地质聚合物应用现状及前景展望

2017-07-10杨征

当代化工 2017年7期

杨征

摘要：地质聚合物是一种无机聚合铝硅酸盐胶凝材料。由于其特殊的缩聚三维网络结构，使其在众多方面具有高分子材料、水泥和陶瓷，金属等材料的特征。分析了地质聚合物的聚合反应机理，性能特点，简要叙述了地质聚合物的发展历程和应用现状，并概述了其在工程建筑、有毒废料、涂料、固封材料和陶瓷材料等领域的应用发展前景。

关键词：地质聚合物；结构特点；应用现状；发展前景

中图分类号：TQ 325 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2017）07-1476-03

Application Status and Prospect of Geopolymers

YANG Zheng

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163000，China）

Abstract： Geopolymer is an inorganic polymeric aluminosilicate cementitious material. Because of its special polycondensation three-dimensional network structure， it has the characteristics of polymer materials， cement and ceramics， metal and other materials in many aspects. In this paper， the mechanism and performance characteristics of the geopolymer were analyzed， and the development and application of the geopolymer were briefly described. The application prospect of the polymer in engineering construction， coatings， encapsulants and ceramic materials was summarized.

Key words： Geopolymer； Structural characteristics； Application status； Development prospect

地質聚合物属于铝硅酸盐类，是一种新型的聚合物材料，由法国化学家J.Davidovits研发，我国俗称土聚合物、地聚合物、矿聚合物等，自发现以来，应用范围进展迅猛，从结构上看其凝胶体系属于立体网格，具有晶态和非晶态两中形式，主要是通过含氧四面体聚合而来，以铝硅为主，主要原料是固体废物或者自然矿产，原料低廉易得，由于地质聚合物凝胶材料的结构特殊，其具有凝固可控，早强快硬，性质稳定，胶结性好，耐温耐压耐腐蚀等性质，较于传统建筑材料性质优良，前景广阔，且性质稳定，不易发生变化，使用寿命可达千年，各国均成立了专业性的大型研究机构，特别是国外起步更早[1]。

1 地质聚合物反应机理和性能特点

1.1 反应机理

地质聚合物发现者J.Davidovits将地质聚合物的制备过程分为四步，并将其概括为解聚和缩聚，首先利用氢氧化钠和氢氧化钾等强碱性溶液将铝硅酸盐材料溶解；然后在溶解过程中，铝硅等元素将扩散至固体表面，并逐渐扩散填充颗粒间的孔隙，而[Mx（AlO2）y（SiO2）z·nMOH·mH2O]凝胶相的合成，将加速硅铝物质和碱性溶液的聚合反应过程，在此过程中，水分通过各种方式被逐渐排出，碱性化合物溶液逐渐凝固凝结，进而形成块状胶体聚合物，地质聚合物研究方面，国内学者进行了大量的研究工作，并且在制取反应反面不断创新，主要包括：采取水玻璃和强碱氢氧化钠配置而成的混合溶液，对高岭石和煤灰进行溶解激发反应制取地质聚合物；基于硅酸钠成岩改性溶剂和水化机理，研发了新型石质铝硅凝胶地质聚合物；还有学者对低模数硅酸溶液制取聚合物凝胶方面进行和研究，提出了碱激发凝胶水化制取方法，并根据水化的过程变化特点，将其划分成了初、诱、快、缓和稳定五大时期，将低模碱激发地质聚合凝胶制备进一步的精细化[2]；更有学者借助与高科技设备仪器，对地质聚合物的水化演变过程进行了全程追踪，更加深刻全面细致的解剖了地质聚合物的形成过程。曹德光提出了地质聚合物的反应式：

1.2 性能特征

（1）耐久性能良好

地质凝胶聚合物不同于传统有机聚合物材料，其不易发生老化、燃点高、韧性好，不易受环境影响、耐久性质突出，兼具有机高分子聚合物和无机硅酸岩水泥二者的特点，究其原因主要是由于地质聚合物具有独特的键接结构，此来自于铝硅四面体的聚合反应。

