铝硅酸盐聚合物聚合机理及含漂珠复合材料组织与性能-材料学专业论文.docx

ClassifiedIndex:TB321U.D.C:620DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringGEOPOLYMERIZATIONMECHANISMOF ALUMINOSILICATEGEOPOLYMERAND MICROSTRUCTUREANDPROPERTIESOFFLY ASHCENOSPHERE/GEOPOLYMERCOMPOSITECandidate：WangMeirongSupervisor：Prof.Jia DechangAcademic Degree Applied for：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：SchoolofMeter.Sci.Eng.DateofDefence：June,2011Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要本文以天然偏高岭土、硅酸钾溶液、漂珠等为原材料制备了铝硅酸盐聚合 物和漂珠/铝硅酸盐聚合物复合材料。采用X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、 固体核磁共振、扫描电镜、高分辨透射电镜等分析手段，研究了高岭土向偏高 岭土转变过程及偏高岭土形成机制；探讨了影响偏高岭土化学活性的因素及以 化学合成的偏高岭土为原料的铝硅酸盐聚合物的聚合机制；系统研究了铝硅酸 盐聚合物材料的制备工艺、偏高岭土的化学活性对铝硅酸盐聚合物组织和性能 的影响及漂珠/铝硅酸盐聚合物复合材料的组织、结构和性能。研究结果表明，在高岭土的热转变过程中，高岭土的脱羟基是发生结构转 变的前提条件，但是脱羟基和结构转变是两个独立的过程。当高岭土失去羟基后，结构重组使Al–O和Si–O结构单元发生变化，从而形成无序状态的偏高岭土。偏高岭土的化学活性采用四配位AlO4含量来衡量，四配位AlO4含量越大 则化学活性越大。随着煅烧温度的提高(600~900°C)铝硅酸盐聚合物的化学活性 逐渐增大；随着保温时间的延长(1~8h)，其化学活性先增大后降低。当煅烧温 度为900°C，保温时间为4h时，偏高岭土获得最大化学活性。铝硅酸盐聚合物的反应–生成机理：当偏高岭土颗粒与碱性的硅酸盐溶液混 合后，首先由颗粒表面开始溶解，即偏高岭土中的结构单元Q4(1Al)和四、五和 六配位的Al原子结构单元溶解，使Si–O–Si键和Si–O–Al键水解断裂，形成 [Al(OH)4]–、[AlO(OH)3]2–、[Al(OH)4(OH2)]–、[Al(OH)5]2–、[Al(OH)4(OH2)2]–和[Al(OH)5(OH2)]2–和[SiO(OH)3]–为主的单体以及少量的[SiO2(OH)2]2–单体。随着 反应的进行，单体相互之间发生缩聚反应，脱去水分子，最终生成一种Si 以Q4(3Al)和Q4(2Al)结构单元形式存在、Al全部以四配位原子结构单元形式存在的网络状混合结构组成的铝硅酸盐聚合物。 随着养护温度的升高(25~90°C)和养护时间的延长(4~28d)，铝硅酸盐聚合物的性能先增大后降低。当养护温度为80°C，养护时间为19d时，铝硅酸盐聚合物的体积密度最大、开孔孔隙率最低抗压强度最大，分别为1.45g·cm–3、8.5% 和124.8MPa。采用具有不同化学活性的偏高岭土可制备具有不同性能的铝硅酸 盐聚合物材料。分别以800MK和900MK为原料所制备铝硅酸盐聚合物的体积 密度分别为1.43g·cm–3和2.29g·cm–3，抗弯强度分别为8.7MPa和32.1MPa，抗 压强度分别为73.0MPa和111.0MPa，导热系数分别为0.23W·m–1·K–1和 1.10W·m–1·K–1。添加漂珠后，其复合材料的体积密度和导热系数均大幅度降低。当添加- I -40vol.%漂珠后，其漂珠/铝硅酸盐聚合物复合材料的抗压强度为36.5MPa、体积密度为0.82g?cm–3和导热系数为0.173W?m–1?K–1，其综合性能优于目前使用 的漂珠砖的抗压强度7.84MPa、体积密度0.80g?cm–3 和导热系数1.59W?m–1?K–1。关键词：铝硅酸盐聚合物；偏高岭土；煅烧温度；聚合机理；漂珠；保温材料AbstractInthispaper,metakaolin,potassiumsilicateandflyashcenosphere,etc,wereusedtofabricategeopolymerandcenosphere/aluminosilicategeopolymerscomposite.Transformationmechanismfromkaolintometakaolin and factorswhichhavegreat