地質(zhì)聚合物的性能與應(yīng)用發(fā)展前景

1、-. z.地質(zhì)聚合物的性能與應(yīng)用開(kāi)展前景摘要地質(zhì)聚合物是一種新型高性能膠凝材料。由于其特殊的縮聚三維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，使其在眾多方面具有高分子材料、水泥和瓷等材料的特征。綜述了國(guó)外地質(zhì)聚合物的制備研究及聚合反響機(jī)理，概述了地質(zhì)聚合物具備的性能特點(diǎn)及其在土木工程、快速修補(bǔ)和有毒廢料及放射性廢料處理等領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用開(kāi)展前景。關(guān)鍵詞：地質(zhì)聚合物 聚合反響機(jī)理 應(yīng)用 開(kāi)展前景目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc4708686611 緒論 PAGEREF _Toc470868661 h 2HYPERLINK l _Toc4708686621.1地質(zhì)聚合物的簡(jiǎn)介 PAGEREF

2、_Toc470868662 h 2HYPERLINK l _Toc470868663地質(zhì)聚合物的概念 PAGEREF _Toc470868663 h 2HYPERLINK l _Toc470868664地質(zhì)聚合物的構(gòu)造 PAGEREF _Toc470868664 h 2HYPERLINK l _Toc470868665地質(zhì)聚合反響機(jī)理 PAGEREF _Toc470868665 h 3HYPERLINK l _Toc4708686662 地質(zhì)聚合物的性能特點(diǎn) PAGEREF _Toc470868666 h 4HYPERLINK l _Toc4708686672.1高強(qiáng)度 PAGEREF _To

3、c470868667 h 4HYPERLINK l _Toc4708686682.2強(qiáng)的耐腐蝕性和較好的耐久性 PAGEREF _Toc470868668 h 5HYPERLINK l _Toc4708686692.3快硬早強(qiáng) PAGEREF _Toc470868669 h 5HYPERLINK l _Toc4708686702.4耐高溫 PAGEREF _Toc470868670 h 5HYPERLINK l _Toc4708686712.5滲透率低，耐凍融循環(huán) PAGEREF _Toc470868671 h 5HYPERLINK l _Toc4708686722.6良好的界面結(jié)合能力 PA

4、GEREF _Toc470868672 h 5HYPERLINK l _Toc4708686733 地質(zhì)聚合物的應(yīng)用開(kāi)展前景 PAGEREF _Toc470868673 h 6HYPERLINK l _Toc4708686743.1 開(kāi)發(fā)土木工程材料和快速修補(bǔ)材料 PAGEREF _Toc470868674 h 6HYPERLINK l _Toc4708686753.2 開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)地質(zhì)聚合物基涂料 PAGEREF _Toc470868675 h 6HYPERLINK l _Toc4708686763.3 開(kāi)發(fā)工業(yè)有毒廢渣和核廢料固封材料 PAGEREF _Toc470868676 h 6HYPE

5、RLINK l _Toc4708686773.4 開(kāi)發(fā)化學(xué)鍵合瓷 PAGEREF _Toc470868677 h 7HYPERLINK l _Toc4708686783.5 開(kāi)發(fā)地質(zhì)聚合物復(fù)合材料 PAGEREF _Toc470868678 h 7HYPERLINK l _Toc4708686793.6 開(kāi)發(fā)防火和耐高溫材料 PAGEREF _Toc470868679 h 7HYPERLINK l _Toc4708686804 結(jié)語(yǔ) PAGEREF _Toc470868680 h 71 緒論1.1地質(zhì)聚合物的簡(jiǎn)介地質(zhì)聚合物的概念地質(zhì)聚合物Geopolymer原意指由地球化學(xué)作用或人工模仿地質(zhì)合

