外文翻譯(中文)偏高嶺土地質聚合物的制備和力學性能研究

1、<p><b>　　中文4166字</b></p><p>　　出處：Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 268 (2005) 1–6</p><p>　　偏高嶺土地質聚合物的制備和力學性能研究</p><p>　　Hongling Wang a,b,?, Haihon

2、g Lia, Fengyuan Yan a</p><p>　　a State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China</p><p>　　b Graduate School of

3、 the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864, China</p><p>　　摘 要：偏高嶺土基地質聚合物是通過對偏高嶺土在20℃左右時使用氫氧化鈉溶液（4-12mol/L）和水玻璃溶液激發(fā)制備得到的。在制備過程中在模具中對反應產物施以4MPa壓力并放在65℃恒溫箱中處理10小時后對材料的抗折強度、抗壓強度和表觀密度進行系統(tǒng)測量。通過x射線衍射(XRD)、掃

4、描電子顯微鏡（SEM）和紅外光譜(IR)研究了氫氧化鈉溶液濃度對偏高嶺土地質聚合物的機械和化學性能的影響。結果表明：隨著氫氧化鈉溶液的濃度在4-12mol/L范圍內增加，地質聚合物的抗壓強度、抗折強度和表觀密度也相應提高。試樣在空氣中的貯存時間對抗折強度影響很小然，而對抗壓強度和表觀密度幾乎沒有影響。X射線衍射和紅外光譜的分析表明地質聚合物材料是由非晶相和半晶相組成，這些非晶相和半晶相主要包括來源于偏高嶺土煅燒過程中空氣中的水和少量惰性

5、成份。地質聚合物中非晶相的含量隨著氫氧化鈉濃度提高而增加。掃描電子顯微鏡的結果表明制備的地質聚合物維持了偏高嶺土微粒的層狀結構，所以認為地質聚合物反應主要發(fā)生在偏高嶺土顆粒的微晶表面上。但是這種推測需要更深層次的研究論證。這種材料的強度數(shù)據(jù)顯示這種基于偏高嶺土的膠體反應會使得</p><p>　　關鍵詞：地質聚合物；偏高嶺土；聚合反應；抗折強度；抗壓強度</p><p><b>

6、　　1、引言</b></p><p>　　Davidovits首先在1978年報道了地質聚合物[1]。作為一種具有部分陶瓷性能的無機材料，地質聚合物以其經濟友好及耐火的特點引起了人們的注意[2]。地質聚合物反應可重新利用一些具有變形性能的廢品，如粉煤灰[3]。對地質聚合物反應機理的研究，有助于對具有火山灰效應的材料，如粉煤灰，進行高效利用。地質聚合物可用來固化有毒金屬[4,5]。由于其獨特的籠狀結構，

7、地質聚合物甚至被認為可以用來凝固放射性元素。</p><p>　　通常情況下，通過由水化碳酸鹽和水化硅酸鹽組成的催化劑激發(fā)鋁硅酸鹽，地質聚合物可以在室溫或者稍高于室溫下合成。它是低水分含量系統(tǒng)中的膠體反應。鋁硅酸鹽主要是以固體粉末的形式參加反應，而激發(fā)劑則很容易由NaOH或者KOH溶液和水玻璃或者鉀水玻璃制備得到。根據(jù)Davidovits所說的，地質聚合物是由Si-O-Al所聚合成的網狀結構組成。[SiO4] 四

8、面體和[AlO4]四面體通過一個共用氧交替連接，地質聚合物的反應如下[1]： </p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　在分子式（1）中可見，有別于(2SiO2,Al2O3)的鋁硅酸鹽氧化物，（Si2O5，Al2O2）是一種以AL為中心的四配位物質。硅酸鈣

