地质聚合物的聚合机理及其应用前景

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1、地质聚合物的聚合机理及其应用前景南华大学城市建设学院湖南衡阳421001摘要：地质聚合物材料由于其高性能、低成木、制备工艺简单等特点近年来备受关注。木文从组成结构、聚合机理、材料特点以及应用前景等方面对地质聚合物进行综合论述。关键词：地质聚合物；反应机理；材料性能ABSTRACT：Geopolymermaterialshaveattractedmuchattentioninrecentyearsduetoitshighperformanee,lowcost,simplepreparationprocess.Thestructure,reactionme

2、chanism,materialpropertiesanddevelopmentprospectsoftheGeopolymermaterialswerediscussedinthispaper.KEYWORDS：Geopolymer；Polymerizationmechanism；materialproperties引言地质聚合物是一类具有从无定形到半晶质状态的三维网状立体结构的新型铝硅酸盐无机聚合物材料。法国著名材料学家JesophDavidovits1978年首次把这种材料命名为“geopolyiners"］”。而这一概念发展到现在则包括了所有采

3、用天然矿物或固体废弃物制备成的以硅氧四面体与铝氧四面体聚合而成的具有非晶态和准晶态特征的三维网络凝胶体。1地质聚合物的组成结构在地质聚合物中，硅、铝元素和氧以四配位的形式存在，形成硅氧四面体（［Si04］）和铝氧四面体（［A104］）两种基木的结构单元。硅氧四面体单元和铝氧四面单元通过桥氧相互连接，即共享一个氧原子。其中，硅氧四面体呈电中性，铝氧四面体（+3价，四配位）呈电负性。Na+、K+、Ca2+等金属阳离子被吸附在分子键的周围，存在于三维网络结构的空腔中，以平衡铝原子所带的负电荷，使整个三维结构体系呈电中性⑵。2地质聚合物的聚合机理目前，关于地质

4、聚合物的反应机理仍然是一个有待完善的问题，特别是在不同的体系和组成相对较复杂的体系中更是如此［3］。Davidovits和Deventer把地质聚合物反应机理分成三个步骤4］：(1)固体矿物中的硅和铝在0H■的作用下溶出；(2)溶出的硅酸根离子和铝酸根离子通过扩散、定位和缩聚形成聚合物单体；(3)聚合物单体通过缩聚连接成高分子聚合物。其反应方程式以偏高岭土在NaOH或KOH溶液中的反应为例，用公式表达如下［5］：(1)溶解过程：(2)单体重构过程(3)缩聚过程3地质聚合物的性能特点(1)环境友好型材料地质聚合物的生产主要以煤系高岭土、粉煤灰、矿物废渣、

5、煤歼石等固体废弃物为原料，地聚反应过程是由铝硅酸之间的脱水反应，这个反应在强碱性条件下是可逆的；另一方面，原料变成产物，除了脱水外没有损失其他的物质。地聚合物废料经粉碎后，可以直接当作原料再来制各地聚合物材料，并且生产过程中不使用不可再生的石灰石资源，可大大降低C02的排放量，这样就节省了大量的原材料、能源并减弱“温室效应”。(2)固定有毒金属离子能力强地质聚合物的结构是由环状分子链构成的“类晶体”结构。环状分子之间结合形成密闭的空腔(笼状)，可以把金属离子和其他毒性物质分割包围在空腔内；同时骨架中的铝离子也能吸附金属离子；Mallow［6］认为金属离

6、子还参与了地聚合物结构的形成，因此可以更有效地固定体系中的金属离子。J.Davidovits［7］,的研究表明，地聚合物基质对Hg、As>Fe^Mn>Ar、Co^Pb的固定率大于或等于90%[8]o另外网络骨架即使是在核辐射作用下，仍比较稳定。利用这一特点，可将其应用于有毒废料处理、核废料处理⑼、催化、吸附等领域。胡洁[10]指出与水泥相比，碱激发胶凝材料能显着降低重金属离子（Pb2+）浸出浓度，其规律性与其瓦氏+交换容量大小的规律性一致，与其固化体的抗压强度的大小没有相关性。（3）高强、耐高温地聚合物本身是个氧化物网络结构体系，在1000°C—120

7、0°C之间不氧化、不分解；另一方面，密实的氧化物网络体系可以隔绝空气、保护内部物质不被氧化。经复合改性后.材料的抗压、抗拉、抗弯曲强度都是普通水泥基材的10倍以上，同吋高温性能好、不燃、隔热、保温（导热系数：0.24~0.38W/m•k）、没有毒性气体释放。所以可以用来替代金属、陶瓷和水泥应用于航天、航空、土木工程、铸造、装饰[11]等领域。（4）耐腐蚀性好地质聚合物水化不产生钙矶石等硫铝酸盐矿物，因而能耐硫酸盐侵蚀;另外，地质聚合物在酸性溶液和各种有机溶剂中都表现了良好的稳定性[12]o在5%的硫酸溶液中，分解率只有硅酸盐的1/13,在5%

8、的盐酸溶液中其分解率只有硅酸盐水泥的l/12[13]o（5）耐久性好地质聚合物是由无机的硅氧四