偏高岭土地质聚合物发泡材料的制备与研究

曾志镭

(成都理工大学，四川 成都 610000)



偏高岭土地质聚合物发泡材料的制备与研究

曾志镭

(成都理工大学，四川 成都 610000)

地质聚合物材料是一种无机聚合物材料，它是由硅氧四面体和铝氧四面体通过氧原子连接构成的一种三维网络结构的聚合物。具有制备工艺简单、原料易得、低能耗、低污染、耐腐蚀性和耐久性强、较好的耐高温性和较好的力学性能等优点，在工业生产和日常生活中的应用前景非常好。

地质聚合物；发泡材料；抗压强度；体积密度

1　地质聚合物的概念

地质聚合物材料是一种新型的胶凝材料于20世纪70年代发明的，地聚物的概念最早是由法国科学家Joseph Davidovits教授提出的，现在已经受到了世界各国的科研工作者关注和研究，目前已将近有30多个国家和地区成立了专门研究地聚物的实验室。Geopolymer是地聚物材料最早的名称，原意是指由地球化学作用或地质合成作用而形成的硅铝酸盐矿物聚合物[9]。现在这一概念的发展已经包括了所有使用了天然矿物和工业废渣制备成的以硅氧四面体和铝氧四面体聚合聚合而成三维网络状胶凝材料。并且是一种含有非晶态和准晶态特征的三维网络状胶凝材料[1]。

2　地质聚合物材料的研究历史及现状

我国在地质聚合物材料方面的研究很晚，但是发展很快，近年来，广西大学的崔学民教授、东南大学的张云升教授、青海大学的薛彩红教授、清华大学的孙亘虎和江尧忠教授、中国地质大学的马鸿文教授等人都对地质聚合物材料的制备、性能和应用开展了深入的研究。2004年，中国钢铁集团马鞍山矿山研究院对地聚物材料进行了研究，并申请了相关专利[4]。2006年广西大学的崔学民教授等人采用了溶胶凝胶法对地聚物材料进行了研究和制备一系列地聚物材料如：磷酸基地聚物、地聚物发泡材料、地聚物PVC复合材料等都达到了国际先进水平[5]。

3　地质聚合物的反应机理及应用

3.1地质聚合物的反应机理

地址聚合物是一种由AlO4和SiO4四面体结构单元组成的三维立体网状结构的无机聚合物。主要由偏高岭土、粉煤灰、工业废渣等一些硅铝质的材料作为原料，然后再通过酸激发或者碱激发工艺合成的一种通过O离子交替相连的三维网络聚合物。

解聚的过程是地质聚合物在合成的过程中的以个重要的过程，在碱激发或酸激发的条件下，硅铝酸质材料中的硅氧键和铝氧键会断裂，即解聚，形成低聚硅铝四面体；最后低聚硅铝酸盐以水为介质，重新组合后排出多余的水，生成新的Si-O-Al的网络结构。

Davidovits教授给出的该聚合物缩聚大分子的化学结构通式，其化学式如下[12]：

Mn{-(SiO2)Z-AlO}n·wH2O

地质聚合物材料发展至今，很多的学者都对其反应机理进行了研究，但其聚合机理非常复杂，都得不到太多的进展。目前为止还是Davidovits教授的理论最为经典：铝硅酸盐固体组分的溶解络合、分散迁移、浓缩聚合和脱水硬化[1]。

3.2溶解络合过程

偏高岭土等硅铝酸盐原料在碱性溶液中首先会发生溶解，起反应方程式(2-1)：

Al2SiO5(OH)4+3H2O+4NaOH→2[Al(OH)4]-+2[SiO(OH)3]+4Na+

(2-1)

Al3+、Si2+在溶液中随着溶液的PH值得增大而增多，这一步就称为硅铝质矿物的溶解[6]。

3.3迁移扩散过程

溶解在碱性溶液中的铝硅酸盐的粉末得到的配合物的扩散方向有原来的沿颗粒表面转变为沿颗粒间隙方向。

3.4浓缩聚合过程

溶解的Al3+、Si4+和Na+反应生成水化产物[MX(AlO2)Y(SiO2)2·nMOH·mH2O]凝胶相，它具有三维无定形(半晶态)聚合物结构，而碱金属离子Na+吸附在正硅酸盐的分子上，平衡负电荷，硅铝的混合物与碱硅酸盐溶液发生聚合，反应聚合过程如下[7]：

Al-Si-O+MOH+NaSiO3→Al-Si-O+[MZ(AlO)2X·(SiO2)y·nMOH·mH2O]→Al-Si-O[MX(AlO2)Y(SiO2)2·nMOH·mH2O](无定形地质聚合物)

3.5脱水硬化过程

[MX(AlO2)Y(SiO2)2·nMOH·mH2O]凝胶相的形成将参加反应的水排除，在一定的温度下固化脱水，最终形成地质聚合物材料。

偏高岭土、粉煤灰等硅铝酸盐的聚合反应是一个脱水放热的过程，反应以水为传输介质，聚合反应发生后又将大量的水排出，少量的水则以结构水的形式取代了[SiO4]中的一个O2-的位置。世界各国科学家都对地质聚合物的反应机理做了很多的研究多少都一些出入。

然后由此反应得到的正硅铝酸分子上的羟基在碱激发的条件下转化为了氢键，而后羟基与氢键又发生脱水反应，形成了一个硅铝酸盐的大分子结构Na-PSS。

由此聚合反应可以看出，任何的硅铝质的矿物材料都可以用来制备地质聚合物材料[8]。地质聚合物的基本相的化学组成与沸石非常相似，但是结构上是呈非晶态和准晶态。

4　总结

地质聚合物发泡材料拥有低热导率、低能耗、低污染等优势，其在隔热防火消声除音材料方面具有非常好的市场前景，但是由于影响其性能的因素很多，不同得生产工艺可能生产出来的产品在性能方面就各不相同，对该材料标准的统一也就非常困难，所以研究利用不同产地的原料制备出相同性能和标准的地质聚合物材料或是利用当地资源优势制备出性能更好的地质聚合物材料是该材料未来的一个发展方向。

[1]马鸿文,杨静,任玉峰,等.矿物聚合物材料:研究现状与发展前景[J].地学前缘,2002,9(4):397-406.

[2]中钢集团马鞍山矿山研究院.地质聚合物材料的研制[P].中国：CN20040101，2004.

[3]韩要丛,崔学民,刘海峰,等.地质聚合物材料聚合机理研究及应用[J].广东建材,2007,(11):56-59.

[4]杨南如.化学激发胶凝材料的原料和激发机理[J].水泥与混凝土利废技术与可持续发展论坛,中国北京,2006,3:95-115.

曾志镭，成都理工大学，材料科学与工程专业。

TU55

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1671-1602(2016)16-0020-01