9、溶液中二氧化硅以單體或者聚合物形式存在。分子式（2) 式表示地質聚合物的最終骨架和基質中的電價平衡。</p><p>　　由反應進程可見，鋁硅酸鹽和催化劑兩大因素直接影響最終產物。固態(tài)鋁硅酸鹽的性能將直接影響溶解過程和隨后的反應，而液體激發(fā)劑將部分或完全溶解固體原材料和決定鋁硅酸鹽結構的破壞與重組，及聚合度。同時改變了反應系統(tǒng)中電價平衡。</p><p>　　高嶺土作為原材料被廣泛的用于制

10、備地質聚合物[5,7–12]。通過對高嶺土進行一系列如煅燒、減少鐵和漂白處理后可制備得偏高嶺土。偏高嶺土作為一種比高嶺土具有更高反應活性的的人工火山灰質材料，已被廣泛用于工業(yè)。Barbose從偏高嶺土中合成了K-PS和K-PSDS，并且發(fā)現(xiàn)這種地質聚合物具有良好的耐熱性，K-PS甚至在加熱到1400℃都無明顯的液相生成 [2]。然而目前尚未看見關于催化劑對地質聚合物材料的力學和化學性能的影響的報導。 本文中偏高嶺土被用來作為合成地質聚合

11、物的原材料，同時對液體催化劑對力學強度和化學性能的影響也進行了系統(tǒng)的研究。本文的研究結果將有助于解釋地質聚合物，這一比傳統(tǒng)水泥具有更高的力學強度的材料的利用。</p><p><b>　　2、試 驗：</b></p><p><b>　　2.1 原材料</b></p><p>　　分析級偏高嶺土，NaOH溶液，工業(yè)水玻璃

12、，蒸餾水。</p><p>　　偏高嶺土的化學成份由JSM-5600LV掃描電鏡（SEM）和KEVEX能譜儀(EDS)測得。測試結果如表1所示：</p><p>　　表1 SEM和EDS測偏高嶺土聚合物 </p><p><b>　　2.2 試驗方法</b></p><p>　　在一系列集中研究地質聚合物在模具

13、中壓縮并拆模的試驗中，得出地工合成物反應里固體材料與液體激發(fā)劑的最佳質量比是3：1。其中的液體激發(fā)劑是由氫氧化鈉溶液和水玻璃溶液以4.15：1的質量比制成的。為了了解這種催化劑對地質聚合物材料性能的影響，我們用一系列4、6、8、10、12mol/L的氫氧化鈉溶液和模數(shù)n=3.2的水玻璃溶液進行了測試。本文中4、6、8、10、12mol/L的氫氧化鈉溶液和模數(shù)n=3.2的水玻璃溶液被采用來進行測試。</p><p>

14、;　　將按照上述比例制成的催化劑加入偏高嶺土粉末中，并攪拌5分鐘。然后將混合物倒入長方體或圓柱體的模具中，在4MPa的壓力和室溫下擠壓大約3分鐘，并分別制成6mm×7mm×30mm和φ13mm×26mm的樣品。之所以將壓力定位4MPa，是因為在4MPa壓力下，由于攪拌的停止和試樣早期強度值很高，會有大部分空氣氣泡進入合成產物。模具試樣通過放在室溫下60分鐘然后放在65℃的烘箱中10小時的手段來實現(xiàn)其強度的發(fā)

15、展。加工的試樣的在65℃以下時會避免裂紋產生。試樣在65℃以下養(yǎng)護，可以有效的避免裂紋的產生。最后測量試樣的強度。</p><p><b>　　2.3 儀器</b></p><p>　　試樣的7天、14天、21天、28天和35天的彎曲強度和抗壓強度由目前通用的測量儀DY35（法國制造），分別以3N/s，30N/s的速度（參考：滑動速率分別為0.05毫米/分鐘,0.1

16、毫米/分鐘）加壓測得，試樣的密度由試樣的質量和體積求得。</p><p>　　用X射線衍射儀D/max-RB和JSM-5600LV掃描電子顯微鏡對試樣的彎曲強度測量后，再用XRD和SEM對試樣橫截面處進行單獨分析。試樣的化學成分用紅外光譜進行分析。</p><p><b>　　3、結果與討論</b></p><p>　　3.1 XRD衍射圖像

