無定形Al2O3-2SiO2粉體制備及地質(zhì)聚合反應(yīng)機(jī)理研究.pdf

1、地質(zhì)聚合物(Geopolymer)是一種由[AlO4]和[SiO4]四面體構(gòu)成具有三維結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽無機(jī)聚合物,它具有很多優(yōu)點(diǎn),如強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐火及壽命長等。因此,地質(zhì)聚合物是近年來國際上研究非?；钴S的一種新型無機(jī)高分子材料。地質(zhì)聚合物的生產(chǎn)常以偏高嶺土、粉煤灰、工業(yè)廢渣或礦渣為主要原料。然而,不同產(chǎn)地的原料組成不同且很復(fù)雜,因而地質(zhì)聚合物的應(yīng)用受到很大的限制。溶膠-凝膠法是近年來發(fā)展起來的一種粉體制備的新型方法,當(dāng)采用該方法合成地

2、質(zhì)聚合物材料的原料時(shí),則可控制原料成分配比,即原料成分可任意調(diào)整,并且非常純凈。若應(yīng)用該方法合成出的粉體具有堿激活性,則可人為設(shè)計(jì)粉體的成分與組成,這就有利于控制地質(zhì)聚合物材料制品的純度和性能。因此,地質(zhì)聚合物的應(yīng)用會(huì)有更加廣闊的前景。
　　 本文參照偏高嶺土的主要組成,采用化學(xué)合成方法,以正硅酸乙酯(TEOS)和水合硝酸鋁(ANN)為主要原料,制備了純凈的Al2O3-2SiO2粉體,對其堿激活性及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及制備工藝參數(shù)優(yōu)化

3、等進(jìn)行了系統(tǒng)研究,主要研究結(jié)果如下:
　　 采用溶膠-凝膠法,合成了具有堿激活性的Al2O3-2SiO2粉體,采用該粉體制備的膠凝材料符合地質(zhì)聚合物的主要標(biāo)志性特征。同時(shí),采用該法也制備了具有堿激活性的不同硅鋁比粉體。由于溶膠-凝膠法合成地質(zhì)聚合物材料粉體可控制原料配比,且原料成分純凈,這不僅有利于控制地質(zhì)聚合物材料制品的純度和性能,還為理論設(shè)計(jì)地質(zhì)聚合物的組成和性能提供了可能。
　　 以地質(zhì)聚合物材料的機(jī)械性能(抗壓強(qiáng)

4、度)為優(yōu)化目標(biāo),研究了粉體制備過程中合成溫度、乙醇用量、水用量、陳化時(shí)間、干燥時(shí)間、煅燒時(shí)間、煅燒溫度等工藝因素對粉體堿激活性的影響。確定了制備高活性粉體的適宜工藝參數(shù)如下:合成溫度,70℃;乙醇用量n(EtOH)/n(TEOS)一般控制在6左右。水用量n(H2O)/n(TEOS)一般控制在9左右;陳化時(shí)間,12h;干燥時(shí)間,10h左右;煅燒溫度一般700℃～800℃;煅燒時(shí)間,4h。
　　 以地質(zhì)聚合物材料的機(jī)械性能(抗壓強(qiáng)度

5、)為優(yōu)化目標(biāo),研究了地質(zhì)聚合物制備過程中硅含量、鈉含量、鋁含量、水含量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間和養(yǎng)護(hù)溫度等工藝因素對抗壓強(qiáng)度的影響。確定了制備地質(zhì)聚合物材料的適宜工藝參數(shù)如下:地質(zhì)聚合物材料的原料配比,n(SiO2)/n(Al2O3)為3.0～3.5、n(H2O)/n(Al2O3)約為10左右、n(Na2O)/n(Al2O3)約為1左右;養(yǎng)護(hù)溫度不超過70℃。
　　 通過XRD、FTIR.、27Al和29SiNMR等測試手段對本研究制備的Al

6、2O3-2SiO2粉體以及地質(zhì)聚合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,該粉體的結(jié)構(gòu)特征與偏高嶺土相似;而且,該粉體堿激后制得的地質(zhì)聚合物與偏高嶺土堿激后制得的地質(zhì)聚合物其結(jié)構(gòu)特征相似。然而,該粉體開始具有堿激活性的煅燒溫度(300℃)低于高嶺土開始轉(zhuǎn)變?yōu)槠邘X土的煅燒溫度(500℃)。
　　 通過DTS、TEM、SEM、BET低溫液氮吸附等分析手段研究了溶膠—凝膠體系中水用量、乙醇用量、水解溫度、陳化時(shí)間、干燥方式等工藝因素對Al2O3-2Si

7、O2粉體的粒度、比表面和結(jié)構(gòu)的影響。確定了制備低團(tuán)聚的Al2O3-2SiO2納米粉體的優(yōu)化工藝參數(shù)為:水及乙醇對硝酸鋁的摩爾比分別為0:1和16:1、合成溫度為40℃、凝膠陳化時(shí)間為36小時(shí)、共沸蒸餾脫水結(jié)合微波加熱干燥。實(shí)驗(yàn)中制得粉體的平均粒徑為70～80nm,最大比表面積可達(dá)669m2/g。
　　 采用共沉淀法,以正硅酸乙酯(TEOS)和水合硝酸鋁(ANN)為主要原料,采用不同沉淀方式合成了具有堿激活性的Al2O3-2SiO

8、2粉體。結(jié)果表明:滴加方式制備的粉體的堿激活性高于一次性加入方式。
　　 利用XRD、ICP、SEM、FTIR、27Al和29SiNMR等測試手段,研究了制品在固化過程中的反應(yīng)機(jī)理。首先,粉體在堿性條件下發(fā)生溶解,其中Si-O-Si、Al-O-Si鍵發(fā)生斷裂,生成[Al(OH)4]-、[SiO(OH)3]-和[SiO2(OH)2]-單聚體或其它低聚體,溶解過程中,鋁的溶出速率快于硅的溶出速率;然后,生成的這些組分或低聚體之間發(fā)生

9、聚合作用,脫水形成非晶質(zhì)物相的地質(zhì)聚合物,聚合過程中,鋁酸鹽基團(tuán)與硅酸鹽基團(tuán)反應(yīng)較快,而硅酸鹽基團(tuán)之間反應(yīng)較慢。如果反應(yīng)物系中名義化學(xué)式相同,在堿激液模數(shù)較低的范圍內(nèi),堿激液中的硅占總硅比率增加時(shí),有利于地質(zhì)聚合反應(yīng)的進(jìn)行。通過粉體中Al的溶出活性研究表明,粉體在NaOH溶液中Al的溶出活性并不能完全反映粉體的堿激活性。
　　 高堿激活性的Al2O3-2SiO2粉體具有高含量的5配位Al;溶膠凝膠法制備粉體的堿激活性高于共沉淀法