPa，是因?yàn)樵?MPa壓力下，由于攪拌的停止和試樣早期強(qiáng)度值很高，會(huì)有大部分空氣氣泡進(jìn)入合成產(chǎn)物。模具試樣通過(guò)放在室溫下60分鐘然后放在65的烘箱中10小時(shí)的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)度的發(fā)展。加工的試樣的在65以下時(shí)會(huì)避免裂紋產(chǎn)生。試樣在65以下養(yǎng)護(hù)，可以有效的避免裂紋的產(chǎn)生

9、。最后測(cè)量試樣的強(qiáng)度。2.3 儀器試樣的7天、14天、21天、28天和35天的彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度由目前通用的測(cè)量?jī)xDY35（法國(guó)制造），分別以3N/s，30N/s的速度（參考：滑動(dòng)速率分別為0.05毫米/分鐘,0.1毫米/分鐘）加壓測(cè)得，試樣的密度由試樣的質(zhì)量和體積求得。用X射線衍射儀D/max-RB和JSM-5600LV掃描電子顯微鏡對(duì)試樣的彎曲強(qiáng)度測(cè)量后，再用XRD和SEM對(duì)試樣橫截面處進(jìn)行單獨(dú)分析。試樣的化學(xué)成分用紅外光譜進(jìn)行分析。3、結(jié)果與討論3.1 XRD衍射圖像分析圖1顯示的是在空氣中放置7天的偏高嶺土和反應(yīng)產(chǎn)物的X射線衍射花樣。實(shí)驗(yàn)中的堿激發(fā)劑由水玻璃溶液和不同濃度的氫氧化鈉溶液

10、制成圖1：偏高嶺土和反應(yīng)產(chǎn)物的XRD圖XRD衍射圖像表明偏高嶺土有些成分如石英和莫來(lái)石等始終未參與反應(yīng)。在18°到25°的角度范圍內(nèi)，偏高嶺土的XRD圖像顯示偏高嶺土中混合了半晶相和非晶相，在這個(gè)波段范圍內(nèi)強(qiáng)度相對(duì)較小的反應(yīng)產(chǎn)物的XRD圖像則表明地質(zhì)聚合物材料完全由非晶相組成。另外，從XRD圖像中，我們可以得出這樣的結(jié)論：氫氧化鈉溶液濃度越高，反應(yīng)產(chǎn)物中非晶相含量越高。與沸石的合成過(guò)程相似10，地質(zhì)聚合物的聚合包括固體反應(yīng)物的溶解，然后溶解物傳遞到膠體表面繼而成核繼生成新的成凝膠，凝膠再聚合老化的過(guò)程。關(guān)于現(xiàn)階段的固液反應(yīng)研究工作，考慮到地質(zhì)聚合物聚合過(guò)程中液體激發(fā)劑對(duì)地質(zhì)

11、低聚物的激發(fā)是主要固體-液體反應(yīng)。本文中，液體激發(fā)劑（由氫氧化鈉溶液和水玻璃溶液組成）在地質(zhì)聚合物聚合過(guò)程中所起的不同作用得到重點(diǎn)關(guān)注。主要是弄清試劑中的液體激發(fā)劑（由氫氧化鈉溶液和水玻璃溶液組成）在地質(zhì)聚合物聚合過(guò)程中起的不同作用。具體來(lái)說(shuō)是對(duì)固體原材料質(zhì)點(diǎn)部分或完全被堿溶液溶解，產(chǎn)生大量富含Si和Al，如鋁硅酸鹽四面體結(jié)構(gòu)單元等可溶性反應(yīng)物；這些可溶性硅酸鹽通過(guò)提供自發(fā)聚合物質(zhì)（如單體、二聚物和較大的低聚物）和硅酸鹽單體之間聚合或者AlO4和硅酸鹽單體之間聚合來(lái)催化聚合這一過(guò)程進(jìn)行研究。這種反應(yīng)過(guò)程的產(chǎn)物基本上都是非晶相。3.2 紅外光譜衍射圖像分析圖2表示的是原材料偏高嶺土和對(duì)應(yīng)的地質(zhì)聚

