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地聚合物
发布时间:2020-11-22 16:12 来源:未知

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  地聚合物的概念是在1978年由法国人Davidovits提出的,它是一种由AlO4和SiO4四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物,化学式为Mn{-(SiO2)zAlO2}n·wH2O,无定形到半晶态,属于非金属材料。这种材料具有优良的机械性能和耐酸碱、耐火、耐高温的性能,有取代普通波特兰水泥的可能和可利用矿物废物和建筑垃圾作为原料的特点,在建筑材料、高强材料、固核固废材料、密封材料、和耐高温材料等方面均有应用。

  人们对地聚物学科的研究源自于科学家们对水泥硬化机理研究的成果。20世纪30年代,美国的Purdon

  前苏联投人了大量的人力、物力对碱激活材料进行了大量的、系统的研究。他们发现除了氢氧化钠以外,碱金属的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、氟化物、硅酸盐和铝硅酸盐等都可以作为反应的激活剂

  随后J.Davidovits开始对地聚合物材料的内部结构进行了细致的研究,并于随后几年里申请了大量的专利。他以硅铝察白比(Si/Al)为依据,将地聚物材料的结构大致分为三类:PS(Si/Al=1)、PSS(Si/Al=2)和PSDS(Si/Al=3)。1987年,宾州大学的Della.M.Roy教授,以水泥为对比,详细阐述了化学碱合陶瓷(碱激活聚铝硅酸盐材料)的优异性能

  最为广泛接受的的是法国J.Davidovits提出的解聚和缩聚的理论。他认为地聚物材料的凝结硬化过程就是原材料中硅氧键和铝氧键在碱性催化剂作用下断裂后再重组的反应过程。

  J.Davidovits在研究中假设铝硅酸盐地聚合过程是通过一些假设基团逐步发生缩聚过程,这些假设的组成单元进一步缩聚形成三维大分子结构。他将这些低相对分子质量单元(单体、二聚体、三聚体等)称为低聚物。低聚硅铝酸盐指的是单体正硅铝酸盐、二聚体二硅铝酸盐等;类似的,也有低聚硅铝酸盐—硅氧体和低聚硅铝酸盐—二硅氧体。

  (3)凝胶相M {一(SiO2)z—AlO2}n·wH2O的形成, 导致在碱硅酸盐溶液和铝硅配合物之间发生聚合作用;。

  (4)凝胶相逐渐排除剩余的水分, 固结硬化成矿物聚合朵局求材料块体 。

  对于不同原料成分、不同用途的地聚合物材料,其具体反应机理不完全相同,但懂拔挨骨干反应为上述过程。

  地聚合物本身是个氧化物网络结构体系,在1000℃一1200℃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。组兵凳经复合改性后.材料的抗压、抗拉、抗弯曲强度都是普通水泥基材的酷删炼朵10倍以上,同时高温性能好、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、航拘纸己润空、土木工程、铸造、装饰

  地聚合物的优良性能一方面源于其稳定的网络结构,另一方面是因为可以完成避免普通水泥因金属离子迁移与骨料反应而引起的碱集料反应,没有膨胀(普通硅酸盐水泥混凝土在200天后因碱集料反应而膨胀1.5mm/m,是极大的安全隐患),因而经受自然破坏的能力很强。J.Davidovits在对罗马古竞技场、希腊古Cister混凝土墙、埃及古金字塔等考察后,发现这些古建筑物材料具有“类沸石”结构,并认永尝旬为这是那些古建筑能够屹立千年的主要原因。

  硅元素存在稳定的+4价态,因此地聚合物材料中的硅氧四面体显电中性;铝氧四面体中的铝元素是+3价态,但却与四个氧原子结合成键,因此铝氧四面体显电负性,需要吸收体系中的正离子来平衡电荷,总的结果使体系显电中性。铝离子的这一行为以及地聚合物材料本身的结构特点,使得该种材料具备多种功能特性。

  地聚合物的结构是由环状分子链构成的“类晶体”结构。环状分子之问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认为金属离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%

  地聚反应过程中,溶胶的形成和脱水反应速度比较快,网络骨架比较容易形成,另外微波、加热、干燥对反应都有促进作用。

  地聚合物网络结构中Si—O和Al—O在室温下较难与酸(HF酸除外)反应,

  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。所以,地聚合物废料经粉碎后,应该可以直接当作原料再来制各地聚合物材料,这样就节省了大量的原材料、能源并减少对环境的污染。

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