地質(zhì)聚合物的性能與應用發(fā)展前景.doc

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1、地質(zhì)聚合物的性能與應用發(fā)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)絡結(jié)構(gòu)，使其在眾多方面具有高分子材料、水泥和陶瓷等材料的特征。綜述了國內(nèi)外地質(zhì)聚合物的制備研究及聚合反應機理，概述了地質(zhì)聚合物具備的性能特點及其在土木工程、快速修補和有毒廢料及放射性廢料處理等領(lǐng)域廣闊的應用發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：地質(zhì)聚合物聚合反應機理應用發(fā)展前景目錄1緒論21.1地質(zhì)聚合物的簡介21.1.1地質(zhì)聚合物的概念21.1.2地質(zhì)聚合物的結(jié)構(gòu)21.1.2地質(zhì)聚合反應機理32地質(zhì)聚合物的性能特點42.1高強度42.2強的耐腐蝕性和較好的耐久性52.3快硬早強

2、52.4耐高溫52.5滲透率低，耐凍融循環(huán)52.6良好的界面結(jié)合能力53地質(zhì)聚合物的應用發(fā)展前景63.1開發(fā)土木工程材料和快速修補材料63.2開發(fā)優(yōu)質(zhì)地質(zhì)聚合物基涂料63.3開發(fā)工業(yè)有毒廢渣和核廢料固封材料63.4開發(fā)化學鍵合陶瓷73.5開發(fā)地質(zhì)聚合物復合材料73.6開發(fā)防火和耐高溫材料74結(jié)語71緒論1.1地質(zhì)聚合物的簡介1.1.1地質(zhì)聚合物的概念地質(zhì)聚合物（Geopolymer）原意指由地球化學作用或人工模仿地質(zhì)合成作用而制造出的鋁硅酸鹽礦物聚合物，其基本結(jié)構(gòu)是由硅氧四面體和鋁氧四面體聚合的具有非晶態(tài)和準晶態(tài)特征的三維網(wǎng)絡凝膠體。1.1.2地質(zhì)聚

3、合物的結(jié)構(gòu)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)狀凝膠結(jié)構(gòu)，其經(jīng)驗化學式為Mn［-(SiO2)Z-AlO2］n·wH2O。其中M為堿金屬和金屬陽離子等，n為聚合度數(shù)，Z為1、2、3等整數(shù)。同時，地質(zhì)聚合物具有類沸石籠狀結(jié)構(gòu)，地質(zhì)聚合物與沸石在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別在于地質(zhì)聚合物是一種無定形體，而沸石是一種結(jié)晶態(tài)物質(zhì)。因為有著與沸石類似的結(jié)構(gòu)和制備方法，許多文獻報道了在地質(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PSDS型，它們的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1地質(zhì)聚合物PS、PSS和PSDS結(jié)構(gòu)圖通過投射電鏡分

4、析（TEM）可知地質(zhì)聚合物具有孔徑分布較寬的多孔結(jié)構(gòu)。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孔道，這些孔道成為地質(zhì)聚合物介孔（孔徑2-50nm之間）的來源。同時，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)聚合物凝膠的籠狀結(jié)構(gòu)所形成的孔隙。1.1.2地質(zhì)聚合反應機理由于地質(zhì)聚合物的聚合反應涉及到很多方面的多種因素，其聚合機理尚未能夠完全解釋清楚，相關(guān)的研究仍在繼續(xù)。目前，國內(nèi)外學者大都以堿激發(fā)機理為基礎來解釋地質(zhì)聚合物的聚合機理，

5、其中以J.Davidovits教授提出的反應機理為代表，他把地質(zhì)聚合反應的機理解釋為“解聚—縮聚”的過程，認為地質(zhì)聚合物形成過程中，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應的進行，逐漸脫水重新聚合，從而形成地質(zhì)聚合物。文獻認為，地質(zhì)聚合物的形成過程可分為4個階段：①鋁硅酸鹽礦物粉體原料在堿性溶液(NaOH，KOH)中的溶解；②溶解的鋁硅配合物由固體顆粒表面向顆粒間隙的擴散；③凝膠相[Mx(AlO2)y(SiO2)z·nMOH·mH2O]的形成，導致在堿硅

6、酸鹽溶液和鋁硅配合物之間發(fā)生聚合作用；④凝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)聚合物的反應式可以簡要表示如下：高嶺石煅燒失去部分結(jié)構(gòu)水以后，結(jié)構(gòu)呈無定形狀態(tài)，從而演變成為準有序的偏高嶺石，具有較高的活化能。當其再水化時，能重新恢復成原始結(jié)構(gòu)。認為地質(zhì)聚合物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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-)等結(jié)構(gòu)單元組成的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。地質(zhì)聚合物的這種結(jié)構(gòu)與有機高分子材料的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

7、相類似，并且其結(jié)構(gòu)單元鏈與鏈之間，以及鏈與礦物顆粒表面的[SiO4]和[AlO4]四面體通過脫羥基作用形成化學鍵，因而兼具一些有機聚合物與無機材料的性能。2地質(zhì)聚合物的性能特點2.1高強度主要力學指標高于玻璃、水泥，可與鋼、陶瓷、鋁等金屬材料相媲美。地質(zhì)聚合物具有良好的早強特征，一般24h強度可達到15~30MPa，28d強度可達到32~60MPa。由于地質(zhì)聚合物以共價鍵連接為主，與一般礦物顆?；驈U棄物顆粒具有良好的界面親和性，因此這類材料的抗折強度較高。與水泥基材料相比，當抗壓強度相同時，地質(zhì)聚合物具有更高的抗折強度。2.2強的耐腐蝕性和較好的耐久

8、性聚合物在有機溶液、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)聚合物制備時都要