12、合物的紅外光譜圖像。在IR測(cè)試中用到的地質(zhì)聚合物試樣是由水玻璃溶液和8mol/L的氫氧化鈉溶液合成的。地質(zhì)聚合物在波長(zhǎng)大約3420cm-1還有1680cm-1時(shí)的IR光譜上的寬頻地質(zhì)聚合物在IR圖譜上，3420cm-1及1680cm-1附近的花樣表明模具中地質(zhì)聚合物試樣里存在大氣吸附水6。偏高嶺土的IR光譜中顯著吸收的頻率大約1098、826、469cm-1分別表示Si-O彈性震動(dòng)、Si-O-Al震動(dòng)和彎曲震動(dòng)。4501200cm-1范圍內(nèi)偏高嶺土和地質(zhì)聚合物的IR光譜只有一點(diǎn)點(diǎn)不同。這表明原材料分子鏈的絕大多數(shù)震動(dòng)形式依然會(huì)出現(xiàn)在地質(zhì)聚合物聚合反應(yīng)產(chǎn)品產(chǎn)物中。圖2：偏高嶺土以及對(duì)應(yīng)的地質(zhì)聚合

13、物的紅外光譜3.3 掃描電子顯微鏡觀察圖3是在8mol/L氫氧化鈉溶液下合成的反應(yīng)產(chǎn)物橫截面的SEM圖像。偏高嶺土基地質(zhì)聚合物呈松散的微結(jié)構(gòu)狀，尤其是考慮到這些圖像是取自于抗彎曲強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中試樣的橫截面。另外，地質(zhì)聚合物跟偏高嶺土具有與薄片一樣的層狀結(jié)構(gòu)。因?yàn)楣桃悍磻?yīng)系統(tǒng)可以被看作含水量相對(duì)較低的凝膠系統(tǒng)，基于此，可以作出以下猜想：地質(zhì)物聚合反應(yīng)和成型過(guò)程中固體原材料保持其形狀幾乎不變。圖3中的SEM圖像也為地質(zhì)聚合反應(yīng)主要發(fā)生在固體顆粒微晶表面上這一假設(shè)提供了更有力的證據(jù)7。圖3：偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的掃描電子顯微鏡圖像3.4 力學(xué)性能圖4所示為合成的地質(zhì)聚合物的抗彎曲強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和表觀密度

14、數(shù)據(jù)。A、C、E圖中的樣品是由水玻璃溶液和412mol/L的氫氧化鈉溶液組成的激發(fā)劑激發(fā)合成并在空氣中放置7天，B、D、F圖中的樣品則是由水玻璃溶液和8mol/L的氫氧化鈉溶液組成的激發(fā)劑激發(fā)合成。圖4所示為地質(zhì)聚合物的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和表觀密度隨氫氧化鈉溶液濃度的變化規(guī)律。地質(zhì)聚合物框架的形成很大程度上取決于偏高嶺土的溶解程度，而偏高嶺土的溶解程度又直接受氫氧化鈉溶液濃度的影響。越高濃度的氫氧化鈉溶液對(duì)偏高嶺土顆粒有越好的溶解能力，也會(huì)為單體提供更多的活性結(jié)合也會(huì)為單體的聚合提供更多的活性殘鍵。單體的活性結(jié)合點(diǎn)越多，地質(zhì)聚合物分子間的粘結(jié)力也越強(qiáng)。試樣在空氣中放置20天后抗折強(qiáng)度略有增加（

15、見(jiàn)圖B）。這可能由于大氣中的水分對(duì)緩慢而長(zhǎng)期的聚合反應(yīng)的影響造成的。試樣的抗壓強(qiáng)度幾乎不受儲(chǔ)存時(shí)間的影響（見(jiàn)E、F圖）。綜上，地質(zhì)聚合物的聚合反應(yīng)過(guò)程可具體地表示如下：首先，偏高嶺土顆粒的表層被氫氧化鈉溶液溶解，可溶性鋁硅酸鹽單元在來(lái)自于水玻璃溶液中可自發(fā)聚合物質(zhì)(包含Si-O-Si鏈的單體、二聚體和較大的低聚物)的存在下而立即被聚合；然后，被溶解了的偏高嶺土顆粒被聚合產(chǎn)物網(wǎng)絡(luò)所連接。因?yàn)楦邼舛鹊臍溲趸c溶液對(duì)偏高嶺土顆粒具有更好的溶解能力并且形成了一個(gè)由溶解了的偏高嶺土顆粒加強(qiáng)了連接的聚合網(wǎng)絡(luò)，所以用更高濃度氫氧化鈉溶液來(lái)制成更緊湊和力學(xué)強(qiáng)度更高的地質(zhì)聚合物試樣這種方法是可行的。圖4：偏高嶺