（2）结构致密，耐低温

由于地质聚合物具有独特的立体空间构造，其结构致密，强度高，不易发生渗透现象，且在其内部孔裂隙中含有高浓度的电解质，具有一定的循环能力和抗低温性质。

（3）隔热，耐高温

地质聚合物结构致密。可以起到隔绝气体，防止内部氧化等作用，同时其导热系数极低，仅在0.3 W/（m·K）左右，同时在千度高温条件下，其也不会发生氧化和分解，高温性质稳定，可做专业耐火材料，隔热隔空气效果极佳，在高温下其线收速率最高为2%，随着温度的上升，其线性收缩率变化极小，高温力学强度优异。

（4）封固金属元素

国外学者通过实验证明，在向地质聚合物中加入千分之一的Pb后，在实验条件下，进行浸出实验，24 h后，其达到平衡，此时浸出溶液每升仅含Pb10 mg，这无疑说明地质聚合物能够有效的防止重金属离子的溶出，利用工业废物制得的地质聚合物本身所含有的有毒物质将不具有危害性，同时地质聚合物可以用于放射性和有毒金属的封固。

（5）耐酸碱腐蚀

地质聚合物在5%硫酸水溶液中分解率仅仅为硅酸盐的十分之一，而在同浓度的盐酸水溶液中的分解率更低，显示了地质聚合物在酸碱环境中的化学稳定性优异，且其在水化反应过程中，不会生成铝硫酸盐类矿物，耐酸碱腐蚀。

（6）早强、快硬

根据学者专家的研究成果，地质聚合物能够迅速固化，类似速硬水泥，在常温下，水化数小时后，抗压强度即可高达20 MPa，而且随着时间的增加，其抗压强度还会继续增加，一个月后强度可达到100 MPa[3]，一般在成型后的一天内，地质聚合物力学强度即可迅速升高到最终强度的六成。如表1所示。

（7）原料低廉、制备过程环保

地质聚合物的原料低廉易得，制备成本低，主要有粉煤灰、煤矸石、高岭土、工业废渣等废弃物为主要原料，这些物质资源丰富，代替了石灰石等不可再生资源的使用，间接的降低了年二氧化碳的排放，一吨水泥熟料大概能够产生相同质量的二氧化碳，对环境的负荷较大，加重了温室效应，地质聚合物的开发，有效解决了这一现象，相比于硅酸盐类水泥的制备，地质聚合物的二氧化碳排放量仅仅为其五分之一。

（8）界面胶结性能优良

地质聚合物三维立体空间网络凝胶主要以共价键为主，水化反应中硅酸钙不会发生水化作用，与其他物质分界面处不存在分节区和过渡带，结合紧密，胶结性良好，而常规水泥在和钢筋等物质结合时，常常会出现Ca（OH）2聚集区等过渡带，致使界面胶结强度较低。

2 地质聚合物发展历程和应用现状

2.1 发展历程

上世纪美国学者Purdon在进行水泥硬化过程分析时，试验性的加入了一定量的强碱氢氧化钠，与水泥中含有的铝硅化合物发生化学反应，生成的偏铝酸钠和硅酸钠又和氢氧化钙进一步反应，从而生成铝酸钙和硅酸钙等化合物，水泥通过硬化反应最终会生成强碱，因而强碱在硬化反应中作为催化剂存在。这就是Purdon提出的最早碱激活理论雏形，直至上世纪七十年代IUPAC国际会议上，JosephDavidovits建议将由碱激活材料统一命名为聚铝硅酸盐，后来又将其更名为地质聚合物[4]，地质聚合物研究飞速蓬勃发展时期是上世纪八十年代，各国学者专家纷纷致力于地质聚合物方面的研究，理论逐渐丰富，性能逐渐加强，应用范围越来越广，部分机构已将地质聚合物投入生产，效果比较优异的有法国GEOPOLYMERAM陶瓷，芬兰F胶凝和美国Pyrament水泥。