6、成作用而制造出的鋁硅酸鹽礦物聚合物，其根本構(gòu)造是由硅氧四面體和鋁氧四面體聚合的具有非晶態(tài)和準(zhǔn)晶態(tài)特征的三維網(wǎng)絡(luò)凝膠體。1.1.2地質(zhì)聚合物的構(gòu)造地質(zhì)聚合物具有以硅氧四面體和鋁氧四面體為骨架組成的三維網(wǎng)狀凝膠構(gòu)造，其經(jīng)歷化學(xué)式為Mn-(SiO2)Z-AlO2nwH2O。其中M為堿金屬和金屬陽(yáng)離子等，n為聚合度數(shù)，Z為1、2、3等整數(shù)。同時(shí)，地質(zhì)聚合物具有類(lèi)沸石籠狀構(gòu)造，地質(zhì)聚合物與沸石在構(gòu)造上的主要區(qū)別在于地質(zhì)聚合物是一種無(wú)定形體，而沸石是一種結(jié)晶態(tài)物質(zhì)。因?yàn)橛兄c沸石類(lèi)似的構(gòu)造和制備方法，許多文獻(xiàn)報(bào)道了在地質(zhì)聚合物樣品中出現(xiàn)了一定量的沸石相。依據(jù)Z值的不同地質(zhì)聚合物可以分為PS、PSS和PSD

7、S型，它們的構(gòu)造如圖1所示。圖1地質(zhì)聚合物PS、PSS和PSDS構(gòu)造圖通過(guò)投射電鏡分析TEM可知地質(zhì)聚合物具有孔徑分布較寬的多孔構(gòu)造。地質(zhì)聚合物凝膠體是由直徑為5-10nm的一次凝膠顆粒構(gòu)成，而這些顆粒又圍成了納米級(jí)孔道，這些孔道成為地質(zhì)聚合物介孔孔徑2-50nm之間的來(lái)源。同時(shí)，地質(zhì)聚合物還含有大孔孔徑大于50nm和微孔孔徑小于2nm。大孔是由粉煤灰或高嶺土顆粒之間的間隙所形成，而微孔是地質(zhì)聚合物凝膠的籠狀構(gòu)造所形成的孔隙。1.1.2地質(zhì)聚合反響機(jī)理由于地質(zhì)聚合物的聚合反響涉及到很多方面的多種因素，其聚合機(jī)理尚未能夠完全解釋清楚，相關(guān)的研究仍在繼續(xù)。目前，國(guó)外學(xué)者大都以堿激發(fā)機(jī)理為根底來(lái)解釋

8、地質(zhì)聚合物的聚合機(jī)理，其中以J.Davidovits教授提出的反響機(jī)理為代表，他把地質(zhì)聚合反響的機(jī)理解釋為解聚縮聚的過(guò)程，認(rèn)為地質(zhì)聚合物形成過(guò)程中，首先硅酸鹽原料在堿溶液的作用下促使其硅氧鍵和鋁氧鍵的斷裂，形成一系列處于低聚狀態(tài)的硅氧四面體和鋁氧四面體單元，這些低聚的四面體單元隨著反響的進(jìn)展，逐漸脫水重新聚合，從而形成地質(zhì)聚合物。文獻(xiàn)認(rèn)為，地質(zhì)聚合物的形成過(guò)程可分為4 個(gè)階段：鋁硅酸鹽礦物粉體原料在堿性溶液(NaOH，KOH)中的溶解；溶解的鋁硅配合物由固體顆粒外表向顆粒間隙的擴(kuò)散；凝膠相M*(AlO2)y(SiO2)znMOHmH2O的形成，導(dǎo)致在堿硅酸鹽溶液和鋁硅配合物之間發(fā)生聚合作用；凝

9、膠相逐漸排除剩余的水分，固結(jié)硬化成礦物聚合材料塊體。以偏高嶺石為原料在NaOH和KOH的堿性環(huán)境中制備地質(zhì)聚合物的反響式可以簡(jiǎn)要表示如下：高嶺石煅燒失去局部構(gòu)造水以后，構(gòu)造呈無(wú)定形狀態(tài)，從而演變成為準(zhǔn)有序的偏高嶺石，具有較高的活化能。當(dāng)其再水化時(shí)，能重新恢復(fù)成原始構(gòu)造。認(rèn)為地質(zhì)聚合物的部構(gòu)造以硅鋁氧鏈(-Si-O-Al-O-)、硅鋁硅氧鏈(-Si-O-Al-O -Si-O-)和硅鋁二硅氧鏈(-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-)等構(gòu)造單元組成的三維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。地質(zhì)聚合物的這種構(gòu)造與有機(jī)高分子材料的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造相類(lèi)似，并且其構(gòu)造單元鏈與鏈之間，以及鏈與礦物顆粒外表的SiO4和AlO4四面體通過(guò)脫