16、土基地質(zhì)聚合物的抗彎曲強(qiáng)度（A和B）、抗壓強(qiáng)度（C和D）、表觀密度（E和F）4、結(jié)論由氫氧化鈉溶液和水玻璃溶液激發(fā)偏高嶺土合成的偏高嶺土基地質(zhì)聚合物材料主要是非晶相，它包含大氣中的吸附水。它的層結(jié)構(gòu)和偏高嶺土顆粒的薄片狀結(jié)構(gòu)相似，這也說(shuō)明主要相，尤其是偏高嶺土顆粒的薄片結(jié)構(gòu)仍然會(huì)在地質(zhì)聚合物聚合反應(yīng)、養(yǎng)護(hù)和成型過(guò)程中存在。系統(tǒng)中的膠體反應(yīng)主要發(fā)生在偏高嶺土顆粒的微晶表面上。地質(zhì)聚合物的的力學(xué)性能主要取決于氫氧化鈉溶液的濃度。地質(zhì)聚合物的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和表觀密度隨著氫氧化鈉溶液濃度在412mol/L范圍內(nèi)提高而增加。這是因?yàn)槠邘X土顆粒溶解度的增大，導(dǎo)致在高氫氧化鈉溶液下單體濃度加速增大。特

17、別感謝：感謝中國(guó)自然科學(xué)基金會(huì) (NSFC, China No.50432020)的經(jīng)費(fèi)資助。來(lái)自于國(guó)家固體潤(rùn)滑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的趙家政教授、周金芳博士和工程師李和還有閆杰等作出的SEM、XRD和IR分析。參考文獻(xiàn)：1 J. Davidovits, Geopolymers: man-made rocks geosynthesis and the resulting development of very early high strength cement, J. Mater.Educ. 16 (1994) 91139.2 F.F.B. Valeria, J.D.M. Kenneth, Synthe

18、sis and thermal behaviour of potassium sialate geopolymers, Mater. Lett. 57 (2003) 14771482.3 J.C. Swanepoel, C.A. Strydom, Utilization of y ash in a geopolymeric material, Appl. Geochem. 17 (2002) 11431148.4 J.G.S. van Jaarsveld, J.S.J. van Deventer, L. Lorenzen, The potential use of geopolymeric m

19、aterials to immobilize toxic metals: part I.Theory and applications, Miner. Eng. 10 (1997) 659669.5 J.G.S. van Jaarsveld, J.S.J. van Deventer, A. Schwartzman, The potential use of geopolymeric materials to immobilize toxic metals: part II. Material and leaching characteristics, Miner. Eng. 12(1999)

20、7591.6 J.G.S. van Jaarsveld, J.S.J. van Deventer, G.C. Lukey, The characterization of source materials in y ash-based geopolymers, Mater.Lett. 57 (2003) 12721280.7 F.F.B. Valeria, J.D.M. Kenneth, T. Clelio, Synthesis and characterization of materials based on inorganic polymers of alumina and silica

21、: sodium polysialate polymers, Int. J. Inorg. Mater. 2 (2000)309317.8 H. Xu, J.S.J. van Deventer, G.C. Lukey, Effect of alkali metals on the preferential geopolymerization of stilbite/kaolinite mixtures, Ind.Eng. Chem. Res. 40 (2001) 3749.9 J.G.S. van Jaarsveld, J.S.J. van Deventer, Effect of the alkali metal activator on the properties of y ash-based geopolymers, Ind. Eng.Chem. Res. 38 (1999) 39323941.10 H. Xu, J.S.J. van Deventer, Mi