2.2 应用现状

（1）工程材料

由于地質聚合物凝胶具有早强快硬的特点，在工程施工建设过程中，能够节省脱模时间，缩短运转周期，加快施工效率。

（2）速修材料

由于地质聚合物早期强度高和胶结力度强，被工程技术人员广泛的应用于混凝土快速修补材料方面。

（3）防水材料

由于地质聚合物结构致密，能够隔绝水和空气，因此被广泛应用于防渗漏和防水材料方面。

（4）NaA型分子筛材料

地质聚合物凝胶原料高岭土具有和NaA分子筛近似的构造，目前已经可以通过以高岭土为主要原料，通过溶凝胶作用，形成纯净的Al2O3-2SiO2微粉末，严格控制实验条件，可以使得所制得的NaA型分子筛克孔径均值达到1.5μm附近，CaCO3吸附量可达365.6 mg/g，而且热稳定性完全符合国家相关标准。

（5）介电材料

地质聚合物凝胶通过特殊处理，可以将其中所含有的自由水消除，此时地质聚合物凝胶介电常数在6～8区间，介电损耗在0.02～0.04区间，如果再进行进一步的高温处理，凝胶材料的介电性质将可与玻璃陶瓷媲美[5]。

（6）泡沫材料

高岭土经过脱水作用将形成偏高岭土，其主要成分为Si和Al元素，而且两种元素的含量不同会直接导致材料性能发生改变，当Si：Al>10时，进行加热，当温度达到一定值后，地质聚合物将会形成泡沫，最终冷却后制得性质稳定的泡沫材料。

3 地质聚合物应用前景展望

3.1 地质聚合物新配方研究

X.Hua和J.S.J.vanDeventer等学者研究发现，强碱（NaOH，KOH）几乎能够溶解所有的铝硅酸化合物，形成的溶液和高岭石进行反应后均能形成凝胶聚合物，但是形成凝胶的力学性质和聚合反应存在一定的差异性，得出原料的不同会导致产物的差异，以此为基础，J.Davidovits等人提出采用一定结构和一定成分的铝硅酸原料，可以制得所需特殊性质的聚合物，这也是未来地质聚合物专业化、个性化和灵活化的主要发展方向[6]。

3.2 涂料开发方向

采用地质聚合物代替有机物进行涂料制备，可以使涂料具有地质聚合物的特殊性质，例如可做防火涂料、环保涂料、防腐蚀和防霉等特殊涂料，在有特殊需要的涂料领域，地质聚合物涂料应用前景广阔。

3.3 处理有毒废渣

地质聚合物能够形成沸石属性材料，该类材料可以有效的吸收有毒物质，能够有效的封存重金属元素、放射性元素，但是在具体应用上还需要进一步研究和开发。

3.4 核废料固封方向

核电站和其他放射性研究场所形成的各种放射性材料，在处理方面一直成本较高，且工序复杂，而地质聚合物的类沸石空间构造可以有效的封存放射性材料，操作程序简便，稳定性好，成本低，在这一方面国内的应用较少，未来会是主要发展方向之一。

3.5 复合材料开发

地质聚合物可作为GRC和块体符合材料，相比于常规材料，地质性质特殊，缩短了养护周期，节省了湿态养护，节约成本，容易加工，而且地质聚合物制作的复合材料外观和自然石料接近，可作为装修装饰材料，经久耐用

3.6 陶瓷材料开发

经过水化作用，地质聚合物和陶瓷在结构上相似，相比于陶瓷，地质聚合物更容易加工成形态各异复杂的制品，而且工艺简单。

参考文献：

[1]马鸿文，杨静，任玉峰，等.矿物聚合材料：研究现状与发展前景[J].地学前缘，2002，9（4）：397-407.