17、分析</p><p>　　圖1顯示的是在空氣中放置7天的偏高嶺土和反應產物的X射線衍射花樣。實驗中的堿激發(fā)劑由水玻璃溶液和不同濃度的氫氧化鈉溶液制成</p><p>　　圖1：偏高嶺土和反應產物的XRD圖</p><p>　　XRD衍射圖像表明偏高嶺土有些成分如石英和莫來石等始終未參與反應。</p><p>　　在18°到25

18、76;的角度范圍內，偏高嶺土的XRD圖像顯示偏高嶺土中混合了半晶相和非晶相，在這個波段范圍內強度相對較小的反應產物的XRD圖像則表明地質聚合物材料完全由非晶相組成。另外，從XRD圖像中，我們可以得出這樣的結論：氫氧化鈉溶液濃度越高，反應產物中非晶相含量越高。</p><p>　　與沸石的合成過程相似[10]，地質聚合物的聚合包括固體反應物的溶解，然后溶解物傳遞到膠體表面繼而成核繼生成新的成凝膠，凝膠再聚合老化的過

19、程。關于現(xiàn)階段的固液反應研究工作，考慮到地質聚合物聚合過程中液體激發(fā)劑對地質低聚物的激發(fā)是主要固體-液體反應。本文中，液體激發(fā)劑（由氫氧化鈉溶液和水玻璃溶液組成）在地質聚合物聚合過程中所起的不同作用得到重點關注。主要是弄清試劑中的液體激發(fā)劑（由氫氧化鈉溶液和水玻璃溶液組成）在地質聚合物聚合過程中起的不同作用。具體來說是對固體原材料質點部分或完全被堿溶液溶解，產生大量富含Si和Al，如鋁硅酸鹽四面體結構單元等可溶性反應物；這些可溶性硅酸鹽

20、通過提供自發(fā)聚合物質（如單體、二聚物和較大的低聚物）和硅酸鹽單體之間聚合或者AlO4—和硅酸鹽單體之間聚合來催化聚合這一過程進行研究。這種反應過程的產物基本上都是非晶相。</p><p>　　3.2 紅外光譜衍射圖像分析</p><p>　　圖2表示的是原材料偏高嶺土和對應的地質聚合物的紅外光譜圖像。在IR測試中用到的地質聚合物試樣是由水玻璃溶液和8mol/L的氫氧化鈉溶液合成的。地質聚合

21、物在波長大約3420cm-1還有1680cm-1時的IR光譜上的寬頻地質聚合物在IR圖譜上，3420cm-1及1680cm-1附近的花樣表明模具中地質聚合物試樣里存在大氣吸附水[6]。偏高嶺土的IR光譜中顯著吸收的頻率大約1098、826、469cm-1分別表示Si-O彈性震動、Si-O-Al震動和彎曲震動。450—1200cm-1范圍內偏高嶺土和地質聚合物的IR光譜只有一點點不同。這表明原材料分子鏈的絕大多數(shù)震動形式依然會出現(xiàn)在地質聚

22、合物聚合反應產品產物中。</p><p>　　圖2：偏高嶺土以及對應的地質聚合物的紅外光譜</p><p>　　3.3 掃描電子顯微鏡觀察</p><p>　　圖3是在8mol/L氫氧化鈉溶液下合成的反應產物橫截面的SEM圖像。偏高嶺土基地質聚合物呈松散的微結構狀，尤其是考慮到這些圖像是取自于抗彎曲強度實驗中試樣的橫截面。另外，地質聚合物跟偏高嶺土具有與薄片一樣的

