地聚合物基材料的研究及其应用前景

薛彩红，高 莉

青海大学机械工程学院，青海西宁 810016

0 引言

随着世界经济的飞速发展和科技的日益月新，各种矿产资源和能源材料已经日益枯竭，环境污染越来越严重，人类生存的环境面临前所未有的严峻挑战。目前，节能减排和绿色环保成为全人类最关心的话题。寻找一种成本低，环境污染少，功能全的新材料是当今世界材料研究者们的主要研究方向之一。地聚合物基材料制备具有低能耗、低二氧化碳排放优点，且具有强度高、耐腐蚀性好、耐水热优良、耐高温等性能，可广泛应用于建材、交通、环保、能源等领域，目前已成为国内外广泛关注的一个热点领域。

1 地聚合物基材料研究现状

1.1 地聚合物基材料

地质聚合物（Geopolymer）这一概念最早是在上个世纪70年代末首先由法国科学家Joseph Davidovits提出，现在人们一般把由硅氧四面体和铝氧四面体聚合而成的具有非晶态和准晶态特征的三维网络凝胶体统称为地质聚合物。近十年来地聚合物成为国际上研究非常活跃的一类新材料。地聚合物基材料主要包括以地质聚合物为基体的复合材料及多孔材料，地聚合物基复合材料是以地质聚合物为基体材料，玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、PVA、PVC等纤维为增强材料制备的复合材料，与传统的复合材料相比具有造价低、工艺简单、强度高、耐腐蚀性强等特点；地聚合物基多孔材料是以活性高无钙或低钙铝硅质材料如高岭土、矿渣、粉煤灰等为主要原料，通过发泡法或造孔剂法制备的多孔材料，具有比表面积大、吸附容量大、化学稳定性好、硬度高、耐热性优良等诸多优良特性。

1.2 地聚合物基材料研究现状

1.2.1 地聚合物基复合材料的研究现状

广西大学宋晓玲、崔学民等人制备了PVC/地质聚合物复合材料并对其加工塑化、力学性能、热性能及断面形貌进行研究，少量地聚物的引入可促进 PVC 树脂的塑化，地聚物分散尺寸较小，在基体中分散较均匀，并与 PVC 基体有良好的界面结合，可有效发挥地聚物刚性粒子对 PVC 的增强增韧作用，东南大学张云生等人以偏高岭土为原料，添加粉煤灰和聚乙烯醇（PVA）通过挤压成形技术制备了地聚合物基复合材料，结果挤压成形弯曲强度更高，掺或掺加少量粉煤灰(10%)的地聚合物基复合材料弯曲强度高，当粉煤灰的掺加量30%时，地聚合物基复合材料的弯曲强度显著下降，但延性增大。法国Davidovitst在地聚合物原料中掺加玻璃纤维、碳纤维、碳化纤维等，使产物的抗弯强度已分别达到140MPa、175MPa、210MPa。

2 地聚物基材料应用展望

2.1 地聚合物基复合材料的应用展望

地聚合物基复合材料较地聚合物材料具有更高的强度，它必将在我国军事、民用、科技等领域具有非常广阔的应用前景。可部分代替水泥，降低生产水泥的能耗，另一方面可大量使用类粘土资源，如工业废渣粉煤灰、冶金矿渣等，降低此类材料对环境的污染。此外，利用地聚合物基复合材料较好的力学性能及低能耗、简单的制备工艺可部分替代金属与陶瓷材料做为结构部件、模具材料使用；利用其快凝早强性用于机场跑道、通讯设施、道路桥梁、军事设施的快速建造与修复；利用其轻质、隔热、阻燃、耐高温等特性用作新型建筑装饰材料，耐火保温材料，开发其他用途如发动机排气管外包隔热套管等。地聚合物基复合材料工艺、性能及用途如表1所示。

表1 地聚合物基复合材料工艺、性能及用途

2.2 地聚合物基多孔材料的应用展望

地聚合物基多孔材料可用作过滤分离器，实现气体和液体的过滤和分离；具有大量的气孔率，可降低导热率，具有防火性、保温隔热性，可用作建筑用隔热材料和换热器；具有大的交换面积、耐热、耐蚀、不污染，可用在冶金、陶瓷、石油回热系统；由于存在大量孔洞，声能被吸收具有隔音效果，可用作会议室、工厂、车间、音乐厅等场所的内墙面、顶棚、墙面的隔音材料；具有多孔道结构和物理、化学性质稳定，可作为湿敏元件或气敏元件，将其放入相应介质中，通过化学吸附使地聚合物基多孔材料的电导性或电容性改变，可用作敏感元件及新能源多孔功能材料的制备，如多孔电极、储氢材料[8]。

3 结论

地聚合物基材料具有许多优越特性，正逐步成为广大学者的研究热点，近年来随着地聚合物基材料制备工艺和性能等各方面的深入研究，必将在能源、环保、功能材料更广泛的领域得以应用，取得巨大的经济和社会效益。

地聚合物基材料的研究与应用还存在以下问题：1）复合材料的增强材料选择；2）多孔材料的孔径分布及大小的控制；3）材料内部结构的表征；4）拓展功能材料领域的应用。

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