地質(zhì)聚合物的聚合機(jī)理及其應(yīng)用前景

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1、地質(zhì)聚合物的聚合機(jī)理及其應(yīng)用前景南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院湖南衡陽(yáng)421001摘要：地質(zhì)聚合物材料由于其高性能、低成木、制備工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)近年來(lái)備受關(guān)注。木文從組成結(jié)構(gòu)、聚合機(jī)理、材料特點(diǎn)以及應(yīng)用前景等方面對(duì)地質(zhì)聚合物進(jìn)行綜合論述。關(guān)鍵詞：地質(zhì)聚合物；反應(yīng)機(jī)理；材料性能ABSTRACT：Geopolymermaterialshaveattractedmuchattentioninrecentyearsduetoitshighperformanee,lowcost,simplepreparationprocess.Thestructure,reactionme

2、chanism,materialpropertiesanddevelopmentprospectsoftheGeopolymermaterialswerediscussedinthispaper.KEYWORDS：Geopolymer；Polymerizationmechanism；materialproperties引言地質(zhì)聚合物是一類(lèi)具有從無(wú)定形到半晶質(zhì)狀態(tài)的三維網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)的新型鋁硅酸鹽無(wú)機(jī)聚合物材料。法國(guó)著名材料學(xué)家JesophDavidovits1978年首次把這種材料命名為“geopolyiners"］”。而這一概念發(fā)展到現(xiàn)在則包括了所有采

3、用天然礦物或固體廢棄物制備成的以硅氧四面體與鋁氧四面體聚合而成的具有非晶態(tài)和準(zhǔn)晶態(tài)特征的三維網(wǎng)絡(luò)凝膠體。1地質(zhì)聚合物的組成結(jié)構(gòu)在地質(zhì)聚合物中，硅、鋁元素和氧以四配位的形式存在，形成硅氧四面體（［Si04］）和鋁氧四面體（［A104］）兩種基木的結(jié)構(gòu)單元。硅氧四面體單元和鋁氧四面單元通過(guò)橋氧相互連接，即共享一個(gè)氧原子。其中，硅氧四面體呈電中性，鋁氧四面體（+3價(jià)，四配位）呈電負(fù)性。Na+、K+、Ca2+等金屬陽(yáng)離子被吸附在分子鍵的周?chē)?，存在于三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的空腔中，以平衡鋁原子所帶的負(fù)電荷，使整個(gè)三維結(jié)構(gòu)體系呈電中性⑵。2地質(zhì)聚合物的聚合機(jī)理目前，關(guān)于地質(zhì)

4、聚合物的反應(yīng)機(jī)理仍然是一個(gè)有待完善的問(wèn)題，特別是在不同的體系和組成相對(duì)較復(fù)雜的體系中更是如此［3］。Davidovits和Deventer把地質(zhì)聚合物反應(yīng)機(jī)理分成三個(gè)步驟4］：(1)固體礦物中的硅和鋁在0H■的作用下溶出；(2)溶出的硅酸根離子和鋁酸根離子通過(guò)擴(kuò)散、定位和縮聚形成聚合物單體；(3)聚合物單體通過(guò)縮聚連接成高分子聚合物。其反應(yīng)方程式以偏高嶺土在NaOH或KOH溶液中的反應(yīng)為例，用公式表達(dá)如下［5］：(1)溶解過(guò)程：(2)單體重構(gòu)過(guò)程(3)縮聚過(guò)程3地質(zhì)聚合物的性能特點(diǎn)(1)環(huán)境友好型材料地質(zhì)聚合物的生產(chǎn)主要以煤系高嶺土、粉煤灰、礦物廢渣、

5、煤殲石等固體廢棄物為原料，地聚反應(yīng)過(guò)程是由鋁硅酸之間的脫水反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)在強(qiáng)堿性條件下是可逆的；另一方面，原料變成產(chǎn)物，除了脫水外沒(méi)有損失其他的物質(zhì)。地聚合物廢料經(jīng)粉碎后，可以直接當(dāng)作原料再來(lái)制各地聚合物材料，并且生產(chǎn)過(guò)程中不使用不可再生的石灰石資源，可大大降低C02的排放量，這樣就節(jié)省了大量的原材料、能源并減弱“溫室效應(yīng)”。(2)固定有毒金屬離子能力強(qiáng)地質(zhì)聚合物的結(jié)構(gòu)是由環(huán)狀分子鏈構(gòu)成的“類(lèi)晶體”結(jié)構(gòu)。環(huán)狀分子之間結(jié)合形成密閉的空腔(籠狀)，可以把金屬離子和其他毒性物質(zhì)分割包圍在空腔內(nèi)；同時(shí)骨架中的鋁離子也能吸附金屬離子；Mallow［6］認(rèn)為金屬離

6、子還參與了地聚合物結(jié)構(gòu)的形成，因此可以更有效地固定體系中的金屬離子。J.Davidovits［7］,的研究表明，地聚合物基質(zhì)對(duì)Hg、As>Fe^Mn>Ar、Co^Pb的固定率大于或等于90%[8]o另外網(wǎng)絡(luò)骨架即使是在核輻射作用下，仍比較穩(wěn)定。利用這一特點(diǎn)，可將其應(yīng)用于有毒廢料處理、核廢料處理⑼、催化、吸附等領(lǐng)域。胡潔[10]指出與水泥相比，堿激發(fā)膠凝材料能顯著降低重金屬離子（Pb2+）浸出濃度，其規(guī)律性與其瓦氏+交換容量大小的規(guī)律性一致，與其固化體的抗壓強(qiáng)度的大小沒(méi)有相關(guān)性。（3）高強(qiáng)、耐高溫地聚合物本身是個(gè)氧化物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，在1000°C—120

7、0°C之間不氧化、不分解；另一方面，密實(shí)的氧化物網(wǎng)絡(luò)體系可以隔絕空氣、保護(hù)內(nèi)部物質(zhì)不被氧化。經(jīng)復(fù)合改性后.材料的抗壓、抗拉、抗彎曲強(qiáng)度都是普通水泥基材的10倍以上，同吋高溫性能好、不燃、隔熱、保溫（導(dǎo)熱系數(shù)：0.24~0.38W/m•k）、沒(méi)有毒性氣體釋放。所以可以用來(lái)替代金屬、陶瓷和水泥應(yīng)用于航天、航空、土木工程、鑄造、裝飾[11]等領(lǐng)域。（4）耐腐蝕性好地質(zhì)聚合物水化不產(chǎn)生鈣磯石等硫鋁酸鹽礦物，因而能耐硫酸鹽侵蝕;另外，地質(zhì)聚合物在酸性溶液和各種有機(jī)溶劑中都表現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性[12]o在5%的硫酸溶液中，分解率只有硅酸鹽的1/13,在5%

8、的鹽酸溶液中其分解率只有硅酸鹽水泥的l/12[13]o（5）耐久性好地質(zhì)聚合物是由無(wú)機(jī)的硅氧四