地聚合物材料的发展及其在我国的应用前景.docx

地聚合物材料的发展及其在我国的应用前景袁鸿昌(清华大学材料系江尧忠北京100084)摘 要 :地聚合物 ( Geopolymer) 是化学键合陶瓷的一种 。它在工艺 、性能 、用途等方面集高聚物 、陶瓷 、水泥等材料的特征 ,同时具有独特优点的新材料 。本文综述了地聚合物的发展过程 ,目前各国的发展概况 ,以及在我国开展地 聚合物材料理论研究及应用开发的意义 。关键词 :地聚合物 ,沸石 ,节能材料 ,碱激活剂 ,化学键合陶瓷1 . 引言有与陶瓷性能相似的一种新材料 。地聚合物具有有机高聚物的键接结构 ,但 其基本结构为无机的硅 - 氧四面体与铝 - 氧四 面体 ,如图 1 所示 。地聚合物材料是近年来国际上研究非常活跃的材料之一 。它是以粘土 、工业废渣或矿渣 为原料 ,采用适当的工艺处理 ,在较低的温度条件下 ( 50 ～ 180 ℃) 1 , 通 过 化 学 反 应 得 到 的 具图 1 地聚合物长链结构示意图地聚合物在工艺上采用了许多陶瓷生产的方法 ,又被称为电解陶瓷 、低温不烧陶瓷或化学 键合陶瓷 ,但它与传统意义上的陶瓷有很大区 别 ,这体现在添加原料 ,形成过程 ,产物相组织 三方面 ,如表 1 所示 。表 1 地聚合物与陶瓷的差异地聚合物在成型 、反应过程中必须有水做为传质介质及反应媒介 ,凝固后部分自由水作 为结构水存在于反应物当中 ,但地聚合物不存 在硅酸钙的水化反应 ,其终产物以离子键以及 共价键为主 ,范德瓦尔斯键为辅 ,而传统水泥则 以范德瓦尔斯键以及氢键为主 ,因此其性能优于传统水泥 。综上所述 , 地聚合物兼有有机高 聚 物 、陶 瓷 、水泥的特点 ,又不同于上述材料 ,它具有以 下优点 。(1) 强度高 ,主要力学性能指标优于玻璃与 水泥 ,可与陶瓷 ,铝 、钢等金属材料相媲美 。见 表 2 。— 46—陶瓷地聚合物添加 原料原料粉体多为晶态原料 为 亚 稳 的 无 定 型态与玻璃态形成 过程高温激发 的 物 理 、化 学过程较低 温 度 下 的 化 学 反应产物 相组 织较为纯净的晶相复杂的多 晶 、多 相 聚 集 体 , 包 含 晶 态 、玻 璃 态 、胶 凝 态 、气 孔 等硅酸盐通报1998 年第 2 期表 2 地聚合物与其他材料性能对比(2) 具有较强的耐腐蚀性与较好的耐久性 ,大大优于传统水泥材料 。(3) 具有较好的快硬固化性 。(4) 材料耐高温 ,隔热效果好 。其导热系数 为 0124～ 0138 W/ m. K2 , 可 与 轻 质 耐 火 粘 土 砖 (013～014 W/ m. K) 相媲美 。(5) 原料价格低廉 ,储量丰富 ,其主要构成 元素硅 、铝 、氧在地壳中储量分别为 27 % ,8 % ,47 % , ( 而 铜 、铌 、银 分 别 为 01008 % , 01007 % ,0100001 %) 3 。(6) 生产能耗低 ,其能耗只有陶瓷的 1/ 20 ,钢的 1/ 70 ,塑料的 1/ 1504 。(7) 增韧 、增强外添加剂选择范围广 ,由于 反应在较低温度下进行 ,避免了高温可能导致 的添加物变质 ,添加物与基体的热失配与化学 不相容 。从而可采用多种外添加剂进行增强 、 增韧 ,提高材料性能 。(8) 其独特的笼形结构 (如图 2 示) 5 ,可开 发出许多新的功能用途 ,如用作核放射元素的 固封材料及制成薄膜吸附材料 。2 . 发展过程与现状二十世纪结构材料的发展趋势为提高材料强度 ,降低材料成本与能耗 , 提 高 材 料 的 耐 久 性 。地聚合物的发展体现了上述特点 ,经历了 以下两个阶段 。2 . 1 探索期二十世纪三十年代 ,美国的 Purdo n 在研究 添加矿渣对波特兰水泥的作用时 ,制得一种更加快凝 、高强的胶凝材料 。并且 提 出 了“碱 催化”机理6 ,认为其凝结过程为二氧化硅 、氧化 铝与石灰溶解于氢氧化物 ,水化硅酸钙与水化 铝酸钙的形成 , 氢氧化物的重新生成 。如图 3所示 。前苏联 Glukhovski 7 在 50～60 年代 ,进一 步系统地研究了地聚合物材料 ,他指出 :钠的磷 酸盐 、氟化物与碳酸盐均可作激活剂 ;固结物中 的固相为水合硅酸钙与水合铝硅酸盐 ; 粘土类矿物在碱液处理时 ,反应生成钠的水合硅铝酸 盐 (沸石) 。60 年代 ,前苏联曾大力开发这种新型胶凝 材料用于建筑工业 。提出了更为复杂的“碱液 反应”固化机理8 , 其过 程 为 : 富 钙 相 的 溶 解 ;硅酸盐凝胶的形成 ;复杂晶态产物的形成 ,涉及 的中间产物有雪硅钙石 ,水化石榴子石 ,最终产 物为类沸石结构物质与傅硅钙石 (fo rshargite) 。2 . 2 发展期70 年代末 , 由于海湾石油危机的爆发