10、羥基作用形成化學(xué)鍵，因而兼具一些有機(jī)聚合物與無(wú)機(jī)材料的性能。2地質(zhì)聚合物的性能特點(diǎn)2.1高強(qiáng)度主要力學(xué)指標(biāo)高于玻璃、水泥，可與鋼、瓷、鋁等金屬材料相媲美。地質(zhì)聚合物具有良好的早強(qiáng)特征，一般24h強(qiáng)度可到達(dá)1530MPa，28d強(qiáng)度可到達(dá)3260MPa。由于地質(zhì)聚合物以共價(jià)鍵連接為主，與一般礦物顆?；驈U棄物顆粒具有良好的界面親和性，因此這類(lèi)材料的抗折強(qiáng)度較高。與水泥基材料相比，當(dāng)抗壓強(qiáng)度一樣時(shí)，地質(zhì)聚合物具有更高的抗折強(qiáng)度。2.2強(qiáng)的耐腐蝕性和較好的耐久性聚合物在有機(jī)溶液、堿性溶液和鹽水中很穩(wěn)定，在濃硫酸中較穩(wěn)定，在濃鹽酸中穩(wěn)定性較差。由于地質(zhì)聚合物制備時(shí)都要參加大量活性的鋁硅酸鹽細(xì)粉如鍛燒高嶺

11、土、粉煤灰、高爐礦渣等，地質(zhì)聚合物形成后能夠吸納大量的堿金屬離子，這種吸納過(guò)程只要活性成分在沒(méi)有被耗盡的情況下可以不斷地進(jìn)展下去，因此，可以極大的弱化材料中的堿一骨料反響。與普通水泥相比，地質(zhì)聚合物中的堿骨料反響很弱，因而耐久性能良好。2.3快硬早強(qiáng)由于地質(zhì)聚合物材料在強(qiáng)堿作用下反響迅速，能夠在很短的時(shí)間迅速聚合形成廣泛的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，具有快硬早強(qiáng)的特點(diǎn)，因此受到了人們的廣泛重視。2.4耐高溫地質(zhì)聚合物分子是由Al-Si-O鍵組成的無(wú)機(jī)高分子構(gòu)造，其鍵合方式是共價(jià)結(jié)合，鍵與鍵間的強(qiáng)度大，鍵能量高，因此不容易被破壞。而且地質(zhì)聚合物本身是個(gè)氧化物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造體系，在1000一2000之間不氧化，不分解。因

12、此地質(zhì)聚合物材料具有耐高溫、不燃、隔熱、保溫等特點(diǎn)。2.5滲透率低，耐凍融循環(huán)地質(zhì)聚合物能形成致密的構(gòu)造，強(qiáng)度高，抗?jié)B性能優(yōu)良；而且孔洞溶液中電解質(zhì)濃度較高，因而耐凍融循環(huán)的能力增強(qiáng)。2.6良好的界面結(jié)合能力傳統(tǒng)硅酸鹽水泥在與骨料結(jié)合的界面處容易出現(xiàn)氫氧化鈣的富集和擇優(yōu)取向的過(guò)渡區(qū)，造成界面結(jié)合力薄弱。地質(zhì)聚合物不存在硅酸鈣的水化反響，其最終產(chǎn)物主要是以共價(jià)鍵為主的三維網(wǎng)絡(luò)凝膠體，與骨料界面結(jié)合嚴(yán)密，不會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的過(guò)渡區(qū)。與水泥基材料相比，當(dāng)抗壓強(qiáng)度一樣時(shí)，地質(zhì)聚合物具有更高的抗折強(qiáng)度。3地質(zhì)聚合物的應(yīng)用開(kāi)展前景由于地質(zhì)聚合物具有優(yōu)異的高溫性能、機(jī)械性能等特點(diǎn)，在很多工業(yè)領(lǐng)域都能找到其廣闊的應(yīng)

