《武汉工程大学学报》 2016年05期
458-460
出版日期：2016-11-02
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
增强型地质聚合物的制备
1 引 言地质聚合物（Geopolymer），简称为地聚物，是法国科学家Davidovits［1］在研究古建筑过程中发现的，也是近年来国际上研究很活跃的新型无机非金属材料之一，被认为是21世纪的绿色胶凝材料［2-3］. 它主要以粘土、工业废渣或矿渣等为主要原料，碱或酸为激发剂，经适当的工艺处理，在较低温度条件下进行化学反应，因此，制备过程中能耗低［1］. 而且，在制备地质聚合物的过程中，有害气体排放量少甚至不排出有害气体，符合环保要求［4-6］. 地质聚合物具有强度高、硬化快、耐酸碱腐蚀等优良性能，可以应用于冶金、矿山、航空航天、化工、建材和环保领域，应用前景非常广阔. 目前，地质聚合物的抗压强度一般在100 MPa以下，为了提高地质聚合物的强度，同时降低成本，可以仿照水泥和混凝土的制备向其中添加骨料［7］、填料［8］或改性剂［9］. 本文向地质聚合物中添加三聚磷酸铝作为地质聚合反应的促进剂，制备增强型地质聚合物，比较了地质聚合物与增强型地质聚合物性能和结构上的差别，利用三聚磷酸铝参与地质聚合反应引起地质聚合物结构中大量颗粒物的形成，提高地质聚合物的抗压强度. 2 实验部分2.1 实验原料以粒径为3.5 μm的超细偏高岭土作为制备地质聚合物的原料；以模数为3.1~3.4的液体水玻璃和颗粒氢氧化钠作为配置碱激发剂的试剂；以三聚磷酸铝作为地质聚合反应的促进剂. 2.2 地质聚合物的制备将偏高岭土粉体于750 ℃下煅烧2 h以达到活化目的. 将1 g氢氧化钠颗粒溶于1.5 mL去离子水中，形成均质溶液；然后向氢氧化钠溶液中加入7.27 g水玻璃，搅拌超声，混合均匀，静置24 h备用. 将配置好的碱激发剂溶液和活化的偏高岭土粉体以质量比1.2∶1倒入研钵中研磨，加适量的水使浆体具有一定的流动性，然后加入质量分数0.5%（相对于偏高岭土）的三聚磷酸铝，研磨约30 min，混合均匀. 将磨至均匀的浆体注入20 mm×20 mm （Φ×h）的聚四氟乙烯圆筒模具中，密封保存，室温养护1 d，40 ℃养护1 d，50 ℃养护4 d，60 ℃养护2 d，即可脱模. 2.3 测试与表征采用WDW-50微机控制保温材料试验机测试样品的抗压强度；采用JEOL JSM-5510LV型扫描电子显微镜测试实验原料以及产品的形貌和微观结构；采用Bruker D8 Advance型X射线衍射分析仪测试实验原料以及产品的物相组成；采用STA409PC型热分析综合仪器测试实验原料以及产品质量随温度变化的关系；用比重瓶法测产品的密度；用吸水法测试产品的孔隙率. 3 结果与讨论3.1 扫描电镜图1为地质聚合物（a）和增强型地质聚合物（b）的断面扫描电镜图. 由图1（a）可以看出，未添加促进剂时，地质聚合物的断面是均匀连续并且较厚的凝胶相，类似于高分子结构. 由图1（b）看出，添加了促进剂的增强型地质聚合物的断面上有很多突起的颗粒物存在，这些小颗粒非常均匀的分散在地质聚合物基体里，使地质聚合物的微观结构较为疏松. 3.2 X-射线衍射分析图2为地质聚合物（a）、促进剂三聚磷酸铝（b）和增强型地质聚合物（c）的XRD图谱. 曲线a在2θ为19°~35°处有明显的无定型驼峰区，这意味着地质聚合物的无定型三维网络的形成. 曲线b在2θ为10°~40°之间，出现了很多衍射峰，这说明促进剂三聚磷酸铝是一种晶体物质. 由曲线c可以发现，将促进剂加入到地质聚合物中后，促进剂本身的结晶峰都消失了，说明促进剂三聚磷酸铝参与了聚合反应，进入到了地质聚合物的结构中；从曲线c还可以观察到地质聚合物本身很大的无定型驼峰区变得比较平坦，这主要是因为促进剂的加入，使偏高岭土发生聚合反应，形成更多的链式结构. 3.3 热重分析图3为地质聚合物（a）、增强型地质聚合物 （b）和促进剂三聚磷酸铝（c）的热重分析曲线图. 由曲线a可知，地质聚合物从40 ℃到1 000 ℃，总失重为5.99%. 失重原因主要是结晶水的失去和羟基脱水. 由曲线c可知，促进剂三聚磷酸铝从40 ℃到1 000 ℃，总失重为24.5%. 质量损失主要是由于结晶水的失去及羟基脱水. 由曲线 b可知，增强型地质聚合物从40 ℃到1 000 ℃的总失重为8.73%，高于地质聚合物的总失重率5.99%，这主要是由于其中添加的三聚磷酸铝失重率24.5%高于地质聚合物的失重率5.99%，因而造成增强型地质聚合物整体失重率增加. 3.4 抗压强度对地质聚合物和增强型地质聚合物各取5个试样测其抗压强度，并取抗压强度的平均值，结果如图4所示. 由图4可以看出，未添加促进剂的地质聚合物抗压强度为77 MPa，与文献［10-11］报道的偏高岭土型地质聚合物的抗压强度相近. 但是，添加了质量分数为0.5%促进剂的增强型地质聚合物的抗压强度为156 MPa，提高了102.6%. 因此，少量三聚磷酸铝的添加，明显改善了地质聚合物的抗压强度. 从断面结构分析可以看出，促进剂的加入参与了地质聚合物的聚合反应，使地质聚合物结构发生了变化，在地质聚合物中增加了颗粒物的分布，颗粒物的存在对地质聚合物的抗压强度具有明显的改善. 4 结 语以偏高岭土为原料，以液体水玻璃和氢氧化钠为碱激发剂，以三聚磷酸铝为地质聚合反应的促进剂，制备了增强型地质聚合物. 促进剂参与了聚合反应，并且进入到了地质聚合物的结构中，使地质聚合物的物相和微观结构都发生了变化，促进剂的加入显著增强了地质聚合物的抗压强度；与未添加促进剂的地质聚合物相比，添加质量分数0.5%的促进剂就使地质聚合物的抗压强度增加了102.6%，在高性能建筑结构材料及涂层领域具有潜在的应用前景.