23、層狀結構。因為固液反應系統(tǒng)可以被看作含水量相對較低的凝膠系統(tǒng)，基于此，可以作出以下猜想：地質物聚合反應和成型過程中固體原材料保持其形狀幾乎不變。圖3中的SEM圖像也為地質聚合反應主要發(fā)生在固體顆粒微晶表面上這一假設提供了更有力的證據(jù)[7]。</p><p>　　圖3：偏高嶺土基地質聚合物的掃描電子顯微鏡圖像</p><p><b>　　3.4 力學性能</b><

24、;/p><p>　　圖4所示為合成的地質聚合物的抗彎曲強度、抗壓強度和表觀密度數(shù)據(jù)。</p><p>　　A、C、E圖中的樣品是由水玻璃溶液和4–12mol/L的氫氧化鈉溶液組成的激發(fā)劑激發(fā)合成并在空氣中放置7天，B、D、F圖中的樣品則是由水玻璃溶液和8mol/L的氫氧化鈉溶液組成的激發(fā)劑激發(fā)合成。</p><p>　　圖4所示為地質聚合物的抗折強度、抗壓強度和表觀密度

25、隨氫氧化鈉溶液濃度的變化規(guī)律。地質聚合物框架的形成很大程度上取決于偏高嶺土的溶解程度，而偏高嶺土的溶解程度又直接受氫氧化鈉溶液濃度的影響。越高濃度的氫氧化鈉溶液對偏高嶺土顆粒有越好的溶解能力，也會為單體提供更多的活性結合也會為單體的聚合提供更多的活性殘鍵。單體的活性結合點越多，地質聚合物分子間的粘結力也越強。試樣在空氣中放置20天后抗折強度略有增加（見圖B）。這可能由于大氣中的水分對緩慢而長期的聚合反應的影響造成的。試樣的抗壓強度幾乎不

26、受儲存時間的影響（見E、F圖）。</p><p>　　綜上，地質聚合物的聚合反應過程可具體地表示如下：首先，偏高嶺土顆粒的表層被氫氧化鈉溶液溶解，可溶性鋁硅酸鹽單元在來自于水玻璃溶液中可自發(fā)聚合物質(包含Si-O-Si鏈的單體、二聚體和較大的低聚物)的存在下而立即被聚合；然后，被溶解了的偏高嶺土顆粒被聚合產物網絡所連接。因為高濃度的氫氧化鈉溶液對偏高嶺土顆粒具有更好的溶解能力并且形成了一個由溶解了的偏高嶺土顆粒加

27、強了連接的聚合網絡，所以用更高濃度氫氧化鈉溶液來制成更緊湊和力學強度更高的地質聚合物試樣這種方法是可行的。</p><p>　　圖4：偏高嶺土基地質聚合物的抗彎曲強度（A和B）、抗壓強度（C和D）、表觀密度（E和F）</p><p><b>　　4、結論</b></p><p>　　由氫氧化鈉溶液和水玻璃溶液激發(fā)偏高嶺土合成的偏高嶺土基地質聚合

28、物材料主要是非晶相，它包含大氣中的吸附水。它的層結構和偏高嶺土顆粒的薄片狀結構相似，這也說明主要相，尤其是偏高嶺土顆粒的薄片結構仍然會在地質聚合物聚合反應、養(yǎng)護和成型過程中存在。系統(tǒng)中的膠體反應主要發(fā)生在偏高嶺土顆粒的微晶表面上。</p><p>　　地質聚合物的的力學性能主要取決于氫氧化鈉溶液的濃度。地質聚合物的抗折強度、抗壓強度和表觀密度隨著氫氧化鈉溶液濃度在4–12mol/L范圍內提高而增加。這是因為偏高嶺

29、土顆粒溶解度的增大，導致在高氫氧化鈉溶液下單體濃度加速增大。</p><p>　　特別感謝：感謝中國自然科學基金會 (NSFC, China No.50432020)的經費資助。來自于國家固體潤滑重點實驗室的趙家政教授、周金芳博士和工程師李和還有閆杰等作出的SEM、XRD和IR分析。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p&g

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