13、用空間，如：交通及搶修工程、冶金、核廢料處理等領(lǐng)域。3.1開(kāi)發(fā)土木工程材料和快速修補(bǔ)材料地質(zhì)聚合物是目前膠凝材料中快硬早強(qiáng)性能最為突出的一類(lèi)材料。用于土木工程中，可以大大縮短脫模時(shí)間，加快模板運(yùn)轉(zhuǎn)周期，提高施工速度。同時(shí)由于地質(zhì)聚合物具有早期強(qiáng)度高及界面粘結(jié)強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可用作混凝土構(gòu)造的快速修補(bǔ)材料。用它修建的機(jī)場(chǎng)跑道，1h后可以步行，4h后可以通車(chē)，6h后可供飛機(jī)起降。3.2開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)地質(zhì)聚合物基涂料地質(zhì)聚合物水化后構(gòu)造致密，具有良好的防水、防火等性能。利用白色的煅燒高嶺土作為硅-鋁反響物，用一定模數(shù)和濃度的水玻璃作為堿激發(fā)劑，并參加適量填料配制出了地質(zhì)聚合物基涂料。該地聚物基涂料具有耐淡水

14、、海水、鹽和稀硫酸等化學(xué)侵蝕的特性。與有機(jī)涂料相比，地質(zhì)聚合物基涂料具有耐酸性、防火阻燃性、環(huán)保性、防霉菌性等一系列優(yōu)點(diǎn)。地質(zhì)聚合物基涂料作為特種涂料將有廣闊的應(yīng)用前景。3.3開(kāi)發(fā)工業(yè)有毒廢渣和核廢料固封材料地質(zhì)聚合物的最終產(chǎn)物為類(lèi)沸石相，而沸石是具有骨架又稱(chēng)三維網(wǎng)狀、籠形構(gòu)造的含水硅酸鋁，沸石材料能吸附有毒化學(xué)廢料，所以地質(zhì)聚合物是固化各種化工廢料、固封有毒重金屬離子及核放射元素的有效膠凝材料。傳統(tǒng)水泥不適合固化許多含堿金屬的化工廢料，也不適合固化最終產(chǎn)品為含高濃度硫酸的金屬礦山尾砂。與傳統(tǒng)水泥不同，地質(zhì)聚合物不含石灰，并且在堿金屬或硫酸溶液中有很好的穩(wěn)定性。3.4開(kāi)發(fā)化學(xué)鍵合瓷所謂化學(xué)鍵合

15、瓷，實(shí)質(zhì)上是區(qū)別于高溫?zé)Y(jié)瓷而言的。地質(zhì)聚合物通過(guò)水化反響能到達(dá)與高溫?zé)Y(jié)瓷相媲美的構(gòu)造，而且低溫澆注地質(zhì)聚合物便于成型各種復(fù)雜形狀的制品。與瓷相比，地質(zhì)聚合物裝飾材料或制品不僅免除了高溫?zé)Y(jié)工藝，而且整體性好。3.5開(kāi)發(fā)地質(zhì)聚合物復(fù)合材料利用地質(zhì)聚合物特有的快硬早強(qiáng)、高抗折強(qiáng)度、耐腐蝕和導(dǎo)熱系數(shù)低、可塑性好等特點(diǎn)，可以開(kāi)發(fā)建筑用的地質(zhì)聚合物GRC板材和塊體材料。與水泥制品相比，地質(zhì)聚合物制品不用濕態(tài)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)周期短，原料豐富，本錢(qián)低廉。同時(shí)地質(zhì)聚合物具有較好的加工性能，其制品具有天然石材的外觀(guān)，便于成型及制作各種耐久性裝飾材料。3.6開(kāi)發(fā)防火和耐高溫材料地質(zhì)聚合物能經(jīng)受1200的高溫，可用于制作爐膛、冶金管道、隔熱材料等，廣泛應(yīng)用于非鐵鑄造及冶金行業(yè)。4結(jié)語(yǔ)地質(zhì)聚合物具有原材料豐富、工藝簡(jiǎn)單、節(jié)約資源和能源等優(yōu)點(diǎn)，又兼具有機(jī)高分子、瓷和水泥等材料的優(yōu)良性能，使之越來(lái)越受到人們的重視。但是高性能地質(zhì)聚合物的推廣應(yīng)用在國(guó)也受到以下幾個(gè)條件的限制。1地質(zhì)聚合物的研究時(shí)間相對(duì)較短，尚